Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с алюминиевой пены )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Вспененный алюминий
Обычный вспененный алюминий

Металлическая пена представляет собой клеточную структуру , состоящую из твердого металла (часто алюминия ) с заполненных газом пор , содержащим большую часть объема. Поры могут быть герметичными ( пена с закрытыми порами ) или взаимосвязанными (пена с открытыми порами). Определяющей характеристикой металлических пен является высокая пористость : обычно только 5–25% объема составляет основной металл. Прочность материала обусловлена законом квадрата-куба .

Металлические пены обычно сохраняют некоторые физические свойства своего основного материала. Пена из негорючего металла остается негорючей и, как правило, может быть переработана в качестве основного материала. Его коэффициент теплового расширения аналогичен, тогда как теплопроводность , вероятно, снижена. [1]

Открытая ячейка [ править ]

Металлическая пена с открытыми ячейками
CFD (численное моделирование) потока жидкости и теплопередачи на металлической пене с открытыми порами

Металлическая пена с открытыми ячейками, также называемая металлической губкой [2], может использоваться в теплообменниках (компактное охлаждение электроники , криогенные резервуары , теплообменники PCM ), в поглощении энергии, диффузии потока и в легкой оптике . Высокая стоимость материала обычно ограничивает его использование передовыми технологиями, аэрокосмической отраслью и производством.

Мелкодисперсные пенопласты с открытыми порами, с ячейками меньше, чем можно увидеть без посторонней помощи, используются в качестве высокотемпературных фильтров в химической промышленности.

Металлическая пена используется в компактных теплообменниках для увеличения теплопередачи за счет пониженного давления. [3] [4] [5] [ требуется пояснение ] Однако их использование позволяет существенно снизить физические размеры и стоимость изготовления. В большинстве моделей этих материалов используются идеализированные и периодические структуры или усредненные макроскопические свойства.

Металлическая губка имеет очень большую площадь поверхности на единицу веса, и катализаторы часто образуют металлическую губку, такую ​​как палладиевая чернь , платиновая губка и губчатый никель . Такие металлы, как осмий и гидрид палладия , метафорически называются «металлическими губками», но этот термин относится к их свойствам связывания с водородом, а не к физической структуре. [6]

Производство [ править ]

Пенопласт с открытыми ячейками производится литейным производством или порошковой металлургией . В порошковом методе используются «держатели места»; как следует из их названия, они занимают поровые пространства и каналы. В процессах литья пену отливают с каркасом из пенополиуретана с открытыми ячейками .

Закрытая ячейка [ править ]

Металлическая пена с закрытыми порами впервые была описана в 1926 году Меллером во французском патенте, где было предложено вспенивание легких металлов путем впрыска инертного газа или вспенивающего агента . [7] Два патента на губчатый металл были выданы Бенджамину Соснику в 1948 и 1951 годах, который применил пары ртути для выдувания жидкого алюминия. [8] [9]

Металлические пены с закрытыми ячейками были разработаны в 1956 году Джоном К. Эллиоттом из Bjorksten Research Laboratories. Хотя первые прототипы были доступны в 1950-х годах, коммерческое производство началось в 1990-х годах компанией Shinko Wire в Японии. Металлическая пена с закрытыми порами в основном используется в качестве амортизирующего материала, как и полимерная пена в велосипедном шлеме, но для более высоких ударных нагрузок. В отличие от многих полимерных пен, металлические пены остаются деформированными после удара и поэтому могут быть деформированы только один раз. Они легкие (обычно 10–25% плотности идентичного непористого сплава; обычно сплава алюминия) и жесткие и часто предлагаются в качестве легкого конструкционного материала. Однако они не получили широкого распространения для этой цели.

Пенопласты с закрытыми порами сохраняют огнестойкость и способность рециркуляции других металлических пен, но добавляют свойство флотации в воде.

