Metal köpük - Metal foam

Köpüklü alüminyum
Normal köpük alüminyum

Bir metal köpük katıdan oluşan hücresel bir yapıdır metal (sık sık alüminyum ) gaz dolu gözenekler hacmin büyük bir bölümünü içerir. Gözenekler kapatılabilir (kapalı hücre köpük ) veya birbirine bağlı (açık hücreli köpük). Metal köpüklerin tanımlayıcı özelliği yüksek gözeneklilik: tipik olarak hacmin yalnızca% 5–25'i ana metaldir. Malzemenin mukavemeti, kare küp yasası.

Metal köpükler tipik olarak bir miktar fiziki ozellikleri temel malzemelerinin. Yanıcı olmayan metalden yapılan köpük yanıcı değildir ve genellikle temel malzeme olarak geri dönüştürülebilir. Onun termal Genleşme katsayısı benzerdir termal iletkenlik muhtemelen azalır.[1]

Açık hücre

Açık hücreli metal köpük
Açık hücreli metal köpük üzerinde sıvı akışı ve ısı transferinin CFD'si (sayısal simülasyon)

Metal sünger olarak da adlandırılan açık hücreli metal köpük,[2] kullanılabilir ısı eşanjörleri (kompakt elektronik soğutma, kriyojen tankları, PCM ısı eşanjörleri ), enerji absorpsiyonu, akış difüzyonu ve hafif optik. Malzemenin yüksek maliyeti genellikle kullanımını ileri teknoloji ile sınırlar, havacılık ve üretim.

Yardımsız görülebilecek olandan daha küçük hücrelere sahip ince ölçekli açık hücreli köpükler, yüksek sıcaklık olarak kullanılır. filtreler kimya endüstrisinde.

Metal köpükler, düşük basınç pahasına ısı transferini artırmak için kompakt ısı eşanjörlerinde kullanılır.[3][4][5][açıklama gerekli ] Bununla birlikte, kullanımları fiziksel boyutta ve imalat maliyetlerinde önemli bir azalmaya izin verir. Bu malzemelerin çoğu modeli idealize edilmiş ve periyodik yapılar veya ortalama makroskopik özellikler kullanır.

Metal sünger, birim ağırlık başına çok geniş yüzey alanına ve katalizörler genellikle metal sünger haline getirilir, örneğin paladyum siyah, platin sünger, ve süngerimsi nikel. Gibi metaller osmiyum ve paladyum hidrit metaforik olarak "metal süngerler" olarak adlandırılır, ancak bu terim fiziksel yapıdan ziyade hidrojene bağlanma özelliklerine atıfta bulunur.[6]

İmalat

Açık hücreli köpükler dökümhane tarafından üretilir veya toz metalurjisi. Toz yönteminde "boşluk tutucular" kullanılır; Adından da anlaşılacağı gibi gözenek boşluklarını ve kanalları işgal ederler. Döküm işlemlerinde köpük, açık hücreli poliüretan köpük iskelet.

Kapalı hücre

Kapalı hücreli metal köpük, ilk olarak 1926'da Meller tarafından, hafif metallerin, ya inert gaz enjeksiyonu ya da üfleme ajanı, önerildi.[7] 1948 ve 1951'de Benjamin Sosnik'e sünger benzeri metal üzerine iki patent verildi. Merkür sıvı alüminyum üflemek için buhar.[8][9]

Kapalı hücreli metal köpükler, 1956'da John C. Elliott tarafından Bjorksten Research Laboratories'de geliştirildi. İlk prototipler 1950'lerde mevcut olmasına rağmen, ticari üretim 1990'larda Japonya'daki Shinko Wire şirketi tarafından başladı. Kapalı hücreli metal köpükler, esas olarak darbe emici bir malzeme olarak kullanılır. polimer içinde köpükler bisiklet kaskı ancak daha yüksek darbe yükleri için. Pek çok polimer köpüğün aksine, metal köpükler darbeden sonra deforme kalır ve bu nedenle yalnızca bir kez deforme edilebilir. Hafiftirler (tipik olarak özdeş gözeneksiz alaşımın yoğunluğunun% 10-25'i; genellikle alüminyumunkiler) ve katı ve sıklıkla hafif yapı malzemesi olarak önerilmektedir. Ancak, bu amaç için yaygın olarak kullanılmadılar.

