Kovová pěna - Metal foam

Pěnivý hliník
Pravidelně pěnivý hliník

A kovová pěna je buněčná struktura skládající se z pevné látky kov (často hliník ) s plynem póry zahrnující velkou část objemu. Póry mohou být uzavřeny (uzavřená buňka pěna ) nebo vzájemně propojené (pěna s otevřenými buňkami). Charakteristickou vlastností kovových pěn je vysoká pórovitost: obvykle pouze 5–25% objemu tvoří obecný kov. Pevnost materiálu je způsobena zákon čtvercové krychle.

Kovové pěny obvykle některé zadržují fyzikální vlastnosti jejich základního materiálu. Pěna vyrobená z nehořlavého kovu zůstává nehořlavá a může být obecně recyklována jako základní materiál. Své koeficient tepelné roztažnosti je podobný tepelná vodivost je pravděpodobně snížena.[1]

Otevřená buňka

Kovová pěna s otevřenými buňkami
CFD (numerická simulace) toku tekutiny a přenosu tepla na kovové pěně s otevřenými buňkami

Kovová pěna s otevřenými buňkami, nazývaná také kovová houba,[2] lze použít v Tepelné výměníky (kompaktní chlazení elektroniky, kryogenní nádrže, PCM Tepelné výměníky ), absorpce energie, difúze toku a lehká optika. Vysoká cena materiálu obecně omezuje jeho použití na vyspělou technologii, letecký a kosmický průmysl a výroba.

Jako vysokoteplotní se používají jemné pěny s otevřenými póry, jejichž buňky jsou menší, než je vidět bez pomoci filtry v chemickém průmyslu.

Kovové pěny se používají v kompaktních výměníků tepla ke zvýšení přenosu tepla za cenu sníženého tlaku.[3][4][5][je zapotřebí objasnění ] Jejich použití však umožňuje podstatné snížení fyzické velikosti a výrobních nákladů. Většina modelů těchto materiálů používá idealizované a periodické struktury nebo průměrné makroskopické vlastnosti.

Kovová houba má velmi velkou plochu na jednotku hmotnosti a katalyzátory jsou často formovány do kovové houby, jako např palladiová černá, platinová houba, a houbovitý nikl. Kovy jako osmium a hydrid palladnatý se metaforicky nazývají „kovové houby“, ale tento termín je spíše odkazem na jejich vlastnost vazby na vodík než na fyzickou strukturu.[6]

Výrobní

Pěny s otevřenými buňkami vyrábí slévárna nebo prášková metalurgie. U práškové metody se používají „držáky prostoru“; jak naznačuje jejich název, zabírají póry a kanály. Při odlévání se pěna odlévá s otevřenými buňkami polyuretan pěnová kostra.

Uzavřená buňka

Kovová pěna s uzavřenými buňkami byla poprvé uvedena v roce 1926 Mellerem ve francouzském patentu, kde se pěnění lehkých kovů provádí buď vstřikováním inertního plynu, nebo nadouvadlo bylo navrženo.[7] V letech 1948 a 1951 byly Benjaminovi Sosnikovi, který se přihlásil, vydány dva patenty na kov podobný houbě rtuť pára k vyfukování tekutého hliníku.[8][9]

Kovové pěny s uzavřenými buňkami byly vyvinuty v roce 1956 Johnem C. Elliottem v Bjorksten Research Laboratories. Ačkoli první prototypy byly k dispozici v padesátých letech, komerční výroba začala v 90. letech společností Shinko Wire v Japonsku. Kovové pěny s uzavřenými buňkami se používají podobně jako materiál pohlcující nárazy polymer pěny v a cyklistická helma ale pro vyšší nárazová zatížení. Na rozdíl od mnoha polymerních pěn zůstávají kovové pěny po nárazu zdeformované, a proto je lze zdeformovat pouze jednou. Jsou lehké (obvykle 10–25% hustoty identické neporézní slitiny; obvykle hliníkové) a tuhý a jsou často navrhovány jako lehký konstrukční materiál. Pro tento účel však nebyly široce používány.

Pěny s uzavřenými buňkami zachovávají požární odolnost a recyklační potenciál jiných kovových pěn, ale přidávají vlastnost flotace ve vodě.

