Cтраница 1

Металлические пены отличаются неожиданным и уди-вител Вным свойством - они не плавятся даже при температуре, соответствующей точке плавления исходного сплава. Так, технические сплавы алюминия плавятся при 560 - 640 С. Пеноалюминий нагревали в электропечи при температуре 1400 С, однако он не расплавился; его выдерживали 100 ч при температуре 1482 С, он сильно окислился, но его прочность и размеры деталей остались прежними. Пенометаллы можно многократно нагревать до высоких температур и быстро охлаждать, при этом свойства их изменяются незначительно; другие пеноси-стемы не выдерживают подобных испытаний.

Освоено производство гибких листов больших размеров из металлической пены с регулируемыми значениями пористости. Для этого в пенометалле содержание воздуха по объему доводят до 93 - 98 %, затем полученный материал прокатывают в листы.

Дальнейшее совершенствование технологии и снижение стоимости пенометаллов значительно расширит области применения металлической пены.

Разработана технология получения металлов сетчатого строения, их структура отличается высокой открытой (сообщающейся) пористостью. Такие пенометаллы называются губчатой металлической пеной. В этом случае жидкий металл осаждается на подложку из полиуретано-вой пены.

Металлографические исследования показали, что после электроэрозионного воздействия структура металла в зоне действия импульса сильно измельчается. На краю и периферических частях лунки наблюдаются заметные остаточные деформации сдвига, наличие которых подтверждается рентгенострук-турным анализом. В центральных частях лунки обнаружены остатки металлической пены.

При р-афинировании сера вводится в воронку под мешалку. Процесс рафинирования продолжается от 20 до 60 мин в зависимости от содержания меди и железа в припое. Как только образуются сульфиды меди и железа (C112S и Fe2S3), которые всплывают на поверхность припоя в виде металлической пены, под мешалку вводится порошкообразная смесь канифоли к древесного угля з соотношении 1: 3 в количестве 70 % к весу введенной серы. После этого весь сплав нагревают до температуры 300 - 340 С и перемешивают до образования на поверхности сухого порошка черного цвета, который затем снимается. Очищенную поверхность ванны покрывают древесными опилками слоем 3 - 4 мм и включают мешалку. Опилки способствуют выгоранию серы и предотвращают образование сернистого олова.

Пенометаллы обладают целым комплексом превосходных свойств: объемная масса у них ниже, чем у древесины, а прочность значительно выше; они отлично поглощают энергию удара, легко обрабатываются резанием, в них можно вбивать крепежные детали, склеивать их с другими материалами, например со стеклом, пластиками, фанерой. Металлические пены красивые, со своеобразным трехмерным декоративным рисунком, проявляют хорошие акустические свойства. Пенометаллы хорошо свариваются, имеют высокие демпфирующие свойства (от немецкого Dampfer - гасите ль, способность материалов гасить механические колебания, например вибрацию, или снижать резонансные колебания), повышенную коррозионную стойкость. Прочность изделия из металлической пены значительно повышается при поверхностной обработке-прокатке, ковке, штамповке.

Способы раскатки проводов на переходах через реки.

Если трасса имеет пересечения, то выбирается более удобное для завоза место, из которого раскатка может вестись в двух направлениях. При работе на заболоченной местности иногда применяется раскатка из одного места нескольких соединенных отрезков провода и троса. Если трасса имеет уклон, то барабаны развозятся с учетом раскатки их в направлении уклона. Если автомобилем барабаны развозить невозможно, используют трелевочные тракторы или металлические пены, буксируемые тракторами. Применяют также пены-козлы, с которых производится раскатка проводов и тросов. Раскатка, как правило, производится по роликам с неподвижно установленных барабанов. При раскатке барабанов в направлении уклона они должны тормозиться.

Элементы опор доставляют комплектно с максимально возможным укрупнением узлов. Легко деформируемые элементы транспортируют в положении, исключающем возможность их повреждения. Не разрешается подвергать ударам, толчкам и сбрасыванию стволы железобетонных опор при погрузочно-разгрузочных работах и транспортировке. Опоры перевозят на специально оборудованных опоровозах, тракторах с прицепами, а также с помощью металлических пен или саней, имеющих специальное поворотное устройство. Погрузку и разгрузку опор производят, как правило, краном со строповкой их в двух местах, расположенных симметрично центру тяжести опоры. На труднодоступных участках для транспортировки и монтажа опор могут быть использованы вертолеты.

