Pěnový kov - kov ( slitina ) s buněčnou strukturou, sestávající z pevného kovu (často hliníku) s póry naplněnými plynem, které tvoří významnou část objemu. Póry mohou být izolované (pěna s uzavřenými buňkami) nebo propojené (pěna s otevřenými buňkami).
Pěnové kovy si obvykle zachovávají některé fyzikální vlastnosti základního kovu. Nehořlavá kovová pěna zůstává nehořlavá a lze ji recyklovat jako její základní materiál. Ve srovnání se základním kovem je koeficient tepelné roztažnosti pěnového kovu stejný, ale tepelná vodivost je obvykle snížena.
Pěnové kovy jsou novou třídou materiálů s extrémně nízkou hustotou (až 50 kg/m³ pro slitinu AZ91) v kombinaci s vysokou specifickou tuhostí a pohlcováním hluku , nízkou tepelnou vodivostí . Charakteristickým znakem pěnových kovů je jejich vysoká poréznost: typicky pouze 5–25 % objemu tvoří kovové jádro. Pevnost materiálu je založena na zákonu čtvercové krychle.
Nejběžnější pěnové kovy na bázi slitin hliníku a hořčíku - Fomalyum [1] .
Pěna s otevřenými buňkami, nazývaná také kovová houba, může být použita ve výměnících tepla (kompaktní elektronické chlazení, kryogenní nádrže, výměníky tepla z materiálů s fázovou změnou), absorpci energie, proudění a světelná optika. Vysoká cena materiálu výrazně omezuje jeho použití pro pokročilé technologie, letectví a výrobu.
Drobné pěnové kovy s otevřenými póry, pouhým okem neviditelné, se používají v chemickém průmyslu jako vysokoteplotní filtry. Použití pěnových kovů v kompaktních výměnících tepla může výrazně snížit jejich velikost a výrobní náklady. Většina modelů těchto materiálů používá idealizovanou periodickou strukturu nebo zprůměrované makroskopické vlastnosti.
Kovová houba má velmi velký povrch na jednotku hmotnosti, takže katalyzátory se často vyrábějí ve formě kovové houby – například Raneyův nikl , platinová čerň a palladiová čerň . Kovy jako osmium a palladium hydrid se metaforicky označují jako kovové houby, ale tento termín odkazuje spíše na jejich schopnost vázat se s vodíkem než na jejich fyzikální strukturu.
Pěny s otevřenými buňkami se vyrábějí procesem odlévání nebo technologií práškové metalurgie. Při práškové metodě se k vytvoření prostoru a kanálků pórů používají agregáty. V procesu odlévání se pěnový kov odlévá s rámem z polyuretanové pěny s otevřenými buňkami.
Pěnový kov s uzavřenými buňkami byl poprvé popsán Mellerem v roce 1926 ve francouzském patentu navrhujícím napěnění lehkých kovů vstřikováním inertního plynu nebo použitím nadouvadla. Benjamin Sosnick podal v roce 1948 a 1951 dva patenty na kovy houby využívající rtuťové páry k pěnění tekutého hliníku. Pěnové kovy s uzavřenými buňkami byly vyvinuty Johnem S. Elliottem v Bjorksten Research Laboratories v roce 1956. Přestože první prototypy byly vyrobeny již v 50. letech, komerční výroba byla zahájena v 90. letech minulého století firmou Shinko Wire v Japonsku. Pěny s uzavřenými buňkami se primárně používají jako materiál tlumící nárazy, podobně jako pěny v motocyklových přilbách, ale pro vyšší nárazové zatížení. Na rozdíl od mnoha pěn zůstávají pěnové kovy po nárazu zdeformované, takže mohou zatížit pouze jednou. Jsou lehké (obvykle 10–25 % hustoty identické neporézní slitiny; často se používají hliníkové slitiny) a tuhé a často se navrhují jako lehké konstrukční materiály, ale pro tento účel se příliš nepoužívají.
Pěny s uzavřenými buňkami si zachovávají požární odolnost ostatních pěn a jejich recyklovatelnost, ale navíc mají tu vlastnost, že se ve vodě nadnášejí.
