В последние годы проявляется повышенный интерес к двум пористым
материалам на основе алюминия, обладающим многими
привлекательными свойствами.
Материал с закрытыми порами, получаемый методом вспенивания
расплавленного или полурасплавленного алюминия, называют
закрытоячеистым пеноалюминием. Другой материал с открытыми
порами, именуемый открытоячеистым (пористым) алюминием, получают
методом литейного производства с использованием удаляемого
наполнителя или путем гальванического покрытия на удаляемом
затем пенополиуретане.
Закрытоячеистый пеноалюминий
Свойства
В ходе исследований пеноалюминия в Институте перспективных
материалов им. Фраунгофера (Германия) установлено, что наряду с
теплоизоляционными и звукопоглощающими свойствами пеноалюминий
показывает при деформации сильно нелинейное поведение,
характерное для пористых структур. Это свойство может быть
использовано для демпфирования удара. Электрическая и
термическая проводимости значительно меньше, чем у сплошного
металла, но лежат в области свойств обычных металлических
материалов. Как и вспененные пластмассы, металлические пены
обладают отличными энергоабсорбирующими свойствами, но на более
высоком уровне прочности. Широкая температурная область
применения и негорючесть материала являются другими его
преимуществами. Хорошая рециклируемость пеноалюминия
представляет собой не менее ценный параметр. Материал хорошо
обрабатывается пилением, сверлением, фрезерованием, обточкой. В
качестве способов соединения могут быть использованы склеивание,
пайка или специальная сварка.
В отличие от ячеистых бетонов и древесностружечных плит у
пеноалюминия низкая гигроскопичность (1- 3%), что обусловливает
морозостойкость и отсутствие трещин при перепаде температур. Его
не нужно пропитывать антисептиками и антипиренами. На его
поверхность свободно наклеиваются различные декоративные
материалы, он хорошо воспринимает краску.
Применение
Алюминиевые пены используются:
- Для защиты от удара
- Для повышения жесткости полых профилей
- Для изготовления негорючих фасадных элементов зданий и легких и огнестойких кабин лифтов,в производстве теплостойких демпфирующих материалов,
- Для упрочнения анкеров в бетонных стенах
Наибольший интерес к пеноалюминию проявляют иностранные
автомобилестроители. В 1998 году на автошоу в детройте Вильгельм
Карманн представил новинку, в которой при изготовлении кузова
использовались трехслойные алюминиевые листы с алюминиевой пеной
(afs — aluminium foam sandwich). Такой материал обладает высокой
удельной жесткостью, малой термической и электрической
проводимостью, не горит и хорошо подходит для поглощения или
демпфирования энергии. Низкая масса подобной конструкции
уменьшает расход бензина. Кузов на 50% легче соответствующего
стального, но в 10 раз стабильней. Трехмерные многослойные
структуры усиливают жесткость рамы, из них можно изготавливать
также заднюю стенку кузова и сидения. Карманн предлагает идею
безопасного автомобиля XXI века, в котором будут использоваться
не плоские алюминиевые элементы, а трехмерные многослойные
детали с пеноалюминием — от дверец до сложной группы днища.
Такие детали очень легкие и имеют в 15 раз более высокую
жесткость, чем обычные листовые конструкции. Заметны
преимущества пеноалюминия по шумоглушению при повышенных
частотах (более 800 гц).
Пеноалюминий применяется в строительстве в виде несгораемых
перегородок и облицовочного материала.
Открытоячеистый (пористый) алюминий.
Свойства.
Плотность пористого алюминия лежит обычно в диапазоне от 0,9 до
1,2 г/см3, что соответствует пористости от 55 до 67%.
Механические свойства этого материала изучались до последнего
времени не так интенсивно, как пеноалюминия. Механическое
поведение его весьма близко к тому, какое имеют пены с закрытой
пористостью: начальный, почти линейный подъем напряжения
сменяется областью значительной пластической деформации и затем
при очень большой деформации переходит в уплотнение всей
структуры при соответствующих высоких усилиях. Они требуются,
чтобы деформировать пористую структуру. Таким образом, материал
обладает высокой жесткостью. Прочность на сжатие соответствует
почти тем же значениям, что и у пеноалюминия.
Проницаемость
Для многих сфер применения желательна контролируемая и
управляемая проницаемость материала газами или жидкостями.
