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Materiales con coeficiente de dilatación térmica (CET) alto, medio y bajo
Introducción
Los materiales cambian de tamaño cuando se calientan o enfrían. En qué medida se mide por el coeficiente de dilatación térmica. Un CET alto significa que un material se dilata mucho cuando se calienta. Un CET bajo significa que apenas cambia.
Materiales con alto CET
Los materiales con alto CET se dilatan notablemente cuando cambia la temperatura. Algunos metales y la mayoría de los plásticos se encuentran en esta categoría.
Metales
El aluminio suele tener un CET de aproximadamente 23 x10-⁶/K. El cobre suele ser de 17 x10-⁶/K. El acero oscila entre 11 y 13 x10-⁶/K.
Polímeros y plásticos
Los plásticos suelen tener una dilatación térmica extremadamente alta. Un ejemplo es el polietileno, el polipropileno y el politetrafluoroetileno (PTFE), que suelen tener un CET de entre 50 y 200 x10-⁶/K. Estos tipos de materiales se utilizan en la mayoría de las piezas de plástico y aplicaciones domésticas en las que es necesario tener en cuenta la dilatación durante el proceso de diseño.
Los materiales de alto CET se utilizan en cosas cotidianas. El marco de una puerta de aluminio puede necesitar holguras para que no se pegue en los días calurosos de verano. Los plásticos de los envases se dilatan mucho con la luz solar.
Materiales de CET medio
Los materiales de CET medio no se hinchan tanto como los plásticos o algunos metales, pero cambian con la temperatura. Algunas cerámicas y materiales compuestos entran en esta categoría.
Cerámica
Las cerámicas como la alúmina tienen un CET de 5 a 8 x10-⁶/K. El valor del nitruro de silicio es inferior, de 3 a 4 x10-⁶/K. Son muy apreciados por su resistencia a las altas temperaturas. Las piezas cerámicas se emplean en motores y dispositivos electrónicos.
Materiales compuestos
Los materiales compuestos como el polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) y el polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP ) se fabrican para compensar la resistencia con la menor dilatación térmica. Se utilizan en componentes aeroespaciales y artículos deportivos en los que la precisión de las dimensiones es importante.
Los materiales de CET medio son un compromiso entre alta expansión y estabilidad rígida. Los ingenieros eligen estos materiales cuando se permite un cambio térmico moderado o si se tiene en cuenta el coste.
Materiales de bajo CET
Los materiales de bajo CTE alteran muy ligeramente sus dimensiones con los cambios de temperatura. Estos tipos de materiales se utilizan mucho en aplicaciones de precisión.
Aleaciones y metales especiales
Una aleación específica como el invar, que es una aleación de hierro y níquel con un 36% de níquel, suele tener un CET de aproximadamente 1 x10-⁶/K. El invar se utiliza en instrumentación científica, relojes y otros componentes de precisión en los que un cambio mínimo es primordial.
Vidrios y cerámicas
La sílice fundida, un vidrio, tiene un valor de CET de aproximadamente 0,5 x10-⁶/K. El material de baja expansión Zerodur también entra en esta categoría. Estos materiales se utilizan en espejos de telescopios, equipos de laboratorio y dispositivos de precisión. Su baja expansión garantiza la precisión en los cambios de temperatura.
Tabla o gráfico comparativo de materiales de alto, medio y bajo CET
|
Categoría |
Ejemplo Material(es) |
Gama de CET (x10-⁶/K) |
|
Materiales con alto CET |
Aluminio, cobre, acero; polietileno, polipropileno, PTFE |
Metales: 11-23; Plásticos: 50-200 |
|
Materiales con CET medio |
Alúmina, nitruro de silicio; CFRP, GFRP |
Cerámica: 3-8; Materiales compuestos: Moderado |
|
Materiales con CET bajo |
Invar; Sílice fundida, Zerodur |
Aleaciones: ~1; Vidrios: ~0.5 |
Esta tabla simplemente proporciona valores importantes. Ayuda a comparar qué material podría ser apropiado para un determinado requisito de diseño. Para más información, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).
Conclusión
Comprenda el coeficiente de dilatación térmica en la selección de materiales. Los materiales con alto CET, como la mayoría de los plásticos y la mayoría de los metales, cambian mucho. Los materiales con un CET medio, como los cerámicos y los compuestos, equilibran la dilatación con la resistencia. Los materiales con un CET bajo, como el invar y la sílice fundida, no se alteran mucho con las diferencias de temperatura.
Preguntas más frecuentes
F: ¿Qué es el coeficiente de dilatación térmica?
P: Es una medida del grado en que un material se dilata o contrae con las variaciones de temperatura.
F: ¿Por qué es importante la dilatación térmica en el diseño?
P: Afecta a la precisión dimensional, el rendimiento y la seguridad de los sistemas mecánicos o eléctricos.
F: ¿Cuál es el material con menor dilatación térmica?
P: La sílice fundida y las aleaciones especiales como el Invar son conocidas por tener una baja dilatación térmica.
Chin Trento
