Анастасия Богданова
Фото с сайтов fraunhofer.de, wikipedia.org

Всем известно, что кость, — один из наиболее прочных биологических материалов. Костная ткань стойка к сопротивлению и сжатию, чрезвычайно долго противостоит разрушению. Похожим на нее ученые решили сделать и металл будущего .

Металлическое чудо

С развитием технологий обнаруживается все больше возможностей модификации традиционных материалов, например металла . Структура, состоящая, как правило, из алюминия , и содержащая большое количество наполненных газом пор — называется металлическая пена. Как правило, примерно 75-95 процента ее объема составляют пустоты. Материал обладает уникально малым весом — некоторые виды металлической пены настолько легки, что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.

О пористых металлах заговорили еще в 1990-х годах. Считалось, что отличительной чертой такого материала является низкая плотность: 0,4 - 1 грамм на кубический сантиметр. В силу особенностей своей структуры металлическая пена способна поглощать большое количество энергии при относительно низком уровне напряжения . Технология обеспечила возможность сочетания различных металлов и получения изделий разнообразной формы. Исследования осуществлялись с алюминием, но возможно получение пены из олова , цинка , бронзы , свинца , латуни и других металлов.

Металлическая пена , так называемый пеноникель , разрабатывается, в частности, российской компанией «Новомет-Пермь». По данным этой фирмы, такой материал обладает экстремально высокой сообщающейся пористостью 96 процентов и экстраординарными свойствами. Это структурный аналог открытого ячеистого пенополиуретана , с высокой химической и термической стойкостью , металлической прочностью и жесткостью , низким гидравлическим сопротивлением и развитой удельной поверхностью . Пеноникель, разумеется, необычайно пластичен и технологичен, поддается различным видам механической обработки для придания изделиям требуемой геометрической конфигурации.

Уникальные свойства пеноникеля делают его пригодным для широкого диапазона применений. Среди них: теплообменники, пламепреградители, звукоизолирующие устройства, гомогенизаторы жидкостей и газов, электрофильтры, адсорберы, наполнители многослойных конструкций

Пена нового поколения

Как и все в науке, металлическая пена подверглась совершенствованию. Недавно доктор Афсанех Рабией из университета Северной Каролины открыла самую прочную металлическую пену в мире . Материал может сжиматься до 80 процентов своего размера под действием веса и сохранять первоначальную форму. Новая металлическая пена уникальна благодаря своей однородности ячеек и их стенок. Именно это придает ей прочность и эластичность, необходимую для сжатия без деформации.

Сферы применения такой металлической пены — самые разнообразные. Наиболее же перспективным является использование в автомобиле- и машиностроение. Полагают, что металлическая пена может применяться в качестве элементов боковой и лобовой обшивки кузовов автомобилей и железнодорожных вагонов в целях максимального поглощения энергии удара при столкновениях. Защита водителя и пассажиров станет максимально надежной и комфортной. Металл идеален при создании военной амуниции, в строительстве — эластичная и прочная пена в конструкции зданий способна выдержать любое землетрясение. В будущем металлическая пена может стать неотъемлемой частью машиностроения, а также использоваться в производстве металлокерамики. Материал идеально подходит для создания крупногабаритных чрезвычайно прочных конструкций — другого материала, который способен обеспечить такое соотношения прочности и веса, человечество еще не придумало. Безусловно, она будет активно применяться в космических технологиях, где минимизация массы имеет огромное значение.

Российской действительности еще предстоит знакомство с металлической пеной. Специалист испытательного центра «СПбГАСУ» Виктор Зверев отказался от комментариев, сказав лишь: «Такой материал нам не знаком и не проходил лицензирование».

Выяснилось, что и на заводах царит пенометаллический нигилизм. Мнение инженеров разделилось. Одни удивляются изобретению, например, Вячеслав Коньков из «Металлиста» : «Это что-то новое и очень интересное, вышлите мне по факсу информацию». Другие же скептически заявляют: «Вряд ли это самый прочный материал. Мы не используем никакую металлическую пену», - прокомментировал Юрий Филисов из компании «Петросталь» . Вероятно, в будущем ситуация изменится.

Рецептура

Каков же процесс производства такой пены? Технология проста. Сперва смешивают порошки металлов или сплавов со специальным связующим, которое проникает в металлическую матрицу . Происходит термообработка матрицы, помещаемой в полую форму, при температуре, близкой к точке плавления данного металла. В результате металл плавится, содержащийся в соединении газообразный водород освобождается и вспенивает жидкий металл. Последний поднимается, как дрожжевое тесто: объем образующегося материала, состоящего на 85 процента из воздуха и на 15 — из металла, впятеро превышает исходный. После охлаждения детали вынимаются из формы — они готовы к использованию.

Практический аспект

Металлические пены из алюминия, магния, стали, титана или цинка выдерживают высокое давление, приглушают звук, ослабляют вибрации, хорошо изолируют. Они легко поддаются сверлению , распиливанию и фрезерованию , а потому успешны для защиты от ударов в автомобилях, в качестве катализаторов в химии, в изготовлении топливных элементов, а также как биологически совместимый протез костной ткани в медицине.

В авиакосмической промышленности замена алюминиевыми пенными панелями дорогостоящих сотовых конструкций может сократить издержки производства. Алюминиевые пористые панели могут способствовать сокращению потребления энергии при эксплуатации лифтов, так как в условиях высоких скоростей их движения и частой смены ускорений и замедлений легкость конструкции приобретает особо значение. Широкое поле применения в строительстве открывается и для вспениваемых заготовок, которые могут, например, использоваться для закрепления штепсельных розеток в бетонной стене. Такая заготовка может быть помещена в отверстие в стене и подвергнута нагреву после монтажа розетки, в результате чего обеспечивается очень прочное соединение.

Возможно также создание конструктивных элементов с основой из алюминиевой пены, покрытой слоями алюминия, стали, пластмассы или углеродных волокон. «Сегодня эти технологии пригодны для производства крупных серий и полностью автоматизированы», — заявляет физик Иоахим Баумайстер из Института производственных технологий и прикладного материаловедения им. Фраунгофера в Бремене . Однако у алюминия есть и недостатки. Один из важнейших — алюминиевый лом трудно использовать повторно: в нем много различных легирующих добавок. При этом стальной лом целиком идет на вторичную переплавку. По этой причине на автозаводах используется лишь 35 процентов алюминия. Если еще учесть, что производство алюминия один из самых опасных загрязнителей природы, то широкая дорога в производство пене из этого металла кажется закрытой.

