بخشی از مقاله
چکیده:
در این پژوهش فرآیند تولید، اثر افزایش تعداد مفتولهای مسی بر هدایت حرارتی در فومهای آلومینیومی سلول باز تولید شده به روش مذاب تحت فشار بررسی گردید . برای ساخت فوم از فضاساز نمک استفاده شد. پودر نمک داخل یک قالب فلزی فشرده و در دمای بهینه 550 درجه سانتیگراد پیشگرم شد و با مذاب فوق ذوب آلومینیوم، تحت فشار مشخص عملیات فلز خورانی انجام شد. بعد از انجماد نمونهها نمک شویی شدند و فوم آلومینیوم تولید شد. اندازه گیری هدایت حرارتی ابتدا برای فوم و سپس برای همان فوم با تعداد سیمهای مشخص یک، سه، پنج و هفت سیم صورت گرفت. نتایج نشان داد که افزایش مفتولهای مسی موجب افزایش قابل ملاحظهای در قابلیت هدایت حرارتی شده است.
واژه های کلیدی: فوم آلومینیوم، مفتول مسی، هدایت حرارتی
.1 مقدمه1
کامپوزیت یا مواد کامپوزیتی مادهای است که حداقل شامل دو فاز میباشد که هرکدام از فازها از ماده جداگانهای منشأ گرفته میشوند. یکی از مواد بهعنوان فاز زمینه و دیگری بهعنوان تقویتکننده میباشند. کامپوزیتهای زمینه فلزی تقویت شده با الیاف فلزی استحکام بالا، مقاومت در برابر سایش بیشتر و ضریب انبساط حرارتی مطلوبتری دارند 2]و.[1فومهای فلزی به دودسته فوم با سلولهای باز و با سلولهای بسته تقسیمبندی میشوند .[3-6]روشهای مختلفی برای ساخت فومهای فلزی وجود دارد که بر اساس چگونگی تشکیل تخلخل و یا حالت فلز به سه دسته حالت مایع و جامد و گاز تقسیمبندی میشوند .[7-10]یکی از خواص منحصربه فرد و جالبتوجه فومهای فلزی خواص حرارتی آنهاست. قابلیت فومهای فلزی در جذب یا انتقال حرارت آنقدر متفاوت است که استفاده از آنها برای ساخت انواع عایقها و یا مبدلهای حرارتی امکانپذیر ساخته است 11]و .[8بحث هدایت حرارتی مواد متخلخل یک موضوع ضروری برای استفاده از عایقهای حرارتی و همچنین پارامتر کلیدی برای برنامههای کاربردی مدار مجتمع است .[11]عوامل مؤثر بر خواص حرارتی فومهای فلزی:
-1 نوع یا جنس فلز سازنده فوم.
-2چگالی نسبی فوم.
-3نوع سلولهای تشکیلدهنده فوم.
-4قطر یال سلولهای تشکیلدهنده فوم .[8]
هدایت حرارتی به دما، ساختار و طبیعت شیمیایی ماده بستگی دارد .[12]فومهای فلزی سلول باز با توجه به اینکه فلز هستند هدایت حرارتی بالایی دارند. به همین دلیل از آنها بیشتر در ساخت مبدلهای حرارتی استفاده میشود. .[1, 8]هدف از انجام این پروژه، بررسی هدایت حرارتی فوم آلومینیوم با تغییر سیمهای مسی کامپوزیت میباشد.
مرور ادبیات
.2-1 کامپوزیت
کامپوزیت یا مواد کامپوزیتی بهعنوان مادهای که حداقل شامل دو ترکیب - فاز مجزا یا ترکیبی از فاز - که باهم در طول پیوند دارند تعریف میشوند. هرکدام از فازها از ماده جداگانهای منشأ گرفته میشوند. یکی از مواد بهعنوان فاز زمینه و دیگری بهعنوان تقویتکننده میباشند2]و .[9یکی از انواع کامپوزیتها، کامپوزیت زمینه فلزی میباشد. تقویتکننده کامپوزیتهای زمینه فلزی به دو شکل الیافی و ذرهای است که الیافی بیشترین اثر استحکامی را دارد .[13]فوم آلومینیوم به همراه مفتولهای مسی بهعنوان نوعی از کامپوزیت زمینه فلزی با تقویتکنندههای الیافی میباشد؛ که نیاز به تعریف کاملی از فوم و روشهای ساخت آن ضروری است.فومهای فلزی، مواد مهندسی با ترکیب منحصربهفرد از خواص فیزیکی و مکانیکی میباشند. در مقایسه با مواد جامد و فومهای پلیمری، فومهای
فلزی سفتی بالا، نسبت استحکام به وزن بالا، جذب انرژی ضربه بالا، تحمل در درجه حرارتهای بالا و شرایط زیستمحیطی نامطلوب را دارند. آنها بالقوه برای سازههای سبکوزن در جذب انرژی و مدیریت بحران استفاده میشوند و خیلی ارزانقیمت هستند 16]و 15و 14و5 و4 و.[3
