رغوة معدنية

الألومنيوم الرغوي

الألومنيوم الرغوي العادي

"الرغوة المعدنية" تعبير عن هيكل خلوي يتكون من مادة صلبة معدنية (غالبًا الألومنيوم) مليئة بالغاز مسامية تشتمل على جزء كبير من الحجم. يمكن حتى تكون المسام محكمة الغلق (رغوة خلية مغلقة) أومترابطة (رغوة خلية مفتوحة). السمة المميزة للرغاوي المعدنية عالية المسامية: عادة ماقد يكون 5-25 ٪ فقط من حجم المعدن الأساسي. ترجع قوة المادة إلى قانون المكعب المربّع.

عادة ما تحتفظ الرغاوي المعدنية ببعض الخواص الفيزيائية من موادها الأساسية. تظل الرغوة المصنوعة من المعدن غير القابل للاشتعال غير قابلة للاشتعال ويمكن إعادة تدويرها عمومًا كمادة أساسية. يشبه معامل التمدد الحراري بينما التوصيل الحراري من المحتمل حتى يقل.

الخلية المفتوحة

الرغوة المعدنية ذات الخلية المفتوحة

CFD (المحاكاة العددية) لتدفق السوائل ونقل الحرارة على رغوة معدنية مفتوحة الخلية

رغوة معدنية مفتوحة الخلية ، وتسمى أيضًا الإسفنج المعدني, يمكن استخدامها في المبادلات الحرارية ( التبريد الإلكتروني المدمج ، الخزانات المبردة ، PCM المبادلات الحرارية ، امتصاص الطاقة ، وانتشار التدفق ، والبصريات خفيفة الوزن. يحد ازدياد تكلفة المواد عمومًا من استخدامها للتكنولوجيا المتقدمة والفضاء والتصنيع. تُستخدم رغاوي الخلايا المفتوحة ذات المقاييس الدقيقة ، والتي تحتوي على خلايا أصغر مما يمكن رؤيتها بدون مساعدة ، في صورة مرشح في الصناعة الكيميائية.

تستخدم الرغاوي المعدنية في المبادلات الحرارية المدمجة لزيادة نقل الحرارة على حساب الضغط المنخفضe.^[]ومع ذلك ، فإن استخدامها يسمح بتخفيض كبير في الحجم المادي وتكاليف التصنيع. تستخدم معظم نماذج هذه المواد هياكل مثالية ودورية أوخواص مجهرية متوسطة.

يحتوي الإسفنج المعدني على مساحة كبيرة جدًا لكل وحدة وزن ومحفزات كيميائية غالبًا ما يتم تشكيلها في إسفنج معدني ، مثل پلاديوم الأسود ، الإسفنج العائم ، والنيكل الاسفنجي. تسمى المعادن مثل الأوسميوم وهيدريد الپلاديوم يسمى "الإسفنج المعدني" ، ولكن هذا المصطلح يشير إلى خواصهم المرتبطة بالهيدروجين ، وليس البنية الفيزيائية.

التصنيع

يتم تصنيع رغاوي الخلية المفتوحة بواسطة مسبكات أومسحوق المعادن. في طريقة المسحوق ، يتم استخدام "حاملات الفضاء" ؛ كما يوحي اسمها ، فإنها تشغل المسام والقنوات. في عمليات الصب ، يتم صب الرغوة بهيكل مفتوح الپولي يوريثين.

الخلية المغلقة

تم تم الإعلان عن الرغوة المعدنية مغلقة الخلية في عام 1926 من قبل ميلر في براءة اختراع فرنسية حيث اقترح رغوة المعادن الخفيفة ، إما عن طريق الحقن بالغاز الخامل أوعامل النفخ ،. نال بنيامين سوسنيك في عام 1948 وعام 1951 براءتي اختراع على المعدنين الشبيهين بالإسفنجة الذين استخدموا بخار الزئبق لتفجير الألومنيوم السائل.

