Εισαγωγή
Σε δύο πολύ πρόσφατες δημοσιεύσεις συζητήθηκαν διεξοδικά οι μετρήσεις της θερμικής διαχυτότητας σε πορώδεις μεταλλικούς αφρούς με τη χρήση LFA (Laser/Light Flash Analysis) [1, 2]. Πρόθεση αυτού του σημειώματος εφαρμογής είναι να συζητηθεί μια άλλη σημαντική θερμοφυσική ιδιότητα αυτών των υλικών: η θερμική διαστολή που παρέχεται με DIL (dilatometry).
Τα υλικά που διερευνήθηκαν ήταν αφροί ανοικτών κυψελών με βάση το κράμα αλουμινίου AlSi7Mg(EN AC-42000), που παρείχε η Exxentis AG (Wettingen, Ελβετία). Οι αφροί δημιουργούνται με χύτευση κράματος αλουμινίου με κρυσταλλικό άλας. Διαφορετικά μεγέθη πόρων επιτυγχάνονται με τη μεταβολή του μεγέθους των κόκκων του άλατος. Τέτοιοι αφροί χρησιμοποιούνται ως καλούπια αφρισμού κενού, ως εργαλεία θερμοδιαμόρφωσης, για πλάκες κενού σε τραπέζια κενού και συστήματα σύσφιξης, ως σιγαστήρες, ως φίλτρα και ως εναλλάκτες θερμότητας. Υπερελαφροί μεταλλικοί αφροί χρησιμοποιούνται επίσης σε εφαρμογές στην κατάλυση, στις κυψέλες καυσίμου, στην αποθήκευση υδρογόνου και στην ακουστική μόνωση [2].
Πειραματικό
Διερευνήθηκαν τρεις αφροί ανοικτών κυψελών με ονομαστικά μεγέθη πόρων που κυμαίνονται από 0,2 έως 0,35 mm ("πόροιsmall "), 0,40 έως 1,00 mm ("πόροιmedium ") και 0,63 έως 4,00 mm ("πόροιlarge "). Οι φωτογραφίες αυτών των δειγμάτων παρουσιάζονται ως ένθετα στο σχήμα 1β). Όλα τα δείγματα αφρού είχαν ονομαστική πυκνότητα ρ = 1,09 g/cm3 ή ονομαστικό πορώδες περίπου 60%. Η συμπεριφορά διαστολής των τριών πορωδών μεταλλικών αφρών συγκρίθηκε με το πλήρως πυκνό υλικό AlSi7Mg με πυκνότητα ρ = 2,68 g/cm3. Μια φωτογραφία αυτού του δείγματος παρουσιάζεται ως ένθετο στο σχήμα 1α). Η πυκνότητα των αφρών υπολογίστηκε ως η μάζα διαιρούμενη με τον όγκο. Για τον προσδιορισμό της πυκνότητας του πλήρως πυκνού δείγματος χρησιμοποιήθηκε ζυγαριά πυκνότητας. Όλα τα δείγματα είχαν κυλινδρικό σχήμα με διάμετρο 12,6 mm και πάχος 10 mm.
Συνθήκες μέτρησης
Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με ένα διαστολέμετρο DIL 402 Expedis Select με ωθητήρα, εξοπλισμένο με χαλύβδινο κλίβανο ικανό να λειτουργεί μεταξύ -150°C και 1000°C. Το σύστημα είναι στεγανό σε κενό, επιτρέποντας τη διεξαγωγή μετρήσεων σε καθαρή αδρανή ή οξειδωτική ατμόσφαιρα καθώς και υπό κενό. Μια σειρά πρωτογενών προτύπων, όπως λιωμένο πυρίτιο, ζαφείρι, πλατίνα, βολφράμιο, κ.λπ., διατίθεται για μήκος calibra. Η αναμενόμενη διαστολή του δείγματος και το θερμοκρασιακό εύρος της μέτρησης υπαγορεύουν ποιο πρότυπο πρέπει να χρησιμοποιηθεί. Οι µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν µε κάτοχο δείγµατος από τηγµένο διοξείδιο του πυριτίου στην περιοχή θερµοκρασιών από -100°C έως 500°C µε ρυθµό θέρµανσης 2 K/min σε ατµόσφαιρα ηλίου. Κάθε δείγμα θερμάνθηκε δύο φορές- τα αποτελέσματα της δεύτερης θέρμανσης χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της καμπύλης πυκνότητας με βάση την πυκνότητα σε θερμοκρασία δωματίου και τη μετρούμενη θερμική διαστολή, υποθέτοντας ισότροπη συμπεριφορά διαστολής και χωρίς απώλεια μάζας κατά τη θέρμανση. Προκειμένου να διορθωθεί η διαστολή της υποδοχής του δείγματος και του ωστήρα, πριν από τις μετρήσεις των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε μέτρηση διόρθωσης με αναφορά Al2O3.