Производство [ править ]

Пены обычно получают путем нагнетания газа или смешивания пенообразователя с расплавленным металлом. [10] Расплавы могут вспениваться за счет образования пузырьков газа в материале. Обычно пузырьки в расплавленном металле обладают высокой плавучестью в жидкости высокой плотности и быстро поднимаются на поверхность. Это повышение можно замедлить, увеличивая вязкость расплавленного металла, добавляя керамические порошки или легирующие элементы для образования стабилизирующих частиц в расплаве или другими способами. Металлические расплавы можно вспенивать одним из трех способов:

  • нагнетанием газа в жидкий металл из внешнего источника;
  • вызывая газообразование в жидкости путем смешивания газообразующих пенообразователей с расплавленным металлом;
  • вызывая осаждение газа, который ранее был растворен в расплавленном металле.

Для стабилизации пузырьков расплавленного металла требуются высокотемпературные пенообразователи (твердые частицы нано- или микрометрового размера). Размер пор или ячеек обычно составляет от 1 до 8 мм. Когда используются пенообразователи или пенообразователи, они смешиваются с металлическим порошком перед его расплавлением. Это так называемый «порошковый путь» вспенивания, и, вероятно, он является наиболее распространенным (с промышленной точки зрения). После смешивания порошков металла (например, алюминия ) и пенообразователя (например, TiH 2 ) их прессуют в компактный твердый предшественник, который может быть доступен в виде заготовки, листа или проволоки. Производство прекурсоров может осуществляться путем сочетания процессов формования материалов, таких как прессование порошка [11] экструзия (прямая [12] или конформная [13] ) и плоская прокатка . [14]

Композиты [ править ]

Композитная металлическая пена (CMF) формируется из полых валиков одного металла в твердой матрице другого, такого как сталь в алюминии, демонстрирует в 5-6 раз большее отношение прочности к плотности и более чем в 7 раз большее поглощение энергии, чем предыдущие металлические пены. [15]

Пластина толщиной менее одного дюйма обладает достаточным сопротивлением, чтобы превратить в пыль бронебойную пулю калибра .30-06 Springfield стандартного выпуска M2 . Тестовая пластина превзошла цельнометаллическую пластину такой же толщины, но при этом весила намного меньше. Другие потенциальные применения включают перенос ядерных отходов (защита от рентгеновских лучей , гамма-лучей и нейтронного излучения) и теплоизоляцию для возвращения космического корабля в атмосферу, с удвоенной стойкостью к огню и теплу по сравнению с обычными металлами. [16] [17] Другое исследование, тестировавшее устойчивость CMF к снарядам калибра .50, показало, что CMF может остановить такие снаряды при весе менее половины веса катанной гомогенной брони.. [18]

CMF может заменить катаную стальную броню такой же защитой на треть веса. Он может блокировать осколки и ударные волны, вызывающие травмы головного мозга. CMF из нержавеющей стали может блокировать давление взрыва и осколки на скорости 5000 футов в секунду от фугасных зажигательных снарядов (HEI), которые взрываются в 18 дюймах от щита. Стальные пластины CMF (толщиной 9,5 мм или 16,75 мм) были размещены в 18 дюймах от ударной пластины, удерживаемой против волны давления взрыва и против медных и стальных осколков, создаваемых выстрелом HEI 23 × 152 мм (как в зенитном оружии ). а также алюминиевую ответную планку толщиной 2,3 мм. [19]

Стохастические и обычные пены [ править ]

Стохастик [ править ]

Пена считается стохастической, если распределение пористости является случайным. Большинство пен являются стохастическими из-за метода производства:

  • Вспенивание жидкого или твердого (порошкового) металла
  • Осаждение из паровой фазы (CVD на случайной матрице)
  • Прямое или косвенное произвольное литье формы, содержащей валики или матрицу

Обычный [ править ]

Процесс производства обычной металлической пены прямым формованием, процесс CTIF [20] [21] [22]

Когда структура заказана, пена считается регулярной. Прямое формование - это одна из технологий, позволяющая получать пенопласт [20] [21] обычного размера с открытыми порами. Металлическую пену можно также производить с помощью аддитивных процессов, таких как селективное лазерное плавление (SLM).

