2022-12-23

塑膠與鋁合金的搭配概念

塑膠常與鋁或鋁合金作搭配,不論是把鋁當作是結構來支撐,或者是把鋁當作內部散熱材來使用,又或者是把鋁合金當外觀,做為裝飾產品之用途,在塑膠與鋁當中免不了需要鎖付、共成型等結合的需求,在兩種不同材料的特性,一種是無機材料,另一種是有機材料,在物理特性上都有很大的差異,這兩者的結合當中,首要就需考量到熱的環境因素,自身受熱的情況或者外在環境溫度影響下,不同材料就會面臨脹縮比例不同的變因。

 

熱脹冷縮

一般而言,當物質受熱時,本身在熱脹冷縮效應作用之下,其物質本身的幾何特性,例如長度、面積或者是體積會隨著溫度的變化而發生變化。熱脹冷縮是指物體受熱時會膨脹,遇冷時會收縮的特性,其形狀、體積、密度可能因此改變。由於物體內的粒子的平均動能是溫度的遞增函數,當溫度上升時,粒子的振動幅度加大,令物體膨脹;但當溫度下降時,粒子的振動幅度便會減少,使物體收縮。如果,溫差改變不大,則一維的物體之長度增加的百分比會和溫差成正比,其比例係數稱為線膨脹係數。更具體說,所謂線膨脹係數,是指固體在溫度每改變攝氏1度時,其長度的變化和它在原溫度時長度的比值。

 

線膨脹係數/熱膨脹係數


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考慮一維的物體長度在受熱時,長度發生變化,長度變化量ΔL=Lt−Lo

其中Lo是指固體在原參考溫度時的長度,t是溫度的增加量,Lt是指增加了t℃時的長度,α則定義為線膨脹係數(1/℃)。

大多數正常情況之下,此線膨脹係數為正值,但是也有例外,例如水在0到4℃之間,會出現反膨脹的現象,又或者有一些陶瓷材料在溫度升高情況下,變化量極小,其線性熱膨脹係數接近0。線膨脹在日常生活上之應用處處可見,例如鐵軌接縫設計及橋樑銜接處均留有空隙,避免熱膨脹影響而彎曲造成危險。

 

設計上的考量

在產品的設計上面,並非單純的一維長度概念,產品設計是三維的立體構面,考量的因子就需要包含生產環境、運輸環境與使用環境等等的溫度因素,如何在設計中納入更全面的考量,將會影響到產品未來實際使用的強度與生命週期。

在以下的表格中,可以看到雖然同樣是塑膠材料,但是在使用不同材料時,彼此間需要考量的膨脹系數是不同的,如何在產品開發中,含蓋更廣泛的設計概念,葉合佑公司可輔助共同開發產品。

材料 熱膨脹係數 10-5cm/cm/
普通玻璃 0.7
工業玻璃 0.5
1.1
不鏽鋼 1.5
混凝土 1.4
1.7
黃銅 1.8
2.3
木頭 0.8
PEI/GF 2.3
PA/GF 2.3
PBT/GF 2.5
PC/GF 2.8
ABS/GF 3.1
PP/GF 3.2
PPS 3.6
POM/GF 4.0
PS 5.4
PC/GF 6.5
ABS 7.2
PVC 8.0
PMMA 8.5
PA 8.1
POM 8.5
PBT 8.6
PP 12.1
PE 14.5
同意