تم تطوير الرغاوي المعدنية مغلقة الخلايا في عام 1956 بواسطة جون سي إليوت في مختبرات بيوركستين للأبحاث. على الرغم من حتى النماذج الأولية الأولى كانت متاحة في الخمسينيات ، إلا حتى الإنتاج التجاري بدأ في التسعينات من قبل شركة شنكوواير في اليابان. تستخدم الرغاوي المعدنية ذات الخلايا المغلقة في المقام الأول كمواد ممتصة للصدمات ، على غرار رغوات الپوليمر الموجودة في خوذة الدراجات ولكن للأحمال ذات التأثير العالي. على عكس الكثير من رغاوي الپوليمرات ، تظل الرغاوي المعدنية مشوهة بعد الاصطدام وبالتالي لا يمكن تشويهها إلا مرة واحدة. إنها خفيفة (عادة 10-25 ٪ من كثافة سبيكة غير مسامية متطابقة ؛ عادة ما تكون من الألومنيوم) و صلبة وكثيراً ما تُقترح كمواد هيكلية خفيفة الوزن. ومع ذلك ، لم يتم استخدامها على نطاق واسع لهذا الغرض. تحافظ الرغاوي ذات الخلايا المغلقة على مقاومة الحريق وإمكانات إعادة التدوير الخاصة بالرغاوي المعدنية الأخرى ، ولكنها تضيف خاصية التعويم في الماء.

التصنيع

تصنع الرغاوي عادة عن طريق حقن غاز أوخلط عامل رغوة في منصهر معدني. يمكن حتى يذوب الرغوة عن طريق تشكيل فقاعات الغاز في المواد. في العادة ، تكون الفقاعات في المعدن المنصهر مرتفعة للغاية في السائل عالي الكثافة وترتفع بسرعة إلى السطح. يمكن تبطيء هذا الارتفاع عن طريق زيادة لزوجة المعدن المنصهر عن طريق إضافة مساحيق السيراميك أوعناصر السبائك لتشكيل جزيئات مثبتة في الذوبان ، أوبوسائل أخرى. يمكن صهر الرغوات المعدنية بإحدى الطرق الثلاث التالية:

عن طريق حقن الغاز في المعدن السائل من مصدر خارجي ؛
عن طريق التسبب في تكوين الغاز في السائل عن طريق خلط عوامل النفث الغازية المنبعثة من المعدن المنصهر ؛
عن طريق التسبب في تساقط الغاز الذي تجاوز إذابته في المعدن المنصهر.لتحقيق الاستقرار في فقاعات المعدن المنصهر ، هناك حاجة إلى عوامل رغوة عالية الحرارة (جزيئات صلبة بحجم نانوأوميكرومتر). حجم المسامات, أوالخلايا, عادة ماقد يكون 1 إلى 8 mm. عند استخدام عوامل الرغوة أوالنفخ ، يتم خلطها مع المعدن المسحوق قبل ذوبانه. هذا ما يسمى "طريقة مسحوق" الرغوة ، وربماقد يكون الأكثر ثباتاً (من الناحية الصناعية). بعد المعادن (مثل الألومنيوم) المساحيق وعامل الرغوة (مثل.) التي تم خلطها ، يتم ضغطها في قوالب مدمجة صلبة ، والتي يمكن حتى تكون متاحة في شكل ورقة ، أوسلك. يمكن حتى يتم إنتاج القوالب من خلال مجموعة من عمليات تشكيل المواد ، مثل ضغط المسحوق,extrusion (direct أوجعله مطابقاً) ومسطحة دوارة.

المركبات

تتشكل الرغوة المعدنية المركبة (CMF) من بتر صغيرة مجوفة من معدن داخل مصفوفة صلبة أخرى ، مثل الصلب داخل الألمنيوم ، وتبين قوة أكبر بنسبةخمسة إلىستة أضعاف لنسبة الكثافة وامتصاص طاقة أكثر منسبعة أضعاف من الرغاوي المعدنية السابقة.

تتميز الصفيحة التي يقل سمكها عن بوصة واحدة بوجود مقاومة كافية لتحويل .30-06 سپرنگفيلد [إصدار قياسي M2 رصاصة خارقة للدروع إلى الغبار. تفوقت لوحة الاختبار على لوحة معدنية صلبة ذات سمك مماثل ، بينما كان وزنها أقل بكثير. تضم التطبيقات المحتملة الأخرى النفايات النووية (التدريع أشعة سينية ، [أشعة گاما]] وإشعاع نيوترون) والعزل الحراري لعودة المركبة الفضائية للغلاف الجوي ، مع ضعف مقاومة للنار والحرارة منها للمعادن العادية.

