Introducción
En dos publicaciones muy recientes, las medidas de la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica en espumas metálicas porosas usando LFA (Laser/Light Flash Analysis) fueron discutidas exhaustivamente [1, 2]. La intención de esta nota de aplicación es discutir otra importante propiedad termofísica de estos materiales: la expansión térmica proporcionada por DIL (dilatometría).
Los materiales investigados fueron espumas de célula abierta basadas en aleación de aluminio AlSi7Mg(EN AC-42000), suministradas por Exxentis AG (Wettingen, Suiza). Las espumas se crean por fundición de aleación de aluminio con sal cristalina. Se consiguen diferentes tamaños de poro variando el tamaño de grano de la sal. Estas espumas se utilizan como moldes de espumado al vacío, como herramientas de termoformado, para placas de vacío en mesas de vacío y sistemas de sujeción, como silenciadores, como filtros y como intercambiadores de calor. Las espumas metálicas ultraligeras también se utilizan en aplicaciones de catálisis, pilas de combustible, almacenamiento de hidrógeno y aislamiento acústico [2].
Experimental
Se investigaron tres espumas de célula abierta con tamaños nominales de poro en rangos de 0,2 a 0,35 mm ("small pores"), 0,40 a 1,00 mm ("medium pores"), y 0,63 a 4,00 mm ("large pores"). Las fotos de estas muestras se muestran como insertos en la figura 1b). Todas las muestras de espuma tenían una DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad nominal ρ = 1,09 g/cm3, o una porosidad nominal de aproximadamente el 60%. El comportamiento de expansión de las tres espumas metálicas porosas se comparó con el material AlSi7Mg totalmente denso con una DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de ρ = 2,68 g/cm3. En la figura 1a) se muestra una foto de esta muestra. La DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de las espumas se calculó como masa dividida por volumen. Para determinar la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de la muestra totalmente densa, se utilizó una balanza de DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad. Todas las muestras tenían forma cilíndrica con un diámetro de 12,6 mm y un espesor de 10 mm.
Condiciones de medición
Las mediciones se realizaron con un dilatómetro de varilla de empuje DIL 402 Expedis Select , equipado con un horno de acero capaz de funcionar entre -150°C y 1000°C. El sistema es estanco al vacío, lo que permite realizar mediciones en atmósferas puras inertes u oxidantes, así como en vacío. Para la calibración de la longitud se dispone de un conjunto de patrones primarios, como sílice fundida, zafiro, platino, tungsteno, etc. La dilatación prevista de la probeta y el intervalo de temperatura de la medición dictan qué patrón debe utilizarse. Las mediciones se realizaron con un portamuestras de sílice fundida en el intervalo de temperaturas de -100°C a 500°C a una velocidad de calentamiento de 2 K/min en atmósfera de helio. Cada muestra se calentó dos veces; los resultados del segundo calentamiento se utilizaron para calcular la curva de DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad basándose en la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad a temperatura ambiente y la expansión térmica medida, suponiendo un comportamiento de expansión isótropo y sin pérdida de masa durante el calentamiento. Para corregir la dilatación del portamuestras y de la varilla de empuje, se realizó una medición de corrección con una referencia de Al2O3 antes de las mediciones de las muestras.
Resultados de las mediciones
La figura 1a) presenta los datos de las tres muestras de espuma con diferentes tamaños de poro y 1b) los datos de DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de la muestra totalmente densa. Debido a la expansión térmica, la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de todas las muestras disminuye al aumentar la temperatura, mostrando una tendencia coherente. Para la muestra totalmente densa, así como para las espumas, la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad disminuye un 4,3% en el intervalo de temperaturas entre -100°C y 500°C. La introducción de porosidad en una muestra totalmente densa de AlSi7Mgno parece afectar significativamente al cambio de densidad con la temperatura. Los diferentes tamaños de poro en las espumas de AlSi7Mgtampoco parecen tener un efecto significativo en el comportamiento de la densidad.
En la bibliografía se indica que, en el caso de las espumas metálicas, el comportamiento del Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE (coeficiente de expansión térmica) sigue siendo similar al del material totalmente denso [3], mientras que la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica se reduce [2]. Claramente, esto también es cierto para los materiales investigados aquí, como puede verse en los datos del Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE presentados en la figura 2.
La comparación de las curvas Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE de la figura 2 revela que las curvas de la muestra totalmente densa y de la muestra con poros large son, curiosamente, casi congruentes. Estas dos muestras tienen una superficie total (interna y externa) menor que las muestras con poros medium y small y, por lo tanto, podrían presentar una inercia más pronunciada frente a los cambios de temperatura. Dado que, en dilatometría, las mediciones suelen realizarse dinámicamente a una velocidad de calentamiento específica, se espera que estas muestras se equilibren más lentamente que las muestras con poros medium y small y, por tanto, podrían quedar fácilmente rezagadas en su comportamiento de respuesta. Esta es una posible explicación de las ligeras diferencias en las curvas de medición de la figura 2, que podrían deberse a una mezcla de efectos metrológicos y específicos de las muestras.
Se sabe que las aleaciones AlSiMg presentan efectos de precipitación/postemplado, que también podrían desempeñar un papel importante. Los datos de Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica de las muestras obtenidos por DSC (calorimetría diferencial de barrido) revelaron ligeros efectos exotérmicos en el rango de temperaturas entre 250°C y 400°C [2]. La Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica, investigada por LFA, muestra una desviación de la tendencia monótona también en este rango de temperatura [2]. En este rango de temperaturas, las curvas Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE también muestran extremos, probablemente también relacionados con el endurecimiento por precipitación. La diferencia en la intensidad de estos efectos podría dar lugar a las diferencias en las curvas mostradas en la figura 2.
Conclusión
Las mediciones con dilatómetro realizadas en un material de AlSi7Mgtotalmente denso y en tres espumas de AlSi7Mgcon diferentes tamaños de poro revelaron un comportamiento similar del CET para todas las muestras investigadas, independientemente del tamaño del poro. La tendencia relativa al cambio de densidad es prácticamente la misma para todas las muestras. La Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica de las muestras, como otra propiedad termofísica de gran importancia, no muestra tanta invariabilidad al tamaño de poro de las muestras: Se observó que disminuía al aumentar el tamaño de los poros.