Spumă metalică - un metal ( aliaj ) cu o structură celulară, constând dintr-un metal solid (adesea aluminiu) cu pori umpluți cu gaz care formează o parte semnificativă a volumului. Porii pot fi izolați (spumă cu celule închise) sau interconectați (spumă cu celule deschise).
Spuma metalelor păstrează de obicei unele dintre proprietățile fizice ale metalului de bază. Spuma metalică neinflamabilă rămâne neinflamabilă și poate fi reciclată ca material de bază. În comparație cu metalul de bază, coeficientul de dilatare termică al spumei metalice este același, dar conductivitatea termică este de obicei redusă.
Spumele metalice sunt o nouă clasă de materiale cu densitate extrem de scăzută (până la 50 kg/m³ pentru aliajul AZ91) combinată cu rigiditate specifică ridicată și absorbție a zgomotului , conductivitate termică scăzută . Caracteristica definitorie a metalelor spumante este porozitatea lor ridicată: de obicei, doar 5-25% din volum este miezul metalic. Rezistența materialului se bazează pe legea cubului pătrat.
Cele mai comune spumă metalică pe bază de aliaje de aluminiu și magneziu - Fomalyum [1] .
Spuma cu celule deschise, numită și burete metalic, poate fi utilizată în schimbătoare de căldură (răcire electronică compactă, rezervoare criogenice, schimbătoare de căldură cu materiale cu schimbare de fază), absorbție de energie, difuzie a fluxului și optica luminii. Costul ridicat al materialului limitează în mod semnificativ aplicarea acestuia pentru tehnologii avansate, aerospațiale și producție.
Metalele spumante la scară mică, cu pori deschiși, invizibile cu ochiul liber, sunt folosite în industria chimică ca filtre de temperatură înaltă. Utilizarea spumei metalice în schimbătoarele de căldură compacte le poate reduce semnificativ dimensiunea și costurile de producție. Cele mai multe modele ale acestor materiale folosesc o structură periodică idealizată sau proprietăți macroscopice medii.
Buretele metalic are o suprafață foarte mare pe unitate de greutate, astfel încât catalizatorii sunt adesea fabricați sub forma unui burete metalic - de exemplu, nichel Raney , negru de platină și negru de paladiu . Metalele precum osmiul și hidrura de paladiu sunt denumite metaforic bureți metalici, dar termenul se referă mai mult la capacitatea lor de a se lega cu hidrogenul decât la structura lor fizică.
Spumele cu celule deschise sunt produse prin procesul de turnare sau prin utilizarea tehnologiilor de metalurgie a pulberilor. În metoda pulberii, agregatele sunt folosite pentru a forma spațiul și canalele porilor. În procesul de turnare, spuma metalică este turnată cu un cadru din spumă poliuretanică cu celule deschise.
Spuma metalică cu celule închise a fost descrisă pentru prima dată de Meller în 1926 într-un brevet francez care propune spumarea metalelor ușoare prin injectarea unui gaz inert sau folosind un agent de expandare. Benjamin Sosnick a depus două brevete în 1948 și 1951 pentru metale spongioase folosind vapori de mercur pentru a spuma aluminiu lichid. Spumele metalice cu celule închise au fost dezvoltate de John S. Elliott la Bjorksten Research Laboratories în 1956. Deși primele prototipuri au fost realizate în anii 1950, producția comercială a fost începută în anii 1990 de către Shinko Wire în Japonia. Spumele cu celule închise sunt utilizate în principal ca material de absorbție a șocurilor, similar cu spumele din căștile de motociclete, dar pentru sarcini de impact mai mari. Spre deosebire de multe spume, metalele spumei rămân deformate după impact, astfel încât pot suporta o sarcină o singură dată. Ele sunt ușoare (de obicei 10-25% din densitatea unui aliaj identic neporos; aliajele de aluminiu sunt adesea utilizate) și rigide și sunt adesea propuse ca materiale structurale ușoare, dar nu sunt utilizate pe scară largă în acest scop.
Spumele cu celule închise păstrează rezistența la foc a altor spume și reciclabilitatea acestora, dar în plus au proprietatea de a fi plutitoare în apă.
