Пористый металл что это

Металл будущего станет пористым

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.

Источник

Что такое пористые металлы.

Создан пористый металл с эффектом памяти
Новый класс металлических материалов способен удлиняться под действием магнитного поля и обладает эффектом памяти формы.

19.12.2007
Разработанные сотрудниками университета в г. Бойсе (штат Айдахо, США) и Северо-Западного университета (штат Иллинойс, США) сплавы никеля с марганцем и галлием отличаются крупнопористой структурой, похожей на швейцарский сыр. Это делает их легкими, при этом материалы сохраняют и исключительную прочность.

Новый сплав получен в виде поликристаллического материала. Обычно такие материалы отличаются отсутствием пор, а их упругие свойства и способность к деформации в целом очень незначительные. Новый материал с «магнитной памятью формы» получен путем заливания расплава в образец из соли алюмината натрия, имеющего внутри поры. Затем алюминат натрия растворяют с помощью кислоты, и там, где были заполненные им фрагменты, образуются большие поры.

Этот материал подвергали различным испытаниям, в частности, вращающимся магнитным полем. После 10 млн. оборотов в магнитном поле материал сохранял свои способности к упругой деформации, что делает его вполне пригодным для использования в различных системах магнитного привода. Разработчики считают, что есть еще резервы для дальнейшего усовершенствования подобных систем.

Пористая структура материала (и, соответственно, малая плотность) и его реакция на магнитные поля подсказывают различные перспективы его использования в таких отраслях, как автомобилестроение, авиация и космонавтика, биомедицинские насосы без движущихся частей, различные устройства для контроля малых перемещений.

Источник

Пористый металл

Уникальный сплав делают из таких «дальних родственников», как алюминий и вольфрам. Если для первого из них весьма характерна очень высокая устойчивость к окислению, причем не только на открытом воздухе, но и в тяжелых условиях повышенных температур, то о другом этого никак не скажешь, несмотря на то, что алюминий плавится уже на подступах к семисотградусному рубежу, а вольфрам уверенно лидирует среди самых тугоплавких металлов на Земле. Легирующие добавки вольфрама позволяют изготавливать самую прочную броню, самые долговечные резцы, самые ответственные узлы машин, постоянно испытывающих повышенные механические и температурные нагрузки.

Металлурги давно уже мечтали осуществить своеобразную гибридизацию таких разных металлов. (Сплав должен быть чуть тяжелее алюминия и чуть менее прочным, чем вольфрам.) И все было бы неплохо, если бы не роковое препятствие — колоссальное различие в удельных весах «крылатого металла» алюминия и тяжеловеса вольфрама.

Металлы-партнеры уже в процессе плавки неизбежно займут разные «этажи» (как, например, вода и масло в смеси) по указке всемогущей гравитации, и сплава не выйдет.

А если устранить… весовые категории? Исследователи решили провести плавку в космосе. И композит, полученный в невесомости, удался на славу. Шарики «несговорчивого» вольфрама прекрасно растворились в алюминиевой основе, словно кусочки сахара в стакане горячего чая.

Любопытной оказалась и форма слитка, родившегося в космических просторах. В отличие от земного собрата он так и не заполнил ампулу до дна. Поэтому вместо привычного цилиндра приобрел форму, напоминающую усеченный конус. И заметно вырос в объеме! Причиной тому, как показало обстоятельное изучение рассмотренных под микроскопом шлифов, послужили пузырьки газа, так и не сумевшие всплыть на поверхность.

Пористый сплав! До сих пор металлурги тщательно избегали подобной напасти. Может быть, зря? История техники хранит немало примеров, когда механической прочностью поступались ради облегчения общего веса. Взять хотя бы ячеистые бетоны.

Красочная картина предстала перед взором исследователей, когда они познакомились под микроскопом с первым же срезом композита. Там, где были шарики вольфрама, появились миниатюрные звездочки, испускающие во все стороны лучи-дендриты, состоящие из сложных соединений породнившихся металлов. Именно космос способствовал зарождению очень крупных кристаллов, получить которые в условиях земного тяготения до сих пор не удавалось. Такие кристаллы и армируют сплав, делая его сверхпрочным.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Пористый металл

На основе пористых металлов разработаны также и газопламенные горелки с широким однородным факелом. Такие горелки позволяют получить плоское однородное пламя в широком диапазоне изменения состава смеси и скорости ее истечения. [32]

Критерии пластичности пористых металлов в отличие от критериев пластичности несжимаемых тел зависят от среднего нормального напряжения и поверхности пластичности замкнуты. Под рт понимают минимальное по модулю среднее нормальное сжимающее напряжение, вызывающее пластическое течение. Аналогично под дт понимают минимальное среднее растягивающее напряжение, вызывающее текучесть. [34]

Зависимость теплопроводности пористых металлов различной структуры от температуры имеет такой же вид, как и у соответствующих сплошных. Это свидетельствует как об отсутствии изменений в пористой структуре, так и о том, что перенос теплоты за счет лучистой составляющей мал по сравнению с теплопроводностью матриц в исследованных диапазонах температуры. Поскольку у ряда металлов верхняя граница такого диапазона ( например, для вольфрама t 2600 С) близка к температуре плавления, то можно не учитывать радиационного переноса теплоты в пористых металлах во всем диапазоне их рабочих температур. [35]

Сопротивление фильтров из пористого металла относительно невелико и ме няется незначительно в течение опыта. Первоначальное сопротивление фильтра из стеклянной ваты зависит о: плотности набивки и резко увеличивается в процессе ра боты. Это серьезный недостаток таких фильтров. Кром ( того, стеклянную вату практически невозможно очистит. [36]

Фильтрующие элементы из пористого металла могут изготовляться различных форм. [37]

