WAK Material 3
Wärmeausdehnungskoeffizient
Der Wärmeausdehnungskoeffizent (WAK) ist ein Materialwert, der angibt, wie stark sich ein Material bei einer Temperaturänderung ausdehnt (thermische expansion) oder zusammenzieht (thermische kontraktion). Der WAK wird üblicherweise in der Einheiten von 1/K (eins durch Kelvin) angegeben. Kelvin ist eine Maßeinheit für die Temperatur und wird in der Wissenschaft und Technik verwendet. Die Einheit Kelvin wird genutzt um die thermische Bewegung der Atome anzugeben. 0 Kelvin bedeutet, dass es keine Bewegung der Atome gibt. In Bezug auf Grad Celcius (°C) sind 0 Kelvin das gleiche wie -273,15 Grad Celsius. 273,15 Kelvin sind 0 Grad Celsius und 373,15 Kelvin somit 100 Grad Celsius.
Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α
Festkörper expandieren bei Erwärmung, da die Atome sich mehr bewegen und daher mehr Platz nutzen. Die Ausdehnung in eine Raumrichtung wird als linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α oder als Längenausdehnungskoeffizienten α angegeben. Der linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α beschreibt, um den wievielten Teil seiner Länge sich ein Körper bei einer Temperaturerhöhung um 1 K verlängert (und bei Temperatursenkung verkürzt).
So wird sich z.B. eine 1 Meter lange Kupferstange mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 16,4 · 10-6 1/K bei einer Temperaturerhöhung um 1 Kelvin auf 1,0000164 Meter dehnen (1m+1m*16,4 · 10-61/K · 1K). Bei den meisten Feststoffen expandieren und kontrahieren die Stoffe in alle Raumrichtungen mit dem Längenausdehnungskoeffizienten α.
Bedeutung des WAK in der Zahntechnik
Der WAK von Dentallegierungen ist in Legierungstabellen von großer Bedeutung. Deutlich wird dies bei einem Keramikbrand auf eine Aufbrennlegierung. Dabei können 3 Fälle auftreten:
1. Der WAK der Legierung ist gleich dem WAK der Keramik. WAK_Legierung = WAK_Keramik.
2. Der WAK der Legierung ist größer als der WAK der Keramik. WAK_Legierung > WAK_Keramik
3. Der WAK der Legierung ist kleiner als der WAK der Keramik. WAK_Legierung < WAK_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 aber leider kaum zu erreichen, da man nie absolut gleiche WAK-Werte bei zwei Stoffen erreichen kann. Die Gefahr wäre demnach sehr groß, dass bei kleinen Abweichungen in der Legierung oder in der Keramik der WAK-Wert der Keramik größer ist als der WAK-Wert der Legierung, welches vermieden werden sollte (siehe WAK_Legierung<WAK_Keramik).
2. Der WAK der Legierung ist größer als der WAK der Keramik.
Im Aufwärmvorgang expandiert die Legierung stärker als die Keramik. Im Abkühlungsvorgang kontrahiert die Legierung demnach auch stärker als die Keramik. Da die Keramik an der Legierung haftet, wird die Keramik gezwungen etwas kleiner zu werden als sie normalerweise würde. Die Keramik wird also im Grenzbereich zwischen Keramik und Metall zusammen gedrückt. Dies führt zu Druckspannungen (wird zusammen gedrückt), welche spröde Werkstoffe wie Keramiken gut aufnehmen können.
WAK_Legierung > WAK_Keramik
WAK_Legierung > WAK_Keramik, obere Kante der Keramik normale Kontraktion, untere Kante der Keramik gezwungene Kontraktion
3. Der WAK der Legierung ist kleiner als der WAK der Keramik.
Im Aufwärmvorgang expandiert (ausdehnen) die Keramik stärker als die Legierung. Im Abkühlungsvorgang kontrahiert (zusammenziehen) demnach die Keramik auch stärker als die Legierung. Die Keramik ist mit dem Legierungsgerüst verbunden. Daher wird die Keramik von dem Legierungsgerüst gezwungen etwas größer zu bleiben als sie normalerweise würde. Die Keramik wird also im Grenzbereich zwischen Keramik und Metall auseinander gezogen. Dies führt zu Zugspannung (wird auseinander gezogen), welches für einen spröden Werkstoff wie Keramik die Rissbildung stark erhöht.
WAK_Legierung < WAK_Keramik
WAK_Legierung < WAK_Keramik, obere Kante der Keramik normale Kontraktion, untere Kante der Keramik gezwungene Kontraktion
Optimaler Legierungs-WAK und der Grund für Risse und Abplatzungen in der Verblendung
Die Legierung und die Keramik müssen demnach aufeinander abgestimmt sein. Optimal ist für die Legierung ein um 0,5 bis 1 µm/m*K größeren WAK Wert. So wird die Legierung bei der Abkühlung stärker konrahieren und die Keramik (die an der Legierung haftet) wird leicht zusammengedrückt (siehe Fall 2: WAK_Legierung > WAK_Keramik).
Ist der WAK der Legierung viel größer als der WAK der Keramik führt dies zu Abplatzungen, da die Keramik gezwungen wird, stark zu schrumpfen und somit die Druckspannung (Keramik wird zusammengedrückt) sehr hoch wird. Ist der WAK der Legierung viel kleiner als der WAK der Keramik, führt dies zu Rissen, da die Keramik gezwungen wird, sich stark auszudehnen und somit die Zugspannung (Keramik wird auseinander gezogen) sehr hoch wird.