WAK Material 3
Wärmeausdehnungskoeffizient
Der Wärmeausdehnungskoeffizent (WAK) ist ein Materialwert, der angibt, wie stark sich ein Material bei einer Temperaturänderung ausdehnt (thermische expansion) oder zusammenzieht (thermische kontraktion). Der WAK wird üblicherweise in der Einheiten von 1/K (eins durch Kelvin) angegeben.
Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient
Festkörper expandieren (dehen sich aus) bei Erwärmung. Die Ausdehnung in eine Raumrichtung (auch lineare Wärmeausdehnungskoeffizient α oder Längenausdehnungskoeffizienten α) 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.
Die Änderung der Länge (Längenausdehnung) ∆L ist somit gleich dem linearern Wärmeausdehnungskoeffizient α mal die Ursprungslänge (L_0) mal die Änderung der Temperatur (∆T). Als Formel:
∆L = α L_0 ∆T.
[math]\displaystyle{ ΔL {{=}} \alpha ⋅ L0 ⋅ ΔT }[/math]
So wird z.B. eine Kupferstange mit einem linearen WAK von 16,4 · 10-6 und 1,0000000 Meter länge bei einer Temperaturänderung um 1 K auf 1,0000164 anwachsen. Deshalb kann man den linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α von Kupfer auch mit 16,4 μm/m · K angeben.
Bei den meisten Feststoffen expandieren und kontrahieren die Stoffe in alle Raumrichtungen mit dem Längenausdehnungskoeffizienten 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.
Beide Stoffe dehnen sich bei Erwärmung gleich aus. Hört sich zunächst gut an, ist aber leider kaum zu erreichen, da man nie absolut gleiche WAK Werte bei zwei Stoffen erreichen kann. Die Gefahr wäre demnach sehr groß, dass bei kleinen Abweichungen in der Legierung oder der Keramik der WAK der Keramik größer ist (siehe WAK_Legierung<WAK_Keramik).
2. Der WAK der Legierung ist größer als der WAK der 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 zusammen gedrückt. Dies führt zu Druckspannung (wird zusammen gedrückt), welches für einen spröden Werkstoff wie Keramik sogar die Belastbarkeit erhöht.
3. Der WAK der Legierung ist kleiner als der WAK der 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 ist mit dem Legierungsgerüst verbunden. Die Keramik wird von dem Legierungsgerüst gezwungen etwas größer zu bleiben als sie normalerweise würde. Die Keramik wird also im Grenzbereich zwischen Keramik und Metall auseinander gezogen. Dies führt zu Zugspannung (wird auseinander gezogen), welches für einen spröden Werkstoff wie Keramik die Rissbildung stark erhöht.
Optimaler Legierungs-WAK und der Grund für Risse und Abplatzungen in der Verblendung
Die Legierung muss demnach auf die Keramik abgestimmt sein. Optimal ist für die Legierung ein um 0,5 bis 1 µm/m*K größeren WAK Wert. So wird die Legierung bei der Abkühlung stärker konrahieren und die Keramik wird leicht zusammengedrückt.
Ist der WAK der Legierung "viel" größer als der WAK der Keramik führt dies zu Abplatzungen, da die Keramik gezwungen wird, stark zu schrumpfen und somit die Druckspannung (Keramik wird zusammengedrückt) sehr hoch wird. Ist der WAK der Legierung "viel" kleiner als der WAK der Keramik, führt dies zu Rissen, da die Keramik gezwungen wird, sich stark auszudehnen und somit die Zugspannung (Keramik wird auseinander gezogen) sehr hoch wird.