Введение

Пористый материал из металла.

В материаловедении металлическая пена – это материал или структура, состоящая из твердого металла (часто алюминия) с газонаполненными порами, составляющими значительную часть объема. Поры могут быть закрытыми (пена с закрытыми ячейками) или сообщающимися (пена с открытыми ячейками). Определяющей характеристикой металлических пен является высокая пористость: как правило, только 5–25% объема приходится на основной металл. Прочность материала обусловлена законом обратных квадратов и кубов. Металлические пены обычно сохраняют некоторые физические свойства своего основного материала. Пена, изготовленная из негорючего металла, остается негорючей и, как правило, может быть переработана как основной материал. Ее коэффициент теплового расширения схож, а теплопроводность, вероятно, снижается.

Открытая ячейка

Открытая металлическая пенка, также называемая металлической губкой, может использоваться в теплообменниках (охлаждение компактной электроники, криогенные резервуары, теплообменники с фазовым переходом), для поглощения энергии, диффузии потока, в скрубберах, пламегасителях и легкой оптике. Высокая стоимость материала обычно ограничивает его применение в передовых технологиях, аэрокосмической отрасли и производстве. Мелкоячеистые открытые пенки, с ячейками, неразличимыми невооруженным глазом, используются в качестве высокотемпературных фильтров в химической промышленности. Металлические пенки применяются в компактных теплообменниках для увеличения теплопередачи при некотором снижении давления. Однако их использование позволяет значительно уменьшить физические размеры и затраты на изготовление. Большинство моделей этих материалов основаны на идеализированных и периодических структурах или усредненных макроскопических свойствах. Металлическая губка обладает очень большой удельной поверхностью, и катализаторы часто формируются в виде металлической губки, например, палладий черный, платиновая губка и губчатый никель. Металлы, такие как осмий и гидрид палладия, метафорически называют "металлическими губками", однако этот термин относится к их способности связывать водород, а не к физической структуре.

Закрытые ячейки

Закрытая металлическая пена была впервые описана в 1926 году Меллером во французском патенте, где предлагалось вспенивание легких металлов либо путем вдувания инертного газа, либо с использованием вспенивающего агента. Два патента на металл, напоминающий губку, были выданы Бенджамину Соснику в 1948 и 1951 годах, который использовал пары ртути для вспенивания жидкого алюминия. Закрытые металлические пены были разработаны в 1956 году Джоном К. Эллиотом в исследовательских лабораториях Bjorksten. Хотя первые прототипы появились в 1950-х годах, коммерческое производство началось в 1990-х годах компанией Shinko Wire в Японии. Закрытые металлические пены в основном используются как материал, поглощающий энергию удара, аналогично полимерным пенам в велосипедном шлеме, но для более высоких ударных нагрузок. В отличие от многих полимерных пенопластов, металлические пены остаются деформированными после удара и поэтому могут быть деформированы только один раз. Они легкие (обычно составляют 10–25% плотности аналогичного не пористого сплава, чаще всего алюминиевого) и жесткие, и часто предлагаются в качестве легкого конструкционного материала. Однако они не получили широкого распространения для этой цели. Закрытые пены сохраняют огнестойкость и возможность переработки, свойственные другим металлическим пенам, но приобретают дополнительное свойство – плавучесть в воде.

Пенопласт из композитных металлов

Композитный металлический пеноматериал изготовлен из комбинации однородных полых металлических сфер с металлической матрицей, окружающей сферы. Этот металлопеноматериал с закрытыми ячейками изолирует воздушные полости внутри и может быть изготовлен из практически любого металла, сплава или их комбинации. Размеры сфер могут варьироваться и точно настраиваться в зависимости от области применения. Сочетание заполненных воздухом полых металлических сфер и металлической матрицы обеспечивает легкость и прочность. Сферы расположены внутри материала случайным образом, но чаще всего образуют простую кубическую или гранецентрированную кубическую структуру. CMF состоит примерно на 70% из воздуха и, следовательно, весит на 70% меньше, чем такой же объем твердого исходного материала. Композитный металлический пеноматериал – самый прочный из доступных металлических пеноматериалов, с отношением прочности к плотности в 5-6 раз выше и способностью поглощать энергию более чем в 7 раз больше, чем у предыдущих металлических пеноматериалов. CMF был разработан в Университете Северной Каролины изобретателем Афсане Рабие, которая является автором четырех патентов под названием "Композитный металлический пеноматериал и способ его изготовления" (патенты США № 9208912, 8110143, 8105696, 7641984), и в настоящее время CMF является запатентованной технологией, принадлежащей компании Advanced Materials Manufacturing.

