С развитием технологий обнаруживается все больше возможностей модификации традиционных материалов, например металла. Структура, состоящая, как правило, из алюминия, и содержащая большое количество наполненных газом пор - называется металлическая пена. Как правило, примерно 75-95 процента 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. В силу особенностей своей структуры металлическая пена способна поглощать большое количество энергии при относительно низком уровне напряжения. Технология обеспечила возможность сочетания различных металлов и получения изделий разнообразной формы. Исследования осуществлялись с алюминием, но возможно получение пены из олова, цинка, бронзы, свинца, латуни и других металлов.
http://www.equipnet.ru/articles/other/other_556.html

Металлические пены отличаются неожиданным и удивительным 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.

В последние годы в машиностроении и строительстве возрос интерес к изготовлению и применению инновационного материала — металлической пены. Основной причиной для этого стало развитие новых концепций легких и прочных конструкций в автомобилестроении и строительстве.

Первоначально потребность в пористых материалах с высокой жесткостью и низким удельным весом способствовала появлению искусственных материалов, изготовленных из ячеистых полимеров, керамики и стекла, имеющих хорошие демпфирующие и изоляционные свойства. Клеточный материал из металла может предложить более интересные перспективы в связи с сочетанием металлических свойств и особенностей пены.

В последние 40 лет было сделано много попыток для получения металлических пенных структур, однако они не были успешными из-за их относительно высокой стоимости и сложности технологии. Кроме того, несовершенная технология изготовления не позволяла достичь стабильно воспроизводимых свойств. Проблемы были связаны с низкой пенообразующей способностью расплавленного металла, получением различных размеров «клеточных» структур и усадкой при затвердевании. Однако в последнее время эти вопросы были решены при помощи обширных исследований, что привело к разработке новых технологий в производстве. Эти новые технологии вспенивания позволяют изготовить материал значительного более высокого качества. В частности, была успешно получена технология вспенивания алюминия.

Металлическая пена, особенно из алюминия, имеет большие перспективы для применения в промышленности. Вспененный металл имеет малый вес, хорошие теплоизоляционные и звукопоглощающие свойства, негорюч и нетоксичен. «Клеточная» структура материала поглощает вибрации, толчки и звуки исключительно хорошо, а низкий вес обеспечивает идеальную основу для облегченных конструкций. Вспененный алюминий может также обеспечить высокоэффективную защиту от электромагнитных волн. Низкая плотность — 0,3...0,8 г/куб.см — позволяет алюминиевой пене плавать в воде (в случае закрытой пористости). Хотя на данный момент алюминиевая пена не производится в промышленных масштабах, опять-таки, из-за своей дороговизны, однако ожидается, что дальнейшее развитие технологии позволит широко ее применять. Ведь всем известно, что кость, благодаря свой пористой структуре, — один из наиболее прочных биологических материалов. Костная ткань стойка к сопротивлению и сжатию. Похожими на нее ученые решили сделать и металлические материалы будущего.

В течение последних десяти лет было разработано несколько технологий для производства металлических пен, но только некоторые из этих процессов подойдут для производства алюминиевой пены в промышленных масштабах:

а) введение газов напрямую в жидкий металл (рис. 1). В качестве добавок, увеличивающих вязкость расплавленного металла, вводятся SiC или Al2O3 (10-15%). Газ (воздух, азот или аргон) вводят в расплав с помощью вращающейся крыльчатки. Таким способом могут быть получены плиты из металлической пены значительных размеров (0,1х1х10 м). При этом пористость материала достигается 80...97%. Алюминиевый пористый материал увеличивается примерно в 5 раз от первоначального объема.