Pěnové kovy se obvykle vyrábějí vstřikováním plynu nebo přimícháváním nadouvadla do roztaveného kovu. Tavenina může být zpěněna v důsledku tvorby plynových bublin v materiálu. Za normálních podmínek jsou bubliny v roztaveném kovu v kapalinách o vysoké hustotě vysoce nadnášené a rychle stoupají k povrchu. Vzestup lze zpomalit zvýšením viskozity roztaveného kovu přidáním keramických prášků nebo legovacích prvků za vzniku stabilizačních částic v tavenině. Kovové taveniny lze napěnit třemi způsoby:
Ke stabilizaci bublin jsou zapotřebí vysokoteplotní nadouvadla (pevné částice o velikosti nano nebo mikrometrů). Velikost pórů neboli buněk je obvykle od 1 do 8 mm. Když se používají pěnidla nebo nadouvadla, mísí se s práškovým kovem před jeho roztavením. Jedná se o tzv. „práškovou verzi“ pěnění, asi nejrozšířenější (z průmyslového hlediska). Po smíchání kovového prášku (např. hliníku) a nadouvadla (např . titanhydridu TiH 2 ) se lisují do kompaktních pevných přířezů např. ve formě tyče, plechu nebo drátu. Toho lze dosáhnout použitím kombinace procesů formování materiálu, jako je polosuché lisování, vytlačování (přímé nebo kontinuální) a válcování s přímým průchodem.
Kompozitní pěnové kovy (CFM) jsou tvořeny dutými kuličkami jednoho kovu uvnitř pevné matrice druhého kovu (například ocel uvnitř hliníku). Mají 5krát až 6krát větší specifickou pevnost a více než 7krát lepší charakteristiky absorpce energie než předchozí pěnové kovy.
Plech o tloušťce méně než jeden palec má dostatečnou stabilitu, aby zcela zničil standardní náboj 7,62 × 63 mm s průbojnou střelou M2. Testovací deska fungovala lépe než celokovová deska stejné tloušťky a přitom byla mnohem lehčí. Mezi další možné aplikace patří přeprava jaderného odpadu (rentgenové, gama a neutronové stínění) a tepelná izolace pro návrat do kosmických lodí díky dvojnásobné tepelné a požární odolnosti než konvenční kovy.
KPM může nahradit válcované ocelové pancíře a poskytuje stejnou ochranu při o 2/3 nižší hmotnosti. Mohou blokovat úlomky a rázové vlny, které způsobují poškození mozku. PLM z nerezové oceli mohou blokovat tlak výbuchu a fragmentaci 5 000 fps z HE nábojů detonujících 18 palců od obrazovky. Plechy z oceli KPM (tloušťka 9,5 mm nebo 16,75 mm) byly umístěny 18 palců od ochranné desky vystavené tlakové výbušné vlně a měděným a ocelovým úlomkům tvořeným 23 × 152 mm vysoce výbušnou zápalnou střelou (jako v protivzdušné obraně děl). , jakož i z hliníkové ochranné desky o tloušťce 2,3 mm [https://web.archive.org/web/20200724215042/https://nplus1.ru/news/2018/03/27/blast Archivováno z 24. července, 2020 na Wayback Machine [1]].
Pěnový kov se nazývá stochastický, pokud má náhodné rozložení pórů. Většina pěnových kovů má stochastickou strukturu v důsledku výrobní metody:
Pěnový kov s danou strukturou se nazývá pravidelný. Formovací metoda umožňuje výrobu běžných pěn s otevřenými buňkami. Pěnové kovy mohou být také vyrobeny pomocí doplňkových procesů, jako je selektivní laserové tavení.
Desky mohou být použity jako jádra pro odlévací formy, přičemž se mění tvar individuálně pro každou aplikaci. Tento způsob výroby umožňuje získat tzv. "ideální" pěnový kov, protože splňuje Plateauovy zákony a má vodivé póry ve formě zkrácených osmistěnů, Kelvinových buněk (krychlová struktura zaměřená na tělo).
Pěnové kovy se používají v různých odvětvích strojírenství: v automobilovém průmyslu ve formě konstrukčních prvků (nárazníky apod.), v leteckém průmyslu ve formě titanových a hliníkových „sendvičů“, ale i některých částí turbín, popř. ve stavbě lodí pro výrobu trupů osobních lodí.
Takže například měděná pěna našla uplatnění v takových zařízeních, jako jsou: zařízení na výměnu a odvod tepla, mechanické a akustické tlumiče impulsů, směšovače plynů, lapače aerosolů, biocidní filtry. A hliníková pěna se používá v tlumičích hluku; zařízení pro výměnu a odvod tepla; ve výplních dutin a kapacit; tlumiče mechanických, akustických a EM impulsů; ekvalizéry proudů plynu; Nosné matrice a regulátory spalování pro pevná paliva; sendvičové panely.
