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. Der 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.

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

---Bild Temperatur Kelvin Temperatur Grad Celsius---

---Bild thermische expansion--- ---Bild thermische kontraktion---

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.

Bedeutung des WAK in der Zahntechnik

Der WAK von Dentalegierungen 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. 2. Der WAK der Legierung ist größer als der WAK der Keramik. 3. Der WAK der Legierung ist kleiner als der WAK der 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 leider kaum zu erreichen, da man nie absolut gleiche WAK Werte bei zwei Stoffen erreichen kann. --- Bild WAK_Legierung = WAK_Keramik ---

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

Die Legierung

--- Bild WAK_Legierung > WAK_Keramik ---

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

--- Bild WAK_Legierung < WAK_Keramik ---

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.