Dilatation thermique - Définition

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Mesure des coefficients de dilatation linéaires

Une méthode établie de mesure des coefficients de dilatation thermique est celle de la dilatométrie.

Dans le cas des matériaux cristallins, la dilatation thermique peut se mesurer de façon précise par diffraction des rayons X. Une méthode couramment utilisée consiste à mesurer les paramètres de maille du cristal pour différentes températures et d'en déduire les coefficients de dilatation linéaires. Cependant, le calcul intermédiaire des paramètres de maille introduit des erreurs supplémentaires dans le calcul des coefficients et il est préférable de les obtenir à partir de la variation en température de l'angle de diffraction θ. Plusieurs programmes fournissent les composantes du tenseur de dilatation à partir des variations de θ.

Problèmes dus à la dilatation

Joint de dilatation sur un pont.

La dilatation des solides est compensée sur les ponts par des « rainures » appelées joints de dilatation : avec les différences d'exposition au soleil et l'échauffement de l'atmosphère, un solide de plusieurs dizaines de mètres peut s'allonger de quelques centimètres. Sans l'espace laissé par les joints de dilatation, le pont subirait des contraintes internes supplémentaires.

  • La dilatation d'un liquide est souvent négligeable par rapport à son ébullition, mais peut expliquer certains phénomènes, notamment avec des récipients rigides. Elle n'est pas la cause du débordement du lait que l'on chauffe trop, qui est un phénomène propre aux protéines bouillies.
  • Le bris des verres chauffés ou refroidis brusquement s'explique par la dilatation.
  • Blocage de roue : si une roue est d'une matière différente de celle de son axe, elle pourra se bloquer à certaines températures si les tolérances mécaniques ont été mal calculées.

Anomalies

Le cas le plus généralement connu est celui de l'eau, qui présente un comportement particulier dans sa phase liquide entre °C et + °C : lorsque la température augmente dans cet intervalle l'eau se contracte et son volume massique diminue, ce qui correspond à un coefficient de dilatation thermique négatif. Ce phénomène est couramment appelé le « paradoxe de l'eau ».

Cependant, d'autres matériaux possèdent un coefficient de dilatation thermique négatif :

  • le tungstate de zirconium, α-ZrW2O8, se contracte lorsque la température augmente entre - 272,85 °C et 777 °C, température à laquelle le matériau se décompose. Ce phénomène a aussi été observé pour d'autres membres de la famille AM2O8 (A = Zr ou Hf et M = Mo ou W) ;
  • le germanate de cuivre et fer Cu2Fe2Ge4O13, monoclinique et constitué de chaînes d'octaèdres FeO6 en zig-zag le long de la direction b qui sont séparées dans la direction a par des dimères de carrés plans CuO4, a un coefficient de dilatation thermique négatif le long de a entre -233,15 °C et -73,15 °C, alors que dans les autres directions le coefficient de dilatation thermique est positif. Cette contraction thermique à basse température est supposée être due à la répulsion magnétique entre les ions Cu2+ à l'intérieur des dimères ;
  • le borate de strontium et de cuivre SrCu2(BO3)2, quadratique et constitué de couches ondulées Cu2(BO3)2 dans le plan (a, b) séparées le long de c par des atomes de strontium, possède un coefficient de dilatation thermique négatif dans la direction c entre 76,85 °C et 121,85 °C. Ce matériau subit une transition de phase structurelle du second degré à 121,85 °C : au-dessus de cette température les couches Cu2(BO3)2 deviennent planes, nécessitant moins de place dans la direction perpendiculaire c, ce qui explique le coefficient de dilatation thermique négatif.

Ainsi, plusieurs causes peuvent être à l'origine d'un coefficient de dilatation thermique négatif. Une application potentielle des matériaux à coefficient de dilatation thermique négatif en ingénierie est la mise au point de matériaux composites, mélanges de matériaux à coefficients α positifs et négatifs, qui auraient une dilatation thermique totale nulle.

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