Металлические пены
БЕЛОРУССКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра
неорганической химии
Курсовая
работа на тему
“
Металлические пены”
Студента
химического факультета
курса 6 группы
Бродович Антонины
Руководитель:
Кандидат химических
наук
Скорб Екатерина
Владимировна
Минск,
2013
Оглавление
Введение
Глава
1. Механизмы получения металлической пены
.1
Производство металлических пен из расплавов металлов
.2
Производство металлических пен из металлических порошков
Глава
2. Свойства специфических металлических пен
.1
Пеноалюминий
.2
Пеноникель
Глава
3. Применение металлических пен
Заключение
Список
литературы
Приложение
Введение
С развитием технологий обнаруживается все больше
возможностей модификации традиционных материалов, например металла. Структура,
состоящая из металла, и содержащая большое количество наполненных газом пор -
называется металлической пеной. Как правило, примерно 75-95 процентов ее объема
составляют пустоты. Материал обладает уникально малым весом - некоторые виды
металлической пены настолько легки, что плавают на поверхности воды. При этом
прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.
О пористых металлах заговорили еще в 1990-х
годах. Считалось, что отличительной чертой такого материала является низкая
плотность: 0,4 - 1 грамм на кубический сантиметр.
Как и все в науке, металлическая пена
подверглась совершенствованию. Недавно доктор Афсанех Рабией из университета
Северной Каролины открыла самую прочную металлическую пену в мире.
Учёные многих стран уверенны, что металлическая
пена - это материал будущего и благодаря своим уникальным свойствам найдёт
огромное применение во всех сферах деятельности человека. Российской и
белорусской действительности еще предстоит знакомство с металлической пеной: «Специалист
испытательного центра «СПбГАСУ» Виктор Зверев отказался отвечать на вопрос:
«Известно ли вам о новом материале-металлическая пена?», сказав лишь: «Такой
материал нам не знаком и не проходил лицензирование». Выяснилось, что и на
заводах царит пенометаллический нигилизм. Мнение инженеров разделилось. Одни
удивляются изобретению, например, Вячеслав Коньков из «Металлиста»: «Это что-то
новое и очень интересное, вышлите мне по факсу информацию». Другие же
скептически заявляют: «Вряд ли это самый прочный материал. Мы не используем
никакую металлическую пену», - прокомментировал Юрий Филисов из компании
«Петросталь». Вероятно, в будущем ситуация изменится. Но сейчас, к сожалению,
многие белорусские и российские учёные не принимают этот материал и относятся к
нему скептически. Поэтому я считаю данную тему актуальной.
Цель данной работы доказать, что металлическая
пена - материал будущего, обладающий уникальными свойствами.
Исходя из данной цели перед нами возникают
следующие задачи:
Изучить методы получения металлической пены;
Выявить свойства на примере специфических пен
(пеноалюминий, пеноникель);
Рассмотреть применение в различных областях
деятельности человека.
Разработать методики синтеза металлической пены
Для решения поставленных задач были использованы
различные источники: на основе авторефератов диссертаций Ю.Н. Лисакова и
Иванова Д.О. были раскрыты новые методы получение металлических пен. Так же
были использованы статьи из научных журналов.
Новизна данной работы состоит в обобщении данных
о металлических пенах, так как работ, посвящённых данной теме на русском языке
немного.
Теоретическая и практическая значимость моего
исследования состоит в том, что данный материал будет полезен для подготовки
семинаров по теме «Металлические пены».
Глава 1. Механизмы получения металлической пены
Первая металлическая пена была получена
Бенджамином Сосником в 1948 г. Этот процесс был основан на нагревании вместе
летучих металлов с металлами нелетучими. Во время нагревания нелетучий металл
спекался, а более летучий (например, ртуть) испарялся, вспенивая смесь таким
образом. Но данный метод не имел коммерческого успеха, поскольку предполагал
работу с опасными материалами.
Прошло много времени, наука шагнула вперёд. И
сейчас существует много способов получения металлической пены. Их можно
разделить на две большие группы: изготовление металлической пены с
использованием жидких расплавов металлов и на основе металлических порошков.
.1 Производство металлических пен из расплавов
металлов
Производство данного типа начинается с
расплавления металла, из которого металлопена получается с помощью пористого
материалом, либо с помощью полимерной пены или литьём жидкого металла на
твёрдый наполнитель. Существуют технологии получения металлических пен прямым
вспениванием расплавов металлов газами. Рассмотрим подробнее данные методы,
выявив их достоинства и недостатки.
