Convertor de dilatare termică

Coeficienții de dilatare termică în ingineria materialelor

Coeficientul de dilatare termică (CTE) cuantifică cât de mult se dilată sau se contractă un material pe unitate de lungime (sau volum) pentru fiecare grad de variație a temperaturii. CTE liniar (α) este definit astfel încât ΔL/L = α-ΔT, unde ΔL este modificarea lungimii, L este lungimea inițială, iar ΔT este modificarea temperaturii. Unitatea SI este per kelvin (K-¹), dar inginerii folosesc și per grad Celsius (mărime identică), per grad Fahrenheit și părți per milion per grad Celsius (ppm/°C sau μm/(m-°C)).

Expansiunea termică este un parametru critic de proiectare în aproape toate disciplinele inginerești. Podurile se dilată în căldura verii; componentele electronice se dilată în timpul funcționării; paletele turbinelor cu gaz se dilată la temperaturile de ardere. Nepotrivirile materialelor în CTE cauzează oboseală termică, delaminare și defecțiuni structurale. Conversia corectă a unităților între K-¹ și °F-¹ este esențială atunci când se amestecă date despre materiale din surse americane și europene.

Unități și relații

Deoarece gradele Kelvin și Celsius au aceeași dimensiune, valorile CTE în K-¹ și °C-¹ sunt identice din punct de vedere numeric. Un CTE al oțelului de 12×10-⁶ K-¹ este scris în mod egal ca 12 μm/(m-°C) sau 12 ppm/°C. Notațiappm/°Ceste deosebit de populară în electronică deoarece evită scrierea numerelor foarte mici: 12 ppm/°C înseamnă 12 părți pe milion pe grad Celsius de schimbare a lungimii.

Conversia în unități Fahrenheit necesită factorul 5/9 (deoarece un interval de 1 °F = 5/9 °C): CTE în °F-¹ = CTE în °C-¹ × 5/9. Oțel la 12 ppm/°C = 12 × (5/9) = 6,67 ppm/°F = 6,67×10-⁶ °F-¹. Unitatea Rankine (°R) are aceeași dimensiune a gradelor ca Fahrenheit, deci CTE în R-¹ = CTE în °F-¹.

Materiale comune și CTE-urile lor

Selectarea materialului depinde adesea de compatibilitatea CTE.Oțelul are un CTE de aproximativ 11-12 ppm/°C (6,1-6,7 ppm/°F).Aluminiul are un CTE de 23 ppm/°C (12,8 ppm/°F) - aproape dublu față de oțel, motiv pentru care structurile din aluminiu au nevoie de rosturi de dilatare atunci când sunt conectate la cadre din oțel.Invar (un aliaj nichel-fier) a fost dezvoltat special pentru CTE-ul său extrem de scăzut de aproximativ 1,2 ppm/°C, ceea ce îl face ideal pentru instrumente de precizie, bancuri optice cu laser și standarde de măsurare.

Siliconul are un CTE de 2,6 ppm/°C. Multe substraturi comune ale plăcilor de circuite (FR4 epoxid fibră de sticlă) au CTE-uri în plan de aproximativ 14-17 ppm/°C - semnificativ nepotrivite cu cipurile de siliciu. Această nepotrivire cauzează oboseala îmbinărilor de lipire în electronicele montate la suprafață. Proiectanții de PCB-uri specifică valorile CTE din fișele tehnice ale materialelor furnizate în ppm/°C (sistem metric) sau ppm/°F (SUA), fiind necesară conversia atunci când se lucrează cu biblioteci de componente de origine mixtă.

Aplicații de inginerie în SUA și Regatul Unit

Inginerii civili atât din SUA, cât și din Regatul Unit trebuie să țină cont de dilatarea termică în proiectarea podurilor. AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (SUA) specifică un coeficient de dilatare termică pentru oțel de 6,5×10-⁶ pe °F și pentru beton de 6,0×10-⁶ pe °F. Standardele de proiectare din Regatul Unit (Eurocode 1, BS EN 1991-1-5) specifică 12×10-⁶ pe °C pentru oțelul structural și 10×10-⁶ pe °C pentru beton - aceeași valoare fizică exprimată în unități diferite.

Un pod de oțel de 100 m din Regatul Unit se confruntă cu un interval de temperatură de aproximativ -15 °C la +40 °C (interval de 55 °C). Expansiunea termică este ΔL = 100 m × 12×10-⁶ °C-¹ × 55 °C = 66 mm. Inginerul trebuie să prevadă rosturi de dilatație care să acomodeze această mișcare. În SUA, același calcul utilizează °F: 0 m × 6,5×10-⁶ °F-¹ × 99 °F = 64 mm - aproape identic, confirmând coerența unității.

Inginerie aerospațială și de precizie

Aerospace structures experience extreme thermal gradients. A jet aircraft skin may range from −60 °C at cruise altitude to +90 °C on the ground in summer — a 150 °C range. Composites used in modern aircraft (carbon fibre epoxy) have CTEs as low as 0–2 ppm/°C, far below aluminium's 23 ppm/°C, which is why composite-to-metal joints require careful design. NASA and UK aerospace contractors (Rolls-Royce, BAE Systems) publish CTE data in ppm/°C (SI) and ppm/°F (US Customary) in different standards documents.