Introduzione
In due pubblicazioni molto recenti, le misure della Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica su schiume metalliche porose mediante LFA (Laser/Light Flash Analysis) sono state discusse in modo esaustivo [1, 2]. L'intento di questa nota applicativa è quello di discutere un'altra importante proprietà termofisica di questi materiali: l'espansione termica fornita dalla DIL (dilatometria).
I materiali analizzati sono schiume a celle aperte basate sulla lega di alluminio AlSi7Mg(EN AC-42000), fornite da Exxentis AG (Wettingen, Svizzera). Le schiume sono state create medianteTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione della lega di alluminio con sale cristallino. Le diverse dimensioni dei pori si ottengono variando la granulometria del sale. Queste schiume sono utilizzate come stampi per la schiumatura sotto vuoto, come strumenti per la termoformatura, come piastre per il vuoto nei tavoli da vuoto e nei sistemi di serraggio, come silenziatori, come filtri e come scambiatori di calore. Le schiume metalliche ultraleggere sono utilizzate anche in applicazioni di catalisi, celle a combustibile, stoccaggio di idrogeno e isolamento acustico [2].
Sperimentale
Sono state analizzate tre schiume a celle aperte con dimensioni nominali dei pori comprese tra 0,2 e 0,35 mm ("porismall "), 0,40 e 1,00 mm ("porimedium ") e 0,63 e 4,00 mm ("porilarge "). Le foto di questi campioni sono riportate come inserti nella figura 1b). Tutti i campioni di schiuma avevano una densità nominale ρ = 1,09 g/cm3, ovvero una porosità nominale di circa il 60%. Il comportamento di espansione delle tre schiume metalliche porose è stato confrontato con il materiale AlSi7Mg completamente denso con una densità ρ = 2,68 g/cm3. Una foto di questo campione è mostrata come inserto nella figura 1a). La densità delle schiume è stata calcolata come massa divisa per il volume. Per determinare la densità del campione completamente denso, è stata utilizzata una bilancia di densità. Tutti i campioni erano di forma cilindrica con un diametro di 12,6 mm e uno spessore di 10 mm.
Condizioni di misura
Le misure sono state eseguite con un dilatometro a spinta DIL 402 Expedis Select , dotato di un forno in acciaio in grado di funzionare tra -150°C e 1000°C. Il sistema è a tenuta di vuoto e consente di eseguire le misure in atmosfere pure inerti o ossidanti e sotto vuoto.libraÈ disponibile una serie di standard primari, tra cui silice fusa, zaffiro, platino, tungsteno, ecc. L'espansione prevista del campione e l'intervallo di temperatura della misurazione determinano lo standard da utilizzare. Le misure sono state eseguite con un portacampioni in silice fusa nell'intervallo di temperatura compreso tra -100°C e 500°C a una velocità di riscaldamento di 2 K/min in atmosfera di elio. Ogni campione è stato riscaldato due volte; i risultati del secondo riscaldamento sono stati utilizzati per calcolare la curva di densità in base alla densità a temperatura ambiente e all'espansione termica misurata, ipotizzando un comportamento di espansione isotropo e nessuna perdita di massa durante il riscaldamento. Per correggere l'espansione del portacampioni e dell'asta di spinta, prima delle misurazioni dei campioni è stata eseguita una misura di correzione con un riferimento in Al2O3.
Risultati della misurazione
La Figura 1a) presenta i dati dei tre campioni di schiuma con diverse dimensioni dei pori e 1b) i dati di densità del campione completamente denso. A causa dell'espansione termica, la densità di tutti i campioni diminuisce con l'aumentare della temperatura, mostrando una tendenza coerente. Sia per il campione completamente denso che per le schiume, la densità diminuisce del 4,3% nell'intervallo di temperatura compreso tra -100°C e 500°C. L'introduzione di porosità in un campione AlSi7Mgcompletamente denso non sembra influenzare significativamente la variazione di densità con la temperatura. Anche le diverse dimensioni dei pori nelle schiume di AlSi7Mgnon sembrano avere un effetto significativo sul comportamento della densità.
In letteratura è riportato che per le schiume metalliche il comportamento delCoefficiente di espansione termica lineare (CLTE/CTE)Il coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) descrive la variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura. CTE (coefficiente di espansione termica) rimane simile a quello del materiale completamente denso [3], mentre la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica si riduce [2]. Chiaramente, ciò è vero anche per i materiali qui studiati, come si evince dai dati delCoefficiente di espansione termica lineare (CLTE/CTE)Il coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) descrive la variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura. CTE presentati nella figura 2.
Il confronto delle curveCoefficiente di espansione termica lineare (CLTE/CTE)Il coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) descrive la variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura. CTE in figura 2 rivela che le curve del campione completamente denso e del campione con pori large sono, curiosamente, quasi congruenti. Questi due campioni hanno aree superficiali complessive (interne più esterne) inferiori rispetto ai campioni con pori medium e small e potrebbero quindi presentare un'inerzia più pronunciata rispetto alle variazioni di temperatura. Poiché nella dilatometria le misurazioni vengono solitamente eseguite in modo dinamico a una specifica velocità di riscaldamento, si prevede che questi campionilibrasiano più lenti dei campioni con pori medium e small e quindi potrebbero facilmente rimanere indietro nel loro comportamento di risposta. Questa è una possibile spiegazione per le lievi differenze nelle curve di misura della figura 2, che potrebbero quindi essere causate da una miscela di effetti specifici del campione e metrologici.
È noto che le leghe AlSiMg presentano effetti di precipitazione/post-indurimento, che potrebbero svolgere un ruolo significativo. I dati sullaCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica dei campioni ottenuti mediante DSC (calorimetria differenziale a scansione) hanno rivelato lievi effetti esotermici nell'intervallo di temperatura compreso tra 250°C e 400°C [2]. Anche la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica, analizzata mediante LFA, mostra una deviazione dall'andamento monotono in questo intervallo di temperatura [2]. In questo intervallo di temperatura, anche le curveCoefficiente di espansione termica lineare (CLTE/CTE)Il coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) descrive la variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura. CTE mostrano degli estremi, probabilmente legati all'indurimento per precipitazione. La differenza di intensità di questi effetti potrebbe generare le differenze nelle curve mostrate in figura 2.
Conclusione
Le misure al dilatometro su un materiale AlSi7Mgcompletamente denso e su tre schiume AlSi7Mgcon pori di dimensioni diverse hanno rivelato un comportamento simile delCoefficiente di espansione termica lineare (CLTE/CTE)Il coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) descrive la variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura. CTE per tutti i campioni analizzati, indipendentemente dalle dimensioni dei pori. L'andamento della variazione di densità è più o meno lo stesso per tutti i campioni. La Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica dei campioni, un'altra proprietà termofisica molto importante, non mostra la stessa invarianza rispetto alla dimensione dei pori dei campioni: È stata riscontrata una diminuzione con l'aumento della dimensione dei pori.