مقدمة
في منشورين حديثين جدًا، تمت مناقشة قياسات الانتشار الحراري على الرغاوي المعدنية المسامية باستخدام التحليل بالليزر/التحليل الوامض الضوئي (LFA) بشكل شامل [1، 2]. والهدف من هذه المذكرة التطبيقية هو مناقشة خاصية فيزيائية حرارية مهمة أخرى لهذه المواد: التمدد الحراري الذي يوفره قياس التمدد الحراري (DIL).
كانت المواد التي تم فحصها عبارة عن رغاوي مفتوحة الخلية تعتمد على سبائك الألومنيوم AlSi7Mg(EN AC-42000)، مقدمة من شركة Exxentis AG (فيتينجن، سويسرا). صُنعت الرغاوي عن طريق صب سبائك الألومنيوم بالملح البلوري. يتم تحقيق أحجام مسام مختلفة عن طريق تغيير حجم حبيبات الملح. تُستخدم هذه الرغاوي كقوالب رغوة تفريغ الهواء، وكأدوات للتشكيل الحراري، وكألواح تفريغ الهواء في طاولات التفريغ وأنظمة التثبيت، وككواتم للصوت، وكمرشحات وكمبادلات حرارية. كما تستخدم الرغاوي المعدنية الخفيفة للغاية في تطبيقات الحفز وخلايا الوقود وتخزين الهيدروجين والعزل الصوتي [2].
تجريبي
تم فحص ثلاث رغاوي مفتوحة الخلايا ذات أحجام مسام اسمية تتراوح بين 0.2 إلى 0.35 مم ("مسام صغيرة")، و0.40 إلى 1.00 مم ("مسام متوسطة")، و0.63 إلى 4.00 مم ("مسام كبيرة"). تظهر صور هذه العينات في الشكل 1ب). كانت جميع عينات الرغوة ذات كثافة اسمية ρ = 1.09 جم/سم3، أو مسامية اسمية تبلغ حوالي 60%. تمت مقارنة سلوك التمدد للرغاوي المعدنية المسامية الثلاثة بمادة AlSi7Mg الكثيفة بالكامل بكثافة ρ = 2.68 جم/سم3. تظهر صورة لهذه العينة كصورة داخلية في الشكل 1أ). تم حساب كثافة الرغاوي ككتلة مقسومة على الحجم. لتحديد كثافة العينة الكثيفة بالكامل، تم استخدام ميزان الكثافة. كانت جميع العينات أسطوانية الشكل بقطر 12.6 مم وسمك 10 مم.
شروط القياس
أُجريت القياسات باستخدام مقياس التمدد الدفعي DIL 402 Expedis 402 Select، المزود بفرن فولاذي قادر على التشغيل بين -150 درجة مئوية و1000 درجة مئوية. النظام محكم التفريغ، مما يسمح بإجراء القياسات في أجواء خاملة أو مؤكسدة نقية وكذلك تحت التفريغ. وتتوفر مجموعة من المعايير الأولية، بما في ذلك السيليكا المنصهرة والياقوت والبلاتين والتنغستن وغيرها لمعايرة الطول. ويحدد التمدد المتوقع للعينة ونطاق درجة الحرارة للقياس المعيار الذي يجب استخدامه. أُجريت القياسات باستخدام حامل عينة من السيليكا المنصهرة في نطاق درجة حرارة من -100 درجة مئوية إلى 500 درجة مئوية بمعدل تسخين 2 كلفن/دقيقة في جو من الهيليوم. تم تسخين كل عينة مرتين؛ واستُخدمت نتائج التسخين الثاني لحساب منحنى الكثافة استنادًا إلى الكثافة في درجة حرارة الغرفة والتمدد الحراري المقاس بافتراض سلوك التمدد المتساوي الخواص وعدم فقدان الكتلة أثناء التسخين. من أجل تصحيح تمدد حامل العينة وقضيب الدفع، تم إجراء قياس تصحيح باستخدام مرجع Al2O3 قبل قياسات العينة.
