Johdanto
Kahdessa hyvin tuoreessa julkaisussa käsiteltiin kattavasti huokoisten metallivaahtojen lämpödiffuusiokyvyn mittauksia LFA:n (Laser/Light Flash Analysis) avulla [1, 2]. Tässä sovellusmuistiossa on tarkoitus käsitellä näiden materiaalien toista tärkeää termofysikaalista ominaisuutta: DIL:llä (dilatometria) saatavaa lämpölaajenemista.
Tutkitut materiaalit olivat Exxentis AG:n (Wettingen, Sveitsi) toimittamia AlSi7Mg(EN AC-42000) -alumiiniseokseen perustuvia avokennoisia vaahtoja. Vaahdot on valmistettu alumiiniseoksen valulla kidesuolan kanssa. Erilaiset huokoskoot saavutetaan vaihtelemalla suolan raekokoa. Tällaisia vaahtoja käytetään tyhjiövaahdotusmuotteina, lämpömuovausvälineinä, tyhjiölevyinä tyhjiöpöydissä ja kiristysjärjestelmissä, äänenvaimentimina, suodattimina ja lämmönvaihtimina. Ultrakevyitä metallivaahtoja käytetään myös katalyysin, polttokennojen, vedyn varastoinnin ja akustisen eristyksen sovelluksissa [2].
Kokeellinen
Tutkittiin kolmea avosoluista vaahtomuovia, joiden nimelliset huokoskoot olivat välillä 0,2-0,35 mm ("small huokoset"), 0,40-1,00 mm ("medium huokoset") ja 0,63-4,00 mm ("large huokoset"). Kuvat näistä näytteistä on esitetty kuvassa 1b). Kaikkien vaahtomuovinäytteiden nimellistiheys ρ = 1,09 g/cm3 eli nimellishuokoisuus oli noin 60 %. Kolmen huokoisen metallivaahdon paisumiskäyttäytymistä verrattiin täysin tiiviiseen AlSi7Mg-materiaaliin, jonka TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys oli ρ = 2,68 g/cm3. Kuva tästä näytteestä on esitetty kuvan 1a) sisäkuvana. Vaahtojen TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys laskettiin massana jaettuna tilavuudella. Täysin tiiviin näytteen tiheyden määrittämiseen käytettiin tiheysvaa'an avulla. Kaikki näytteet olivat sylinterinmuotoisia, halkaisijaltaan 12,6 mm ja paksuudeltaan 10 mm.
Mittausolosuhteet
Mittaukset suoritettiin DIL 402 Expedis®Select työntötankolaajennusmittarilla, joka on varustettu teräsuunilla, joka voi toimia -150 °C:n ja 1000 °C:n välillä. Järjestelmä on tyhjiötiivis, joten mittaukset voidaan suorittaa puhtaassa inertissä tai hapettavassa ilmakehässä sekä tyhjiössä. Pituuskalibrointia varten on saatavana joukko primaaristandardeja, kuten sulatettua piidioksidia, safiiria, platinaa, volframia jne. Näytteen odotettu laajeneminen ja mittauksen lämpötila-alue määräävät, mitä standardia on käytettävä. Mittaukset suoritettiin sulatetusta piidioksidista valmistetulla näytteenpitimellä lämpötila-alueella -100 °C:sta 500 °C:seen lämmitysnopeudella 2 K/min heliumilmakehässä. Kukin näyte kuumennettiin kahdesti; toisen kuumennuksen tuloksia käytettiin tiheyskäyrän laskemiseen huoneenlämpötilan tiheyden ja mitatun lämpölaajenemisen perusteella olettaen, että laajeneminen on isotrooppista eikä massaa häviä kuumennuksen aikana. Näytteenpitimen ja työntötangon laajenemisen korjaamiseksi suoritettiin ennen näytemittauksia korjausmittaus Al2O3-vertailukappaleella.
