Vaahtometalli - solurakenteen metalli ( seos ), joka koostuu kiinteästä metallista (usein alumiinista), jossa on kaasutäytteisiä huokosia, jotka muodostavat merkittävän osan tilavuudesta. Huokoset voivat olla eristettyjä (umpisoluvaahto) tai yhdistettyjä (avosoluvaahto).
Vaahtometallit säilyttävät yleensä osan perusmetallin fysikaalisista ominaisuuksista. Palamaton metallivaahto pysyy syttymättömänä ja voidaan kierrättää sen perusmateriaalina. Perusmetalliin verrattuna vaahtometallin lämpölaajenemiskerroin on sama, mutta lämmönjohtavuus yleensä pienenee.
Vaahtometallit ovat uusi materiaaliluokka , jonka tiheys on erittäin alhainen (jopa 50 kg/m³ AZ91-seokselle) yhdistettynä korkeaan ominaisjäykkyyteen ja kohinanvaimennuskykyyn sekä alhaiseen lämmönjohtavuuteen . Vaahtometallien määrittävä ominaisuus on niiden korkea huokoisuus: tyypillisesti vain 5–25 % tilavuudesta on metalliydintä. Materiaalin lujuus perustuu neliökuutiolakiin.
Yleisimmät vaahtometallit, jotka perustuvat alumiinin ja magnesiumin seoksiin - Fomalyum [1] .
Avosoluvaahtoa, jota kutsutaan myös metallisieneksi, voidaan käyttää lämmönvaihtimissa (kompakti elektroniikan jäähdytys, kryogeeniset säiliöt, faasimuutosmateriaalilämmönvaihtimet), energian absorptiossa, virtauksen diffuusiossa ja valooptiikassa. Materiaalin korkea hinta rajoittaa merkittävästi sen käyttöä kehittyneissä teknologioissa, ilmailussa ja valmistuksessa.
Pienimuotoisia vaahtomalleja, joissa on avohuokoisia, paljaalla silmällä näkymättömiä, käytetään kemianteollisuudessa korkean lämpötilan suodattimina. Vaahtometallien käyttö kompakteissa lämmönvaihtimissa voi vähentää merkittävästi niiden kokoa ja valmistuskustannuksia. Useimmat näiden materiaalien mallit käyttävät idealisoitua jaksollista rakennetta tai keskimääräisiä makroskooppisia ominaisuuksia.
Metallisienellä on erittäin suuri pinta-ala painoyksikköä kohti, joten katalyytit valmistetaan usein metallisienen muodossa – esimerkiksi Raney-nikkeliä , platinamustaa ja palladiummustaa . Metalleja, kuten osmiumia ja palladiumhydridiä, kutsutaan metaforisesti metallisieniksi, mutta termi viittaa enemmän niiden kykyyn sitoutua veteen kuin niiden fyysiseen rakenteeseen.
Avosoluvaahdot valmistetaan valuprosessilla tai jauhemetallurgiatekniikoilla. Jauhemenetelmässä aggregaatteja käytetään huokosten tilan ja kanavien muodostamiseen. Valuprosessissa vaahtometalli valetaan avosoluisen polyuretaanivaahtomuovikehyksen kanssa.