Пористый алюминий имеет высокую развитую внутреннюю поверхность,
составляющую при плотности 1,1 г/см3 от 1 до 2 м2/г. Это
свойство может быть использовано в компактных теплообменниках.
Акустические характеристики.
Эти показатели несколько хуже, чем у специальных шумогасящих
материалов, однако пористый алюминий имеет много других полезных
свойств (негорючесть, высокая стойкость к температурным
изменениям, негигроскопичность и др.), Которые делают выгодным
его применение для шумоглушения.
Возможности применения.
- Шумоглушители. Пористый алюминий используется в конструкциях шумоглушителей, в которых путем декомпрессии шум, возникающий от выхода газа, уменьшается (например, в пневматических установках и компрессорах). Шумогасящие элементы, изготовленные из неплотно спеченных порошков бронзы или стали, довольно дороги. Пористый алюминий, полученный литейным способом, может быть при изготовлении сочленен со сплошным металлом с резьбой, и соединение с выходом газа при этом становится простым. Первые технические испытания показали, что таким образом достигаются по крайней мере те же результаты, что и у спеченной бронзы.
- Фильтры. Область применения пористого алюминия в качестве фильтров довольно широка. Ими можно отделять твердые частички, например сажи, от жидкостей или газов.
- Носители катализаторов. Вследствие развитой внутренней поверхности в комбинации с хорошей проницаемостью пористый алюминий может использоваться в качестве несущей решетки для катализаторов. Высокая теплопроводность материала имеет значение при сильных экзотермических реакциях, например, при окислении этилена в этиленоксид.
- Теплообменники. Высокая теплопроводность алюминия предполагает использование пористых конструкций из этого металла с развитой поверхностью для теплообмена между жидкостями, газами или между жидкостью и газом.
- Другие области применения. Пористые материалы, в том числе алюминий, могут употребляться в качестве накопителей жидкости для последующей ее дозированной подачи, например, в пористых валках, в деталях подшипников скольжения (поры заполняют смазкой). При подаче газа через пористые материалы его можно в распределенном виде барботировать в жидкость или с помощью воздушной подушки создать поверхность скольжения (воздушный подшипник). Наконец, пористый алюминий благодаря своей теплопроводности используется в конструкциях пламягасителей.
Рассматриваются пористые материалы на основе алюминия и его сплавов, обладающие пониженной плотностью, повышенной удельной прочностью, проницаемостью. Их применение возможно в качестве материалов для облегченных строительных деталей, теплообменников, фильтров, звукопоглотителей и т. д. Материал получают методом направленной кристаллизации жидкого металла, насыщенного газом. Этот способ также носит название метода газо-эвтектической реакции или газар-процесс.
Ключевые слова
: алюминий, сплавы AlMg3, AlMg6, направленная кристаллизация, насыщение газом, механические свойства.
УДК 620.193.55.001.5
Структура и механические свойства пористых алюминиевых сплавов, полученных методом направленной кристаллизации
Карпов Владимир Юрьевич
Доктор технических наук, профессор.
Национальная металлургическая академия Украины,
Днепропетровск
Комиссарчук Ольга Валериевна
Аспирантка. Национальная металлургическая академия Украины,
Днепропетровск
Получение пористых материалов с определенными параметрами структуры и свойств является одной из важнейших задач современной промышленности. Применение направленной кристаллизации для металлов насыщенных газом позволяет управлять их пористой структурой и соответствующими свойствами . Для чистых металлов этот процесс достаточно хорошо изучен, но для получения пористых сплавов, которые имеют больший промышленный потенциал, это сложнее. В связи с этим рассматривается процесс получения пористого алюминия и его промышленного сплава AlMg3, AlMg6, которые широко используются промышленностью.
Для изготовления пористых сплавов методом направленной кристаллизации использовалась установка с поворотным механизмом на 90° (рис.1). Основным характерным отличием новой установки стала система нагрева - печь сопротивления была замещена индукционной системой нагрева. Это позволило значительно увеличить скорость нагрева металла, соответственно, увеличилась и производительность работы. Кроме того, при использовании индукционной печи происходит интенсивное перемешивание расплава, что значительно ускоряет процесс насыщения расплава водородом. При применении устройства с 90°- поворотным механизмом, расплав выливается равномерно, разливка происходит плавно и процесс перемешивания расплава выражен гораздо слабее. В этом случае образцы получаются качественнее, с более однородной структурой.
