Металлическая пена - Metal foam

Вспененный алюминий
Обычная вспененная алюминий

А металлическая пена представляет собой ячеистую структуру, состоящую из твердого металл (часто алюминий ) с газонаполненным поры составляющие большую часть объема. Поры могут быть закрыты (закрытые ячейки пена ) или между собой (пена с открытыми порами). Определяющая характеристика металлических пен - высокая пористость: как правило, основной металл составляет всего 5–25% объема. Прочность материала обусловлена закон квадрата-куба.

Металлические пены обычно сохраняют физические свойства их основного материала. Пена из негорючего металла остается негорючей и обычно может быть переработана в качестве основного материала. это коэффициент температурного расширения похоже, пока теплопроводность вероятно снижается.[1]

Открытая ячейка

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

Металлическая пена с открытыми ячейками, также называемая металлической губкой,[2] может использоваться в теплообменники (компактный охлаждение электроники, криогенные резервуары, PCM теплообменники ), поглощение энергии, диффузия потока и легкая оптика. Высокая стоимость материала обычно ограничивает его использование передовыми технологиями, аэрокосмический, и производство.

Мелкомасштабные пены с открытыми порами, с ячейками меньше, чем можно увидеть без посторонней помощи, используются как высокотемпературные. фильтры в химической промышленности.

Металлическая пена используется в компактных теплообменниках для увеличения теплопередачи за счет пониженного давления.[3][4][5][требуется разъяснение ] 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 превращаются в металлическую губку, такую ​​как палладий черный, 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

Пенопласт с открытыми ячейками производится литейным заводом или порошковая металлургия. В порошковом методе используются «держатели места»; как следует из их названия, они занимают поровые пространства и каналы. В процессах литья пену отливают с открытыми порами. полиуретан каркас из пенопласта.

Закрытая ячейка

Металлическая пена с закрытыми порами впервые была описана в 1926 году Меллером во французском патенте, где вспенивание легких металлов путем впрыска инертного газа или пенообразователь, было предложено.[7] Два патента на губчатый металл были выданы Бенджамину Соснику в 1948 и 1951 годах. Меркурий пар 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. Металлические пены с закрытыми порами в основном используются в качестве амортизирующего материала, как и полимер пенится в велосипедный шлем 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 жесткий 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

Пены обычно получают путем впрыска газа или смешивания пенообразователь в расплавленный металл.[10] Расплавы можно вспенивать, создавая в материале пузырьки газа. 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 поры, или клеток, 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 металла (например, алюминий ) порошки и пенообразователь (например,TiH2 ) были смешаны, 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 (непосредственный[12] или соответствовать[13]) и квартира прокатка.[14]

Композиты

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 повернуть .30-06 Спрингфилд стандартное исполнение M2 бронебойная пуля в пыль. Тестовая пластина превзошла цельнометаллическую пластину такой же толщины, но при этом весила гораздо меньше. Другие потенциальные приложения включают ядерные отходы (экранирование Рентгеновские лучи, гамма лучи и нейтрон излучение) передача и теплоизоляция для возвращения космического корабля в атмосферу, с удвоенной стойкостью к огню и теплу, чем у простых металлов.[16][17] Другое исследование, тестировавшее устойчивость CMF к патронам .50 калибра, показало, что CMF может остановить такие патроны при весе менее половины катаная гомогенная броня.[18]

CMF может заменить катаную стальную броню такой же защитой на треть веса. Он может блокировать осколки и ударные волны, вызывающие травмы головного мозга. Нержавеющая сталь CMF может блокировать давление взрыва и фрагментацию на скорости 5000 футов в секунду от фугасная зажигательная (HEI) снаряды, которые взрываются в 18 дюймах от щита. Стальные пластины CMF (9,5 мм или 16,75 мм толщиной) были размещены в 18 дюймах от ударной пластины, удерживаемой против волны давления взрыва и против медных и стальных фрагментов, созданных выстрелом HEI 23 × 152 мм (как в зенитное оружие ), а также алюминиевую ответную планку толщиной 2,3 мм.[19]

Стохастические и обычные пены

Стохастик

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

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

Когда структура заказана, пена считается регулярной. Прямое формование - это одна из технологий, позволяющая производить обычные пеноматериалы.[20][21] с открытыми порами. Металлические пены также можно производить аддитивными способами, такими 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 Законы Плато и имеет проводящие поры формы усеченного октаэдра ячейки Кельвина (объемно-центрированная кубическая структура).

