はじめに
ごく最近の2つの出版物では、LFA（レーザー/ライトフラッシュ分析）を用いた多孔質金属発泡体の熱拡散率の測定が包括的に議論されています[1, 2]。このアプリケーションノートでは、これらの材料のもう一つの重要な熱物性である、DIL（熱膨張測定）による熱膨張率について説明します。
調査した材料は、Exxentis AG（スイス、ヴェッティンゲン）から提供されたAlSi7Mg（EN AC-42000）アルミニウム合金をベースとするオープンセルフォームです。発泡体は、結晶化塩を用いたアルミニウム合金鋳造によって作製された。塩の粒径を変化させることで、さまざまな孔径が得られる。このような発泡体は、真空発泡金型、熱成形ツール、真空テーブルやクランプシステムの真空プレート、サイレンサー、フィルター、熱交換器として使用されている。超軽量金属発泡体は、触媒、燃料電池、水素貯蔵、音響絶縁などの用途にも使用されている[2]。
実験的
公称孔径が0.2～0.35mm（「small 孔」）、0.40～1.00mm（「medium 孔」）、0.63～4.00mm（「large 孔」）の3種類のオープンセルフォームを調査した。これらの試料の写真を図1b)に挿入図として示す。すべての発泡体試料の公称密度ρ = 1.09g/cm3、すなわち公称気孔率は約60%であった。3種類の多孔質金属発泡体の膨張挙動を、密度ρ = 2.68 g/cm3の完全に緻密なAlSi7Mg材料と比較した。この試料の写真を図1a)の挿入図に示す。発泡体の密度は、質量÷体積として計算した。完全に密な試料の密度の測定には、密度天秤を使用した。すべての試料は直径12.6 mm、厚さ10 mmの円柱状であった。
測定条件
測定は DIL 402 Expedis® Selectプッシュロッド式熱膨張計を使用し、-150℃から1000℃の間で作動可能な鋼製加熱炉を装備している。このシステムは真空密閉式で、真空下だけでなく、純粋な不活性雰囲気や酸化雰囲気でも測定が可能である。長さ校正用に、溶融シリカ、サファイア、プラチナ、タングステンなどの一次標準試料一式が用意されている。予想される試料の膨張と測定の温度範囲によって、どの標準器を使用すべきかが決まります。測定は、溶融シリカ試料ホルダーを用い、ヘリウム雰囲気中、-100℃から500℃の温度範囲で、2K/分の加熱速度で行った。各試料は2回加熱され、2回目の加熱の結果は、室温での密度と、等方的な膨張挙動と加熱中の質量損失を仮定した熱膨張の測定値に基づいて密度曲線を計算するために使用された。試料ホルダーとプッシュロッドの膨張を補正するため、試料測定の前にAl2O3リファレンスによる補正測定を行った。
測定結果
図1a)は孔径の異なる3種類の発泡体試料のデータ、図1b)は完全に密な試料の密度データである。熱膨張により、すべての試料の密度は温度の上昇とともに減少し、一貫した傾向を示している。完全に緻密な試料でも発泡体でも、-100℃～500℃の温度範囲で密度は4.3%減少している。完全に緻密なAlSi7Mg試料に気孔を導入しても、温度による密度の変化に大きな影響はないようである。AlSi7Mg発泡体の気孔径の違いも密度挙動に大きな影響を与えないようである。
金属発泡体の場合、線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTE（熱膨張係数）の挙動は完全な高密度材料と同様であることが文献で報告されています[3]が、熱拡散率は低下します[2]。図2に示した線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTEデータからわかるように、今回調査した材料でも明らかにこのことが言えます。
図2の線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTE曲線を比較すると、完全に緻密な試料とlarge 気孔を持つ試料の曲線は、興味深いことにほぼ一致していることがわかる。この2つの試料は、medium およびsmall の細孔を持つ試料よりも全体の表面積（内部および外部）が小さいため、温度変化に対してより顕著な慣性を示す可能性がある。熱膨張測定では通常、特定の加熱速度で動的に測定が行われるため、これらの試料はmedium とsmall の細孔を持つ試料よりも平衡化が遅いと予想され、そのため応答挙動が遅れやすいと考えられる。これは、図2の測定曲線のわずかな違いの説明となる可能性があり、したがって、試料固有の影響と計量学的影響の混合によって引き起こされる可能性がある。
AlSiMg合金は析出／後硬化効果を示すことが知られており、これも重要な役割を果たす可能性がある。DSC（示差走査熱量測定）によって得られた試料の比熱容量データから、250℃から400℃の温度範囲でわずかな発熱（発熱性）効果があることがわかった[2]。LFAで調べた熱拡散率も、この温度範囲では単調な傾向からのずれを示している[2]。この温度範囲では、線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTE曲線も極値を示し、おそらく析出硬化にも関連している。これらの影響の強さの違いが、図2に示した曲線の違いをもたらしている可能性がある。
結論
完全に緻密なAlSi7Mg材料と、細孔径の異なる3種類のAlSi7Mg発泡体について熱膨張計で測定した結果、細孔径に依存せず、調査したすべての試料で線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTEが同様の挙動を示すことがわかった。密度の変化に関する傾向は、すべての試料でほぼ同じであった。もう一つの非常に重要な熱物性である試料の熱拡散率は、試料の細孔径に対してこのような不変性を示さない：孔径が大きくなるにつれて減少することがわかった。