Что такое металлическая пена
Металлические пены способны экранировать различные типы излучений и даже останавливать бронебойные пули
Металлическая пена
Композитные металлические пены (CMF) являются достаточно прочными, чтобы остановить бронебойную пулю и при ударе превратить ее в пыль. Учитывая, что эти пенопласты легче металлической обшивки, материал имеет очевидные преимущества для создания новых типов кузова и автомобильной брони — и это только начало его потенциального использования, сообщает phys.org.
Эксперимент был проведен исследователями из университета Северной Каролины под руководством Авсане Рабиэйи, профессора авиа- и ракетостроения, который потратил годы на разработку и исследование необычных свойств CMF. Сам материал композитный пенометалл, в котором средний слой — пенометалл (поглотитель энергии из полых металлических шариков на металлической же подложке), а крайний слой изготовлен из керамики. На видео ученые выстрелили бронебойной пулей калибра 7,62 мм в изделие из данного композита и результат впечатляет:
«Мы смогли остановить пулю материалом толщиной менее 2,5 см, при этом углубление в месте попадания пули оказалось глубиной менее 8 мм. Для примера по стандартам Национального института юстиции броня считается хорошей, даже если после попадания в ней остается выемка в 44 мм», говорит Рабиэйи.
Также легкие композитные металлические пены эффективны при блокировании рентгеновских, гамма-лучей и нейтронного излучения. Полученные результаты означают, что металлические пены перспективны для использования в системах ядерной безопасности, космонавтике, а также могут найти применение в медицине.
Материал по своим свойствам оказался лучше, чем большинство других в плане защиты от рентгеновского излучения, хотя и не столь эффективным, как свинец.
«Тем не менее, мы работаем, изменяя состав металлической пены, чтобы она стала еще более эффективной, чем свинец в блокировании рентгеновских лучей, и первые полученные результаты весьма многообещающие», говорит Рабиэйи. «Наши пены не токсичны, а значит, проще в изготовлении и утилизации. Кроме того, необычные механические и тепловые свойства данных композитов и их возможности в поглощении энергии, делают этот материал хорошим кандидатом для применения в сфере ядерной энергетики».
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.
Свойства металлической пены
Развитие современных технологий позволило модифицировать такой традиционный материал, как металл, что привело к появлению металлической пены – структуры, которая на 75-95% состоит из наполненных газом пор. При создании пены (пеноникеля) ученые ориентировались на особенности костной ткани – уникального биологического материала, который чрезвычайно устойчив к сжатию, сопротивлению и при этом может долго противостоять разрушению.
Пеноникель отличает удивительно малый вес – некоторые виды металлической пены способны плавать на поверхности воды. Пену можно обрабатывать, используя обычные техники, например, электроды сварочные, и применять в различных производственных отраслях. Металлическая пена отличается высокой механической прочностью, термической и химической стойкостью, развитой удельной поверхностью, низким гидравлическим сопротивлением и оптимальной жесткостью. Материал пластичен и технологичен, он легко поддается практически всем видам механической обработки, что позволяет производить из него изделия любой геометрической конфигурации.
Недавно ученые из Северной Каролины создали новый, сверхпрочный, вид металлической пены, которая имеет способность сжиматься до 80% от своего размера под воздействием веса, сохраняя при этом первоначальную форму и прочность. Детали из данного материала легко соединяет между собой как изолента хб, так и любые виды сварки. Эти особенности новой металлической пены позволят применять ее в самых разных сферах, но наиболее перспективным считается использование пены в машино- и автомобилестроении. Применение металлической пены в качестве элементов боковой и лобовой обшивки железнодорожных вагонов и кузовов автомобилей позволит максимально поглощать энергию ударов при столкновениях, что сделает транспорт практически полностью безопасным для людей.
Металл идеален для строительства зданий в сейсмоопасных регионах. Прочная и эластичная пена в конструкции будет предохранять строения от разрушений при толчках силой свыше 10 баллов. Также планируется активное применение металлической пены в ракетостроении и космических технологиях, то есть в сферах, где огромное значение имеет минимизация массы.
По материалам сайта www.kirelis.ru
Добавлено 27.07.2010; просмотров: 2511
Новые статьи раздела Рекламные статьи и обзоры
Металлическая пена
Содержание
Открытая ячейка [ править ]
Мелкодисперсные пенопласты с открытыми порами, с ячейками меньше, чем можно увидеть без посторонней помощи, используются в качестве высокотемпературных фильтров в химической промышленности.
Металлическая пена используется в компактных теплообменниках для увеличения теплопередачи за счет пониженного давления. [3] [4] [5] [ требуется пояснение ] Однако их использование позволяет существенно снизить физические размеры и стоимость изготовления. В большинстве моделей этих материалов используются идеализированные и периодические структуры или усредненные макроскопические свойства.
Производство [ править ]
Закрытая ячейка [ править ]
Металлические пены с закрытыми ячейками были разработаны в 1956 году Джоном К. Эллиоттом из Bjorksten Research Laboratories. Хотя первые прототипы были доступны в 1950-х годах, коммерческое производство началось в 1990-х годах компанией Shinko Wire в Японии. Металлическая пена с закрытыми порами в основном используется в качестве амортизирующего материала, как и полимерная пена в велосипедном шлеме, но для более высоких ударных нагрузок. В отличие от многих полимерных пен, металлические пены остаются деформированными после удара и поэтому могут быть деформированы только один раз. Они легкие (обычно 10–25% плотности идентичного непористого сплава; обычно сплава алюминия) и жесткие и часто предлагаются в качестве легкого конструкционного материала. Однако они не получили широкого распространения для этой цели.
Пенопласты с закрытыми порами сохраняют огнестойкость и способность рециркуляции других металлических пен, но добавляют свойство флотации в воде.
