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Un dilatómetro es un aparato de medida para registrar la dilatación térmica de una muestra de material.
Los coeficientes de dilatación térmica (CTE = coeficiente de dilatación térmica) se calculan a partir de los resultados de la medición.
Este parámetro del material indica el cambio relativo de longitud de la muestra con un cambio de temperatura por Kelvin en la unidad [1/K].
Los valores del CTE dependen, por tanto, de la temperatura y se sitúan, para las sustancias sólidas, en el intervalo de unas pocas millonésimas por Kelvin.
Los cambios de longitud absoluta esperados de las muestras son correspondientemente bajos.
Por tanto, para obtener resultados fiables, se necesita un dispositivo de medición muy preciso.
Tipos de dilatómetro
La naturaleza de la muestra y el intervalo de temperatura que se va a investigar determinan los requisitos que debe cumplir un portamuestras. Para las sustancias sólidas que mantienen su estado de agregación en el intervalo de temperatura previsto, un dilatómetro de varilla de empuje es muy adecuado.
El comportamiento de los tejidos calentados hasta el punto de reblandecimiento o de fusión puede determinarse ópticamente utilizando un microscopio de calentamiento. Otro montaje experimental se basa en el uso de galgas extensométricas, que se pegan sobre toda la superficie de la muestra y se evalúan mediante un puente de medición de resistencia.
Función del dilatómetro de varilla de empuje
El dilatómetro de varilla de empuje consta de un horno (a la derecha en la imagen), el portamuestras (en el centro de la imagen) y la unidad de adquisición y evaluación de datos de medición (sensor LVDT a la izquierda en la imagen).
En un tubo de cristal de cuarzo o de cerámica, está la muestra (muestra roja en la imagen).
Está firmemente conectada a una varilla (fino sello amarillo, delante de la muestra roja), que transmite el cambio de longitud de la muestra a la adquisición de datos.
Allí se determina el cambio absoluto de longitud de todo el sistema y se convierte en los valores CTE de la muestra de material utilizando los datos conocidos del sistema de medición y las dimensiones de la muestra.
Mediante el horno se pueden realizar curvas de temperatura con diferentes velocidades de calentamiento y enfriamiento, así como puntos de mantenimiento.
Como resultado, se determina el cambio de longitud de la muestra en función de la temperatura.
Aplicaciones del dilatómetro de varilla de empuje
Los campos de aplicación más importantes del dilatómetro son la investigación básica en ciencia de materiales y la garantía de calidad. Sobre todo, se registran el coeficiente de dilatación térmica, las temperaturas de las transiciones de fase y las temperaturas de sinterización.
Coeficiente de dilatación térmica
El coeficiente de dilatación térmica es un parámetro importante para el desarrollo de los materiales compuestos.
Por ejemplo, el hormigón armado sólo puede utilizarse en la construcción porque el acero y el hormigón tienen el mismo valor de CTE.
Las diferencias de temperatura en los materiales provocan tensiones mecánicas.
Las zonas a alta temperatura se dilatan más que las zonas más frías.
Se pueden evitar o reducir estas tensiones desarrollando y utilizando materiales con un coeficiente de dilatación muy bajo.
Transiciones de fase
Las propiedades macroscópicas de los sólidos cristalinos dependen directamente de la propia estructura cristalina.
Sin embargo, la mayoría de los materiales pueden estar presentes en varias modificaciones y, por tanto, tienen, además de la temperatura de fusión y evaporación, también transiciones de fase dependientes de la presión y la temperatura en las que no cambia el estado de agregación.
Sin embargo, la transición de fase de una estructura cristalina a otra, así como el propio proceso de cristalización, suelen ser claramente visibles en el cambio de la curva coeficiente de dilatación-temperatura, por lo que pueden visualizarse muy bien mediante la medición con dilatómetro.
Incluso las transiciones de fase rápidas o las que requieren una presión de contacto definida, como la conversión de martensita, ferrita o austenita en los aceros, se pueden cartografiar bien con el dilatómetro modificado correspondiente.
Temperaturas de sinterización
Durante la sinterización, los materiales cerámicos o metálicos en polvo se preforman en un cuerpo verde y luego se cuecen juntos a temperaturas y presiones establecidas con precisión. En la práctica, este proceso es conocido, por ejemplo, en la industria de la porcelana. La mezcla en polvo de caolín (arcilla de porcelana, barro de porcelana), feldespato y cuarzo se sinteriza en el proceso de cocción y así se hace impermeable.