Αποτελέσματα μέτρησης
Στο Σχήμα 1α) παρουσιάζονται τα δεδομένα για τα τρία δείγματα αφρού με διαφορετικά μεγέθη πόρων και 1β) τα δεδομένα πυκνότητας του πλήρως πυκνού δείγματος. Λόγω της θερμικής διαστολής, η πυκνότητα όλων των δειγμάτων μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, παρουσιάζοντας μια σταθερή τάση. Για το πλήρως πυκνό δείγμα καθώς και για τους αφρούς, η πυκνότητα μειώνεται κατά 4,3% στο εύρος θερμοκρασιών μεταξύ -100°C και 500°C. Η εισαγωγή πορώδους σε ένα πλήρως πυκνό δείγμα AlSi7Mgδεν φαίνεται να επηρεάζει σημαντικά τη μεταβολή της πυκνότητας με τη θερμοκρασία. Τα διαφορετικά μεγέθη πόρων στους αφρούς AlSi7Mgδεν φαίνεται να έχουν επίσης σημαντική επίδραση στη συμπεριφορά της πυκνότητας.
Στη βιβλιογραφία αναφέρεται ότι για τους μεταλλικούς αφρούς, η συμπεριφορά του Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE (συντελεστής θερμικής διαστολής) παραμένει παρόμοια με το πλήρως πυκνό υλικό [3], ενώ η θερμική διαχυτότητα θα μειωθεί [2]. Προφανώς, αυτό ισχύει και για τα υλικά που διερευνήθηκαν εδώ, όπως φαίνεται από τα δεδομένα Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE που παρουσιάζονται στο σχήμα 2.
Η σύγκριση των καμπυλών Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE στο σχήμα 2 αποκαλύπτει ότι οι καμπύλες του πλήρως πυκνού δείγματος και του δείγματος με τους πόρους large είναι, ενδιαδόξως, σχεδόν σύμφωνες. Αυτά τα δύο δείγματα έχουν μικρότερη συνολική επιφάνεια (εσωτερική συν εξωτερική) από τα δείγματα με πόρους medium και small και συνεπώς ενδέχεται να παρουσιάζουν πιο έντονη αδράνεια σε σχέση με τις μεταβολές της θερμοκρασίας. Δεδομένου ότι, στη διαστολομετρία, οι μετρήσεις εκτελούνται συνήθως δυναμικά με συγκεκριμένο ρυθμό θέρμανσης, τα δείγματα αυτά αναμένεται να είναι ισοδύναμαlibraτε πιο αργά από τα δείγματα με πόρους medium και small και επομένως θα μπορούσαν εύκολα να υστερήσουν στη συμπεριφορά απόκρισής τους. Αυτή είναι μια πιθανή εξήγηση για τις μικρές διαφορές στις καμπύλες μέτρησης στο σχήμα 2, οι οποίες θα μπορούσαν επομένως να οφείλονται σε ένα μείγμα ειδικών για τα δείγματα και μετρολογικών επιδράσεων.
Τα κράματα AlSiMg είναι γνωστό ότι παρουσιάζουν φαινόμενα κατακρήμνισης/μετασκλήρυνσης, τα οποία θα μπορούσαν επίσης να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο. Τα δεδομένα της ειδικής θερμοχωρητικότητας των δειγμάτων που προέκυψαν από την DSC (διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης) αποκάλυψαν ελαφρές εξώθερμες επιδράσεις στην περιοχή θερμοκρασιών μεταξύ 250°C και 400°C [2]. Η θερμική διαχυτότητα, που διερευνήθηκε με LFA, παρουσιάζει επίσης απόκλιση από τη μονότονη τάση σε αυτό το εύρος θερμοκρασιών [2]. Σε αυτή την περιοχή θερμοκρασιών, οι καμπύλες Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE παρουσιάζουν επίσης ακρότατα, που πιθανώς σχετίζονται επίσης με τη σκλήρυνση λόγω κατακρήμνισης. Η διαφορά στην ένταση αυτών των φαινομένων θα μπορούσε να αποδώσει τις διαφορές στις καμπύλες που παρουσιάζονται στο σχήμα 2.
Συμπέρασμα
Μετρήσεις με διαστολέα σε ένα πλήρως πυκνό υλικό AlSi7Mgκαι σε τρεις αφρούς AlSi7Mgμε διαφορετικά μεγέθη πόρων αποκάλυψαν παρόμοια συμπεριφορά του Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE για όλα τα δείγματα που ερευνήθηκαν, ανεξάρτητα από το μέγεθος των πόρων. Η τάση όσον αφορά τη μεταβολή της πυκνότητας είναι περίπου η ίδια για όλα τα δείγματα. Η ικανότητα θερμικής διάχυσης των δειγμάτων, ως άλλη εξαιρετικά σημαντική θερμοφυσική ιδιότητα, δεν παρουσιάζει τέτοια αναλλοίωτη σχέση με το μέγεθος των πόρων των δειγμάτων: Διαπιστώθηκε ότι μειώνεται με την αύξηση του μεγέθους των πόρων.