Introduction
Dans deux publications très récentes, les mesures de la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique sur les mousses métalliques poreuses à l'aide du LFA (Laser/Light Flash Analysis) ont fait l'objet d'une analyse détaillée [1, 2]. L'objectif de cette note d'application est d'examiner une autre propriété thermophysique importante de ces matériaux : la dilatation thermique fournie par DIL (dilatométrie).
Les matériaux étudiés étaient des mousses à cellules ouvertes à base d'alliage d'aluminium AlSi7Mg(EN AC-42000), fournies par Exxentis AG (Wettingen, Suisse). Les mousses sont créées par moulage d'alliage d'aluminium avec du sel cristallin. Différentes tailles de pores sont obtenues en faisant varier la taille des grains de sel. Ces mousses sont utilisées comme moules de moussage sous vide, comme outils de thermoformage, comme plaques à vide dans les tables à vide et les systèmes de serrage, comme silencieux, comme filtres et comme échangeurs de chaleur. Les mousses métalliques ultralégères sont également utilisées dans des applications de catalyse, de piles à combustible, de stockage d'hydrogène et d'isolation acoustique [2].
Expérimental
Trois mousses à cellules ouvertes dont la taille nominale des pores est comprise entre 0,2 et 0,35 mm ("small pores "), 0,40 et 1,00 mm ("medium pores ") et 0,63 et 4,00 mm ("large pores ") ont été étudiées. Des photos de ces échantillons sont présentées dans les encarts de la figure 1b). Tous les échantillons de mousse avaient une densité nominale ρ = 1,09 g/cm3, soit une porosité nominale d'environ 60 %. Le comportement d'expansion des trois mousses métalliques poreuses a été comparé à celui du matériau AlSi7Mg entièrement dense, d'une densité de ρ = 2,68 g/cm3. Une photo de cet échantillon est présentée en médaillon dans la figure 1a). La densité des mousses a été calculée en divisant la masse par le volume. Pour déterminer la densité de l'échantillon entièrement dense, une balance de densité a été utilisée. Tous les échantillons étaient de forme cylindrique avec un diamètre de 12,6 mm et une épaisseur de 10 mm.
Conditions de mesure
Les mesures ont été effectuées avec un dilatomètre à tige poussée DIL 402 ExpedisSelect , équipé d'un four en acier capable de fonctionner entre -150°C et 1000°C. Le système est étanche au vide, ce qui permet d'effectuer des mesures dans des atmosphères pures inertes ou oxydantes, ainsi que sous vide. Un ensemble d'étalons primaires, comprenant de la silice fondue, du saphir, du platine, du tungstène, etc., est disponible pour l'étalonnage de la longueur. L'expansion prévue de l'échantillon et la plage de température de la mesure déterminent l'étalon à utiliser. Les mesures ont été effectuées avec un porte-échantillon en silice fondue dans une plage de température allant de -100°C à 500°C à une vitesse de chauffage de 2 K/min dans une atmosphère d'hélium. Chaque échantillon a été chauffé deux fois ; les résultats du deuxième chauffage ont été utilisés pour calculer la courbe de densité sur la base de la densité à température ambiante et de l'expansion thermique mesurée, en supposant un comportement d'expansion isotrope et aucune perte de masse pendant le chauffage. Afin de corriger la dilatation du porte-échantillon et de la tige de poussée, une mesure de correction avec une référence Al2O3 a été effectuée avant les mesures de l'échantillon.
Résultats des mesures
La figure 1a) présente les données pour les trois échantillons de mousse avec différentes tailles de pores et 1b) les données de densité de l'échantillon entièrement dense. En raison de l'expansion thermique, la densité de tous les échantillons diminue avec l'augmentation de la température, montrant une tendance cohérente. Pour l'échantillon entièrement dense ainsi que pour les mousses, la densité diminue de 4,3 % dans la plage de température comprise entre -100°C et 500°C. L'introduction d'une porosité dans un échantillon AlSi7Mgentièrement dense ne semble pas affecter de manière significative le changement de densité en fonction de la température. Les différentes tailles de pores dans les mousses AlSi7Mgne semblent pas non plus avoir d'effet significatif sur le comportement de la densité.
La littérature indique que pour les mousses métalliques, le comportement du Coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE/CTE)Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE) décrit la variation de longueur d'un matériau en fonction de la température.CTE (coefficient de dilatation thermique) reste similaire à celui d'un matériau entièrement dense [3], tandis que la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique est réduite [2]. Il est clair que cela est également vrai pour les matériaux étudiés ici, comme le montrent les données sur le coefficient d'expansion thermique présentées à la figure 2.
La comparaison des courbes Coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE/CTE)Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE) décrit la variation de longueur d'un matériau en fonction de la température.CTE de la figure 2 révèle que les courbes de l'échantillon entièrement dense et de l'échantillon avec les pores large sont, de manière intéressante, presque congruentes. Ces deux échantillons ont des surfaces globales (internes et externes) plus faibles que les échantillons avec des pores medium et small et pourraient donc présenter une inertie plus prononcée en fonction des changements de température. Étant donné qu'en dilatométrie, les mesures sont généralement effectuées de manière dynamique à une vitesse de chauffage spécifique, ces échantillons devraient s'équilibrer plus lentement que les échantillons avec les pores medium et small et pourraient donc facilement être à la traîne dans leur comportement de réponse. C'est une explication possible des légères différences dans les courbes de mesure de la figure 2, qui pourraient donc être causées par un mélange d'effets spécifiques aux échantillons et d'effets métrologiques.
Les alliages AlSiMg sont connus pour présenter des effets de précipitation/post-endurcissement, qui pourraient également jouer un rôle important. Les données relatives à la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique des échantillons obtenues par DSC (calorimétrie différentielle à balayage) ont révélé de légers effets exothermiques dans la plage de température comprise entre 250°C et 400°C [2]. La Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique, étudiée par LFA, montre un écart par rapport à la tendance monotone dans cette plage de température également [2]. Dans cette plage de température, les courbes de l'ETR présentent également des extrema, probablement liés au Durcissement (réactions de réticulation)Le terme "crosslinking" signifie littéralement "mise en réseau". Dans le contexte chimique, il est utilisé pour les réactions dans lesquelles les molécules sont liées entre elles par l'introduction de liaisons covalentes et la formation de réseaux tridimensionnels.durcissement par précipitation. La différence d'intensité de ces effets pourrait être à l'origine des différences dans les courbes présentées dans la figure 2.
Conclusion
Les mesures au dilatomètre sur un matériau AlSi7Mgentièrement dense et sur trois mousses AlSi7Mgavec différentes tailles de pores ont révélé un comportement similaire de l'ETC pour tous les échantillons étudiés, indépendamment de la taille des pores. La tendance concernant le changement de densité est à peu près la même pour tous les échantillons. La Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique des échantillons, une autre propriété thermophysique très importante, ne montre pas une telle invariance par rapport à la taille des pores des échantillons : On a constaté qu'elle diminuait avec l'augmentation de la taille des pores.