热膨胀系数引起的故障和解决方法(3)
不同的材料热膨胀系数是不一样的,多种不同材料组成的产品在高温时就可能会产生缝隙,造成水的渗漏、松动或蹦断,这是结构
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
的难题,也是容易出故障之处。
如电水壶的金属加热棒和塑料壳体的连接处的渗漏,变压器塑料骨架膨胀造成铜导线接头处蹦断等等。
3.1 基本定义
热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion ,CTE,单位:1mm/℃,或1mm/K),美国热膨胀系数单位用in/in/°F,要注意区别和换算。
单位温度改变下长度的增加量与的原长度的比值,就是线膨胀系数,通常材料手册给出的是线热膨胀系数。
线热膨胀系数α=1/L * ΔL/ΔT 式中:L: 原温度下的长度;ΔT:单位温度变化量;ΔL 单位温度变化量下的长度L的增加量。
对各向同性材料, 体积热膨胀系数β = 3α;
对各向异性材料, 体积热膨胀系数 β =Aαc+(1-A)αa 。αc,αa分别为a轴和c轴方向的热膨胀率,A被称为“结构端面”参数。 这是常用的算法,称为 Mrozowski算式。
3.2 CTE的测定标准
GB /T 1036-2008 塑料-30℃~30℃线膨胀系数的测定;
GB /T 2572-2005 纤维增强塑料平均线膨胀系数试验方法;
GB/T 16535-2008 精细陶瓷线热膨胀系数试验方法;
GB/T 3074.4-2003 石墨电极热膨胀系数
ASTM D-696 塑料线性热膨胀系数标准;
ISO 11359-2 塑料线性热膨胀系数标准。
3.3 不同的材料线膨胀系数
材料线膨胀系数举例如下,这样对材料线膨胀系数有一个数量级的概念 以下数据单位为:1mm/℃:
铜 0.0000165 (17 * 10-6)
铝 0.0000236 (24 * 10-6)
钢 0.0000118 (12 * 10-6)
ABS 0.0000780 (78 * 10-6)
PP 0.0001280 (128 * 10-6)
ABS塑料的热膨胀系数约是钢的6.4倍,PP塑料是热膨胀系数是钢的9.1倍,但所有塑料在加玻纤后,热膨胀系数和蠕变成倍下降。
注:ABS数据来自于“塑料工程手册(
上册
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P194)、奇美ABS塑料规格
书
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。
3.4 CTE的计算举例
例: 材料长度为100mm ,当工作温度为140度时的材料长度变为 :
铝 0.0000236 X 140 X 100 = 0.33mm(增长的部分),再加原长100mm,即为现在的长度:100.33mm 。
黄铜 0.0000165 X 140 X 100 = 0.231mm ,加100 = 100.23mm
钢 0.0000118 X 140 X 100 = 0.165mm ,加100 = 100.17mm
3.5 不同的材料热膨胀时的防止失效
主要是对高CTE的材料进行防护处理。例如通过对高CTE材料的开槽(见Dupont资料:Matching CTE,图1,(图嵌入不了,那位读者说一下,怎样插图)
选取不同的壁厚、嵌入式结构、结合面填充耐温胶、环形的弹性耐热垫圈、塑料中加玻纤、耐高温塑料(见后续专题)等方法来调节。
另外,对纤维增强塑料而言,由于纤维在流动方向的取向,使流动方向上的热膨胀系数要大于垂直方向,产生各向异性,使制品挠曲,
尺寸稳定性变差。
3.6 CTE 的特殊应用
产品装配时用不同的材料,因CTE不同,通常会带来负面作用,但也可以利用金属和塑料的CTE不同,控制液体的流出多少,实现流量控制。 如图1的 DuPont公司资料所示。