Металлические пены

 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.

4) 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.                    

5) 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.

 

    1.2. 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.

1) 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 достаточно⁷. 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%.⁸

2) 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.

3) 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).

Способы получения.

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.

2. 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.⁹

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, 31¹⁰.

Существует достаточно тесная связь между плотностью и механическими и физическими свойствами пеноалюминия. Эта зависимость подчиняется степенной функции:

K=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.¹¹

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 свойств¹².

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.