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열팽창 및 밀도
재료의 열팽창은 상업적으로 큰 손실을 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 건축에서는 온도 변동에 따른 길이 변화를 보상하기 위해 신축 조인트를 제공해야 합니다. 또한 접촉하는 재료의 팽창 계수는 서로 일치해야 합니다. 세라믹 본체와 유약의 팽창 계수가 너무 다르면 오래된 도자기 접시에서 종종 관찰되는 소위 “거미줄 균열” 이 형성됩니다.
팽창은 모든 공간 방향으로 일어나므로 질량이 일정하게 유지되므로 밀도가 변합니다. 이방성 재료의 경우 팽창은 방향에 따라 달라지므로 팽창 방향을 지정해야 합니다. 따라서 밀도 또는 부피 팽창 계수를 결정하려면 모든 공간 방향을 고려해야 합니다.
열팽창의 정의
열팽창 계수 열팽창 계수(CTE) 는 1켈빈의 온도 변화에 따른 길이의 상대적 변화로 정의됩니다:
α= ∆L/(L0 *∆T)
mit:
∆L: 길이 변화 [m]
L0: 출력 길이 [m]
∆T: 온도 변화 [K]
α 단위의 K-1(“켈빈당”) 결과를 제공합니다. 온도에 따라 달라지므로 고려 중인 온도 범위에 따라 약간씩만 변하는 경우가 많습니다. 그 크기는 일반적으로 10-6 K-1이므로 “ppm K-1″로 표시되는 경우가 많습니다.
예를 들어 팽창 계수가 낮은 재료는 석영 유리와 금속 INVAR로, 팽창 계수가 1ppm K-1 미만입니다. 가장 큰 팽창 계수는 폴리머(최대 약 200ppm K-1)입니다. 일부 재료는 온도 범위에 따라 음의 팽창 계수를 갖습니다.
위상 변환
동일한 재료의 다른 상에 대한 팽창 계수는 다릅니다. 예를 들어, 유리 전이 온도 이상의 폴리머의 팽창 계수는 그 이하의 계수보다 큽니다.
또 다른 알려진 예는 원소 철의 상변환으로, 90°C까지는 입방 공간 중심의 결정 구조가 안정적이고(α-철), 906°C에서 1401°C까지는 가장 입방 밀도가 높은(β-철) 결정 구조를 가지며, 1539°C 이상에서는 다시 입방 공간 중심의 결정 구조(δ-철)로 되돌아갑니다. 가장 입방 밀도가 높은 패킹(74%)의 공간 채움은 입방 중심 패킹(68%)보다 크기 때문에 상변환에서 밀도와 길이가 점프합니다. 이는 철 합금의 상 전이를 감지하는 데 사용됩니다:
팽창 계수 측정
선택할 측정 방법은 시료의 응집 상태, 측정할 시료의 팽창 계수 크기 및 고려해야 할 온도 범위에 따라 달라집니다. 적절한 시료를 생산하고 측정 방법을 선택할 때 시료의 기계적 특성도 고려해야 합니다.
액체
액체의 팽창 또는 밀도는 일반적으로 비중계에 의해 결정됩니다.
이 경우 일정한 부피의 샘플을 온도 제어하여 질량을 측정합니다.
유체는 일반적으로 온도가 상승함에 따라 팽창합니다. 잘 알려진 예외는 밀도가 4°C에서 최대인 물(“물의 이상”)입니다.
또한 소위 굽힘 진동 방법이 사용됩니다.
이 경우 밀도는 조사할 액체로 채워진 굽힘 발진기의 고유 진동수를 측정하여 계산합니다.
액체는 적절한 액체 용기를 사용하여 측정할 수도 있습니다. 푸시 로드 팽창계. 이 경우 액체에서 가스가 빠져나가거나 용기를 빠져나가는 가스가 용기를 빠져나가지 않도록 하되, 액체 시료가 빠져나가지 않도록 해야 합니다.
솔리드 바디
고체는 일반적으로 (푸시 로드) 팽창도계 또는 열-기계 분석기(TMA). 이 경우 샘플을 오븐에 넣고 푸시 로드를 사용하여 샘플과 접촉합니다. 시료의 길이 변화는 푸시 로드를 통해 센서로 전달됩니다. 사용하는 오븐에 따라 -263~+2800°C의 온도 범위를 커버할 수 있습니다. 온도 범위에 따라 석영 유리, 산화 알루미늄 또는 흑연으로 만든 푸시 로드가 사용됩니다. 센서로는 차동 변압기 (LVDT – 선형 가변 차동 변압기) 와 최근에는 광학 인코더가 주로 사용됩니다.
시료가 처리하기 어렵거나 깨지기 쉽거나 시료의 특성으로 인해 쉽게 변형되어 접촉하는 푸시로드의 힘을 견디지 못하는 경우, 광학 팽창계라고도 하는 가열 현미경가 사용됩니다. 여기에서는 푸시 로드 팽창계의 경우와 마찬가지로 샘플을 퍼니스에 넣습니다. 샘플은 이미지가 측정되는 카메라를 사용하여 관찰됩니다. 이미지 분석을 통해 팽창(여기서는 2차원에서도)뿐만 아니라 모양과 용융의 변화도 관찰할 수 있습니다. 접촉 각도 을 계산합니다.
분말 시료는 특수 어댑터로 측정합니다.
이 경우 시료가 아닌 밀폐된 공기가 빠져나갈 수 있는지 확인해야 합니다 (액체 측정과 유사).
시료의 압축 정도(벌크 밀도, 진동 밀도 및 탭 밀도)도 관찰해야 하며, 측정 조건에 의해 변경되지 않아야 합니다.
특히 팽창 계수가 낮은 재료는 간섭 측정 방법을 사용하여 측정합니다.
이 경우 단색광이 시료에서 반사되어 두 번째 빔과 간섭을 일으킵니다 (미셸슨 간섭계의 원리).
길이의 변화는 사용된 빛의 파장과 간섭의 수에 따라 달라집니다.
이러한 측정 장치를 다음과 같이 부르기도 합니다. 레이저 팽창계.