Страницы: 1

Как сообщает портал Сегодня, сталь и пластик скоро уступят место новым революционным материалам - водотталкивающим, теплонепроницаемым и фантастически прочным.

Материальная революция. С помощью химии и нанотехнологий ученые скоро отправят "на пенсию" металл, пластик и дерево

Одежда, которая не пачкается и потому не нуждается в регулярной стирке, сковородка, поверхность, которой действительно никогда не пригорает, баки для ракетного топлива, к которым не пристают его агрессивные компоненты, - все это скоро станет возможным благодаря открытию американских ученых, которое стало одной из самых громких научных сенсаций уходящего года.

Группа химиков под руководством Гаррета МакКинли из Массачусетского технологического института разработала сверхтонкую сеть из полимерных волокон, переплетенных особым образом. Эту сеть можно нанести на любую поверхность и сделать ее несмачиваемой для любых жидкостей.

На пресс-конференции, посвященной открытию, ученые покрыли химическим составом составом гусиное перо и продемонстрировали, как после этого оно стало отталкивать пентан - легчайший жидкий углеводород. Выбор столь экзотической жидкости был не случайным - отталкивать воду могут многие из известных материалов. Например, сами по себе гусиные перья, породившие пословицу «как с гуся вода». В то же время простые органические вещества, входящие в состав, например, бензина или керосина, способны эффективно смачивать практически любые поверхности, даже легендарный тефлон.

В ходе экспериментов было установлено, что в способности поверхности контактировать с водой определенную роль играет и ее геометрия, связанная с действием капиллярных сил, поясняет МакКинли. Поэтому суть новой технологии заключается в том, что с помощью микроскопической полимерной сетки поверхности придается определенная текстура - узор из вымок и бугорков. Правильно подобрав углы, под которыми вода перемещается между этими «шероховатостями» поверхности, ученые добились того, что в текстуре всегда сохраняются небольшие островки воздуха под слоем жидкости. Иными словами, создаются условия, при которых капиллярные силы не позволяют жидкости полностью смочить поверхность.

Методика была отработана на кремниевых пластинах, применяемых в микроэлектронике. Затем ученые приступили к созданию покрытия, которое можно было бы нанести на любую поверхность. В качестве ее основного элемента выступают нити полиметилметакрилата и многогранные молекулы фторированных органических соединений, желаемая структуру которых создается методом электростатического скручивания.

По словам руководителя исследования Гаррета МакКинли, изобретение может использоваться для того, чтобы уберечь стенки топливных баков реактивных двигателей от вредного воздействия агрессивных компонентов топлива. Это существенно продлит срок службы топливных баков и сократит расходы на эксплуатацию самолетов. Однако более заметное применение разработка получит в другой области - намного ближе к простому потребителю. По словам разработчиков, одежду, покрытую полимерной сетью, будет очень тяжело испачкать и совсем легко отстирать.

По мнению экспертов, изобретение американских ученых занимает достойное место в перечне уникальных материалов, которые в скором времени прочно войдут в обиход, наравне с другими революционными разработками последних лет - углеродными нанотрубками, аэрогелями, металлической пеной и «умными» тканями.

АЭРОГЕЛЬ: ПРОЗРАЧНАЯ ТВЕРДОСТЬ

Сверхпрочность. 2,5 г аэрогеля выдерживают кирпич весом 2,5 кг

Еще один материал будущего, который можно пощупать уже сегодня - аэрогель. Это вещество на основе геля, в котором жидкие компоненты полностью замещаются газом. В результате при рекордно низкой плотности, аэрогели обладают уникальным сочетанием свойств - высокой прочностью, жароустойчивостью и прозрачностью. Ученые часто называют этот уникальный материал «застывшим сигаретным дымом» - примерно такое впечатление он производит, когда сквозь него проходит свет.

Честь изобретения материала, который изменит будущее человечества, принадлежит американскому химику Стивену Кистлеру и колледжа в Стоктоне, Калифорния. В далеком 1931 году он впервые попробовал заменить жидкость в геле на газ метанол, а затем разогреть гель до критической температуры газа - 240 градусов Цельсия. В результате метанол выходил из геля, не уменьшаясь в объеме, а сам гель «высыхал», не практически сжимаясь.

Аэрогель сегодняшнего образца - это пористый материал, в котором полости занимают около 90-99%. Структура аэрогеля представляет собой древовидную сеть из наночастиц размером не более 5 нм. Наиболее распространенными сегодня являются разработки на основе аморфного диоксида кремния, а также оксидов хрома и олова. В 1990-х ученым удалось получить первые образцы на основе углерода.

