Кіріспе

Металдан жасалған кеуекті материал. Материалдар ғылымында металл көбік – қатты металдан (көбінесе алюминийден) тұратын материал немесе құрылым, оның көлемінің көп бөлігін газға толы кеуектер құрайды. Кеуектер жабық (жабық ұяшықты көбік) немесе байланысқан (ашық ұяшықты көбік) болуы мүмкін. Металл көбіктердің ерекшелігі – жоғары кеуектілік: көлемінің әдетте 5–25% ғана негізгі металл құрайды. Материалдың беріктігі шаршы-куб заңымен түсіндіріледі. Металл көбіктері әдетте негізгі материалының кейбір физикалық қасиеттерін сақтайды. Өртке төзімді металдан жасалған көбік өртке төзімді болып қалады және көбінесе негізгі материал ретінде қайта өңделеді. Оның жылулық кеңею коэффициенті ұқсас, ал жылу өткізгіштігі төмендеуі мүмкін.

Ашық камера

Ашық ұялы металл көбігі, сондай-ақ металл губка деп те аталады, жылу алмастырғыштарда (жинақы электрониканы салқындату, криогендік ыдыстар, фазалық өзгеріс материалы жылу алмастырғыштар), энергияны сіңіру, ағынды тарату, тазарту құрылғыларында, жалын тоқтатушыларда және жеңіл оптикада қолданылады. Материалдың жоғары құны оның қолданылуын жоғары технологиялар, ғарыш және өндіріс салаларымен шектейді. Көзге көрінбейтіндей кішкентай ұялары бар ұсақ ұялы ашық көбіктер химия өнеркәсібінде жоғары температуралық сүзгілер ретінде қолданылады. Металл көбіктері жинақы жылу алмастырғыштарда қысымды төмендету бағасына жылу беруді арттыру үшін пайдаланылады. Дегенмен, оларды қолдану физикалық өлшемдерді және өндіріс шығындарын айтарлықтай азайтуға мүмкіндік береді. Бұл материалдардың көптеген модельдері идеалданған және периодтық құрылымдарды немесе орташа макроскопиялық қасиеттерді қолданады. Металл губканың бір салмақ бірлігіне өте үлкен беттік ауданы бар, ал катализаторлар көбінесе металл губка түрінде жасалады, мысалы, палладий қарасы, платина губкасы және губкалы никель. Осмий және палладий гидриді сияқты металдар метафоралық түрде "металл губкалар" деп аталады, бірақ бұл термин олардың физикалық құрылымына емес, сутегімен байланысу қасиетіне қатысты.

Жабық камералы

Жабық жасушалы металл көбігі алғаш рет 1926 жылы Меллердің француз патентінде сипатталды, онда инертті газды инъекциялау немесе көбіктіруші заттар арқылы жеңіл металдарды көбіктіру ұсынылды. 1948 және 1951 жылдары Бенджамин Сосникке губка тәрізді металлға екі патент берілді, ол сұйық алюминийді көбіктіру үшін сынап буын қолданды. Жабық жасушалы металл көбіктерін 1956 жылы Джон К. Эллиотт Bjorksten Research Laboratories-те жасады. Алғашқы прототиптер 1950 жылдары қолжетімді болғанымен, коммерциялық өндіріс 1990 жылдары Жапониядағы Shinko Wire компаниясымен басталды. Жабық жасушалы металл көбіктері негізінен соққыны жұтатын материал ретінде қолданылады, велосипед шлеміндегі полимер көбіктер сияқты, бірақ одан да жоғары соққы жүктемелері үшін. Көптеген полимер көбіктерінен айырмашылығы, металл көбіктері соққыдан кейін өз пішінін сақтайды және бір рет деформацияланады. Олар жеңіл (әдетте, бірдей қуыссыз қорытпаның тығыздығынан 10–25% төмен; көбінесе алюминийден жасалған) және берік, сондықтан олар жиі жеңіл конструкциялық материал ретінде ұсынылады. Дегенмен, олар осы мақсатта кеңінен қолданылмады. Жабық жасушалы көбіктер басқа металл көбіктерінің отқа төзімділігі мен қайта өңдеуге болатындығын сақтайды, сонымен қатар суда жүзу қасиетін қосады.

