WAK vereinfacht
Wärmeausdehnungskoeffizient
Der Wärmeausdehnungskoeffizent (WAK) ist ein Materialwert, der angibt, wie stark sich ein Material bei einer Temperaturänderung ausdehnt (Fachbegriff: expandiert) oder zusammenzieht (Fachbegriff: kontrahiert).
Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α
Festkörper expandieren bei Erwärmung, da die Atome sich mehr bewegen und daher mehr Platz nutzen. Die Ausdehnung für feste Stoffe (keine Flüssigkeiten oder Gase) wird meist als linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α oder als Längenausdehnungskoeffizienten α angegeben. Der lineare WAK wird normalerweise in den Einheiten μm/m · K (Mikrometer durch Meter mal Kelvin) angegeben.
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. 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 (expandieren) sich bei Erwärmung gleich stark. Leider ist dies technisch meist nicht möglich, da es immer zu kleinen Abweichungen bei der Produktion kommen kann. Da Fall 1 nie vorkommt, schauen wir uns Fall 2 und Fall 3 an.
2. Der WAK der Legierung ist größer als der WAK der Keramik.
Im Aufwärmvorgang expandiert (dehnt sich aus) die Legierung stärker als die Keramik. Im Abkühlungsvorgang kontrahiert (zieht sich zusammen) die Legierung demnach auch stärker als die Keramik. Da die Keramik an der Legierung haftet, wird die Keramik gezwungen etwas kleiner zu werden als sie normalerweise würde. Im äußeren Bereich kann die Keramik normal kontrahieren (zusammenziehen). Im Bereich zwischen Keramik und Metall wird die Keramik jedoch zusammen gedrückt und es entstehen Druckspannungen. Druckspannungen können von spröden Werkstoffen wie Keramiken gut aufgenommen werden.
WAK_Legierung > WAK_Keramik
WAK_Legierung > WAK_Keramik, obere Kante der Keramik normale Kontraktion, untere Kante der Keramik gezwungene Kontraktion
3. Der WAK der Legierung ist kleiner als der WAK der Keramik.
Im Aufwärmvorgang expandiert (dehnt sich aus) die Keramik stärker als die Legierung. Im Abkühlungsvorgang kontrahiert (zieht sich zusammen) die Keramik auch stärker als die Legierung. Da die Keramik an der Legierung haftet, wird die Keramik gezwungen etwas größer zu werden als sie normalerweise würde. Im äußeren Bereich kann die Keramik normal kontrahieren (zusammenziehen). Im Bereich zwischen Keramik und Metall wird die Keramik jedoch auseinander gezogen und es entstehen Zugspannungen. Die Zugspannungen (wird auseinander gezogen) erhöhen bei spröden Werkstoffen wie Keramiken die Rissbildung stark. Spröde Werkstoffe wie Keramik können Zugspannungen nicht gut aufnehmen.
WAK_Legierung < WAK_Keramik
WAK_Legierung < WAK_Keramik, obere Kante der Keramik normale Kontraktion, untere Kante der Keramik gezwungene Kontraktion
Optimaler Legierungs-WAK und der Grund für Risse und Abplatzungen in der Verblendung
Die Legierung und die Keramik müssen demnach aufeinander abgestimmt sein. Optimal ist für die Legierung ein um 0,5 bis 1 µm/m*K größeren linearer WAK-Wert (WAK_Legierung > WAK_Keramik). So wird die Legierung bei der Abkühlung stärker kontrahieren (zusammenziehen) und die Keramik (die an der Legierung haftet) wird leicht zusammengedrückt (siehe Fall 2: WAK_Legierung > WAK_Keramik).
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.
WAK_Legierung viel kleiner als WAK_Keramik
WAK_Legierung viel größer als WAK_Keramik
Zusatzinfos:
Temperatur in Kelvin und die thermische Bewegung der Atome
Kelvin ist eine Maßeinheit für die Temperatur und wird in der Wissenschaft und Technik verwendet. Der Kelvin-Nullpunkt (also 0 Kelvin bzw. 0 K (Achtung! Kein Grad)) 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 zur kontraktion. In Bezug auf Grad Celcius (°C) wären 0 K das gleiche wie -273,15 Grad Celsius. 273,15 Kelvin sind also 0 Grad Celsius und 373,15 Kelvin somit 100 Grad Celsius.
Die Formel zum Umrechnen sieht so aus:
Temperatur in Kelvin = Temperatur in Grad Celsius + 273,15.
Ergänzung zum linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
Ein Beispiel: Der Längenausdehnungskoeffizienten α von Kupfer ist:
16,4 · 10-6/K,
so wird sich z.B. eine 1 Meter lange Kupferstange mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 16,4 · 10-6 1/K bei einer Temperaturerhöhung um 1 Kelvin auf 1,0000164 Meter dehnen (1m+1m*16,4 · 10-61/K · 1K). Bei vielen Feststoffen (z.B. Dentallegierung) expandieren und kontrahieren die Stoffe in alle Raumrichtungen mit dem Längenausdehnungskoeffizienten α.
Die Änderung der Länge (Längenausdehnung) ∆L ist gleich dem linearern Wärmeausdehnungskoeffizient α mal die Ursprungslänge (L_0) mal die Änderung der Temperatur (∆T). Als Formel:
[math]\displaystyle{ \Delta L = \alpha \sdot L_0 \sdot \Delta T }[/math]
Deshalb kann man den linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α von Kupfer auch mit 16,4 μm/m · K angeben.