✖


Jump to content

Металлическая пена

(Перенаправлено с Металлической губки )
Пеноалюминий ​
Обычный вспененный алюминий

В материаловедении металлическая пена — это материал или структура, состоящая из твердого металла (часто алюминия ) с газонаполненными порами , занимающими большую часть объема . Поры могут быть герметичными ( пенопласт с закрытыми порами ) или соединенными между собой (пенопласт с открытыми порами). [1] Определяющей характеристикой металлических пенопластов является высокая пористость : обычно только 5–25% объема составляет основной металл. Прочность материала обусловлена ​​законом квадрата-куба .

Металлические пенопласты обычно сохраняют некоторые физические свойства своего основного материала. Пена, изготовленная из негорючего металла, остается негорючей и, как правило, может быть переработана в качестве основного материала. Его коэффициент теплового расширения аналогичен, а теплопроводность, вероятно, снижается. [2]

Определения

[ редактировать ]

Открытая ячейка

[ редактировать ]
Металлическая пена с открытыми порами
CFD (численное) моделирование потока жидкости и теплопередачи на металлической пене с открытыми порами

Металлическая пена с открытыми порами, также называемая металлической губкой. [3] Может использоваться в теплообменниках компактной ( охлаждение электроники , криогенные резервуары , PCM теплообменники ), поглощении энергии, диффузии потока, скрубберах CO 2 , пламегасителях и легкой оптике . [4] Высокая стоимость материала обычно ограничивает его использование в передовых технологиях, аэрокосмической отрасли и производстве.

Мелкоразмерные пенопласты с открытыми порами, ячейки которых меньше, чем можно увидеть без посторонней помощи, используются в качестве высокотемпературных фильтров в химической промышленности.

Металлические пенопласты используются в компактных теплообменниках для увеличения теплопередачи за счет пониженного давления. [5] [6] [7] [ нужны разъяснения ] Однако их использование позволяет существенно снизить физические размеры и стоимость изготовления. Большинство моделей этих материалов используют идеализированные и периодические структуры или усредненные макроскопические свойства.

Металлическая губка имеет очень большую площадь поверхности на единицу веса, и катализаторы часто превращаются в металлическую губку, такую ​​как палладиевая чернь , платиновая губка и губчатый никель . Такие металлы, как гидрид осмия и палладия, метафорически называют «металлическими губками», но этот термин относится к их свойству связываться с водородом, а не к физической структуре. [8]

закрытая ячейка

[ редактировать ]

Металлическая пена с закрытыми порами была впервые описана в 1926 году Меллером во французском патенте, в котором вспенивание легких металлов либо путем впрыскивания инертного газа, либо с помощью пенообразователя . предлагалось [9] Два патента на губчатый металл были выданы Бенджамину Соснику в 1948 и 1951 годах, который применил пары ртути для выдувания жидкого алюминия. [10] [11]

Металлические пенопласты с закрытыми порами были разработаны в 1956 году Джоном К. Эллиоттом из исследовательских лабораторий Бьоркстена. Хотя первые прототипы были доступны еще в 1950-х годах, коммерческое производство началось в 1990-х годах компанией Shinko Wire в Японии. Металлические пенопласты с закрытыми порами в основном используются в качестве ударопоглощающего материала, аналогично полимерным пенопластам в велосипедных шлемах , но для более высоких ударных нагрузок. В отличие от многих полимерных пенопластов, металлические пенопласты остаются деформированными после удара и поэтому могут быть деформированы только один раз. Они легкие (обычно 10–25% плотности идентичного непористого сплава; обычно алюминия) и жесткие и часто предлагаются в качестве легкого конструкционного материала. Однако они не нашли широкого применения для этой цели.

Пенопласты с закрытыми порами сохраняют огнестойкость и потенциал переработки других металлических пенопластов, но добавляют свойство плавучести в воде.

Стохастическая пена

[ редактировать ]

Пена называется стохастической, если распределение пористости случайно. Большинство пен являются стохастическими из-за метода производства:

  • Вспенивание жидкого или твердого (порошкового) металла
  • Осаждение из паровой фазы (CVD на случайной матрице)
  • Прямое или непрямое случайное литье формы, содержащей шарики или матрицу.

Обычная пена

[ редактировать ]
Процесс производства обычного металлического пенопласта методом прямого формования, процесс CTIF [12] [13] [14]

Пена называется регулярной, когда структура упорядочена. Прямое формование — это одна из технологий производства обычных пенопластов. [12] [13] с открытыми порами. Металлические пенопласты также можно производить с помощью аддитивных процессов, таких как селективное лазерное плавление (SLM).

Пластины можно использовать в качестве литейных стержней. Форма настраивается для каждого применения. Этот метод производства позволяет получить «идеальную» пену, названную так потому, что она удовлетворяет законам Плато и имеет проводящие поры в форме усеченного октаэдра ячейки Кельвина ( объемноцентрированная кубическая структура).

Ячейка Кельвина (аналогично структуре Вейра – Фелана )

Гибридная пена

[ редактировать ]

Гибридные металлические пены обычно имеют тонкую пленку на подлежащей пористой подложке. [15] Было показано, что покрытие металлических пенопластов другим материалом улучшает механические свойства металлических пенопластов, особенно потому, что они склонны к механизмам изгибной деформации из-за своей ячеистой структуры. Добавление тонкой пленки также может улучшить другие свойства, такие как коррозионная стойкость, и обеспечить функционализацию поверхности для каталитических процессов течения.

