1. Что такое металлическая пена и алюминиевая пена?
В ходе истории открытие металлической пены представляет собой важную веху в революции всей области материаловедения. Металлическая пена представляет собой материал, состоящий из металлической структуры, которая имеет большое количество пор и заполнена газом вдоль структуры [2]. Поры этих металлических пен могут быть взаимосвязаны или запечатаны и называются открытоячеистой пеной и закрытоячеистой пеной соответственно, как показано на рисунке 2(a)(b) [3]. Среди них алюминиевый вспененный материал в настоящее время является наиболее перспективным вспененным металлом из-за его высокой пористости, низкой плотности, легкого веса, высокой прочности, хорошей сжимаемости, сильного поглощения ударов, хороших звукопоглощающих характеристик и хороших характеристик электромагнитного экранирования. Превосходные характеристики, поэтому известные как «металлическая звезда» [4], широко используются в других методах обработки в областях аэрокосмической техники, производства и физических наук.
Рисунок 2. Структурные характеристики вспененного алюминия: (a) открытоячеистый вспененный алюминий; (B) закрытоячеистый вспененный алюминий [3]
2. Открытие вспененного алюминия
На протяжении всей истории такие материалы, как кость, дерево и пемза, широко использовались в течение длительного времени. Многие исследователи предсказывают, что полезность этих материалов способствовала производству искусственных материалов, таких как металлическая пена. Хотя большинство технологий вспенивания, используемых в настоящее время, были предложены с 1950-х годов, исследования показали, что открытие алюминиевой пены можно проследить до 1926 года, когда Ма Де Меллер впервые упомянула вспенивание металла во французском патенте. Меллер однажды предположил, что процесс вспенивания металла может быть достигнут путем введения инертного газа в расплавленный металл или путем использования вспенивающего агента, такого как карбонат, в расплавленном металле. Хотя это всего лишь патент, основанный на идее, он закладывает основу для следующих шагов, необходимых для разработки алюминиевой пены. Джон К. Эллиотт дополнительно развил эту идею 20 лет спустя, разработав обновленную версию патента Меллера и представив первую доступную алюминиевую пену, что, в свою очередь, способствовало коммерциализации материала в Японии в 1990-х годах. Выпуск заложил основу [5].
3. Эксплуатационные характеристики и применение вспененного алюминия
Вспененный алюминий — это металл с высокой пористостью и пористой структурой, в котором запечатанные поры составляют около трех четвертей общего объема металлического материала, что делает материал очень легким [7]. Помимо вышеперечисленных характеристик, вспененный алюминий также обладает впечатляющими характеристиками поглощения энергии и высокой сжимаемостью [7]. Что касается плотности, исследователи обнаружили, что плотность большинства образцов вспененного алюминия составляет около 0,4-1,2 г·см-3 [6]. Кроме того, вспененный алюминий также обладает звукопоглощением, пригодностью к вторичной переработке и низкой теплопроводностью [7].
С точки зрения применения, электромагнитное экранирование, малый вес и поглощающие свойства алюминиевой пены делают ее идеальным кандидатом для компонентов, используемых в устройствах управляемого ядерного синтеза, автомобилях, аэрокосмической и строительной промышленности из-за ее устойчивости к экстремальным физическим средам. В устройстве управляемого ядерного синтеза алюминиевая пена с закрытыми ячейками является отличным материалом для электромагнитного экранирования. Благодаря взаимосвязи скелета алюминиевой пены она имеет огромную удельную площадь поверхности и хорошую способность поглощать и отражать электромагнитные волны. Возникают различные потери, такие как потери на поглощение, потери на отражение и т. д., поэтому вспененный алюминий обладает отличными характеристиками электромагнитного экранирования. Более того, было также обнаружено, что эффективность электромагнитного экранирования вспененного алюминия показала тенденцию сначала к снижению, а затем к увеличению с увеличением частоты электромагнитных волн [3]. В аэрокосмической промышленности вспененный алюминий используется для изготовления космических конусов или деталей турбин. Из-за низкого качества вспененного алюминия он особенно полезен для снижения общего веса компонентов самолета [7]. И как превосходный энергопоглощающий материал, вспененный алюминий используется для изготовления буферов космических аппаратов, виброгасителей и днища возвращаемой кабины космических аппаратов, чтобы космический аппарат мог совершить безопасную посадку и защитить безопасность астронавтов и космического оборудования. Благодаря эффективному поглощению энергии и амортизации, вспененный алюминий может обеспечить безопасность астронавтов при ударе приземления космического аппарата, как показано на рисунке 3 [8].
Рисунок 3. Улучшенная частичная структура ударопрочного трюма[8]
1-верхняя обшивка; 2-пеноалюминиевые стрингеры; 3-нижняя обшивка
В автомобильной промышленности вспененный алюминий помогает сократить общее количество деталей, используемых в раме, делает процесс сборки более эффективным и в конечном итоге помогает снизить затраты и улучшить производительность [7]. В настоящее время вспененный алюминий используется в противоударных брусьях, балках и дверных балках в конструкциях кузовов автомобилей на рынке, как показано на рисунке 4 [9-10].
Рисунок 4. (а) — схема частичного энергопоглощения деталей кузова автомобиля;
(B) Принципиальная схема пенопластовой алюминиевой противоударной планки
В строительной отрасли основное применение вспененного алюминия — защитный, огнестойкий барьер для предотвращения сильного шума. Типичное применение вспененного алюминия с закрытыми ячейками в архитектуре — Shanghai SOHO Fuxing Plaza. Проектировщик использует большое количество вспененного алюминия для поглощения и изоляции звука, как показано на рисунке 6 [11].
Открытие вспененного алюминия считается выдающимся достижением. Вспененный алюминиевый материал сочетает в себе превосходные характеристики электромагнитного экранирования, малый вес, низкую плотность, амортизацию и поглощение энергии, поэтому он имеет очень хорошие характеристики в различных отраслях промышленности сегодня. Широкое применение. Интересно, что вспененный алюминий также является экологически чистым продуктом, который может быть переработан, что означает, что он является устойчивым материалом и, как ожидается, будет использоваться в больших количествах в будущих промышленных приложениях.
Время публикации: 30 ноября 2021 г.
