المواد ذات معامل التمدد الحراري العالي والمتوسط والمنخفض (CTE)
مقدمة
يتغير حجم المواد عند تسخينها أو تبريدها. ويقاس مدى التغير بمعامل التمدد الحراري. ارتفاع معامل التمدد الحراري يعني أن المادة تتمدد كثيرًا عند تسخينها. ويعني معامل التمدد الحراري المنخفض أنه بالكاد يتغير على الإطلاق.
المواد ذات معامل التمدد الحراري العالي
تتمدد المواد ذات معامل CTE العالي بشكل ملحوظ عند تغير درجات الحرارة. وتندرج بعض المعادن ومعظم البلاستيك ضمن هذه الفئة.
المعادن
يبلغ معدل CTE للألومنيوم عادةً حوالي 23 × 10 ⁶/ك. وعادةً ما يكون النحاس 17×10-⁶/ك. يتراوح الفولاذ من حوالي 11 إلى 13 × 10 ⁶⁶/K.
البوليمرات والبلاستيك
من المحتمل أن يكون للبلاستيك تمدد حراري مرتفع للغاية. ومن الأمثلة على ذلك البولي إيثيلين والبولي بروبيلين والبولي تترافلوروإيثيلين (PTFE)، والتي عادةً ما يتراوح التمدد الحراري CTEs بين 50 و200 x10-⁶/K. تُستخدم هذه الأنواع من المواد في معظم الأجزاء البلاستيكية والتطبيقات المحلية حيث يجب أخذ التمدد في الاعتبار أثناء عملية التصميم.
تُستخدم مواد CTE العالية في الأشياء اليومية. قد يحتاج إطار الباب المصنوع من الألومنيوم إلى ثغرات حتى لا يلتصق في الأيام الحارة في الصيف. البلاستيك على العبوات البلاستيكية يتضخم بشكل كبير في ضوء الشمس.
مواد CTE المتوسطة
لا تنتفخ المواد متوسطة CTE مثل البلاستيك أو بعض المعادن ولكنها لا تزال تتغير مع درجة الحرارة. تندرج بعض المواد الخزفية والمواد المركبة ضمن هذه الفئة.
السيراميك
يحتوي السيراميك مثل الألومينا على CTE من 5 إلى 8 × 10 ⁶/K. وتكون قيمة نيتريد السيليكون أقل من 3 إلى 4 × 10 ⁶⁶/K. وهي ذات قيمة كبيرة لأنها مقاومة للاستخدام في درجات الحرارة العالية. تُستخدم الأجزاء الخزفية في المحركات والأجهزة الإلكترونية.
المواد المركبة
تُصنع المواد المركبة مثل البوليمر المقوى بألياف الكربون (CFRP) والبوليمر المقوى بالألياف الزجاجية (GFRP) للمفاضلة بين القوة وأقل تمدد حراري. وتُستخدم في مكونات الطيران والسلع الرياضية حيث تكون الدقة في الأبعاد مهمة.
مواد CTE المتوسطة هي مفاضلة بين التمدد العالي والثبات الصلب. ويختار المهندسون هذه المواد عندما يكون التغير الحراري المعتدل مسموحاً به أو في حالة وجود اعتبارات التكلفة.
المواد منخفضة CTE
مواد CTE المنخفضة تتغير أبعادها قليلاً جداً مع تغير درجة الحرارة. تستخدم هذه الأنواع من المواد على نطاق واسع في التطبيقات الدقيقة.
السبائك والمعادن الخاصة
إن سبيكة معينة مثل Invar، وهي سبيكة من الحديد والنيكل مصنوعة من النيكل بنسبة 36% تقريباً، عادةً ما يكون معدل CTE حوالي 1 × 10-⁶/K. تُستخدم Invar في الأجهزة العلمية والساعات والمكونات الدقيقة الأخرى حيث يكون الحد الأدنى من التغيير أمرًا بالغ الأهمية.
الزجاج والسيراميك
السيليكا المصهورة، وهي زجاج، تبلغ قيمة CTE حوالي 0.5 × 10 ⁶/K. كما تندرج مادة Zerodur منخفضة التمدد ضمن هذه الفئة. تُستخدم هذه المواد في مرايا التلسكوبات ومعدات المختبرات والأجهزة الدقيقة. ويضمن تمددها المنخفض الدقة في تغير درجة الحرارة.
جدول أو مخطط يقارن بين المواد عالية ومتوسطة ومنخفضة التمدد CTE
|
الفئة |
مثال على المواد |
نطاق CTE (x10-⁶/K) |
|
مواد عالية CTE |
ألومنيوم، نحاس، فولاذ؛ بولي إيثيلين، بولي بروبيلين، PTFE |
المعادن: 11-23؛ بلاستيك 50-200 |
|
مواد متوسطة CTE |
الألومينا، نيتريد السيليكون؛ أليومينا، نيتريد السيليكون؛ بلاستيك مقوى بألياف الكربون |
السيراميك: 3-8؛ المركبات: معتدلة |
|
مواد منخفضة CTE |
إنفار؛ السيليكا المنصهرة، زيرودور |
السبائك: ~1؛ زجاجيات: ~0.5 |
يوفر هذا المخطط ببساطة قيمًا مهمة. فهو يساعد في مقارنة المواد التي يمكن أن تكون مناسبة لمتطلبات تصميم معين. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).
الخلاصة
فهم معامل التمدد الحراري في اختيار المواد. المواد ذات معامل التمدد الحراري CTE العالي، مثل معظم المواد البلاستيكية ومعظم المعادن، تتغير كثيرًا. أما المواد ذات معامل التمدد الحراري CTE المتوسط، مثل السيراميك والمركبات، فتوازن بين التمدد والقوة. المواد ذات CTE المنخفضة، مثل Invar والسيليكا المنصهرة، لا تتغير كثيرًا مع الاختلافات في درجات الحرارة.
الأسئلة المتداولة
س: ما هو معامل التمدد الحراري؟
س: هو قياس لمدى تمدد المادة أو انكماشها مع تغيرات درجة الحرارة.
و: ما أهمية التمدد الحراري في التصميم؟
س: يؤثر على دقة الأبعاد والأداء وسلامة الأنظمة الميكانيكية أو الكهربائية.
و: ما هي المادة ذات التمدد الحراري الأصغر؟
س: تُعرف السيليكا المنصهرة والسبائك الخاصة مثل إنفار بأنها ذات تمدد حراري منخفض.
Chin Trento