Для изготовления гибридных пенометаллов тонкие пленки наносят на пенопластовую подложку электроосаждением при комнатной температуре. [16] двухэлектродную ячейку в ванне Ватта . Можно использовать [16] Недавние исследования продемонстрировали проблемы с однородностью тонкой пленки из-за сложной геометрии металлических пенопластов. [16] Проблемы однородности были решены в более поздних исследованиях путем создания тонких пленок из наночастиц, что привело к улучшению механических свойств и коррозионной стойкости. [17]

Недавние исследования гибридных пенопластов также использовались для решения проблемы невозобновляемых источников энергии. [18] Гибридные пенопласты переходных металлов ранее изготавливались с помощью сочетания процессов электроосаждения и барботирования водорода для повышения диффузии жидкостей через пористый материал и улучшения электрических свойств для улучшения переноса заряда. [18] Таким образом, такие пены можно использовать для электрокаталитического расщепления воды повышения эффективности процессов .

Гибридные металлические пенопласты могут иметь благоприятные проводящие свойства для гибких устройств. Благодаря нанесению тонкого слоя металла на пористую полимерную подложку методом газофазного осаждения исследователи смогли добиться высокой проводимости, сохраняя при этом гибкость полимерной матрицы. [19] В результате испытаний на велосипеде было показано, что гибридные пенопласты способны определять деформацию поверхности. [19] Будущие усилия будут направлены на то, чтобы охарактеризовать изменение сшивки и пористости материалов по мере их осаждения. Кроме того, можно изучить взаимодействие или совместимость между различными полимерами и металлами в пенных лигандах, чтобы лучше понять их чувствительность к внешним силам. Это поможет улучшить устойчивость к сжимающим силам.

Производство

[ редактировать ]

Открытая ячейка

[ редактировать ]

Пенопласты с открытыми порами производятся методом литейного производства или порошковой металлургии . В порошковом методе используются «держатели пространства»; как следует из названия, они занимают поровые пространства и каналы. В процессах литья пенопласт отливается с каркасом из пенополиуретана с открытыми порами .

закрытая ячейка

[ редактировать ]

Пены обычно получают путем впрыскивания газа или смешивания пенообразователя с расплавленным металлом . [20] Расплавленный металл можно вспенить, создав в нем пузырьки газа. Обычно пузырьки расплавленного металла обладают высокой плавучестью в жидкости высокой плотности и быстро поднимаются на поверхность. Этот подъем можно замедлить, увеличив вязкость расплавленного металла путем добавления керамических порошков или легирующих элементов для образования стабилизирующих частиц в расплавленном металле или другими способами. Расплавленный металл можно вспенить одним из трех способов:

  • путем введения газа в жидкий металл из внешнего источника;
  • вызывая газообразование в жидкости путем смешивания газовыделяющих пенообразователей с расплавленным металлом;
  • вызывая осаждение газа, который ранее был растворен в расплавленном металле.

Для стабилизации пузырьков расплавленного металла необходимы высокотемпературные пенообразователи (твердые частицы нано- или микрометрового размера). Размер пор или ячеек обычно составляет от 1 до 8 мм. При использовании пенообразователей или пенообразователей их смешивают с металлическим порошком перед его плавлением. Это так называемый «порошковый путь» вспенивания, и он, вероятно, наиболее устоявшийся (с промышленной точки зрения). металлических (например, алюминиевых ) порошков и пенообразователя (например, TiH 2 После смешивания ) их прессуют в компактный твердый предшественник, который может быть доступен в форме заготовки, листа или проволоки. Производство прекурсоров может осуществляться путем сочетания процессов формования материалов, таких как прессование порошка, [21] экструзия (прямая [22] или соответствовать [23] ) и плоская прокатка . [24]

Композитная металлическая пена

[ редактировать ]
По мере увеличения деформации и приложенной нагрузки на композитный пенопласт растет способность противостоять нагрузкам. В отличие от твердых материалов, которые очень быстро достигают предельной прочности, композитная металлическая пена медленно набирает предельную прочность, поглощая при этом энергию.

Композитная металлическая пена изготавливается из комбинации однородных полых металлических сфер с металлической матрицей, окружающей сферы. Эта металлическая пена с закрытыми порами изолирует воздушные карманы внутри и может быть изготовлена ​​практически из любого металла, сплава или их комбинации. Размеры сфер могут варьироваться и точно настраиваться в зависимости от применения. Смесь заполненных воздухом полых металлических сфер и металлической матрицы обеспечивает легкий вес и прочность. Сферы расположены внутри материала случайным образом, но чаще всего напоминают простую кубическую или объемноцентрированную кубическую структуру. CMF состоит примерно из 70% воздуха и, следовательно, весит на 70% меньше, чем равный объем твердого исходного материала. Композитная металлическая пена — это самая прочная металлическая пена, имеющая в 5-6 раз большее соотношение прочности и плотности и более чем в 7 раз большую способность поглощать энергию, чем предыдущие металлические пены. [25] CMF был разработан в Университете штата Северная Каролина изобретателем Афсане Рабии, на ее имя имеется четыре патента, каждый из которых озаглавлен «Композитная металлическая пена и метод ее получения» (патенты США 9208912, 8110143, 8105696, 7641984), а CMF в настоящее время является собственностью компании. Технология принадлежит компании Advanced Materials Manufacturing.

