Введение
В двух недавних публикациях были подробно рассмотрены измерения теплопроводности пористых металлических пенопластов с помощью LFA (Laser/Light Flash Analysis) [1, 2]. Цель данной заметки - обсудить еще одно важное теплофизическое свойство этих материалов: тепловое расширение, полученное с помощью дилатометрии (DIL).
Исследуемые материалы представляли собой пенопласты с открытыми порами на основе алюминиевого сплава AlSi7Mg(EN AC-42000), предоставленные компанией Exxentis AG (Веттинген, Швейцария). Пенопласты созданы методом литья алюминиевого сплава с кристаллической солью. Различные размеры пор достигаются за счет изменения размера зерен соли. Такие пенопласты используются в качестве форм для вакуумного вспенивания, инструментов для термоформовки, вакуумных пластин в вакуумных столах и зажимных системах, глушителей, фильтров и теплообменников. Сверхлегкие металлические пенопласты также используются в катализе, топливных элементах, хранении водорода и акустической изоляции [2].
Экспериментальный
Были исследованы три открытопористые пены с номинальным размером пор в диапазоне от 0,2 до 0,35 мм ("small пор"), от 0,40 до 1,00 мм ("medium пор") и от 0,63 до 4,00 мм ("large пор"). Фотографии этих образцов показаны в качестве вставок на рисунке 1b). Все образцы пенопласта имели номинальную плотность ρ = 1,09 г/см3, или номинальную пористость около 60 %. Поведение трех пористых металлических пенопластов при расширении сравнивалось с полностью плотным материалом AlSi7Mg с плотностью ρ = 2,68 г/см3. Фотография этого образца показана в качестве вставки на рис. 1а). Плотность пенопластов рассчитывалась как масса, деленная на объем. Для определения плотности полностью плотного образца использовались весы. Все образцы имели цилиндрическую форму диаметром 12,6 мм и толщиной 10 мм.
Условия измерения
Измерения проводились с помощью дилатометра DIL 402 Expedis Select , оснащенного стальной печью, способной работать в диапазоне от -150°C до 1000°C. Система вакуум-герметична, что позволяет проводить измерения в чистой инертной или окислительной атмосфере, а также в вакууме.libraНабор первичных стандартов, включая плавленый кварц, сапфир, платину, вольфрам и т.д., доступен для выбора длины. Ожидаемое расширение образца и температурный диапазон измерений определяют, какой стандарт следует использовать. Измерения проводились с помощью держателя образцов из плавленого кварца в диапазоне температур от -100°C до 500°C при скорости нагрева 2 К/мин в атмосфере гелия. Каждый образец нагревался дважды; результаты второго нагрева использовались для расчета кривой плотности на основе плотности при комнатной температуре и измеренного теплового расширения в предположении изотропного расширения и отсутствия потери массы при нагреве. Чтобы скорректировать расширение держателя образца и толкателя, перед измерениями образцов проводилось коррекционное измерение с эталоном Al2O3.
Результаты измерений
На рис. 1a) представлены данные для трех образцов пенопласта с различными размерами пор, а на рис. 1b) - данные по плотности полностью плотного образца. Вследствие теплового расширения плотность всех образцов уменьшается с ростом температуры, демонстрируя устойчивую тенденцию. Как для полностью плотного образца, так и для пенопластов плотность уменьшается на 4,3% в диапазоне температур от -100°C до 500°C. Введение пористости в полностью плотный образец AlSi7Mg, по-видимому, не оказывает существенного влияния на изменение плотности с температурой. Различные размеры пор в пенопластах AlSi7Mgтакже не оказывают существенного влияния на поведение плотности.
В литературе сообщается, что для металлических пенопластов поведение CTE (коэффициента теплового расширения) остается аналогичным полностью плотному материалу [3], в то время как тепловая диффузия уменьшается [2]. Очевидно, что это справедливо и для исследованных здесь материалов, как видно из данных CTE, представленных на рисунке 2.
Сравнение кривых CTE на рисунке 2 показывает, что кривые полностью плотного образца и образца с порами large, что интересно, почти совпадают. Эти два образца имеют меньшую общую площадь поверхности (внутреннюю и внешнюю), чем образцы с порами medium и small, и поэтому могут демонстрировать более выраженную инерцию при изменении температуры. Поскольку в дилатометрии измерения обычно проводятся динамически при определенной скорости нагрева, ожидается, что эти образцы будут равнятьсяlibraмедленнее, чем образцы с порами medium и small, и поэтому могут легко отставать в своем поведении. Это возможное объяснение небольших различий в кривых измерений на рис. 2, которые могут быть вызваны сочетанием специфических и метрологических эффектов.
Известно, что в сплавах AlSiMg наблюдаются эффекты осаждения/послезакалки, которые также могут играть важную роль. Данные по удельной теплоемкости образцов, полученные методом ДСК (дифференциальной сканирующей калориметрии), выявили незначительные экзотермические эффекты в диапазоне температур от 250 до 400 °C [2]. Теплопроводность, исследованная методом LFA, также показывает отклонение от монотонного тренда в этом диапазоне температур [2]. В этом температурном диапазоне кривые CTE также демонстрируют экстремумы, вероятно, связанные с закалкой под действием осадков. Разница в интенсивности этих эффектов может привести к различиям в кривых, представленных на рисунке 2.
Заключение
Дилатометрические измерения полностью плотного материала AlSi7Mgи трех пенопластов AlSi7Mgс различными размерами пор выявили схожее поведение CTE для всех исследованных образцов, независимо от размера пор. Тенденция изменения плотности примерно одинакова для всех образцов. Теплопроводность образцов, как еще одно очень важное теплофизическое свойство, не проявляет такой инвариантности к размеру пор образцов: Было обнаружено, что она уменьшается с увеличением размера пор.