Ячейка Кельвина (аналогична структуре Вира – Фелана)

Галерея стандартных пен

  • Радиатор с медной пеной

  • Аварийный ящик с алюминиевой пеной

  • Алюминиевая пена с большой пористостью

  • Алюминиевая пена с алюминиевым листом

  • Коллектор - стальной пенопласт

Приложения

дизайн

Металлопластик может быть использован в составе изделия или архитектурной композиции.

Галерея дизайна

  • обработанная металлическая пена

  • Дизайнерский радиатор с обычной пеной[23]

  • журнальный столик из алюминия с большими порами

Механический

Ортопедия

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

Пеноматериал использовался на экспериментальных животных протезирование. В этом приложении просверливается отверстие в кость и вставленная металлическая пена, позволяющая кости врастать в металл для постоянного соединения. Для ортопедических применений, тантал или титан пены обычны для их предел прочности, коррозионная стойкость и биосовместимость.

Задние ноги Сибирский хаски имени Триумф получил протезы из пенометалла. Исследования на млекопитающих показали, что пористые металлы, такие как титан пена, может позволить сосудистый внутри пористой области.[24]

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

Автомобильная промышленность

Основные функции металлических пен в транспортных средствах заключаются в увеличении гашение звука, уменьшить вес, увеличить поглощение энергии в случае аварии и (в военных приложениях) для борьбы с ударной силой СВУ. Например, трубки, заполненные пеной, могут использоваться как бары защиты от вторжений.[29] Из-за их низкой плотности (0,4–0,9 г / см3), алюминия и пенопластов из алюминиевых сплавов. Эти пены являются жесткими, огнестойкими, нетоксичными, пригодными для вторичной переработки, поглощающими энергию, менее теплопроводными, менее магнитопроницаемыми и более эффективно звукопоглощающими, особенно по сравнению с полыми деталями. Металлическая пена в полых деталях автомобиля уменьшает слабые места, обычно связанные с автомобильными авариями 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 неблагоприятным погодным условиям. УФ колебания света, влажности и температуры. Однако они тяжелее, дороже и не изолируют.[30]

Технология металлической пены была применена в автомобильной выхлопной газ.[31] По сравнению с традиционными каталитические преобразователи это использование кордиерит керамика в качестве подложки, металлическая пенная подложка обеспечивает лучшую теплопередачу и демонстрирует отличные массообменные свойства (высокая турбулентность) и может уменьшить количество платина катализатор требуется.[32]

Поглощение энергии

График аварии алюминия

Металлопласты используются для усиления конструкции без увеличения ее массы.[33] Для этого применения металлические пены обычно имеют закрытые поры и изготавливаются из алюминия. Панели из пенопласта приклеиваются к алюминиевой пластине для получения прочного композитного сэндвича локально (по толщине листа) и жесткого по длине в зависимости от толщины пенопласта.