В медицине металлические пены используют для ускорения процессов заживления костной ткани. Как уже было отмечено, структура пористого материала подобна естественной структуре кости. Поэтому он идеально подходит для ее замещения.
Использование композитных имплантантов из титановой пены позволяет значительно ускорить выздоровление пациентов со сложными переломами костей. Ученые разработали биологически совместимый материал, структурой и физическими свойствами подобный естественной костной ткани. В итоге титановая пена выступает каркасом, а минеральное покрытие обеспечивает врастание в него костной ткани.

Как видно, мало знакомый российским экспертам, но интереснейший и многообещающий металл — важное открытые. Своевременное и нужное.

Металлические пены

Глава 3. Применение металлических пен

Металлические пены - это материал, который идеально подходит для создания крупногабаритных и чрезвычайно прочных конструкций -- другого материала, который способен обеспечить такое соотношения прочности и веса, человечество еще не придумало.

В будущем металлическая пена может стать неотъемлемой частью машиностроения, а также использоваться в производстве металлокерамики. Безусловно, металлические пены будут активно применяться в космических технологиях, где минимизация массы имеет огромное значение. Недавнее открытие американских ученых может еще больше расширить сферу применения этого материала.

Машиностроение. Наиболее перспективным является использование металлической пены в автомобиле- и машиностроение. Полагают, что этот материал может применяться в качестве элементов боковой и лобовой обшивки кузовов автомобилей и железнодорожных вагонов в целях максимального поглощения энергии удара при столкновениях. Благодаря особенным свойствам, металлические пены являются подходящим материалом для поглощения энергии удара.

В зависимости от пористости, сплава и плотности пены поглощение энергии может происходить в пределах определенного диапазона. Поэтому пенометаллы можно использовать в качестве наполнителей в бампере. Так же 20% автомобиля может быть изготовлено??из трехмерных панелей алюминиевой пены.

Компания "Karmann GmbH", системный поставщик для автомобильной промышленности во всем мире отмечает, что в типичном компактном семейном седане это привело бы к массовой экономии на 60 кг, а, следовательно, к сокращению потребления топлива на 9 литров на 1000 км.

Компания реконструировала технологию панелей кузова: предложила производить автомобильные части до десяти раз более прочные и на 50% более легкие, чем соответствующие части сделанные из стали. Такие лёгкие и прочные сэндвич-панели из пены упрощают устройство корпуса. Полые структуры особенно подходят для мест, где пространство слишком ограничено.

Бронетехника. Металл идеален при создании военной амуниции. Из алюминиевой пены можно изготавливать лёгкую броню для улучшения её баллистических и конструкционных характеристик. Баллистический тест показал, что динамическая деформация алюминиевой пены начинается на ударной поверхности и распространяется по толщине до полного уплотнения. Пористая структура пены может поглощать больше энергии удара и задерживать ударную волну.

Космические технологии. Современные системы тепловой защиты, например на шаттлах, основаны на керамической плитке с ультранизкой теплопроводностью. Хотя эти материалы обеспечивают превосходную тепловую защиту и не несут никакой нагрузки на конструкцию, они чрезвычайно хрупкие, легко разрушаются под воздействием окружающей среды.

Системы тепловой защиты будущего разрабатываются в лабораториях НАСА. Предполагается, что металлическая пена позволит повысить теплоустойчивость без увеличения веса самой тепловой защиты. Также металлическая пена является подходящим материалом для производства космических защитных кожухов для двигателей мягкой посадки.

Строительство и архитектура. В строительстве и архитектуре металлические пены могут быть применены в качестве панелей для несгораемых дверей и стен, материала для покрытия проводки, технического оборудования, звукоизоляционных панелей. Особые области, где многофункциональные пены могут эксплуатироваться, это подоконники и столбы.

Пористые металлы с высокой теплопроводностью клеточной стенки материала способны остановить пламя, которое распространяется с большой скоростью. На практике давно используются трубопроводы для транспортировки горючих газов, которые защищены от воспламенения даже вблизи источников огня, так что если возгорание происходит, пламя не может распространяться с высокой скоростью.

Шумоизоляция. Металлическая пена используется как материал, изолирующий звук, который устанавливается в виде экранов вдоль дороги или шоссе для уменьшения транспортного шума. Шумозащитный экран состоит из слоя металлической пены, который связывает бетон или оцинкованную сталь с воздушным пространством определённой ширины для максимального поглощения шумов. Бетонная подкладка действует как изолятор звука.

Изолирующая структура обладает амортизирующей способностью, которая действует как электромагнитный щит, ограничивающий электромагнитные помехи от проходящих мимо транспортных средств и ударной волны метро, вызванной высокоскоростными поездами.

Детали из пенометаллов используются для затухания звука, импульса давления и механической вибрации. Материалы с определённой степенью пористости могут быть изготовлены таким образом, чтобы заглушать избирательно некоторые частоты, при свободном пропуске других. Внезапные изменения давления, происходящие в компрессорах или пневматических устройствах, могут быть заглушены с помощью спеченных пористых материалов.

Медицина. В медицине металлические пены используют для ускорения процессов заживления костной ткани. Как уже было отмечено, структура пористого материала подобна естественной структуре кости. Богданова А. Металл будущего станет пористым. [Электронный ресурс] / А. Богданова -20010-. - Режим доступа: http://www.equipnet.ru/articles/other/other_556.html свободный. - Загл. с экрана.

2 Vendra « Composite Metal Foams» Так же он показывают высокую коррозионную стойкость, биологическую совместимость по сравнению с другими металлами и сплавами. Поэтому он идеально подходит для замещения кости. Использование композитных имплантатов из титановой пены позволяет значительно ускорить выздоровление пациентов со сложными переломами костей.

Ученые разработали биологически совместимый материал, структурой и физическими свойствами подобный естественной костной ткани. В итоге титановая пена выступает каркасом, а минеральное покрытие обеспечивает врастание в него костной ткани. Магниевые пены могут быть использованы в качестве биоразлагаемых имплантатов, которые служат в качестве поддерживающих структур до тех пор, пока кость еще растет, но постепенно усваиваются организмом на более позднем этапе.

