Skummetall - en metall ( legering ) av en cellulär struktur, bestående av en solid metall (ofta aluminium) med gasfyllda porer som utgör en betydande del av volymen. Porerna kan vara isolerade (skum med slutna celler) eller sammankopplade (skum med öppna celler).
Skummetaller behåller vanligtvis en del av basmetallens fysikaliska egenskaper. Icke brännbart metallskum förblir obrännbart och kan återvinnas som basmaterial. Jämfört med basmetallen är den termiska expansionskoefficienten för skummetallen densamma, men värmeledningsförmågan är vanligtvis reducerad.
Skummetaller är en ny klass av material med extremt låg densitet (upp till 50 kg/m³ för AZ91-legering) kombinerat med hög specifik styvhet och ljudabsorption , låg värmeledningsförmåga . Det avgörande kännetecknet för skummetaller är deras höga porositet: vanligtvis är endast 5–25 % av volymen metallkärnan. Materialets styrka baseras på kvadratkublagen.
De vanligaste skummetallerna baserade på legeringar av aluminium och magnesium - Fomalyum [1] .
Skum med öppna celler, även kallad metallsvamp, kan användas i värmeväxlare (kompaktelektronikkylning, kryogena tankar, värmeväxlare för fasförändringsmaterial), energiabsorption, flödesdiffusion och ljusoptik. Den höga kostnaden för materialet begränsar avsevärt dess tillämpning för avancerad teknik, flyg och tillverkning.
Småskaliga skummetaller med öppna porer, osynliga för blotta ögat, används inom den kemiska industrin som högtemperaturfilter. Användningen av skummetaller i kompakta värmeväxlare kan avsevärt minska deras storlek och tillverkningskostnader. De flesta modeller av dessa material använder en idealiserad periodisk struktur eller genomsnittliga makroskopiska egenskaper.
Metallsvampen har en mycket stor yta per viktenhet, så katalysatorer görs ofta i form av en metallsvamp - till exempel Raney-nickel , platinasvart och palladiumsvart . Metaller som osmium och palladiumhydrid kallas metaforiskt som metallsvampar, men termen syftar mer på deras förmåga att binda med väte än till deras fysiska struktur.
Skum med öppna celler framställs genom gjutningsprocessen eller genom att använda pulvermetallurgiteknik. I pulvermetoden används aggregat för att bilda porernas utrymme och kanaler. I gjutningsprocessen gjuts skummetall med en ram av polyuretanskum med öppna celler.
Skummetall med slutna celler beskrevs först av Meller 1926 i ett franskt patent som föreslog skumning av lättmetaller genom insprutning av en inert gas eller med användning av ett jäsmedel. Benjamin Sosnick lämnade in två patent 1948 och 1951 för svampmetaller som använde kvicksilverånga för att skumma flytande aluminium. Skummetaller med slutna celler utvecklades av John S. Elliott vid Bjorksten Research Laboratories 1956. Även om de första prototyperna gjordes på 1950-talet, startades kommersiell produktion på 1990-talet av Shinko Wire i Japan. Skum med slutna celler används främst som ett stötdämpande material, liknande skum i motorcykelhjälmar, men för högre stötbelastningar. Till skillnad från många skum förblir skummetaller deformerade efter stöten, så de kan bara ta en belastning en gång. De är lätta (vanligtvis 10–25 % av densiteten hos en identisk icke-porös legering; aluminiumlegeringar används ofta) och styva, och föreslås ofta som lätta strukturella material, men används inte i stor utsträckning för detta ändamål.
Skum med slutna celler behåller andra skums brandbeständighet och återvinningsbarhet, men har dessutom egenskapen att vara flytande i vatten.
