1. Какво е метална пяна и алуминиева пяна
В хода на историята откриването на разпенен метал представлява важен крайъгълен камък в революцията на цялата област на инженерството на материалите. Металната пяна е материал, съставен от метална структура, която има голям брой пори и е изпълнена с газ по дължината на структурата [2]. Порите на тези метални пени могат да бъдат свързани помежду си или запечатани и се наричат съответно пяна с отворени клетки и пяна със затворени клетки, както е показано на фигура 2(a)(b) [3]. Сред тях алуминиевият разпенен материал в момента е най-обещаващият пенопласт, поради високата му порьозност, ниска плътност, леко тегло, висока якост, добра свиваемост, силно поглъщане на удар, добро поглъщане на звука и добро електромагнитно екраниране. Отлична производителност, поради което е известна като „метална звезда“ [4], широко използвана в други методи на обработка в областта на космическото инженерство, производството и физическите науки.
Фигура 2. Структурни характеристики на разпенен алуминий: (a) алуминиева пяна с отворени клетки; (B) Алуминиева пяна със затворени клетки [3]
2. Откриването на разпенен алуминий
През цялата история материали като кост, дърво и пемза са били широко използвани от дълго време. Много изследователи прогнозират, че полезността на тези материали е насърчила производството на изкуствени материали като метална пяна. Въпреки че повечето от използваните в момента технологии за разпенване са предложени от 50-те години на миналия век, проучванията показват, че откритието на разпенения алуминий може да бъде проследено назад до 1926 г., когато Ma De Meller за първи път споменава разпенването на метал във френски патент. Веднъж Мелър предположи, че процесът на разпенване на метал може да се постигне чрез въвеждане на инертен газ в разтопения метал или чрез използване на разпенващ агент като карбонат в разтопения метал. Въпреки че това е само патент, базиран на идеята, той поставя основата за следващите стъпки, необходими в разработването на алуминиева пяна. Джон К. Елиът доразвива тази идея 20 години по-късно, проектирайки актуализирана версия на патента на Meller и представяйки първата налична алуминиева пяна, което на свой ред допринесе за комерсиализацията на материала в Япония през 90-те години. Изданието постави основата [5].
3. Изпълнение и приложение на разпенен алуминий
Разпененият алуминий е метал с висока порьозност и пореста структура, в която запечатаните пори представляват около три четвърти от общия обем на металния материал, което прави материала много лек [7]. В допълнение към горните характеристики, разпененият алуминий също има впечатляващи характеристики на абсорбция на енергия и висока компресивност [7]. По отношение на плътността, изследователите установиха, че плътността на повечето проби от алуминиева пяна е около 0,4-1,2 g·cm-3 [6]. В допълнение, разпененият алуминий също има звукопоглъщане, възможност за рециклиране и ниска топлопроводимост [7].
По отношение на приложението, електромагнитното екраниране, лекото тегло и абсорбционните свойства на алуминиевата пяна я правят идеален кандидат за компоненти, използвани в устройства за контролиран ядрен синтез, автомобили, аерокосмическа и строителна индустрия поради нейната устойчивост на екстремни физически среди. В устройството за контролируем ядрен синтез алуминиевата пяна със затворени клетки е отличен електромагнитен екраниращ материал. Благодарение на взаимното свързване на скелета от алуминиева пяна, той има огромна специфична повърхност и добра способност да абсорбира и отразява електромагнитни вълни. Възникват различни загуби, като загуба на абсорбция, загуба на отражение и т.н., така че разпененият алуминий има отлично електромагнитно екраниране. Освен това беше установено, че ефективността на електромагнитното екраниране на разпенен алуминий показва тенденция първо да намалява и след това да се увеличава с увеличаване на честотата на електромагнитната вълна [3]. В космическата индустрия разпененият алуминий се използва за направата на космически конуси или части на турбини. Поради ниското качество на разпенения алуминий, той е особено полезен за намаляване на общото тегло на компонентите на самолета [7]. И като отличен енергопоглъщащ материал, разпененият алуминий се използва за производството на буфери на космически кораби, абсорбери на вибрации и дъното на кабината за връщане на космическия кораб, така че космическият кораб да може да постигне безопасно кацане и да защити безопасността на астронавтите и космическото оборудване. Чрез ефективно поглъщане на енергия и поглъщане на удари, разпененият алуминий може да осигури безопасността на астронавтите при удара на кацането на космически кораб, както е показано на фигура 3 [8].
Фигура 3. Подобрена частична структура на устойчивата на удар трюм [8]
1-горна кожа; 2-пеноалуминиеви стрингери; 3-долна кожа
В автомобилната индустрия разпененият алуминий помага за намаляване на общия брой части, използвани в рамката, прави процеса на сглобяване по-ефективен и в крайна сметка помага за намаляване на разходите и подобряване на производителността [7]. Понастоящем разпененият алуминий се използва в щанги против сблъсък, греди и греди на вратите в структурите на каросерията на автомобили на пазара, както е показано на фигура 4 [9-10].
Фигура 4. (а) е диаграма на частично поглъщащи енергия части от купето на автомобила;
(B) Схематична диаграма на алуминиева пяна против сблъсък
В строителната индустрия основната употреба на разпенен алуминий е като защитна, огнеустойчива бариера за предотвратяване на силен шум. Типичното приложение на алуминиевата пяна със затворени клетки в архитектурата е Shanghai SOHO Fuxing Plaza. Дизайнерът използва голямо количество разпенен алуминий, за да абсорбира и изолира звука, както е показано на фигура 6 [11].
Откриването на разпенен алуминий се счита за забележително постижение. Разпененият алуминиев материал съчетава отлично електромагнитно екраниране, леко тегло, ниска плътност, абсорбция на удари и абсорбция на енергия, така че има много добра производителност в различни индустрии днес. Широка приложимост. Интересното е, че разпененият алуминий също е екологично чист продукт, който може да бъде рециклиран, което означава, че е устойчив материал и се очаква да се използва в големи количества в бъдещи индустриални приложения.
Време на публикуване: 30 ноември 2021 г