Kapalı hücreli köpükler, diğer metal köpüklerin yangına dayanıklılığını ve geri dönüşüm potansiyelini korur, ancak suda yüzdürme özelliği ekler.

İmalat

Köpükler genellikle bir gazın enjekte edilmesiyle veya bir köpürtücü ajan içine erimiş metal.[10] Malzemede gaz kabarcıkları oluşturarak eriyikler köpürtülebilir. Normalde, erimiş metaldeki kabarcıklar, yüksek yoğunluklu sıvıda oldukça yüzdürücüdür ve hızla yüzeye çıkar. Bu artış, eriyikte stabilize edici partiküller oluşturmak için seramik tozları veya alaşım elementleri ekleyerek veya başka yollarla erimiş metalin viskozitesini artırarak yavaşlatılabilir. Metalik eriyikler üç yoldan biriyle köpüklenebilir:

  • harici bir kaynaktan sıvı metale gaz enjekte ederek;
  • gaz salan şişirme maddelerini erimiş metal ile karıştırarak sıvıda gaz oluşumuna neden olarak;
  • daha önce erimiş metalde çözünen gazın çökelmesine neden olarak.

Erimiş metal baloncukları stabilize etmek için, yüksek sıcaklıkta köpük yapıcı maddeler (nano veya mikrometre boyutlu katı partiküller) gereklidir. Boyutunun gözenekler veya hücreler genellikle 1 ila 8 mm'dir. Köpürtücü veya şişirici maddeler kullanıldığında, bunlar eritilmeden önce toz metal ile karıştırılır. Bu, köpürmenin sözde "toz yolu" dur ve muhtemelen en yerleşik olanıdır (endüstriyel bir bakış açısından). Metalden sonra (ör. alüminyum ) tozlar ve köpürtücü ajan (örn.TiH2 ) karıştırıldıklarında, kütük, levha veya tel şeklinde bulunabilen kompakt, katı bir öncü halinde sıkıştırılırlar. Öncülerin üretimi, toz presleme gibi malzeme oluşturma işlemlerinin bir kombinasyonu ile yapılabilir.[11] ekstrüzyon (doğrudan[12] veya uygun[13]) ve düz yuvarlanma.[14]

Kompozitler

Kompozit metal köpük (CMF), alüminyum içindeki çelik gibi diğerinin katı bir matrisi içindeki bir metalin içi boş boncuklarından oluşur, yoğunluk oranına 5 ila 6 kat daha fazla güç ve önceki metal köpüklere göre 7 kat daha fazla enerji emilimi gösterir.[15]

Bir inçten daha ince bir levha, bir .30-06 Springfield standart sorun M2 zırh delici mermi toza. Test plakası, çok daha az ağırlığa sahipken, benzer kalınlıkta bir katı metal plakadan daha iyi performans gösterdi. Diğer potansiyel uygulamalar şunları içerir: nükleer atık (kalkanlama X ışınları, Gama ışınları ve nötron radyasyon) uzay aracının atmosferik yeniden girişi için transfer ve ısı yalıtımı, düz metallere göre yangına ve ısıya iki kat daha fazla direnç.[16][17] CMF'nin .50 kalibrelik mermilere karşı direncini test eden başka bir çalışma, CMF'nin bu turları ağırlığının yarısından daha azıyla durdurabileceğini buldu. haddelenmiş homojen zırh.[18]

CMF, ağırlığın üçte biri için haddelenmiş çelik zırhı aynı korumayla değiştirebilir. Beyin yaralanmalarından sorumlu olan parçaları ve şok dalgalarını engelleyebilir. Paslanmaz çelik CMF, saniyede 5.000 fit hızla patlama basıncını ve parçalanmayı engelleyebilir. yüksek patlayıcı yangın (HEI) kalkandan 18 inç uzakta patlayan mermiler. Çelik CMF plakaları (9,5 mm veya 16,75 mm kalınlığında), patlama basıncı dalgasına karşı ve 23 × 152 mm HEI mermi ile oluşturulan bakır ve çelik parçalara karşı tutulan grev plakasından 18 inç uzağa yerleştirildi ( uçaksavar silahları ) ve 2,3 mm alüminyum kilit karşılığı.[19]

