1. Czym jest pianka metalowa i pianka aluminiowa
W toku historii odkrycie spienionego metalu stanowi ważny kamień milowy w rewolucji całej dziedziny inżynierii materiałowej. Pianka metalowa to materiał składający się ze struktury metalowej, która ma dużą liczbę porów i jest wypełniona gazem wzdłuż struktury [2]. Pory tych pianek metalowych mogą być ze sobą połączone lub uszczelnione i są nazywane odpowiednio pianką otwartokomórkową i pianką zamkniętokomórkową, jak pokazano na rysunku 2(a)(b) [3]. Spośród nich spieniony materiał aluminiowy jest obecnie najbardziej obiecującym spienionym metalem, ze względu na wysoką porowatość, niską gęstość, lekkość, wysoką wytrzymałość, dobrą ściśliwość, silne pochłanianie uderzeń, dobre właściwości pochłaniania dźwięku i dobre właściwości ekranowania elektromagnetycznego. Doskonała wydajność, dlatego znana jako „gwiazda metalu” [4], szeroko stosowana w innych metodach przetwarzania w dziedzinie inżynierii lotniczej, produkcji i nauk fizycznych.
Rysunek 2. Charakterystyka strukturalna spienionego aluminium: (a) Pianka aluminiowa o otwartych komórkach; (B) Pianka aluminiowa o zamkniętych komórkach [3]
2. Odkrycie spienionego aluminium
Przez całą historię materiały takie jak kość, drewno i pumeks były szeroko stosowane przez długi czas. Wielu badaczy przewiduje, że użyteczność tych materiałów promowała produkcję materiałów wytwarzanych przez człowieka, takich jak pianka metalowa. Chociaż większość obecnie stosowanych technologii spieniania została zaproponowana od lat 50. XX wieku, badania wykazały, że odkrycie spienionego aluminium można prześledzić do 1926 roku, kiedy Ma De Meller po raz pierwszy wspomniał o spienianiu metalu w patencie francuskim. Meller zasugerował kiedyś, że proces spieniania metalu można osiągnąć poprzez wprowadzenie gazu obojętnego do stopionego metalu lub poprzez użycie środka spieniającego, takiego jak węglan w stopionym metalu. Chociaż jest to tylko patent oparty na tym pomyśle, stanowi on podstawę dla kolejnych kroków wymaganych w rozwoju pianki aluminiowej. John C. Elliott rozwinął ten pomysł 20 lat później, projektując zaktualizowaną wersję patentu Mellera i wprowadzając pierwszą dostępną piankę aluminiową, co z kolei przyczyniło się do komercjalizacji materiału w Japonii w latach 90. XX wieku. Wydanie położyło podwaliny [5].
3. Wydajność i zastosowanie spienionego aluminium
Spienione aluminium to metal o dużej porowatości i porowatej strukturze, w którym uszczelnione pory stanowią około trzech czwartych całkowitej objętości materiału metalowego, co sprawia, że materiał jest bardzo lekki [7]. Oprócz powyższych cech spienione aluminium ma również imponujące właściwości pochłaniania energii i wysoką ściśliwość [7]. Jeśli chodzi o gęstość, badacze odkryli, że gęstość większości próbek spienionego aluminium wynosi około 0,4-1,2 g·cm-3 [6]. Ponadto spienione aluminium ma również pochłanianie dźwięku, możliwość recyklingu i niską przewodność cieplną [7].
W zakresie zastosowań, ekranowanie elektromagnetyczne, lekkość i właściwości absorpcyjne pianki aluminiowej sprawiają, że jest ona idealnym kandydatem na komponenty stosowane w urządzeniach do kontrolowanej syntezy jądrowej, przemyśle samochodowym, lotniczym i budowlanym ze względu na jej odporność na ekstremalne warunki fizyczne. W sterowanym urządzeniu do syntezy jądrowej pianka aluminiowa o zamkniętych komórkach jest doskonałym materiałem ekranującym elektromagnetycznie. Ze względu na wzajemne połączenie szkieletu pianki aluminiowej ma ona ogromną powierzchnię właściwą i dobrą zdolność do pochłaniania i odbijania fal elektromagnetycznych. Występują różne straty, takie jak utrata absorpcji, utrata odbicia itp., dzięki czemu spienione aluminium ma doskonałe właściwości ekranujące elektromagnetycznie. Ponadto stwierdzono również, że skuteczność ekranowania elektromagnetycznego spienionego aluminium wykazywała tendencję najpierw malejącą, a następnie rosnącą wraz ze wzrostem częstotliwości fal elektromagnetycznych [3]. W przemyśle lotniczym spienione aluminium jest wykorzystywane do produkcji stożków kosmicznych lub części turbin. Ze względu na niską jakość spienionego aluminium jest ono szczególnie przydatne do zmniejszania całkowitej masy komponentów samolotu [7]. A jako doskonały materiał pochłaniający energię, spienione aluminium jest używane do produkcji buforów statków kosmicznych, amortyzatorów drgań i spodu kabiny powrotnej statku kosmicznego, dzięki czemu statek kosmiczny może bezpiecznie wylądować i chronić bezpieczeństwo astronautów i sprzętu kosmicznego. Dzięki skutecznemu pochłanianiu energii i amortyzowaniu wstrząsów spienione aluminium może zapewnić bezpieczeństwo astronautów podczas uderzenia podczas lądowania statku kosmicznego, jak pokazano na rysunku 3 [8].
Rysunek 3. Ulepszona częściowa konstrukcja zęzy odpornej na uderzenia[8]
1-górna powłoka; 2-piankowe podłużnice aluminiowe; 3-dolna powłoka
W przemyśle motoryzacyjnym spienione aluminium pomaga zmniejszyć całkowitą liczbę części użytych w ramie, sprawia, że proces montażu jest bardziej wydajny, a ostatecznie pomaga obniżyć koszty i poprawić wydajność [7]. Obecnie spienione aluminium jest stosowane w belkach antykolizyjnych, belkach i belkach drzwiowych w konstrukcjach nadwozi samochodowych dostępnych na rynku, jak pokazano na rysunku 4 [9-10].
Rysunek 4. (a) przedstawia schemat części nadwozia samochodu pochłaniających energię;
(B) Schematyczny rysunek aluminiowego drążka zabezpieczającego przed kolizją
W branży budowlanej głównym zastosowaniem spienionego aluminium jest ochronna, ognioodporna bariera zapobiegająca silnemu hałasowi. Typowym zastosowaniem pianki aluminiowej o zamkniętych komórkach w architekturze jest Shanghai SOHO Fuxing Plaza. Projektant używa dużej ilości spienionego aluminium do pochłaniania i izolowania dźwięku, jak pokazano na rysunku 6 [11].
Odkrycie spienionego aluminium jest uważane za niezwykłe osiągnięcie. Spieniony materiał aluminiowy łączy w sobie doskonałe właściwości ekranowania elektromagnetycznego, lekkość, niską gęstość, amortyzację wstrząsów i pochłanianie energii, dzięki czemu ma bardzo dobre właściwości w różnych gałęziach przemysłu. Szerokie zastosowanie. Co ciekawe, spienione aluminium jest również przyjaznym dla środowiska produktem, który można poddać recyklingowi, co oznacza, że jest to materiał zrównoważony i oczekuje się, że będzie stosowany w dużych ilościach w przyszłych zastosowaniach przemysłowych.
Czas publikacji: 30-11-2021