.2-2 خواص فوم فلزی:
ویژگی فومها بهوسیله موادی که فوم از آن ساخته میشود، ارزیابی میشودمثلاً وقتی چگالی نسبی افزایش پیدا کند، مدول الاستیک افزایش قابلملاحظهای دارد، درحالیکه نسبت پواسان تقریباً کاهش مییابد 17]و.[16خواص فوم فلزی عبارت است از: خواص مکانیکی، جذب انرژی و خواص حرارتی که خواص حرارتی شامل دسته بندی های انتقال هدایتی حرارت و قابلیت هدایت حرارتی می باشد:
.2-2-1 انتقال هدایتی حرارتی:
تجربه نشان داده است که هنگامیکه در جسم گرادیان درجه حرارت وجود داشته باشد، انتقال انرژی از ناحیهای با درجه حرارت بالا به ناحیه داری درجه حرارت پایینتر صورت میگیرد. در این حالت میگوییم انرژی از طریق هدایت انتقالیافته است و نرخ انتقال حرارت در واحد سطح متناسب با گرادیان نرمال درجه حرارت می باشد 19]و.[18در رابطه فوق T انتقال حرارت و گرادیان درجه حرارت در جهت جریان حرارت میباشد. ضریب ثابت k مثت موسوم به قابلیت هدایت حرارتی جسم است و علامت منفی نیز بهگونهای در معادله قرارگرفته است که اصل دوم ترمودینامیک برقرار شود. مطابق با این اصل باید در مقیاس درجه حرارت جهت جریان حرارت بهطرف پایین .[19]
.-2-2-2 قابلیت هدایت حرارتی:
درگذشته هدایت حرارتی محیطهای متخلخل توسط بسیاری از محققان از طریق روشهای مختلف، موردمطالعه قرار گرفت. معادله 1 معادله مشخصه قابلیت هدایت حرارتی است و در سیستمی که جریان با واحد وات بیان میشود، k دارای واحد وات بر متر-درجه سیلیسیوس است 20]و.[19
.2-3 عوامل مؤثر بر خواص حرارتی فوم فلزی: .2-3-1 نوع یا جنس فلز سازنده فوم:
فلزات دارای خواص حرارتی متفاوتی می باشند. برخی هدایت حرارتی بالایی داشته و برای انتقال حرارت مؤثر بوده و برخی نیز هدایت حرارتی کمی دارند. بنابراین فومهای فلزی ساختهشده از فلزات مختلف نیز دارای خواص حرارتی متفاوتی هستند 21]و .[8هدایت حرارتی مؤثر فوم سلول باز، بیشتر از مواد گرانولی با همان ترکیبات است .[22]
.2-3-2 چگالی نسبی فوم:
با افزایش چگالی نسبی فومهای فلزی، یعنی نسبت که در آن ρ چگالی فوم و چگالی ماده غیر متخلخل و سازنده فوم است، سطح مقطع هدایت حرارتی افزایش پیدا میکند. بنابراین در فومهای فلزی با افزایش چگالی نسبی میتوان میزان انتقال حرارت فوم به سیال را افزایش داد .[8] هدایت حرارتی مؤثر وابستگی شدیدی به تخلخل دارد.
.2-3-3 نوع سلولهای تشکیلدهنده فوم:
هدایت حرارتی فومهای فلزی سلول بسته از هدایت حرارتی فلزات غیر متخلخل و صلب سازندهی فومها در حدود 8 تا 30 برابر کمتر است . هدایت حرارتی فومهای فلزی، در کمترین مقدار خود نیز، از هدایت حرارتی مواد غیرفلزی مانند آنها بیشتر است. فومهای فلزی سلول باز با توجه به اینکه فلزند هدایت حرارتی بالایی دارند .[8]
.2-4 روابط مربوط به هدایت حرارتی:
بدون شک، بهترین روش برای به دست آوردن مقادیر قابل اعتمادی از هدایت حرارتی موثر مواد متخلخل اندازه گیری مستقیم آن می باشد - به عنوان مثال استفاده از تکنیک تابش لیزر - . این حالت بویژه در مواردی که در آن ریزساختار به اندازه کافی مشخص است درست می باشد. از سوی دیگر، از نقطه نظر زمان و صرفه جویی در هزینه ممکن است اختیار یک برآورد سودمند از وابستگی تخلخل و هدایت حرارتی را داشته باشه .[23]برای مواد متخلخل، رابطه نمایی 2 به عنوان ابزار مفیدی برای پیش بینی تقریبی هدایت حرارتی موثر در مواد متخلخل استفاده میشود. این رابطه برای هدایت حرارتی نسبی رابطه ماکسول- یوکن1 نامیده می شود .[24] زمانیکه هدایت فاز حفره ناچیز است.[11, 23]معادله مشابه با معادله یوکن، معادله کوبلBکینگرو1 میباشد [25 ]که برای مواد متخلخل بهکار میرود .[23]
