התפשטות תרמית היא תכונה יסודית של חומרים. זהו השינוי בממדים של חומר כאשר הטמפרטורה שלו משתנה. בתחומים רבים כמו אלקטרוניקה, תעופה, פולימרים, קרמיקה ומתכות, הבנה מדויקת של התפשטות זו חיונית לתכנון, אמינות וביצועים.
כאשר שינוי הממד מתרחש ללא עומס מכני חיצוני, כלומר תחת עומס זניח, המדידה מתמקדת אך ורק בתגובה התרמית הטבעית של החומר, ללא עיוותים הנגרמים ממשקל או כוח חיצוני. מצב זה מספק נתוני בסיס חשובים על ההתנהגות הפנימית של החומר.
עקרון ההתפשטות התרמית תחת עומס זניח
הגדרה
כאשר מחממים או מקררים דגימה ללא הפעלת כוח חיצוני משמעותי, השינוי באורכה נובע מרעידות סריג אטומיות, שינויים נפחיים, מעברי פאזה ותהליכים מיקרו מבניים נוספים. תחת עומס זניח, אין השפעה מכנית על התוצאה, ולכן מתקבלת תגובה תרמית טהורה.
מקדם ההתפשטות התרמית
הפרמטר המרכזי המתקבל הוא מקדם ההתפשטות התרמית הליניארית:
α=1L0dLdT\alpha = \frac{1}{L_0} \frac{dL}{dT}α=L01dTdL
כאשר L0L_0L0 הוא אורך התחלתי ו dL/dTdL/dTdL/dT הוא קצב שינוי האורך ביחס לטמפרטורה.
למה חשוב עומס זניח
- מבטל השפעת עומס, זחילה או עיוות פלסטי.
- מאפשר קבלת נתוני בסיס להשוואת חומרים שונים.
- חיוני לתכנון מערכות מרובות חומרים שבהן הבדלי התפשטות גורמים מאמצים.
- בפולימרים מאפשר לראות בבירור את מעבר הזכוכית (Tg).
- תואם לתקנים בינלאומיים כמו ASTM E831 ו-ISO 11359.
ציוד ומערך מדידה
מכשירים למדידת התפשטות תחת עומס זניח
מכשירי TMA ודילטומטרים מודרניים מאפשרים מדידת שינויי אורך ברזולוציות גבוהות מאוד תחת עומס מינימלי.
מאפיינים מרכזיים:
- מגע קל בלבד בין הדוחסן לדגימה.
- תנור מבוקר עם תוכנית חימום וקירור מדויקת.
- חיישני תזוזה מדויקים (LVDT או אופטיים) ברזולוציית ננומטרים.
- שליטה בסביבה: אינרטית, מחמצנת או ואקום.
- תוכנה לחישוב ΔL, ΔL/L0, מקדם התפשטות ומעברי פאזה.
שלבי מדידה
- הכנת דגימה בגיאומטריה מוגדרת.
- הצבת הדגימה ודחיסה קלה של הדוחסן.
- איזון ראשוני וקליברציה.
- ביצוע תוכנית חימום בקצב מוגדר (למשל 5 או 10 מעלות לדקה).
- איסוף נתונים רציף של אורך מול טמפרטורה.
- ניתוח עקומות, חישוב מקדמי התפשטות ואיתור מעברים.
- הפקת דווח עם גרפים וערכים ממוצעים.
ניתוח תוצאות והתנהגות טיפוסית של חומרים
עקומות ΔL/L0 מול טמפרטורה
התנהגות אופיינית:
- קו כמעט ליניארי בחומרים הומוגניים.
- שינויי שיפוע מצביעים על מעברי פאזה או שינויי מבנה.
- התכווצות מקומית יכולה להתרחש בתהליכי סינטור או אידוי לחות.
- בפולימרים, מעל Tg ערכי ההתפשטות גדלים משמעותית.
מקדם התפשטות תרמית
- מדווח לרוב כממוצע בתחום טמפרטורה מוגדר.
- מקדם משתנה מסייע בזיהוי תהליכים תרמיים פנימיים.
- חומרים עם מקדם נמוך מתאימים למכשירים מדויקים, אופטיקה ורכיבים רגישים.
נקודות מיוחדות
- התנפחות והתכווצות: לחות, ספיחה או שלבי סינטור משפיעים משמעותית.
- אנאיזוטרופיה: בחומרים מרוכבים ההתפשטות שונה לפי כיוון.
- התפשטות שלילית: בחומרים מיוחדים תיתכן התכווצות עם חימום בטווח מסוים.
- השפעת קצב חימום: קצב גבוה מדי יוצר גרדיאנטים פנימיים.
יישומים מעשיים
בחירת חומרים ותכנון הנדסי
ידע מדויק של ההתפשטות חשוב במיוחד ב:
- אלקטרוניקה: מניעת כשלים בחיבורי SMT.
- תעופה: שילוב חומרים שונים בתנאים קיצוניים.
- תעשיית המתכת: חיזוי מאמצים במערכות מרותכות או מודבקות.
בקרת איכות ומו"פ
- השוואה בין אצוות ייצור.
- זיהוי בעיות במיקרו מבנה.
- בדיקת תהליכי סינטור, הקשיה, ייבוש ויישון.
חישובי מאמץ תרמי
התפשטות תחת עומס זניח מספקת את ערכי הבסיס לחישוב מאמצים מצטברים כאשר החומר כבול או מהודק במערך אמיתי.
דוגמה: שימוש במכשירי TMA של Linseis
מכשירי TMA מתקדמים של Linseis כמו TMA L72 מאפשרים:
- מדידה ברזולוציית ננומטרים.
- חימום מ-150 מעלות צלזיוס ועד 1600 מעלות.
- מדידה תחת עומס זניח או עומסים מבוקרים.
- זיהוי מדויק של שינויי נפח, מעברי פאזה, נקודות ריכוך והתנהגות סינטור.
המערכת מאפשרת בחירת סביבה, גיאומטריית דגימה, וקצבי חימום בהתאם לסוג החומר.
שיקולים, מגבלות והמלצות עבודה
שיקולים חשובים
- יש להגדיר את הכוח המדויק הנדרש רק לשמירת מגע.
- גיאומטריית הדגימה חייבת להיות אחידה וישרה.
- קצב חימום מתאים מונע גרדיאנטים פנימיים.
- יש להימנע מתגובות כימיות במהלך החימום.
- יש לפרש נכון עקומות לא ליניאריות (מעברים, התכווצות, ספיחה).
מגבלות
- המדידה אינה מדמה מצב שבו החומר כבול או תחת עומס משמעותי.
- חומרים מרוכבים מציגים התפשטות שונה בכל כיוון.
- יש צורך בקליברציה מוקפדת להבטחת דיוק.
המלצות עבודה
- ביצוע ריצת רקע ללא דגימה.
- שימוש בקצב חימום מתון.
- בדיקת שחזור על ידי ריצות חוזרות.
- תיעוד מלא של התנאים: אטמוספירה, גיאומטריה, עומס ופרמטרים נוספים.