نتائج القياس
يعرض الشكل 1أ) بيانات العينات الرغوية الثلاث ذات أحجام المسام المختلفة و1ب) بيانات كثافة العينة الكثيفة بالكامل. وبسبب التمدد الحراري، تنخفض كثافة جميع العينات مع زيادة درجة الحرارة، مما يدل على اتجاه ثابت. بالنسبة للعينة الكثيفة بالكامل وكذلك الرغاوي، تنخفض الكثافة بنسبة 4.3% في نطاق درجة الحرارة بين -100 درجة مئوية و500 درجة مئوية. لا يبدو أن إدخال المسامية في عينة AlSi7Mgالكثيفة بالكامل يؤثر بشكل كبير على التغير في الكثافة مع درجة الحرارة. لا يبدو أن اختلاف أحجام المسام في رغاوي AlSi7Mgله أي تأثير كبير على سلوك الكثافة أيضًا.
وقد ذُكر في الأدبيات أنه بالنسبة للرغاوي المعدنية، يظل سلوك معامل التمدد الحراري معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE (معامل التمدد الحراري) مشابهًا للمادة الكثيفة بالكامل [3]، بينما تنخفض الانتشارية الحرارية [2]. ومن الواضح أن هذا ينطبق أيضًا على المواد التي تم فحصها هنا، كما يتضح من بيانات معامل التمدد الحراري معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE المعروضة في الشكل 2.
تكشف المقارنة بين منحنيات معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE في الشكل 2 أن منحنيات العينة الكثيفة بالكامل والعينة ذات المسام الكبيرة متطابقة تقريبًا بشكل مثير للاهتمام. تحتوي هاتان العينتان على مساحات سطحية إجمالية (داخلية زائد خارجية) أقل من العينات ذات المسام المتوسطة والصغيرة، وبالتالي قد تُظهران قصورًا أكثر وضوحًا مقابل تغيرات درجة الحرارة. نظرًا لأنه في قياس التوسع، عادةً ما يتم إجراء القياسات ديناميكيًا بمعدل تسخين محدد، فمن المتوقع أن تتوازن هذه العينات بشكل أبطأ من العينات ذات المسام المتوسطة والصغيرة وبالتالي يمكن أن تتخلف بسهولة في سلوك استجابتها. هذا هو التفسير المحتمل للاختلافات الطفيفة في منحنيات القياس في الشكل 2، والتي يمكن أن تكون ناتجة عن مزيج من التأثيرات الخاصة بالعينات والتأثيرات المترولوجية.
من المعروف أن سبائك AlSiMg تُظهر تأثيرات الترسيب/ما بعد التصلب، والتي يمكن أن تلعب أيضًا دورًا مهمًا. كشفت بيانات السعة الحرارية النوعية للعينات الناتجة عن المسعر الحراري التفاضلي (DSC) عن تأثيرات طفيفة طاردة للحرارة في نطاق درجة الحرارة بين 250 درجة مئوية و400 درجة مئوية [2]. تُظهر الانتشارية الحرارية، التي تم فحصها بواسطة LFA، انحرافًا عن الاتجاه الرتيب في نطاق درجات الحرارة هذا أيضًا [2]. في هذا النطاق الحراري، تُظهر منحنيات معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE أيضًا في هذا النطاق الحراري درجات حرارة قصوى، ربما ترتبط أيضًا بتصلب الترسيب. قد ينتج عن الاختلاف في شدة هذه التأثيرات الاختلافات في المنحنيات الموضحة في الشكل 2.
الخاتمة
كشفت قياسات مقياس التمدد على مادة AlSi7Mgكثيفة بالكامل وثلاث رغاوي AlSi7Mgبأحجام مسام مختلفة عن سلوك مماثل لـ معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE لجميع العينات التي تم فحصها، بغض النظر عن حجم المسام. الاتجاه المتعلق بالتغير في الكثافة هو نفسه تقريبًا لجميع العينات. لا تُظهر خاصية الانتشار الحراري للعينات، كخاصية فيزيائية حرارية أخرى بالغة الأهمية، مثل هذا الثبات بالنسبة لحجم مسام العينات: فقد وُجد أنها تنخفض مع زيادة حجم المسام.