Stokastik ve normal köpükler

Stokastik

Gözeneklilik dağılımı rastgele olduğunda bir köpüğün stokastik olduğu söylenir. Çoğu köpük, üretim yöntemi nedeniyle stokastiktir:

  • Sıvı veya katı (toz) metalin köpürmesi
  • Buhar biriktirme (rastgele bir matris üzerinde CVD)
  • Boncuk veya matris içeren bir kalıbın doğrudan veya dolaylı rastgele dökümü

Düzenli

Doğrudan kalıplama, CTIF işlemi ile normal bir metal köpüğün üretim süreci[20][21][22]

Yapı sipariş edildiğinde bir köpüğün normal olduğu söylenir. Doğrudan kalıplama, normal köpükler üreten bir teknolojidir[20][21] açık gözenekli. Metal köpükler, aşağıdaki gibi ilave işlemlerle de üretilebilir. seçici lazer eritme (SLM).

Plakalar, döküm maçaları olarak kullanılabilir. Şekil, her uygulama için özelleştirilmiştir. Bu imalat yöntemi, "mükemmel" köpüğe izin verir; Plato kanunları ve kesik oktahedron Kelvin hücresi şeklinde iletken gözeneklere sahiptir (gövde merkezli kübik yapısı).

Kelvin hücresi (Weaire – Phelan yapısına benzer)

Normal köpük galerisi

  • Bakır köpüklü soğutucu

  • Alüminyum köpük içeren çarpma kutusu

  • Büyük gözenekli alüminyum köpük

  • Alüminyum levhalı alüminyum köpük

  • Başlık - çelik metal köpük

Başvurular

Tasarım

Metal köpük, ürün veya mimari kompozisyonda kullanılabilir.

Tasarım galerisi

  • işlenmiş metal köpük

  • Normal köpük ile tasarım soğutucu[23]

  • büyük gözenekli alüminyum sehpa

Mekanik

Ortopedi

Ana makale: Osseointegrasyon § Malzeme mühendisliğindeki gelişmeler: metal köpükler

Deney hayvanında köpük metal kullanılmıştır protezler. Bu uygulamada, bir delik açılır. kemik ve metal köpüğün yerleştirilmesi, kemiğin kalıcı bir bağlantı için metale doğru büyümesine izin verir. Ortopedik uygulamalar için, tantal veya titanyum köpükler onların gerilme direnci, korozyon direnci ve biyouyumluluk.

Arka bacakları Sibirya kurdu Triumph adlı köpük metal protezler aldı. Memeli çalışmaları, gözenekli metallerin, örneğin titanyum köpük, izin verebilir vasküler gözenekli alan içinde izlenme.[24]

Ortopedik cihaz üreticileri köpük konstrüksiyon veya metal köpük kaplamalar kullanır[25] istenen seviyelere ulaşmak için osseointegrasyon.[26][27][28]

Otomotiv

Araçlarda metalik köpüklerin temel işlevleri, ses sönümleme, ağırlığı azaltın, çarpışma durumunda enerji emilimini artırın ve (askeri uygulamalarda) sarsıcı kuvvetle mücadele etmek için IED'ler. Örnek olarak, köpük dolgulu tüpler şu şekilde kullanılabilir: izinsiz giriş önleme çubukları.[29] Düşük yoğunluklarından dolayı (0,4–0,9 g / cm3), alüminyum ve alüminyum alaşımlı köpükler özellikle dikkate alınmaktadır. Bu köpükler, özellikle içi boş parçalara kıyasla sert, yangına dayanıklı, toksik olmayan, geri dönüştürülebilir, enerji emici, termal olarak daha az iletken, daha az manyetik geçirgen ve daha verimli bir ses yalıtımıdır. İçi boş araba parçalarındaki metalik köpükler, genellikle araba kazaları ve titreşimle ilişkili zayıf noktaları azaltır. Bu köpükler, diğer içi boş parçaların dökümü ile karşılaştırıldığında toz metalurjisi ile dökmek için ucuzdur.

