Dilatometrie is een thermo-analytische meettechniek waarmee de dimensionele verandering van een vast materiaal wordt gemeten als functie van de temperatuur, zonder dat een externe mechanische belasting op het monster wordt uitgeoefend. De methode registreert de lineaire of volumetrische uitzetting (of krimp) die optreedt bij verwarming of afkoeling en levert de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) als primaire uitvoergrootheid. Omdat dilatometrie bovendien faseovergangen, sintering en glasovergangen detecteert via abrupte veranderingen in de uitzettingscurve, is de techniek onmisbaar bij de karakterisering van keramiek, metalen, glas, refractaire materialen en bouwmaterialen.
Een dilatometer meet hoeveel een monster in lengte of volume verandert wanneer de temperatuur wordt verhoogd of verlaagd. Het instrument registreert de verplaatsing als functie van de temperatuur en levert een dilatometrische curve: de relatieve lengteverandering (ΔL/L0) uitgezet tegen de temperatuur. Uit de helling van die curve wordt de CTE berekend. Bij de meeste vaste stoffen is de uitzetting klein — tientallen tot enkele honderden ppm per graad — wat een resolutie in het nanometerbereik vereist. Daarnaast detecteert de dilatometer elke afwijking van de lineaire trend: een knik, sprong of krimp in de curve wijst op een structurele verandering in het materiaal, zoals een faseovergang, sintering, glasovergang of ontleding.
Net als bij thermomechanische analyse (TMA) berust dilatometrie op het meten van een verplaatsing als functie van de temperatuur. Het fundamentele verschil is dat bij dilatometrie geen externe belasting op het monster wordt uitgeoefend: de enige kracht die op het monster werkt, is het eigen gewicht van de duwstaaf (typisch in de orde van millinewton). Bij TMA wordt juist een gecontroleerde kracht opgelegd om naast uitzetting ook verweking en penetratie te meten.
De basisvergelijking voor de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt is dezelfde als bij TMA:
α(T) = (1 / L0) × (dL / dT)
Hierbij is α(T) de temperatuurafhankelijke CTE in K−1, L0 de beginlengte van het monster bij een referentietemperatuur en dL/dT de helling van de dilatometrische curve. Voor de meeste materialen wordt de CTE uitgedrukt in 10−6 K−1 (ppm/K). De CTE is in het algemeen niet constant maar verandert met de temperatuur; dilatometrie levert het volledige CTE-profiel over het meettraject.
De thermische uitzettingscoëfficiënt kan lineair of volumetrisch worden uitgedrukt. De lineaire CTE (α) beschrijft de relatieve lengteverandering in één richting per graad temperatuurstijging. De volumetrische CTE (β) beschrijft de relatieve volumeverandering en is voor isotrope materialen bij benadering gelijk aan drie maal de lineaire CTE: β ≈ 3α. In de dilatometrie wordt vrijwel altijd de lineaire CTE gemeten, omdat het instrument de verandering in één dimensie registreert. Voor anisotrope materialen — zoals eenkristallen, vezelversterkte composieten en bepaalde keramische texturen — verschilt de CTE per kristallografische richting. In dat geval worden meerdere metingen in verschillende richtingen uitgevoerd om het volledige uitzettingsgedrag in kaart te brengen.
Dit is het meest gangbare type. Het monster wordt tussen twee duwstaven van kwarts of aluminiumoxide geplaatst in een buisoven. Bij verwarming duwt het uitzettende monster de staven uiteen; de verplaatsing van de vrije staaf wordt gedetecteerd door een LVDT-sensor (Linear Variable Differential Transformer) of een lineaire encoder. De LVDT is een elektromagnetische sensor die de axiale positie van een beweegbare kern in een spoelconfiguratie contactloos en wrijvingsloos meet; het werkingsprincipe levert een robuust, lineair signaal met hoge resolutie. De oven kan horizontaal of verticaal zijn georiënteerd. Het temperatuurbereik reikt doorgaans van kamertemperatuur tot 1600 °C; speciale versies bereiken 2000 °C en hoger. Duwstaafdilatometers, gekalibreerd volgens de eisen van ISO 17025-geaccrediteerde laboratoria, vormen het werkpaard in keramisch, metallurgisch en glasonderzoek.
