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 ist eine Maßeinheit für die Temperatur und wird in der physikalischen Wissenschaft und Technik verwendet. Die Kelvin-Nullpunkt (also 0 Kelvin bzw. 0 K) ist definiert als der Punkt, an dem alle thermischen Bewegungen von Atome aufhören würden. In Bezug auf Grad Celcius (°C) wären 0 K -273,15 Grad Celsius. 273,15 Kelvin (Achtung! Kein Grad) sind 0 Grad Celsius.

---Bild Bewegung von Atomen mit wenig und mehr thermischer Bewegung---

Wärmeausdehnungskoeffizient von Legierungen und Keramik

So bedeutet z.B der WAK α von Kupfer

16,4 · 10^-6/K,

dass sich Kupfer bei einer Erwärmung um 1 Kelvin um den 16,4 · 10^-6 sten Teil 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 WAK α von Kupfer auch mit 16,4 μm/m · K angeben.

Der WAK α kann daher mit folgender Formel berechnet werden:

Der WAK von Dentalegierungen ist in Legierungstabellen von großer Bedeutung. Sollen verschiedene Werkstoffe, in unserem Fall Keramik und Legierung verbunden werden, müssen sie einen ähnlichen WAK aufweisen. Ganz genau betrachtet muss der WAK der Keramik geringfügig niedriger sein als der WAK der Aufbrennlegierung. In diesem Fall kontrahiert das Metallgerüst beim Abkühlungsvorgang nach dem Brennen geringfügig stärker als die Keramik der Verblendung. Die Keramik wird also unter Druckspannung gesetzt und ist damit sogar belastbarer. Das Metall zwingt sozusagen die Keramik etwas kleiner zu werden, als sie von allein werden würde. Im umgekehrten Fall würde die Keramik stärker kontrahieren als das Metall und wäre damit sehr ungünstigen Zugspannungen ausgesetzt. Das Metall zwingt sozusagen die Keramik etwas größer zu bleiben, als sie von allein geblieben wäre. Sprünge und Risse könnten unter Belastung die Folge sein!

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.