WAK

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Wärmeausdehnungskoeffizient

Der Wärmeausdehnungskoeffizent (WAK) ist ein Materialparameter, der angibt, wie stark sich ein Material bei einer Temperaturänderung ausdehnt (thermische expansion) oder zusammenzieht (thermische kontraktion). Der Koeffizient wird üblicherweise in Einheiten von 1/K angegeben.

Temperatur in Kelvin und die thermische Bewegung der Atome

Kelvin und Grad Celsius

Kelvin ist eine Maßeinheit für die Temperatur und wird in der Wissenschaft und Technik verwendet. Der Kelvin-Nullpunkt (also 0 Kelvin bzw. 0 K) ist definiert als der Punkt, an dem alle thermischen Bewegungen (Wärmebewegung) von Atome aufhören würden. Mehr thermische Bewegung führt demnach zu mehr Bewegung der Atome. Die Atome brauchen dann mehr Platz und daher expandiert der Stoff. Weniger thermische Bewegung führt demnach zum zusammenziehen. In Bezug auf Grad Celcius (°C) wären 0 K -273,15 Grad Celsius. 273,15 Kelvin (Achtung! Kein Grad) sind 0 Grad Celsius.

Thermische Expansion und Kontraktion - zum Animieren anklicken

Als Formel würde das so aussehen: Temperatur_Kelvin = Temperatur_Grad_Celsius + 273,15.

Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α

Wir wissen nun, wärmere Objekte dehnen sich aus. Die Ausdehnung in eine Raumrichtung (auch lineare Wärmeausdehnungskoeffizient / Längenausdehnungskoeffizienten) wird mit dem wird als linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α angegeben. Der linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α beschreibt, um den wievielten Teil seiner Länge sich ein Körper bei einer Temperaturerhöhung um 1 K verlängert.

Ein Beispiel: Der Längenausdehnungskoeffizienten α von Kupfer ist:

16,4 · 10^-6/K,

Das bedeutet, dass ein Kupferstab bei einer Erwärmung um 1 Kelvin um den 16,4 · 10^-6 sten Teil (16,4 * 1 / 1 mit 6 Nullen) seiner Ursprungslänge ausdehnt. Anders augedrückt, Kupfer dehnt sich bei Erwärmung um 1 K um den 0,0000164ten Teil seiner Ursprungslänge aus. Ein Rohr von 1 Meter Länge würde daher um 1 Meter · 0,0000164, also um 16 tausendstel Millimeter länger. Dehalb kann man den linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α von Kupfer auch mit 16,4 μm/m · K angeben.

Längenausdehnungskoeffizient αbzw. Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α

Bedeutung des WAK in der Zahntechnik

Der WAK von Dentallegierungen ist in Legierungstabellen von großer Bedeutung. Deutlich wird dies bei einem Keramikbrand auf eine Aufbrennlegierung. Die Aufbrennlegierung und die Keramikmasse dehnen sich eventuell unterschiedlich aus. Dabei können 3 Fälle auftreten:

1. Der WAK der Legierung ist gleich dem WAK der Keramik. WAK_Legierung = WAK_Keramik.

2. Der WAK der Legierung ist größer als der WAK der Keramik. WAK_Legierung > WAK_Keramik

3. Der WAK der Legierung ist kleiner als der WAK der Keramik. WAK_Legierung < WAK_Keramik

1. Der WAK der Legierung ist gleich dem WAK der Keramik.

WAK_Legierung = WAK_Keramik

Beide Stoffe dehnen sich bei Erwärmung gleich aus. Hört sich zunächst gut an, ist leider kaum zu erreichen, da man nie absolut gleiche WAK Werte bei zwei Stoffen erreichen kann.

2. Der WAK der Legierung ist größer als der WAK der Keramik.

WAK_Legierung > WAK_Keramik

Im Aufwärmvorgang expandiert (ausdehnen) die Legierung stärker als die Keramik. Im Abkühlungsvorgang kontrahiert (zusammenziehen) die Legierung stärker als die Keramik der Verblendung. Die Keramik wird damit gezwungen etwas kleiner zu werden als sie normalerweise würde. Die Keramik wird also unter Druckspannung gesetzt, welches für einen spröden Werkstoff wie Keramik sogar die Belastbarkeit erhöht.

3. Der WAK der Legierung ist kleiner als der WAK der Keramik.

WAK_Legierung < WAK_Keramik

Im Aufwärmvorgang expandiert (ausdehnen) die Keramik stärker als die Legierung. Im Abkühlungsvorgang kontrahiert (zusammenziehen) demnach die Keramik auch stärker als die Legierung. Die Keramik wird damit gezwungen etwas größer zu werden als sie normalerweise würde. Die Keramik wird also unter Zugspannung gesetzt, welches für einen spröden Werkstoff wie Keramik die Rissbildung stark erhöht.

Abweichung der Legierungs-WAK zu dem Keramik-WAK

Die Legierung muss demnach auf die Keramik abgestimmt sein. Optimal ist für die Legierung ein um 0,5 bis 1 micro-m/K geringeren WAK Wert. Ist die Abweichung der Legierung zu gering führt dies zu Abplatzungen. Ist die Abweichung der Legierung zu hoch führt dies zu Rissen.

Hersteller von Keramikmassen müssen also auch den WAK ihrer Werkstoffe angeben, damit Zahntechniker die richtige Legierung zur Keramik auswählen können. So schreibt die Firma VITA z.B. auf ihrer Hompage:"... VITA VM 13 wurde als spezielle Verblendkeramik mit Feinstruktur für alle gängigen Legierungen im WAK-Bereich 13,8 - 15,2 entwickelt ..." . Im Datenblatt der Keramik wird der WAK der Keramik mit 13,1 - 13,6 angegeben.