Mittaustulokset
Kuvassa 1a) esitetään tiedot kolmesta eri huokoskoolla varustetusta vaahtomuovinäytteestä ja 1b) täysin tiiviin näytteen tiheystiedot. Lämpölaajenemisesta johtuen kaikkien näytteiden TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys pienenee lämpötilan noustessa, mikä osoittaa johdonmukaista suuntausta. Täysin tiiviin näytteen sekä vaahtomuovien TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys pienenee 4,3 % lämpötila-alueella -100 °C:n ja 500 °C:n välillä. Huokoisuuden lisääminen täysin tiiviiseen AlSi7Mg-näytteeseenei näytä vaikuttavan merkittävästi tiheyden muutokseen lämpötilan mukaan. AlSi7Mg-vaahtojeneri huokoskoolla ei myöskään näytä olevan merkittävää vaikutusta tiheyden käyttäytymiseen.
Kirjallisuudessa on raportoitu, että metallivaahtojen Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE (lämpölaajenemiskerroin) pysyy samankaltaisena kuin täysin tiheässä materiaalissa [3], kun taas lämpöliukenemiskerroin pienenee [2]. Tämä pätee selvästi myös tässä tutkittuihin materiaaleihin, kuten voidaan nähdä kuvassa 2 esitetyistä Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE-tiedoista.
Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE-käyrien vertailu kuvassa 2 osoittaa, että täysin tiiviin näytteen ja large huokosia sisältävän näytteen käyrät ovat mielenkiintoisesti lähes yhteneväiset. Näillä kahdella näytteellä on pienempi kokonaispinta-ala (sisäinen ja ulkoinen) kuin näytteillä, joissa on medium ja small huokoset, ja näin ollen niiden inertia lämpötilan muutoksiin nähden saattaa olla selvempi. Koska dilatometriassa mittaukset suoritetaan yleensä dynaamisesti tietyllä lämmitysnopeudella, näiden näytteiden odotetaan tasapainottuvan hitaammin kuin näytteiden, joissa on medium ja small huokoset, ja siksi niiden vastekäyttäytyminen voi helposti jäädä jälkeen. Tämä on mahdollinen selitys kuvassa 2 esitettyjen mittauskäyrien pienille eroille, jotka voivat siis johtua näytekohtaisista ja metrologisista vaikutuksista.
AlSiMg-seoksilla tiedetään olevan saostumis- ja jälkikarkaisuvaikutuksia, joilla voi myös olla merkittävä rooli. DSC:llä (differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria) saadut näytteiden ominaislämpökapasiteettitiedot osoittivat lieviä eksotermisiä vaikutuksia 250 °C:n ja 400 °C:n välisellä lämpötila-alueella [2]. LFA:lla tutkittu lämpödiffuusiokyky osoittaa poikkeamaa monotonisesta suuntauksesta myös tällä lämpötila-alueella [2]. Tällä lämpötila-alueella myös Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE-käyrät osoittavat ääriarvoja, jotka todennäköisesti liittyvät myös saostuskarkaisuun. Näiden vaikutusten voimakkuuserot voivat johtaa kuvassa 2 esitettyjen käyrien eroihin.
Päätelmä
Dilatometrimittaukset täysin tiiviillä AlSi7Mg-materiaalillaja kolmella AlSi7Mg-vaahdolla, joiden huokoskoko oli erilainen, osoittivat, että Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE käyttäytyy samankaltaisesti kaikilla tutkituilla näytteillä huokoskoon suuruudesta riippumatta. Tiheyden muutosta koskeva suuntaus on suunnilleen sama kaikilla näytteillä. Näytteiden LämpöhajoavuusLämpödiffuusiokyky (a, yksikkö mm2/s) on materiaalikohtainen ominaisuus, jolla voidaan luonnehtia epävakaata lämmönjohtumista. Tämä arvo kuvaa sitä, kuinka nopeasti materiaali reagoi lämpötilan muutokseen.terminen diffuusiokyky, joka on toinen erittäin tärkeä termofysikaalinen ominaisuus, ei ole yhtä muuttumaton näytteiden huokoskoon suhteen: Sen havaittiin pienenevän huokoskoon kasvaessa.