Inleiding
In twee zeer recente publicaties werden metingen van de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie op poreuze metaalschuimen met behulp van LFA (Laser/Light Flash Analysis) uitgebreid besproken [1, 2]. De bedoeling van deze toepassingsnotitie is om een andere belangrijke thermofysische eigenschap van deze materialen te bespreken: thermische uitzetting door DIL (dilatometrie).
De onderzochte materialen waren opencellig schuim op basis van een aluminiumlegering van AlSi7Mg(EN AC-42000), geleverd door Exxentis AG (Wettingen, Zwitserland). De schuimen zijn gemaakt door aluminiumlegering te gieten met kristalzout. Verschillende poriëngroottes worden bereikt door de korrelgrootte van het zout te variëren. Dergelijke schuimen worden gebruikt als vacuümschuimmallen, als thermovormgereedschap, voor vacuümplaten in vacuümtafels en klemsystemen, als geluiddempers, als filters en als warmtewisselaars. Ultralichte metaalschuimen worden ook gebruikt in toepassingen voor katalyse, brandstofcellen, waterstofopslag en akoestische isolatie [2].
Experimenteel
Drie open-celschuimen met nominale poriegrootte in het bereik van 0,2 tot 0,35 mm ("small poriën"), 0,40 tot 1,00 mm ("medium poriën"), en 0,63 tot 4,00 mm ("large poriën") werden onderzocht. Foto's van deze monsters worden als inzetstuk weergegeven in figuur 1b). Alle schuimmonsters hadden een nominale DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid ρ = 1,09 g/cm3, of een nominale porositeit van ongeveer 60%. Het uitzettingsgedrag van de drie poreuze metaalschuimen werd vergeleken met het volledig dichte AlSi7Mg materiaal met een DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van ρ = 2,68 g/cm3. Een foto van dit monster wordt getoond als inzet in figuur 1a). De DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van het schuim werd berekend als massa gedeeld door volume. Voor het bepalen van de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van het volledig dichte monster werd een dichtheidsbalans gebruikt. Alle monsters hadden een cilindrische vorm met een diameter van 12,6 mm en een dikte van 10 mm.
Meetomstandigheden
De metingen werden uitgevoerd met een DIL 402 Expedis®Select dilatometer met drukstang, uitgerust met een stalen oven die tussen -150°C en 1000°C kan werken. Het systeem is vacuümdicht, waardoor metingen kunnen worden uitgevoerd in zuivere inerte of oxiderende atmosferen en onder vacuüm. Een set primaire standaarden, waaronder gesmolten silica, saffier, platina, wolfraam, etc., is beschikbaar voor lengtekalibratie. De verwachte uitzetting van het preparaat en het temperatuurbereik van de meting bepalen welke standaard gebruikt moet worden. De metingen werden uitgevoerd met een gesmolten silica monsterhouder in het temperatuurbereik van -100 °C tot 500 °C met een verwarmingssnelheid van 2 K/min in een heliumatmosfeer. Elk monster werd tweemaal verwarmd; de resultaten van de tweede verwarming werden gebruikt om de dichtheidskromme te berekenen op basis van de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid bij kamertemperatuur en de gemeten thermische uitzetting, uitgaande van isotroop uitzettingsgedrag en geen massaverlies tijdens verwarming. Om te corrigeren voor de uitzetting van de monsterhouder en de drijfstang werd een correctiemeting met een Al2O3 referentie uitgevoerd voorafgaand aan de metingen van de monsters.
Meetresultaten
Figuur 1a) toont de gegevens voor de drie schuimmonsters met verschillende poriegrootte en 1b) de dichtheidsgegevens van het volledig dichte monster. Door de thermische uitzetting neemt de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van alle monsters af met toenemende temperatuur, wat een consistente trend laat zien. Zowel voor het volledig dichte monster als voor de schuimmonsters neemt de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid met 4,3% af in het temperatuurbereik tussen -100°C en 500°C. Het introduceren van porositeit in een volledig dicht AlSi7Mgmonster lijkt de verandering in DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid met temperatuur niet significant te beïnvloeden. Verschillende poriegroottes in AlSi7Mgschuim lijken ook geen significant effect te hebben op het dichtheidsgedrag.
In de literatuur wordt gemeld dat voor metaalschuimen het gedrag van de Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE (thermische uitzettingscoëfficiënt) gelijk blijft aan het volledig dichte materiaal [3], terwijl de thermische diffusiviteit afneemt [2]. Dit geldt duidelijk ook voor de hier onderzochte materialen, zoals te zien is aan de Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE-gegevens in figuur 2.
Vergelijking van de Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE-curves in figuur 2 laat zien dat de curves van het volledig dichte monster en van het monster met large poriën, interessant genoeg, bijna congruent zijn. Deze twee monsters hebben een lager totaal oppervlak (intern plus extern) dan de monsters met medium en small poriën en zouden dus een meer uitgesproken traagheid kunnen vertonen ten opzichte van temperatuurveranderingen. Aangezien bij dilatometrie metingen gewoonlijk dynamisch worden uitgevoerd bij een specifieke verwarmingssnelheid, zullen deze monsters naar verwachting langzamer equilibreren dan de monsters met medium en small poriën en daarom gemakkelijk achterblijven in hun responsgedrag. Dit is een mogelijke verklaring voor de kleine verschillen in de meetcurven in figuur 2, die dus veroorzaakt zouden kunnen worden door een mengsel van monsterspecifieke en metrologische effecten.
Van AlSiMg legeringen is bekend dat ze precipitatie/nahardingseffecten vertonen, die ook een significante rol zouden kunnen spelen. Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.Specifieke warmtecapaciteit gegevens voor de monsters verkregen met DSC (differential scanning calorimetrie) toonden lichte exotherme effecten in het temperatuurbereik tussen 250°C en 400°C [2]. De Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie, onderzocht met LFA, toont ook een afwijking van de monotone trend in dit temperatuurbereik [2]. In dit temperatuurbereik vertonen de Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE-curves ook extrema, waarschijnlijk ook gerelateerd aan precipitatieharding. Het verschil in intensiteit van deze effecten zou de verschillen in de curven van figuur 2 kunnen veroorzaken.
Conclusie
Dilatometermetingen aan een volledig dicht AlSi7Mgmateriaal en drie AlSi7Mgschuimen met verschillende poriegrootte onthulden vergelijkbaar gedrag van de Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE voor alle onderzochte monsters, onafhankelijk van de poriegrootte. De trend met betrekking tot de verandering in DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid is ongeveer hetzelfde voor alle monsters. De Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie van de monsters, een andere zeer belangrijke thermofysische eigenschap, is niet zo onveranderlijk afhankelijk van de poriegrootte van de monsters: Deze bleek af te nemen met toenemende poriegrootte.