Introduktion
I to meget nylige publikationer blev målinger af den termiske diffusivitet på porøst metalskum ved hjælp af LFA (Laser/Light Flash Analysis) grundigt diskuteret [1, 2]. Hensigten med denne applikationsnote er at diskutere en anden vigtig termofysisk egenskab ved disse materialer: varmeudvidelse ved hjælp af DIL (dilatometri).
De undersøgte materialer var skum med åbne celler baseret på aluminiumslegeringen AlSi7Mg(EN AC-42000), leveret af Exxentis AG (Wettingen, Schweiz). Skummet er skabt ved støbning af aluminiumslegering med krystalsalt. Forskellige porestørrelser opnås ved at variere saltets kornstørrelse. Sådanne skum anvendes som vakuumskumforme, som termoformningsværktøjer, til vakuumplader i vakuumborde og fastspændingssystemer, som lyddæmpere, som filtre og som varmevekslere. Ultralet metalskum bruges også i applikationer inden for katalyse, brændselsceller, brintopbevaring og akustisk isolering [2].
Eksperimentel
Tre åbne celleskum med nominelle porestørrelser i intervaller fra 0,2 til 0,35 mm ("small porer"), 0,40 til 1,00 mm ("medium porer") og 0,63 til 4,00 mm ("large porer") blev undersøgt. Fotos af disse prøver er vist som indsatser i figur 1b). Alle skumprøver havde en nominel massefylde ρ = 1,09 g/cm3 eller en nominel porøsitet på ca. 60 %. Udvidelsesadfærden for de tre porøse metalskum blev sammenlignet med det helt tætte AlSi7Mg-materiale med en densitet på ρ = 2,68 g/cm3. Et foto af denne prøve er vist som indsat i figur 1a). Skummets massefylde blev beregnet som masse divideret med volumen. Til bestemmelse af densiteten af den helt tætte prøve blev der brugt en densitetsvægt. Alle prøverne var cylindriske med en diameter på 12,6 mm og en tykkelse på 10 mm.
Målebetingelser
Målingerne blev udført med et DIL 402 Expedis® Select pushrod dilatometer, der er udstyret med en stålovn, som kan arbejde mellem -150 °C og 1000 °C. Systemet er vakuumtæt, hvilket gør det muligt at udføre målinger i rene inerte eller oxiderende atmosfærer samt under vakuum. Et sæt primære standarder, herunder smeltet silica, safir, platin, wolfram osv., er tilgængelige til længdekalibrering. Den forventede udvidelse af prøven og temperaturområdet for målingen dikterer, hvilken standard der skal bruges. Målingerne blev udført med en prøveholder af smeltet silica i temperaturområdet fra -100 °C til 500 °C ved en opvarmningshastighed på 2 K/min i en heliumatmosfære. Hver prøve blev opvarmet to gange; resultaterne af den anden opvarmning blev brugt til at beregne densitetskurven baseret på densiteten ved stuetemperatur og den målte termiske udvidelse under antagelse af isotropisk udvidelsesadfærd og intet massetab under opvarmning. For at korrigere for udvidelsen af prøveholderen og trykstangen blev der foretaget en korrektionsmåling med en Al2O3-reference før prøvemålingerne.
Resultater af målinger
Figur 1a) viser data for de tre skumprøver med forskellige porestørrelser og 1b) densitetsdata for den helt tætte prøve. På grund af den termiske udvidelse falder massefylden for alle prøver med stigende temperatur, hvilket viser en ensartet tendens. For den helt tætte prøve såvel som for skummet falder densiteten med 4,3 % i temperaturområdet mellem -100 °C og 500 °C. Indførelse af porøsitet i en helt tæt AlSi7Mg-prøveser ikke ud til at påvirke ændringen i densitet med temperaturen væsentligt. Forskellige porestørrelser i AlSi7Mg-skumser heller ikke ud til at have nogen væsentlig effekt på densiteten.
Det rapporteres i litteraturen, at for metalskum forbliver opførslen af Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE (varmeudvidelseskoefficienten) lig med det helt tætte materiale [3], mens den termiske diffusivitet vil blive reduceret [2]. Det gælder tydeligvis også for de materialer, der er undersøgt her, som det fremgår af Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE-dataene i figur 2.
En sammenligning af Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE-kurverne i figur 2 viser, at kurverne for den helt tætte prøve og for prøven med large -porer interessant nok er næsten sammenfaldende. Disse to prøver har lavere samlede overfladearealer (interne plus eksterne) end prøverne med medium og small porer og kan derfor udvise mere udtalt inerti i forhold til temperaturændringer. Da målinger i dilatometri normalt udføres dynamisk ved en bestemt opvarmningshastighed, forventes disse prøver at komme i ligevægt langsommere end prøverne med medium og small porer og kan derfor let sakke bagud i deres responsadfærd. Dette er en mulig forklaring på de små forskelle i målekurverne i figur 2, som derfor kan være forårsaget af en blanding af prøvespecifikke og metrologiske effekter.
AlSiMg-legeringer er kendt for at udvise udskillelses-/efterhærdningseffekter, som også kan spille en væsentlig rolle. Data om Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet for prøverne fra DSC (differential scanning calorimetry) afslørede små eksoterme effekter i temperaturområdet mellem 250 °C og 400 °C [2]. Den termiske diffusivitet, undersøgt med LFA, viser også en afvigelse fra den monotone tendens i dette temperaturområde [2]. I dette temperaturområde viser Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE-kurverne også ekstrema, sandsynligvis også relateret til udfældningshærdning. Forskellen i intensiteten af disse effekter kan give forskellene i de kurver, der er vist i figur 2.
Konklusion
Dilatometermålinger på et helt tæt AlSi7Mg-materialeog tre AlSi7Mg-skummed forskellige porestørrelser afslørede en lignende opførsel af Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE for alle undersøgte prøver, uafhængigt af porestørrelsen. Tendensen med hensyn til ændringen i densitet er omtrent den samme for alle prøverne. Prøvernes termiske diffusivitet, som er en anden meget vigtig termofysisk egenskab, viser ikke samme invarians i forhold til prøvernes porestørrelse: Det viste sig, at den faldt med stigende porestørrelse.