Условия для проведения экспериментов были едины для всех алюминиевых сплавов. В эксперименте был использован алюминий
Рис.1. Схема и установка с поворотным механизмом на 90о:
1 - тигель, 2 - индуктор, 3 - форма; 4 - водоохлаждаемый холодильник, 5 - камера с водяным охлаждением, 6 - лейка; 7-расплав; 8 - термопара; 9 - охлаждающая вода; 10 - газовый клапан.
промышленной чистоты (0,3% примесей), сплавы АМг3, АМг6 и АМг35 в качестве основных материалов. Их расплавляли при 7500С и выдерживали в течение некоторого времени в тигле. Температуру печи контролировали с помощью вольфрам-рениевой термопары с диаметром проволоки 0,35 мм. Автоматический потенциометр служил для регистрации температуры расплава в тигле. Водород вводили в камеру высокого давления для того, чтобы насытить расплав до определенной степени (в дальнейшем будем использовать термин давление насыщения - Рнас). Контроль над давлением кристаллизации проводили с помощью манометра. Чем выше было давление насыщения, тем выше ожидалась конечная пористость образцов.
Форма в эксперименте была изготовлена из стали толщиной 0,3 мм. Тонкий слой антипригарного покрытия был нанесен на форму и летку для предотвращения прямого контакта с металлом. Форма крепилась на медном водоохлаждаемом холодильнике.
После плавления шихты из АМг сплавов, производилась выдержка около 15 минут, что давало возможность установиться равновесию в системе
газ - расплав.
Перед переворотом установки для разливки расплава устанавливалось
требуемое значение давления кристаллизации (Ркр). Эта величина определяла размер пор в отливках газаров. Затем расплав выливался из тигля в форму, где он кристаллизовался в одном направлении.
Образцы для изучения разрезались как вдоль, так и поперек их сечения. Для удобства изучения структуры образцы разрезались на две или три части.
Для выявления макроструктуры, использовался стандартный травитель. Макроструктура образцов газаров после полировки и травления исследовалась при увеличении (5 ¸ 25). Тонкая структура пор изучалась с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) фирмы ZEISS. Пористость и средний диаметр пор были оценены с помощью программного обеспечения микроскопа.
В соответствии с литературными данными растворимость водорода в чистом алюминии очень низкая, примерно 0,5 см3 /100 г под давлением 0,1 МПа и температуре 6600С. Эксперименты с алюминием промышленной чистоты показали, что для образцов, изготовленных при: Pнас = 0,2 МПа, Т = 7500С, t = 25 минут, Pкр = 0,05 МПа получается относительно хорошая пористая структура (рис.2 а,б). Тем не менее, в ходе работы были установлены некоторые проблемы, решение которых может привести к лучшим результатам. Для чистого алюминия, проблема влияния плотной оксидной пленки на процессы кристаллизации остается основной. Окисная пленка на поверхностью расплава, вероятно, усложняет свободное проникновение водорода в жидкий металл, а при кристаллизации росту газовых пузырьков.
На рис. 2а видно, что в нижней части образца, где скорость кристаллизации достаточно велика, нет времени для формирования пор. На высоте порядка 20 мм от дна начинается рост пор. Относительно однородная пористая зона имеет протяженность до высоты 55 - 65 мм. Поры имеют форму удлиненного эллипса, 1,5 - 2,5 мм длиной и диаметром 0,2-0,3 мм. Радиальные поры в этой зоне образца отсутствуют за счет утепления формы. В верхней части образца существует зона больших радиальных пор 1-1,5 мм в диаметре и длинной 2-3 мм, а в центре образца наблюдаются редкие скопления сферических пор, что связано с конструкцией формы (место с устройством соединения половинок формы). Эта зона имеет протяженность около 15 мм, а затем переходит в область аксиальных пор, аналогичных по размеру предыдущего отрезка. Поперечное сечение образца алюминия, сделанного на высоте 30 мм от дна представлено на рис. 2 б,в. Видно, что поры имеют цилиндрическую форму, но отличаются по размеру и распределены неравномерно по сечению образца.