Umpisoluisen vaahtometallin kuvasi ensimmäisen kerran Meller vuonna 1926 ranskalaisessa patentissa, jossa ehdotettiin kevytmetallien vaahdottamista ruiskuttamalla inerttiä kaasua tai käyttämällä vaahdotusainetta. Benjamin Sosnick haki kaksi patenttia vuosina 1948 ja 1951 sienimetalleille käyttämällä elohopeahöyryä nestemäisen alumiinin vaahdottamiseksi. John S. Elliott kehitti umpisoluiset vaahtometallit Bjorksten Research Laboratoriesissa vuonna 1956. Vaikka ensimmäiset prototyypit valmistettiin 1950-luvulla, kaupallisen tuotannon aloitti 1990-luvulla Shinko Wire Japanissa. Umpisoluvaahtoja käytetään ensisijaisesti iskunvaimennusmateriaalina, kuten vaahtoja moottoripyöräkypärissä, mutta suurempiin iskukuormitukseen. Toisin kuin monet vaahdot, vaahtometallit pysyvät muotoaan iskun jälkeen, joten ne kestävät vain kerran. Ne ovat kevyitä (tyypillisesti 10–25 % identtisen ei-huokoisen seoksen tiheydestä; alumiiniseoksia käytetään usein) ja jäykkiä, ja niitä ehdotetaan usein kevyiksi rakennemateriaaleiksi, mutta niitä ei käytetä laajalti tähän tarkoitukseen.
Umpisoluiset vaahdot säilyttävät muiden vaahtojen palonkestävyyden ja kierrätettävyyden, mutta lisäksi niillä on ominaisuus nousta vedessä.
Vaahtometallit valmistetaan yleensä ruiskuttamalla kaasua tai sekoittamalla paisutteita sulaan metalliin. Sulat voivat vaahtoaa materiaaliin muodostuvien kaasukuplien seurauksena. Normaaleissa olosuhteissa sulassa metallissa olevat kuplat ovat erittäin kelluvia korkeatiheyksisissä nesteissä ja nousevat nopeasti pintaan. Nousua voidaan hidastaa lisäämällä sulan metallin viskositeettia lisäämällä keraamisia jauheita tai seosaineita muodostamaan stabiloivia hiukkasia sulatteeseen. Metallisulatteita voidaan vaahdottaa kolmella tavalla:
Kuplien stabilointiin tarvitaan korkean lämpötilan vaahdotusaineita (nano- tai mikrometrin kokoisia kiinteitä hiukkasia). Huokosten eli solujen koko on yleensä 1-8 mm. Vaahdotus- tai vaahdotusaineita käytettäessä ne sekoitetaan metallijauheeseen ennen sen sulattamista. Tämä on vaahdottamisen niin kutsuttu "jauheversio", luultavasti yleisin (teollisuuden näkökulmasta). Metallijauheen (esim. alumiini) ja vaahdotusaineen (esim . titaanihydridi TiH 2 ) sekoittamisen jälkeen ne puristetaan tiiviiksi kiinteäksi aihioksi esim. tangon, levyn tai langan muodossa. Tämä voidaan saavuttaa käyttämällä materiaalinmuodostusprosessien yhdistelmää, kuten puolikuivapuristus, ekstruusio (suora tai jatkuva) ja suoravalssaus.
Komposiittivaahtometallit (CFM) muodostetaan yhden metallin ontoista palloista toisen kiinteän matriisin sisällä (esimerkiksi teräs alumiinin sisällä). Niillä on 5-6 kertaa suurempi ominaislujuus ja yli 7 kertaa paremmat energian absorptio-ominaisuudet kuin aikaisemmilla vaahtometalleilla.
Alle tuuman paksuisessa levyssä on tarpeeksi vakautta tuhotakseen täysin vakiomallin 7,62 × 63 mm:n patruunan M2 -panssarin lävistävällä luodilla . Testilevy suoriutui paremmin kuin saman paksuinen täysmetallilevy, vaikka se oli paljon kevyempi. Muita mahdollisia sovelluksia ovat ydinjätteen kuljetus (röntgen-, gamma- ja neutronisuojaus) ja lämpöeristys avaruusalusten paluuta varten, koska se on kaksinkertainen tavanomaisiin metalleihin verrattuna.
