Introduzione
Nello studio dei materiali, le analisi fisiche termiche come CTE e LFA sono fondamentali per valutare come i componenti rispondono al calore. Entrambe le tecniche trovano applicazione sia sui materiali metallici, con un interesse specifico per i processi di stampa 3D (additive manufacturing) sia sui materiali polimerici e compositi. La misura del coefficiente di espansione termica (CTE) si concentra sulle variazioni dimensionali e geometriche del materiale al variare della temperatura, mentre la tecnica della Laser Flash Analysis (LFA) analizza la capacità del materiale di diffondere calore (diffusività termica) e permette di calcolare la conducibilità termica.
Misurare il coefficiente di espansione termica (CTE) con dilatometria
Con l’analisi del coefficiente di espansione termica (CTE) di valutano le variazioni di dimensione dei materiali al variare della temperatura. Il dilatometro è lo strumento che consente di determinare il CTE dei materiali solidi attraverso una tecnica comparativa per confronto con standard di riferimento; il metodo in accordo a ASTM E228 è riconosciuto come maggiormente preciso ed accurato rispetto ai metodi che prevedono l’utilizzo di altre apparecchiature come TMA (analisi termomeccanica, ASTM E831).
La dilatometria consente di eseguire misure in un range di temperature compreso tra -150°C e 1000°C e può testare sia materiali metallici che materiali a matrice polimerica.
Per citare alcuni esempi applicativi, si possono testare materiali metallici sotto il loro punto di fusione per verificare le loro caratteristiche dilatometriche; in particolare la misura assume grande interesse nei materiali metallici provenienti da stampa 3D per i quali si vogliono verificare le caratteristiche termiche in relazione al processo produttivo.
In particolare, si riescono ad apprezzare, come nel caso della seguente figura, eventuali cambi di fase del materiale che comportano diversi valori di espansione termica; è inoltre interessante valutare il CTE sia del primo riscaldamento (con attenzione alla storia termica del manufatto) che del secondo riscaldamento (con attenzione alle caratteristiche del materiale).
Queste caratteristiche possono essere misurate anche per materiali di natura polimerica; lo strumento è in grado di testare le proprietà dei polimeri ma anche dei materiali compositi o caricati con fibre.
In questo caso è interessante valutare l’espansione termica lungo diverse direzioni di crescita del materiale, che presenterà caratteristiche anisotrope. A seconda del processo produttivo e della direzionalità delle fibre all’interno del materiale le caratteristiche di espansione termica possono variare anche di diversi ordini di grandezza, come mostrato dall’esempio in figura.
Determinazione della conducibilità termica con LFA (Laser Flash Analysis)
La tecnica della Laser Flash Analysis (LFA) consente di misurare la diffusività termica e il calore specifico di un materiale irradiando una superficie con un fascio luminoso e valutando il tempo che porta al riscaldamento della superficie opposta a quella irradiata. Tale misura può esser effettuata anche in presenza di gas inerte nel caso di impiego di materiali ossidanti e al variare della temperatura fino ad un massimo di 1000°C.
Il valore di diffusività, insieme al valore del calore specifico e della densità del materiale, consente il calcolo della conducibilità termica del materiale.
La tecnica consente di misurare la conducibilità termica di materiali con valori superiori a 0,5-1W/mK; è quindi possibile testare tutti i campioni metallici e quelli plastici e ceramici ad elevata conducibilità.
Anche in questo caso, la misura trova ampia applicazione soprattutto nei materiali da additive manufacturing, per valutare le caratteristiche termiche in funzione del processo produttivo.
Un esempio dell’output è fornito in figura dove si può osservare l’andamento delle proprietà misurate al variare della temperatura.
Conclusione
La determinazione del CTE e l’analisi LFA si confermano due tecniche d’indagine fondamentali e complementari per la caratterizzazione termica dei materiali. Utilizzate insieme, sia sui metalli che sui polimeri, offrono una panoramica completa, indispensabile per ottimizzare i processi produttivi e prevedere con precisione il comportamento termico e strutturale dei componenti.