Высокоскоростные испытания на удар/взрыв/баллистику

[ редактировать ]

Пластина толщиной менее одного дюйма обладает достаточным сопротивлением, чтобы превратить Springfield .30-06 M2 стандартного выпуска бронебойную пулю в пыль . Испытательная пластина превзошла цельную металлическую пластину аналогичной толщины, хотя весила гораздо меньше. Другие потенциальные применения включают передачу ядерных отходов (защита от рентгеновских лучей , гамма-лучей и нейтронного излучения) и теплоизоляцию для входа космических аппаратов в атмосферу, устойчивость к огню и нагреву во много раз выше, чем у простых металлов. [25] Другое исследование, проверяющее устойчивость CMF к патронам калибра .50, показало, что CMF может остановить такие снаряды при весе менее половины веса катаной гомогенной брони . [26]

ВУЗ/фрагментное тестирование

[ редактировать ]

CMF может заменить катаную стальную броню с той же защитой, но при этом на треть легче. Он может блокировать осколки и ударные волны, вызывающие черепно-мозговые травмы (ЧМТ). CMF был протестирован против взрывов и осколков. Панели испытывались против фугасно-зажигательных снарядов калибра 23×152 мм (как в зенитном оружии ), выбрасывающих взрывную волну высокого давления и металлические осколки со скоростью до 1524 м/с. Панели CMF смогли выдержать взрывные и осколочные удары, не прогибаясь и не трескаясь. Более толстый образец (толщина 16,7 мм) смог полностью остановить осколки разного размера от трех отдельных испытаний зажигательных боеприпасов . Показано, что КМП способен локально задерживать осколки, рассеивать энергию падающей взрывной волны и препятствовать распространению разрушения, в отличие от полностью твердых материалов, которые передают энергию по всей пластине, повреждая объемный материал. [27] В этом исследовании CMF из нержавеющей стали блокировал давление взрыва и фрагментацию со скоростью 5000 футов в секунду от фугасно-зажигательных снарядов (HEI), которые взрываются на расстоянии 18 дюймов. Стальные пластины CMF (толщиной 9,5 мм или 16,75 мм), которые были размещены на расстоянии 18 дюймов от ударной пластины, удерживались против волны давления взрывной волны и против медных и стальных фрагментов, создаваемых снарядом HEI калибра 23 × 152 мм (как в зенитных оружие ), а также алюминиевую ударную пластину толщиной 2,3 мм. [28] Характеристики стального CMF были намного лучше, чем у алюминиевой пластины того же веса, против такого же типа взрыва и осколков. [29]

Испытания стрелкового оружия

[ редактировать ]

Композитные панели из металлического пенопласта, изготовленные из 2-миллиметровых стальных полых сфер, встроенных в матрицу из нержавеющей стали и обработанных методом порошковой металлургии, использовались вместе с керамикой из карбида бора и задними панелями из алюминия 7075 или кевлара для изготовления новой системы композитной брони. Эта композитная броня была протестирована на защиту от угроз NIJ Type III и Type IV с использованием стандарта баллистических испытаний NIJ 0101.06. Высокофункциональная многослойная конструкция позволила композитной металлической пене эффективно поглощать баллистическую кинетическую энергию , при этом на слой CMF приходилось 60–70% общей энергии, поглощаемой системой брони, и позволяла системе композитной брони демонстрировать превосходные баллистические характеристики. для угроз как III, так и IV типа. Результаты этой программы испытаний показывают, что CMF можно использовать для снижения веса и повышения характеристик брони для защиты от угроз типа III и типа IV. [30]

Композитная металлическая пена после попадания бронебойного снаряда .50 BMG. Обратите внимание, что пуля удалена и помещена поверх панели CMF в левом нижнем углу. [31]

Тестирование AP калибра .50

[ редактировать ]

CMF был испытан против бронебойных снарядов большего калибра. [31] Панели SS CMF были изготовлены и соединены с керамической лицевой панелью и алюминиевой задней панелью. Многослойная твердая броня была испытана против пули BMG калибра .50 и AP при различных скоростях удара. Сердечники из мягкой стали шаровых снарядов пробили один из трех образцов, но показали преимущества использования нескольких плиток над одной керамической лицевой панелью для ограничения распространения повреждений. Закаленный стальной сердечник бронебойных снарядов глубоко проникал в керамическую лицевую пластину, сжимая слой CMF до тех пор, пока снаряд не останавливался и не внедрялся в броню, либо не мог полностью проникнуть в опорную пластину и выйти из нее. Результаты экспериментов сравнивались с коммерчески доступными броневыми материалами и показали улучшенные характеристики при уменьшенном весе. По оценкам, слой CMF поглощает от 69 до 79% кинетической энергии пули в неоптимизированных условиях испытаний. [31] При скоростях удара выше 800 м/с слой ВМП последовательно поглощал до 79% энергии удара. По мере увеличения скорости удара увеличивалась и эффективная прочность слоя CMF из-за чувствительности материала к скорости деформации. Коэффициент массовой эффективности брони по сравнению с катаной гомогенной броней (RHA) составил 2,1. Твердая броня CMF может эффективно остановить приближающийся снаряд, вес которого составляет менее половины веса требуемого RHA. [26] Снижение веса, обеспечиваемое использованием такой новой брони, может повысить топливную экономичность военной техники, не жертвуя при этом защитой персонала или оборудования внутри.