In een differentiële dilatometer worden twee identieke meetopstellingen gebruikt: een met het monster en een met een referentiemonster van bekend uitzettingsgedrag (meestal kwarts of saffier). De verplaatsing die wordt geregistreerd is het verschil ΔLmonster − ΔLreferentie. Dit elimineert systematische fouten door de uitzetting van het meetsysteem zelf (duwstaven, buiswanden) en levert hogere nauwkeurigheid. De differentiële methode is vergelijkbaar met het concept van differentiële thermische analyse (DTA), waar het verschil tussen monster en referentie de meetgrootheid is.
Bij optische dilatometrie wordt de lengtewijziging contactloos gemeten via laserinterferometrie of een capacitieve sensor. Voordelen zijn een hogere resolutie (tot 0,1 nm), geen mechanisch contact met het monster en de mogelijkheid om zeer zachte of brosse materialen te meten die door een duwstaaf beschadigd zouden worden. De ASTM E228-standaard beschrijft de interferometrische methode; voor hoge nauwkeurigheid bij lage temperaturen (cryogeen tot kamertemperatuur) is laserdilatometrie de voorkeursmethode.
Een speciaal type dilatometer dat is ontworpen voor de metallurgie. Het monster wordt in zeer korte tijd verwarmd (inductief of met weerstandsverwarming, tot 100 K/s of meer) en vervolgens gecontroleerd afgekoeld of afgeschrikt met een inert gas of water. De dilatometrische curve tijdens afkoeling onthult faseovergangen die het materiaal doorloopt bij verschillende koelsnelheden. Uit de combinatie van meerdere experimenten wordt een CCT-diagram (Continuous Cooling Transformation) opgesteld — een essentieel instrument voor de warmtebehandeling van staal.
Een dilatometrische curve toont ΔL/L0 (in % of ppm) als functie van de temperatuur. De helling op elk punt is de momentane CTE. Afwijkingen van de lineaire trend geven structurele veranderingen aan. De belangrijkste fenomenen die zichtbaar worden in een dilatometrische curve zijn de volgende.
Het klassieke voorbeeld van een dilatometrische faseovergang is staal. Bij verwarming zet ferriet (kubisch ruimtelijk gecentreerd, BCC) lineair uit tot circa 723 °C, waar de eutectoïde omzetting (Ac1) begint: het materiaal transformeert naar austeniet (kubisch vlakgecentreerd, FCC), dat een dichtere pakking en dus een kleiner specifiek volume heeft. De curve krimpt ondanks de stijgende temperatuur. Na volledige omzetting (Ac3) zet austeniet weer lineair uit, maar met een andere CTE. Bij afkoeling vindt het omgekeerde proces plaats (Ar3, Ar1). De temperatuurhysterese tussen opwarming en afkoeling is kenmerkend voor de faseovergangskinetiek. Met behulp van de hefboomregel (lever rule) kan uit de dilatometrische curve bij elke temperatuur binnen het transformatiegebied de fractie omgezette fase worden berekend. Kwantitatieve analyse van sinteringskinetiek en kristallisatiekinetiek uit dilatometrische data — inclusief de Avrami-Erofeev-modellen — wordt beschreven in het artikel over kinetische analysemethoden bij thermische analyse.
Dilatometrie deelt het basisprincipe van dimensiemeting met thermomechanische analyse (TMA), maar verschilt op essentiële punten. De volgende tabel geeft een overzicht.
In de praktijk worden dilatometrie en DSC of DTA vaak gecombineerd op hetzelfde monstermateriaal: de dilatometrische curve geeft de dimensionele verandering en de DSC- of DTA-curve geeft de bijbehorende warmte-effecten. Dit maakt het mogelijk een faseovergang volledig te karakteriseren naar zowel de dimensionele als de thermodynamische kant.