Электрохимическое применение. Металлические пены могут быть использованы как материал для электродов в электрохимических реакторах. В фильтр - прессах, содержащих электроды, металлические пластины разделены с помощью пластиковых петель. Если эти петли заменить листами никелевой пены, то площадь поверхности электрода увеличится, и реактор может быть более компактный.

Металлические пены могут также использоваться для оптимизации улучшения каталитических процессов, таких как окисление бензилового спирта при взаимодействии NiOOH, который получается на никелевом аноде. Уплотнённые слои металлической пены, как мы видим, улучшают работу таких реакторов.

Металловойлочные электроды имеют высокопористую основу, сделанную из никелевых или углеродных волокон. Вместо войлока может использоваться пеноникель, получаемый никелированием пенополиуретана с последующим отжигом в восстановительной среде. Пенополимерные электроды характеризуются высокой удельной емкостью и большим ресурсом. Также на данный момент известен карбонильный метод получения пеноникеля. Экспериментально доказано, что аккумуляторы, изготовленные на основе карбонильного пеноникеля, обладают ёмкостью на 30-40% выше, чем аккумуляторы, изготовленные на основе электролитического пеноникеля.Лисаков Ю.Н. Исследование и разработка технологии производства пеноникеля методами карбонильной металлургии: Автореферат диссертации кандидата технических наук. Санкт-Петербург.2005, С.21

Сейчас разрабатывается следующее поколения электромобилей и гибридных автомобилей компаниями Тойота и Хендай. Для этого используются никелевые батареи. Никелевые батареи дают выигрыш в запасе энергии на единицу веса, если использовать никелевую пену в качестве положительного электрода, а в качестве отрицательного электрода сплавы никеля с редкоземельными металлами.

Свинцовая пена могла бы использоваться в качестве помощника активному веществу в свинцово-кислотных батареях, как замена обычной свинцовой решётки, тем самым позволяя изготовлять очень легкие электроды. Свинцовую пену заполняют в пустоты, и она действует как очень проводящая решетка, приводящая к низкому внутреннему электрическому сопротивлению батареи.

Литейное производство. Сложные детали на основе пен могут заменить песчаные стержни, используемые в литейном производстве. В этом случае часть пены будет оставаться в отливки, и это приведёт к экономии трудовых и энергетических затрат, связанных с удалением песка. Таким образом, полностью закрытые лёгкие сечения могут быть изготовлены в отливках, которые приводят к значительному улучшению механических и акустических свойств по сравнению с обычными сердечниками.

Очищение воды. Пористые металлические материалы могут быть использованы для уменьшения концентрации нежелательных ионов, растворенных в воде. Загрязненная вода проходит через высокопористый металл с открытыми ячейками. Ионы вступают в окислительно-восстановительной реакции с клеточной структурой металлической матрицы, в результате воды очищается.

Также металлические пены нашли своё применение и в других областях. Высокопроводящие открытые поры пены, изготовленной из меди или алюминия, могут быть использованы в качестве теплообменников. При прохождении через пену нагретых или охлаждённых газов или жидкостей, сама пена будет в тоже время нагреваться или охлаждаться. Открытые поры могут минимизировать снижение давления.

Пример такого применения - компактный теплоотвод, используемый для того, чтобы охладить микроэлектронные устройства с высокой плотностью размещения (компоновки), такие как компьютерные микросхемы или мощные электронные компоненты. Обычно в таких ситуациях используется печатная плата. Большая площадь поверхности, низкое удельное сопротивление потоку и хорошая теплопроводность металлических пен позволяют использовать их для уменьшения испарения.

Приборы, контролирующие ударную волну, могут быть изготовлены из металлической пены. С помощью такого прибора волна может направляться и перенаправляться. Кроме того, пены с закрытыми порами были изучены на предмет их пригодности в качестве адаптера сопротивления для ультразвуковых источников.

металлическая пена пеноалюминий

Активирование процессов взаимодействия компонентов композита на границе раздела фаз

Композиционные материалы можно смело назвать материалами XXI века. Области применения км определяются не только механическими, но и физическими их свойствами - электрическими, магнитными, ядерными, акустическими и др...

Изготовление литых деталей из металлических сплавов

Коррозия на Оренбургском газоперерабатывающем заводе

Коррозионная активность H2S-содержащего газа увеличивается, как известно, с ростом Степень агрессивности сероводородсодержащей среды определяется ее составом, влажностью, рН, температурой, давлением и скоростью потока...

Металлические пены

Производство данного типа начинается с расплавления металла, из которого металлопена получается с помощью пористого материалом, либо с помощью полимерной пены или литьём жидкого металла на твёрдый наполнитель...

Металлические пены

Для изготовления пористых металлических структур вместо расплавленного металла могут быть использованы металлические порошки. Опять же, существует несколько различных методов...

Металлические пены

Особенности слесарных работ судоремонтного завода

Опиливания, зачистки и шабрения поверхностей зачастую бывает недостаточно, чтобы достигнуть достаточно плотного прилегания деталей друг к другу...

Проектирование работ по техническому обслуживанию и ремонту подъемно–транспортного оборудования предприятия

При ТО тщательно осматривают металлоконструкции кранов, так как их разрушение связано с тяжелыми последствиями...

Разработка технологии производства крупногабаритных тонколистовых профилей в роликах и разработка конструкции межклетьевых проводок

Показатели развития легких металлических конструкций В настоящее время для всех развитых стран мира ведущим направлением эффективного металлостроительства является применение легких металлических конструкций в зданиях промышленного...

Релаксационная стойкость напряжений в металлах и сплавах

Сопротивление металлических материалов релаксации напряжений зависит, прежде всего, от прочности связей в кристаллической решетке основного металла. Б.М. Ровинский и В.Г. Лютцау показали, например, что чем «жестче» кристаллическая решетка...

К газам в стали относят, как правило, азот и водород. Особенностью растворения азота и водорода в металлических расплавах является то, что они диссоциируют на атомы. В этом случае реакция растворения газа (Г) записывается в виде...

Теория металлургических процессов

Под раскислением понимают комплекс операций по снижению содержания кислорода в жидкой стали. Основными задачами раскисления являются: снижение содержания кислорода в жидком железе присадками элементов с большим сродством к кислороду...