Тестирование на прокол

[ редактировать ]

Композитная металлическая пена прошла испытание на прокол. Испытания на прокол проводились на нержавеющей стали CMF-CSP с различной толщиной лицевых листов из нержавеющей стали и сердцевины CMF. Соединение сердцевины и лицевых листов SS CMF осуществлялось посредством клеевой и диффузионной сварки. Различная толщина сердцевины и лицевых листов CMF обеспечивает различную целевую плотность площади от примерно 6,7 до примерно 11,7 кг на каждую плитку размером 30 x 30 см. Поражались мишени стальными шарами диаметром 2,54 и 3,175 см, выпущенными со скоростью от 120 до 470 м/с, что приводило к энергии прокола от 488 до 14 500 Дж на площади удара 5,06–7,91 см2 для сферических шаров двух размеров. Ни одна из панелей, даже с самой низкой плотностью площади, не продемонстрировала полного проникновения/прокола по толщине. В основном это произошло из-за способности сердечника SS CMF поглощать энергию при сжатии, тогда как лицевые листы укрепляют сердечник CMF, чтобы лучше выдерживать растягивающие напряжения. Сэндвич-панели с более толстыми лицевыми панелями показывают меньшую эффективность, а тонкая лицевая панель, по-видимому, достаточна для поддержки ядра SS CMF и поглощения такой энергии прокола. Панели собираются с использованием Клеевое соединение показало отслоение лицевых листов от сердцевины CMF при ударе снаряда, в то время как панели с диффузионным соединением показали большую гибкость на границе раздела и лучше выдерживали напряжения. У большинства панелей, склеенных методом диффузионной сварки, не наблюдалось отслоения лицевых листов от сердцевины SS CMF. Это исследование доказало способность CMF поглощать энергию, указав, что CMF можно использовать для одновременного повышения защиты и уменьшения веса. [32]

Испытания на пожар/экстремальные температуры

[ редактировать ]
Композитная металлическая пена во время испытаний на огнестойкость. [33]

Панель CMF из стали 316L толщиной 12 x 12 x 0,6 дюйма и весом 3,545 кг была испытана в ходе испытания на факел . В этом испытании панель подвергалась воздействию температур выше 1204 °C в течение 30 минут. При 30-минутном воздействии максимальная температура на необлученной поверхности стали составляла 400 °C (752 °F) в центре пластины непосредственно над струйной горелкой. Эта температура была значительно ниже требуемого предела повышения температуры в 427°С. °C, следовательно, этот образец соответствовал требованиям испытания на огнестойкость. Для справки: цельный кусок стали такого же объема, использованный для калибровки, не прошел это испытание примерно за 4 минуты. [33]

Стоит отметить, что та же самая панель CMF перед вышеупомянутыми испытаниями на огнестойкость была подвергнута испытанию на огнестойкость. В этом тесте панель подвергалась воздействию температуры 827 °C в течение 100 минут. Панель легко выдержала экстремальную температуру в течение 100 минут, достигнув максимальной температуры задней поверхности 379 °C, что намного ниже температуры разрушения 427 °C. Для справки: испытание было откалибровано с использованием куска твердой стали одинакового размера, который не выдержал испытания примерно за 13 минут. [34] Эти исследования указывают на исключительную эффективность CMF в борьбе с огнем и сильной жарой.

CMF настолько хорошо изолирует температуру 1100 °C (2000 °F), что его можно коснуться всего в двух дюймах от раскаленной добела области материала.

Композитная металлическая пена имеет очень низкую скорость теплопередачи и, как доказано, изолирует экстремальную температуру 1100 °C (2000 °F) всего на расстоянии нескольких дюймов, оставляя материал при комнатной температуре всего в двух дюймах от области белого цвета. -горячий материал. Кроме того, стали CMF удалось сохранить большую часть своей прочности, подобной стали, при этой температуре, оставаясь при этом таким же легким, как алюминий, материал, который мгновенно плавится при такой экстремальной температуре.

Другие способности

[ редактировать ]

Композитная металлическая пена продемонстрировала способность защищать от рентгеновского и нейтронного излучения, поглощать/смягчать удары, звуки и вибрации и выдерживать более 1 000 000 циклов высоких нагрузок, превосходя традиционные твердые металлы в каждом случае.

[ редактировать ]
  • Радиатор с медной пеной
    Радиатор с медной пеной
  • Защитный бокс с алюминиевой пеной
    Защитный бокс с алюминиевой пеной
  • Алюминиевая пена с большой пористостью.
    Алюминиевая пена с большой пористостью.
  • Алюминиевая пена с алюминиевым листом
    Алюминиевая пена с алюминиевым листом
  • Коллектор - стальная металлическая пена
    Коллектор - стальная металлическая пена

Приложения

[ редактировать ]

Дизайн

[ редактировать ]

Металлическая пена может использоваться в изделиях или архитектурных композициях.