Далее исследовались такие промышленные сплавы на основе алюминия, как АМг с различным содержанием Mg, а также изучены их механические свойства. Известно, что на растворимость водорода в жидком алюминии существенно влияют легирующие элементы. Существуют экспериментальные данные о том, что растворимость водорода в жидких сплавах системы Al-Mg монотонно возрастает от чистого алюминия к чистому магнию . При температурах 660-7000С растворимость водорода в алюминии с увеличением в нем содержания магния возрастает почти линейно. Так, например, при температуре 7000С растворимость водорода в алюминии составляет - 0,9 см3/100 г, в сплаве Al+ 4% Mg - 1,6 см3/100 г, а в сплаве Al+ 6% Mg - 2,0 см3/100 г.
В ходе исследования промышленного сплава АМг3 была отмечена значительная зависимость структуры от давления кристаллизации, аналогично результатам по пористому промышленному алюминию. При кристаллизации сплава АМг3 зон видимых окисных плен обнаружено не было, что говорит об изменении их свойств. Поры имели более неправильную форму, изменяющуюся от сферической к эллиптической (рис. 3).
При изучении структуры пор, были отчетливо видны дендриты, проросшие внутрь пор (рис. 3). Это связано с интервалом температур, в котором проходила кристаллизация образцов сплава.
Рис. 2. Макроструктура образца алюминия промышленной чистоты: а - продольное сечение, б - поперечный срез на высоте 30мм от дна образца, в - поперечное сечение при большем увеличении
В ходе работы было исследовано влияние концентрации магния на пористую структуру образцов из сплавов АМг. Как видно на рис.4, с увеличением количества Mg от 3 % до 35 % структура отливки изменяется, размер пор значительно увеличивается, поры приобретают вытянутую эллиптическую форму. Сплав АМг35 имеет состав, близкий к эвтектическому (33%), поэтому его кристаллизация проходит аналогично чистым металлам. Образец имеет множество удлиненных пор, а в связи с высоким содержанием Mg, они имеют относительно однородную структуру.
Рис. 3. Электронные микрофотографии образца пористого АМг3,
а - верхняя часть; б - средняя часть; в - нижняя часть слитка
Однако, механические свойства этого сплава резко ухудшаются, сплав становится хрупким и не пригоден для практического применения.
В исследовании проводились механических испытаний на сжатие цилиндрических образцов размером 20х20 мм из пористых и плотных сплавов Al-Mg.
В ходе испытаний было обнаружено, что пористые образцы сплавов Al-Mg обладают большей прочностью на сжатие, чем плотные, что связано с наличием в них армирующих пор. Также отмечено, что сплав АМг3 является более пластичным, чем АМг6 (рис. 5 а,б).
Газары продемонстрировали высокую анизотропию свойств: мягкие и вязкие вдоль пор; прочные и устойчивые - поперек их. Результаты тестов на сжатие доказали, что разница между пористыми и плотными образцами относительно не высока. Как видно на рис.5 - пористые и плотные образцы АМг3 и АМг6 показывают близкие результаты. Это дает возможность использовать их в промышленности на тех же условиях, что и плотные
Рис. 4. Макроструктуры образца из сплава алюминия с 35% магния.
сплавы, однако, изделия будут обладать меньшим весом, что даст экономию расходных материалов.
Испытания показали, что пластичность образцов из сплава АМг3 и АМг6 резко отличается от пластичности образцов из АМг35 (рис.6). Видно, что образец из АМг35 разрушается с применением минимальной силы и это указывает на его крайне низкие механические свойства.
1. Пористый алюминий промышленной чистоты имеет эллиптические поры, которые расположенные вдоль оси кристаллизации. Слой окисных плен собирается в верхней части образцов, что снижает выход качественного пористого алюминия. Этот слой является самым большим препятствием на пути получения качественной отливки газара из алюминия.
Рис.5. Результаты испытания газаров на сжатие: а - прочность пористого и плотного образцов сплавов АМг3 и АМг6, б - пластичность образцов из сплавов АМг3 и АМг6
Рис.6. Вид пористых образцов после испытаний на сжатие: а - образец сплава АМг6, б - образец сплава АМг35
2. Способность водорода растворяться в жидком алюминии в значительной степени зависит от легирующих элементов. Растворимость водорода в жидком сплаве АМг с увеличением в нем содержания Mg. С увеличением содержания Mg величина и количество пор значительно возрастает. Их форма также претерпевает изменения, особенно при содержании Mg около эвтектической точки (35%). В этом случае процесс кристаллизации происходит аналогично чистому металлу, что дает структуру с вытянутыми цилиндрическими порами.