Получение металлических порошков является важнейшей операцией технологического процесса изготовления деталей из порошковых материалов, от которой зависят их основные свойства...

Технология изготовления изделия из металлических порошков

Металлические порошки характеризуются технологическими, физическими и химическими свойствами, основные из которых регламентируются ГОСТами и техническими условиями. К технологическим свойствам порошков относятся: насыпная плотность...

Физические, химические, механические и технологические свойства металлов: чугуна и стали, алюминия, меди и сплавов. Применение металлов

Металлические материалы делятся на металлы и сплавы. Металлы состоят из одного основного элемента и незначительного количества примесей других элементов. По степени чистоты различают металлы технической, высокой и особой чистоты. Например...

В последние годы в машиностроении и строительстве возрос интерес к изготовлению и применению инновационного материала — металлической пены. Основной причиной для этого стало развитие новых концепций легких и прочных конструкций в автомобилестроении и строительстве.

Первоначально потребность в пористых материалах с высокой жесткостью и низким удельным весом способствовала появлению искусственных материалов, изготовленных из ячеистых полимеров, керамики и стекла, имеющих хорошие демпфирующие и изоляционные свойства. Клеточный материал из металла может предложить более интересные перспективы в связи с сочетанием металлических свойств и особенностей пены.

В последние 40 лет было сделано много попыток для получения металлических пенных структур, однако они не были успешными из-за их относительно высокой стоимости и сложности технологии. Кроме того, несовершенная технология изготовления не позволяла достичь стабильно воспроизводимых свойств. Проблемы были связаны с низкой пенообразующей способностью расплавленного металла, получением различных размеров «клеточных» структур и усадкой при затвердевании. Однако в последнее время эти вопросы были решены при помощи обширных исследований, что привело к разработке новых технологий в производстве. Эти новые технологии вспенивания позволяют изготовить материал значительного более высокого качества. В частности, была успешно получена технология вспенивания алюминия.

Металлическая пена, особенно из алюминия, имеет большие перспективы для применения в промышленности. Вспененный металл имеет малый вес, хорошие теплоизоляционные и звукопоглощающие свойства, негорюч и нетоксичен. «Клеточная» структура материала поглощает вибрации, толчки и звуки исключительно хорошо, а низкий вес обеспечивает идеальную основу для облегченных конструкций. Вспененный алюминий может также обеспечить высокоэффективную защиту от электромагнитных волн. Низкая плотность — 0,3...0,8 г/куб.см — позволяет алюминиевой пене плавать в воде (в случае закрытой пористости). Хотя на данный момент алюминиевая пена не производится в промышленных масштабах, опять-таки, из-за своей дороговизны, однако ожидается, что дальнейшее развитие технологии позволит широко ее применять. Ведь всем известно, что кость, благодаря свой пористой структуре, — один из наиболее прочных биологических материалов. Костная ткань стойка к сопротивлению и сжатию. Похожими на нее ученые решили сделать и металлические материалы будущего.

В течение последних десяти лет было разработано несколько технологий для производства металлических пен, но только некоторые из этих процессов подойдут для производства алюминиевой пены в промышленных масштабах:

а) введение газов напрямую в жидкий металл (рис. 1). В качестве добавок, увеличивающих вязкость расплавленного металла, вводятся SiC или Al2O3 (10-15%). Газ (воздух, азот или аргон) вводят в расплав с помощью вращающейся крыльчатки. Таким способом могут быть получены плиты из металлической пены значительных размеров (0,1х1х10 м). При этом пористость материала достигается 80...97%. Алюминиевый пористый материал увеличивается примерно в 5 раз от первоначального объема.

б) технологический процесс Alporas Shinko Wire Co. Ltd. (Осака, Япония) с добавлением 1,5% кальция в алюминиевый расплав для регулирования вязкости (рис.2). Кальций вводится в расплавленный алюминий при 680 градусах и перемешивается в течение 6 минут. Полученный алюминиевый расплав заливают в литейные формы и перемешивают с добавкой сухого пенообразователя TiH2 с помощью вращающейся крыльчатки. Пенообразователь разлагается под влиянием тепла и водорода, увеличивая свой объем в течение 15 минут. Затем расплав охлаждается в форме с помощью вентиляторов и затвердевает в виде блока с пористостью 89...93%. Литые блоки имеют размеры 450x2050x650 мм и весят 160 кг. Блоки разрезают на листы требуемой толщины.
в) другие процессы:

— «Газар-процесс» основан на различной растворимости водорода в зависимости от создаваемого давления. Металл расплавляют в автоклаве под высоким давлением, что позволяет внедрить большое количество водорода. Этот насыщенный расплав переливается в форму в автоклаве. После этого следует направленное затвердевание расплава при пониженном давлении, что вызывает выделение водорода и вспенивание. Достигаемая пористость имеет низкие значения — 5...75%.

— Технологии Duocel и Cellmet работают на другом принципе. В качестве литейных форм используется полиуретановая пена, заполненная термостойким материалом. После нагревания полимер удаляется и расплавленный металл приобретает пористую структуру полиуретановой пены, заполняя прессформу. Пористость материала, как правило, в диапазоне 80...97%. Этот процесс отличается от предыдущих тем, что металлическая пена получается с открытыми ячейками.

Благодаря своей ячеистой структуре пены ведут себя по-другому при механических испытаниях, по сравнению с обычными металлическими материалами. Поэтому традиционные методы испытаний не могут быть применены к металлической пене (к примеру, испытания на растяжение). Испытания с наиболее значимыми результатами — на степень сжатия. Типичная диаграмма для пен (рис.3) с открытыми и закрытыми порами имеет три характерные части. Вначале происходит линейный рост напряжения (1) при увеличении деформации, затем горизонтальный участок при постоянной нагрузке (2), и резкое увеличение деформаций в конце (3) в результате разрушения пористой структуры. Металлические пены ведут себя так же, как полиуретановые — с той разницей, что их прочность примерно в 30 раз выше при том же уровне пористости.

Как и в случае со сплошными металлами, пены также могут подвергаться термической обработке, но этот процесс гораздо сложнее из-за низкой теплопроводности пористой структуры. Закалку произвести трудно, потому что невозможно достичь равномерной скорости нагрева и охлаждения по всему объему материала. Вода не может быть использована в качестве закалочной среды, потому что ячейки пористой структуры могут разрушиться. Для закалки используется сжатый воздух, что приводит к снижению скорости охлаждения.