Araçlardaki polimer köpüklerle karşılaştırıldığında, metalik köpükler daha sert, daha güçlü, daha fazla enerji emicidir ve yangına ve hava şartlarına karşı dirençlidir. UV ışık, nem ve sıcaklık değişimi. Bununla birlikte, daha ağırdırlar, daha pahalıdırlar ve yalıtkan değildirler.[30]

Otomotiv için metal köpük teknolojisi uygulandı egzoz gazı.[31] Geleneksel ile karşılaştırıldığında Katalik dönüştürücüler o kullanım kordiyerit substrat olarak seramik, metal köpük substrat daha iyi ısı transferi sunar ve mükemmel kütle taşıma özellikleri sergiler (yüksek türbülans) ve miktarını azaltabilir platin katalizör gereklidir.[32]

Enerji emilimi

Alüminyum çarpışma grafiği

Metal köpükler, bir yapıyı kütlesini artırmadan sertleştirmek için kullanılır.[33] Bu uygulama için metal köpükler genellikle kapalı gözeneklidir ve alüminyumdan yapılır. Köpük paneller, yerel olarak (levha kalınlığında) dayanıklı bir kompozit sandviç elde etmek için alüminyum plakaya yapıştırılır ve köpüğün kalınlığına bağlı olarak uzunluk boyunca serttir.

Metal köpüklerin avantajı, kuvvetin yönüne bakılmaksızın reaksiyonun sabit olmasıdır. Köpükler, deformasyondan sonra ezmenin% 80'i kadar sabit olan bir gerilme platosuna sahiptir.[34]

Termal

Normal metal köpük yapısında ısı iletimi
Normal metal köpük yapısında ısı transferi

Tian vd.[35] bir ısı eşanjöründeki köpüğü değerlendirmek için birkaç kriter listeledi. Termal-performanslı metal köpüklerin, değişimin yoğunlaştırılmasında geleneksel olarak kullanılan malzemelerle (kanatçıklar, birleşik yüzeyler, boncuk yatağı) karşılaştırılması ilk olarak, köpüklerin neden olduğu basınç kayıplarının geleneksel kanatçıklardan çok daha önemli olduğunu, ancak bunlardan önemli ölçüde daha düşük olduğunu göstermektedir. boncuklar. Değişim katsayıları yataklara ve bilyeye yakın ve bıçakların çok üstündedir.[36][37]

Köpükler başka termofiziksel ve mekanik özellikler sunar:

  • Çok düşük kütle (üretim yöntemine bağlı olarak, dökme katının yoğunluğu% 5–25)
  • Geniş değişim yüzeyi (250–10000 m2/ m3)
  • Nispeten yüksek geçirgenlik
  • Nispeten yüksek etkili termal iletkenlikler (5–30 W / (mK))
  • Termal şoklara, yüksek basınçlara, yüksek sıcaklıklara, neme, aşınmaya ve termal döngüye karşı iyi direnç
  • Mekanik şok ve sesin iyi emilimi
  • Gözenek boyutu ve gözeneklilik üretici tarafından kontrol edilebilir