Dilatometrie is de standaardmethode voor het opstellen van CCT- en TTT-diagrammen (Continuous Cooling Transformation en Time-Temperature-Transformation) van staal en andere legeringen. Door het monster in een afschrikdilatometer bij verschillende koelsnelheden af te koelen en de faseovergangen uit de dilatometrische curve af te lezen, worden de transformatiegebieden voor ferriet, perliet, bainiet en martensiet in kaart gebracht. Deze gegevens zijn essentieel voor het ontwerp van warmtebehandelingscycli in de automobiel-, luchtvaart- en gereedschapsindustrie. Een CCT-diagram toont per koelsnelheid bij welke temperaturen de faseovergangen beginnen en eindigen; een TTT-diagram doet hetzelfde voor isotherme omstandigheden. Beide diagrammen zijn afhankelijk van de chemische samenstelling van het staal en worden daarom voor elke legering afzonderlijk opgesteld.
De CTE van keramiek en refractaire materialen moet nauwkeurig bekend zijn voor het ontwerp van ovenbekleding, katalysatordragers, isolatiemateriaal en constructieceramiek. Dilatometrie meet de CTE van compacte en poreuze keramiek tot temperaturen boven 1600 °C. Sinterdilatometrie — het volgen van de krimp als functie van de temperatuur — is een kernmethode bij de ontwikkeling van keramische poeders en composieten: de curve geeft rechtstreeks de temperatuur waarop verdichting begint, het temperatuurgebied van maximale sintersnelheid en de eindkrimping.
De CTE van glas is een van de belangrijkste specificaties bij de materiaalselectie. Borosilicaatglas (type 3.3, CTE circa 3,3 ppm/K) dankt zijn thermische schokbestendigheid aan de lage CTE in vergelijking met gewoon sodakalkglas (8–9 ppm/K). Dilatometrie levert naast de CTE ook de verwekingstemperatuur (Littleton-softening point) en de glasovergang (Tg) van glasvormende materialen. Bij glaskeramiek is de CTE kritisch voor de afstemming tussen glasfase en kristallijne fase om interne spanning te voorkomen. Wanneer de CTE van het glazuur hoger is dan die van het keramische lichaam, ontstaat bij afkoeling trekspanning in het glazuur, wat leidt tot craquelé (haarscheurtjespatroon). Idealiter is de CTE van het glazuur iets láger dan die van het lichaam, zodat het glazuur onder lichte drukspanning staat en mechanisch sterker is.
De uitzetting van beton, metselwerk en natuursteen bij temperatuurwisseling moet worden meegenomen in het structureel ontwerp van gebouwen, bruggen en tunnels. Dilatometrie bepaalt de CTE van mortel, baksteen, graniet en kalksteen over een breed temperatuurtraject. Bij vuurvast beton is de sinterkrimp bij hoge temperatuur een kritische parameter.
In de halfgeleiderproductie is de CTE-afstemming tussen substraat, chipmateriaal en verpakkingsmateriaal cruciaal. Wanneer aangrenzende materialen in een assemblage sterk verschillende CTE-waarden hebben (CTE-mismatch), ontstaan bij temperatuurwisseling thermische spanningen die leiden tot delaminatie, scheurvorming of vermoeiingsbreuk van soldeerverbindingen. Dilatometrie wordt ingezet voor keramische substraten (aluminiumoxide, aluminiumnitride, LTCC-materialen), gietharsen en koelichaammaterialen. Voor polymeer- en composietsubstraten is TMA de gangbare methode vanwege de kleinere monsterafmetingen en de mogelijkheid van belaste meting.