Наиболее совершенными являются кварцевые аэрогели, которые в 500 раз уступают по плотности воде и в 1,5 раза - воздуху. Аэрогель способен выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. В ходе некоторых экспериментов кусок аэрогеля массой всего 2,5 грамма выдерживал вес кирпича массой 2,5 кг.

Кварцевые аэрогели пропускают солнечный свет, но задерживают тепло. В США их уже начали применять в строительстве в качестве теплоизолирующих материалов.

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ: ПРОЧНЕЕ НЕКУДА

Углеродные нанотрубки - самый прочный в мире материал

В 1996 году американские ученые Роберт Керл, Харолд Кротто и Ричард Смелли получили Нобелевскую премию по химии за открытие фуллеренов - молекулярных соединений, представляющих собой многогранники из атомов углерода, которые могут служить основой для создания самого прочного в мире материала. Речь идет о легендарных углеродных нанотрубках - давней мечте фантастов и футурологов.

Углеродные нанотрубки - цилиндрические структуры из свернутых графеновых плоскостей, которые обладают уникальными характеристиками. Это самый жесткий и прочный материала мире с высокими электронными характеристиками.

Своей прочностью он обязан ковалентным связям между отдельными атомами углерода. В 2000 году в ходе экспериментов было установлено, что прочность углеродной нанотрубки на растяжение составила 63 гигапаскаля. Это в десятки тысяч раз больше, чем у лучших сортов высокоуглеродистой стали.

Углеродные нанотрубки могут применяться практически везде, где сегодня вообще применяются металлы. Это может быть и одежда, и спортивная экипировка, бронежилеты, космическое оборудование, компоненты электронных схем. По оценкам экспертов уже к 2015 году объем рынка в этой отрасли составит $2,5 млрд.

Некоторые ученые предупреждают, что нанотрубки могут представлять угрозу для здоровья, в частности, опыты с лабораторными мышами показали, что углеродные нанотрубки могут производить на организм эффект, аналогичный тому, какой производит асбест. Последствием этого воздействия могут стать раковые заболевания.

ЭЛЕКТРОННАЯ ТКАНЬ: ПОКРОЙ СЕБЯ КОМПЬЮТЕРАМИ

Одежда. Изображение на футболке зависит от настроения человека

Зачем носить с собой электронные гаджеты, которые можно потерять или разбить, если можно попросту носить компьютеры на себе? Разработки в области создания электронной ткани уже сегодня выглядят столь многообещающе, что по мнение многих аналитиков, уже к 2020 году такая одежда станет повседневной.

Ее отличительной чертой станет возможность беспрерывного воспроизведения статического изображения или видео. Одна и та же футболка сможет в зависимости от настроения человека показывать изображение звездного неба или тропический пейзаж. Правда, можно предположить, что абсолютная свобода выбора изображений на одежде может привести к общественному возмущению, поэтому ассортимент изображений придется регулировать законодательно. Примерно, как содержание телеэфира в наши дни.

Первые образцы такой ткани были созданы еще несколько лет назад. В 2006 году продажи «умных» спортивных костюмов начала компания Spyder. Поумнели они благодаря со вставкам из электронной ткани ElekTex от британской компании Eleksen. Ткань сделана из нескольких слоев, включая электропроводящий и защитный, и может реагировать на прикосновения к своей поверхности. При этом, она не только регистрирует точку прикосновения, но и силу давления и направление нажатия. Благодаря этому, можно управлять работой плеера iPod, не вынимая его из кармана, с помощью нанесенных на рукаве костюма обозначений кнопок. Обладая этими уникальными характеристиками, ткань все же остается тканью - ее можно сворачивать, мять и даже стирать.

Когда электронная ткань получит достаточное развитие, большинство сегодняшних гаджетов - например, телефон и плеер - могут быть встроены в одежду. В таком случае достаточно будет взмахнуть рукой, чтобы активировать мобильную связь, а затем разговаривать с помощью микрофона, встроенного, например, в лацкан пиджака. Следующим шагом может стать использование совместно с электронной тканью революционного интерфейса thought-to-speech.

В марте 2008 года такая технология была представлена компанией Texas Instruments. Суть ее работы заключается в преобразовании в нервных импульсов, которые, собственно, и приводят в работу голосовые связки, в цифровую информацию, например, в синтезированную речь. Сегодня эта технология в первую очередь используется для того, чтобы дать возможность говорить по телефону немым людям, однако ее будущее ничем не лимитировано.

