Термическое расширение — изменение линейных размеров или объёма материала при изменении температуры. В большинстве случаев при нагревании материал расширяется, а при охлаждении сжимается.
Процесс связан с изменением среднего расстояния между частицами вещества при изменении их теплового движения.
Коэффициент термического расширения
Для количественной оценки используют коэффициент линейного термического расширения α. Он показывает относительное изменение длины материала при изменении температуры на 1 °C (1 К). Коэффициент выражают в °C⁻¹ или К⁻¹.
Ориентировочные значения для некоторых полимеров приведены в таблице.
| Название | Коэффициент термического расширения, 10-6 °C-1 |
| Полиамидоимид | 27 |
| Полиэфирэфиркетон | 35 |
| Эпоксидные смолы | 50 |
| Акрил | 65 |
| Поликарбонат | 70 |
| Нейлон | 70 |
| Поливинилхлорид | 71 |
| АБС смолы | 75 |
| Фторопласт-4 | 120 |
| Полиэтилен | 175 |
| Полипропилен | 195 |
Эти значения являются справочными. Для конкретного материала коэффициент может отличаться в зависимости от состава, степени кристалличности, наличия наполнителей, температурного диапазона.
Как рассчитать изменение длины
При небольшом температурном интервале изменение линейного размера можно определить по формуле:
L = L₀ × [1 + α × (T − T₀)]
где:
L — длина после изменения температуры, м;
L₀ — первоначальная длина, м;
α — коэффициент линейного термического расширения, °C⁻¹;
T₀ — начальная температура, °C;
T — конечная температура, °C.
Пример расчёта
Рассчитаем изменение длины образца эпоксидной смолы длиной 1 м при нагревании от −20 до +10°C.
Коэффициент термического расширения примем равным:
α = 50 × 10⁻⁶ °C⁻¹
Изменение температуры:
ΔT = 10 − (−20) = 30 °C
Подставляем значения:
L = 1 × [1 + 50 × 10⁻⁶ × 30] = 1,0015 м
Длина увеличится на:
1,0015 − 1 = 0,0015 м = 1,5 мм.
Таким образом, метровый образец при таком перепаде температур станет длиннее примерно на 1,5 мм.
Почему показатель важен
Термическое расширение учитывают при проектировании изделий, покрытий, соединений из разных материалов. Если соседние материалы имеют заметно разные коэффициенты расширения, при нагревании и охлаждении между ними могут возникать внутренние напряжения.
Это способно привести к:
- деформации;
- растрескиванию;
- отслаиванию покрытия;
- нарушению герметичности соединений.
Важно учитывать этот показатель для полимерных покрытий, клеевых соединений и композитных конструкций, которые работают при частых перепадах температуры.