Высокоскоростное испытание на удар/взрыв/баллистическое испытание

Плита толщиной менее одного дюйма обладает достаточной устойчивостью, чтобы превратить в пыль стандартную бронебойную пулю .30-06 Springfield M2. Испытательная плита превзошла цельную металлическую плиту аналогичной толщины, при этом значительно уступая ей в весе. Другие потенциальные области применения включают транспортировку ядерных отходов (защиту от рентгеновского, гамма-излучения и нейтронного излучения) и теплоизоляцию для атмосферного торможения космических аппаратов, обеспечивая во много раз большую огне- и термостойкость по сравнению с обычными металлами.

Опыты на ВИИ/фрагментов

CMF может заменить броневую сталь того же уровня защиты, при этом вес будет в три раза меньше. Он способен останавливать осколки и ударные волны, являющиеся причиной черепно-мозговых травм (ЧМТ). CMF подвергался испытаниям на устойчивость к взрывам и осколкам. Панели испытывались с использованием 23 × 152 мм высокоскоростных зажигательных снарядов (применяемых в зенитном оружии), которые создают взрывную волну высокого давления и металлические фрагменты, летящие со скоростью до 1524 м/с. Панели CMF выдержали воздействие взрыва и осколков, не деформируясь и не трескаясь. Более толстый образец (толщиной 16,7 мм) полностью остановил осколки различных размеров в ходе трех отдельных испытаний с зажигательными боеприпасами. Было показано, что CMF способен локально останавливать осколки, рассеивать энергию взрывной волны и препятствовать распространению разрушений, в отличие от цельных материалов, которые передают энергию по всей пластине, повреждая основной массив материала. В ходе данного исследования CMF из нержавеющей стали блокировал давление взрыва и осколки, летящие со скоростью 5000 футов в секунду от высокоскоростных зажигательных (HEI) снарядов, детонирующих на расстоянии 18 дюймов. Стальные пластины CMF (толщиной 9,5 мм или 16,75 мм), расположенные на расстоянии 18 дюймов от ударной пластины, выдержали воздействие взрывной волны, а также медных и стальных осколков, образованных 23×152 мм HEI снарядом (применяемым в зенитном оружии), и 2,3-мм алюминиевой ударной пластины. Эффективность стального CMF значительно превосходила аналогичную по весу алюминиевую пластину при воздействии того же типа взрыва и осколков.

Испытания стрелкового оружия

Композитные металлические пенопласты, изготовленные из 2-мм стальных полых сфер, внедренных в матрицу из нержавеющей стали и обработанные методом порошковой металлургии, использовались совместно с керамикой из карбида бора и алюминием 7075 или кевларовыми задними панелями для создания новой композитной броневой системы. Эта броневая система была испытана на устойчивость к угрозам NIJ типа III и типа IV в соответствии с баллистическим стандартом NIJ 0101.06. Многослойная функциональная конструкция позволила композитному металлическому пенопласту эффективно поглощать баллистическую кинетическую энергию, при этом на слой CMF приходилось 60–70% от общей энергии, поглощаемой броневой системой, что обеспечило превосходные баллистические характеристики для угроз III и IV типов. Результаты этой программы испытаний показывают, что CMF может быть использован для снижения веса и повышения эффективности брони при угрозах типа III и типа IV. [[Файл:CMF после удара.jpg|thumb|Композитный металлический пенопласт после воздействия бронебойной пули .50 BMG. Обратите внимание на извлеченную пулю, помещенную на панель CMF в левом нижнем углу. Панели CMF были изготовлены и соединены с керамической лицевой плитой и алюминиевой задней плитой. Многослойная твердая броня была испытана против пуль .50 BMG (обычных и бронебойных) в диапазоне скоростей. Мягкое стальное ядро обычных пуль пробило один из трех образцов, но продемонстрировало преимущества использования нескольких плиток вместо одной керамической лицевой плиты для ограничения распространения повреждений. Закаленное стальное ядро бронебойных пуль глубоко проникало в керамическую лицевую плиту, сжимая слой CMF, пока снаряд либо не останавливался и не застревал в броне, либо полностью пробивал и выходил через заднюю плиту. Экспериментальные результаты были сопоставлены с коммерчески доступными бронематериалами и показали улучшенные характеристики при сниженном весе. Предполагается, что слой CMF поглощает от 69 до 79% кинетической энергии пули в неоптимизированных условиях испытаний.