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПЕНА: МАТЕРИАЛ С ЖЕЛЕЗНОЙ ПАМЯТЬЮ

Прочнее стали и в воде не тонет

С развитием новых технологий ученые находят все больше возможностей модификации традиционных материалов, например металла. Одна из наиболее перспективных модификаций - металлическая пена - структура, состоящая из твердого металла, чаще всего алюминия, и содержащая большое количество наполненных газом пор. Как правило, примерно 75-95% объема металлической пены составляют пустоты. Материал обладает уникально низким сопротивлением - некоторые виды металлической пены настолько легки, что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.

В будущем металлическая пена может стать неотъемлемой частью машиностроения, а также использоваться в производстве металлокерамики. Материал идеально подходит для создания крупногабаритных чрезвычайно прочных конструкций - другого материала, который способен обеспечить такое соотношения прочности и веса, человечество еще не придумало. Безусловно, она будет активно применяться в космических технологиях, где минимизация массы имеет огромное значение.

Недавнее открытие американских ученых может еще больше расширить сферу применения этого материала. В ходе исследований Национального фонда науки США, удалось разработать новый вид сплава металлической пены, который, реагируя на магнитное излучение, может растягиваться в длину на 10% под воздействием магнитного поля. Для достижения такого эффекта была разработана новая технология. На кусок нагретого пористого алюмината натрия выливается специальный жидкий сплав. После того, как металл охладится, соль алюмината натрия вытравливают кислотой, и металл приобретает пористую структуру.

Ученые назвали новый сплав «металлической пеной с эффектом памяти». По их мнению, он найдет широкое применение в производстве автомобилей и самолетов, а также везде, где требуются материалы, сохраняющие высокую прочность при большом напряжении.

АМОРФНЫЕ МЕТАЛЛЫ: ВСЕ ДЕЛО В СТРУКТУРЕ

Прогресс. Ученые продолжают изобретать материалы будущего

Еще одной модификацией традиционного железа являются аморфные металлы, или так называемые «металлические стекла», которые состоят из металла с хаотичной атомной структурой. Они могут быть вдвое прочнее стали. Разобщенная структура атомов позволяет им рассеивать энергию удара более эффективно, чем жесткая структура традиционных металлов, у которой есть точки уязвимости. Аморфные металлы производят по специальной технологии - расплавленный металл быстро охлаждается, чтобы его атомная структура не успевала приобрести четкую кристаллическую форму.

Металлические стекла вдвое прочнее стали

Военные давно положили глаз на новый вид металла. По их расчетам, сделанная из него броня будет в несколько раз прочнее, та, которую производят по сегодняшним технологиям. Кроме того, аморфные металлы получают широкое распространение в индустрии электроники. Помимо прочности они обладают уникальными магнитными свойствами, которые широко востребованы для производства мобильных телефонов, магнитных лент, высоковольтных трансформаторов. Эффективность энергосбережения при использовании аморфных металлов вырастает в среднем на 40%. Их повсеместное использование может означать экономию сотен тысяч тонн ископаемого топлива в мировом масштабе.

ПРОЗРАЧНЫЙ АЛЮМИНИЙ: ПРОЩАЙ, СТЕКЛО!

Без стекла. В будущем стекла станут алюминиевыми

Металл может быть прозрачным. Это не мечты фантастов. Металл в три раза прочнее, чем сталь, и при этом прозрачный, - уже реальность. Первые образцы этого чуда были получены немецкими учеными из Лаборатории физики Фраунгофера.

Технология его изготовления заключается в спекании мельчайших частиц алюминия при очень высоких температурах. Правильно подобрав размеры частиц, можно добиться высокой прозрачности материала. Для улучшения оптических свойств, в процессе спекания могут быть добавлены редкоземельные добавки.

Ученые предрекают прозрачному алюминию большое будущее. Высокая прочность и прозрачность могут очень пригодиться при строительстве небоскребов и летательных аппаратов. Космические агентства также проявляют большой интерес к новому материалу, в перспективе он может широко применяться при постройке космических станций, сняв ограничение на площадь иллюминаторов, которое сегодня накладывается прочностными характеристиками стекла.

Алексей Бондарев

Конструкторы давно мечтали о «легком металле», плавающем в воде. В настоящее в рюмя разработана и освоена промышленностью технология пенометалла или, как его еще называют, «металлической пены».

