Металлические пены

 

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.¹³ 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 этапе¹⁴.

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.¹⁵

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

Исходя из выше сказанного, 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.

 

 

 

 

 

 

 

Приложение.

Рис.1 Виды пеноалюминия: закрытоячеистый (а) и открытоячеистый (б)

 

 

 

 

 

 

 

                             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.

 

 

 

Список литературы.

1.Banhart J., Baumeister J. Production methods for metallic foams//Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1998. №521

 

2.Korner C, Singer RF. Foaming Processes for Aluminum. Germany. 2002.Р.20

3.Rabiei A, Vendra L, Reese N, Young N, Neville BP. Processing and characterization of a new composite metal foam. 2005.p.369-374.

 

4.Simanсik, F., Foamed aluminium – light structural and insulation material. Euromat. 1995

 

5.Zhao Y.Y. Lost carbonate sintering process for manufacturing metal foams// Scripta Materialia.2005.№52.P.295-298.

 

6.Ashby M.F., Evans A.G., Fleck N.A., Gibson L.J.. Metal Foams: A Design Guide Metal Foams. Butterworth-Heinemann.2000, Р.263

 

7.Богданова А. Металл будущего станет пористым. [Электронный ресурс] / А. Богданова –2010-. – Режим доступа: http://www.equipnet.ru/articles/other/other_556.html свободный. – Загл. с экрана.

 

8.Бутарович Д.О., Смирнов А.А. Расчётное исследование механических свойств пеноалюминия // Материалы международной научно-технической конференции «Проектирование колесных машин», посвященной 70-летию кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006.

 

9.Иванов Д.О. Исследование и разработка пеноалюминия, получаемого методом механического легирования из вторичного сырья : Автореферат диссертации кандидата технических наук. Москва. 2008,С.23

 

10.Лисаков Ю.Н. Исследование и разработка технологии производства пеноникеля методами карбонильной металлургии: Автореферат диссертации кандидата технических наук. Санкт-Петербург.2005, С.21

 

 

 

¹ Богданова А. Металл будущего станет пористым. [Электронный ресурс] / А. Богданова –20010-. – Режим доступа: http://www.equipnet.ru/articles/other/other_556.html свободный. – Загл. с экрана.