Құрама металл көбік

Құрама металл көбік – біртекті қуыс металл шарлардың және шарларды қоршап тұрған металл матрицасының комбинациясынан жасалады. Бұл жабық ұяшықты металл көбік ішіндегі ауа қалталарын оқшаулайды және кез келген металдан, қорытпадан немесе олардың қоспасынан жасалуы мүмкін. Шарлардың мөлшері қолданылуына қарай өзгертіліп, нақты реттелуі мүмкін. Ауа толтырылған қуыс металл шарлар мен металл матрицасының қоспасы жеңіл салмақты және беріктікті қамтамасыз етеді. Шарлар материалдың ішінде кездейсоқ орналасқанмен, көбінесе қарапайым кубтық немесе центрленген кубтық құрылымға ұқсайды. CMF шамамен 70% ауадан тұрады, сондықтан оның салмағы бірдей көлемдегі қатты бастапқы материалдан 70% жеңіл. Құрама металл көбік – бұл ең берік металл көбік, ол бұрынғы металл көбіктерге қарағанда 5-6 есе артық күшке және 7 еседен астам энергия сіңіру қабілетіне ие. CMF Солтүстік Каролина штаты университетінде өнертапқыш Афсане Рабие тарапынан әзірленді, оның атында төрт патент бар, олардың барлығы "Құрама металл көбік және оны дайындау әдісі" (АҚШ-тың пайдалы патенттері 9208912, 8110143, 8105696, 7641984) деп аталады, және CMF қазіргі уақытта Advanced Materials Manufacturing компаниясына тиесілі эксклюзивті технология болып табылады.

Жоғары жылдамдықтағы соққы/жарылыс/баллистикалық сынақ

Бір дюймнен кем қалыңдығы бар пластина .30 06 Springfield стандартындағы M2 бронебойғыш оқтың күшін жойып, шаңға айналдыруға жетеді. Сынақ пластинасы ұқсас қалыңдығы бар қатты металл пластинадан артық өнімділік көрсетіп, салмағы әлдеқайда жеңіл болды. Басқа да мүмкін қолданылу аймақтарына ядролық қалдықтарды тасымалдау (рентген, гамма сәулелерінен және нейтрондық сәулеленуден қорғау), сондай-ақ ғарыш кемелерінің атмосфераға қайта кіруі үшін жылу оқшаулау кіреді, бұл материал қарапайым металдарға қарағанда отқа және ыстыққа бірнеше есе төзімді.

ЖЖИ/бөлшекті сынау

CMF металл қаптаманы, салмағының үштен біріне тең қорғаныспен алмастыра алады. Ол сынықтар мен мидың жарақаттануына себеп болатын соққы толқындарын тоқтатуға қабілетті. CMF жарылыстар мен сынықтарға қарсы сынақтан өтті. Панельдер 23 × 152 мм жоғары жарылғыш өртке қарсы снарядтарға (ұшаққа қарсы қаруларда қолданылатындай) сыналып, олар 1524 м/с жылдамдықпен жоғары қысымды жарылыс толқыны мен металл сынықтарын шығарды. CMF панельдері бүгілмей немесе жарылмай, жарылыс пен сынықтардың әсеріне төтеп берді. Жұқалығы 16,7 мм болатын үлгі, үш түрлі өртке қарсы оқ-дәрі сынағынан алынған әртүрлі өлшемдегі сынықтарды толығымен тоқтата алды. CMF сынықтарды жергілікті түрде ұстап, жарылыс толқынының энергиясын таратып, бұзылудың таралуын тежейді. Ал толық қатты материалдар энергияны бүкіл пластинаға жеткізіп, негізгі материалды зақымдайды. Осы зерттеуде, тот баспайтын болаттан жасалған CMF, 18 дюйм қашықтықта жарылатын жоғары жарылғыш өртке қарсы (HEI) снарядтардан туындаған жарылыс қысымын және сынықтарды секундына 5000 фут жылдамдықпен тоқтата алды. Болат CMF пластиналары (9,5 мм немесе 16,75 мм қалыңдығы), соққы пластинасынан 18 дюйм қашықтықта орналасқанда, 23×152 мм HEI снарядынан (ұшаққа қарсы қаруларда қолданылатындай) пайда болған жарылыс қысымы толқынына және мыс пен болат сынықтарына, сондай-ақ 2,3 мм алюминийден жасалған соққы пластинасына қарсы тұрды. Болат CMF-тың осы типтегі жарылыс пен сынықтарға қарсы көрсеткіші, бірдей салмақты алюминий пластинасынан әлдеқайда жақсы болды.