[ редактировать ]
  • обработанная металлическая пена
    обработанная металлическая пена
  • Дизайнерский радиатор с обычным поролоном[35]
    Дизайнерский радиатор с обычным поролоном [35]
  • журнальный столик с большим пористым алюминием
    журнальный столик с большим пористым алюминием

Механический

[ редактировать ]

Ортопедия

[ редактировать ]
Основная статья: Остеоинтеграция § Достижения в области материаловедения: металлические пены

Пенопласт использовался в экспериментальном протезировании животных . просверливается отверстие В этом случае в кости и вставляется металлическая пена, позволяя кости врастать в металл для постоянного соединения. Для ортопедических применений пенопласты тантала или титана широко распространены из-за их прочности на разрыв , коррозионной стойкости и биосовместимости .

Задние лапы сибирского хаски по кличке Триумф получили протезы из пенопласта. Исследования на млекопитающих показали, что пористые металлы, такие как пенопласт титана , могут способствовать васкуляризации внутри пористой области. [36]

Производители ортопедических устройств используют конструкции из пенопласта или покрытия из металлического пенопласта. [37] для достижения желаемого уровня остеоинтеграции . [38] [39] [40]

Автомобильная промышленность

[ редактировать ]

Основными функциями металлической пены в транспортных средствах являются увеличение звукопоглощения , уменьшение веса, увеличение поглощения энергии в случае аварий и (в военных целях) борьба с сотрясающей силой СВУ . Например, в качестве решеток для защиты от проникновения можно использовать трубы, наполненные пеной . [41] Из-за их низкой плотности (0,4–0,9 г/см 3 ), пенопласты из алюминия и алюминиевых сплавов находятся под особым вниманием. Эти пенопласты жесткие, огнестойкие, нетоксичные, пригодные для вторичной переработки, поглощающие энергию, менее теплопроводные, менее магнитопроницаемые и более эффективно звукопоглощающие, особенно по сравнению с полыми деталями. Металлическая пена в полых деталях автомобиля уменьшает слабые места, обычно связанные с автомобильными авариями и вибрацией. Эти пенопласты недорого отливать методом порошковой металлургии по сравнению с литьем других полых деталей.

По сравнению с полимерными пенами в транспортных средствах металлические пены более жесткие, прочные, лучше поглощают энергию и устойчивы к огню и погодным воздействиям, таким как ультрафиолетовое излучение, влажность и колебания температуры. Однако они тяжелее, дороже и не изолируют. [42]

Технология металлической пены была применена к выхлопным газам автомобилей . [43] По сравнению с традиционными каталитическими нейтрализаторами , в которых в качестве подложки используется кордиеритовая керамика, подложка из металлического пеноматериала обеспечивает лучшую теплопередачу и демонстрирует отличные свойства массопереноса (высокая турбулентность) и может снизить количество требуемого платинового катализатора . [44]

Электрокатализ

[ редактировать ]

Металлические пенопласты являются популярной основой для электрокатализаторов из-за большой площади поверхности и стабильной структуры. Взаимосвязанные поры также способствуют массопереносу реагентов и продуктов. Однако оценка электрокатализаторов может быть затруднена из-за неопределенной площади поверхности, различных свойств пены и капиллярного эффекта. [45]

Поглощение энергии

[ редактировать ]
График аварий алюминия

Металлические пенопласты используются для придания конструкции жесткости без увеличения ее массы. [46] Для этого применения металлические пенопласты обычно имеют закрытые поры и изготавливаются из алюминия. Панели из пенопласта приклеиваются к алюминиевой пластине для получения локально (по толщине листа) прочного композитного сэндвича и жесткого по длине в зависимости от толщины пенопласта.

Преимущество металлических пенопластов в том, что реакция постоянна независимо от направления силы. Пенопласты имеют плато напряжений после деформации, которое остается постоянным в течение 80% процесса дробления. [47]

Термальный

[ редактировать ]
Теплопроводность в обычной структуре металлического пенопласта
Теплопередача в обычной структуре металлического пенопласта

Тиан и др. [48] перечислили несколько критериев оценки пены в теплообменнике. Сравнение термических характеристик металлических пенопластов с материалами, традиционно используемыми для интенсификации обмена (ребра, сопряженные поверхности, слой бортов), впервые показывает, что потери давления, вызываемые пенопластами, гораздо более важны, чем при использовании обычных ребер, но при этом значительно ниже, чем потери давления, вызванные пенопластами. из бисера. Коэффициенты обмена близки к слоям и шару и значительно выше лопастей. [49] [50]

Пены обладают другими теплофизическими и механическими свойствами:

  • Очень низкая масса (плотность 5–25% от сыпучего материала в зависимости от способа изготовления)
  • Большая обменная поверхность (250–10 000 м 2 /м 3 )
  • Относительно высокая проницаемость
  • Относительно высокая эффективная теплопроводность (5–30 Вт/(мК))
  • Хорошая устойчивость к тепловым ударам, высокому давлению, высоким температурам, влаге, износу и термоциклированию.
  • Хорошее поглощение механических ударов и звука.
  • Размер пор и пористость могут контролироваться производителем.