Плиты можно использовать в качестве литейных стержней. Форма настраивается для каждого приложения. Этот метод производства позволяет получать «идеальную» пену, так называемую, потому что она удовлетворяет законам Плато и имеет проводящие поры формы усеченного октаэдра ячейки Кельвина ( объемно-центрированная кубическая структура).

Ячейка Кельвина (по аналогии со структурой Вира – Фелана)

Галерея обычных пен [ править ]

  • Радиатор с медной пеной

  • Аварийный ящик с алюминиевой пеной

  • Алюминиевая пена с большой пористостью

  • Алюминиевая пена с алюминиевым листом

  • Коллектор - стальной пенопласт

Приложения [ править ]

Дизайн [ править ]

Металлопластик может быть использован в составе изделия или архитектурной композиции.

Галерея дизайна [ править ]

  • механически обработанная металлическая пена

  • Дизайнерский радиатор из обычного пенопласта [23]

  • журнальный столик из алюминия с большими порами

Механический [ править ]

Ортопедия [ править ]

Основная статья: Остеоинтеграция § Достижения в области материаловедения: металлические пены

Пенометалл применялся в экспериментальном протезировании животных . В этом случае в кости просверливается отверстие и вставляется металлическая пена, позволяя кости врастать в металл для постоянного соединения. Для ортопедических применений обычно используются пены из тантала или титана из-за их прочности на разрыв , коррозионной стойкости и биосовместимости .

Задние лапы сибирского хаски по кличке Триумф получили протезы из пенометалла. Исследования на млекопитающих показали, что пористые металлы, такие как пена титана , могут способствовать васкуляризации внутри пористой области. [24]

Производители ортопедических устройств используют пенопласт или покрытия из пенопласта [25] для достижения желаемого уровня остеоинтеграции . [26] [27] [28]

Автомобильная промышленность [ править ]

Первичные функции металлических пен в транспортных средствах заключаются в увеличении звукоизоляции , снижении веса, увеличении поглощения энергии в случае столкновений и (в военных применениях) в борьбе с ударной силой самодельных взрывных устройств . Например, трубки, заполненные пеной, можно использовать в качестве защитных решеток . [29] Из-за их низкой плотности (0,4–0,9 г / см 3), алюминия и пенопласта из алюминиевых сплавов. Эти пены являются жесткими, огнестойкими, нетоксичными, пригодными для вторичной переработки, поглощающими энергию, менее теплопроводными, менее магнитопроницаемыми и более эффективно шумопоглощающими, особенно по сравнению с полыми деталями. Металлическая пена в полых деталях автомобиля уменьшает слабые места, обычно связанные с автокатастрофами и вибрацией. Отливка этих пен с помощью порошковой металлургии обходится недорого по сравнению с отливкой других полых деталей.

По сравнению с полимерными пенами в транспортных средствах металлические пены жестче, прочнее, лучше поглощают энергию и устойчивы к огню и погодным условиям, таким как ультрафиолетовое излучение, влажность и колебания температуры. Однако они тяжелее, дороже и не изолируют. [30]

Технология металлической пены была применена к автомобильным выхлопным газам . [31] По сравнению с традиционными каталитическими преобразователями , в которых в качестве подложки используется кордиеритовая керамика, подложка из вспененного металла обеспечивает лучшую теплопередачу и демонстрирует отличные массопереносные свойства (высокая турбулентность) и может снизить количество необходимого платинового катализатора . [32]

Электрокатализ [ править ]

Металлические пены являются популярной опорой для электрокатализаторов из-за большой площади поверхности и стабильной структуры. Взаимосвязанные поры также способствуют массовому переносу реагентов и продуктов. Однако эталонный тест электрокатализаторов может быть затруднен из-за неопределенной площади поверхности, различных свойств пены и капиллярного эффекта. [33]

Поглощение энергии [ править ]

График разрушения алюминия

Металлопласты используются для придания конструкции жесткости без увеличения ее массы. [34] Для этого применения металлические пены обычно имеют закрытые поры и изготавливаются из алюминия. Панели из пенопласта приклеиваются к алюминиевой пластине для получения стойкого композитного сэндвича локально (по толщине листа) и жесткого по длине в зависимости от толщины пенопласта.