Поверхность вспененного металла также влияет на его свойства. Если пена испытывается со сплошной коркой после литья, то такой материал выдерживает более высокие напряжения. Причина этого заключается в том, что литая сплошная поверхность создает сэндвич-структуру композита, обладающую большей жесткостью. Алюминиевые сэндвич-панели изготавливаются из двух металлических плотных лицевых листов и сердцевины в виде металлической пены. Листы соединяются с алюминиевой пеной методом склеивания, пайки или диффузионной сваркой. Интересная концепция была разработана компанией Karmann (Германия) — сэндвич панели-AFS. Вспенивание алюминиевого наполняющего между двумя листами толщиной 1 мм происходит в печи, готовый «сэндвич» имеет толщину 8...12 мм, при этом не требуется соединение пены и листов. Панели AFS на 50% легче и в 10 раз жестче, чем аналогичный стальной лист. По сравнению со сплошным алюминиевым листом, теплоизоляция «сэндвича» на 95% выше.

Идеальное сочетание всех этих свойств алюминиевых пен по схеме сэндвич-панелей делает материал AFS отличным вариантом для изготовления кузовов автомобилей. Из-за высокой прочности на кручение и жесткости можно уменьшить количество деталей, которые должны быть изготовлены для сборки для кузова автомобиля. Алюминиевая пена в случае аварии и лобового столкновения поглотит энергию удара и защитит пассажиров транспортного средства. Для этих целей из алюминиевой пены могут быть изготовлены крылья и лонжероны, стойки дверей автомобиля, багажник, капот и раздвижная крыша. Звукопоглощающие свойства пен можно использовать в моторном отсеке автомобиля для предотвращения передачи шума в пассажирский салон и окружающую среду.

Благодаря своему легкому весу алюминиевая пена может стать очень важным конструкционным материалом для аэрокосмической промышленности. Например, материалы из алюминиевой пены или сэндвич-панелей могут заменить дорогие сотовые конструкции. Это будет иметь ряд преимуществ, например, снижение затрат. Еще одним важным преимуществом является изотропность свойств таких панелей и отсутствие какого-либо клеевого соединения. Последнее могло бы помочь сохранить целостность конструкции в случае пожара. Однако, важным вопросом, который является предметом текущих исследований, является усталостная характеристика алюминиевой пены и сэндвич-панелей.

Легкость и «плавучесть» алюминиевой пены может применяться в судостроении. Морские суда не строятся большими сериями и не собираются из высоко стандартизованных частей. Поэтому алюминиевая пена или панели могут иметь большие преимущества. Условием их использования будет развитие
подходящих крепежных элементов и исследование коррозии алюминиевой пены в морской воде. Первые исследования пен с закрытым типом ячеек показали, что хлорид натрия влияет только на поверхностный слой алюминиевой пены, не вызывая структурных дефектов.

В строительстве зданий и сооружений есть хорошие возможности для применения алюминиевой пены, в основном из-за ее хорошего сопротивления проникновению огня и теплоизоляционным свойствам. Например, детали из пены или сэндвич-панелей могут быть использованы в качестве элементов наружных фасадов или настенных покрытий внутри зданий. В обоих случаях алюминиевая пена может служить энергосберегающим строительным материалом. Из алюминиевых панелей возможно изготовление облицовки в железнодорожные тоннелях под шоссе, мостами или внутри зданий в качестве звукопоглощающего материала.

Еще одна область применения алюминиевой пены — возведение легких конструктивных элементов, например, мобильных мостов. Алюминиевая пена может использоваться для уменьшения расхода энергии лифтов. Алюминиевые панели могут быть легко установлены без грузоподъемного оборудования.
Уникальные свойства алюминиевой пены имеют большой потенциал для дизайнеров бытовых предметов и мебели. Этот материал может быть использован для ламп, столов или предметов домашнего обихода и аксессуаров. Мебель, изготовленная из металлической пены, обладает легким весом, который может быть большим преимуществом в офисных помещениях или на ярмарках и выставках.
Алюминиевая пена может также служить в качестве материала для изготовления теплообменников, тепловых экранов, фильтров или носителей для катализаторов. Другой возможностью является использование в качестве материала для защиты от электромагнитных волн для потолков и стен помещений с электронным оборудованием.

Как сообщает портал Сегодня, сталь и пластик скоро уступят место новым революционным материалам - водотталкивающим, теплонепроницаемым и фантастически прочным.

Материальная революция. С помощью химии и нанотехнологий ученые скоро отправят "на пенсию" металл, пластик и дерево

Одежда, которая не пачкается и потому не нуждается в регулярной стирке, сковородка, поверхность, которой действительно никогда не пригорает, баки для ракетного топлива, к которым не пристают его агрессивные компоненты, - все это скоро станет возможным благодаря открытию американских ученых, которое стало одной из самых громких научных сенсаций уходящего года.

Группа химиков под руководством Гаррета МакКинли из Массачусетского технологического института разработала сверхтонкую сеть из полимерных волокон, переплетенных особым образом. Эту сеть можно нанести на любую поверхность и сделать ее несмачиваемой для любых жидкостей.

На пресс-конференции, посвященной открытию, ученые покрыли химическим составом составом гусиное перо и продемонстрировали, как после этого оно стало отталкивать пентан - легчайший жидкий углеводород. Выбор столь экзотической жидкости был не случайным - отталкивать воду могут многие из известных материалов. Например, сами по себе гусиные перья, породившие пословицу «как с гуся вода». В то же время простые органические вещества, входящие в состав, например, бензина или керосина, способны эффективно смачивать практически любые поверхности, даже легендарный тефлон.

В ходе экспериментов было установлено, что в способности поверхности контактировать с водой определенную роль играет и ее геометрия, связанная с действием капиллярных сил, поясняет МакКинли. Поэтому суть новой технологии заключается в том, что с помощью микроскопической полимерной сетки поверхности придается определенная текстура - узор из вымок и бугорков. Правильно подобрав углы, под которыми вода перемещается между этими «шероховатостями» поверхности, ученые добились того, что в текстуре всегда сохраняются небольшие островки воздуха под слоем жидкости. Иными словами, создаются условия, при которых капиллярные силы не позволяют жидкости полностью смочить поверхность.