) Прямое вспенивание расплавов. Данный метод
основан на непрерывном пропускании газа через металлический расплав. Метод
разработан одновременно и независимо Alcan и Norsk Hydro в конце 1980-х и
1990-х годов. Суть данного метода состоит в том, что металлический расплав
может быть вспенен при определённых условиях путём введения газов в жидкость.
Пузырьки газа, которые образовываются в металлическом расплаве, будут стремиться
быстро подняться на его поверхность из-за высокой выталкивающей силы в
высокоплотной жидкости, но этому подъему препятствует высокая вязкость
расплавленного металла. Это может быть устранено путём добавления мелкого
керамического порошка или легирующих элементов, которые образуют частицы в
расплаве.
Следует отметить, что многочисленные попытки
вспенивания жидких металлов были предприняты ещё в 60-70-х годах прошлого века,
но, по-видимому, этот процесс был не достаточно оптимизирован, чтобы производить
достаточно качественную пену. За последние 10 лет было проведено ряд новых
разработок и сейчас доступны лучшие методы производства.
В настоящие время существует два метода прямого
получения вспененных металлических расплавов. Один эксплуатируется Канадской
технологической компанией «Cymat» для вспенивания алюминия и алюминиевых
сплавов. Следуя этому механизму, нужно использовать карбид кремния (SiC), оксид
алюминия (Al2O3) или оксид магния (MgO) для усиления вязкости расплава. Поэтому
первый шаг состоит из приготовления алюминиевого расплава, содержащего одно из
этих веществ. Проблема состоит в том, что необходимо добиться однородности
распределения частиц. Второй шаг - это вспенивание жидкого расплава путём
вдувания газов (воздух, азот, аргон) с помощью специально разработанных колёс.
Эта установка должна выпускать очень маленькие пузырьки газа в расплав и
распределять их однородно. Полученная пена всплывает на поверхности жидкости и
тогда её можно собрать посредством ленточного конвейера. Следует предпринять
меры, препятствующие разрушению структуры пены из-за взаимного перемещения
полутвёрдой пены. Полученный материал, в принципе, бывает сколь угодной длины.
Пена велика настолько, насколько позволяет сосуд, содержащий жидкий металл.
Обычно толщина пены 10 см. Вспененный материал можно вырезать необходимой
формы, но в связи с высоким содержанием керамических частиц, обработка пены
может стать проблемой. Преимуществом такого способа производства
металлической пены является возможность производства огромных объёмов данного
ценного материала, относительно низкая цена и низкая плотность. Пористость
пены, полученной данным способом находится в диапазоне от 80 до 97%. К
недостаткам вышеописанного способа можно отнести необходимость резать пену, а
следовательно открывать поры, а так же хрупкость такой металлической пены из-за
усиливающих частиц (SiC, Al2O3, MgO), которые содержаться в пористых стенках.
Второй путь прямого вспенивания расплавов - это
добавление пенообразователя в расплав вместо продувки его газом.
Пенообразователь разлагается при нагревании и выделяет газ, который и
осуществляет процесс вспенивания.
Первый шаг процесса - увеличение
вязкости расплава. Для этого добавляют кальций (1-2% от общей массы), который
окисляется с образованием СаО и СаАl2O4 (возможно образование Al4Ca). В
качестве пенообразователя используют гидрид титана (TiH2) , который при
нагревании выделяет газ (H2): 
Пена, полученная таким методом имеет
наиболее однородную клеточную структуру, по сравнению с пенами, полученными
другим путём.
) Эвтектическое затвердевание
(твёрдое вещество-газ). Этот метод, который был разработан несколько лет назад
на Украине, основан на том, что некоторые жидкие металлы образуют эвтектические
системы с газообразным водородом. Сначала плавят металл в автоклаве (автоклав -
аппарат для проведения различных процессов при нагреве и под давлением выше
атмосферного). Потом растворяют водород в этом расплаве при высоком давлении
(обычно 50 атм). Далее температуру делают ниже эвтектической, и система
переходит в двухфазное состояние, соответствующее и твердому, и газу.
Если параметры процесса - скорость
охлаждения и профиль давления - будут выбраны соответствующие, то газ будет
накапливаться в виде маленьких газовых пузырьков в расплаве, таким образом,
образовывая пену. Возможность затвердевания жидкости в определённом направлении
предполагает образование пены преимущественно с удлиненными порами. Если сосуд
цилиндрический, то возможны радиальные и осевые поры.