Коммерциализация компактных теплообменников, радиаторов и амортизаторов на основе пенопласта ограничена из-за высокой стоимости копий пенопласта. Их долговременная стойкость к загрязнению, коррозии и эрозии недостаточно изучена. С точки зрения производства переход на пенопластовую технологию требует новых технологий производства и сборки, а также конструкции теплообменников.

Киситу и др. [51] [52] стал пионером экспериментального исследования использования сжатой медной пены для усовершенствованного двухфазного охлаждения электроники с высоким тепловым потоком. Образцы металлической пены разработаны и изготовлены американской компанией ERG Aerospace Corporation. [53] Были протестированы/обработаны тепловые потоки до 174 Вт/см2. Данные показывают, что сжатие пенопласта в четыре раза в направлении потока (4X) повышает тепловые характеристики более чем в 3 раза по сравнению с несжатым металлическим пенопластом. Это было объяснено тем фактом, что сжатие пены пропорционально уменьшает эффективный гидравлический диаметр и увеличивает как площадь поверхности на единицу объема, так и объемную теплопроводность пены, что улучшает характеристики двухфазного охлаждения. Кроме того, результаты показывают, что сжатый пенопласт потенциально может увеличить критический тепловой поток (CHF), который имеет решающее значение для безопасной работы двухфазного охлаждения при высоких плотностях тепла. Предварительные результаты показывают, что сжатые металлические пены могут решить несколько проблем, с которыми сталкиваются микроканалы, включая засорение, нестабильность потока, низкий CHF и другие. Таким образом, сжатые пенопласты предлагаются в качестве новой мощной альтернативы микроканалам в двухфазном охлаждении с насосом для охлаждения/управления температурой электроники с высоким тепловым потоком, включая высокопроизводительные компьютеры, аэрокосмическую, военную и оборонную промышленность, а также силовую электронику.