Методика была отработана на кремниевых пластинах, применяемых в микроэлектронике. Затем ученые приступили к созданию покрытия, которое можно было бы нанести на любую поверхность. В качестве ее основного элемента выступают нити полиметилметакрилата и многогранные молекулы фторированных органических соединений, желаемая структуру которых создается методом электростатического скручивания.

По словам руководителя исследования Гаррета МакКинли, изобретение может использоваться для того, чтобы уберечь стенки топливных баков реактивных двигателей от вредного воздействия агрессивных компонентов топлива. Это существенно продлит срок службы топливных баков и сократит расходы на эксплуатацию самолетов. Однако более заметное применение разработка получит в другой области - намного ближе к простому потребителю. По словам разработчиков, одежду, покрытую полимерной сетью, будет очень тяжело испачкать и совсем легко отстирать.

По мнению экспертов, изобретение американских ученых занимает достойное место в перечне уникальных материалов, которые в скором времени прочно войдут в обиход, наравне с другими революционными разработками последних лет - углеродными нанотрубками, аэрогелями, металлической пеной и «умными» тканями.

АЭРОГЕЛЬ: ПРОЗРАЧНАЯ ТВЕРДОСТЬ

Сверхпрочность. 2,5 г аэрогеля выдерживают кирпич весом 2,5 кг

Еще один материал будущего, который можно пощупать уже сегодня - аэрогель. Это вещество на основе геля, в котором жидкие компоненты полностью замещаются газом. В результате при рекордно низкой плотности, аэрогели обладают уникальным сочетанием свойств - высокой прочностью, жароустойчивостью и прозрачностью. Ученые часто называют этот уникальный материал «застывшим сигаретным дымом» - примерно такое впечатление он производит, когда сквозь него проходит свет.

Честь изобретения материала, который изменит будущее человечества, принадлежит американскому химику Стивену Кистлеру и колледжа в Стоктоне, Калифорния. В далеком 1931 году он впервые попробовал заменить жидкость в геле на газ метанол, а затем разогреть гель до критической температуры газа - 240 градусов Цельсия. В результате метанол выходил из геля, не уменьшаясь в объеме, а сам гель «высыхал», не практически сжимаясь.

Аэрогель сегодняшнего образца - это пористый материал, в котором полости занимают около 90-99%. Структура аэрогеля представляет собой древовидную сеть из наночастиц размером не более 5 нм. Наиболее распространенными сегодня являются разработки на основе аморфного диоксида кремния, а также оксидов хрома и олова. В 1990-х ученым удалось получить первые образцы на основе углерода.

Наиболее совершенными являются кварцевые аэрогели, которые в 500 раз уступают по плотности воде и в 1,5 раза - воздуху. Аэрогель способен выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. В ходе некоторых экспериментов кусок аэрогеля массой всего 2,5 грамма выдерживал вес кирпича массой 2,5 кг.

Кварцевые аэрогели пропускают солнечный свет, но задерживают тепло. В США их уже начали применять в строительстве в качестве теплоизолирующих материалов.

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ: ПРОЧНЕЕ НЕКУДА

Углеродные нанотрубки - самый прочный в мире материал

В 1996 году американские ученые Роберт Керл, Харолд Кротто и Ричард Смелли получили Нобелевскую премию по химии за открытие фуллеренов - молекулярных соединений, представляющих собой многогранники из атомов углерода, которые могут служить основой для создания самого прочного в мире материала. Речь идет о легендарных углеродных нанотрубках - давней мечте фантастов и футурологов.

Углеродные нанотрубки - цилиндрические структуры из свернутых графеновых плоскостей, которые обладают уникальными характеристиками. Это самый жесткий и прочный материала мире с высокими электронными характеристиками.

Своей прочностью он обязан ковалентным связям между отдельными атомами углерода. В 2000 году в ходе экспериментов было установлено, что прочность углеродной нанотрубки на растяжение составила 63 гигапаскаля. Это в десятки тысяч раз больше, чем у лучших сортов высокоуглеродистой стали.

Углеродные нанотрубки могут применяться практически везде, где сегодня вообще применяются металлы. Это может быть и одежда, и спортивная экипировка, бронежилеты, космическое оборудование, компоненты электронных схем. По оценкам экспертов уже к 2015 году объем рынка в этой отрасли составит $2,5 млрд.

Некоторые ученые предупреждают, что нанотрубки могут представлять угрозу для здоровья, в частности, опыты с лабораторными мышами показали, что углеродные нанотрубки могут производить на организм эффект, аналогичный тому, какой производит асбест. Последствием этого воздействия могут стать раковые заболевания.

ЭЛЕКТРОННАЯ ТКАНЬ: ПОКРОЙ СЕБЯ КОМПЬЮТЕРАМИ

Одежда. Изображение на футболке зависит от настроения человека

Зачем носить с собой электронные гаджеты, которые можно потерять или разбить, если можно попросту носить компьютеры на себе? Разработки в области создания электронной ткани уже сегодня выглядят столь многообещающе, что по мнение многих аналитиков, уже к 2020 году такая одежда станет повседневной.

Ее отличительной чертой станет возможность беспрерывного воспроизведения статического изображения или видео. Одна и та же футболка сможет в зависимости от настроения человека показывать изображение звездного неба или тропический пейзаж. Правда, можно предположить, что абсолютная свобода выбора изображений на одежде может привести к общественному возмущению, поэтому ассортимент изображений придется регулировать законодательно. Примерно, как содержание телеэфира в наши дни.

Первые образцы такой ткани были созданы еще несколько лет назад. В 2006 году продажи «умных» спортивных костюмов начала компания Spyder. Поумнели они благодаря со вставкам из электронной ткани ElekTex от британской компании Eleksen. Ткань сделана из нескольких слоев, включая электропроводящий и защитный, и может реагировать на прикосновения к своей поверхности. При этом, она не только регистрирует точку прикосновения, но и силу давления и направление нажатия. Благодаря этому, можно управлять работой плеера iPod, не вынимая его из кармана, с помощью нанесенных на рукаве костюма обозначений кнопок. Обладая этими уникальными характеристиками, ткань все же остается тканью - ее можно сворачивать, мять и даже стирать.