Максимальная пористость, которая
может быть достигнута, не выше 5-75 %, но металлы со средними и высокими
температурами плавления, такие как медь и никель, могут быть вспенены только
таким способом. Структура пор таких пен называется «Gasars» .
) Литье по выплавляемым моделям.
Металлическая пена может быть изготовлена без непосредственного вспенивания
металла. Для этого отправной точкой является полимерная пена. Полимерную пену
превращают в структуру с открытыми порами путём манипуляции пенообразования или
обработкой пористой структуры. Затем пену заполняют суспензией из термостойкого
материала, например, смеси муллита, фенольных смол и карбоната кальция. После
высыхания полимер удаляют, и расплавленный металл заливают в полученные
открытые пустоты, которые точно представляют первоначальную структуру пены.
После удаления формовочного материала (например, под давлением воды) получаем
металлическую пену, которая имеет такую же форму, как первоначальная полимерная
пена.
При данном способе доступны пены с
различной пористостью от 2,5 до 16 пор на 1 см3. Это очень дорогая пена. Обычно
таким способом вспениваются алюминиевые сплавы, но другие металлы тоже могут
быть так обработаны.
) Осаждение металла на поверхности
полиуретана. Можно металлизировать полиуретан с дальнейшим его выжиганием.
Полиуретан опускают в раствор, в котором осаждается металл. Ждут пока никель
осадится на полиуретане (10-20 минут). Потом металлизированную губку помещают в
печь при температуре сжигания полиуретана. Полученную металлическую пену
охлаждают.
) Синтаксические пены с
использованием сварочных технологий. Легкие пористые металлы могут быть
получены с помощью распределения в объеме расплава неорганических гранул, полых
сфер с низкой плотностью или некоторых материалов. Для этого могут быть использованы
свободная часть вспененных гранул глины, свободные частицы оксида алюминия
(Al2O3) в сфере пеностекла.
Гранулы вводятся в расплав или
расплав выливается в массу наполнителя. Теплоёмкость и теплопроводность гранул
очень низкая, поэтому они не нарушают текучесть металла. Смачивание гранул
затруднено в связи с высоким поверхностным натяжением жидкого расплава и
промежутки между гранулами полностью не заполняются. Создание небольшого
вакуума внутри расплава или внешнее давление существенно облегчают перемешивание.
Таким способом может быть обработан
широкий диапазон металлов, включая алюминий, магний, цинк, свинец и др.
.2 Производство металлических пен из
металлических порошков
Для изготовления пористых
металлических структур вместо расплавленного металла могут быть использованы
металлические порошки. Опять же, существует несколько различных методов. В
некоторых из них обработка порошков идёт от сжатого исходного материала до
фактического вспенивания, в других способах порошки используются для непосредственной
обработки.
) Процесс Фраунгофера. Металлическая
пена может быть получена из порошка металлургическим методом, который был
разработан и запатентован Фраунгоферовским институтом в Германии.
Производственный процесс начинается со смешивания металлических порошков -
простого металла, сплавов или порошкообразных смесей - с пенообразователем,
после чего смесь спрессовывают, до получения плотного полуфабриката.
В принципе, изготовление
полуфабриката может быть осуществлено любым способом, который обеспечивает
внедрение пенообразователя в металлические матрицы. Примеры такого метода
уплотнения - это одноосновное сжатие, экструзия или прокатка порошка. Метод
уплотнения выбирается в зависимости от требуемой формы исходного материала.
Экструзия наиболее экономичный способ на данный момент и, следовательно, самый
предпочтительный. Как правило, таким способом получают прямоугольные профили с
различным сечением, из которых обкаткой получают листы разной толщины.
Следующий шаг - это термическая
обработка при температуре плавления основного металла. Во время этого процесса
пенообразователь, который равномерно распределяется в объеме расплава,
разлагается. Выделяющийся газ вынуждает исходный материал расширяться, формируя
высокопористую структуру. Перед вспениванием исходные материалы могут быть
переработаны в листы, стержни, профили и другие формы обычными методами,
например прокаткой, обжимкой, экструзией для того чтобы создать лучшие условия
во время вспенивания.