De term dilatometrie is afgeleid van het Latijnse dilatare (uitbreiden, uitzetten) en het Griekse metron (maat). In het Engels is de gangbare term dilatometry of thermal expansion measurement. In de Franstalige literatuur komt dilatométrie thermique voor. Een veelgebruikt synoniem in het Duits is Dilatometrie of Längenausdehnungsmessung. In Nederlandse technische context wordt ook gesproken van uitzettingsmeting, hoewel deze term minder specifiek is en niet verwijst naar het gestandaardiseerde meetprincipe.
De monstergeometrie bij duwstaafdilatometrie is een cilinder of rechthoekig staafje met een lengte van typisch 10 tot 50 mm en een diameter van 3 tot 12 mm. De uiteinden moeten planparallel zijn voor een goed contact met de duwstaven; een afwijking in de beginlengte werkt lineair door in de CTE-berekening. Bij sinterdilatometrie worden geperste of gegoten groene lichamen direct gemeten.
De opwarmsnelheid is doorgaans 1 tot 10 K/min voor standaard CTE-metingen. Bij afschrikdilatometrie zijn veel hogere snelheden gebruikelijk (tot honderden K/s bij verwarming, en gecontroleerde koeling van 0,1 tot 100 K/s). Lagere snelheden verbeteren de temperatuurhomogeniteit in het monster en geven betere overeenkomst met de thermodynamische evenwichtswaarden.
De meetatmosfeer is doorgaans stikstof, argon of helium om oxidatie te voorkomen. Voor oxidatieve experimenten kan lucht worden gebruikt. Bij sinterdilatometrie van keramiekpoeders in een reducerende atmosfeer (waterstof/stikstofmengsel) wordt de invloed van de sintersfeer op de verdichting onderzocht.
De kalibratie geschiedt met referentiematerialen van bekende CTE, zoals kwarts (CTE circa 0,5 ppm/K), saffier (circa 5,6 ppm/K) en aluminium (circa 23 ppm/K), of met gecertificeerde referentiematerialen van het NIST of de BAM. De kalibratie omvat zowel de lengtemeting als de temperatuurmeting. Periodieke kalibratie is verplicht in een GLP- of ISO 17025-omgeving. Zie ook Validatie van analytische methoden voor de algemene kwaliteitseisen.
Dilatometrie meet de uitzetting van een monster zonder externe belasting (alleen het eigen gewicht van de duwstaaf, millinewtonbereik). TMA legt een gecontroleerde kracht op (0,01 tot 1 N) en kan daarmee naast uitzetting ook verweking, penetratie en krimp onder belasting meten. Dilatometrie is geoptimaliseerd voor hoge temperaturen (tot 2000 °C) en stijve materialen (keramiek, metaal, glas); TMA is gestandaardiseerd voor polymeren en composieten bij lagere temperaturen (−150 tot +1000 °C) conform ISO 11359. In de praktijk overlappen de technieken gedeeltelijk: voor een stijf keramiekmonster leveren dilatometrie en TMA vergelijkbare CTE-waarden. Het verschil is vooral de belasting, het temperatuurbereik en de normering.
Een dilatometer wordt gebruikt voor het meten van de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van vaste materialen, het detecteren van faseovergangen in metalen en legeringen, het volgen van sinterprocessen in keramiek, het bepalen van de glasovergangstemperatuur van glas en glaskeramiek, het opstellen van CCT- en TTT-diagrammen voor warmtebehandeling van staal, en het bepalen van de verwekingstemperatuur van glas (Littleton point). Daarnaast wordt dilatometrie ingezet voor kwaliteitscontrole bij de productie van refractaire materialen, beton, bakstenen en tegels.
Bij differentiële dilatometrie wordt gelijktijdig een monster en een referentiemonster van bekende CTE gemeten. Het geregistreerde signaal is het verschil in uitzetting: ΔLmonster − ΔLreferentie. Hierdoor worden systematische fouten door de thermische uitzetting van het meetsysteem zelf (duwstaven, omhulling) geëlimineerd. De methode is met name waardevol bij zeer nauwkeurige CTE-metingen en bij metingen in de buurt van kamertemperatuur, waar de absolute uitzetting klein is.
