Въведение
В две съвсем скорошни публикации бяха обстойно разгледани измерванията на топлинната дифузия на порести метални пяни с помощта на LFA (Laser/Light Flash Analysis) [1, 2]. Намерението на тази приложна бележка е да се обсъди друго важно термофизично свойство на тези материали: топлинното разширение, предоставено чрез ДИЛ (дилатометрия).
Изследваните материали са отворено-клетъчни пяни на базата на алуминиева сплав AlSi7Mg(EN AC-42000), предоставени от Exxentis AG (Ветинген, Швейцария). Пяните са създадени чрез леене на алуминиева сплав с кристална сол. Различните размери на порите се постигат чрез промяна на размера на зърната на солта. Такива пени се използват като форми за вакуумно разпенване, като инструменти за термоформоване, за вакуумни плочи във вакуумни маси и системи за захващане, като шумозаглушители, като филтри и като топлообменници. Ултралеките метални пяни се използват и в приложения в катализа, горивни клетки, съхранение на водород и акустична изолация [2].
Експериментален
Бяха изследвани три отворени пени с номинални размери на порите в диапазона от 0,2 до 0,35 mm ("small пори"), 0,40 до 1,00 mm ("medium пори") и 0,63 до 4,00 mm ("large пори"). Снимки на тези проби са показани като вложки на фигура 1б). Всички проби от пяна са с номинална плътност ρ = 1,09 g/cm3 или номинална порьозност от около 60 %. Поведението на разширяване на трите порести метални пяни беше сравнено с напълно плътния материал AlSi7Mg с плътност ρ = 2,68 g/cm3. Снимка на този образец е показана като вложка на фигура 1а). Плътността на пяната е изчислена като маса, разделена на обем. За определяне на плътността на напълно плътната проба е използван баланс на плътността. Всички проби бяха с цилиндрична форма с диаметър 12,6 mm и дебелина 10 mm.
Условия за измерване
Измерванията са извършени с дилатометър DIL 402 Expedis®Select pushrod, оборудван със стоманена пещ, която може да работи в диапазона от -150°C до 1000°C. Системата е вакуумно затворена, което позволява измерванията да се извършват в чиста инертна или окислителна атмосфера, както и под вакуум. За калибриране на дължината се предлага набор от първични еталони, включително от стопен силициев диоксид, сапфир, платина, волфрам и др. Очакваното разширение на образеца и температурният диапазон на измерването определят кой стандарт трябва да се използва. Измерванията са извършени с държач за образци от стопен силициев диоксид в температурния диапазон от -100°C до 500°C при скорост на нагряване 2 K/min в хелиева атмосфера. Всяка проба е нагрявана два пъти; резултатите от второто нагряване са използвани за изчисляване на кривата на плътността въз основа на плътността при стайна температура и измереното термично разширение, като се приема, че има изотропно поведение на разширение и няма загуба на маса по време на нагряването. За да се коригира разширението на държача на образеца и тласкача, преди измерванията на образеца беше извършено корекционно измерване с еталон от Al2O3.
Резултати от измерването
На фигура 1а) са представени данните за трите проби от пяна с различни размери на порите, а на фигура 1б) - данните за плътността на напълно плътната проба. Поради топлинното разширение плътността на всички образци намалява с увеличаване на температурата, като се наблюдава последователна тенденция. За напълно плътния образец, както и за пяната, плътността намалява с 4,3 % в температурния диапазон между -100 °C и 500 °C. Въвеждането на пористост в напълно плътния образец AlSi7Mgизглежда не оказва съществено влияние върху промяната на плътността с температурата. Различните размери на порите в AlSi7Mgпяната също не изглежда да имат значителен ефект върху поведението на плътността.
В литературата се съобщава, че при металните пени поведението на Коефициент на линейно топлинно разширение (CLTE/CTE)Коефициентът на линейно термично разширение (КЛТЕ) описва изменението на дължината на даден материал като функция на температурата.CTE (коефициент на термично разширение) остава подобно на напълно плътния материал [3], докато термичната дифузия намалява [2]. Очевидно това важи и за изследваните тук материали, както може да се види от данните за СТЕ, представени на фигура 2.
Сравнението на кривите на СТЕ на фигура 2 показва, че кривите на напълно плътния образец и на образеца с пори large са, което е интересно, почти съвпадащи. Тези два образеца имат по-малка обща повърхност (вътрешна плюс външна) от образците с пори medium и small и по този начин биха могли да проявят по-изразена инерция спрямо температурните промени. Тъй като при дилатометрията измерванията обикновено се извършват динамично при определена скорост на нагряване, очаква се тези образци да се уравновесяват по-бавно от образците с пори medium и small и следователно лесно биха могли да изостанат в поведението си на реакция. Това е възможно обяснение за леките разлики в кривите на измерванията на фигура 2, които следователно биха могли да бъдат причинени от смесица от специфични за образците и метрологични ефекти.
Известно е, че при AlSiMg сплавите се наблюдават ефекти на утаяване/посттвърдяване, които също биха могли да изиграят значителна роля. Данните за специфичния топлинен капацитет на образците, получени чрез DSC (диференциална сканираща калориметрия), разкриват леки екзотермични ефекти в температурния диапазон между 250°C и 400°C [2]. Термичната дифузия, изследвана чрез LFA, също показва отклонение от монотонната тенденция в този температурен диапазон [2]. В този температурен диапазон кривите на Коефициент на линейно топлинно разширение (CLTE/CTE)Коефициентът на линейно термично разширение (КЛТЕ) описва изменението на дължината на даден материал като функция на температурата.CTE също показват екстремуми, вероятно също свързани с утаечното втвърдяване. Разликата в интензивността на тези ефекти може да доведе до разликите в кривите, показани на фигура 2.
Заключение
Измерванията с дилатометър на напълно плътен материал AlSi7Mgи три пени AlSi7Mgс различни размери на порите разкриват сходно поведение на СТЕ за всички изследвани проби, независимо от размера на порите. Тенденцията по отношение на промяната на плътността е приблизително еднаква за всички образци. Топлинната дифузия на образците, като друго много важно термофизично свойство, не показва такава инвариантност спрямо размера на порите на образците: Установено е, че тя намалява с увеличаване на размера на порите.