Плотность получаемой металлической
пены можно контролировать путем регулирования количества пенообразователя,
температуры и скорости нагрева. Если в качестве пенообразователя использовать
гидрид металла, то его содержания менее 1% более чем достаточно. Например, в
качестве металлического порошка может быть использован порошок Cu, Fe, Ti, Ni,
а в качестве пенообразователя K2CO3 (так как при разложении выделяется CO2 и
температура разложения выше температуры спекания основного металла): 
. Размеры
порошкового карбоната должны быть выбраны в соответствии с предполагаемым
размером пор, а частицы металлического порошка должны быть значительно меньше
их.
Порошки Cu и K2CO3 смешиваются в
соотношении 1:6. Во время смешивания добавляют небольшое количество этанола для
связывания. Порошковую смесь выливают в мягкие стальные трубы, а концы
запечатывают слоем железного порошка для защиты меди от окисления. Потом под
гидравлическим прессом при 200 МПа смесь уплотняют. Температура плавления
карбоната калия 891°С, при ней он начинает разлагаться, поэтому была выбрана
температура 950°С. Порошковую смесь нагревают до 950°С и держат при данной
температуре в течение 2-х часов, а затем охлаждают до комнатной температуры.
Данным способом можно получить пену с пористостью от 70% до85%.
) Газовое окружение. Металлическая
пена может быть получена путём сжатия порошка исходного материала и газа,
который внедряется в металлическую структуру во время сжатия. Нагревание
исходного материала приводит к расширению металла за счёт внутреннего давления,
создаваемого газовым окружением. Процесс в основном предназначен для
изготовления пористой структуры титана. Для этого порошок титана помещают в
сосуд, затем вакуумируют и заполняют аргоном. Содержимое сосуда уплотняют,
путём горячего изостатического сжатия, после соответствующей термообработки
образуется пена.
) Вспенивание суспензии.
Металлические пены могут быть получены с помощью смешивания суспензии
металлического порошка с пенообразователем. После смешивания суспензию
перемещают в форму и высушивают при повышенных температурах. Суспензия
становится более вязкой и начинает вспениваться, как только из пенообразователя
начнёт выделяться газ.
Если были предприняты достаточные
меры по стабилизации, то пористую суспензию высушивают, получая таким образом
металлическую пену. Для получения алюмопены в качестве пенообразователя
используют ортофосфорную кислоту с гидроксидом алюминия или соляную кислоту.
Таким образом, получаем пену, у которой плотность на 7% ниже, чем у исходного
металла. Но у этого метода есть недостаток - образование трещин во вспененном
металле.
Итак, изучив вышеизложенные
механизмы получения металлической пены, можно сделать вывод, что на сегодняшний
день разработано много различных методов. Каждый процесс имеет как
преимущества, так и недостатки. И только несколько методов могут быть
использованы при массовом производстве большого объема металлической пены.
Глава 2. Свойства специфических
металлических пен
.1 Пеноалюминий
Пеноалюминий является пористым
материалом, размер пор зависит от параметров технологии его производства и
может изменяться от долей миллиметра до 20-30 мм и более. На данный момент
известно два вида вспененного алюминия: закрытоячеистый и открытоячеистый (см.
приложение рис.1).
. Приготавливают алюминиевый расплав
и перегревают его выше температуры ликвидус. Полость формы под изделия из
пеноалюминия заполняют водорастворимыми гранулами из смеси соды и желатина в
соотношении: сода 95-99,5%, желатин 0,5-5%, и нагревают ее до температуры
расплава. Алюминиевый расплав заливают в форму, при этом расплав заполняет
полости между гранулами. После затвердевания алюминиевого расплава изделие
извлекают из формы и помещают в воду, при этом гранулы растворяются в воде,
образуя поры.
Способ позволяет получить изделия из
пеноалюминия со стабильной пористостью и с регулируемым размером пор.
. Процесс получения пеноалюминия из
механически легированных сплавов с содержанием TiH2. Плавку сплавов проводят в
электрической печи сопротивления в графитошамотном тигле при температуре
680-740°C. При нагревании TiH2 разлагается и выделяется водород, он и выступает
в качества пенообразователя.
Свойства пеноалюминия. На данный
момент известно два вида вспененного алюминия: закрытоячеистый и
открытоячеистый (см. приложение рис. 2). Основной величиной, определяющей
физические свойства пеноалюминия, является его плотность или объёмная
концентрация пор (пористость). В зависимости от состава сплава (то есть от тех
или иных добавок к алюминию), от режима нагревания, а также от применения того
или иного газообразующего порошка материал приобретает разную плотность,
получается крупно- или мелкопористым. Плотность образцов пеноалюминия,
получаемых в настоящее время, находится в пределах от 300 до 1900 кг/м3, что
соответствует пористости от 0,89 до 0, 31.