يمكن لـ CMF استبدال الدروع الفولاذية بنفس الحماية لثلث الوزن. يمكن حتى تسد الشظايا وأمواج الصدمة المسؤولة عن إصابات الدماغ. يمكن لـ CMF الفولاذ المقاوم للصدأ حتى تمنع ضغط الانفجار والتفتت بسرعة 5000 قدم في الثانية من إحراق شديدة الانفجار (HEI) المنفجر ببعد 18 بوصة من الدرع. ألواح الصلب CMF (9.5 mm أو16.75 mm كسماكة) التي وضعت ببعد 18 بوصة من لوحة التصويب التي حملت ضد موجة ضغط الانفجار وضد شظايا النحاس والصلب التي أنشأتها حوالي 23×152 mm HEI (كما في الأسلحة المضادة للطائرات) بالإضافة إلى صفيحة ألمنيوم قياس 2.3 ملم.

الرغوة العشوائية والعادية

العشوائية

يُنطق حتى الرغوة تكون عشوائية عندماقد يكون توزيع المسامية عشوائيًا. معظم الرغاوي عشوائية بسبب كيفية التصنيع:

رغوة من السائل أوالصلبة (مسحوق) المعدنية
ترسيب البخار (CVD على مصفوفة عشوائية)
صب عشوائي مباشر أوغير مباشر من نطقب يحتوي على بتر صغيرة أومصفوفة

العادية

عملية تصنيع رغوة معدنية منتظمة عن طريق الصب المباشر ، عملية CTIF

وينطق حتى رغوة منتظمة عندما يتم ترتيب الهيكل. الصب المباشر هي واحدة من التكنولوجيا التي تنتج الرغاوي العادية مع مسامات مفتوحة. يمكن أيضًا إنتاج الرغاوي المعدنية من خلال عمليات مضافة مثل التذويب بالليزر الانتقائي (SLM).

يمكن استعمال الألواح كقوالب الصب. يتم تخصيص الشكل لكل تطبيق. تمنح كيفية التصنيع هذه بالحصول على رغوة "مثالية" ، والتي يطلق عليها كذلك لأنها تحقق قوانين پلاتووتشكل مسامًا على شكل خلية كلڤن ذات ثماني سطوح مشذبة (بنية مكعبة مركزية).

خلية كلڤن (على غرار بنية واير فيلان)

معرض الرغاوي العادية

حوض حراري مع رغوة النحاس
صندوق تحطم مع رغوة الألومنيوم
رغوة الألومنيوم مع مسامية كبيرة
رغوة الألومنيوم مع ورقة الألومنيوم
رأس - رغوة معدنية للصلب

التطبيقات

التصميم

يمكن استعمال الرغوة المعدنية في الإنتاج أوالتكوين المعماري.

معرض التصميمات

رغوة معدنية عن طريق الآلة
تصميم غرفة التبريد مع رغوة عادية
طاولة القهوة مع الألومنيوم ذوالمسامات الكبيرة

الميكانيكية

طب العظام

تم استخدام الفوم المعدني في حيوانات التجارب الأطراف الصناعية. في هذا التطبيق ، يتم حفر ثقب في العظام ويتم إدخال الرغوة المعدنية ، مما يجعل العظم ينموفي المعدن من أجل تقاطع دائم. بالنسبة للتطبيقات العظمية ، تعد رغوات التنتالوم أوالتيتانيوم شائعة بسبب قوتها في الشد ، ومقاومة التآكل والتوافق الحيوي. فقد حصلت الأرجل الخلفية لـ كلب سيبيريا الاسكيموالمسمى تريمف على أطراف صناعية من الرغوة. أظهرت دراسات الثدييات حتى المعادن التي يسهل اختراقها ، مثل رغوة التيتانيوم ، قد تسمح للأوعية الدموية بالعبور داخل المنطقة التي يسهل اختراقها.

يستخدم مصنعوالأجهزة العظمية بناء الرغوة أوالطلاء بالرغوة المعدنية لتحقيق المستويات المطلوبة من الاندماج العظمي.