Преимущество металлических пен состоит в том, что реакция постоянна независимо от направления силы. Пены имеют плато напряжения после деформации, которое остается постоянным на протяжении 80% процесса раздавливания.[34]

Термический

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

Тиан и др.[35] перечислил несколько критериев 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.[36][37]

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 м2/ м3)
  • Относительно высокая проницаемость
  • Относительно высокая эффективная теплопроводность (5–30 Вт / (мК))
  • Хорошая устойчивость 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 засорению, коррозии и эрозии недостаточно изучена. С производственной точки зрения переход к технологии производства пеноматериалов требует новых технологий производства и сборки, а также конструкции теплообменника.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Сравните материалы: литой алюминий и алюминиевая пена В архиве 2010-04-30 на Wayback Machine. Makeitfrom.com. Проверено 19 ноября 2011.
  2. ^ Джон Банхарт. «Что такое ячеистые металлы и металлические пены?» В архиве 2010-12-29 в Wayback Machine.
  3. ^ Топин, Ф .; Bonnet, J. -P .; Madani, B .; Тадрист, Л. (2006). «Экспериментальный анализ многофазного течения в металлической пене: законы течения, теплопередача и конвективное кипение». Передовые инженерные материалы. 8 (9): 890. Дои:10.1002 / adem.200600102.
  4. ^ Банхарт, Дж. (2001). «Производство, характеристика и применение ячеистых металлов и металлических пен». Прогресс в материаловедении. 46 (6): 559–632. Дои:10.1016 / S0079-6425 (00) 00002-5.
  5. ^ ДеГрут, C.T., Straatman, A.G., и Betchen, L.J. (2009). «Моделирование принудительной конвекции в радиаторах из пенопласта с оребрением». J. Electron. Упаковка. 131 (2): 021001. Дои:10.1115/1.3103934.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  6. ^ Ральф Вольф; Халид Мансур."Удивительная металлическая губка: впитывает водород" В архиве 2015-11-16 на Wayback Machine.1995.
  7. ^ Де Меллер, патент Франции 615147 (1926).
  8. ^ Сосник, Б. Патент США 2434775 (1948).
  9. ^ Сосник, Б. Патент США 2553016 (1951).
  10. ^ Банхарт, Джон (2000). «Технологии производства пенопласта». JOM. Общество минералов, металлов и материалов. 52 (12): 22–27. Bibcode:2000JOM .... 52л..22Б. Дои:10.1007 / s11837-000-0062-8. S2CID  137735453. В архиве из оригинала на 01.01.2012. Получено 2012-01-20.
  11. ^ Bonaccorsi, L .; Провербио, Э. (1 сентября 2006 г.). «Влияние уплотнения порошка на пенообразование прекурсоров одноосно-прессованных PM». Передовые инженерные материалы. 8 (9): 864–869. Дои:10.1002 / adem.200600082.
  12. ^ Shiomi, M .; 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. Дои:10.1016 / j.jmatprotec.2010.03.006.
  13. ^ Данан, [редакторы] Луи-Филипп Лефевр, Джон Банхарт, Дэвид К. (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. Ланкастер, Пенсильвания: DEStech Publications Inc., стр. 7–10. ISBN  978-1932078282.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (ссылка на сайт)
  14. ^ Страна, М .; Pourhassan, R .; Мусси, В. (2013). «Влияние холодной прокатки на эффективность вспенивания прекурсоров алюминия». Журнал производственных процессов. 15 (2): 227. Дои:10.1016 / j.jmapro.2012.12.006.
  15. ^ Urweb: композитная металлическая пена с высокими эксплуатационными характеристиками. В архиве 2013-12-12 в Wayback Machine Проверено 10 декабря 2013.
  16. ^ МИКУ, АЛЕКСАНДРУ (6 апреля 2016 г.). «Композитная металлическая пена лучше останавливает пули, чем твердые пластины». ZME Science. В архиве с оригинала 10 апреля 2016 г.. Получено 2016-04-09.