Существует достаточно тесная связь
между плотностью и механическими и физическими свойствами пеноалюминия. Эта
зависимость подчиняется степенной функции:=K0 (r /r0 )m , где К- свойство,
r-плотность, а К0 и r0 соответственно свойства металлического сплава, а m-
показатель в диапазоне от 1,5 до 1,7.
Модуль упругости пеноалюминия не
может быть определён по наклону напряженно-деформированной кривой. Это связано
с пластичной деформацией в начале воздействия. Поэтому более подходящий метод
измерения - это упругие колебательные нагрузки. Модуль упругости может быть
посчитан по резонансным частотам продольных колебаний образцов пеноалюминия.
Эксперименты показали, что модуль упругости не зависит от частоты. Модуль
упругости зависит от пористости вспененного алюминия (см. рис. 1(а)).
Так же от пористости зависит термо-
(б) и электропроводимость (с). Энергия, используемая для пластичной деформации
достигнута в пене до максимального значения, и это очень важно, если
рассматривают поглощение энергии удара. Эта энергия также сильно зависит от
пористости.
Именно благодаря пористости
пеноалюминий обладает уникальными свойствами. Вспененный алюминий имеет высокую
удельную прочность, эффективно поглощает энергию удара, плохо проводит звук и
тепло и почти не поглощает влагу, к тому же негорюч и абсолютно не токсичен.
Вспененный алюминий обладает
относительно высокой демпфирующей способностью, т.е. способность материала
поглощать вибрацию (циклические нагрузки) за счет внутреннего трения,
преобразовывая механическую энергию в тепло. Это свойство пеноалюминия находит
применение для снижения чрезмерного шума и вибрации.
Важным свойством вспененного
алюминия является сохранение своей формы при высоких температурах. За счёт
интенсивного окисления поверхности образуется прочный «скелет», что
предотвращает разрушение пены даже при температурах значительно выше,
температуры плавления алюминия.
Производство вспененного алюминия
является экологически чистым. Во время процесса вспенивания выделяется только
водород, который немедленно пропускают через воду. Пенопласты могут быть
полностью переработаны.
В отличие от ячеистых бетонов и
древесностружечных плит у пеноалюминия низкая гигроскопичность (1- 3%), что
обусловливает морозостойкость и отсутствие трещин при перепаде температур. Его
не нужно пропитывать антисептиками и антипиренами. На его поверхность свободно
наклеиваются различные декоративные материалы, он хорошо воспринимает краску.
Пеноалюминий обладает свойством
контролируемой и управляемой проницаемостью материала газами или жидкостями,
что желательно для многих сфер его применения.
Пористый алюминий имеет высокую
развитую внутреннюю поверхность, составляющую при плотности 1,1 г/см3 от 1 до 2
м2/г. Это свойство может быть использовано в компактных теплообменниках.
Обладая вышеперечисленными
свойствами, пеноалюминий находит широкое применение. Его можно пилить,
фрезеровать, в него можно забивать гвозди и вворачивать шурупы, и все это
делает его чрезвычайно ценным отделочным и даже строительным материалом. В
настоящее время известны такие отрасли применения пеноалюминия, как
автомобилестроение, бронетехника, аэрокосмическое производство, строительство.
В автомобилестроении из пеноалюминия
делают ударопоглощающие вставки в двери и кузов, бампер и облицовку капотов
автомобилей; возможно производство разных крышек, поддонов картеров двигателей.
В бронетехнике пеноалюминий находит применение в форме многослойных кусков для
защиты днища бронемашины или других частей от подрыва, шумопоглощающих вставок
в двери и кузов.
.2 Пеноникель
Металлическая пена, так называемый
пеноникель (см. рис 3), разрабатывается, в частности, российской компанией
«Новомет-Пермь» (единственная компания, которая изучает и производит
металлическую пену в России). По данным этой фирмы, такой материал обладает
экстремально высокой сообщающейся пористостью, которая составляет 96 процентов.
Способ получения.
Пенополиуретан насыщается раствором
тетракарбонила никеля. Далее производится нагрев до температуры 180 - 200°С.
Тетракарбонил никеля разлагается под действием температуры, в результате
осаждается никель и выделяется угарный газ.