Skummetaller framställs vanligtvis genom att injicera gas eller blanda ett jäsmedel i den smälta metallen. Smältor kan skummas till följd av bildandet av gasbubblor i materialet. Under normala förhållanden är bubblor i smält metall mycket flytande i vätskor med hög densitet och stiger snabbt upp till ytan. Ökningen kan bromsas genom att öka viskositeten hos den smälta metallen genom att tillsätta keramiska pulver eller legeringselement för att bilda stabiliserande partiklar i smältan. Metallsmältor kan skummas på tre sätt:
Högtemperaturblåsningsmedel (nano- eller mikrometerstora fasta partiklar) behövs för att stabilisera bubblorna. Storleken på porerna, eller cellerna, är vanligtvis från 1 till 8 mm. När skum- eller jäsmedel används blandas de med pulverformig metall innan den smälts. Detta är den så kallade "pulverversionen" av skumning, förmodligen den vanligaste (ur industriell synvinkel). Efter blandning av ett metallpulver (t.ex. aluminium) och ett jäsmedel (t.ex. titanhydrid TiH 2 ), pressas de till kompakta fasta ämnen, t.ex. i form av en stång, plåt eller tråd. Detta kan uppnås genom att använda en kombination av materialformningsprocesser såsom halvtorr pressning, extrudering (direkt eller kontinuerlig) och rakvalsning.
Kompositskummetaller (CFM) bildas av ihåliga kulor av en metall inuti en solid matris av en annan (till exempel stål inuti aluminium). De har 5 till 6 gånger högre specifik styrka och mer än 7 gånger bättre energiabsorptionsegenskaper än tidigare skummetaller.
Plåten, mindre än en tum tjock, har tillräckligt med stabilitet för att fullständigt förstöra standardutgåvan 7,62×63 mm patronen med den pansargenomträngande kulan M2. Testplattan presterade bättre än en helmetallplatta av samma tjocklek samtidigt som den var mycket lättare. Andra möjliga tillämpningar inkluderar transport av kärnavfall (röntgen-, gamma- och neutronskärmning) och värmeisolering för återinträde i rymdfarkoster, tack vare dubbelt så mycket värme- och brandmotstånd hos konventionella metaller.
KPM kan ersätta valsat stålpansar, vilket ger samma skydd vid 2/3 mindre vikt. De kan blockera fragment och chockvågor som orsakar hjärnskador. PLM:er i rostfritt stål kan blockera sprängtryck och 5 000 fps fragmentering från HE-skott som detonerar 18 tum från skärmen. Plattor av stål KPM (9,5 mm eller 16,75 mm tjocka) placerades 18 tum från skyddsplattan exponerad mot den explosiva tryckvågen och koppar- och stålfragment som bildades av den 23 × 152 mm högexplosiva brandprojektilen (som i luftförsvarsvapen) , samt från en 2,3 mm tjock aluminiumskyddsplatta [https://web.archive.org/web/20200724215042/https://nplus1.ru/news/2018/03/27/blast Arkiverad kopia från 24 juli, 2020 på Wayback Machine [1]].
Skummetall kallas stokastisk om den har en slumpmässig fördelning av porer. De flesta skummetaller har en stokastisk struktur som en konsekvens av produktionsmetoden:
Skummetall med en given struktur kallas vanlig. Formningsmetoden möjliggör produktion av vanliga skum med öppna celler. Skummetaller kan också tillverkas med hjälp av kompletterande processer såsom selektiv lasersmältning.
Plattor kan användas som kärnor för att gjuta formar, ändra formen individuellt för varje applikation. Denna tillverkningsmetod gör det möjligt att erhålla den så kallade "ideala" skummetallen, eftersom den uppfyller Plateans lagar och har ledande porer i form av trunkerade oktaedrar, Kelvin-celler (kroppscentrerad kubisk struktur).
Skummetaller används inom olika teknikgrenar: inom bilindustrin i form av strukturella element (stötfångare etc.), inom flygindustrin i form av titan och aluminium "smörgåsar" samt vissa turbindelar, och inom skeppsbyggnad för tillverkning av passagerarfartygsskrov.
Så till exempel har kopparskum funnits i sådana anordningar som: värmeväxlare och värmeavlägsnande anordningar, mekaniska och akustiska impulsdämpare, gasblandare, aerosolfällor, biocidfilter. Och aluminiumskum används i bullerabsorbenter; värmeväxlare och värmeavlägsnande anordningar; i fyllmedel av håligheter och kapaciteter; dämpare av mekaniska, akustiska och EM-impulser; utjämnare av gasströmmar; bärarmatriser och förbränningsregulatorer för fasta bränslen; sandwichpaneler.
