Matériaux à coefficient de dilatation thermique (CDT) élevé, moyen et faible

Introduction

Les matériaux changent de taille lorsqu'ils sont chauffés ou refroidis. L'ampleur de ce changement est mesurée par le coefficient de dilatation thermique. Un coefficient de dilatation thermique élevé signifie qu'un matériau se dilate beaucoup lorsqu'il est chauffé. Un coefficient de dilatation thermique faible signifie qu'il ne change pratiquement pas.

Matériaux à coefficient de dilatation thermique élevé

Les matériaux à coefficient de dilatation thermique élevé se dilatent sensiblement lorsque la température change. Certains métaux et la plupart des matières plastiques appartiennent à cette catégorie.

Métaux

L'aluminium a généralement un coefficient de dilatation d'environ 23 x10-⁶/K. Celui du cuivre est généralement de 17 x10-⁶/K. L'acier a un ETC d'environ 11 à 13 x10-⁶/K.

Polymères et plastiques

Les plastiques sont susceptibles de présenter une dilatation thermique extrêmement élevée. Par exemple, le polyéthylène, le polypropylène et le polytétrafluoroéthylène (PTFE), dont l'ETC se situe généralement entre 50 et 200 x10-⁶/K. Ces types de matériaux sont utilisés dans la plupart des pièces en plastique et des applications domestiques où la dilatation doit être prise en compte lors du processus de conception.

Les matériaux à coefficient de dilatation élevé sont utilisés dans les objets de la vie quotidienne. Un cadre de porte en aluminium peut avoir besoin d'interstices pour ne pas coller pendant les chaudes journées d'été. Les plastiques sur les emballages gonflent fortement sous l'effet de la lumière du soleil.

Matériaux à ETC moyen

Les matériaux à coefficient de dilatation moyen ne gonflent pas autant que les plastiques ou certains métaux, mais ils changent tout de même en fonction de la température. Certaines céramiques et certains matériaux composites entrent dans cette catégorie.

Les céramiques

Les céramiques comme l'alumine ont un CDT de 5 à 8 x10-⁶/K. Le nitrure de silicium a une valeur plus faible, de 3 à 4 x10-⁶/K. Ces pièces sont très appréciées car elles résistent à des températures élevées. Les pièces en céramique sont utilisées dans les moteurs et les appareils électroniques.

Matériaux composites

Les matériaux composites tels que le polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) et le polymère renforcé de fibres de verre (PRV) sont conçus pour concilier la résistance et la plus faible dilatation thermique. Ils sont utilisés dans les composants aérospatiaux et les articles de sport où la précision des dimensions est importante.

Les matériaux à coefficient de dilatation moyen sont un compromis entre une forte dilatation et une stabilité rigide. Les ingénieurs choisissent ces matériaux lorsqu'une variation thermique modérée est autorisée ou lorsque le coût est pris en compte.

Matériaux à faible CDT

Les matériaux à faible coefficient de dilatation changent très légèrement de dimension en fonction des variations de température. Ces types de matériaux sont largement utilisés dans les applications de précision.

Alliages et métaux spéciaux

Un alliage spécifique comme l'Invar, qui est un alliage de fer et de nickel composé d'environ 36 % de nickel, a généralement un coefficient de dilatation d'environ 1 x10-⁶/K. L'invar est utilisé dans les instruments scientifiques, les horloges et d'autres composants de précision pour lesquels une modification minimale est primordiale.

Verres et céramiques

La silice fondue, un verre, a un coefficient de dilatation d'environ 0,5 x10-⁶/K. Le Zérodur, matériau à faible expansion, entre également dans cette catégorie. Ces matériaux sont utilisés dans les miroirs de télescope, les équipements de laboratoire et les appareils de précision. Leur faible dilatation garantit la précision des changements de température.

Tableau ou graphique comparant les matériaux à coefficient de dilatation élevé, moyen et faible

Ce tableau fournit simplement des valeurs importantes. Il permet de comparer quel matériau pourrait convenir à une exigence de conception donnée. Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Conclusion

Comprendre le coefficient de dilatation thermique dans le choix des matériaux. Les matériaux à fort coefficient de dilatation thermique, comme la plupart des plastiques et des métaux, changent beaucoup. Les matériaux à coefficient de dilatation thermique moyen, comme les céramiques et les composites, équilibrent la dilatation et la résistance. Les matériaux à faible CDT, comme l'Invar et la silice fondue, ne changent pas beaucoup avec les différences de température.

Questions fréquemment posées

F : Qu'est-ce que le coefficient de dilatation thermique ?

Q : Il s'agit d'une mesure de l'ampleur de la dilatation ou de la contraction d'un matériau en fonction des variations de température.

F : Pourquoi la dilatation thermique est-elle importante dans la conception ?

Q : Elle affecte la précision dimensionnelle, les performances et la sécurité des systèmes mécaniques ou électriques.

F : Quel est le matériau dont la dilatation thermique est la plus faible ?

Q : La silice fondue et les alliages spéciaux comme l'Invar sont connus pour leur faible dilatation thermique.