Ja. Krimp manifesteert zich als een negatieve dimensieverandering (de curve daalt ondanks stijgende temperatuur). Krimp treedt op bij sinterprocessen (poriën sluiten en het materiaal verdicht), bij faseovergangen naar een dichtere kristalstructuur (zoals alpha-ferriet naar gamma-austeniet in staal), en bij ontledingsreacties waarbij gasvormige producten ontwijken. Sinterdilatometrie — het meten van de krimp als functie van de temperatuur — is een onmisbare methode bij de ontwikkeling en kwaliteitscontrole van keramische en poedermetallurgische materialen.
Standaard duwstaafdilatometers met aluminiumoxide-duwstaven meten tot circa 1600 °C. Met grafietduwstaven in inerte atmosfeer of met speciale hoge-temperatuurovens zijn metingen tot 2000 °C en hoger mogelijk. Optische en laserdilatometers zijn contactloos en kunnen metingen verrichten bij nog hogere temperaturen, mits de oven en de optische toegang dit toelaten. Aan de onderkant reiken cryogene dilatometers tot −269 °C (vloeibaar helium) voor onderzoek aan supergeleiders en ruimtevaartmaterialen.
De nauwkeurigheid van een dilatometer hangt af van het sensortype en het instrument. Een standaard duwstaafdilatometer met LVDT-sensor bereikt een verplaatsingsresolutie van circa 1 tot 10 nm, wat overeenkomt met een resolutie in de CTE van circa 0,01 ppm/K voor een monster van 25 mm. Laserinterferometrische dilatometers bereiken een nog hogere resolutie van 0,1 nm of beter. De totale meetonzekerheid wordt beïnvloed door de temperatuurhomogeniteit in het monster, de kwaliteit van de kalibratie, de planparalleliteit van de monsteruiteinden en de thermische stabiliteit van de meetopstelling. Met een differentiële meetopstelling en gecertificeerde referentiematerialen is een nauwkeurigheid in de CTE van beter dan 3 tot 5 procent haalbaar over een breed temperatuurtraject.
Sinterdilatometrie is een specifieke toepassing van dilatometrie waarbij de krimp van een geperst of gegoten poedercompact (een zogenaamd groen lichaam) wordt gevolgd als functie van de temperatuur tijdens het sinterproces. Het instrument registreert hoeveel het monster krimpt naarmate de poederdeeltjes bij verhoogde temperatuur samengroeien en de porositeit afneemt. Uit de sinterdilatometrische curve worden drie kernparameters afgeleid: de temperatuur waarop verdichting begint, het temperatuurgebied van maximale sintersnelheid en de totale eindkrimping. Deze gegevens worden gebruikt om sinterprogramma’s te optimaliseren voor keramiek, poedermetallurgie, hardmetaal en technisch porselein. De kinetiek van het sinterproces kan worden beschreven met modellen zoals het Avrami-Erofeev-model en het mastersintering-curve-concept.
Een CCT-diagram (Continuous Cooling Transformation) is een grafische weergave van de faseovergangen die een staal of andere legering doorloopt bij continu afkoelen vanuit de austenitische toestand. Het diagram toont op de horizontale as de tijd (logaritmisch) en op de verticale as de temperatuur; de transformatiegebieden voor ferriet, perliet, bainiet en martensiet zijn als velden ingetekend. Het CCT-diagram wordt opgesteld met een afschrikdilatometer: het monster wordt eerst boven de austenitiseringstemperatuur verwarmd en vervolgens bij een reeks verschillende koelsnelheden afgekoeld. Bij elke koelsnelheid wordt uit de dilatometrische curve afgelezen bij welke temperaturen de faseovergang begint en eindigt. Metallografisch onderzoek en hardheidsmetingen completeren de identificatie van de gevormde fasen. Het verwante TTT-diagram (Time-Temperature-Transformation) wordt op vergelijkbare wijze opgesteld, maar dan bij isotherme condities in plaats van continu afkoelen.