Skummetaller kan användas vid design av produkter eller arkitektoniska kompositioner.
Skummetaller har använts i experimentella proteser hos djur. För detta ändamål sattes skummetall in i ett borrat hål i benet, vilket gjorde att benet kunde växa in i metallen för att bilda en permanent anslutning. Inom ortopedi är den vanligaste applikationen tantal eller titanskummetaller på grund av deras draghållfasthet, korrosionsbeständighet och biokompatibilitet . Däggdjursstudier har visat att porösa metaller som tantal kan tillåta vaskularisering (kärltillväxt) inom en porös region.
Tillverkare av ortopediska enheter använder skumstrukturer eller beläggningar för att uppnå önskad nivå av osseointegration.
BilindustrinHuvudfunktionerna hos skummetaller i bilar är att förbättra ljudisoleringen, minska vikten, öka energiabsorptionen i händelse av en kollision och (i militära tillämpningar) motverka slagkraften från improviserade explosiva anordningar. Till exempel kan skumfyllda rör användas som sidokollisionsstänger. På grund av sin låga densitet (0,4–0,9 g/cm 3 ) förtjänar skummetaller baserade på aluminium eller dess legeringar särskild uppmärksamhet på detta område. De är styva, flamskyddade, giftfria, energiabsorberande, återvinningsbara, mindre värmeledande, mindre magnetiskt permeabla och mer effektiva för att isolera buller, särskilt jämfört med ihåliga delar. Skummade metaller i ihåliga bildelar minskar de svaghetspunkter som vanligtvis förknippas med bilolyckor och vibrationer. Gjutningen av sådana skummetaller genom pulvermetallurgi är låg kostnad jämfört med gjutning av andra ihåliga delar.
Jämfört med skumpolymerer i bilar är skummetaller styvare, starkare, absorberar energi bättre, mer motståndskraftiga mot eld och ogynnsamma väderförhållanden: ultraviolett strålning, fuktighet och extrema temperaturer. Däremot är de tyngre, dyrare och har mindre bra isoleringsförmåga.
Skummetallteknik används i bilavgassystem . Jämfört med traditionella katalysatorer som använder ett kordieritkeramiskt substrat, ger metallskumsubstratet förbättrad värmeöverföring och utmärkta massöverföringsegenskaper (hög turbulens) och kan minska mängden platinakatalysator som krävs.
EnergiabsorptionSkummetaller används för att öka strukturens styvhet utan att öka dess massa. För detta ändamål används vanligtvis aluminiumskum med slutna celler. Skumpanelen limmas på en aluminiumplatta för att producera en stark laminerad komposit på rätt plats (i plåtens tjocklek), styv i längden beroende på skumskiktets tjocklek.
Fördelen med skummetaller är att deras reaktion är densamma oavsett kraftens riktning. Skummetaller har en belastningsplatå efter deformation, som är konstant för minst 80 % brott.
Tian et al listar flera kriterier för att tillverka skum i en värmeväxlare. Jämförelse av skummetaller med termiska egenskaper med material som vanligtvis används för att påskynda utbytet (fenor, bundna ytor, lager av kulor) visar först och främst att tryckförlusten orsakad av skummetaller är mycket större än i fallet med konventionella fenor, men mycket lägre än med att använda bollar.
Skummetaller har också följande termofysiska och mekaniska egenskaper:
Den kommersiella implementeringen av kompakta värmeväxlare baserade på skummetaller är begränsad på grund av den höga kostnaden för att reproducera skummetaller. Deras långsiktiga motståndskraft mot föroreningar, korrosion och erosion är inte väl definierad. När det gäller produktion kräver övergången till skummetallteknik nya tillverknings- och monteringsmetoder och ny design av värmeväxlare.
Finmaskigt stålskum
Stort mesh aluminiumskum
Finmaskigt aluminiumskum
Bondad (icke-förseglad) cell aluminiumskum
Bondad (ej förseglad) cellmässingsskum