Кіші қаруды сынау

Композиттік металл көбік панельдері, 2 мм болаттан жасалған қуыс шарлар, тот баспайтын болат матрицасына енгізіліп, ұнтақ металлургиясы әдісімен өңделген, жаңа композиттік бронь жүйесін жасау үшін борон карбиді керамикасы және алюминий 7075 немесе Кевлар артқы панельдерімен бірге қолданылды. Бұл композиттік бронь NIJ 0101.06 баллистикалық сынақ стандарты бойынша NIJ III және IV деңгейдегі қауіптерге қарсы сынақтан өтті. Жоғары функционалды қабаттарға негізделген конструкция композиттік металл көбіктің баллистикалық кинетикалық энергияны тиімді сіңіруіне мүмкіндік берді, мұнда CMF қабаты бронь жүйесі сіңіретін жалпы энергияның 60–70% құрады және композиттік бронь жүйесіне III және IV деңгейдегі қауіптерге қарсы жоғары баллистикалық көрсеткіштерді көрсетуге мүмкіндік берді. Осы сынақ бағдарламасының нәтижелері CMF-ті салмақты азайту және III және IV деңгейдегі қауіптерге қарсы броньтың тиімділігін арттыру үшін пайдалануға болатынын көрсетеді. [[Файл:CMF әсерден кейін.jpg|thumb| .50 BMG бронебойғыш оғынан соққаннан кейін композиттік металл көбік. Оқтың алынып, төменгі сол жақтағы CMF панелінің үстіне қойылғанын назар аударыңыз. SSC CMF панельдері жасалып, керамикалық беттік панельмен және алюминийден жасалған артқы панельмен жұптастырылды. Қабатталған қатты бронь түрлі соққы жылдамдықтарымен .50 BMG және AP оқтарына қарсы сынақтан өтті. Оқтардың жұмсақ болаттан жасалған өзегі үш сынаманың біреуіне еніп, бірақ зақымды таратуды шектеу үшін бірнеше плитканы бір керамикалық бетке қолданудың артықшылықтарын көрсетті. AP оқтарының қатты болаттан жасалған өзегі керамикалық беттік панельге терең еніп, CMF қабатын қысып, оқ тоқтатылып бронь ішіне кірістірілгенше немесе артқы панельді толығымен тесіп өтіп кеткенше болды. Тәжірибелік нәтижелер коммерциялық түрде қол жетімді бронь материалдарымен салыстырылды және төмен салмақта жақсартылған тиімділікті ұсынады. CMF қабатының оқтың кинетикалық энергиясының 69-79% дейін сіңіретіні болжануда, олардың сынақ жағдайлары оңтайландырылмаған.

Өрт/сыртқы жылу сынағы

Баспасөз суреті: От сынағы кезіндегі металл көбік. 12"x12"x0.6" қалыңдығы 316L болаттан жасалған 3,545 кг салмақты CMF панелі отпен сынақтан өтті. Осы сынақта панель 30 минут бойы 1204 °C жоғары температураға ұшырады. 30 минуттық әсер етуден кейін болаттың қоршалмаған бетіндегі ең жоғары температура, тікелей оттықтан жоғары жатқан пластинаның ортасында 400 °C (752 °F) құрады. Бұл температура қажетті 427 °C температураның көтерілу шегінен төмен болды, сондықтан бұл үлгі отпен сынақ талаптарына сай келді. Анықтама үшін, калибрлеуге пайдаланылған бірдей көлемді қатты болат бөлшегі осы сынақтан шамамен 4 минутта өте алмады. Бұл зерттеулер CMF-тің отқа және экстремалды ыстыққа төзімділігін көрсетеді. Баспасөз суреті: CMF 1100 °C (2000 °F) температураны соншалықты жақсы оқшаулайды, оны материалдың ақ ыстық аймағынан екі дюйм қашықтықта ұстауға болады. Композиттік металл көбік жылу берудің өте төмен деңгейіне ие және бірнеше дюйм ішінде 1100 °C (2000 °F) экстремалды температураны оқшаулай алады, материалды ақ ыстық материалдан екі дюйм қашықтықта бөлме температурасында қалдырады. Сонымен қатар, болат CMF осы температурада болатқа тән беріктігінің көп бөлігін сақтап, алюминийдей жеңіл болып қалады, ал алюминий осы экстремалды температурада бірден балқиды.