В принципе процесс изготовления пенометалла прост. Жидкий металл пропускается через шнековое устройство, напоминающее мясорубку, при этом в него замешивается порошок гидрида титана. При определенной температуре, которая всегда выше температуры плавления металла, гидрид разлагается, выделяется большое количество

Пузырьков водорода, вспенивающих жидкий металл. Высвободившийся при реакции титан «усваивается» алюминием или другим металлом, служащим основой. Вспененная газированная масса быстро разливается в формы и застывает. Образуется ячеистый металл с объемной массой 0,16-0,6 г/см3. Поры в ячеистой массе в основном закрытые, поэтому вспененные металлы плавают в воде.

Разработана получения металлов сетчатого строения, их структура отличается высокой открытой (сообщающейся) пористостью. Такие пенометаллы называются губчатой металлической пеной. В этом случае жидкий металл осаждается на подложку из полнуретано - вой пены.

В качестве основы пенометаллов применяются, главным образом, алюминий, магний и их сплавы и другие металлы: цинк, свинец, железо, медь, никель, сталь и сплавы этих металлов с магнием, титаном.

Хотя пенометаллы в своей основе являются металлическими, по свойствам они значительно отличаются от исходных металлов; это новые материалы.

Пенометаллы обладают целым комплексом превосходных свойств: объемная масса у них ниже, чем у древесины, а прочность значительно выше; они отлично поглощают энергию удара, легко обрабатываются резанием, в них можно вбивать крепежные детали, склеивать их с другими материалами, например со стеклом, пластиками, фанерой. Металлические «пены» красивые, со своеобразным трехмерным декоративным рисунком, проявляют хорошие акустические свойства. Пенометаллы хорошо свариваются, имеют высокие демпфирующие свойства (от немецкого Dampfer -гаситель", способность материалов гасить механические колебания, например вибрацию, или снижать резонансные колебания), повышенную коррозионную стойкость. Прочность изделия из металлической пены значительно повышается при поверхностной обработке-прокатке, ковке, штамповке.

Металлические пены отличаются неожиданным и удивительным свойством-они не плавятся даже при темпе-: ратуре, соответствующей точке плавления исходного сплава. Так, технические сплавы алюминия плавятся при < 560-640°С. Пеноалюминий нагревали в электропечи при! температуре 1400°С, однако он не расплавился; его выдерживали 100 ч при температуре 1482°С, он сильно " окислился, но его прочность и размеры деталей остались прежними. Пенометаллы можно многократно нагревать до высоких температур и быстро охлаждать, при этом свойства их изменяются незначительно; другие пеноси - стемы не выдерживают подобных испытаний.

Предполагается, что изделия из пенометаллов найдут широкое применение, и прежде всего в строительстве:" перегородки, двери, потолочные перекрытия, облицовочные материалы, материалы для полов, декоративные плиты и многое другое. Уже сейчас некоторые отрасли промышленности не могут обходиться без металлической пены, например ракетостроение и космическая техника, в которых пористые металлы применяются для изготовления защитных экранов от радиации, стеллажей и упаковки для электронных машин и приборов. Пенометаллы используют также для изготовления ударопрочных дета - j лей автомобилей (передние части радиаторов, опоры для - спинок задних сидений, рулевое управление, панели для 4 передних и задних спинок и др.), некоторых деталей ] самолетов, железнодорожных вагонов (прежде всего, pe-j фрижераторов), лифтов, контейнеров и т. д. Как правило,", из пеноматериалов производят заготовки круглого и прямоугольного сечения, фасонные полуфабрикаты.

Освоено производство гибких листов больших размен ров из металлической пены с регулируемыми значениями пористости. Для этого в пенометалле содержание воздуха по объему доводят до 93-98%, затем полученный материал прокатывают в листы.

Мы рассказали о многих областях техники, науки, здравоохранения, где хрупкий воздушный пузырек ускоряет технологические процессы, спасает от аварий, гасит пожары, устраняет пыль, грязь и шум, защищает окружающую среду и лечит людей.

Можно было бы привести еще десятки подобных примеров. Мы ограничимся тем, что в заключение просто перечислим еще несколько областей, где пена «трудится».

Разработан специальный процесс крашения тканей и пряжи в пене. В результате удалось сократить расход воды почти в 40 раз, а расход красителей - на 15%, уменьшить металлоемкость и габариты оборудования.