مركبات ذاتية الحركة

تتمثل الوظائف الرئيسية للرغاوي المعدنية في المركبات في زيادة تخفيف الصوت ، وتقليل الوزن ، وزيادة امتصاص الطاقة في حالة حدوث أعطال ، و(في التطبيقات العسكرية) لمقاومة قوة الارتجاج لـ العبوات الناسفة . على سبيل المثال ، يمكن استعمال الأنابيب المملوءة برغوة ك شرائط مانعة للتسرب. بسبب كثافتها المنخفضة (0.4–0.9 g/cm³), تم وضع رغاوي الألومنيوم وسبائك الألومنيوم بعين الاعتبار بشكل خاص. لأن هذه الرغاوي صلبة ، مقاومة للحريق ، غير سامة ، قابلة لإعادة التدوير ، ماصة للطاقة ، أقل موصلة حرارياً ، أقل نفاذية مغناطيسية ، ومرطبة بشكل أكثر كفاءة ، خاصة عند مقارنتها بالأجزاء المجوفة. الرغوة المعدنية في أجزاء السيارة المجوفة تقلل نقاط الضعف المرتبطة عادةً بحوادث السيارات والاهتزازات . هذه الرغاوي غير مكلفة للصب مع مسحوق المعادن ، مقارنة مع صب أجزاء أخرى مجوفة. مقارنةً برغاوي الپوليمر في المركبات ، تكون الرغاوي المعدنية أكثر صلابة وأقوى وأكثر قدرة على امتصاص الطاقة ومقاومة للحرائق ومخاطر الطقس والأشعة فوق البنفسجية والرطوبة وتغير درجات الحرارة. ومع ذلك ، فهي أثقل وأكثر تكلفة وغير عازلة.

تم تطبيق تقنية الرغوة المعدنية على غاز العادم. مقارنةً بـ المحول المحفز الذي يستخدم سيراميك معدن cordierite كركيزة ، توفر الركيزة المعدنية الرغوية نقل أفضل للحرارة وتُظهر خصائص نقل جماعي ممتازة عند (الارتفاع العالي) وقد تقلل من كمية الپلاتين المحفز المطلوب.

امتصاص الطاقة

رسم بياني لتحطم الألومنيوم

تستخدم الرغاوي المعدنية لتصليب هيكل ما دون زيادة كتلته. لهذا التطبيق ، يتم إغلاق المسام المعدنية بشكل عام وتصنيعها من الألومنيوم. يتم لصق ألواح الرغوة على لوحة الألمنيوم للحصول على شطيرة مركبة مقاومة محلياً (بسماكة الورقة) وجامدة على طوله حسب سماكة الرغوة. ميزة الرغاوي المعدنية هي حتى تفاعلها ثابت ، بغض النظر عن اتجاه القوة. تتشكل لديها ازدياد صغير من الإجهاد بعد تشوه ثابت عند تعرضها لما يصل إلى 80 ٪ من التكسير.

الحرارية

التوصيل الحراري في هيكل الرغوة المعدنية العادية

التحويل الحراري في هيكل الرغوة المعدنية العادية

عن تيان وآخرون. حيث قاموبتصنيف الكثير من المعايير لتقييم رغوة في مبادل حراري. توضح المقارنة بين الرغاوي المعدنية ذات الأداء الحراري والمواد المستخدمة تقليديًا في تكثيف التبادل (الريش ، الأسطح المزدوجة ، قاع الكريات الصغيرة) أولاً حتى خسائر الضغط الناتجة عن الرغاوي أكثر أهمية بكثير من الريش التقليدية ، لكنها أقل بكثير من تلك من الكريات الصغيرة. تكون معاملات التبادل قريبة من القواعد والكرة وفوق الشفرات.