Басқа да қабілеттері

Композиттік металл көбігі рентген және нейтрондық сәулеленуден қорғауға қабілетті, соққыларды, дыбыстарды және дірілдерді жұтады/азайтады, сондай-ақ 1,000,000-нан астам жоғары жүктеме циклдеріне төтеп бере алады, бұл көрсеткіштер бойынша дәстүрлі қатты металдардан асып түседі.

Дизайн

Металл көбігі өнімдер құрамында немесе архитектуралық композицияларда қолданылуы мүмкін.

Ортопедия

Металл көбік жануарлардың протездерін тәжірибелік түрде қолдануда пайдаланылған. Бұл әдісте сүйекке тесік салынды да, металл көбік енгізіледі, осылайша сүйек металлға өсіп, берік байланысқа келеді. Ортопедиялық қолданыстар үшін тантал немесе титан көбіктері тартылу күшіне төзімділігі, коррозияға қарсы тұру қабілеті және сүйек тінімен үйлесімділігі үшін жиі қолданылады. Триумф атты Сібір хаскиінің артқы аяқтары металл көбік протездермен жабдықталды. Сүтқоректілердегі зерттеулер көрсеткендей, титан көбігі сияқты кеуекті металдар, кеуекті аймақта қан тамырларының өсуіне мүмкіндік береді. Ортопедиялық құрылғыларды жасаушылар, қажетті деңгейдегі сүйек тінінің интеграциялануын қамтамасыз ету үшін көбікті құрылымдарды немесе металл көбік жабындарын пайдаланады.

Автомобильдік

Көлік құралдарындағы металл көбіктердің негізгі функциялары – дыбыс сіңіруді арттыру, салмақты азайту, апат жағдайында энергияны сіңіруді күшейту және (әскери қолданыста) жарылғыш құрылғылардың (ИЭҚ) соққы толқынына қарсы тұру. Мысалы, көбікпен толтырылған түтіктерді көлік салонына сыртқы бұзушылықтардың енуіне қарсы қоршау ретінде қолдануға болады. Тығыздығы төмен болғандықтан (0,4–0,9 г/см3), алюминий және алюминий қорытпаларынан жасалған көбіктерге ерекше назар қарастырылады. Бұл көбіктер берік, отқа төзімді, зиянсыз, қайта өңдеуге жарамды, энергияны сіңіретін, жылу өткізгіштігі және магниттік өткізгіштігі төмен, сондай-ақ қуыс бөлшектермен салыстырғанда дыбысты тиімді басады. Көліктің қуыс бөліктерінде металл көбіктерді пайдалану көлік апаттары мен дірілдерге байланысты әдеттегідей болатын әлсіз тұстарды азайтады. Бұл көбіктерді ұнтақталған металлургия арқылы құю, басқа қуыс бөлшектерді құюға қарағанда арзанға түседі. Көлік құралдарындағы полимер көбіктерімен салыстырғанда, металл көбіктері берік, мықтырақ, энергияны көп сіңіретін, отқа, ультракүлгін сәулелерге, ылғалға және температура өзгерісіне төзімді. Дегенмен, олар ауыр, қымбат және жылу оқшаулағыш емес. Металл көбік технологиясы автомобильдердің қағыс газ шығару жүйесіне қолданылады. Дәстүрлі катализаторлар кордиерит керамикасын негіз ретінде пайдаланса, металл көбік негізі жақсырақ жылу өткізгіштікке ие және масса тасымалының жоғары деңгейін (күшті турбуленттілік) көрсетеді, сондай-ақ платина катализаторының қажетті мөлшерін азайтуға мүмкіндік береді.

Электрокатализ

Металл көбіктері жоғары беттік ауданы мен тұрақты құрылымының арқасында электрокатализаторлар үшін танымал тіреуші материал болып табылады. Өзара байланысқан тесіктер реакцияға қатысатын заттар мен өнімдердің массалық тасымалына да көмектеседі. Дегенмен, электрокатализаторлардың бұлжымдық көрсеткіштерін анықтау, беттік ауданының нақты белгіленбегендігі, көбіктің әртүрлі қасиеттері және капиллярлық эффект салдарынан қиынға түсуі мүмкін.