Далее добиваются полного удаления
полимера путём термохимической обработки никелированного полиуретана. Обработка
ведётся при 900°С. В результате удаления полимера из-под никелевой оболочки,
образуется хрупкая никелевая структура, повторяющая структуру исходного
пенополиуретана.
Хрупкость никеля обусловлена
наличием в нём оксидов и карбидов, образующихся в процессе металлизации в
результате протекания реакций
Для удаления загрязнений проводят
термическую обработку металлической структуры в восстановительной среде.
Проводят отжиг в чистом водороде в течение 45 минут. Полученную металлическую
пену охлаждают и проводят исследование её свойств.
Свойства пеноникеля. Пеноникель -
это структурный аналог открытого ячеистого пенополиуретана, с высокой
химической и термической стойкостью, металлической прочностью и жесткостью,
низким гидравлическим сопротивлением и развитой удельной поверхностью.
Пеноникель, разумеется, необычайно пластичен и технологичен, поддается
различным видам механической обработки для придания изделиям требуемой
геометрической конфигурации.
Уникальные свойства пеноникеля
делают его пригодным для широкого диапазона применений. Среди них:
теплообменники, пламепреградители, звукоизолирующие устройства, гомогенизаторы
жидкостей и газов, электрофильтры, адсорберы, наполнители многослойных
конструкций
Глава 3. Применение металлических
пен
Металлические пены - это материал,
который идеально подходит для создания крупногабаритных и чрезвычайно прочных
конструкций - другого материала, который способен обеспечить такое соотношения
прочности и веса, человечество еще не придумало.
В будущем металлическая пена может
стать неотъемлемой частью машиностроения, а также использоваться в производстве
металлокерамики. Безусловно, металлические пены будут активно применяться в
космических технологиях, где минимизация массы имеет огромное значение.
Недавнее открытие американских ученых может еще больше расширить сферу
применения этого материала.
Машиностроение. Наиболее
перспективным является использование металлической пены в автомобиле- и
машиностроение. Полагают, что этот материал может применяться в качестве
элементов боковой и лобовой обшивки кузовов автомобилей и железнодорожных
вагонов в целях максимального поглощения энергии удара при столкновениях.
Благодаря особенным свойствам, металлические пены являются подходящим
материалом для поглощения энергии удара.
В зависимости от пористости, сплава
и плотности пены поглощение энергии может происходить в пределах определенного
диапазона. Поэтому пенометаллы можно использовать в качестве наполнителей в
бампере. Так же 20% автомобиля может быть изготовлено из
трехмерных панелей алюминиевой пены.
Компания "Karmann GmbH",
системный поставщик для автомобильной промышленности во всем мире отмечает, что
в типичном компактном семейном седане это привело бы к массовой экономии на 60
кг, а, следовательно, к сокращению потребления топлива на 9 литров на 1000 км.
Компания реконструировала технологию
панелей кузова: предложила производить автомобильные части до десяти раз более
прочные и на 50% более легкие, чем соответствующие части сделанные из стали.
Такие лёгкие и прочные сэндвич-панели из пены упрощают устройство корпуса.
Полые структуры особенно подходят для мест, где пространство слишком
ограничено.
Бронетехника. Металл идеален при
создании военной амуниции. Из алюминиевой пены можно изготавливать лёгкую броню
для улучшения её баллистических и конструкционных характеристик. Баллистический
тест показал, что динамическая деформация алюминиевой пены начинается на
ударной поверхности и распространяется по толщине до полного уплотнения.
Пористая структура пены может поглощать больше энергии удара и задерживать
ударную волну.
Космические технологии. Современные
системы тепловой защиты, например на шаттлах, основаны на керамической плитке с
ультранизкой теплопроводностью. Хотя эти материалы обеспечивают превосходную
тепловую защиту и не несут никакой нагрузки на конструкцию, они чрезвычайно
хрупкие, легко разрушаются под воздействием окружающей среды.
Системы тепловой защиты будущего
разрабатываются в лабораториях НАСА. Предполагается, что металлическая пена
позволит повысить теплоустойчивость без увеличения веса самой тепловой защиты.
Также металлическая пена является подходящим материалом для производства
космических защитных кожухов для двигателей мягкой посадки.
Строительство и архитектура. В
строительстве и архитектуре металлические пены могут быть применены в качестве
панелей для несгораемых дверей и стен, материала для покрытия проводки,
технического оборудования, звукоизоляционных панелей. Особые области, где
многофункциональные пены могут эксплуатироваться, это подоконники и столбы.