Преимущество металлических пен в том, что реакция постоянна независимо от направления силы. Пены имеют плато напряжения после деформации, которое остается постоянным до 80% дробления. [35]

Термальный [ править ]

Теплопроводность в структуре из обычного вспененного металла
Теплопередача в структуре из обычного пенопласта

Тиан и др. [36] перечислили несколько критериев для оценки пены в теплообменнике. Сравнение термоэффективных металлических пен с материалами, традиционно используемыми для интенсификации обмена (ребра, сопряженные поверхности, бортовой слой), сначала показывает, что потери давления, вызванные пеной, намного важнее, чем у обычных ребер, но они значительно ниже, чем потери давления. бисера. Коэффициенты обмена близки к слоям и шару и значительно выше лопастей. [37] [38]

Пены обладают другими теплофизическими и механическими свойствами:

  • Очень низкая масса (плотность 5–25% сыпучего материала в зависимости от метода производства)
  • Большая обменная поверхность (250–10000 м 2 / м 3 )
  • Относительно высокая проницаемость
  • Относительно высокая эффективная теплопроводность (5–30 Вт / (мК))
  • Хорошая стойкость к тепловым ударам, высокому давлению, высоким температурам, влаге, износу и термоциклированию.
  • Хорошее поглощение механических ударов и звука
  • Размер пор и пористость могут контролироваться производителем.

Коммерциализация компактных теплообменников, радиаторов и амортизаторов на основе пены ограничена из-за высокой стоимости дубликатов пены. Их долговременная устойчивость к обрастанию, коррозии и эрозии недостаточно охарактеризована. С производственной точки зрения переход к технологии производства пеноматериалов требует новых технологий производства и сборки, а также конструкции теплообменника.

См. Также [ править ]

  • Пористая среда
  • Керамическая пена
  • Нано-пена
  • Сетчатая пена
  • Алюминиевый полимерный композит
  • Сэндвич из алюминиевой пены
  • Пена титана

Ссылки [ править ]