تقدم الرغوة ميزات حرارية وميكانيكية أخرى:

كتلة منخفضة جداً (الكثافة 5-25 ٪ من الكتلة الصلبة اعتماداً على كيفية التصنيع)
سطح تبادل كبير (250–10000 m²/m³)
نفاذية عالية نسبياً
الموصلية الحرارية عالية نسبياً (5–30 W/(mK))
مقاومة جيدة للصدمات الحرارية ، الضغوط العالية ، درجات الحرارة العالية ، الرطوبة ، التآكل والألبسة الحرارية للدراجات
امتصاص جيد للصدمات الميكانيكية والصوت
يمكن التحكم في حجم المسام والمسامية من قبل الشركة المصنعة

إن ترويج المبادلات الحرارية المدمجة القائمة على الرغوة الأحواض الحرارية وامتصاص الصدمات محدود بسبب التكلفة العالية لتكرار تصنيع الرغوات. حيث لا تتميز مقاومتها الطويلة الأمد للتلوث والصدأ والتآكل بدرجة كافية. من وجهة نظر التصنيع ، يحتاج الانتنطق إلى تكنولوجيا الرغوة تقنيات إنتاج وتجميع جديدة وتصميم مبادلات حرارية.

انظر أيضاً

Porous medium
Ceramic foam
Nanofoam
Reticulated foam
Aluminum polymer composite
Aluminium foam sandwich
Titanium foam