Испытания на огне/экстремальной жаре

Композитный металлический пеноматериал во время испытания на огне с использованием факела. Панель CMF из стали 316L размером 12" x 12" x 0,6" и весом 3,545 кг была подвергнута испытанию на огне с помощью факела. В ходе этого испытания панель подвергалась воздействию температуры свыше 1204 °C в течение 30 минут. По истечении 30 минут воздействия максимальная температура на непораженной поверхности стали составила 400 °C (752 °F) в центре пластины непосредственно над струйной горелкой. Эта температура была значительно ниже допустимого предела повышения температуры в 427 °C; следовательно, данный образец соответствовал требованиям испытания на огне с использованием факела. Для сравнения, цельный кусок стали того же объема, использованный для калибровки, не выдержал это испытание примерно через 4 минуты. Эти исследования демонстрируют исключительную огнестойкость и жаростойкость CMF. Композитный металлический пеноматериал настолько эффективно изолирует температуру 1100 °C (2000 °F), что к нему можно прикоснуться на расстоянии всего двух дюймов от раскаленной области материала. Композитный металлический пеноматериал обладает очень низкой теплопроводностью и способен изолировать экстремальную температуру в 1100 °C (2000 °F) в пределах нескольких дюймов, сохраняя материал при комнатной температуре на расстоянии около двух дюймов от раскаленной области. Кроме того, стальной CMF сохранил большую часть своей прочности, характерной для стали, при этой температуре, оставаясь при этом таким же легким, как алюминий – материал, который мгновенно расплавился бы при такой экстремальной температуре.

Другие способности

Композитный металлический пеноматериал продемонстрировал способность экранировать от рентгеновского и нейтронного излучения, поглощает и снижает воздействие ударных нагрузок, звуков и вибраций, а также выдерживает более 1 000 000 циклов высоких нагрузок, превосходя традиционные цельные металлы во всех этих аспектах.

Дизайн

Металлический пеноматериал может использоваться в изделиях или архитектурном составе.

Ортопедия

Металлические пористые материалы использовались в экспериментальных протезах животных. В этом применении в кость просверливают отверстие и вставляют металлическую пену, позволяя костной ткани врастать в металл для создания прочного соединения. Для ортопедических применений часто используются пены из тантала или титана благодаря их высокой прочности на растяжение, коррозионной стойкости и биосовместимости. Сибирской хаске по имени Триумф были установлены протезы задних конечностей из металлической пены. Исследования на млекопитающих показали, что пористые металлы, такие как титановая пена, могут способствовать васкуляризации внутри пористой структуры. Производители ортопедических устройств используют пористую структуру или покрытия из металлической пены для достижения необходимого уровня остеоинтеграции.

Автомобильная промышленность

Основные функции металлических пен в транспортных средствах – повышение звукоизоляции, снижение веса, увеличение поглощения энергии при столкновениях и (в военных целях) противодействие ударной волне от самодельных взрывных устройств. В качестве примера, трубы, заполненные пеной, могут использоваться как противовзломные барьеры. Благодаря низкой плотности (0,4–0,9 г/см3), особое внимание уделяется пенам из алюминия и алюминиевых сплавов. Эти пены жесткие, огнестойкие, нетоксичные, подлежащие переработке, энергопоглощающие, менее теплопроводные, менее восприимчивые к магнитным полям и более эффективно подавляют шум, особенно по сравнению с полыми деталями. Металлические пены в полых деталях автомобилей снижают слабые места, обычно возникающие при авариях и вибрациях. Производство этих пен методом порошковой металлургии обходится дешевле, чем литье других полых деталей. По сравнению с полимерными пенами в транспортных средствах, металлические пены более жесткие, прочные, лучше поглощают энергию и устойчивы к огню, а также к неблагоприятным погодным условиям, таким как ультрафиолетовое излучение, влажность и перепады температуры. Однако они тяжелее, дороже и не обладают теплоизоляционными свойствами. Технология металлических пен применяется в автомобильных выхлопных газах. По сравнению с традиционными каталитическими нейтрализаторами, использующими кордиеритную керамику в качестве подложки, металлическая пена обеспечивает лучший теплообмен и превосходные массопереносные свойства (высокую турбулентность), а также может снизить необходимое количество платинового катализатора.

Электрокатализ

Металлические пены широко используются в качестве носителей для электрокатализаторов благодаря большой площади поверхности и стабильной структуре. Взаимосвязанные поры также способствуют переносу массы реагентов и продуктов реакции. Однако, определение характеристик электрокатализаторов может быть затруднено из-за неопределенности площади поверхности, различий в свойствах пены и влияния капиллярных эффектов.