泡沫金属的防火和耐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研究人员的一项新研究发现，新型轻质复合金属泡沫(CMFs)在隔热高温方面比传统的贱金属和合金(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、爆炸物和其他热敏性材料以及太空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比在金属中的传播慢，”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。这种复合泡沫金属由金属空心球体(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组成。

Rabiei说:“我们已经开发了两种制造cmf的技术。“一种方法是将低熔点基质材料(如铝)铸造在由高熔点材料(如钢)制成的空心球体周围。例如，这会创建铝钢cmf。另一种技术是在预制空心球体周围烧结或烘烤基质粉末。这就产生了cmf，如钢-钢，它由钢基体中的钢空心球体组成。”

在一项测试中，研究人员将2.5英寸× 2.5英寸的0.75英寸厚的钢-钢CMF样品暴露在平均火焰温度为800摄氏度的火中30分钟，并监测该材料，看看热量到达样品的另一侧需要多长时间。对于一块与CMF样品尺寸相同的大块不锈钢，通过样品的整个厚度仅用了4分钟就达到了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是轻质材料优异的抗高速冲击性能,有效的辐射屏蔽现在我们知道它可以承受高温，”拉比伊说。“这种导热性的差异意味着使用复合泡沫金属可以帮助避免事故导致爆炸的情况。”

研究人员还发现，在200摄氏度下，完全由不锈钢制成的复合金属泡沫比大块不锈钢的膨胀率低80%，而且在更高的温度下，这种差异会增加。另一个值得注意的优点是，当暴露在高温下时，复合金属泡沫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，与不锈钢等市售材料相比，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。”

这张纸。”泡沫金属复合材料热性能与阻燃性能的实验与计算研究，已在《国际热科学杂志．这篇论文的第一作者是陈硕，他曾是北卡罗来纳州立大学的博士生。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核能大学项目拨款号CFP-11-1643的支持。

希普曼-

编者须知:研究摘要如下。

复合金属泡沫的热行为和防火性能的实验和计算研究

作者:陈硕，Jacob Marx和Afsaneh Rabiei，北卡罗莱纳州立大学

发表: 3月26日在网上公布，国际热科学杂志

DOI: 10.1016 / j.ijthermalsci.2016.03.005

文摘:本文对复合泡沫金属材料(CMFs)的热性能和阻燃性能进行了全面的实验和计算评估。分别采用差示扫描量热法、高温防护比较纵向热流技术和热机械分析仪(TMA)进行了比热容、有效导热系数和热膨胀系数的分析，对其热行为进行了表征。将实验结果分别与混合规则、Brailsford和Major模型的分析结果进行比较，并对Turner模型进行修正进行验证。采用美国核管理委员会(USNRC)标准作为阻燃剂性能研究的监管标准和标准。结果表明，与304L不锈钢相比，CMFs具有优越的耐热性和火灾生存能力。通过有限元分析，建立了基于物理的导热三维模型，验证了实验结果的可靠性。该模型可以很好地再现CMF与大块不锈钢的实验测量数据。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，具有优异的隔热、阻燃、重量轻和能量吸收能力。