De hefboomregel (lever rule) is een methode om uit de dilatometrische curve het aandeel van de gevormde fase te berekenen tijdens een faseovergang. Bij de omzetting van ferriet naar austeniet in staal wijkt de curve af van het lineaire uitzettingsverloop. De hefboomregel werkt als volgt: de lineaire uitzettingslijnen van de beginfase (ferriet) en de eindfase (austeniet) worden geëxtrapoleerd over het transformatiegebied. Bij elke temperatuur binnen dat gebied wordt de positie van het werkelijke meetpunt bepaald ten opzichte van de twee geëxtrapoleerde lijnen. De verhouding van de afstanden geeft rechtstreeks de fractie omgezette fase: bevindt het meetpunt zich precies op de geëxtrapoleerde ferrietlijn, dan is er nog geen omzetting (0 procent austeniet); ligt het op de austenitlijn, dan is de omzetting volledig (100 procent austeniet). Tussenliggende posities corresponderen evenredig met de fractie getransformeerd materiaal. De hefboomregel wordt veelvuldig toegepast bij het opstellen van CCT- en TTT-diagrammen en bij de kwantitatieve analyse van isotherme en continue faseovergangen in staal, gietijzer en andere legeringen.
Bij de meeste materialen neemt het volume toe bij stijgende temperatuur, maar sommige materialen vertonen een negatieve thermische uitzetting: zij krimpen bij verwarming in een of meer richtingen. Bekende voorbeelden zijn zirkoniumwolframaat (ZrW2O8) dat over een breed temperatuurtraject krimpt bij verwarming, en bepaalde zeolietstructuren. Een verwant fenomeen is de nagenoeg nul-uitzetting van Invar-legeringen (circa 36 procent nikkel in ijzer), waarbij de magnetostrictieve bijdrage de normale thermische uitzetting grotendeels compenseert. Invar heeft een CTE van slechts circa 1,2 ppm/K bij kamertemperatuur. Materialen met lage of negatieve CTE zijn van belang voor precisie-instrumentatie, telescoopspiegels, optische banken en metrologie, waar dimensionale stabiliteit bij temperatuurwisseling essentieel is. Dilatometrie is het aangewezen instrument om het uitzettingsgedrag van dergelijke materialen nauwkeurig in kaart te brengen.
De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (α) beschrijft de relatieve lengteverandering van een materiaal per graad temperatuurstijging in één richting. De volumetrische thermische uitzettingscoëfficiënt (β) beschrijft de relatieve volumeverandering. Voor isotrope materialen geldt bij benadering β = 3α. Dilatometrie meet standaard de lineaire CTE; de volumetrische waarde wordt hieruit berekend. Bij anisotrope materialen — bijvoorbeeld eenkristallen of vezelversterkte composieten — verschilt de lineaire CTE per richting en zijn meerdere metingen in verschillende oriëntaties nodig om het volledige driedimensionale uitzettingsgedrag te bepalen.
Commerciële dilatometers worden geleverd door fabrikanten als Netzsch (DIL-serie), TA Instruments, Linseis en Bähr/TA Instruments (afschrikdilatometers). Netzsch DIL 402 Expedis is een veelgebruikte duwstaafdilatometer voor keramisch en metallurgisch onderzoek; de DIL 801/805-serie is gespecialiseerd voor hoge temperaturen tot 2000 °C. Bähr DIL 805-dilatometers (sinds de overname in 2016 onder de naam TA Instruments) zijn de standaard voor CCT-diagrammen in de staalindustrie.
Labvakhandel levert ovens en incubatoren voor monstervoorbereiding en thermische conditionering, temperatuurmeetapparatuur voor kalibratie en procescontrole, en kwartsglas toebehorensets voor dilatometers. Neem contact op voor advies over de juiste uitrusting voor uw thermo-analytisch laboratorium.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