Metalele spume sunt de obicei produse prin injectarea de gaz sau amestecarea unui agent de suflare în metalul topit. Topiturile pot fi spumate ca urmare a formării bulelor de gaz în material. În condiții normale, bulele din metalul topit sunt foarte plutitoare în lichide de înaltă densitate și se ridică rapid la suprafață. Creșterea poate fi încetinită prin creșterea vâscozității metalului topit prin adăugarea de pulberi ceramice sau elemente de aliere pentru a forma particule de stabilizare în topitură. Topiturile de metal pot fi spumate în trei moduri:
Sunt necesari agenți de suflare la temperatură înaltă (particule solide de dimensiuni nano sau micrometrice) pentru a stabiliza bulele. Dimensiunea porilor sau a celulelor este de obicei de la 1 la 8 mm. Când se folosesc agenți de spumare sau de suflare, aceștia sunt amestecați cu pulbere de metal înainte ca acesta să fie topit. Aceasta este așa-numita „versiunea de pulbere” a spumării, probabil cea mai comună (din punct de vedere industrial). După amestecarea unei pulberi metalice (de exemplu aluminiu) și a unui agent de expandare (de exemplu , hidrură de titan TiH2 ) , acestea sunt presate în semifabricate solide compacte, de exemplu sub formă de bară, foaie sau sârmă. Acest lucru poate fi realizat prin utilizarea unei combinații de procese de formare a materialului, cum ar fi presarea semi-uscă, extrudarea (directă sau continuă) și laminarea cu trecere dreaptă.
Spumă metalică compozită (CFM) sunt formate din bile goale dintr-un metal în interiorul unei matrice solide a altuia (de exemplu, oțel în interiorul aluminiului). Au o rezistență specifică de 5 până la 6 ori mai mare și caracteristici de absorbție a energiei de peste 7 ori mai bune decât spuma metalelor anterioare.
Placa, cu o grosime de mai puțin de un inch, are suficientă stabilitate pentru a distruge complet cartușul standard de 7,62 × 63 mm cu glonțul perforant M2. Placa de testare a funcționat mai bine decât o placă complet metalică de aceeași grosime, în timp ce a fost mult mai ușoară. Alte aplicații posibile includ transportul deșeurilor nucleare (protecție cu raze X, gamma și neutroni) și izolarea termică pentru reintrarea navelor spațiale, datorită rezistenței termice și la foc de două ori mai mari decât metalele convenționale.
KPM poate înlocui armura din oțel laminat, oferind aceeași protecție cu 2/3 mai puțină greutate. Ele pot bloca fragmentele și undele de șoc care provoacă leziuni ale creierului. PLM-urile din oțel inoxidabil pot bloca presiunea de explozie și fragmentarea de 5.000 fps de la rundele HE care detonează la 18 inchi de ecran. Plăci de oțel KPM (9,5 mm sau 16,75 mm grosime) au fost plasate la 18 inci de placa de protecție expusă împotriva undei de presiune explozivă și fragmente de cupru și oțel formate de proiectilul incendiar exploziv puternic de 23 × 152 mm (ca în apărarea antiaeriană a armelor) , precum și dintr-o placă de protecție din aluminiu de 2,3 mm grosime [https://web.archive.org/web/20200724215042/https://nplus1.ru/news/2018/03/27/blast Copie arhivată din 24 iulie, 2020 la Wayback Machine [1]].
Spuma metalică se numește stocastică dacă are o distribuție aleatorie a porilor. Majoritatea metalelor spumoase au o structură stocastică ca urmare a metodei de producție:
Spuma metalică cu o structură dată se numește obișnuit. Metoda de turnare permite producerea de spume cu celule deschise obișnuite. Metalele spume pot fi, de asemenea, realizate folosind procese complementare, cum ar fi topirea selectivă cu laser.
Plăcile pot fi folosite ca miezuri pentru matrițe de turnare, schimbând forma individual pentru fiecare aplicație. Această metodă de producție face posibilă obținerea așa-numitului metal spumă „ideal”, deoarece îndeplinește legile Plateau și are pori conductori sub formă de octaedri trunchiați, celule Kelvin (structură cubică centrată pe corp).
Spumele metalice sunt utilizate în diferite ramuri ale ingineriei: în industria auto sub formă de elemente structurale (barele de protecție etc.), în industria aerospațială sub formă de „sandvișuri” din titan și aluminiu, precum și unele piese de turbină și în construcţiile navale pentru fabricarea corpurilor de nave de pasageri.
Așadar, de exemplu, spuma de cupru și-a găsit aplicație în dispozitive precum: dispozitive de schimb de căldură și de îndepărtare a căldurii, amortizoare mecanice și acustice de impuls, mixere de gaz, capcane de aerosoli, filtre biocide. Și spuma de aluminiu este folosită în absorbante de zgomot; dispozitive de schimb de căldură și de îndepărtare a căldurii; în umpluturi de cavități și capacități; amortizoare de impulsuri mecanice, acustice și EM; egalizatoare ale fluxurilor de gaze; Matrici purtătoare și regulatoare de ardere pentru combustibili solizi; panouri sandwich.