б) технологический процесс Alporas Shinko Wire Co. Ltd. (Осака, Япония) с добавлением 1,5% кальция в алюминиевый расплав для регулирования вязкости (рис.2). Кальций вводится в расплавленный алюминий при 680 градусах и перемешивается в течение 6 минут. Полученный алюминиевый расплав заливают в литейные формы и перемешивают с добавкой сухого пенообразователя TiH2 с помощью вращающейся крыльчатки. Пенообразователь разлагается под влиянием тепла и водорода, увеличивая свой объем в течение 15 минут. Затем расплав охлаждается в форме с помощью вентиляторов и затвердевает в виде блока с пористостью 89...93%. Литые блоки имеют размеры 450x2050x650 мм и весят 160 кг. Блоки разрезают на листы требуемой толщины.
в) другие процессы:

— «Газар-процесс» основан на различной растворимости водорода в зависимости от создаваемого давления. Металл расплавляют в автоклаве под высоким давлением, что позволяет внедрить большое количество водорода. Этот насыщенный расплав переливается в форму в автоклаве. После этого следует направленное затвердевание расплава при пониженном давлении, что вызывает выделение водорода и вспенивание. Достигаемая пористость имеет низкие значения — 5...75%.

— Технологии Duocel и Cellmet работают на другом принципе. В качестве литейных форм используется полиуретановая пена, заполненная термостойким материалом. После нагревания полимер удаляется и расплавленный металл приобретает пористую структуру полиуретановой пены, заполняя прессформу. Пористость материала, как правило, в диапазоне 80...97%. Этот процесс отличается от предыдущих тем, что металлическая пена получается с открытыми ячейками.

Благодаря своей ячеистой структуре пены ведут себя по-другому при механических испытаниях, по сравнению с обычными металлическими материалами. Поэтому традиционные методы испытаний не могут быть применены к металлической пене (к примеру, испытания на растяжение). Испытания с наиболее значимыми результатами — на степень сжатия. Типичная диаграмма для пен (рис.3) с открытыми и закрытыми порами имеет три характерные части. Вначале происходит линейный рост напряжения (1) при увеличении деформации, затем горизонтальный участок при постоянной нагрузке (2), и резкое увеличение деформаций в конце (3) в результате разрушения пористой структуры. Металлические пены ведут себя так же, как полиуретановые — с той разницей, что их прочность примерно в 30 раз выше при том же уровне пористости.

Как и в случае со сплошными металлами, пены также могут подвергаться термической обработке, но этот процесс гораздо сложнее из-за низкой теплопроводности пористой структуры. Закалку произвести трудно, потому что невозможно достичь равномерной скорости нагрева и охлаждения по всему объему материала. Вода не может быть использована в качестве закалочной среды, потому что ячейки пористой структуры могут разрушиться. Для закалки используется сжатый воздух, что приводит к снижению скорости охлаждения.

Поверхность вспененного металла также влияет на его свойства. Если пена испытывается со сплошной коркой после литья, то такой материал выдерживает более высокие напряжения. Причина этого заключается в том, что литая сплошная поверхность создает сэндвич-структуру композита, обладающую большей жесткостью. Алюминиевые сэндвич-панели изготавливаются из двух металлических плотных лицевых листов и сердцевины в виде металлической пены. Листы соединяются с алюминиевой пеной методом склеивания, пайки или диффузионной сваркой. Интересная концепция была разработана компанией Karmann (Германия) — сэндвич панели-AFS. Вспенивание алюминиевого наполняющего между двумя листами толщиной 1 мм происходит в печи, готовый «сэндвич» имеет толщину 8...12 мм, при этом не требуется соединение пены и листов. Панели AFS на 50% легче и в 10 раз жестче, чем аналогичный стальной лист. По сравнению со сплошным алюминиевым листом, теплоизоляция «сэндвича» на 95% выше.

Идеальное сочетание всех этих свойств алюминиевых пен по схеме сэндвич-панелей делает материал AFS отличным вариантом для изготовления кузовов автомобилей. Из-за высокой прочности на кручение и жесткости можно уменьшить количество деталей, которые должны быть изготовлены для сборки для кузова автомобиля. Алюминиевая пена в случае аварии и лобового столкновения поглотит энергию удара и защитит пассажиров транспортного средства. Для этих целей из алюминиевой пены могут быть изготовлены крылья и лонжероны, стойки дверей автомобиля, багажник, капот и раздвижная крыша. Звукопоглощающие свойства пен можно использовать в моторном отсеке автомобиля для предотвращения передачи шума в пассажирский салон и окружающую среду.