Köpük esaslı kompakt ısı eşanjörlerinin, ısı alıcılarının ve amortisörlerin ticarileştirilmesi, köpük kopyalarının yüksek maliyeti nedeniyle sınırlıdır. Kirlenmeye, korozyona ve erozyona karşı uzun vadeli dirençleri yeterince karakterize edilmemiştir. Üretim açısından, köpük teknolojisine geçiş, yeni üretim ve montaj teknikleri ve ısı eşanjörü tasarımı gerektirir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Malzemeleri Karşılaştır: Dökme Alüminyum ve Alüminyum Köpük Arşivlendi 2010-04-30 Wayback Makinesi. Makeitfrom.com. Erişim tarihi: 2011-11-19.
  2. ^ John Banhart. "Hücresel metaller ve metal köpükler nelerdir?" Arşivlendi 2010-12-29'da Wayback Makinesi.
  3. ^ Topin, F .; Bonnet, J. -P .; Madani, B .; Tadrist, L. (2006). "Metalik köpükte Çok Fazlı Akışın Deneysel Analizi: Akış Kanunları, Isı Transferi ve Konvektif Kaynama". İleri Mühendislik Malzemeleri. 8 (9): 890. doi:10.1002 / adem.200600102.
  4. ^ Banhart, J. (2001). "Hücresel metallerin ve metal köpüklerin üretimi, karakterizasyonu ve uygulaması". Malzeme Biliminde İlerleme. 46 (6): 559–632. doi:10.1016 / S0079-6425 (00) 00002-5.
  5. ^ DeGroot, C.T., Straatman, A.G. ve Betchen, L.J. (2009). "Kanatlı metal köpük ısı emicilerde zorlanmış konveksiyonun modellenmesi". J. Electron. Packag. 131 (2): 021001. doi:10.1115/1.3103934.CS1 bakım: birden çok isim: yazar listesi (bağlantı)
  6. ^ Ralph Wolf; Khalid Mansour."İnanılmaz Metal Sünger: Hidrojeni Emmek" Arşivlendi 2015-11-16 Wayback Makinesi.1995.
  7. ^ De Meller, M.A. Fransız Patenti 615.147 (1926).
  8. ^ Sosnick, B. ABD Patenti 2,434,775 (1948).
  9. ^ Sosnick, B. ABD Patenti 2,553,016 (1951).
  10. ^ Banhart, John (2000). "Metalik Köpükler İçin Üretim Yolları". JOM. Mineraller, Metaller ve Malzemeler Derneği. 52 (12): 22–27. Bibcode:2000JOM .... 52l..22B. doi:10.1007 / s11837-000-0062-8. S2CID  137735453. Arşivlendi 2012-01-01 tarihinde orjinalinden. Alındı 2012-01-20.
  11. ^ Bonaccorsi, L .; Proverbio, E. (1 Eylül 2006). "Tek Eksenli Preslenmiş PM Öncülerinin Köpürme Davranışı Üzerindeki Toz Sıkıştırma Etkisi". İleri Mühendislik Malzemeleri. 8 (9): 864–869. doi:10.1002 / adem.200600082.
  12. ^ Shiomi, M .; Imagama, S .; Osakada, K .; Matsumoto, R. (2010). "Sıcak ekstrüzyon ve köpürtme yoluyla tozdan alüminyum köpük üretimi". Malzeme İşleme Teknolojisi Dergisi. 210 (9): 1203–1208. doi:10.1016 / j.jmatprotec.2010.03.006.
  13. ^ Dunand, [editörler] Louis Philippe Lefebvre, John Banhart, David C. (2008). MetFoam 2007: gözenekli metaller ve metalik köpükler: Beşinci Uluslararası Gözenekli Metaller ve Metalik Köpükler Konferansı bildirisi, 5-7 Eylül 2007, Montreal Kanada. Lancaster, Pa .: DEStech Publications Inc. s. 7-10. ISBN  978-1932078282.CS1 bakimi: ek metin: yazarlar listesi (bağlantı)
  14. ^ Strano, M .; Pourhassan, R .; Mussi, V. (2013). "Soğuk haddelemenin alüminyum öncüllerinin köpürme verimliliği üzerindeki etkisi". Üretim Süreçleri Dergisi. 15 (2): 227. doi:10.1016 / j.jmapro.2012.12.006.
  15. ^ Urweb: Yüksek Performanslı Kompozit Metal Köpük. Arşivlendi 2013-12-12 Wayback Makinesi Erişim tarihi: 2013-12-10.
  16. ^ MICU, ALEXANDRU (6 Nisan 2016). "Kompozit metal köpük, mermileri durdurmada katı plakalardan daha iyidir". ZME Bilim. Arşivlendi 10 Nisan 2016'daki orjinalinden. Alındı 2016-04-09.
