다공성 금속 폼의 열팽창

소개

최근 발간된 두 편의 논문에서 LFA(레이저/광 플래시 분석)를 이용한 다공성 금속 폼의 열 확산도 측정에 대해 포괄적으로 논의했습니다[1, 2]. 이 애플리케이션 노트의 목적은 이러한 재료의 또 다른 중요한 열물리학적 특성인 DIL(팽창 측정법)을 통한 열팽창에 대해 논의하는 것입니다.

조사 대상 재료는 Exxentis AG(스위스 베팅겐)에서 제공하는 _AlSi7Mg(EN AC-42000) 알루미늄 합금 기반의 오픈셀 폼입니다. 이 폼은 결정염으로 알루미늄 합금을 주조하여 만들어집니다. 소금의 입자 크기를 변화시킴으로써 다양한 기공 크기를 얻을 수 있습니다. 이러한 폼은 진공 발포 몰드, 열성형 도구, 진공 테이블 및 클램핑 시스템의 진공 플레이트, 소음기, 필터 및 열교환기로 사용됩니다. 초경량 금속 폼은 촉매, 연료 전지, 수소 저장 및 방음 분야에도 사용됩니다[2].

실험적

공칭 기공 크기가 0.2~0.35mm("small 기공"), 0.40~1.00mm("medium 기공"), 0.63~4.00mm("large 기공") 범위인 3개의 오픈셀 폼을 조사했습니다. 이 샘플의 사진은 그림 1b에 삽입물로 표시되어 있습니다.) 모든 폼 샘플의 공칭 밀도 ρ = 1.^09g/cm3, 즉 약 60%의 공칭 다공성을 가졌습니다. 세 가지 다공성 금속 폼의 팽창 거동을 ρ = 2.^68g/cm3의 밀도를 가진 완전 밀도 AlSi7Mg 재료와 비교했습니다. 이 샘플의 사진은 그림 1a)에 삽입되어 있습니다. 폼의 밀도는 질량을 부피로 나눈 값으로 계산했습니다. 완전 밀도 샘플의 밀도를 측정하기 위해 밀도 저울을 사용했습니다. 모든 샘플은 직경 12.6mm, 두께 10mm의 원통형 모양이었습니다.

측정 조건

측정은 -150°C~1000°C에서 작동할 수 있는 강철 용광로가 장착된 DIL 402 ExpedisSelect 푸시로드 팽창계로 수행되었습니다. 이 시스템은 진공 밀폐형이어서 진공 상태뿐만 아니라 순수 불활성 또는 산화 분위기에서도 측정을 수행할 수 있습니다. 길이 교정을 위해 용융 실리카, 사파이어, 백금, 텅스텐 등을 포함한 일련의 기본 표준을 사용할 수 있습니다. 시료의 예상 팽창과 측정 온도 범위에 따라 어떤 표준을 사용해야 하는지가 결정됩니다. 측정은 헬륨 분위기에서 2K/min의 가열 속도로 -100°C ~ 500°C의 온도 범위에서 용융 실리카 시료 홀더를 사용하여 수행되었습니다. 각 샘플은 두 번 가열되었으며, 두 번째 가열 결과는 등방성 팽창 거동과 가열 중 질량 손실이 없다고 가정하고 실온에서의 밀도와 측정된 열팽창을 기반으로 밀도 곡선을 계산하는 데 사용되었습니다. 시료 홀더와 푸시로드의 팽창을 보정하기 위해 시료 측정 전에 _Al2O3 표준물질로 보정 측정을 수행했습니다.

측정 결과

그림 1a)는 기공 크기가 다른 세 가지 폼 샘플의 데이터를, 1b)는 완전히 밀도가 높은 샘플의 밀도 데이터를 보여줍니다. 열팽창으로 인해 모든 샘플의 밀도는 온도가 증가함에 따라 감소하며 일관된 경향을 보입니다. 완전 밀도 샘플과 폼의 경우, -100°C에서 500°C 사이의 온도 범위에서 밀도가 4.3% 감소합니다. 완전 밀도 _AlSi7Mg샘플에 다공성을 도입해도 온도에 따른 밀도 변화에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보입니다. _AlSi7Mg폼의 다른 기공 크기 역시 밀도 거동에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보입니다.

문헌에 따르면 금속 폼의 경우 CTE(열팽창 계수)의 거동은 완전 밀도 재료와 유사하게 유지되는 반면[3] 열 확산성은 감소한다고 보고되어 있습니다[2]. 그림 2에 제시된 CTE 데이터에서 볼 수 있듯이 여기서 조사된 재료의 경우에도 마찬가지입니다.

그림 2의 CTE 곡선을 비교해보면 완전히 밀도가 높은 샘플과 large 기공이 있는 샘플의 곡선이 흥미롭게도 거의 일치하는 것을 알 수 있습니다. 이 두 샘플은 medium 및 small 기공이 있는 샘플보다 전체 표면적(내부와 외부)이 더 낮기 때문에 온도 변화에 비해 관성이 더 뚜렷하게 나타날 수 있습니다. 팽창도 측정에서 측정은 일반적으로 특정 가열 속도에서 동적으로 수행되기 때문에 이러한 샘플은 medium 및 small 기공이 있는 샘플보다 평형이 느리게 이루어질 것으로 예상되므로 반응 동작이 쉽게 뒤처질 수 있습니다. 이는 그림 2에서 측정 곡선의 미세한 차이에 대한 설명이 될 수 있으며, 따라서 샘플별 효과와 계측 효과의 혼합으로 인해 발생할 수 있습니다.

AlSiMg 합금은 침전/후 경화 효과를 나타내는 것으로 알려져 있으며, 이 또한 중요한 역할을 할 수 있습니다. DSC(시차 주사 열량 측정법)로 산출된 샘플의 비열 용량 데이터는 250°C에서 400°C 사이의 온도 범위에서 약간의 발열 효과를 나타냈습니다[2]. LFA로 조사한 열 확산도 역시 이 온도 범위에서 단조로운 추세에서 벗어난 것으로 나타났습니다[2]. 이 온도 범위에서 CTE 곡선도 극한값을 보이는데, 이는 아마도 강수량 경화와 관련이 있을 것입니다. 이러한 효과의 강도의 차이로 인해 그림 2에 표시된 곡선의 차이가 발생할 수 있습니다.

결론

기공 크기가 다른 완전 밀도 _AlSi7Mg소재와 세 가지 기공 크기의 _AlSi7Mg폼에 대한 팽창계 측정 결과, 기공 크기와 관계없이 조사된 모든 샘플에서 유사한 CTE 거동이 나타났습니다. 밀도 변화에 관한 추세는 모든 샘플에서 거의 동일하게 나타났습니다. 또 다른 매우 중요한 열물리학적 특성인 샘플의 열확산도는 샘플의 기공 크기에 대한 불변성을 보이지 않습니다: 기공 크기가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났습니다.