Благодаря своему легкому весу алюминиевая пена может стать очень важным конструкционным материалом для аэрокосмической промышленности. Например, материалы из алюминиевой пены или сэндвич-панелей могут заменить дорогие сотовые конструкции. Это будет иметь ряд преимуществ, например, снижение затрат. Еще одним важным преимуществом является изотропность свойств таких панелей и отсутствие какого-либо клеевого соединения. Последнее могло бы помочь сохранить целостность конструкции в случае пожара. Однако, важным вопросом, который является предметом текущих исследований, является усталостная характеристика алюминиевой пены и сэндвич-панелей.

Легкость и «плавучесть» алюминиевой пены может применяться в судостроении. Морские суда не строятся большими сериями и не собираются из высоко стандартизованных частей. Поэтому алюминиевая пена или панели могут иметь большие преимущества. Условием их использования будет развитие
подходящих крепежных элементов и исследование коррозии алюминиевой пены в морской воде. Первые исследования пен с закрытым типом ячеек показали, что хлорид натрия влияет только на поверхностный слой алюминиевой пены, не вызывая структурных дефектов.

В строительстве зданий и сооружений есть хорошие возможности для применения алюминиевой пены, в основном из-за ее хорошего сопротивления проникновению огня и теплоизоляционным свойствам. Например, детали из пены или сэндвич-панелей могут быть использованы в качестве элементов наружных фасадов или настенных покрытий внутри зданий. В обоих случаях алюминиевая пена может служить энергосберегающим строительным материалом. Из алюминиевых панелей возможно изготовление облицовки в железнодорожные тоннелях под шоссе, мостами или внутри зданий в качестве звукопоглощающего материала.

Еще одна область применения алюминиевой пены — возведение легких конструктивных элементов, например, мобильных мостов. Алюминиевая пена может использоваться для уменьшения расхода энергии лифтов. Алюминиевые панели могут быть легко установлены без грузоподъемного оборудования.
Уникальные свойства алюминиевой пены имеют большой потенциал для дизайнеров бытовых предметов и мебели. Этот материал может быть использован для ламп, столов или предметов домашнего обихода и аксессуаров. Мебель, изготовленная из металлической пены, обладает легким весом, который может быть большим преимуществом в офисных помещениях или на ярмарках и выставках.
Алюминиевая пена может также служить в качестве материала для изготовления теплообменников, тепловых экранов, фильтров или носителей для катализаторов. Другой возможностью является использование в качестве материала для защиты от электромагнитных волн для потолков и стен помещений с электронным оборудованием.

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

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...

Металлические пены

Для изготовления пористых металлических структур вместо расплавленного металла могут быть использованы металлические порошки. Опять же, существует несколько различных методов...

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...

Анастасия Богданова
Фото с сайтов fraunhofer.de, wikipedia.org

Всем известно, что кость, — один из наиболее прочных биологических материалов. Костная ткань стойка к сопротивлению и сжатию, чрезвычайно долго противостоит разрушению. Похожим на нее ученые решили сделать и металл будущего .

Металлическое чудо

С развитием технологий обнаруживается все больше возможностей модификации традиционных материалов, например металла . Структура, состоящая, как правило, из алюминия , и содержащая большое количество наполненных газом пор — называется металлическая пена. Как правило, примерно 75-95 процента 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. В силу особенностей своей структуры металлическая пена способна поглощать большое количество энергии при относительно низком уровне напряжения . Технология обеспечила возможность сочетания различных металлов и получения изделий разнообразной формы. Исследования осуществлялись с алюминием, но возможно получение пены из олова , цинка , бронзы , свинца , латуни и других металлов.

