泡沫金属的防火隔热性能是普通金属的两倍

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Afsaneh Rabiei arabiei@ncsu.edu 919.513.2674

马特·希普曼 matt_shipman@ncsu.edu 919.515.6386

北卡罗来纳州立大学的一项新研究发现，新型轻质复合金属泡沫材料(CMFs)在隔热方面比传统的基本金属和合金(如钢)更有效。这一发现意味着CMF在储存和运输核材料、危险材料、炸药和其他热敏材料以及空间探索方面尤其有前景。

北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程教授Afsaneh Rabiei表示:“CMF内部存在的气穴使得它在阻隔热量方面非常有效，这主要是因为热量在空气中的传播比在金属中的传播要慢。”这种复合金属泡沫由金属空心球体组成——由碳钢、不锈钢或钛等材料制成——嵌入由钢、铝或金属合金制成的金属基体中。

Rabiei说:“我们已经开发了两种制造cmf的技术。“一种是基于铸造一种低熔点基体材料，如铝，围绕一种高熔点材料，如钢制成的空心球。例如，这就产生了铝钢cmf。另一种技术是在预制空心球周围烧结或烘烤基体粉末。这就产生了cmf，比如钢-钢，它由钢基体中的钢空心球组成。”

在一个测试中,研究人员暴露样本的2.5英寸2.5英寸0.75英寸厚的steel-steel CMF火平均火焰温度800摄氏度的30分钟,一边和监控材料看到热火需要多长时间到达对面的样本。对于一块与CMF样品尺寸相同的大块不锈钢，只需4分钟就可以通过样品的整个厚度达到800摄氏度。但钢-钢CMF需要8分钟才能达到同样的温度。

“我们已经知道cmf是轻量材料优异的高速抗冲击性,有效辐射屏蔽现在我们知道它可以承受高温，”Rabiei说。“这种导热性的差异意味着复合金属泡沫的使用可以帮助避免可能导致爆炸的事故。”

研究人员还发现，完全由不锈钢制成的复合金属泡沫在200摄氏度时，比大块不锈钢的膨胀率低80%，而且温度越高，膨胀率就越高。另一个值得注意的优点是，复合金属泡沫在高温下以相当恒定的速率膨胀，而传统的大块金属和合金，如不锈钢，随着温度的升高膨胀得更快。

Rabiei说:“我们的研究结果表明，与不锈钢等商用材料相比，CMF可以提供非常好的隔热性能、优越的热稳定性和出色的阻燃性能。”

纸”,复合金属泡沫塑料热性能和阻燃性能的实验与计算研究，发表在国际热科学杂志．该论文的主要作者陈硕(Shuo Chen)曾在北卡罗来纳州攻读博士学位。这篇论文由雅各布·马克思(Jacob Marx)合著，他是北卡罗莱纳州立大学的博士生。这项工作得到了美国能源部核能办公室核能源大学项目资助号CFP-11-1643的支持。

希普曼-

编辑:研究摘要如下。

复合金属泡沫材料热性能和防火性能的实验和计算研究

作者: Shuo Chen, Jacob Marx, Afsaneh Rabiei，北卡罗莱纳州立大学

发表: 3月26日在网上发布。国际热科学杂志

DOI: 10.1016 / j.ijthermalsci.2016.03.005

文摘:本文对复合金属泡沫材料(CMFs)的热性能和防火性能进行了综合的实验和计算评价。分别通过比热容、有效导热系数和热膨胀系数的差示扫描量热分析、高温保护比较纵向热流技术和热机械分析仪(TMA)进行热行为表征。将实验结果与混合规则、Brailsford和Major模型以及修正Turner模型的分析结果进行对比验证。采用美国核管理委员会(USNRC)标准作为阻燃性能研究的管理标准和标准。结果表明，与304L不锈钢相比，CMFs具有更好的耐热性和防火耐久性。通过有限元分析建立了考虑热传导的基于物理的三维模型，验证了实验结果的可靠性。该模型较好地再现了实验测量数据，并将CMF与大块不锈钢进行了比较。这项研究表明，轻质CMFs的潜在应用之一是在核废料桶中取代传统的结构和辐射屏蔽材料，具有优异的隔热、阻燃、重量轻和能量吸收能力。