Wprowadzenie
W dwóch ostatnich publikacjach, pomiary dyfuzyjności cieplnej porowatych pianek metalowych przy użyciu LFA (Laser/Light Flash Analysis) zostały kompleksowo omówione [1, 2]. Celem niniejszej noty aplikacyjnej jest omówienie innej ważnej właściwości termofizycznej tych materiałów: rozszerzalności cieplnej uzyskanej za pomocą dylatometrii (DIL).
Badanymi materiałami były pianki otwartokomórkowe oparte na stopie aluminium AlSi7Mg(EN AC-42000), dostarczone przez Exxentis AG (Wettingen, Szwajcaria). Pianki są tworzone przez odlewanie stopu aluminium z solą krystaliczną. Różne rozmiary porów uzyskuje się poprzez zmianę wielkości ziaren soli. Takie pianki są stosowane jako formy do spieniania próżniowego, jako narzędzia do termoformowania, jako płyty próżniowe w stołach próżniowych i systemach mocowania, jako tłumiki, filtry i wymienniki ciepła. Ultralekkie pianki metalowe znajdują również zastosowanie w katalizie, ogniwach paliwowych, magazynowaniu wodoru i izolacji akustycznej [2].
Eksperymentalny
Zbadano trzy pianki otwartokomórkowe o nominalnej wielkości porów w zakresie od 0,2 do 0,35 mm ("porysmall "), od 0,40 do 1,00 mm ("porymedium ") i od 0,63 do 4,00 mm ("porylarge "). Zdjęcia tych próbek pokazano jako wstawki na rysunku 1b). Wszystkie próbki pianki miały nominalną gęstość ρ = 1,09 g/cm3 lub nominalną porowatość około 60%. Zachowanie trzech porowatych pianek metalowych zostało porównane z całkowicie gęstym materiałem AlSi7Mg o gęstości ρ = 2,68 g/cm3. Zdjęcie tej próbki pokazano jako wstawkę na rysunku 1a). Gęstość pianek została obliczona jako masa podzielona przez objętość. Do określenia gęstości próbki o pełnej gęstości użyto wagi gęstości. Wszystkie próbki miały kształt cylindryczny o średnicy 12,6 mm i grubości 10 mm.
Warunki pomiaru
Pomiary przeprowadzono za pomocą dylatometru popychaczowego DIL 402 Expedis Select , wyposażonego w stalowy piec zdolny do pracy w zakresie od -150°C do 1000°C. System jest próżnioszczelny, co umożliwia prowadzenie pomiarów w czystej atmosferze obojętnej lub utleniającej, a także w próżni.libraDostępny jest zestaw wzorców pierwotnych, w tym stopiona krzemionka, szafir, platyna, wolfram itp. Oczekiwana ekspansja próbki i zakres temperatur pomiaru dyktują, który wzorzec powinien zostać użyty. Pomiary przeprowadzono przy użyciu uchwytu do próbek ze stopionej krzemionki w zakresie temperatur od -100°C do 500°C przy szybkości ogrzewania 2 K/min w atmosferze helu. Każdą próbkę ogrzewano dwukrotnie; wyniki drugiego ogrzewania wykorzystano do obliczenia krzywej gęstości w oparciu o gęstość w temperaturze pokojowej i zmierzoną rozszerzalność cieplną przy założeniu izotropowego rozszerzania i braku utraty masy podczas ogrzewania. Aby skorygować rozszerzalność uchwytu próbki i popychacza, przed pomiarami próbki przeprowadzono pomiar korekcyjny z odniesieniem Al2O3.
Wyniki pomiarów
Rysunek 1a) przedstawia dane dla trzech próbek pianki o różnych rozmiarach porów, a 1b) dane gęstości próbki o pełnej gęstości. Ze względu na rozszerzalność cieplną gęstość wszystkich próbek spada wraz ze wzrostem temperatury, wykazując spójny trend. Dla próbki o pełnej gęstości, jak również dla pianek, gęstość spada o 4,3% w zakresie temperatur od -100°C do 500°C. Wprowadzenie porowatości do w pełni gęstej próbki AlSi7Mgnie wydaje się znacząco wpływać na zmianę gęstości wraz z temperaturą. Różne rozmiary porów w piankach AlSi7Mgrównież nie wydają się mieć znaczącego wpływu na zachowanie gęstości.
W literaturze podaje się, że w przypadku pianek metalowych zachowanieWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE (współczynnika rozszerzalności cieplnej) pozostaje podobne do w pełni gęstego materiału [3], podczas gdy dyfuzyjność cieplna zostanie zmniejszona [2]. Najwyraźniej dotyczy to również badanych tutaj materiałów, co widać na podstawie danychWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE przedstawionych na rysunku 2.
Porównanie krzywychWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE na rysunku 2 pokazuje, że krzywe w pełni gęstej próbki i próbki z porami large są, co ciekawe, prawie zgodne. Te dwie próbki mają mniejszą całkowitą powierzchnię (wewnętrzną i zewnętrzną) niż próbki z porami medium i small, a zatem mogą wykazywać bardziej wyraźną bezwładność w stosunku do zmian temperatury. Ponieważ w dylatometrii pomiary są zwykle wykonywane dynamicznie przy określonej szybkości ogrzewania, oczekuje się, że próbki te będą równielibrawolniejsze niż próbki z porami medium i small, a zatem mogą łatwo pozostawać w tyle pod względem zachowania reakcji. Jest to możliwe wyjaśnienie niewielkich różnic w krzywych pomiarowych na rysunku 2, które mogą być spowodowane mieszanką efektów specyficznych dla próbki i efektów metrologicznych.
Wiadomo, że stopy AlSiMg wykazują efekty wytrącania/posttwardnienia, które również mogą odgrywać znaczącą rolę. Dane dotyczące pojemności cieplnej właściwej próbek uzyskane za pomocą DSC (różnicowej kalorymetrii skaningowej) ujawniły niewielkie efekty egzotermiczne w zakresie temperatur od 250°C do 400°C [2]. Dyfuzyjność cieplna, badana metodą LFA, również wykazuje odchylenie od monotonicznego trendu w tym zakresie temperatur [2]. W tym zakresie temperatur krzyweWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE również wykazują ekstrema, prawdopodobnie również związane z utwardzaniem wydzieleniowym. Różnica w intensywności tych efektów może powodować różnice w krzywych pokazanych na rysunku 2.
Wnioski
Pomiary dylatometryczne na w pełni gęstym materiale AlSi7Mgi trzech piankach AlSi7Mgo różnych rozmiarach porów wykazały podobne zachowanieWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE dla wszystkich badanych próbek, niezależnie od wielkości porów. Tendencja dotycząca zmiany gęstości jest mniej więcej taka sama dla wszystkich próbek. Dyfuzyjność termicznaDyfuzyjność cieplna (a z jednostką mm2/s) to specyficzna dla materiału właściwość charakteryzująca niestałe przewodzenie ciepła. Wartość ta opisuje, jak szybko materiał reaguje na zmianę temperatury.Dyfuzyjność termiczna próbek, jako kolejna bardzo ważna właściwość termofizyczna, nie wykazuje takiej niezmienności w stosunku do wielkości porów próbek: Stwierdzono, że zmniejsza się ona wraz ze wzrostem wielkości porów.