Когда электронная ткань получит достаточное развитие, большинство сегодняшних гаджетов - например, телефон и плеер - могут быть встроены в одежду. В таком случае достаточно будет взмахнуть рукой, чтобы активировать мобильную связь, а затем разговаривать с помощью микрофона, встроенного, например, в лацкан пиджака. Следующим шагом может стать использование совместно с электронной тканью революционного интерфейса thought-to-speech.

В марте 2008 года такая технология была представлена компанией Texas Instruments. Суть ее работы заключается в преобразовании в нервных импульсов, которые, собственно, и приводят в работу голосовые связки, в цифровую информацию, например, в синтезированную речь. Сегодня эта технология в первую очередь используется для того, чтобы дать возможность говорить по телефону немым людям, однако ее будущее ничем не лимитировано.

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПЕНА: МАТЕРИАЛ С ЖЕЛЕЗНОЙ ПАМЯТЬЮ

Прочнее стали и в воде не тонет

С развитием новых технологий ученые находят все больше возможностей модификации традиционных материалов, например металла. Одна из наиболее перспективных модификаций - металлическая пена - структура, состоящая из твердого металла, чаще всего алюминия, и содержащая большое количество наполненных газом пор. Как правило, примерно 75-95% объема металлической пены составляют пустоты. Материал обладает уникально низким сопротивлением - некоторые виды металлической пены настолько легки, что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.

В будущем металлическая пена может стать неотъемлемой частью машиностроения, а также использоваться в производстве металлокерамики. Материал идеально подходит для создания крупногабаритных чрезвычайно прочных конструкций - другого материала, который способен обеспечить такое соотношения прочности и веса, человечество еще не придумало. Безусловно, она будет активно применяться в космических технологиях, где минимизация массы имеет огромное значение.

Недавнее открытие американских ученых может еще больше расширить сферу применения этого материала. В ходе исследований Национального фонда науки США, удалось разработать новый вид сплава металлической пены, который, реагируя на магнитное излучение, может растягиваться в длину на 10% под воздействием магнитного поля. Для достижения такого эффекта была разработана новая технология. На кусок нагретого пористого алюмината натрия выливается специальный жидкий сплав. После того, как металл охладится, соль алюмината натрия вытравливают кислотой, и металл приобретает пористую структуру.

Ученые назвали новый сплав «металлической пеной с эффектом памяти». По их мнению, он найдет широкое применение в производстве автомобилей и самолетов, а также везде, где требуются материалы, сохраняющие высокую прочность при большом напряжении.

АМОРФНЫЕ МЕТАЛЛЫ: ВСЕ ДЕЛО В СТРУКТУРЕ

Прогресс. Ученые продолжают изобретать материалы будущего

Еще одной модификацией традиционного железа являются аморфные металлы, или так называемые «металлические стекла», которые состоят из металла с хаотичной атомной структурой. Они могут быть вдвое прочнее стали. Разобщенная структура атомов позволяет им рассеивать энергию удара более эффективно, чем жесткая структура традиционных металлов, у которой есть точки уязвимости. Аморфные металлы производят по специальной технологии - расплавленный металл быстро охлаждается, чтобы его атомная структура не успевала приобрести четкую кристаллическую форму.

Металлические стекла вдвое прочнее стали

Военные давно положили глаз на новый вид металла. По их расчетам, сделанная из него броня будет в несколько раз прочнее, та, которую производят по сегодняшним технологиям. Кроме того, аморфные металлы получают широкое распространение в индустрии электроники. Помимо прочности они обладают уникальными магнитными свойствами, которые широко востребованы для производства мобильных телефонов, магнитных лент, высоковольтных трансформаторов. Эффективность энергосбережения при использовании аморфных металлов вырастает в среднем на 40%. Их повсеместное использование может означать экономию сотен тысяч тонн ископаемого топлива в мировом масштабе.

ПРОЗРАЧНЫЙ АЛЮМИНИЙ: ПРОЩАЙ, СТЕКЛО!

Без стекла. В будущем стекла станут алюминиевыми

Металл может быть прозрачным. Это не мечты фантастов. Металл в три раза прочнее, чем сталь, и при этом прозрачный, - уже реальность. Первые образцы этого чуда были получены немецкими учеными из Лаборатории физики Фраунгофера.

Технология его изготовления заключается в спекании мельчайших частиц алюминия при очень высоких температурах. Правильно подобрав размеры частиц, можно добиться высокой прозрачности материала. Для улучшения оптических свойств, в процессе спекания могут быть добавлены редкоземельные добавки.

Ученые предрекают прозрачному алюминию большое будущее. Высокая прочность и прозрачность могут очень пригодиться при строительстве небоскребов и летательных аппаратов. Космические агентства также проявляют большой интерес к новому материалу, в перспективе он может широко применяться при постройке космических станций, сняв ограничение на площадь иллюминаторов, которое сегодня накладывается прочностными характеристиками стекла.

Алексей Бондарев

Глава 1. Механизмы получения металлической пены

Первая металлическая пена была получена Бенджамином Сосником в 1948 г Этот процесс был основан на нагревании вместе летучих металлов с металлами нелетучими. Во время нагревания нелетучий металл спекался, а более летучий (например, ртуть) испарялся, вспенивая смесь таким образом. Но данный метод не имел коммерческого успеха, поскольку предполагал работу с опасными материалами.

Прошло много времени, наука шагнула вперёд. И сейчас существует много способов получения металлической пены. Их можно разделить на две большие группы: изготовление металлической пены с использованием жидких расплавов металлов и на основе металлических порошков.

1.1 Производство металлических пен из расплавов металлов

Производство данного типа начинается с расплавления металла, из которого металлопена получается с помощью пористого материалом, либо с помощью полимерной пены или литьём жидкого металла на твёрдый наполнитель. Существуют технологии получения металлических пен прямым вспениванием расплавов металлов газами. Рассмотрим подробнее данные методы, выявив их достоинства и недостатки.