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ «Металлические и керамические пены | Американские элементы | Продукты | Применение» . Американские элементы . Проверено 21 марта 2024 г.
  2. ^ Сравните материалы: литой алюминий и алюминиевая пена. Архивировано 30 апреля 2010 г. в Wayback Machine . Makeitfrom.com. Проверено 19 ноября 2011 г.
  3. ^ Джон Банхарт. «Что такое пористые металлы и металлические пены?» Архивировано 29 декабря 2010 г. в Wayback Machine.
  4. ^ «Металлический пенопласт Duocel®» . ergaerospace.com/ . Проверено 26 января 2022 г.
  5. ^ Топин, Ф.; Бонне, Ж.-П.; Мадани, Б.; Тадрист, Л. (2006). «Экспериментальный анализ многофазного потока в металлической пене: законы течения, теплопередача и конвективное кипение» (PDF) . Передовые инженерные материалы . 8 (9): 890. doi : 10.1002/adem.200600102 . S2CID   138133942 .
  6. ^ Банхарт, Дж. (2001). «Производство, характеристика и применение пористых металлов и металлических пенопластов». Прогресс в материаловедении . 46 (6): 559–632. дои : 10.1016/S0079-6425(00)00002-5 .
  7. ^ ДеГрут, Коннектикут; Страатман, АГ; Бетчен, ЖЖ (2009). «Моделирование принудительной конвекции в ребристых радиаторах из металлического пенопласта». Журнал электронной упаковки . 131 (2): 021001. дои : 10.1115/1.3103934 .
  8. ^ Ральф Вольф; Халид Мансур. «Удивительная металлическая губка: впитывание водорода». Архивировано 16 ноября 2015 г. в Wayback Machine .1995.
  9. ^ Де Меллер, Массачусетс, патент Франции 615 147 (1926).
  10. ^ Сосник, Б. Патент США 2 434 775 (1948).
  11. ^ Сосник, Б. Патент США 2 553 016 (1951).
  12. ^ Jump up to: а б Исследования по производству отливок из металлической пены - Литейные исследования: металлические пены. Архивировано 29 октября 2013 г. в Wayback Machine . Ctif.com. Проверено 3 декабря 2013 г.
  13. ^ Jump up to: а б ALVEOTEC – Инновации. Архивировано 30 июля 2014 г. в Wayback Machine . Alveotec.fr/en. Проверено 3 декабря 2013 г.
  14. ^ «ALVEOTEC - Актуальные сведения - видео: Процесс изготовления пеноалюминия» . Архивировано из оригинала 30 июля 2014 г.
  15. ^ Юнг, А.; Коблишка, MR; Лах, Э.; Дибельс, С.; Наттер, Х. (2012). «Гибридные металлические пены». Международный журнал материаловедения . 2 (4): 97–107.
  16. ^ Jump up to: а б с Боувейс, бакалавр; МакКри, Дж.Л.; Палумбо, Г.; Хиббард, Джорджия (2009). «Механические свойства гибридных нанокристаллических пенометаллов». Акта Материалия . 57 (14): 4046–4053. Бибкод : 2009AcMat..57.4046B . дои : 10.1016/j.actamat.2009.04.053 .
  17. ^ Сюй, Ю.; Ма, С.; Фан, М.; Чжэн, Х.; Чен, Ю.; Песня, X.; Хао, X. (2019). «Повышение механической и коррозионной стойкости алюминиевых пен с закрытыми порами с помощью наноэлектроосажденных композиционных покрытий» . Материалы . 12 (19): 2197. Бибкод : 2019Mate...12.3197X . дои : 10.3390/ma12193197 . ПМК   6803920 . ПМИД   31569520 .
  18. ^ Jump up to: а б Чжоу, Дж.; Ю, Л.; Чжоу, З.; Хуанг, К.; Чжан, Ю.; Ю, Б.; Ю, Ю. (2021). «Сверхбыстрое изготовление пористых пен переходных металлов для эффективного электрокаталитического расщепления воды». Прикладной катализ Б: Экология . 288 : 120002. Бибкод : 2021AppCB.28820002Z . дои : 10.1016/j.apcatb.2021.120002 . S2CID   233541520 .
  19. ^ Jump up to: а б Пэн, Ю.; Лю, Х.; Чжан, Дж. (2020). «Гибридная металлическая пена с превосходной эластичностью, высокой электропроводностью и чувствительностью к давлению». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 12 (5): 6489–6495. дои : 10.1021/acsami.9b20652 . ПМИД   31927977 . S2CID   210191505 .
  20. ^ Банхарт, Джон (2000). «Маршруты производства металлических пенопластов» . ДЖОМ . 52 (12). Общество минералов, металлов и материалов: 22–27. Бибкод : 2000JOM....52l..22B . дои : 10.1007/s11837-000-0062-8 . S2CID   137735453 . Архивировано из оригинала 1 января 2012 г. Проверено 20 января 2012 г.
  21. ^ Бонаккорси, Л.; Провербио, Э. (1 сентября 2006 г.). «Влияние уплотнения порошка на пенообразование прекурсоров одноосных прессованных частиц». Передовые инженерные материалы . 8 (9): 864–869. дои : 10.1002/адем.200600082 . S2CID   136706142 .
  22. ^ Сиоми, М.; Имагама, С.; Осакада, К.; Мацумото, Р. (2010). «Изготовление алюминиевых пенопластов из порошка методом горячей экструзии и вспенивания». Журнал технологии обработки материалов . 210 (9): 1203–1208. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2010.03.006 .
  23. ^ Лефевр, Луи-Филипп; Банхарт, Джон; Дюнанд, Дэвид К. (2008). MetFoam 2007: пористые металлы и металлические пены: материалы пятой Международной конференции по пористым металлам и металлическим пенам, 5–7 сентября 2007 г., Монреаль, Канада . Ланкастер, Пенсильвания: DEStech Publications Inc., стр. 7–10. ISBN  978-1932078282 .
  24. ^ Страно, М.; Поурхасан, Р.; Мусси, В. (2013). «Влияние холодной прокатки на эффективность вспенивания предшественников алюминия». Журнал производственных процессов . 15 (2): 227. doi : 10.1016/j.jmapro.2012.12.006 .
  25. ^ Jump up to: а б «Исследование показало, что металлические пены способны защищать рентгеновские лучи, гамма-лучи, нейтронное излучение» . Штат Северная Каролина, Роли, Северная Каролина . Новости Государственного университета Северной Каролины. 17 июля 2015 г. Проверено 20 августа 2021 г. Исследования Университета штата Северная Каролина показывают, что легкие композитные металлические пенопласты эффективно блокируют рентгеновские лучи, гамма-лучи и нейтронное излучение, а также способны поглощать энергию сильных ударов.
  26. ^ Jump up to: а б Шипман, Матовая металлическая пена останавливает патроны калибра .50, а также сталь – при весе менее половины веса , Новости Государственного университета Северной Каролины, 05.05.19
  27. ^ Рабии, Маркс, Портанова, (2018), Исследование устойчивости к взрыву и осколкам композитных металлических пенопластов с помощью экспериментальных и модельных подходов. Композитные конструкции 194 (2018) 652-661.