Производство [ править ]
Пены обычно получают путем нагнетания газа или смешивания пенообразователя с расплавленным металлом. [10] Расплавы могут вспениваться за счет образования пузырьков газа в материале. Обычно пузырьки в расплавленном металле обладают высокой плавучестью в жидкости высокой плотности и быстро поднимаются на поверхность. Это повышение можно замедлить, увеличивая вязкость расплавленного металла, добавляя керамические порошки или легирующие элементы для образования стабилизирующих частиц в расплаве или другими способами. Металлические расплавы можно вспенивать одним из трех способов:
Композиты [ править ]
Композитная металлическая пена (CMF) формируется из полых валиков одного металла в твердой матрице другого, такого как сталь в алюминии, демонстрирует в 5-6 раз большее отношение прочности к плотности и более чем в 7 раз большее поглощение энергии, чем предыдущие металлические пены. [15]
CMF может заменить катаную стальную броню такой же защитой на треть веса. Он может блокировать осколки и ударные волны, вызывающие травмы головного мозга. CMF из нержавеющей стали может блокировать давление взрыва и осколки на скорости 5000 футов в секунду от фугасных зажигательных снарядов (HEI), которые взрываются в 18 дюймах от щита. Стальные пластины CMF (толщиной 9,5 мм или 16,75 мм) были размещены в 18 дюймах от ударной пластины, удерживаемой против волны давления взрыва и против медных и стальных осколков, создаваемых выстрелом HEI 23 × 152 мм (как в зенитном оружии ). а также алюминиевую ответную планку 2,3 мм. [19]
Стохастические и обычные пены [ править ]
Стохастик [ править ]
Пена считается стохастической, если распределение пористости является случайным. Большинство пен являются стохастическими из-за метода производства:
Обычный [ править ]
Плиты можно использовать в качестве литейных стержней. Форма настраивается для каждого приложения. Этот метод производства позволяет получать «идеальную» пену, так называемую, потому что она удовлетворяет законам Плато и имеет проводящие поры формы усеченного октаэдра ячейки Кельвина ( объемно-центрированная кубическая структура).
Металлическая пена
СОДЕРЖАНИЕ
Открытая ячейка [ править ]
Мелкодисперсные пенопласты с открытыми порами, с ячейками меньше, чем можно увидеть без посторонней помощи, используются в качестве высокотемпературных фильтров в химической промышленности.
Металлическая пена используется в компактных теплообменниках для увеличения теплопередачи за счет пониженного давления. [3] [4] [5] [ требуется пояснение ] Однако их использование позволяет существенно снизить физические размеры и стоимость изготовления. В большинстве моделей этих материалов используются идеализированные и периодические структуры или усредненные макроскопические свойства.
Производство [ править ]
Закрытая ячейка [ править ]
Металлические пены с закрытыми ячейками были разработаны в 1956 году Джоном К. Эллиоттом из Bjorksten Research Laboratories. Хотя первые прототипы были доступны в 1950-х годах, коммерческое производство началось в 1990-х годах компанией Shinko Wire в Японии. Металлическая пена с закрытыми порами в основном используется в качестве амортизирующего материала, как и полимерная пена в велосипедном шлеме, но для более высоких ударных нагрузок. В отличие от многих полимерных пен, металлические пены остаются деформированными после удара и поэтому могут быть деформированы только один раз. Они легкие (обычно 10–25% плотности идентичного непористого сплава; обычно сплава алюминия) и жесткие и часто предлагаются в качестве легкого конструкционного материала. Однако они не получили широкого распространения для этой цели.
Пенопласты с закрытыми порами сохраняют огнестойкость и способность рециркуляции других металлических пен, но добавляют свойство флотации в воде.
Производство [ править ]
Пены обычно получают путем нагнетания газа или смешивания пенообразователя с расплавленным металлом. [10] Расплавы могут вспениваться за счет образования пузырьков газа в материале. Обычно пузырьки в расплавленном металле обладают высокой плавучестью в жидкости высокой плотности и быстро поднимаются на поверхность. Это повышение можно замедлить путем увеличения вязкости расплавленного металла путем добавления керамических порошков или легирующих элементов для образования стабилизирующих частиц в расплаве или другими способами. Металлические расплавы можно вспенивать одним из трех способов:
Композиты [ править ]
Композитная металлическая пена (CMF) формируется из полых валиков одного металла в твердой матрице другого, такого как сталь в алюминии, демонстрирует в 5-6 раз большее отношение прочности к плотности и более чем в 7 раз большее поглощение энергии, чем предыдущие металлические пены. [15]
CMF может заменить катаную стальную броню такой же защитой на треть веса. Он может блокировать осколки и ударные волны, вызывающие травмы головного мозга. CMF из нержавеющей стали может блокировать давление взрыва и осколки на скорости 5000 футов в секунду от фугасных зажигательных снарядов (HEI), которые взрываются в 18 дюймах от щита. Стальные пластины CMF (толщиной 9,5 мм или 16,75 мм) были размещены в 18 дюймах от ударной пластины, удерживаемой против волны давления взрыва и против медных и стальных осколков, создаваемых выстрелом HEI 23 × 152 мм (как в зенитном оружии ). а также алюминиевую ответную планку толщиной 2,3 мм. [19]
Стохастические и обычные пены [ править ]
Стохастик [ править ]
Пена считается стохастической, если распределение пористости является случайным. Большинство пен являются стохастическими из-за метода производства:
Обычный [ править ]
Плиты можно использовать в качестве литейных стержней. Форма настраивается для каждого приложения. Этот метод производства позволяет получать «идеальную» пену, так называемую, потому что она удовлетворяет законам Плато и имеет проводящие поры формы усеченного октаэдра ячейки Кельвина ( объемно-центрированная кубическая структура).