KPM voi korvata valssatun teräspanssarin tarjoten saman suojan 2/3 pienemmällä painolla. Ne voivat estää fragmentteja ja shokkiaaltoja, jotka aiheuttavat aivovaurioita. Ruostumattomasta teräksestä valmistetut PLM:t voivat estää räjähdyspaineen ja 5 000 fps:n sirpaloitumisen HE-laukauksista, jotka räjähtävät 18 tuumaa näytöstä. Teräslevyt KPM (9,5 mm tai 16,75 mm paksu) asetettiin 18 tuuman päähän suojalevystä, joka oli alttiina räjähtävälle paineaaltolle ja 23 × 152 mm:n räjähdysherkän sytytysammuksen muodostamille kupari- ja teräspalasille (kuten aseilmapuolustuksessa). , sekä 2,3 mm paksusta alumiinisesta suojalevystä [https://web.archive.org/web/20200724215042/https://nplus1.ru/news/2018/03/27/blast Arkistoitu kopio 24. heinäkuuta, 2020 Wayback Machinessa [1]].
Vaahtometallia kutsutaan stokastiseksi, jos sen huokoset jakautuvat satunnaisesti. Useimmilla vaahtomalleilla on stokastinen rakenne valmistusmenetelmän seurauksena:
Tietyn rakenteen omaavaa vaahtometallia kutsutaan tavalliseksi. Muovausmenetelmä mahdollistaa tavallisten avosoluvaahtojen valmistuksen. Vaahtometalleja voidaan valmistaa myös käyttämällä täydentäviä prosesseja, kuten selektiivistä lasersulatusta.
Levyjä voidaan käyttää valumuottien hylsyinä, jolloin muotoa voidaan muuttaa erikseen jokaiseen käyttötarkoitukseen. Tämä valmistusmenetelmä mahdollistaa niin sanotun "ideaalisen" vaahtometallin saamisen, koska se täyttää Plateaun lait ja siinä on johtavia huokosia katkaistujen oktaedrien, Kelvin-solujen muodossa (runkokeskeinen kuutiorakenne).
Vaahtometalleja käytetään useilla tekniikan aloilla: autoteollisuudessa rakenneosina (puskurit jne.), ilmailu- ja avaruusteollisuudessa titaani- ja alumiini "sandwiches" muodossa sekä eräät turbiinin osat ja laivanrakennuksessa matkustaja-alusten runkojen valmistukseen.
Joten esimerkiksi kuparivaahtoa on käytetty sellaisissa laitteissa kuin: lämmönvaihto- ja lämmönpoistolaitteet, mekaaniset ja akustiset impulssivaimentimet, kaasusekoittimet, aerosoliloukut, biosidisuodattimet. Ja alumiinivaahtoa käytetään melunvaimentimissa; lämmönvaihto- ja lämmönpoistolaitteet; onteloiden ja kapasiteettien täyteaineissa; mekaanisten, akustisten ja EM-impulssien vaimentimet; Kaasuvirtojen taajuuskorjaimet; kantoainematriisit ja palamissäätimet kiinteitä polttoaineita varten; sandwich-paneelit.
Vaahtometalleja voidaan käyttää tuotteiden tai arkkitehtonisten koostumusten suunnittelussa.
Vaahtometalleja on käytetty kokeellisessa proteesissa eläimillä. Tätä tarkoitusta varten vaahtometalli työnnettiin luuhun porattuun reikään, jolloin luu kasvaa metalliin pysyvän liitoksen muodostamiseksi. Ortopediassa yleisin käyttökohde on tantaali- tai titaanivaahtometallit niiden vetolujuuden, korroosionkestävyyden ja bioyhteensopivuuden vuoksi . Nisäkästutkimukset ovat osoittaneet, että huokoiset metallit, kuten tantaali, voivat mahdollistaa vaskularisoitumisen (suonten kasvun) huokoisella alueella.
Ortopedisten laitteiden valmistajat käyttävät vaahtorakenteita tai pinnoitteita halutun osseointegraatiotason saavuttamiseksi.
