Inledning
I två nyligen utgivna publikationer har mätningar av den termiska diffusiviteten på porösa metallskum med hjälp av LFA (Laser/Light Flash Analysis) diskuterats ingående [1, 2]. Avsikten med denna applikationsnot är att diskutera en annan viktig termofysikalisk egenskap hos dessa material: termisk expansion med hjälp av DIL (dilatometri).
De material som undersöktes var skum med öppna celler baserade på aluminiumlegeringen AlSi7Mg(EN AC-42000), som levererades av Exxentis AG (Wettingen, Schweiz). Skummet skapas genom gjutning av aluminiumlegering med kristallsalt. Olika porstorlekar uppnås genom variation av saltets kornstorlek. Sådana skum används som formar för vakuumskumning, som verktyg för termoformning, som vakuumplattor i vakuumbord och fastspänningssystem, som ljuddämpare, som filter och som värmeväxlare. Ultralätta metallskum används också i applikationer inom katalys, bränsleceller, vätgaslagring och akustisk isolering [2].
Experimentell
Tre skum med öppna celler med nominella porstorlekar i intervallen 0,2 till 0,35 mm ("small pores"), 0,40 till 1,00 mm ("medium pores") och 0,63 till 4,00 mm ("large pores") undersöktes. Foton av dessa prover visas som infällda bilder i figur 1b). Alla skumprover hade en nominell TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet ρ = 1,09 g/cm3, eller en nominell porositet på ca 60%. Expansionsbeteendet hos de tre porösa metallskummen jämfördes med det helt täta AlSi7Mg-materialet med en TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet på ρ = 2,68 g/cm3. Ett foto av detta prov visas som en infälld bild i figur 1a). Skummens TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet beräknades som massa dividerat med volym. För bestämning av densiteten hos det helt täta provet användes en densitetsbalans. Alla prover var cylindriskt formade med en diameter på 12,6 mm och en tjocklek på 10 mm.
Mätförhållanden
Mätningarna utfördes med en DIL 402 Expedis® Select tryckstångsdilatometer, utrustad med en stålugn som kan arbeta mellan -150°C och 1000°C. Systemet är vakuumtätt, vilket gör det möjligt att utföra mätningar i rena inerta eller oxiderande atmosfärer samt under vakuum. En uppsättning primära standarder, inklusive smält kiseldioxid, safir, platina, volfram etc., finns tillgängliga för längdkalibrering. Den förväntade expansionen av provkroppen och temperaturområdet för mätningen avgör vilken standard som ska användas. Mätningarna utfördes med en provhållare av smält kiseldioxid i temperaturområdet från -100°C till 500°C med en uppvärmningshastighet på 2 K/min i en heliumatmosfär. Varje prov värmdes två gånger; resultaten från den andra uppvärmningen användes för att beräkna densitetskurvan baserat på densiteten vid rumstemperatur och den uppmätta termiska expansionen under antagande av isotropiskt expansionsbeteende och ingen massförlust under uppvärmningen. För att korrigera för expansionen av provhållaren och tryckstången utfördes en korrektionsmätning med en Al2O3-referens före provmätningarna.
Resultat av mätning
Figur 1a) visar data för de tre skumproverna med olika porstorlekar och 1b) densitetsdata för det helt täta provet. På grund av den termiska expansionen minskar densiteten för alla prover med ökande temperatur, vilket visar en konsekvent trend. För såväl det helt täta provet som för skummaterialen minskar densiteten med 4,3% i temperaturintervallet mellan -100°C och 500°C. Att införa porositet i ett helt tätt AlSi7Mg-provverkar inte påverka förändringen i TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet med temperaturen i någon större utsträckning. Olika porstorlekar i AlSi7Mg-skumverkar inte heller ha någon signifikant effekt på densitetsbeteendet.
I litteraturen rapporteras att för metallskum förblir beteendet hos Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE (värmeutvidgningskoefficienten) liknande det hos det helt täta materialet [3], medan den termiska diffusiviteten minskar [2]. Detta gäller uppenbarligen även för de material som undersökts här, vilket framgår av de Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE-data som presenteras i figur 2.
En jämförelse av Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE-kurvorna i figur 2 visar att kurvorna för det helt täta provet och för provet med large porer intressant nog är nästan kongruenta. Dessa två prover har lägre totala ytor (interna plus externa) än proverna med medium och small porer och kan därför uppvisa mer uttalad tröghet i förhållande till temperaturförändringar. Eftersom mätningar i dilatometri vanligtvis utförs dynamiskt vid en specifik uppvärmningshastighet, förväntas dessa prover jämvikta långsammare än proverna med medium och small porer och kan därför lätt hamna efter i sitt svarsbeteende. Detta är en möjlig förklaring till de små skillnaderna i mätkurvorna i figur 2, som därför kan orsakas av en blandning av provspecifika och metrologiska effekter.
Det är känt att AlSiMg-legeringar uppvisar utskiljnings- och efterhärdningseffekter, vilket också kan spela en viktig roll. Data för Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.specifik värmekapacitet för proverna som erhölls med DSC (differential scanning calorimetry) visade på små exoterma effekter i temperaturområdet mellan 250°C och 400°C [2]. Den termiska diffusiviteten, undersökt med LFA, visar också en avvikelse från den monotona trenden i detta temperaturområde [2]. I detta temperaturområde uppvisar Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE-kurvorna också extrema värden, som troligen också är relaterade till utskiljningshärdning. Skillnaden i intensitet hos dessa effekter kan ge upphov till skillnaderna i kurvorna som visas i figur 2.
Slutsats
Dilatometermätningar på ett helt tätt AlSi7Mg-materialoch tre AlSi7Mg-skummed olika porstorlekar avslöjade liknande beteende hos Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE för alla undersökta prover, oberoende av porstorleken. Trenden när det gäller förändringen i TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet är ungefär densamma för alla prover. Provernas termiska diffusivitet, som är en annan mycket viktig termofysikalisk egenskap, uppvisar inte samma invarians i förhållande till provernas porstorlek: Den visade sig minska med ökande porstorlek.