Фильтрующие элементы из пористых металлов все больше применяют для очистки газов и жидкостей от примесей. [38]

Поверхность детали из пористого металла обезжиривают нагревом. [39]

Сопротивление фильтров из пористого металла относительно невелико и менялось незначительно в течение опыта. Первоначальное сопротивление фильтра из стеклянной ваты зависит от плотности набивки и резко увеличивается в процессе работы. Это серьезный недостаток таких фильтров. Кроме того, стеклянную вату практически невозможно очистить от масла и она способна сильно измельчаться при вибрации, а также пульсации потока. [40]

В фильтрах из пористого металла фильтрующая вставка собирается из большого количества трубок ( см. фиг. [41]

Сопротивление фильтров из пористого металла относительно невелико и с течением времени меняется незначительно. Первоначальное сопротивление фильтра из стеклянной ваты зависит от плотности набивки и резко увеличивается в процессе работы. [42]

Применение фильтров из пористого металла и стеклянной ваты не дает полной очистки воздуха от капельного масла. Фланель, асбестовая ткань, войлок лучше очищают воздух от капельного масла, но также не исключают, как показывает опыт эксплуатации, поступление масла в блок разделения. [43]

Источник

Краткая характеристика способов получения пористых (пенно-алюминиевых) заготовок

В настоящее время существует несколько принципиально различных способов получения пенометаллов: литейный, порошковый и др., каждый из которых может подразделяться еще на несколько подметодов. Основным структурным элементом является ячейка, представляющая собой по форме вытянутый пентагональный эллипсоид вращения [7].

Пенометаллы могут быть изготовлены из совершенно различных базовых материалов: никель, медь, железо, нихром, алюминий, фехраль, хромаль, нержавеющие стали и сплавы, бронзы, монель, кобальт, родий, платина, золото, серебро и другие. Данный класс материалов находит самые разнообразные применения. В то же время для широкого круга возможных потребителей они до сих пор малоизвестны [7].

Существует множество способов получения пористых металлов и, в частности, пеноалюминия. В настоящее время в мировой практике наиболее популярными являются два самостоятельных направления получения пеноалюминия: литейный метод (компания Cymat – Канада, Alcan – Канада, Norsk Hydro – Норвегия и др.) и порошковый метод (компании Fraunhofer Institute – Германия, ОАО ВИЛС – Россия и др.) [23].

Производство пенометаллов (пеноалюминия) невозможно без использования порообразователей (порофоров). В качестве порообразователей применяются: гидриды титана, бария, магния, циркония; карбонат кальция; хлорид натрия; водорастворимые наполнители и т.д.

Важнейшим способом получения пористых металлов является вспенивание с помощью специальных химических добавок, вводимых в расплав–порофоров (газообразователей).

Порофоры – это химические соединения, которые при нагревании разлагаются, выделяя газ, вспенивающий металл. На качество пенометалла влияют многие факторы, и поэтому важен правильный выбор порофора, учитывающий особенности переработки и использования материала.

Порофор должен разлагаться при температуре, близкой к температуре плавления металла, выделяя как можно больше газа. Поэтому основные технические характеристики порофора — температура его разложения и количество газа, выделяющееся при реакции. Последнее показывает сколько газа (в кубических сантиметрах) образуется при разложении 1 грамма порофора [24].

Основные порофоры, используемые для получения пенометаллов: гидрид титана (Ti ), гидрид бария (Ba ), гидрид магния ( ), гидрид циркония (Zr ), карбонат кальция ( ).

Гидрид титана – Ti , серый порошок с металлическим блеском, молекулярная масса 49,90 г, плотность 3,779 г/ температура разложения 400 – 700°C [25].

Гидрид бария – Ba , белое кристаллическое вещество, молекулярная масса 139,34 г, плотность 4,21г/ (при 20 ), температура плавления (разложения) 675 – 1000°C. Гидрид бария при нагревании плавится и разлагается [26].

Гидрид магния – , мелкий белый порошок со слабым серым окрашиванием. Молекулярная масса 26,31 г, плотность 1,419 г/ , температура разложения 400 – 500°C [27].

Гидрид циркония – Zr , хрупкий серо-черный порошок. Молекулярная масса 93,22 г. плотность 5,62г/ температура разложения 700 – 800°C [28].

Карбонат кальция (мел, мрамор, известняк).– , неорганическое химическое соединение, соль угольной кислоты и кальция. В природе встречается в виде минералов — кальцита, арагонита, является главной составной частью известняка, мела и мрамора. Твердый белый порошок, молекулярная масса 100.09 г, плотность 2,74 г/ , температура плавления кальцита − 825 °C, арагонита −1339 °C. Температура разложения карбоната кальция 600 −1100 °C. Разлагается на оксид – негашёную известь CaO, и кислотный..оксид..−..углекислый..газ С ..по..уравнению: СаО + С .. [29].

Для получения пеноалюминия можно применять практически любые алюминиевые сплавы, однако предпочтительнее сплавы с широким интервалом кристаллизации (сплавы на основе систем Al-Cu, Al-Mg, Al-Si), так как для процесса вспенивания важно, чтобы они находились в твердо – жидком состоянии. Наиболее подходящими порофорами являются порошки гидрида титана и карбоната кальция (мел, мрамор). При температуре разложения порофоров алюминиевые сплавы имеют практически нулевую прочность и выделяют газы, которые могут легко образовывать поры в твердо-жидком алюминиевом сплаве, приводя к его вспениванию с последующим фиксированием полученной структуры принудительным охлаждением [2].

В зависимости от состава сплава (от вида добавок к алюминию), от режима нагревания, а также от применения того или иного газообразующего порошка материал приобретает разную плотность, пористость, получает заданные химические характеристики [2].

Источник