  17. ^ https://news.ncsu.edu/2015/07/rabiei-foam-rays-2015/Shipman, Мэтт Исследование обнаружило металлические пены, способные экранировать рентгеновские лучи, гамма-лучи, нейтронное излучение, Новости NC State University, 17.05.15
  18. ^ Шипман, Мэтт Металлическая пена останавливает патроны калибра .50, а также сталь - при весе менее половины, Новости NC State University, 05.05.19
  19. ^ Ван, Брайан (2018-04-24). «Композитные металлические пены обеспечивают броню на треть веса и делают бамперы суперкаров | NextBigFuture.com». NextBigFuture.com. Получено 2018-05-24.
  20. ^ а б Recherche sur la production de pièces de fonderie en métallique - Recherche en fonderie: les métalliques В архиве 2013-10-29 в Wayback Machine. Ctif.com. Проверено 3 декабря 2013.
  21. ^ а б ALVEOTEC - инновации В архиве 2014-07-30 в Wayback Machine. Alveotec.fr/en. Проверено 3 декабря 2013.
  22. ^ "ALVEOTEC - Actualités - видео: процесс изготовления алюминиевой пены". В архиве из оригинала от 30.07.2014.
  23. ^ ALVEOTEC - Actualités - LOUPI Lighing запускает новый радиатор из металлической пены для освещения application_66.html В архиве 2014-07-30 в Wayback Machine. Alveotec.fr. Проверено 3 декабря 2013.
  24. ^ Остеоинтеграция с титановой пеной в бедренной кости кролика В архиве 2016-04-18 в Wayback Machine, YouTube
  25. ^ Титановые покрытия на ортопедических изделиях В архиве 2016-03-13 в Wayback Machine. YouTube
  26. ^ Биомет Ортопедия, Пористая титановая конструкция Regenerex® В архиве 2011-09-28 на Wayback Machine
  27. ^ Циммер Ортопедия, Технология металлов Trabeluar В архиве 2011-07-18 на Wayback Machine
  28. ^ Циммер Пористое покрытие CSTiTM (титан с губчатой ​​структурой) В архиве 2011-07-18 на Wayback Machine
  29. ^ Страна, Маттео (2011). «Новый подход FEM для моделирования труб, заполненных пенопластом». Журнал производственной науки и техники. 133 (6): 061003. Дои:10.1115/1.4005354.
  30. ^ Новая концепция дизайна легких автомобильных компонентов В архиве 2012-03-24 в Wayback Machine. (PDF). Проверено 3 декабря 2013.
  31. ^ Инновации Alantum в пенопласте: Главная В архиве 2010-02-17 в Wayback Machine. Alantum.com. Проверено 19 ноября 2011.
  32. ^ Разработка системы доочистки на основе пенопласта на дизельном легковом автомобиле - Виртуальный конференц-центр[постоянная мертвая ссылка ]. Vcc-sae.org. Проверено 19 ноября 2011.
  33. ^ Банхарт, Джон; Дананд, Дэвид С. (2008). MetFoam 2007: Пористые металлы и металлические пены: Труды Пятой международной конференции по пористым металлам и металлическим пенам, 5-7 сентября 2007 г., Монреаль, Канада. DEStech Publications, Inc. ISBN  9781932078282.
  34. ^ ALVEOTEC - Actualités - Примеры применения металлической пены. В архиве 2014-07-30 в Wayback Machine Alveotec.fr. Проверено 3 декабря 2013.
  35. ^ Tian, ​​J .; Kim, T .; Лу, Т. Дж .; Hodson, H.P .; Queheillalt, D. T .; Sypeck, D. J .; Уодли, Х. Н. (2004). «Влияние топологии на поток жидкости и теплопередачу внутри ячеистых медных структур» (PDF). Международный журнал тепломассообмена. 47 (14–16): 3171. Дои:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2004.02.010. В архиве (PDF) из оригинала от 03.03.2016.
  36. ^ Мисчевич, М. (1997). Etude de l'intensification des transferts thermiques par des structure poreuses: Application aux échangeurs compacts et au refroidissement diphasique. ИУСТИ. Марсель., Университет Прованса
  37. ^ Catillon, S., C. Louis, et al. (2005). Использование металических муссов в катализаторе метанола для производства H2. GECAT, Ла-Рошель.

внешние ссылки