Introducere
În două publicații foarte recente, măsurătorile difuzivității termice pe spume metalice poroase utilizând LFA (Laser/Light Flash Analysis) au fost discutate în detaliu [1, 2]. Intenția acestei note de aplicare este de a discuta o altă proprietate termofizică importantă a acestor materiale: expansiunea termică furnizată de DIL (dilatometrie).
Materialele investigate au fost spume cu celule deschise pe bază de aliaj de aluminiu AlSi7Mg(EN AC-42000), furnizate de Exxentis AG (Wettingen, Elveția). Spumele sunt create prin turnarea aliajului de aluminiu cu sare cristalină. Dimensiunile diferite ale porilor sunt obținute prin variația dimensiunii granulelor de sare. Astfel de spume sunt utilizate ca matrițe de spumare în vid, ca unelte de termoformare, pentru plăci de vid în mese de vid și sisteme de prindere, ca amortizoare de zgomot, ca filtre și ca schimbătoare de căldură. Spumele metalice ultraușoare sunt, de asemenea, utilizate în aplicații în cataliză, celule de combustibil, stocarea hidrogenului și izolare acustică [2].
Experimental
Au fost studiate trei spume cu celule deschise cu dimensiuni nominale ale porilor cuprinse între 0,2 și 0,35 mm ("small pori"), 0,40 și 1,00 mm ("medium pori") și 0,63 și 4,00 mm ("large pori"). Fotografii ale acestor probe sunt prezentate ca inserții în figura 1b). Toate probele de spumă au avut o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate nominală ρ = 1,09 g/cm3, sau o porozitate nominală de aproximativ 60%. Comportamentul de expansiune al celor trei spume metalice poroase a fost comparat cu materialul complet dens AlSi7Mg cu o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate de ρ = 2,68 g/cm3. O fotografie a acestei probe este prezentată ca inserție în figura 1a). Densitatea spumelor a fost calculată ca masă împărțită la volum. Pentru determinarea densității eșantionului complet dens, a fost utilizată o balanță de DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate. Toate probele au avut o formă cilindrică cu un diametru de 12,6 mm și o grosime de 10 mm.
Condiții de măsurare
Măsurătorile au fost efectuate cu un dilatometru cu tijă de împingere DIL 402 Expedis® Select , echipat cu un cuptor de oțel capabil să funcționeze între -150°C și 1000°C. Sistemul este etanș la vid, permițând efectuarea măsurătorilor în atmosfere pure inerte sau oxidante, precum și sub vid. Un set de standarde primare, inclusiv silice topită, safir, platină, tungsten etc., este disponibil pentru calibrarea lungimii. Expansiunea preconizată a specimenului și intervalul de temperatură al măsurătorii dictează standardul care ar trebui utilizat. Măsurătorile au fost efectuate cu un suport de probă din siliciu topit în intervalul de temperatură de la -100°C la 500°C, la o viteză de încălzire de 2 K/min într-o atmosferă de heliu. Fiecare probă a fost încălzită de două ori; rezultatele celei de-a doua încălziri au fost utilizate pentru a calcula curba densității pe baza densității la temperatura camerei și a expansiunii termice măsurate, presupunând un comportament izotrop al expansiunii și nicio pierdere de masă în timpul încălzirii. Pentru a corecta expansiunea suportului de probă și a tijei de împingere, a fost efectuată o măsurătoare de corecție cu o referință de Al2O3 înainte de măsurătorile probelor.
Rezultatele măsurătorilor
Figura 1a) prezintă datele pentru cele trei probe de spumă cu dimensiuni diferite ale porilor și 1b) datele privind densitatea probei complet dense. Din cauza expansiunii termice, densitatea tuturor probelor scade odată cu creșterea temperaturii, prezentând o tendință constantă. Pentru proba complet densă, precum și pentru spume, densitatea scade cu 4,3% în intervalul de temperatură cuprins între -100°C și 500°C. Introducerea porozității într-o probă AlSi7Mgcomplet densă nu pare să afecteze semnificativ modificarea densității în funcție de temperatură. Nici dimensiunile diferite ale porilor din spumele AlSi7Mgnu par să aibă un efect semnificativ asupra comportamentului densității.
În literatura de specialitate se menționează că pentru spumele metalice, comportamentul Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE (coeficientul de dilatare termică) rămâne similar cu cel al materialului complet dens [3], în timp ce difuzivitatea termică va fi redusă [2]. În mod clar, acest lucru este valabil și pentru materialele investigate aici, după cum se poate observa din datele Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE prezentate în figura 2.
Compararea curbelor Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE din figura 2 arată că curbele probei complet dense și ale probei cu pori large sunt, în mod interesant, aproape congruente. Aceste două probe au suprafețe totale mai mici (interne plus externe) decât probele cu pori medium și small și, prin urmare, ar putea prezenta o inerție mai pronunțată în funcție de schimbările de temperatură. Deoarece, în dilatometrie, măsurătorile sunt de obicei efectuate dinamic la o anumită rată de încălzire, se așteaptă ca aceste probe să se echilibreze mai lent decât probele cu medium și small pori și, prin urmare, ar putea rămâne ușor în urmă în comportamentul lor de răspuns. Aceasta este o posibilă explicație pentru ușoarele diferențe ale curbelor de măsurare din figura 2, care ar putea fi, prin urmare, cauzate de un amestec de efecte specifice probelor și metrologice.
Se știe că aliajele AlSiMg prezintă efecte de precipitare/postrăcire, care ar putea juca, de asemenea, un rol semnificativ. Datele privind capacitatea termică specifică a probelor obținute prin DSC (calorimetrie diferențială cu baleiaj) au evidențiat ușoare efecte exotermice în intervalul de temperatură cuprins între 250°C și 400°C [2]. Difuzivitatea termică, investigată prin LFA, arată, de asemenea, o abatere de la tendința monotonă în acest interval de temperatură [2]. În acest interval de temperatură, curbele Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE prezintă, de asemenea, extreme, probabil legate și de întărirea prin precipitare. Diferența de intensitate a acestor efecte ar putea duce la diferențele din curbele prezentate în figura 2.
Concluzie
Măsurătorile cu dilatometrul pe un material AlSi7Mgcomplet dens și pe trei spume AlSi7Mgcu pori de diferite dimensiuni au evidențiat un comportament similar al Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE pentru toate probele investigate, independent de dimensiunea porilor. Tendința privind modificarea densității este aproximativ aceeași pentru toate probele. Difuzivitatea termică a probelor, o altă proprietate termofizică extrem de importantă, nu prezintă o astfel de invarianță față de dimensiunea porilor probelor: S-a constatat că aceasta scade odată cu creșterea dimensiunii porilor.