热膨胀系数引起的故障和分析

热膨胀系数引起的故障和解决方法（3）     不同的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，这是结构设计的难，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（P194）、奇美ABS塑料规格。 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。