1) Прямое вспенивание расплавов. Данный метод основан на непрерывном пропускании газа через металлический расплав. Метод разработан одновременно и независимо Alcan и Norsk Hydro в конце 1980-х и 1990-х годов. Суть данного метода состоит в том, что металлический расплав может быть вспенен при определённых условиях путём введения газов в жидкость. Пузырьки газа, которые образовываются в металлическом расплаве, будут стремиться быстро подняться на его поверхность из-за высокой выталкивающей силы в высокоплотной жидкости, но этому подъему препятствует высокая вязкость расплавленного металла. Это может быть устранено путём добавления мелкого керамического порошка или легирующих элементов, которые образуют частицы в расплаве.

Следует отметить, что многочисленные попытки вспенивания жидких металлов были предприняты ещё в 60-70-х годах прошлого века, но, по-видимому, этот процесс был не достаточно оптимизирован, чтобы производить достаточно качественную пену. За последние 10 лет было проведено ряд новых разработок и сейчас доступны лучшие методы производства.

В настоящие время существует два метода прямого получения вспененных металлических расплавов. Один эксплуатируется Канадской технологической компанией «Cymat» для вспенивания алюминия и алюминиевых сплавов. Следуя этому механизму, нужно использовать карбид кремния (SiC), оксид алюминия (Al2O3) или оксид магния (MgO) для усиления вязкости расплава. Поэтому первый шаг состоит из приготовления алюминиевого расплава, содержащего одно из этих веществ. Проблема состоит в том, что необходимо добиться однородности распределения частиц. Второй шаг - это вспенивание жидкого расплава путём вдувания газов (воздух, азот, аргон) с помощью специально разработанных колёс. Эта установка должна выпускать очень маленькие пузырьки газа в расплав и распределять их однородно. Полученная пена всплывает на поверхности жидкости и тогда её можно собрать посредством ленточного конвейера. Следует предпринять меры, препятствующие разрушению структуры пены из-за взаимного перемещения полутвёрдой пены. Полученный материал, в принципе, бывает сколь угодной длины. Пена велика настолько, насколько позволяет сосуд, содержащий жидкий металл. Обычно толщина пены 10 см. Вспененный материал можно вырезать необходимой формы, но в связи с высоким содержанием керамических частиц, обработка пены может стать проблемой. Преимуществом такого способа производства металлической пены является возможность производства огромных объёмов данного ценного материала, относительно низкая цена и низкая плотность. Пористость пены, полученной данным способом находится в диапазоне от 80 до 97%. К недостаткам вышеописанного способа можно отнести необходимость резать пену, а следовательно открывать поры, а так же хрупкость такой металлической пены из-за усиливающих частиц (SiC, Al2O3, MgO), которые содержаться в пористых стенках.

Второй путь прямого вспенивания расплавов - это добавление пенообразователя в расплав вместо продувки его газом. Пенообразователь разлагается при нагревании и выделяет газ, который и осуществляет процесс вспенивания.

Первый шаг процесса - увеличение вязкости расплава. Для этого добавляют кальций (1-2% от общей массы), который окисляется с образованием СаО и СаАl2O4 (возможно образование Al4Ca). В качестве пенообразователя используют гидрид титана (TiH2) , который при нагревании выделяет газ (H2): Пена, полученная таким методом имеет наиболее однородную клеточную структуру, по сравнению с пенами, полученными другим путём.

2) Эвтектическое затвердевание (твёрдое вещество-газ). Этот метод, который был разработан несколько лет назад на Украине, основан на том, что некоторые жидкие металлы образуют эвтектические системы с газообразным водородом. Сначала плавят металл в автоклаве (автоклав — аппарат для проведения различных процессов при нагреве и под давлением выше атмосферного). Потом растворяют водород в этом расплаве при высоком давлении (обычно 50 атм). Далее температуру делают ниже эвтектической, и система переходит в двухфазное состояние, соответствующее и твердому, и газу.

Если параметры процесса - скорость охлаждения и профиль давления - будут выбраны соответствующие, то газ будет накапливаться в виде маленьких газовых пузырьков в расплаве, таким образом, образовывая пену. Возможность затвердевания жидкости в определённом направлении предполагает образование пены преимущественно с удлиненными порами. Если сосуд цилиндрический, то возможны радиальные и осевые поры.

Максимальная пористость, которая может быть достигнута, не выше 5-75 %, но металлы со средними и высокими температурами плавления, такие как медь и никель, могут быть вспенены только таким способом. Структура пор таких пен называется «Gasars» .

3) Литье по выплавляемым моделям. Металлическая пена может быть изготовлена без непосредственного вспенивания металла. Для этого отправной точкой является полимерная пена. Полимерную пену превращают в структуру с открытыми порами путём манипуляции пенообразования или обработкой пористой структуры. Затем пену заполняют суспензией из термостойкого материала, например, смеси муллита, фенольных смол и карбоната кальция. После высыхания полимер удаляют, и расплавленный металл заливают в полученные открытые пустоты, которые точно представляют первоначальную структуру пены. После удаления формовочного материала (например, под давлением воды) получаем металлическую пену, которая имеет такую же форму, как первоначальная полимерная пена.

При данном способе доступны пены с различной пористостью от 2,5 до 16 пор на 1 см3. Это очень дорогая пена. Обычно таким способом вспениваются алюминиевые сплавы, но другие металлы тоже могут быть так обработаны.

4) Осаждение металла на поверхности полиуретана. Можно металлизировать полиуретан с дальнейшим его выжиганием. Полиуретан опускают в раствор, в котором осаждается металл. Ждут пока никель осадится на полиуретане (10-20 минут). Потом металлизированную губку помещают в печь при температуре сжигания полиуретана. Полученную металлическую пену охлаждают.

5) Синтаксические пены с использованием сварочных технологий. Легкие пористые металлы могут быть получены с помощью распределения в объеме расплава неорганических гранул, полых сфер с низкой плотностью или некоторых материалов. Для этого могут быть использованы свободная часть вспененных гранул глины, свободные частицы оксида алюминия (Al2O3) в сфере пеностекла.

Гранулы вводятся в расплав или расплав выливается в массу наполнителя. Теплоёмкость и теплопроводность гранул очень низкая, поэтому они не нарушают текучесть металла. Смачивание гранул затруднено в связи с высоким поверхностным натяжением жидкого расплава и промежутки между гранулами полностью не заполняются. Создание небольшого вакуума внутри расплава или внешнее давление существенно облегчают перемешивание.

Таким способом может быть обработан широкий диапазон металлов, включая алюминий, магний, цинк, свинец и др.