Пористые металлы с высокой
теплопроводностью клеточной стенки материала способны остановить пламя, которое
распространяется с большой скоростью. На практике давно используются
трубопроводы для транспортировки горючих газов, которые защищены от
воспламенения даже вблизи источников огня, так что если возгорание происходит,
пламя не может распространяться с высокой скоростью.
Шумоизоляция. Металлическая пена
используется как материал, изолирующий звук, который устанавливается в виде
экранов вдоль дороги или шоссе для уменьшения транспортного шума. Шумозащитный
экран состоит из слоя металлической пены, который связывает бетон или
оцинкованную сталь с воздушным пространством определённой ширины для
максимального поглощения шумов. Бетонная подкладка действует как изолятор
звука.
Изолирующая структура обладает
амортизирующей способностью, которая действует как электромагнитный щит,
ограничивающий электромагнитные помехи от проходящих мимо транспортных средств
и ударной волны метро, вызванной высокоскоростными поездами.
Детали из пенометаллов используются
для затухания звука, импульса давления и механической вибрации. Материалы с
определённой степенью пористости могут быть изготовлены таким образом, чтобы
заглушать избирательно некоторые частоты, при свободном пропуске других.
Внезапные изменения давления, происходящие в компрессорах или пневматических
устройствах, могут быть заглушены с помощью спеченных пористых материалов.
Медицина. В медицине металлические
пены используют для ускорения процессов заживления костной ткани. Как уже было
отмечено, структура пористого материала подобна естественной структуре кости.
Так же он показывают высокую коррозионную стойкость, биологическую
совместимость по сравнению с другими металлами и сплавами. Поэтому он идеально
подходит для замещения кости. Использование композитных имплантатов из
титановой пены позволяет значительно ускорить выздоровление пациентов со
сложными переломами костей.
Ученые разработали биологически
совместимый материал, структурой и физическими свойствами подобный естественной
костной ткани. В итоге титановая пена выступает каркасом, а минеральное
покрытие обеспечивает врастание в него костной ткани. Магниевые пены могут быть
использованы в качестве биоразлагаемых имплантатов, которые служат в качестве
поддерживающих структур до тех пор, пока кость еще растет, но постепенно
усваиваются организмом на более позднем этапе.
Электрохимическое применение.
Металлические пены могут быть использованы как материал для электродов в
электрохимических реакторах. В фильтр - прессах, содержащих электроды,
металлические пластины разделены с помощью пластиковых петель. Если эти петли
заменить листами никелевой пены, то площадь поверхности электрода увеличится, и
реактор может быть более компактный.
Металлические пены могут также
использоваться для оптимизации улучшения каталитических процессов, таких как
окисление бензилового спирта при взаимодействии NiOOH, который получается на
никелевом аноде. Уплотнённые слои металлической пены, как мы видим, улучшают
работу таких реакторов.
Металловойлочные электроды имеют
высокопористую основу, сделанную из никелевых или углеродных волокон. Вместо
войлока может использоваться пеноникель, получаемый никелированием
пенополиуретана с последующим отжигом в восстановительной среде. Пенополимерные
электроды характеризуются высокой удельной емкостью и большим ресурсом. Также
на данный момент известен карбонильный метод получения пеноникеля.
Экспериментально доказано, что аккумуляторы, изготовленные на основе
карбонильного пеноникеля, обладают ёмкостью на 30-40% выше, чем аккумуляторы,
изготовленные на основе электролитического пеноникеля.
Сейчас разрабатывается следующее
поколения электромобилей и гибридных автомобилей компаниями Тойота и Хендай.
Для этого используются никелевые батареи. Никелевые батареи дают выигрыш в
запасе энергии на единицу веса, если использовать никелевую пену в качестве
положительного электрода, а в качестве отрицательного электрода сплавы никеля с
редкоземельными металлами.
Свинцовая пена могла бы
использоваться в качестве помощника активному веществу в свинцово-кислотных
батареях, как замена обычной свинцовой решётки, тем самым позволяя изготовлять
очень легкие электроды. Свинцовую пену заполняют в пустоты, и она действует как
очень проводящая решетка, приводящая к низкому внутреннему электрическому
сопротивлению батареи.