  1. ^ Сравните материалы: литой алюминий и алюминиевая пена. Архивировано 30 апреля 2010 г. в Wayback Machine . Makeitfrom.com. Проверено 19 ноября 2011.
  2. ^ Джон Банхарт. «Что такое ячеистые металлы и металлические пены?» Архивировано 29 декабря 2010 года в Wayback Machine .
  3. ^ Топин, F .; Bonnet, J. -P .; Madani, B .; Тадрист, Л. (2006). «Экспериментальный анализ многофазного течения в металлической пене: законы течения, теплопередача и конвективное кипение». Современные инженерные материалы . 8 (9): 890. DOI : 10.1002 / adem.200600102 .
  4. ^ Бэнхарт, J. (2001). «Производство, характеристика и применение ячеистых металлов и металлических пен». Прогресс в материаловедении . 46 (6): 559–632. DOI : 10.1016 / S0079-6425 (00) 00002-5 .
  5. ^ ДеГрут, CT, Straatman, AG, и Betchen, LJ (2009). «Моделирование принудительной конвекции в радиаторах из пенопласта с оребрением». J. Electron. Packag . 131 (2): 021001. DOI : 10,1115 / 1,3103934 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  6. ^ Ральф Вольф; Халид Мансур. "Удивительная металлическая губка: впитывая водород". Архивировано 16 ноября 2015 г. в Wayback Machine . 1995 г.
  7. ^ De Меллер, MA патент Франции 615147 (1926).
  8. ^ Сосник, Б. Патент США 2434775 (1948).
  9. ^ Sosnick, В. В патенте США 2553016 (1951).
  10. ^ Банхарт, Джон (2000). «Технологии производства пенопластов» . JOM . Общество минералов, металлов и материалов. 52 (12): 22–27. Bibcode : 2000JOM .... 52l..22B . DOI : 10.1007 / s11837-000-0062-8 . S2CID 137735453 . Архивировано 01 января 2012 года . Проверено 20 января 2012 . 
  11. ^ Bonaccorsi, L .; Провербио, Э. (1 сентября 2006 г.). «Влияние уплотнения порошка на пенообразование прекурсоров одноосно-прессованных PM». Современные инженерные материалы . 8 (9): 864–869. DOI : 10.1002 / adem.200600082 .
  12. ^ Шиоми, М .; Imagama, S .; Osakada, K .; Мацумото, Р. (2010). «Изготовление алюминиевой пены из порошка методом горячего прессования и вспенивания». Журнал технологий обработки материалов . 210 (9): 1203–1208. DOI : 10.1016 / j.jmatprotec.2010.03.006 .
  13. ^ Данан, [редакторы] Луи Филипп Лефевр, Джон Банхарт, Дэвид С. (2008). MetFoam 2007: пористые металлы и металлические пены: материалы пятой Международной конференции по пористым металлам и металлическим пеноматериалам, 5–7 сентября 2007 г., Монреаль, Канада . Ланкастер, Пенсильвания: DEStech Publications Inc., стр. 7–10. ISBN 978-1932078282.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  14. ^ Strano, M .; Pourhassan, R .; Мусси, В. (2013). «Влияние холодной прокатки на эффективность вспенивания прекурсоров алюминия». Журнал производственных процессов . 15 (2): 227. DOI : 10.1016 / j.jmapro.2012.12.006 .
  15. ^ Urweb: Композитная металлическая пена с высокими эксплуатационными характеристиками . Архивировано 12 декабря 2013 года на Wayback Machine. Проверено 10 декабря 2013 года.
  16. ^ МИКУ, АЛЕКСАНДРУ (6 апреля 2016 г.). «Композитный пенопласт лучше останавливает пули, чем твердые пластины» . ZME Science . Архивировано 10 апреля 2016 года . Проверено 9 апреля 2016 .
  17. ^ https://news.ncsu.edu/2015/07/rabiei-foam-rays-2015/Shipman , Исследование Мэтта обнаружило металлические пены, способные экранировать рентгеновские лучи, гамма-лучи, нейтронное излучение , Новости государственного университета штата Северная Каролина, 17.05. 15
  18. ^ Шипман, Матовая пена для металла останавливает патроны калибра 0,50, а также сталь - менее чем вдвое легче , Новости государственного университета штата Северная Каролина, 05.05.19
  19. ^ Ван, Брайан (2018-04-24). «Композитные металлические пены обеспечивают броневую защиту на треть веса и делают бамперы суперкаров | NextBigFuture.com» . NextBigFuture.com . Проверено 24 мая 2018 .