Výrobní

Pěny se běžně vyrábějí vstřikováním plynu nebo mícháním pěnivý prostředek do roztavený kov.[10] Taveniny lze napěnit vytvářením plynových bublin v materiálu. Za normálních okolností bubliny v roztaveném kovu v kapalině s vysokou hustotou vysoce vznášejí a rychle stoupají k povrchu. Tento vzestup lze zpomalit zvýšením viskozity roztaveného kovu přidáním keramických prášků nebo legujících prvků za vzniku stabilizujících částic v tavenině nebo jinými prostředky. Kovové taveniny lze napěnit jedním ze tří způsobů:

  • vstřikováním plynu do tekutého kovu z vnějšího zdroje;
  • vyvoláním tvorby plynu v kapalině přimícháním nadouvadel uvolňujících plyn s roztaveným kovem;
  • způsobením srážení plynu, který byl dříve rozpuštěn v roztaveném kovu.

Ke stabilizaci roztavených kovových bublin jsou nutná vysokoteplotní pěnící činidla (pevné částice o velikosti nano nebo mikrometrů). Velikost póry, nebo buňky, je obvykle 1 až 8 mm. Pokud se použijí pěnicí nebo nadouvací prostředky, smíchají se s práškovým kovem před jeho roztavením. Toto je takzvaná „prášková cesta“ pěnění a je pravděpodobně nejrozšířenější (z průmyslového hlediska). Po kovu (např. hliník ) prášky a pěnící látky (např.TiH2 ) byly smíchány, jsou stlačeny do kompaktního, pevného předchůdce, který může být k dispozici ve formě sochoru, listu nebo drátu. Výroba prekurzorů může být provedena kombinací procesů formování materiálů, jako je lisování práškem,[11] vytlačování (Přímo[12] nebo vyhovět[13]) a ploché válcování.[14]

Kompozity

Kompozitní kovová pěna (CMF) je vytvořena z dutých kuliček jednoho kovu v pevné matrici jiného kovu, jako je ocel v hliníku, vykazující 5 až 6krát větší poměr pevnosti k hustotě a více než 7krát větší absorpci energie než předchozí kovové pěny.[15]

Deska o tloušťce menší než jeden palec má dostatečný odpor k otočení a .30-06 Springfield standardní vydání M2 průbojná kulka v prach. Testovací deska překonala pevnou kovovou desku podobné tloušťky, přičemž váží mnohem méně. Mezi další potenciální aplikace patří jaderný odpad (stínění Rentgenové záření, gama paprsky a neutron záření) a tepelná izolace pro atmosférický návrat do vesmíru s dvojnásobnou odolností proti ohni a teplu než běžné kovy.[16][17] Další studie, která testovala odolnost CMF na náboje ráže .50, zjistila, že CMF mohl zastavit taková náboje při méně než polovině hmotnosti válcované homogenní brnění.[18]

CMF může nahradit válcované ocelové brnění se stejnou ochranou za třetinu hmotnosti. Může blokovat fragmenty a rázové vlny, které jsou odpovědné za poranění mozku. Nerezová ocel CMF může blokovat tlak výbuchu a fragmentaci rychlostí 5 000 stop za sekundu od vysoce výbušný zápalný (HEI) náboje, které vybuchnou 18 palců od štítu. Ocelové CMF desky (9,5 mm nebo 16,75 mm tlusté) byly umístěny 18 palců od štítku drženého proti vlně tlakového tlaku a proti fragmentům mědi a oceli vytvořeným 23 × 152 mm HEI kolem (jako v protiletadlové zbraně ) a také 2,3 mm hliníkový štítek.[19]

Stochastické a pravidelné pěny

Stochastický

Pěna je považována za stochastickou, když je distribuce pórovitosti náhodná. Většina pěn je stochastická kvůli způsobu výroby:

  • Pěna z tekutého nebo pevného (práškového) kovu
  • Depozice par (CVD na náhodné matrici)
  • Přímé nebo nepřímé náhodné lití formy obsahující kuličky nebo matrici

Pravidelný

Proces výroby běžné kovové pěny přímým lisováním, proces CTIF[20][21][22]

Pěna se říká, že je pravidelná, když je struktura objednána. Přímé formování je technologie, která vyrábí běžné pěny[20][21] s otevřenými póry. Kovové pěny lze také vyrábět aditivními procesy, jako je např selektivní laserové tavení (SLM).

Desky lze použít jako licí jádra. Tvar je přizpůsoben pro každou aplikaci. Tento způsob výroby umožňuje „dokonalou“ pěnu, tzv. Protože uspokojuje Plateauovy zákony a má vodivé póry ve tvaru komolého osmistěnového Kelvinova článku (centrovaný na tělo struktura).