  17. ^ https://news.ncsu.edu/2015/07/rabiei-foam-rays-2015/Shipman, Matt Çalışma, X-ışınlarını, Gama Işınlarını, Nötron Radyasyonunu Koruyabilen Metal Köpükleri Buluyor, NC State University News, 17.05.15
  18. ^ Shipman, Matt Metal Köpük, Çeliğin yanı sıra .50 Kalibre Mermileri Durdurur - Ağırlığın Yarısından Daha Azında, NC State University News, 05.05.19
  19. ^ Wang, Brian (2018/04/24). "Kompozit metal köpükler, ağırlığın üçte biri için zırh koruması sağlar ve süper araba tamponları oluşturur | NextBigFuture.com". NextBigFuture.com. Alındı 2018-05-24.
  20. ^ a b Üretim de fonderie en mousse métallique'de üretim - Recherche en fonderie: les mousses métalliques Arşivlendi 2013-10-29'da Wayback Makinesi. Ctif.com. Erişim tarihi: 2013-12-03.
  21. ^ a b ALVEOTEC - Yenilik Arşivlendi 2014-07-30 Wayback Makinesi. Alveotec.fr/en. Erişim tarihi: 2013-12-03.
  22. ^ "ALVEOTEC - Actualités - video: alüminyum köpük yapma işlemi". Arşivlendi 2014-07-30 tarihinde orjinalinden.
  23. ^ ALVEOTEC - Actualités - LOUPI Lighing, aydınlatma uygulaması için yeni metal köpük soğutucusunu piyasaya sürdü_66.html Arşivlendi 2014-07-30 Wayback Makinesi. Alveotec.fr. Erişim tarihi: 2013-12-03.
  24. ^ Tavşan Femurunda Titanyum Köpük ile Osseointegrasyon Arşivlendi 2016-04-18 de Wayback Makinesi, Youtube
  25. ^ Ortopedik Cihazlarda titanyum kaplamalar Arşivlendi 2016-03-13'te Wayback Makinesi. Youtube
  26. ^ Biomet Ortopedi, Regenerex® Gözenekli Titanyum Yapı Arşivlendi 2011-09-28 de Wayback Makinesi
  27. ^ Zimmer Ortopedi, Trabeluar Metal Teknolojisi Arşivlendi 2011-07-18 de Wayback Makinesi
  28. ^ Zimmer CSTiTM (Süngerimsi Yapılı Titanyum TM) Gözenekli Kaplama Arşivlendi 2011-07-18 de Wayback Makinesi
  29. ^ Strano, Matteo (2011). "Metal Köpük Dolu Tüplerin Simülasyonu için Yeni Bir FEM Yaklaşımı". İmalat Bilimi ve Mühendisliği Dergisi. 133 (6): 061003. doi:10.1115/1.4005354.
  30. ^ Hafif Otomotiv Bileşenlerinin Tasarımı için Yeni Konsept Arşivlendi 2012-03-24'te Wayback Makinesi. (PDF). Erişim tarihi: 2013-12-03.
  31. ^ Alaşım Köpükte Alantum Yenilikleri: Ana Sayfa Arşivlendi 2010-02-17 de Wayback Makinesi. Alantum.com. Erişim tarihi: 2011-11-19.
  32. ^ Dizel Binek Araçta Metal Köpük Bazlı Son İşlem Geliştirilmesi - Sanal Konferans Merkezi[kalıcı ölü bağlantı ]. Vcc-sae.org. Erişim tarihi: 2011-11-19.
  33. ^ Banhart, John; Dunand, David C. (2008). MetFoam 2007: Gözenekli Metaller ve Metalik Köpükler: Beşinci Uluslararası Gözenekli Metaller ve Metalik Köpükler Konferansı Bildirileri, 5-7 Eylül 2007, Montreal Kanada. DEStech Publications, Inc. ISBN  9781932078282.
  34. ^ ALVEOTEC - Actualités - Metal köpük uygulamalarına örnekler. Arşivlendi 2014-07-30 Wayback Makinesi Alveotec.fr. Erişim tarihi: 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). "Hücresel bakır yapılar içinde topolojinin sıvı akışı ve ısı transferi üzerindeki etkileri" (PDF). Uluslararası Isı ve Kütle Transferi Dergisi. 47 (14–16): 3171. doi:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2004.02.010. Arşivlendi (PDF) 2016-03-03 tarihinde orjinalinden.
  36. ^ Miscevic, M. (1997). Etude de l'intensification des transferts thermiques par des structure poreuses: Application aux échangeurs compacts and au refroidissement diphasique. IUSTI. Marsilya., Université de Provence
  37. ^ Catillon, S., C. Louis, vd. (2005). Kullanımda köpük métalliques dans un reformeur catalytique du metanol pour la production de H2. GECAT, La Rochelle.

Dış bağlantılar