3. Тесты на сжатие показали, что с увеличением содержания магния до 35%, механические свойства сплава резко ухудшаются, сплав становится хрупким и непригодным для практического использования. Несмотря на то, что сплавы АМг3 и АМг6 достаточно пластичны, наличие пор повышает их прочность на сжатие, по отношению к плотным образцам. Такой эффект дает возможность использовать их в промышленности на тех же условиях, что и плотные сплавы, но с меньшим удельным весом и экономией расходных материалов.
ЛИТЕРАТУРА
- Shapovalov V I. Method of manufacture of porous articles: USA, 5181549 [P]. 1993-06-23.
- Shapovalov V I, Boyko L. Gasar - A new class of porous materials [J]. Advanced Engineering Materials, 2004, 6(6). C. 407- 410.
- Gabidullin R M, Kolachev BA, Shvecov I B, Andreev A D. Metallurgy of non-ferrous metals and alloys. M., Science, 1992. C. 94—99.
- Gabidullin R M, Kolachev B A, Shvecov I B. The structure, properties and applications of metals. M., Science, 1994. С.188-190.
В последние годы в машиностроении и строительстве возрос интерес к изготовлению и применению инновационного материала — металлической пены. Основной причиной для этого стало развитие новых концепций легких и прочных конструкций в автомобилестроении и строительстве.
Первоначально потребность в пористых материалах с высокой жесткостью и низким удельным весом способствовала появлению искусственных материалов, изготовленных из ячеистых полимеров, керамики и стекла, имеющих хорошие демпфирующие и изоляционные свойства. Клеточный материал из металла может предложить более интересные перспективы в связи с сочетанием металлических свойств и особенностей пены.
В последние 40 лет было сделано много попыток для получения металлических пенных структур, однако они не были успешными из-за их относительно высокой стоимости и сложности технологии. Кроме того, несовершенная технология изготовления не позволяла достичь стабильно воспроизводимых свойств. Проблемы были связаны с низкой пенообразующей способностью расплавленного металла, получением различных размеров «клеточных» структур и усадкой при затвердевании. Однако в последнее время эти вопросы были решены при помощи обширных исследований, что привело к разработке новых технологий в производстве. Эти новые технологии вспенивания позволяют изготовить материал значительного более высокого качества. В частности, была успешно получена технология вспенивания алюминия.
Металлическая пена, особенно из алюминия, имеет большие перспективы для применения в промышленности. Вспененный металл имеет малый вес, хорошие теплоизоляционные и звукопоглощающие свойства, негорюч и нетоксичен. «Клеточная» структура материала поглощает вибрации, толчки и звуки исключительно хорошо, а низкий вес обеспечивает идеальную основу для облегченных конструкций. Вспененный алюминий может также обеспечить высокоэффективную защиту от электромагнитных волн. Низкая плотность — 0,3...0,8 г/куб.см — позволяет алюминиевой пене плавать в воде (в случае закрытой пористости). Хотя на данный момент алюминиевая пена не производится в промышленных масштабах, опять-таки, из-за своей дороговизны, однако ожидается, что дальнейшее развитие технологии позволит широко ее применять. Ведь всем известно, что кость, благодаря свой пористой структуре, — один из наиболее прочных биологических материалов. Костная ткань стойка к сопротивлению и сжатию. Похожими на нее ученые решили сделать и металлические материалы будущего.
В течение последних десяти лет было разработано несколько технологий для производства металлических пен, но только некоторые из этих процессов подойдут для производства алюминиевой пены в промышленных масштабах:
а) введение газов напрямую в жидкий металл (рис. 1). В качестве добавок, увеличивающих вязкость расплавленного металла, вводятся SiC или Al2O3 (10-15%). Газ (воздух, азот или аргон) вводят в расплав с помощью вращающейся крыльчатки. Таким способом могут быть получены плиты из металлической пены значительных размеров (0,1х1х10 м). При этом пористость материала достигается 80...97%. Алюминиевый пористый материал увеличивается примерно в 5 раз от первоначального объема.
