1. Ce este spuma metalică și spuma de aluminiu
De-a lungul istoriei, descoperirea spumei metalice constituie o piatră de hotar importantă în revoluția întregului domeniu al ingineriei materialelor. Spuma metalică este un material compus dintr-o structură metalică care are un număr mare de pori și este umplută cu gaz de-a lungul structurii [2]. Porii acestor spume metalice pot fi interconectați sau etanșați și se numesc spumă cu celule deschise și, respectiv, spumă cu celule închise, așa cum se arată în Figura 2(a)(b) [3]. Dintre acestea, materialul spumat din aluminiu este în prezent cel mai promițător spumă metalică, datorită porozității sale ridicate, densității scăzute, greutății ușoare, rezistenței ridicate, compresibilității bune, absorbției puternice la impact, performanței bune de absorbție a sunetului și performanței bune de ecranare electromagnetică. Performanță excelentă, deci cunoscută sub numele de „steaua metalică” [4], utilizată pe scară largă în alte metode de prelucrare din domeniile ingineriei aerospațiale, producție și științe fizice.
Figura 2. Caracteristicile structurale ale spumei de aluminiu: (a) spumă de aluminiu cu celule deschise; (B) Spumă de aluminiu cu celule închise [3]
2. Descoperirea aluminiului spumat
De-a lungul istoriei, materiale precum osul, lemnul și piatra ponce au fost utilizate pe scară largă pentru o lungă perioadă de timp. Mulți cercetători prevăd că utilitatea acestor materiale a promovat producția de materiale artificiale, cum ar fi spuma metalică. Deși majoritatea tehnologiilor de spumare utilizate în prezent au fost propuse încă din anii 1950, studiile au arătat că descoperirea spumei de aluminiu poate fi urmărită încă din 1926, când Ma De Meller a menționat pentru prima dată spumarea metalului într-un brevet francez. Meller a sugerat odată că procesul de spumare a metalului poate fi realizat prin introducerea de gaz inert în metalul topit sau prin utilizarea unui agent de spumare cum ar fi carbonatul în metalul topit. Deși acesta este doar un brevet bazat pe idee, el pune bazele următorilor pași necesari în dezvoltarea spumei de aluminiu. John C. Elliott a dezvoltat în continuare această idee 20 de ani mai târziu, proiectând o versiune actualizată a brevetului Meller și introducând prima spumă de aluminiu disponibilă, care la rândul său a contribuit la comercializarea materialului în Japonia în anii 1990. Eliberarea a pus bazele [5].
3. Performanța și aplicarea aluminiului spumat
Aluminiul spumat este un metal cu porozitate mare și structură poroasă, în care porii etanșați reprezintă aproximativ trei sferturi din volumul total al materialului metalic, făcând materialul foarte ușor [7]. Pe lângă caracteristicile de mai sus, aluminiul spumat are și caracteristici impresionante de absorbție a energiei și o compresibilitate ridicată [7]. În ceea ce privește densitatea, cercetătorii au descoperit că densitatea majorității probelor de spumă de aluminiu este de aproximativ 0,4-1,2 g·cm-3 [6]. În plus, aluminiul spumat are, de asemenea, absorbție acustică, reciclabilitate și conductivitate termică scăzută [7].
În ceea ce privește aplicarea, ecranarea electromagnetică, greutatea ușoară și proprietățile de absorbție ale spumei de aluminiu o fac candidatul ideal pentru componentele utilizate în dispozitive de fuziune nucleară controlată, automobile, industria aerospațială și construcții, datorită rezistenței sale la medii fizice extreme. În dispozitivul de fuziune nucleară controlabil, spuma de aluminiu cu celule închise este un material excelent de ecranare electromagnetică. Datorită interconexiunii scheletului de spumă de aluminiu, acesta are o suprafață specifică uriașă și o bună capacitate de a absorbi și reflecta undele electromagnetice. Apar diverse pierderi, cum ar fi pierderea de absorbție, pierderea de reflexie etc., astfel încât aluminiul spumat are o performanță excelentă de ecranare electromagnetică. Mai mult, s-a constatat, de asemenea, că eficiența de ecranare electromagnetică a aluminiului spumat a prezentat o tendință de scădere mai întâi și apoi de creștere odată cu creșterea frecvenței undelor electromagnetice [3]. În industria aerospațială, aluminiul spumat este folosit pentru a face conuri spațiale sau piese de turbină. Datorită calității scăzute a aluminiului spumat, este deosebit de util pentru reducerea greutății totale a componentelor aeronavei [7]. Și, ca material excelent de absorbție a energiei, aluminiul spumat este utilizat pentru fabricarea tampoanelor navei spațiale, amortizoarelor de vibrații și a fundului cabinei de întoarcere a navei spațiale, astfel încât nava spațială să poată realiza o aterizare sigură și să protejeze siguranța astronauților și a echipamentelor spațiale. Prin absorbția eficientă a energiei și absorbția șocurilor, aluminiul spumat poate asigura siguranța astronauților sub impactul aterizării navei spațiale, așa cum se arată în Figura 3 [8].
Figura 3. Structura parțială îmbunătățită a santinei rezistente la impact[8]
1-piele superioară; 2-stringere din aluminiu spuma; 3-piele inferior
În industria auto, aluminiul spumat ajută la reducerea numărului total de piese utilizate în cadru, face procesul de asamblare mai eficient și, în cele din urmă, ajută la reducerea costurilor și la îmbunătățirea performanței [7]. În prezent, spuma de aluminiu este utilizată în barele anti-coliziune, grinzile și grinzile ușilor din structurile caroseriei de automobile de pe piață, așa cum se arată în Figura 4 [9-10].
Figura 4. (a) este o diagramă a părților care absorb parțial energie ale caroseriei;
(B) Schema schematică a barei anti-coliziune din spumă de aluminiu
În industria construcțiilor, principala utilizare a aluminiului spumat este ca o barieră de protecție, rezistentă la foc, pentru a preveni zgomotul sever. Aplicația tipică a spumei de aluminiu cu celule închise în arhitectură este Shanghai SOHO Fuxing Plaza. Proiectantul folosește o cantitate mare de spumă de aluminiu pentru a absorbi și a izola sunetul, așa cum se arată în Figura 6 [11].
Descoperirea spumei de aluminiu este considerată a fi o realizare remarcabilă. Materialul din aluminiu spumat combină performanța excelentă de ecranare electromagnetică, greutatea ușoară, densitatea scăzută, absorbția șocurilor și performanța de absorbție a energiei, astfel încât are performanțe foarte bune în diverse industrii astăzi. Aplicabilitate largă. Interesant este că aluminiul spumat este, de asemenea, un produs prietenos cu mediul care poate fi reciclat, ceea ce înseamnă că este un material durabil și este de așteptat să fie folosit în cantități mari în aplicațiile industriale viitoare.
Ora postării: 30-nov-2021