المراجع

^ Compare Materials: Cast Aluminium and Aluminium Foam Archived 2010-04-30 at the Wayback Machine.. Makeitfrom.com. Retrieved on 2011-11-19.
^ John Banhart. "What are cellular metals and metal foams?" Archived 2010-12-29 at the Wayback Machine..
^ Topin, F.; Bonnet, J. -P.; Madani, B.; Tadrist, L. (2006). "Experimental Analysis of Multiphase Flow in Metallic foam: Flow Laws, Heat Transfer and Convective Boiling". Advanced Engineering Materials. 8 (9): 890. doi:10.1002/adem.200600102.
^ Banhart, J. (2001). "Manufacture, Characterization and application of cellular metals and metal foams". Progress in Materials Science. 46 (6): 559–632. doi:10.1016/S0079-6425(00)00002-5.
^ DeGroot, C.T., Straatman, A.G., and Betchen, L.J. (2009). "Modeling forced convection in finned metal foam heat sinks". J. Electron. Packag. 131 (2): 021001. doi:10.1115/1.3103934.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ Ralph Wolf; Khalid Mansour. "The Amazing Metal Sponge: Soaking Up Hydrogen" Archived 2015-11-16 at the Wayback Machine.. 1995.
^ De Meller, M.A. French Patent 615,147 (1926).
^ Sosnick, B. U.S. Patent 2٬434٬775 (1948).
^ Sosnick, B. U.S. Patent 2٬553٬016 (1951).
^ Banhart, John (2000). "Manufacturing Routes for Metallic Foams". JOM. Minerals, Metals & Materials Society. 52 (12): 22–27. Bibcode:2000JOM....52l..22B. doi:10.1007/s11837-000-0062-8. Archived from the original on 2012-01-01. Retrieved 2012-01-20.
^ Bonaccorsi, L.; Proverbio, E. (1 September 2006). "Powder Compaction Effect on Foaming Behavior of Uni-Axial Pressed PM Precursors". Advanced Engineering Materials. 8 (9): 864–869. doi:10.1002/adem.200600082.
^ Shiomi, M.; Imagama, S.; Osakada, K.; Matsumoto, R. (2010). "Fabrication of aluminium foams from powder by hot extrusion and foaming". Journal of Materials Processing Technology. 210 (9): 1203–1208. doi:10.1016/j.jmatprotec.2010.03.006.
^ Dunand, [editors] Louis Philippe Lefebvre, John Banhart, David C. (2008). MetFoam 2007 : porous metals and metallic foams : proceedings of the fifth International Conference on Porous Metals and Metallic Foams, September 5–7, 2007, Montreal Canada. Lancaster, Pa.: DEStech Publications Inc. pp. 7–10. ISBN .CS1 maint: extra text: authors list (link)
^ Strano, M.; Pourhassan, R.; Mussi, V. (2013). "The effect of cold rolling on the foaming efficiency of aluminium precursors". Journal of Manufacturing Processes. 15 (2): 227. doi:10.1016/j.jmapro.2012.12.006.
^ Urweb:High Performance Composite Metal Foam. Archived 2013-12-12 at the Wayback Machine. Retrieved on 2013-12-10.
^ MICU, ALEXANDRU (April 6, 2016). "Composite metal foam better at stopping bullets than solid plates". ZME Science (in الإنجليزية). Archived from the original on April 10, 2016. Retrieved 2016-04-09.
^ Wang, Brian (2018-04-24). "Composite metal foams provide armor protection for one third the weight and make super car bumpers | NextBigFuture.com". NextBigFuture.com (in الإنجليزية). Retrieved 2018-05-24.
^ Recherche sur la production de pièces de fonderie en mousse métallique – Recherche en fonderie : les mousses métalliques Archived 2013-10-29 at the Wayback Machine.. Ctif.com. Retrieved on 2013-12-03.
^ ALVEOTEC – Innovation Archived 2014-07-30 at the Wayback Machine.. Alveotec.fr/en. Retrieved on 2013-12-03.
^ "ALVEOTEC - Actualités - video : making process of aluminium foam". Archived from the original on 2014-07-30.
^ ALVEOTEC - Actualités - LOUPI Lighing launches his new metal foam heatsink for lighting application_66.html Archived 2014-07-30 at the Wayback Machine.. Alveotec.fr. Retrieved on 2013-12-03.
^ Osseointegration with Titanium Foam in Rabbit Femur Archived 2016-04-18 at the Wayback Machine., YouTube
^ Titanium coatings on Orthopedic Devices Archived 2016-03-13 at the Wayback Machine.. Youtube
^ Biomet Orthopedics, Regenerex® Porous Titanium Construct Archived 2011-09-28 at the Wayback Machine.
^ Zimmer Orthopedics, Trabeluar Metal Technology Archived 2011-07-18 at the Wayback Machine.
^ Zimmer CSTiTM (Cancellous-Structured Titanium TM) Porous Coating Archived 2011-07-18 at the Wayback Machine.
^ Strano, Matteo (2011). "A New FEM Approach for Simulation of Metal Foam Filled Tubes". Journal of Manufacturing Science and Engineering. 133 (6): 061003. doi:10.1115/1.4005354.
^ New Concept for Design of Lightweight Automotive Components Archived 2012-03-24 at the Wayback Machine.. (PDF) . Retrieved on 2013-12-03.
^ Alantum Innovations in Alloy Foam: Home Archived 2010-02-17 at the Wayback Machine.. Alantum.com. Retrieved on 2011-11-19.
^ Development of Metal Foam Based Aftertreatment on a Diesel Passenger Car – Virtual Conference Center^[]. Vcc-sae.org. Retrieved on 2011-11-19.
^ Banhart, John; Dunand, David C. (2008). (in الإنجليزية). DEStech Publications, Inc. ISBN .
^ ALVEOTEC – Actualités – Examples of metal foam applications. Archived 2014-07-30 at the Wayback Machine. Alveotec.fr. Retrieved on 2013-12-03.
^ Tian, J.; Kim, T.; Lu, T. J.; Hodson, H. P.; Queheillalt, D. T.; Sypeck, D. J.; Wadley, H. N. G. (2004). "The effects of topology upon fluid-flow and heat-transfer within cellular copper structures" (PDF). International Journal of Heat and Mass Transfer. 47 (14–16): 3171. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.02.010. Archived (PDF) from the original on 2016-03-03.
^ Miscevic, M. (1997). Etude de l'intensification des transferts thermiques par des structures poreuses: Application aux échangeurs compacts et au refroidissement diphasique. IUSTI. Marseille., Université de Provence
^ Catillon, S., C. Louis, et al. (2005). Utilisation de mousses métalliques dans un réformeur catalytique du méthanol pour la production de H2. GECAT, La Rochelle.

روابط خارجية

Video : Aluminium regular foam: Crash box test
Video : How regular foams are made
NASA Fact sheet FS-2003-09-117-MSFC — Viscous Liquid Foam and Bulk Metallic Glass (Foam)
How to Make an Aluminium Metal Foam at YouTube
Fischer, S. F.; Thielen, M.; Weiß, P.; Seidel, R.; Speck, T.; Bührig-Polaczek, A.; Bünck, M. (2013). "Production and properties of a precision-cast bio-inspired composite". Journal of Materials Science. 49: 43–51. doi:10.1007/s10853-013-7878-4.
Bullet destruction video at YouTube