Kelvinova buňka (podobná struktuře Weaire – Phelan)

Galerie pravidelných pěn

  • Chladič s měděnou pěnou

  • Padací box včetně hliníkové pěny

  • Hliníková pěna s velkou pórovitostí

  • Hliníková pěna s hliníkovým plechem

  • Hlavička - kovová kovová pěna

Aplikace

Design

Kovovou pěnu lze použít v produktové nebo architektonické kompozici.

Galerie designu

  • opracovaná kovová pěna

  • Designový chladič s běžnou pěnou[23]

  • konferenční stolek s velkým pórovitým hliníkem

Mechanické

Ortopedie

Hlavní článek: Osseointegrace § Pokroky v materiálovém inženýrství: kovové pěny

Pěnový kov byl použit u pokusných zvířat protéza. V této aplikaci je do otvoru vyvrtán otvor kost a vložila se kovová pěna a nechala kost dorůst do kovu pro trvalé spojení. Pro ortopedické aplikace tantal nebo titan pěny jsou společné pro jejich pevnost v tahu, odolnost proti korozi a biokompatibilita.

Zadní nohy a sibiřský husky s názvem Triumph obdržel pěnové kovové protézy. Studie na savcích ukázaly, že porézní kovy, jako např titan pěna, může dovolit cévní izolace v porézní oblasti.[24]

Výrobci ortopedických pomůcek používají pěnové konstrukce nebo kovové pěnové povlaky[25] dosáhnout požadované úrovně osseointegrace.[26][27][28]

Automobilový průmysl

Primární funkce kovových pěn ve vozidlech mají vzrůst tlumení zvuku, snížit váhu, zvýšit absorpci energie v případě havárie a (ve vojenských aplikacích) bojovat s otřesovou silou z IED. Jako příklad lze použít trubky plněné pěnou jako tyče proti vniknutí.[29] Vzhledem k jejich nízké hustotě (0,4–0,9 g / cm3), jsou zvláště zohledňovány pěny z hliníku a slitin hliníku. Tyto pěny jsou tuhé, nehořlavé, netoxické, recyklovatelné, absorbující energii, méně tepelně vodivé, méně magneticky propustné a účinněji tlumí zvuk, zejména ve srovnání s dutými částmi. Kovové pěny v dutých částech automobilů snižují body slabosti obvykle spojené s autonehodami a vibracemi. Tyto pěny jsou levné na odlévání práškovou metalurgií ve srovnání s odléváním jiných dutých dílů.

Ve srovnání s polymerovými pěnami ve vozidlech jsou kovové pěny tužší, silnější, absorbují více energie a jsou odolné vůči ohni a povětrnostním vlivům UV světlo, vlhkost a kolísání teploty. Jsou však těžší, dražší a neizolační.[30]

Technologie kovových pěn byla použita v automobilovém průmyslu výfukový plyn.[31] Ve srovnání s tradičními katalyzátory toto použití kordierit keramika jako substrát, kovový pěnový substrát nabízí lepší přenos tepla a vykazuje vynikající vlastnosti přenosu hmoty (vysoká turbulence) a může snížit množství Platina katalyzátor Požadované.[32]

Absorpce energie

Hliníkový havarijní graf

Kovové pěny se používají k vyztužení konstrukce bez zvýšení její hmotnosti.[33] Pro tuto aplikaci jsou kovové pěny obecně uzavřené póry a jsou vyrobeny z hliníku. Pěnové panely se lepí na hliníkovou desku, aby se získal odolný kompozitní sendvič lokálně (v tloušťce plechu) a tuhý po celé délce v závislosti na tloušťce pěny.

Výhodou kovových pěn je, že reakce je konstantní bez ohledu na směr síly. Pěny mají po deformaci plošinu napětí, která je konstantní až po 80% drcení.[34]

Tepelný

Vedení tepla v běžné kovové pěnové struktuře
Přenos tepla v běžné kovové pěnové struktuře

Tian a kol.[35] uvedl několik kritérií pro posouzení pěny ve výměníku tepla. Porovnání tepelně výkonných kovových pěn s materiály běžně používanými při intenzifikaci výměny (žebra, spojené povrchy, patkové lože) nejprve ukazuje, že tlakové ztráty způsobené pěnami jsou mnohem důležitější než u běžných žeber, přesto jsou podstatně nižší než ty korálků. Koeficienty výměny jsou blízko lůžek a kuliček a značně nad lopatkami.[36][37]

Pěny nabízejí další termofyzikální a mechanické vlastnosti:

  • Velmi nízká hmotnost (hustota 5–25% sypké hmoty v závislosti na způsobu výroby)
  • Velká výměnná plocha (250–10 000 m2/ m3)
  • Relativně vysoká propustnost
  • Relativně vysoká účinná tepelná vodivost (5–30 W / (mK))
  • Dobrá odolnost vůči tepelným šokům, vysokým tlakům, vysokým teplotám, vlhkosti, opotřebení a tepelným cyklům
  • Dobrá absorpce mechanických rázů a zvuku
  • Výrobce může řídit velikost pórů a pórovitost

Komercializace kompaktních tepelných výměníků, chladičů a tlumičů nárazů na bázi pěny je omezena kvůli vysokým nákladům na replikaci pěny. Jejich dlouhodobá odolnost proti znečištění, korozi a erozi není dostatečně charakterizována. Z hlediska výroby vyžaduje přechod na pěnovou technologii nové výrobní a montážní techniky a design výměníku tepla.

Viz také

Reference

  1. ^ Porovnejte materiály: litý hliník a hliníková pěna Archivováno 2010-04-30 na Wayback Machine. Makeitfrom.com. Citováno 2011-11-19.
  2. ^ John Banhart. „Co jsou to buněčné kovy a kovové pěny?“ Archivováno 2010-12-29 na Wayback Machine.
  3. ^ Topin, F .; Bonnet, J. -P .; Madani, B .; Tadrist, L. (2006). "Experimentální analýza vícefázového toku v kovové pěně: zákony toku, přenos tepla a konvektivní var". Pokročilé inženýrské materiály. 8 (9): 890. doi:10.1002 / adem.200600102.
  4. ^ Banhart, J. (2001). "Výroba, charakterizace a použití pórovitých kovů a kovových pěn". Pokrok v materiálových vědách. 46 (6): 559–632. doi:10.1016 / S0079-6425 (00) 00002-5.
  5. ^ DeGroot, C. T., Straatman, A. G. a Betchen, L. J. (2009). "Modelování nucené konvekce v žebrovaných chladičích z kovové pěny". J. Electron. Packag. 131 (2): 021001. doi:10.1115/1.3103934.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  6. ^ Ralph Wolf; Khalid Mansour.„Úžasná kovová houba: Nasávání vodíku“ Archivováno 16. 11. 2015 na Wayback Machine.1995.
  7. ^ De Meller, MA Francouzský patent 615 147 (1926).
  8. ^ Sosnick, B. US patent 2 434 775 (1948).
  9. ^ Sosnick, B. US patent 2553 016 (1951).
  10. ^ Banhart, John (2000). „Výrobní trasy pro kovové pěny“. JOM. Společnost minerálů, kovů a materiálů. 52 (12): 22–27. Bibcode:2000JOM .... 52l..22B. doi:10.1007 / s11837-000-0062-8. S2CID  137735453. Archivováno od originálu dne 2012-01-01. Citováno 2012-01-20.
  11. ^ Bonaccorsi, L .; Proverbio, E. (1. září 2006). "Vliv zhutnění prášku na chování pěny uni-axiálních lisovaných prekurzorů PM". Pokročilé inženýrské materiály. 8 (9): 864–869. doi:10.1002 / adem.200600082.
  12. ^ Shiomi, M .; Imagama, S .; Osakada, K .; Matsumoto, R. (2010). "Výroba hliníkových pěn z prášku vytlačováním za horka a pěněním". Journal of Materials Processing Technology. 210 (9): 1203–1208. doi:10.1016 / j.jmatprotec.2010.03.006.
  13. ^ Dunand, [redaktoři] Louis Philippe Lefebvre, John Banhart, David C. (2008). MetFoam 2007: porézní kovy a kovové pěny: sborník z páté mezinárodní konference o porézních kovech a kovových pěnách, 5. – 7. Září 2007, Montreal Kanada. Lancaster, Pa .: DEStech Publications Inc. s. 7–10. ISBN  978-1932078282.CS1 maint: další text: seznam autorů (odkaz)
  14. ^ Strano, M .; Pourhassan, R .; Mussi, V. (2013). "Vliv válcování za studena na účinnost pěnění prekurzorů hliníku". Journal of Manufacturing Processes. 15 (2): 227. doi:10.1016 / j.jmapro.2012.12.006.
  15. ^ Urweb: vysoce výkonná kompozitní kovová pěna. Archivováno 12. 12. 2013 na Wayback Machine Citováno 2013-12-10.
  16. ^ MICU, ALEXANDRU (6. dubna 2016). "Kompozitní kovová pěna lépe zastavuje kulky než plné desky". Věda ZME. Archivováno od originálu 10. dubna 2016. Citováno 2016-04-09.
