همه مواد بر اثر حرارت و گرما تغییر طول یا حجم نشان می دهند. میزان این تغییرات به نیروی بین اتمی و قدرت پیوندی بین اتم های ماده مورد نظر بستگی دارد. بنابراین واضح است که انتظار داشته باشیم تا مواد با پیوندهای کووالانسی یا یونی قوی (شیشه و سرامیک) نسبت به تغییرات دمایی تغییر کمتری را نشان دهند و موادی با پیوندهای بین مولکولی ضعیف تر مانند پلیمرها تغییرات بیشتری نسبت به تغییر دما داشته باشند. انبساط سنجی یا دیلاتومتری از روش های اندازه گیری دقیق انقباض یا انبساط مواد است.
دیلاتومتری
دیلاتومتری (Dilatometry) یا اتساع سنجی و یا انبساط سنجی روشی برای اندازه گیری میزان انبساط یا انقباض مواد جامد، پودر، چسب یا مایعات طی حرارت دادن یا خنک کردن نمونه است. اندازه گیری میزان صحیح و دقیق انقباض یا انبساط می تواند درک درستی از رفتارهای نمونه مانند خواص تراکم و پخت تاثیر افزودنی به مواد خام، انتقال فاز، سینتیک واکنش، شوک حرارتی و .. فراهم کند.
دماسنج جیوه ای یک مثال بسیار ساده با استفاده روزانه از روش دیلاتومتری ست. ماسنج جیوه ای یک دیلاتومتر است که به علت سرعت انبساط ثابت جیوه در دمای معمولی تغییرات حجم مایع جیوه در ستون مستقیما به دما نسبت داده می شود.
اصول دیلاتومتری
به طور کلی در روش دیلاتومتری تغییر طول یا حجم نمونه بر حسب دما رسم شده و بررسی می گردد.
تغییر طول یک نمونه به عنوان تابعی از تغییر دما، در گستره دمایی که انبساط حرارتی نمونه خطی است از رابطه زیر به دست می آید:
ΔL=Lo.α.ΔT
که در این رابطه Lo طول اولیه نمونه α ضریب انبساط حرارتیΔT تغییر دما و ΔLنیز تغییر طول نمونه را نشان می دهند.
مقدار ضریب انبساط حرارتی α با تغییر دما تغییر می کند. مقدار α در مواد کریستالی و یا کامپوزیت های با الیاف جهت دار تابع جهت بوده و جهت های گوناگون بلور در مقدار α نقش مهمی دارد.
به طور کلی یک دیلاتومتر (dilatometer) از یک کوره حرارتی، سنسور یا حسگر و .. است. برای انجام دیلاتومتری نمونه در یک ظرف مخصوص در یک کوره متحرک (moveable furnace) قرار داده می شود. شکل 1. شمای کلی یک دیلاتومتر را نشان می دهد.
شکل 1- شمای کلی یک دیلاتومتر
یک میله فشاری (pushing rod) در پشت نمونه یا ماده مرجع قرار دارد تا تغییرات طولی یا حجمی آنها را به حسگر یا مبدل منتقل کند. ممکن است نمونه ها در یک منتل (mantle) قرار داده شوند و سپس با عبور گاز سرد یا گرم شوند. تغییرات طول با استفاده از یک ترانسفورماتور دیفرانسیل خطی یا مبدل جابجایی خطی متغیر (Linear Variable Differential Transformer ) با نام مخفف LVDT انجام می شود.
روش تداخل سنجی لیزری مایکلسون (Michelson laser interferometry) از تکنیک های اندازه گیری انبساط حرارتی ست. در این روش به کمک لیزر با دقت بالا و آینه، انبساط حرارتی اندازه گیری می شود. در روش تداخل سنجی استفاده از اپتیک با کیفیت بالا، آشکارسازهای فوتونی و روش های interpolation امکان اندازه گیری تفکیک تا یک نانومتر تغییر طول را فراهم می شود. ویژگی منحصر به فرد تداخل سنجی محدودیت کم در اندازه و شکل نمونه است.
در روش XRD که پارامترهای شبکه به راحتی اندازه گیری می شوند، امکان تعیین تغییرات پارامترهای شبکه تحت حرارت نیز وجود دارد. بنابراین با روش XRD نیز اندازه گیری انبساط حرارتی انجام می شود.
نکات آنالیزی دیلاتومتری
- اندازه گیری ضریب انبساط حرارتی مواد و آلیاژها، تغییرات فازی، دمای انتقال شیشه، دمای نرم شوندگی بررسی رفتار حرارتی مواد با دیلاتومتری امکان پذیر است.
- نمونه باید سطح صاف داشته باشد.
- با این روش حساسیت در حد 1 تا 10 میلی متر و دقت در حد 5-1 درصد می باشد. البته در دستگاه های مدرن که از لیزر و چشم الکترونیکی استفاده می شود حساسیت و دقت بسیار بهتر خواهد بود.
