多孔金属和金属泡沫——寻找多洞的圣杯

大自然的多孔材料、骨头、珊瑚和软亚博网站下载木塞,是坚强和轻型结构的代名词。由生产一个家庭的前景的材料具有独特的组合性质,材料科学家和工程师们跟随自然和过去20年发展中多孔亚博网站下载金属和金属泡沫材料从实验室好奇心商业组件。

金属结构包含大量分数(通常是75 - 95%)孔隙度通常分为两个不同的类别。那些关闭,充气毛孔(通常被称为泡沫,因为发泡过程中,就像将泡沫放入啤酒,是必需的)有很好的强度和主要用于结构的应用程序(例如重量节约和impact-absorbing结构车辆)。那些开放的,连接细胞(像海绵一样,通常称为多孔金属)主要用于应用程序的连续孔隙度的本质是利用(例如,振动和吸声,过滤和催化的高温,热交换和医疗器械)。

有很多不同的方法来生产多孔金属和金属泡沫。多孔金属可以通过开放聚合物泡沫细胞的复制模板(例如通过PVD或电镀)、压实和烧结金属粉末,牺牲空间填充(也称为porogen)合并,然后被解散或热分解,或建立层层使用选择性激光烧结等过程。

而掌握这些过程远非琐碎,最终产品的结构(孔隙大小和体积分数)是可预测的,由聚合物模板的几何定义,大小和添加porogen水平或CAD模型。图1显示的示例多孔金属结构由复制过程使用氯化钠珠子porogens Al和聚合物泡沫涂在不锈钢的模板。生产或复制的能力统一的结构,一部分一部分后,导致产品可再生的和可预测的物理和机械性能,因此,可靠的在职表现。与大多数多孔金属被用于隔热、隔音、催化、过滤和生物医学应用,机械性能好,重量轻通常是次要的。研究主要小说的几何优化泡沫和涂层方法提高电气、热、生物或催化反应。

图1所示。多孔的例子(打开细胞)金属结构由复制过程使用(左)氯化钠珠子作为porogens(右)和艾尔聚合物泡沫涂在不锈钢的模板

制造金属泡沫是截然不同的。根据定义,一个发泡过程需要的地方。首选路线涉及冒泡气体通过熔融金属或化合物(氢化物或碳酸盐),加热后分解形成气泡在液态金属或半固态颗粒。这些过程随机产生泡沫(或毛孔)可以改变大小和形状在泡沫时期。由此产生的泡沫,就像一颗新倒啤酒或蛋奶酥直接从烤箱,不稳定和毛孔破裂合并在细胞壁耗尽时,液体在重力的影响下。这些过程导致不规则孔隙结构和不可避免的是,泡沫的崩溃。横截面的两个铝泡沫,一个与粗糙,不规则封闭毛孔和其他好,球形孔如图2所示。这些例子是泡沫由成立的分解氢化钛粉,搅拌,到熔融铝。

图2。横截面的两个铝泡沫对比封闭孔隙结构(左)显示粗毛孔和不规则和(右)显示细和球形毛孔

建立了发泡过程,研究在学术界和产业界也把重点放在消除问题,否则将限制这些材料的广泛使用。亚博网站下载主要重点是改善泡沫结构的一致性和再现性,旨在实现,容易获得的多孔金属,均匀的孔隙大小和密度在整个组件和类似的泡沫结构部分的部分。产生泡沫,稳定结构(他们的泡沫密度和结构随时间变化很小)是至关重要的实现这一目标,需要了解泡沫形成的机制和过程驱动的崩溃。

我们理解的形成、生命和水泡沫衰变很好,得益于这些材料的透明的性质和结果易于被研究。亚博网站下载不同液体的物理性质的影响(例如粘度和表面张力),表面活性剂的使用,或精细的引入,固体颗粒改善稳定性是良好的,这已被翻译练习金属泡沫系统,与不同程度的成功。yabo214

希望能够研究金属泡沫水同行一样导致使用x射线x光透视和3 d断层,除了强大的工具来描述泡沫结构和缺陷的大小和位置和固体稳定阶段非破坏性的方式,可以用来监测,实时,这些材料的构造演化经常(使用同步加速器设施)在高分辨率甚至在微重力下。亚博网站下载这些技术有见解;发泡剂的分解行为,气泡的成核,泡沫结构的进化,孔的位置和频率破裂事件和粗化过程中重力的作用。图3显示了选择拍摄的图像来自一系列二维x射线放射镜的图片收集发泡过程中两个不同的铝合金颗粒含有氢化钛粒子发气。yabo214在这个例子中它显示了好处(在较低的一系列图像)的合金提高泡沫稳定性和减少崩溃。

图3。为泡沫铝2 d x射线放射镜的图片,显示的好处(在较低的一系列图像)的合金来提高泡沫稳定性。

多孔金属和金属泡沫和多学科的研究是具有挑战性的,需要开发新的和创新的测量、描述、建模和测试方法。情况仍将是很多年了,还有很多东西要学习processing-structure-property对现有系统的关系,更不用说那些利益的增长(例如,镁合金高温金属互化物,形状记忆合金,大部分金属玻璃和超塑性合金)。研究进展发展,所面临的挑战是确保生产路线能够生产零部件所需的精度和尺寸匹配的应用程序中,各个部分所需的数量和尽可能经济。

尽管有许多商业成功的例子,多孔泡沫金属和金属组件服务,这些材料成为高分子同行一样坚定,他们的个人资料需要增加在更广泛的社区工程。亚博网站下载中央是利用这些材料的多功能化,不仅节省重量的结构设计部分,取代同比,但利用多孔金属结构提供的其他福利,如冲击,振动和吸声和电磁亚博网站下载屏蔽,可以使用一个多孔金属或金属泡沫结构代替几个材料组装。这种方法的好处需要确认通过令人信服的案例研究基于创新设计、仿真和测试证明给终端用户,尽管价格上涨对多孔金属和金属泡沫相比,单片金属(它成本增加洞!),这些成本可以超过抵消增加的性能,减少重量和节约能源这些小说提供的材料。亚博网站下载

作者要感谢来自当前和过去的金属泡沫小组的成员在诺丁汉。他还要感谢你柏林泡沫组x光透视的样本用于图2和图3。

进一步的阅读

• 阿什比MF,埃文斯,斑点NA,吉布森LJ,哈钦森JW, Wadley HNG。2000年,金属泡沫:一个设计指南。巴特沃斯- Heinemann,英国。
• Banhart, J。,2001年。细胞的制造、描述和应用金属和金属泡沫。在材料科学、进步。亚博网站下载亚博老虎机网登录46 (6),559 - 632。
• 肯尼迪A.R。多孔和细胞制造金属粉末冶金、粉末冶金、博士。Katsuyoshi Kondoh, Intech出版物,2012。ISBN 978-953-308-46-2(开放)
• 旧金山Garcia-Moreno马纳斯穆克吉,卡特琳娜吉梅内斯,亚历山大架,约翰•Banhart金属发泡研究了x射线x光透视,金属,2012,2,10-21(开放)。