  20. ^ a b Recherche sur la production de pièces de fonderie en métallique - Recherche en fonderie: les métalliques. Архивировано 29 октября 2013 г. в Wayback Machine . Ctif.com. Проверено 3 декабря 2013.
  21. ^ a b ALVEOTEC - Инновация, заархивированная 30 июля 2014 г., на Wayback Machine . Alveotec.fr/en. Проверено 3 декабря 2013.
  22. ^ "ALVEOTEC - Actualités - видео: процесс изготовления алюминиевой пены" . Архивировано 30 июля 2014 года.
  23. ^ ALVEOTEC - Actualités - LOUPI Lighing запускает свой новый радиатор из металлической пены для освещения application_66.html Архивировано 30 июля 2014 г. на Wayback Machine . Alveotec.fr. Проверено 3 декабря 2013.
  24. ^ Оссеоинтеграция с титановой пеной в Кролике бедренных архивации 2016-04-18 в Wayback Machine , YouTube
  25. ^ Титановые покрытия на ортопедических устройствах. Архивировано 13 марта 2016 г. в Wayback Machine . YouTube
  26. ^ Biomet ортопедия, Regenerex® Пористая Titanium Construct архивации 2011-09-28 в Wayback машины
  27. ^ Zimmer ортопедия, Trabeluar Технология металлов архивации 2011-07-18 в Wayback Machine
  28. ^ Zimmer CSTiTM (губчатый титан-Структурированный ТМ) пористое покрытие в архив 2011-07-18 в Wayback Machine
  29. ^ Strano, Маттео (2011). «Новый подход FEM для моделирования труб, заполненных пенопластом». Журнал производственной науки и техники . 133 (6): 061003. DOI : 10,1115 / 1,4005354 .
  30. ↑ Новая концепция дизайна легких автомобильных компонентов. Архивировано 24 марта 2012 г. в Wayback Machine . (PDF). Проверено 3 декабря 2013.
  31. ^ Alantum Инновации в Alloy пены: Home архивации 2010-02-17 в Wayback Machine . Alantum.com. Проверено 19 ноября 2011.
  32. ^ Разработка системы дополнительной обработки на основе металлической пены на легковом автомобиле с дизельным двигателем - Виртуальный конференц-центр [ постоянная мертвая ссылка ] . Vcc-sae.org. Проверено 19 ноября 2011.
  33. ^ Чжэн, Вэйран; Лю, Мэнцзе; Ли, Лоуренс Юн Сок (9 октября 2020 г.). «Лучшие практики использования электродов из вспененного материала для эталонных электрокаталитических характеристик» . ACS Energy Letters . 5 (10): 3260–3264. DOI : 10.1021 / acsenergylett.0c01958 .
  34. ^ Банхарт, Джон; Дананд, Дэвид С. (2008). MetFoam 2007: Пористые металлы и металлические пены: Материалы пятой международной конференции по пористым металлам и металлическим пенам, 5-7 сентября 2007 г., Монреаль, Канада . DEStech Publications, Inc. ISBN 9781932078282.
  35. ^ ALVEOTEC - Actualités - Примеры применения металлической пены. Архивировано 30 июля 2014 г. на Wayback Machine Alveotec.fr. Проверено 3 декабря 2013.
  36. ^ Тиан, Дж .; Kim, T .; Лу, TJ; Ходсон, HP; Queheillalt, DT; Sypeck, DJ; Уодли, HNG (2004). «Влияние топологии на поток жидкости и теплопередачу в ячеистых медных структурах» (PDF) . Международный журнал тепломассообмена . 47 (14-16): 3171. DOI : 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2004.02.010 . Архивировано (PDF) из оригинала 03.03.2016.
  37. ^ Miscevic, М. (1997). Этюд интенсификации термических преобразований пористым структурам: Применение дополнительных изменений в компактах и ​​дифазном преобразовании. ИУСТИ. Марсель., Университет Прованса
  38. ^ Catillon, S., C. Louis, et al. (2005). Использование металических муссов в катализаторе метанола для производства H2. GECAT, Ла-Рошель.

Внешние ссылки [ править ]

  • Видео: Алюминиевая обычная пена: краш-бокс
  • Видео: Как делают обычные пенки
  • Информационный бюллетень NASA FS-2003-09-117-MSFC - Вязкая жидкая пена и объемное металлическое стекло (пена)
  • Как сделать алюминиевую металлическую пену на YouTube
  • Фишер, СФ; Thielen, M .; Weiß, P .; Seidel, R .; Speck, T .; Bührig-Polaczek, A .; Бюнк, М. (2013). «Производство и свойства высокоточного биовоздушного композита». Журнал материаловедения . 49 : 43–51. DOI : 10.1007 / s10853-013-7878-4 . S2CID  136318878 .
  • Видео об уничтожении пуль на YouTube