Materiali ad alto, medio e basso coefficiente di espansione termica (CTE)

Introduzione

I materiali cambiano dimensione quando vengono riscaldati o raffreddati. Il grado di variazione è misurato dal coefficiente di espansione termica. Un CTE elevato significa che un materiale si espande molto quando viene riscaldato. Un CTE basso significa che non cambia quasi per niente.

Materiali ad alto CTE

I materiali ad alto CTE si espandono notevolmente al variare della temperatura. Alcuni metalli e la maggior parte delle materie plastiche rientrano in questa categoria.

I metalli

L'alluminio ha in genere un CTE di circa 23 x10-⁶/K. Il rame ha solitamente un CTE di 17 x10-⁶/K. L'acciaio ha un CTE compreso tra 11 e 13 x10-⁶/K.

Polimeri e plastiche

Le materie plastiche possono avere un'espansione termica estremamente elevata. Ne sono un esempio il polietilene, il polipropilene e il politetrafluoroetilene (PTFE), che di solito hanno CTE compresi tra 50 e 200 x10-⁶/K. Questi tipi di materiali sono utilizzati nella maggior parte delle parti in plastica e nelle applicazioni domestiche in cui l'espansione deve essere presa in considerazione durante il processo di progettazione.

I materiali ad alto CTE sono utilizzati negli oggetti di uso quotidiano. Il telaio di una porta in alluminio può necessitare di spazi vuoti per evitare che si attacchi durante le calde giornate estive. Le plastiche sulle confezioni si gonfiano notevolmente alla luce del sole.

Materiali a medio CTE

I materiali a medio CTE non si gonfiano come le plastiche o alcuni metalli, ma cambiano comunque con la temperatura. Alcune ceramiche e materiali compositi rientrano in questa categoria.

Ceramica

Le ceramiche come l'allumina hanno un CTE compreso tra 5 e 8 x10-⁶/K. Il valore del nitruro di silicio è più basso, da 3 a 4 x10-⁶/K. Sono molto apprezzati perché sono resistenti alle alte temperature. Le parti in ceramica sono utilizzate nei motori e nei dispositivi elettronici.

Materiali compositi

I materiali compositi, come i polimeri rinforzati con fibre di carbonio (CFRP) e i polimeri rinforzati con fibre di vetro (GFRP), sono realizzati per ottenere un compromesso tra resistenza e minima espansione termica. Sono utilizzati nei componenti aerospaziali e negli articoli sportivi, dove è importante la precisione delle dimensioni.

I materiali a medio CTE rappresentano un compromesso tra elevata espansione e stabilità rigida. Gli ingegneri scelgono questi materiali quando è ammessa una moderata variazione termica o quando è necessario tenere conto dei costi.

Materiali a basso CTE

I materiali a basso CTE subiscono una lievissima variazione dimensionale al variare della temperatura. Questi tipi di materiali sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di precisione.

Leghe e metalli speciali

Una lega specifica come l'Invar, che è una lega di ferro-nichel composta da circa il 36% di nichel, ha tipicamente un CTE di circa 1 x10-⁶/K. L'Invar è utilizzato nella strumentazione scientifica, negli orologi e in altri componenti di precisione in cui la variazione minima è fondamentale.

Vetri e ceramiche

La silice fusa, un vetro, ha un valore CTE di circa 0,5 x10-⁶/K. Anche il materiale a bassa espansione Zerodur rientra in questa categoria. Questi materiali sono utilizzati negli specchi dei telescopi, nelle apparecchiature di laboratorio e nei dispositivi di precisione. La loro bassa espansione garantisce la precisione al variare della temperatura.

Tabella o grafico di confronto tra materiali ad alto, medio e basso CTE

Questa tabella fornisce semplicemente valori importanti. Aiuta a confrontare quale materiale potrebbe essere appropriato per un determinato requisito di progettazione. Per ulteriori informazioni, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Conclusione

Comprendere il coefficiente di espansione termica nella scelta dei materiali. I materiali con CTE elevato, come la maggior parte delle materie plastiche e dei metalli, cambiano molto. I materiali con CTE medio, come le ceramiche e i compositi, bilanciano l'espansione con la resistenza. I materiali a basso CTE, come l'Invar e la silice fusa, non si modificano molto con le differenze di temperatura.

Domande frequenti

F: Che cos'è il coefficiente di espansione termica?

D: È una misura della misura in cui un materiale si espande o si contrae con le variazioni di temperatura.

F: Perché l'espansione termica è importante nella progettazione?

D: Influisce sulla precisione dimensionale, sulle prestazioni e sulla sicurezza dei sistemi meccanici o elettrici.

F: Qual è il materiale con la minore espansione termica?

D: La silice fusa e le leghe speciali come l'Invar sono note per avere una bassa espansione termica.