Úvod
Ve dvou nedávno vydaných publikacích byla podrobně diskutována měření tepelné difuzivity na porézních kovových pěnách pomocí LFA (Laser/Light Flash Analysis) [1, 2]. Záměrem této aplikační poznámky je probrat další důležitou termofyzikální vlastnost těchto materiálů: tepelnou roztažnost poskytovanou pomocí DIL (dilatometrie).
Zkoumanými materiály byly pěny s otevřenými buňkami na bázi hliníkové slitiny AlSi7Mg(EN AC-42000), které dodala firma Exxentis AG (Wettingen, Švýcarsko). Pěny jsou vytvořeny litím hliníkové slitiny s krystalickou solí. Různé velikosti pórů se dosahuje změnou velikosti zrn soli. Tyto pěny se používají jako formy pro vakuové pěnění, jako nástroje pro tepelné tvarování, pro vakuové desky ve vakuových stolech a upínacích systémech, jako tlumiče hluku, filtry a výměníky tepla. Ultralehké kovové pěny se také používají v aplikacích v katalýze, palivových článcích, při skladování vodíku a v akustické izolaci [2].
Experimentální
Byly zkoumány tři pěny s otevřenými buňkami o jmenovitých velikostech pórů v rozmezí 0,2 až 0,35 mm ("small póry"), 0,40 až 1,00 mm ("medium póry") a 0,63 až 4,00 mm ("large póry"). Fotografie těchto vzorků jsou uvedeny jako vložky na obrázku 1b). Všechny vzorky pěny měly jmenovitou hustotu ρ = 1,09 g/cm3 nebo jmenovitou pórovitost přibližně 60 %. Rozpínavost tří porézních kovových pěn byla porovnávána s plně hustým materiálem AlSi7Mg s hustotou ρ = 2,68 g/cm3. Fotografie tohoto vzorku je zobrazena jako vložka na obrázku 1a). HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. Hustota pěn byla vypočtena jako podíl hmotnosti a objemu. Pro stanovení hustoty plně hustého vzorku byla použita váha hustoty. Všechny vzorky měly válcový tvar o průměru 12,6 mm a tloušťce 10 mm.
Podmínky měření
Měření byla prováděna pomocí dilatometru DIL 402 Expedis®Select s tlakovou tyčí, vybaveného ocelovou pecí schopnou pracovat v rozmezí -150 °C až 1000 °C. Systém je vakuotěsný, což umožňuje provádět měření v čisté inertní nebo oxidační atmosféře i ve vakuu. Pro délkovou kalibraci je k dispozici sada primárních etalonů, včetně taveného oxidu křemičitého, safíru, platiny, wolframu atd. Očekávaná roztažnost vzorku a teplotní rozsah měření určují, který etalon by měl být použit. Měření byla prováděna s držákem vzorku z taveného oxidu křemičitého v teplotním rozsahu od -100 °C do 500 °C při rychlosti ohřevu 2 K/min v atmosféře helia. Každý vzorek byl zahříván dvakrát; výsledky druhého zahřívání byly použity k výpočtu křivky hustoty na základě hustoty při pokojové teplotě a naměřené tepelné roztažnosti za předpokladu izotropního expanzního chování a bez úbytku hmotnosti během zahřívání. Aby se korigovala roztažnost držáku vzorku a tlačné tyče, bylo před měřením vzorků provedeno korekční měření s referenčním vzorkem Al2O3.
Výsledky měření
Na obrázku 1a) jsou uvedeny údaje pro tři vzorky pěny s různou velikostí pórů a 1b) údaje o hustotě plně hustého vzorku. V důsledku tepelné roztažnosti klesá HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota všech vzorků s rostoucí teplotou, což vykazuje konzistentní trend. U plně hustého vzorku i u pěn klesá HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota o 4,3 % v teplotním rozmezí od -100 °C do 500 °C. Zdá se, že zavedení pórovitosti do plně hustého vzorku AlSi7Mgnemá významný vliv na změnu hustoty s teplotou. Zdá se, že ani různé velikosti pórů v pěnách AlSi7Mgnemají na chování hustoty žádný významný vliv.
V literatuře se uvádí, že u kovových pěn zůstává chování Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE (součinitele tepelné roztažnosti) podobné jako u plně hustého materiálu [3], zatímco Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita se sníží [2]. To zjevně platí i pro zde zkoumané materiály, jak je patrné z údajů o Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE uvedených na obrázku 2.
Srovnání křivek Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE na obrázku 2 ukazuje, že křivky plně hustého vzorku a vzorku s póry large jsou zajímavě téměř shodné. Tyto dva vzorky mají menší celkový povrch (vnitřní plus vnější) než vzorky s póry medium a small, a proto by mohly vykazovat výraznější setrvačnost v závislosti na změnách teploty. Vzhledem k tomu, že v dilatometrii se měření obvykle provádí dynamicky při určité rychlosti zahřívání, lze očekávat, že tyto vzorky se budou vyrovnávat pomaleji než vzorky s póry medium a small, a proto by mohly snadno zaostávat v chování své odezvy. To je možné vysvětlení mírných rozdílů v křivkách měření na obrázku 2, které by proto mohly být způsobeny směsí vlivů specifických pro vzorky a metrologických vlivů.
Je známo, že slitiny AlSiMg vykazují srážecí/potvrzovací efekty, které by rovněž mohly hrát významnou roli. Údaje o měrné tepelné kapacitě vzorků získané pomocí DSC (diferenční skenovací kalorimetrie) odhalily mírné exotermické efekty v teplotním rozsahu mezi 250 °C a 400 °C [2]. Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.Tepelná difuzivita, zkoumaná pomocí LFA, vykazuje v tomto teplotním rozsahu rovněž odchylku od monotónního trendu [2]. V tomto teplotním rozsahu vykazují křivky Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE také extrémy, které pravděpodobně také souvisejí s precipitačním Vytvrzování (síťovací reakce)V doslovném překladu termín "crosslinking" znamená "křížové propojení". V chemickém kontextu se používá pro reakce, při nichž se molekuly spojují kovalentními vazbami a vytvářejí trojrozměrné sítě.vytvrzováním. Rozdíl v intenzitě těchto vlivů by mohl vést k rozdílům v křivkách zobrazených na obrázku 2.
Závěr
Dilatometrická měření na plně hustém materiálu AlSi7Mga třech pěnách AlSi7Mgs různou velikostí pórů odhalila podobné chování Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE u všech zkoumaných vzorků nezávisle na velikosti pórů. Trend týkající se změny hustoty je u všech vzorků přibližně stejný. Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.Tepelná difuzivita vzorků, jako další velmi důležitá termofyzikální vlastnost, nevykazuje takovou invariantnost vůči velikosti pórů vzorků: Bylo zjištěno, že s rostoucí velikostí pórů klesá.