Литейное производство. Сложные
детали на основе пен могут заменить песчаные стержни, используемые в литейном
производстве. В этом случае часть пены будет оставаться в отливки, и это
приведёт к экономии трудовых и энергетических затрат, связанных с удалением
песка. Таким образом, полностью закрытые лёгкие сечения могут быть изготовлены
в отливках, которые приводят к значительному улучшению механических и
акустических свойств по сравнению с обычными сердечниками.
Очищение воды. Пористые
металлические материалы могут быть использованы для уменьшения концентрации
нежелательных ионов, растворенных в воде. Загрязненная вода проходит через
высокопористый металл с открытыми ячейками. Ионы вступают в
окислительно-восстановительной реакции с клеточной структурой металлической
матрицы, в результате воды очищается.
Также металлические пены нашли своё
применение и в других областях. Высокопроводящие открытые поры пены,
изготовленной из меди или алюминия, могут быть использованы в качестве
теплообменников. При прохождении через пену нагретых или охлаждённых газов или
жидкостей, сама пена будет в тоже время нагреваться или охлаждаться. Открытые
поры могут минимизировать снижение давления.
Пример такого применения -
компактный теплоотвод, используемый для того, чтобы охладить микроэлектронные
устройства с высокой плотностью размещения (компоновки), такие как компьютерные
микросхемы или мощные электронные компоненты. Обычно в таких ситуациях
используется печатная плата. Большая площадь поверхности, низкое удельное
сопротивление потоку и хорошая теплопроводность металлических пен позволяют
использовать их для уменьшения испарения.
Приборы, контролирующие ударную
волну, могут быть изготовлены из металлической пены. С помощью такого прибора
волна может направляться и перенаправляться. Кроме того, пены с закрытыми
порами были изучены на предмет их пригодности в качестве адаптера сопротивления
для ультразвуковых источников.
металлическая пена
пеноалюминий
Заключение
Исходя из вышесказанного, подведём
итоги: я считаю, что металлическую пену по праву можно считать материалом
будущего, потому что именно благодаря своей пористости металлическая пена
обладает уникальными свойствами: высокая удельная прочность, эффективное
поглощение энергии удара, низкая звуко- и теплопроводимость, не поглощает
влагу, к тому же не горюч и абсолютно не токсичен. Уникальные свойства
пенометалла делают его пригодным для широкого диапазона применений. Среди них:
теплообменники, пламепреградители, звукоизолирующие устройства, гомогенизаторы
жидкостей и газов, электрофильтры, адсорберы, наполнители многослойных
конструкций, имплантаты. В будущем металлическая пена может стать неотъемлемой
частью машиностроения, а также использоваться в производстве металлокерамики. Безусловно,
металлические пены будут активно применяться в космических технологиях, где
минимизация массы имеет огромное значение. Недавнее открытие американских
ученых может еще больше расширить сферу применения этого материала.
Проведён обзор методов получения
металлической пены. Для синтезирования в лаборатории был выбран способ:
осаждение метала на поверхности полиуретана. Так же была разработана методичка
«Синтез металлической пены».
Однако остаётся ещё много белых
пятен в изучении данной проблемы. Рассматривая дальнейшую перспективу изучения
данной темы, следует обратить внимание на то, что ряд аспектов требуют более
глубокого изучения.
Список литературы
1.Banhart
J., Baumeister J. Production methods for metallic foams//Mat. Res. Soc. Symp.
Proc. 1998. №521
.Korner
C, Singer RF. Foaming Processes for Aluminum. Germany. 2002.Р.20
.Rabiei
A, Vendra L, Reese N, Young N, Neville BP. Processing and characterization of a
new composite metal foam. 2005.p.369-374.
.Simanсik,
F., Foamed aluminium - light structural and insulation material. Euromat. 1995
.Zhao
Y.Y. Lost carbonate sintering process for manufacturing metal foams// Scripta
Materialia.2005.№52.P.295-298.
.Ashby
M.F., Evans A.G., Fleck N.A., Gibson L.J.. Metal Foams: A Design Guide Metal
Foams. Butterworth-Heinemann.2000,
Р.263
.Богданова
А. Металл будущего станет пористым. [Электронный ресурс] / А. Богданова -2010-.
- Режим доступа: #"698777.files/image004.gif">
а) б)
Рис.2. Зависимость модуля упругости (а),
электропроводимости (б) и теплопроводности (с) пеноалюминия от пористости.
Рис. 3 Пеноникель
Рис. 4 Зависимость модуля упругости (а),
теплопроводности (б) и электропроводимости (с) пеноникеля от пористости.