Искусственное вспенивание массы при гидрировании значительно ускоряет и упрощает процесс получения пищевых жиров и специальных технических масел.

При розливе напитков, детского питания, культу - ральных сред (микробиологическая промышленность) и других продуктов длительного хранения поточные линии оборудуются дозаторами пены. Она заполняет свободное пространство над уровнем жидкости непосредственно перед герметизацией емкостей. Так создается простая и надежная преграда для микроорганизмов и окисляющего действия воздуха.

Освоено производство кормовых дрожжей на небольших животноводческих фермах в малогабаритных аппаратах простой конструкции с использованием пены. Она позволила отказаться от интенсивного перемешивания, что упростило обслуживание оборудования и резко уменьшило его размеры. Культивирование дрожжей проводят в условиях обильного вспенивания по системе жидкость-пена-жидкость. Большая площадь поверхности раздела жидкость-воздух в пене обеспечивает активный биосинтез и хороший выход дрожжей.

В нефтяной промышленности с помощью пены извлекают нефть из водонефтяных эмульсий. Такую эмульсию методом флотации разделяют на нефть и воду, а затем, изменяя кислотность среды, гасят пену и выделяют нефть.

Металлические пены

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. 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.

2 Vendra « Composite Metal Foams» 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.Лисаков Ю.Н. Исследование и разработка технологии производства пеноникеля методами карбонильной металлургии: Автореферат диссертации кандидата технических наук. Санкт-Петербург.2005, С.21

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

Активирование процессов взаимодействия компонентов композита на границе раздела фаз

Композиционные материалы можно смело назвать материалами XXI века. Области применения км определяются не только механическими, но и физическими их свойствами - электрическими, магнитными, ядерными, акустическими и др...

Изготовление литых деталей из металлических сплавов

Коррозия на Оренбургском газоперерабатывающем заводе

Коррозионная активность H2S-содержащего газа увеличивается, как известно, с ростом Степень агрессивности сероводородсодержащей среды определяется ее составом, влажностью, рН, температурой, давлением и скоростью потока...

Металлические пены

Особенности слесарных работ судоремонтного завода

Опиливания, зачистки и шабрения поверхностей зачастую бывает недостаточно, чтобы достигнуть достаточно плотного прилегания деталей друг к другу...

Проектирование работ по техническому обслуживанию и ремонту подъемно–транспортного оборудования предприятия

При ТО тщательно осматривают металлоконструкции кранов, так как их разрушение связано с тяжелыми последствиями...

Разработка технологии производства крупногабаритных тонколистовых профилей в роликах и разработка конструкции межклетьевых проводок

Показатели развития легких металлических конструкций В настоящее время для всех развитых стран мира ведущим направлением эффективного металлостроительства является применение легких металлических конструкций в зданиях промышленного...

Релаксационная стойкость напряжений в металлах и сплавах

Сопротивление металлических материалов релаксации напряжений зависит, прежде всего, от прочности связей в кристаллической решетке основного металла. Б.М. Ровинский и В.Г. Лютцау показали, например, что чем «жестче» кристаллическая решетка...

К газам в стали относят, как правило, азот и водород. Особенностью растворения азота и водорода в металлических расплавах является то, что они диссоциируют на атомы. В этом случае реакция растворения газа (Г) записывается в виде...

Теория металлургических процессов

Под раскислением понимают комплекс операций по снижению содержания кислорода в жидкой стали. Основными задачами раскисления являются: снижение содержания кислорода в жидком железе присадками элементов с большим сродством к кислороду...

Получение металлических порошков является важнейшей операцией технологического процесса изготовления деталей из порошковых материалов, от которой зависят их основные свойства...

Технология изготовления изделия из металлических порошков

Металлические порошки характеризуются технологическими, физическими и химическими свойствами, основные из которых регламентируются ГОСТами и техническими условиями. К технологическим свойствам порошков относятся: насыпная плотность...

Физические, химические, механические и технологические свойства металлов: чугуна и стали, алюминия, меди и сплавов. Применение металлов

Металлические материалы делятся на металлы и сплавы. Металлы состоят из одного основного элемента и незначительного количества примесей других элементов. По степени чистоты различают металлы технической, высокой и особой чистоты. Например...

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

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 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.

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.

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: #"justify">.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.

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

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

Приложение

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

Вспененный металл. Металлические пены

Вспененный металл. Металлические пены

Металлические пены

Глава 3. Применение металлических пен