  17. ^ https://news.ncsu.edu/2015/07/rabiei-foam-rays-2015/Shipman Matt Studie nalezla kovové pěny schopné chránit rentgenové záření, paprsky gama, neutronové záření, NC State University News, 17.05.15
  18. ^ Shipman, Matt Kovová pěna se zastaví, stejně jako ocel - 0,50 ráže, méně než poloviční hmotnost, NC State University News, 05.05.19
  19. ^ Wang, Brian (24-04-24). „Kompozitní kovové pěny poskytují ochranu brnění pro třetinu hmotnosti a dělají nárazníky super automobilů | NextBigFuture.com“. NextBigFuture.com. Citováno 2018-05-24.
  20. ^ A b Recherche sur la production de pièces de fonderie en mousse métallique - Recherche en fonderie: les mousses métalliques Archivováno 2013-10-29 na Wayback Machine. Ctif.com. Citováno 2013-12-03.
  21. ^ A b ALVEOTEC - inovace Archivováno 2014-07-30 na Wayback Machine. Alveotec.fr/cs. Citováno 2013-12-03.
  22. ^ „ALVEOTEC - Actualités - video: proces výroby hliníkové pěny“. Archivováno z původního dne 2014-07-30.
  23. ^ ALVEOTEC - Actualités - LOUPI Lighing uvádí na trh svůj nový chladič z kovové pěny pro osvětlení application_66.html Archivováno 2014-07-30 na Wayback Machine. Alveotec.fr. Citováno 2013-12-03.
  24. ^ Osseointegrace s titanovou pěnou v králičí stehenní kosti Archivováno 2016-04-18 na Wayback Machine, Youtube
  25. ^ Titanové povlaky na ortopedických zařízeních Archivováno 2016-03-13 na Wayback Machine. Youtube
  26. ^ Biomet ortopedie, Regenerex® Porous Titanium Construct Archivováno 2011-09-28 na Wayback Machine
  27. ^ Zimmer Orthopedics, Technologie Trabeluar Metal Archivováno 18.07.2011 na Wayback Machine
  28. ^ Zimmer Porézní povlak CSTiTM (Cancellous-Structured Titanium TM) Archivováno 18.07.2011 na Wayback Machine
  29. ^ Strano, Matteo (2011). "Nový přístup FEM pro simulaci trubek plněných kovovou pěnou". Journal of Manufacturing Science and Engineering. 133 (6): 061003. doi:10.1115/1.4005354.
  30. ^ Nový koncept designu lehkých automobilových komponentů Archivováno 2012-03-24 na Wayback Machine. (PDF). Citováno 2013-12-03.
  31. ^ Alantum Innovations in Alloy Foam: Home Archivováno 2010-02-17 na Wayback Machine. Alantum.com. Citováno 2011-11-19.
  32. ^ Vývoj následné úpravy na bázi kovové pěny na osobním automobilu s naftovým motorem - virtuální konferenční centrum[trvalý mrtvý odkaz ]. Vcc-sae.org. Citováno 2011-11-19.
  33. ^ Banhart, John; Dunand, David C. (2008). MetFoam 2007: Porézní kovy a kovové pěny: Sborník z páté mezinárodní konference o porézních kovech a kovových pěnách, 5. – 7. Září 2007, Montreal Kanada. DEStech Publications, Inc. ISBN  9781932078282.
  34. ^ ALVEOTEC - Actualités - Příklady použití kovové pěny. Archivováno 2014-07-30 na Wayback Machine Alveotec.fr. Citováno 2013-12-03.
  35. ^ Tian, ​​J .; Kim, T .; Lu, T. J .; Hodson, H. P .; Queheillalt, D. T .; Sypeck, D. J .; Wadley, H. N. G. (2004). „Účinky topologie na tok tekutin a přenos tepla v buněčných měděných strukturách“ (PDF). International Journal of Heat and Mass Transfer. 47 (14–16): 3171. doi:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2004.02.010. Archivováno (PDF) z původního dne 2016-03-03.
  36. ^ Miscevic, M. (1997). Etude de l'intensification des transferts Thermiques par des structures poreuses: Application aux échangeurs compacts et au refroidissement diphasique. IUSTI. Marseille., Université de Provence
  37. ^ Catillon, S., C. Louis a kol. (2005). Využití mousses métalliques dans un réformeur catalytique du méthanol pour la production de H2. GECAT, La Rochelle.

externí odkazy