Metalele spumoase pot fi utilizate în proiectarea produselor sau a compozițiilor arhitecturale.
Metalele spumoase au fost folosite în protezarea experimentală la animale. În acest scop, spumă metalică a fost introdusă într-o gaură în os, permițând osului să crească în metal pentru a forma o conexiune permanentă. În ortopedie, cea mai obișnuită aplicație este metalele din spumă de tantal sau titan datorită rezistenței lor la tracțiune, rezistenței la coroziune și biocompatibilității . Studiile la mamifere au arătat că metalele poroase, cum ar fi tantalul, pot permite vascularizarea (creșterea vaselor) într-o regiune poroasă.
Producătorii de dispozitive ortopedice folosesc structuri de spumă sau acoperiri pentru a atinge nivelul dorit de osteointegrare.
Industria autoPrincipalele funcții ale spumei metalice din automobile sunt de a îmbunătăți izolarea fonică, de a reduce greutatea, de a crește absorbția de energie în cazul unei coliziuni și (în aplicațiile militare) de a contracara forța de impact a dispozitivelor explozive improvizate. De exemplu, tuburile umplute cu spumă pot fi folosite ca bare de impact lateral. Datorită densității reduse (0,4–0,9 g/cm 3 ), metalele spumă pe bază de aluminiu sau aliajele sale merită o atenție deosebită în acest domeniu. Sunt rigide, ignifuge, non-toxice, absorbante de energie, reciclabile, mai puțin conductoare termic, mai puțin permeabile magnetic și mai eficiente la izolarea zgomotului, mai ales în comparație cu părțile goale. Metalele spumate din piesele goale ale mașinii reduc punctele de slăbiciune asociate în mod obișnuit cu accidentele de mașină și vibrațiile. Turnarea unor astfel de metale spumante prin metalurgia pulberilor are un cost redus în comparație cu turnarea altor piese goale.
În comparație cu polimerii de spumă din automobile, metalele spumă sunt mai rigide, mai puternice, absorb mai bine energia, mai rezistente la foc și condiții meteorologice nefavorabile: radiații ultraviolete, umiditate și temperaturi extreme. Cu toate acestea, sunt mai grele, mai scumpe și au performanțe de izolare mai puțin bune.
Tehnologia cu spumă metalică este aplicată în sistemul de evacuare al autovehiculelor . În comparație cu convertoarele catalitice tradiționale care utilizează un substrat ceramic de cordierit , substratul din spumă metalică oferă un transfer de căldură îmbunătățit și proprietăți excelente de transfer de masă (turbulență mare) și poate reduce cantitatea de catalizator de platină necesară.
Absorbție de energieMetalele spumante sunt folosite pentru a crește rigiditatea structurii fără a crește masa acesteia. În acest scop, se folosesc de obicei spume de aluminiu cu celule închise. Panoul de spumă este lipit de o placă de aluminiu pentru a produce un compozit laminat rezistent la locul potrivit (în grosimea foii), rigid în lungime în funcție de grosimea stratului de spumă.
Avantajul metalelor spumante este că reacția lor este aceeași indiferent de direcția forței. Metalele spumante au un platou de încărcare după deformare, care este constantă pentru cel puțin 80% cedare.
Tian și colab. enumeră mai multe criterii pentru fabricarea spumei într-un schimbător de căldură. Compararea metalelor spumante cu proprietăți termice cu materialele utilizate în mod obișnuit pentru accelerarea schimbului (aripioare, suprafețe lipite, strat de bile) arată în primul rând că pierderea de presiune cauzată de metalele spumante este mult mai mare decât în cazul aripioarelor convenționale, dar mult mai jos decât cu folosirea mingilor.
Spuma metalică are, de asemenea, următoarele proprietăți termofizice și mecanice:
Implementarea comercială a schimbătoarelor de căldură compacte pe bază de metale spumă este limitată din cauza costului ridicat de reproducere a metalelor spumă. Rezistența lor pe termen lung la poluare, coroziune și eroziune nu este bine definită. În ceea ce privește producția, trecerea la tehnologiile cu spumă metalică necesită noi metode de fabricație și asamblare și un nou design al schimbătoarelor de căldură.
Spumă de oțel cu ochiuri fine
Spumă mare de aluminiu cu plasă
Spumă de aluminiu cu ochiuri fine
Spumă de aluminiu cu celule lipite (nesigilate).
Spumă de alamă cu celule lipite (nu sigilate).