AutoteollisuusVaahtometallien päätehtävät autoissa ovat parantaa meluneristystä, vähentää painoa, lisätä energian imeytymistä törmäystilanteessa ja (sotilaallisissa sovelluksissa) vastustaa improvisoitujen räjähteiden iskuvoimaa. Esimerkiksi vaahtotäytteisiä putkia voidaan käyttää sivutörmäystankoina. Alumiiniin tai sen seokseen pohjautuvat vaahtometallit ansaitsevat tällä alueella erityisen huomion alhaisen tiheytensä (0,4–0,9 g/cm 3 ) vuoksi. Ne ovat jäykkiä, paloa hidastavia, myrkyttömiä, energiaa absorboivia, kierrätettäviä, vähemmän lämpöä johtavia, vähemmän magneettisesti läpäiseviä ja tehokkaampia eristämään melua, erityisesti verrattuna ontoihin osiin. Vaahdotetut metallit ontoissa auton osissa vähentävät heikkouksia, jotka tavallisesti liittyvät kolareihin ja tärinään. Tällaisten vaahtometallien valu jauhemetallurgialla on edullinen verrattuna muiden onttojen osien valuun.
Autojen vaahtopolymeereihin verrattuna vaahtometallit ovat jäykempiä, vahvempia, imevät paremmin energiaa, kestävät paremmin paloa ja epäsuotuisia sääolosuhteita: ultraviolettisäteilyä, kosteutta ja äärimmäisiä lämpötiloja. Ne ovat kuitenkin raskaampia, kalliimpia ja niillä on huonompi eristyskyky.
Autojen pakojärjestelmässä käytetään vaahtometallitekniikkaa . Verrattuna perinteisiin katalysaattoreihin , joissa käytetään kordieriittikeraamista alustaa, metallivaahtosubstraatti tarjoaa paremman lämmönsiirron ja erinomaiset massansiirto -ominaisuudet (korkea turbulenssi) ja voi vähentää tarvittavan platinakatalyytin määrää.
Energian imeytyminenVaahtometalleja käytetään lisäämään rakenteen jäykkyyttä lisäämättä sen massaa. Tähän tarkoitukseen käytetään yleensä umpisoluisia alumiinivaahtoja. Vaahtopaneeli liimataan alumiinilevyyn, jotta saadaan oikeaan kohtaan (levyn paksuuteen) vahva laminoitu komposiitti, jonka pituus on jäykkä vaahtokerroksen paksuudesta riippuen.
Vaahtometallien etuna on, että niiden reaktio on sama riippumatta voiman suunnasta. Vaahtomalleilla on muodonmuutoksen jälkeen kuormitustasanne, joka on vakio vähintään 80 %:n rikkoutuessa.
Tian et al. luettelee useita kriteerejä vaahdon valmistamiseen lämmönvaihtimessa. Lämpöominaisuuksiltaan omaavien vaahtometallien vertailu yleisesti vaihtoa kiihdyttäviin materiaaleihin (rivat, sidottu pinnat, pallokerros) osoittaa ensinnäkin, että vaahtometallien aiheuttama painehäviö on paljon suurempi kuin tavanomaisten ripojen tapauksessa, mutta paljon enemmän. pienempi kuin käyttämällä palloja.
Vaahtomalleilla on myös seuraavat lämpöfysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet:
Vaahtomalleihin perustuvien kompaktien lämmönvaihtimien kaupallinen toteutus on rajoitettua vaahtometallien korkean tuotantokustannusten vuoksi. Niiden pitkäaikainen kestävyys saastumista, korroosiota ja eroosiota vastaan ei ole tarkkaan määritelty. Tuotannon osalta siirtyminen vaahtometalliteknologioihin vaatii uusia valmistus- ja kokoonpanomenetelmiä sekä uudenlaista lämmönvaihtimien suunnittelua.
Hienosilmäinen teräsvaahto
Isokokoinen alumiinivaahto
Hienosilmäinen alumiinivaahto
Liimattu (ei tiivistetty) solualumiinivaahto
Sidostettu (ei suljettu) solumessinkivaahto