Coefficiente di espansione termica

Coefficiente di espansione termica

Il coefficiente di espansione termica quantifica l'entità della variazione dimensionale che si verifica in un materiale in funzione della temperatura. Misura la variazione dimensionale per grado di temperatura, tipicamente registrata in °C (°C-¹) o in Kelvin (K-¹), ed è una proprietà chiave del materiale utilizzata nella previsione della risposta del materiale in ambienti riscaldati e raffreddati. Sebbene esista un metodo matematico per descrivere il CTE, il principio di base è piuttosto semplice: i materiali si espandono con il riscaldamento e si contraggono con il raffreddamento; tuttavia, il grado di espansione dipende dalla struttura atomica, dal tipo di legame e dalla microstruttura.

Fattori che influenzano l'espansione termica

1. Composizione del materiale

A seconda del loro legame, le classi di materiali hanno risposte di espansione termica molto diverse.

• Metalli: Di solito presentano valori di CTE più elevati poiché, nei legami metallici, gli atomi possono vibrare più liberamente (ad esempio, alluminio ≈ 23 × 10-⁶ °C-¹).
• Ceramica: Grazie ai legami ionici/covalenti rigidi, hanno un basso CTE. La silice fusa, ad esempio, ha un CTE ≈ 0,5 × 10-⁶ °C-¹.
• Polimeri: molto spesso hanno valori di CTE non lineare molto elevati, come il polietilene ≈ 100 × 10-⁶ °C-¹.

• Materiali compositi: Il loro CTE dipende dalla combinazione fibra/matrice; i compositi in fibra di carbonio possono persino realizzare un'espansione termica prossima allo zero.

2. Intervallo di temperatura

Il CTE non è necessariamente costante. Molti materiali presentano:

- comportamento lineare in un intervallo di temperatura moderato

- Espansione non lineare in prossimità di transizioni di fase o di temperature elevate.

L'acciaio, ad esempio, ha un CTE approssimativamente lineare nell'intervallo 20-100°C, ma i suoi tassi di espansione aumentano con l'aumentare della temperatura e con la crescente vicinanza al punto di ricristallizzazione.

3. Anisotropia strutturale

Se un materiale è anisotropo, subirà un'espansione disuguale lungo diversi assi.

- Il legno si espande molto attraverso le venature, ma molto poco lungo le venature.

4. Sollecitazioni esterne e residue

Le sollecitazioni interne possono essere introdotte da processi produttivi come la saldatura, la lavorazione meccanica e la lavorazione a freddo. Tali sollecitazioni possono aumentare o contrastare il comportamento naturale di espansione e alterare di conseguenza il CTE effettivo.

5. Esposizione ambientale

Il CTE può variare sottilmente nel tempo a causa dell'umidità assorbita, dell'ossidazione e di altre interazioni chimiche. Infatti, molti polimeri assorbono l'umidità e si gonfiano, influenzando le caratteristiche di espansione termica.

Tipi di espansione termica

In generale, esistono tre tipi di espansione termica, a seconda della variazione dimensionale descritta.

1. Espansione termica lineare

Si tratta della variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura.

La maggior parte dei materiali tecnici - metalli, polimeri e componenti strutturali - sono valutati in termini di CTE lineare.

Una barra di alluminio lunga 1 metroCTE ≈ 23 × 10-⁶ °C-¹ si espande di circa 23 micrometri se riscaldata di 1°C.

2. Espansione termica dell'area (bidimensionale)

Per alcune applicazioni - film, rivestimenti, membrane - è necessario capire come si espande l'area superficiale.

Per un materiale isotropo, l'espansione dell'area è circa il doppio del CTE lineare.

Le piastre metalliche dello scambiatore di calore subiscono un'espansione bidimensionale, che può influire sulla tenuta della guarnizione e sul precarico del bullone.

3. Espansione termica volumetrica

Descrive l'espansione tridimensionale del volume. Si usa per fluidi, ceramiche e componenti fusi.

Grandi variazioni volumetriche caratterizzano i polimeri e anche i compositi a matrice polimerica, influenzando la progettazione degli stampi durante la produzione di materie plastiche.

Applicazioni dell'ingegneria dell'espansione termica

1. Ingegneria strutturale e civile

Le grandi strutture dipendono da un fattore critico di progettazione: l'espansione termica.

- I giunti di dilatazione dei ponti sono progettati per assorbire questi spostamenti di diversi centimetri in relazione alle variazioni di temperatura stagionali.

- Le pavimentazioni in calcestruzzo sono intervallate da fessure di espansione per evitare l'instabilità durante il caldo estivo.

- I grattacieli possono variare di alcuni millimetri o centimetri in altezza a causa dei cicli termici giornalieri.

2. Aerei e veicoli spaziali

Gli aerei e i veicoli spaziali sono tipicamente soggetti a gradienti termici estremi:

• Le pale delle turbine dei motori a reazione funzionano a temperature superiori a 1.000°C e devono utilizzare superleghe a base di nichel con un CTE strettamente controllato per prevenire le cricche.
• I componenti ottici dei satelliti sono solitamente realizzati in leghe a bassa espansione, come l'Invar, o in materiali ceramici per mantenere la stabilità dimensionale in orbita.

3. Elettronica e semiconduttori

La mancata corrispondenza del CTE tra i componenti è una potenziale fonte di affaticamento delle saldature e di guasti ai dispositivi:

- I compositi in fibra di vetro progettati per adattarsi all'espansione del rame sono utilizzati nei circuiti stampati (PCB) per migliorare l'affidabilità.

4. Energia e macchinari industriali

L'espansione termica influisce:

Esempi: scambiatori di calore e caldaie, dove i tubi metallici si espandono durante i cicli di attivazione.

Alloggiamenti di turbine - distanze controllate

Gasdotti progettati per flettersi con le stagioni.

5. Ottica di precisione e strumenti scientifici

I materiali a bassissima espansione includono il vetro ULE e la silice fusa, utilizzati nei banchi ottici, nei telescopi e nei sistemi metrologici in cui è richiesta una precisione su scala nanometrica.

Espansione termica dei materiali più comuni

La tabella seguente fornisce esempi di vari materiali e dei rispettivi coefficienti di espansione termica:

Espansione termica dei metalli più comuni

Domande frequenti

Qual è il significato del coefficiente di espansione termica in ingegneria?

Il coefficiente di espansione termica è fondamentale in ingegneria per la progettazione di strutture e componenti in grado di resistere alle variazioni di temperatura senza subire eccessive sollecitazioni o deformazioni. Garantisce l'integrità e la longevità dei materiali utilizzati in varie applicazioni.

Come si misura il CTE?

Di solito si effettua con la dilatometria, in cui la variazione delle dimensioni viene registrata continuamente in condizioni di riscaldamento o raffreddamento controllato.

La purezza influisce sul CTE?

Sì. Le aggiunte di lega, le impurità e i contenuti di difetti possono causare cambiamenti significativi nel CTE. Ne sono un esempio le leghe Invar, dove l'aggiunta di Ni sintonizza in modo preciso l'espansione termica.