Металлическая пена , так называемый пеноникель , разрабатывается, в частности, российской компанией «Новомет-Пермь». По данным этой фирмы, такой материал обладает экстремально высокой сообщающейся пористостью 96 процентов и экстраординарными свойствами. 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

Пена нового поколения

Как и все в науке, металлическая пена подверглась совершенствованию. Недавно доктор Афсанех Рабией из университета Северной Каролины открыла самую прочную металлическую пену в мире . Материал может сжиматься до 80 процентов своего размера под действием веса и сохранять первоначальную форму. Новая металлическая пена уникальна благодаря своей однородности ячеек и их стенок. Именно это придает ей прочность и эластичность, необходимую для сжатия без деформации.

Сферы применения такой металлической пены — самые разнообразные. Наиболее же перспективным является использование в автомобиле- и машиностроение. Полагают, что металлическая пена может применяться в качестве элементов боковой и лобовой обшивки кузовов автомобилей и железнодорожных вагонов в целях максимального поглощения энергии удара при столкновениях. Защита водителя и пассажиров станет максимально надежной и комфортной. Металл идеален при создании военной амуниции, в строительстве — эластичная и прочная пена в конструкции зданий способна выдержать любое землетрясение. 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.

Российской действительности еще предстоит знакомство с металлической пеной. Специалист испытательного центра «СПбГАСУ» Виктор Зверев отказался от комментариев, 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.

Рецептура

Каков же процесс производства такой пены? Технология проста. Сперва смешивают порошки металлов или сплавов со специальным связующим, которое проникает в металлическую матрицу . Происходит термообработка матрицы, помещаемой в полую форму, при температуре, близкой к точке плавления данного металла. В результате металл плавится, содержащийся в соединении газообразный водород освобождается и вспенивает жидкий металл. Последний поднимается, как дрожжевое тесто: объем образующегося материала, состоящего на 85 процента из воздуха и на 15 — из металла, впятеро превышает исходный. После охлаждения детали вынимаются из формы — они готовы к использованию.

Практический аспект

Металлические пены из алюминия, магния, стали, титана или цинка выдерживают высокое давление, приглушают звук, ослабляют вибрации, хорошо изолируют. Они легко поддаются сверлению , распиливанию и фрезерованию , а потому успешны для защиты от ударов в автомобилях, в качестве катализаторов в химии, в изготовлении топливных элементов, а также как биологически совместимый протез костной ткани в медицине.

В авиакосмической промышленности замена алюминиевыми пенными панелями дорогостоящих сотовых конструкций может сократить издержки производства. Алюминиевые пористые панели могут способствовать сокращению потребления энергии при эксплуатации лифтов, так как в условиях высоких скоростей их движения и частой смены ускорений и замедлений легкость конструкции приобретает особо значение. Широкое поле применения в строительстве открывается и для вспениваемых заготовок, которые могут, например, использоваться для закрепления штепсельных розеток в бетонной стене. Такая заготовка может быть помещена в отверстие в стене и подвергнута нагреву после монтажа розетки, в результате чего обеспечивается очень прочное соединение.

Возможно также создание конструктивных элементов с основой из алюминиевой пены, покрытой слоями алюминия, стали, пластмассы или углеродных волокон. «Сегодня эти технологии пригодны для производства крупных серий и полностью автоматизированы», — заявляет физик Иоахим Баумайстер из Института производственных технологий и прикладного материаловедения им. Фраунгофера в Бремене . Однако у алюминия есть и недостатки. Один из важнейших — алюминиевый лом трудно использовать повторно: в нем много различных легирующих добавок. При этом стальной лом целиком идет на вторичную переплавку. По этой причине на автозаводах используется лишь 35 процентов алюминия. Если еще учесть, что производство алюминия один из самых опасных загрязнителей природы, то широкая дорога в производство пене из этого металла кажется закрытой.

В медицине металлические пены используют для ускорения процессов заживления костной ткани. Как уже было отмечено, структура пористого материала подобна естественной структуре кости. Поэтому он идеально подходит для ее замещения.
Использование композитных имплантантов 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.

Как видно, мало знакомый российским экспертам, но интереснейший и многообещающий металл — важное открытые. Своевременное и нужное.

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.

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

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.