  28. ^ Ван, Брайан (24 апреля 2018 г.). «Композитные металлические пенопласты обеспечивают броневую защиту, уменьшая вес на одну треть, и из них делают бамперы суперкаров | NextBigFuture.com» . NextBigFuture.com . Проверено 24 мая 2018 г.
  29. ^ Маркс, Портанова, Рабей, Исследование стойкости к взрыву и осколкам композитных металлических пенопластов с помощью экспериментальных и модельных подходов. Композитные конструкции 194 (2018) 652-661.
  30. ^ Рабии, Гарсия-Авила, Портанова. (2015). Баллистические характеристики композитных металлических пенопластов. Композитные конструкции (2015) 202-211.
  31. ^ Jump up to: а б с Рабей, Маркс, Портанова. (2019). Баллистические характеристики композитной металлической пены против крупнокалиберных угроз. Композитные конструкции 224 (2019) 111032.
  32. ^ Рабей, Маркс, Портанова, Скотт, Швандт. (2020). Исследование стойкости к проколу сэндвич-панелей с металлическим пенопластом. Передовые инженерные материалы (2020) 2000693.
  33. ^ Jump up to: а б Рабии, Латтимер, Беарингер, (2020), Последние достижения в анализе, измерении и свойствах композитных металлических пенопластов.
  34. ^ Рабией, Каримпур, Басу, Янссенс. (2020). Композитная металлическая пена сталь-сталь при испытаниях на огнестойкость в моделируемом бассейне. Международный журнал тепловых наук 153 (2020) 106336.
  35. ^ ALVEOTEC - Актуальные новости - LOUPI Liighing представляет свой новый радиатор из металлического пенопласта для освещения_66.html. Архивировано 30 июля 2014 г. на Wayback Machine . Alveotec.fr. Проверено 3 декабря 2013 г.
  36. ^ Остеоинтеграция с титановой пеной в бедренной кости кролика. Архивировано 18 апреля 2016 г. на Wayback Machine , YouTube.
  37. ^ Титановые покрытия на ортопедических устройствах. Архивировано 13 марта 2016 г. в Wayback Machine . Ютуб
  38. ^ Biomet Orthopedics, Пористая титановая конструкция Regenerex®. Архивировано 28 сентября 2011 г. в Wayback Machine.
  39. ^ Zimmer Orthopedics, Trabeluar Metal Technology. Архивировано 18 июля 2011 г. в Wayback Machine.
  40. ^ Пористое покрытие Zimmer CSTiTM (титан с губчатой ​​структурой TM). Архивировано 18 июля 2011 г. в Wayback Machine.
  41. ^ Страно, Маттео (2011). «Новый подход методом конечных элементов для моделирования труб, заполненных металлической пеной». Журнал производственной науки и техники . 133 (6): 061003. дои : 10.1115/1.4005354 .
  42. ^ Новая концепция проектирования легких автомобильных компонентов. Архивировано 24 марта 2012 г. в Wayback Machine . (PDF) . Проверено 3 декабря 2013 г.
  43. ^ Инновации Alantum в пенопласте: Домашнее архивирование 17 февраля 2010 г. в Wayback Machine . Алантум.com. Проверено 19 ноября 2011 г.
  44. ^ Разработка системы очистки выхлопных газов на основе металлической пены для легкового дизельного автомобиля - Виртуальный конференц-центр [ постоянная мертвая ссылка ] . Vcc-sae.org. Проверено 19 ноября 2011 г.
  45. ^ Чжэн, Вейран; Лю, Мэнцзе; Ли, Лоуренс Юн Сок (9 октября 2020 г.). «Передовой опыт использования электродов пенного типа для проверки электрокаталитических характеристик» . Энергетические письма ACS . 5 (10): 3260–3264. doi : 10.1021/acsenergylett.0c01958 . hdl : 10397/100121 .
  46. ^ Банхарт, Джон; Дюнанд, Дэвид К. (2008). MetFoam 2007: Пористые металлы и металлические пены: материалы Пятой Международной конференции по пористым металлам и металлическим пенам, 5-7 сентября 2007 г., Монреаль, Канада . DEStech Publications, Inc. ISBN  9781932078282 .
  47. ^ ALVEOTEC – Актуальные новости – Примеры применения металлической пены. Архивировано 30 июля 2014 г. на Wayback Machine Alveotec.fr. Проверено 3 декабря 2013 г.
  48. ^ Тиан, Дж.; Ким, Т.; Лу, Ти Джей; Ходсон, HP; Кехейальт, DT; Сайпек, диджей; Уодли, HNG (2004). «Влияние топологии на поток жидкости и теплопередачу в ячеистых медных структурах» (PDF) . Международный журнал тепломассообмена . 47 (14–16): 3171. Бибкод : 2004IJHMT..47.3171T . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.02.010 . Архивировано (PDF) из оригинала 03 марта 2016 г.
  49. ^ Мишевич, М. (1997). Исследование интенсификации теплообмена пористыми структурами: применение к компактным теплообменникам и двухфазному охлаждению. Юсти. Марсель, Университет Прованса
  50. ^ Катильон, С., К. Луи и др. (2005). Использование металлических пен в установке каталитического риформинга метанола для производства H2. GECAT, Ла-Рошель.
  51. ^ Киситу, Деогратий; и др. (2022). «Экспериментальное исследование кипения R134a в потоке в испарителях из медной пены для охлаждения электроники с высоким тепловым потоком» . Международная техническая конференция и выставка ASME 2022 по упаковке и интеграции электронных и фотонных микросистем (опубликовано 7 декабря 2022 г.). дои : 10.1115/ipack2022-97400 . ISBN  978-0-7918-8655-7 . S2CID   254435507 . {{cite book}}: |website= игнорируется ( помогите )
  52. ^ Киситу, Деогратий; Ортега, Альфонсо; Златинов, Методи; Шаффарзик, Денвер (30 мая 2023 г.). «Двухфазный поток в сжатой пене меди с R134a для терморегулирования с высоким тепловым потоком: влияние степени сжатия пены и условий эксплуатации хладагента на теплогидравлические характеристики». 2023 г. 22-я Межобщественная конференция IEEE по тепловым и термомеханическим явлениям в электронных системах (ITherm) . IEEE. стр. 1–10. doi : 10.1109/ITherm55368.2023.10177584 . ISBN  979-8-3503-2166-1 . S2CID   259859929 .
  53. ^ «ERG Aerospace | Родина запатентованной пены Duocel | Металлическая пена» . ergaerospace.com . Проверено 21 декабря 2022 г.
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Metal_foam&oldid=1236574198"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: a26ac942d1480f4e24f9975a7d1da203__1721900100
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/a2/03/a26ac942d1480f4e24f9975a7d1da203.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Metal foam - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)