泡沫金属的防火隔热效果是普通金属的两倍

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Afsaneh Rabiei arabiei@ncsu.edu 919.513.2674

马特·希普曼 matt_shipman@ncsu.edu 919.515.6386

北卡罗莱纳州立大学的研究人员的一项新研究发现，新型轻质复合泡沫金属(CMFs)在隔热高温方面明显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、炸药和其他热敏性材料以及空间探索方面特别有前途。

“CMF内部气囊的存在使它在阻挡热量方面如此有效，主要是因为热量在空气中的传播速度比在金属中的传播速度要慢，”北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程教授Afsaneh Rabiei说，他是一篇关于这项工作的论文的通讯作者。复合金属泡沫由金属空心球组成——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。

“我们已经开发了两种制造cmf的技术，”Rabiei说。“一种是在熔点较低的基体材料(如铝)周围浇铸空心球体(由熔点较高的材料(如钢)制成)。例如，这就产生了铝-钢的cmf。另一种技术是基于烧结，或烘烤，在预制空心球周围的基质粉末。这就产生了CMFs，如steel-steel，它由钢基体中的钢空心球组成。”

在一项测试中，研究人员将厚度为0.75英寸的2.5英寸× 2.5英寸的钢-钢CMF样品置于平均火焰温度为800摄氏度的火中，将样品的一侧加热30分钟，并监测该材料，看热量需要多长时间才能到达样品的另一侧。对于一块与CMF样品尺寸相同的大块不锈钢，只需要4分钟就可以通过整个样品的厚度达到800摄氏度。但钢-钢CMF需要8分钟才能达到相同的温度。

“我们已经知道CMFs是一种轻质材料优异的抗高速冲击性能,有效辐射屏蔽现在我们知道它可以承受高温，”Rabiei说。“这种热导率的差异意味着复合泡沫金属的使用可以帮助避免事故导致爆炸的情况。”

研究人员还发现，完全由不锈钢制成的复合泡沫金属在200摄氏度时的膨胀率比大块不锈钢低80%，而在更高的温度下，这种差异会增大。另一个值得注意的优点是，复合泡沫金属在高温下以相当恒定的速度膨胀，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、优越的热稳定性和优异的阻燃性能。”

纸”,复合泡沫金属的热性能和阻燃性能的实验和计算研究，发表在国际热科学杂志．这篇论文的第一作者是前北卡罗来纳州立大学博士生陈硕(Shuo Chen)。这篇论文是由北卡罗来纳州立大学的博士生雅各布·马克思(Jacob Marx)合著的。这项工作得到了美国能源部核能办公室的核能大学项目资助号CFP-11-1643的支持。

希普曼-

编辑:研究摘要如下。

复合泡沫金属热性能和防火性能的实验和计算研究

作者:陈硕，雅各布·马克思和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:对复合泡沫金属(CMFs)的热性能和阻燃性能进行了综合的实验和计算评价。热行为表征分别通过差示扫描量热法、高温防护比较纵向热流技术和热机械分析仪(TMA)进行比热容、有效导热系数和热膨胀系数分析。将实验结果分别与混合规则、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)标准作为防火性能研究的规范标准和标准。结果表明，与304L不锈钢相比，CMFs具有更好的耐热性和防火性能。为了验证实验结果的可靠性，采用有限元分析方法建立了基于物理的三维导热模型。当比较CMF和大块不锈钢时，该模型可以很好地再现实验测量数据。该研究表明，轻量化CMFs的潜在应用之一是在核乏燃料桶中取代传统的结构和辐射屏蔽材料，具有良好的隔热、阻燃、重量轻和能量吸收能力。