Pěnové kovy lze použít při navrhování výrobků nebo architektonických kompozic.
Pěnové kovy byly použity v experimentální protetice u zvířat. Za tímto účelem byl do vyvrtaného otvoru v kosti vložen pěnový kov, což umožnilo kosti vrůst do kovu a vytvořit trvalé spojení. V ortopedii se nejčastěji používají tantalové nebo titanové pěnové kovy kvůli jejich pevnosti v tahu, odolnosti proti korozi a biokompatibilitě . Studie na savcích ukázaly, že porézní kovy, jako je tantal, mohou umožnit vaskularizaci (růst cév) v porézní oblasti.
Výrobci ortopedických pomůcek používají pěnové struktury nebo povlaky k dosažení požadované úrovně osseointegrace.
Automobilový průmyslHlavní funkce pěnových kovů v automobilech jsou zlepšit zvukovou izolaci, snížit hmotnost, zvýšit absorpci energie v případě kolize a (ve vojenských aplikacích) čelit nárazové síle improvizovaných výbušných zařízení. Například pěnou plněné trubky mohou být použity jako tyče pro boční nárazy. Zvláštní pozornost si v této oblasti zaslouží pěnové kovy na bázi hliníku nebo jeho slitin pro svou nízkou hustotu (0,4–0,9 g/cm 3 ). Jsou tuhé, nehořlavé, netoxické, pohlcují energii, recyklovatelné, méně tepelně vodivé, méně magneticky propustné a účinnější při izolaci hluku, zejména ve srovnání s dutými díly. Pěnové kovy v dutých automobilových dílech snižují slabá místa běžně spojená s autonehodami a vibracemi. Odlévání takových pěnových kovů práškovou metalurgií je levné ve srovnání s odléváním jiných dutých dílů.
Ve srovnání s pěnovými polymery v automobilech jsou pěnové kovy tužší, pevnější, lépe absorbují energii, jsou odolnější vůči ohni a nepříznivým povětrnostním podmínkám: ultrafialovému záření, vlhkosti a teplotním extrémům. Jsou však těžší, dražší a mají méně dobré izolační vlastnosti.
Technologie pěnového kovu se používá ve výfukovém systému automobilů . Ve srovnání s tradičními katalyzátory používajícími kordieritový keramický substrát poskytuje kovový pěnový substrát zlepšený přenos tepla a vynikající vlastnosti přenosu hmoty (vysoká turbulence) a může snížit množství potřebného platinového katalyzátoru.
Absorpce energiePěnové kovy se používají ke zvýšení tuhosti konstrukce bez zvýšení její hmotnosti. K tomuto účelu se obvykle používají hliníkové pěny s uzavřenými buňkami. Pěnový panel je nalepen na hliníkovou desku, aby se na správném místě (v tloušťce plechu) vytvořil pevný laminovaný kompozit, pevný na délku v závislosti na tloušťce pěnové vrstvy.
Výhodou pěnových kovů je, že jejich reakce je stejná bez ohledu na směr síly. Pěnové kovy mají po deformaci plató zatížení, které je konstantní pro nejméně 80% porušení.
Tian et al., uvádí několik kritérií pro výrobu pěny ve výměníku tepla. Porovnání pěnových kovů s tepelnými vlastnostmi s materiály běžně používanými k urychlení výměny (žebra, lepené povrchy, vrstva kuliček) v první řadě ukazuje, že tlaková ztráta způsobená pěnovými kovy je mnohem větší než v případě klasických žeber, ale mnohem nižší než při použití kuliček.
Pěnové kovy mají také následující termofyzikální a mechanické vlastnosti:
Komerční implementace kompaktních výměníků tepla na bázi pěnových kovů je omezená kvůli vysokým nákladům na reprodukci pěnových kovů. Jejich dlouhodobá odolnost vůči znečištění, korozi a erozi není dobře definována. Z hlediska výroby vyžaduje přechod na technologie pěnového kovu nové výrobní a montážní postupy a nový design výměníků tepla.
Ocelová pěna s jemnými oky
Velká síťovina z hliníkové pěny
Jemná hliníková pěna
Lepená (neutěsněná) buněčná hliníková pěna
Lepená (neutěsněná) buňková mosazná pěna