б) технологический процесс Alporas Shinko Wire Co. Ltd. (Осака, Япония) с добавлением 1,5% кальция в алюминиевый расплав для регулирования вязкости (рис.2). Кальций вводится в расплавленный алюминий при 680 градусах и перемешивается в течение 6 минут. Полученный алюминиевый расплав заливают в литейные формы и перемешивают с добавкой сухого пенообразователя TiH2 с помощью вращающейся крыльчатки. Пенообразователь разлагается под влиянием тепла и водорода, увеличивая свой объем в течение 15 минут. Затем расплав охлаждается в форме с помощью вентиляторов и затвердевает в виде блока с пористостью 89...93%. Литые блоки имеют размеры 450x2050x650 мм и весят 160 кг. Блоки разрезают на листы требуемой толщины.
в) другие процессы:
— «Газар-процесс» основан на различной растворимости водорода в зависимости от создаваемого давления. Металл расплавляют в автоклаве под высоким давлением, что позволяет внедрить большое количество водорода. Этот насыщенный расплав переливается в форму в автоклаве. После этого следует направленное затвердевание расплава при пониженном давлении, что вызывает выделение водорода и вспенивание. Достигаемая пористость имеет низкие значения — 5...75%.
— Технологии Duocel и Cellmet работают на другом принципе. В качестве литейных форм используется полиуретановая пена, заполненная термостойким материалом. После нагревания полимер удаляется и расплавленный металл приобретает пористую структуру полиуретановой пены, заполняя прессформу. Пористость материала, как правило, в диапазоне 80...97%. Этот процесс отличается от предыдущих тем, что металлическая пена получается с открытыми ячейками.
Благодаря своей ячеистой структуре пены ведут себя по-другому при механических испытаниях, по сравнению с обычными металлическими материалами. Поэтому традиционные методы испытаний не могут быть применены к металлической пене (к примеру, испытания на растяжение). Испытания с наиболее значимыми результатами — на степень сжатия. Типичная диаграмма для пен (рис.3) с открытыми и закрытыми порами имеет три характерные части. Вначале происходит линейный рост напряжения (1) при увеличении деформации, затем горизонтальный участок при постоянной нагрузке (2), и резкое увеличение деформаций в конце (3) в результате разрушения пористой структуры. Металлические пены ведут себя так же, как полиуретановые — с той разницей, что их прочность примерно в 30 раз выше при том же уровне пористости.
Как и в случае со сплошными металлами, пены также могут подвергаться термической обработке, но этот процесс гораздо сложнее из-за низкой теплопроводности пористой структуры. Закалку произвести трудно, потому что невозможно достичь равномерной скорости нагрева и охлаждения по всему объему материала. Вода не может быть использована в качестве закалочной среды, потому что ячейки пористой структуры могут разрушиться. Для закалки используется сжатый воздух, что приводит к снижению скорости охлаждения.
Поверхность вспененного металла также влияет на его свойства. Если пена испытывается со сплошной коркой после литья, то такой материал выдерживает более высокие напряжения. Причина этого заключается в том, что литая сплошная поверхность создает сэндвич-структуру композита, обладающую большей жесткостью. Алюминиевые сэндвич-панели изготавливаются из двух металлических плотных лицевых листов и сердцевины в виде металлической пены. Листы соединяются с алюминиевой пеной методом склеивания, пайки или диффузионной сваркой. Интересная концепция была разработана компанией Karmann (Германия) — сэндвич панели-AFS. Вспенивание алюминиевого наполняющего между двумя листами толщиной 1 мм происходит в печи, готовый «сэндвич» имеет толщину 8...12 мм, при этом не требуется соединение пены и листов. Панели AFS на 50% легче и в 10 раз жестче, чем аналогичный стальной лист. По сравнению со сплошным алюминиевым листом, теплоизоляция «сэндвича» на 95% выше.
Идеальное сочетание всех этих свойств алюминиевых пен по схеме сэндвич-панелей делает материал AFS отличным вариантом для изготовления кузовов автомобилей. Из-за высокой прочности на кручение и жесткости можно уменьшить количество деталей, которые должны быть изготовлены для сборки для кузова автомобиля. Алюминиевая пена в случае аварии и лобового столкновения поглотит энергию удара и защитит пассажиров транспортного средства. Для этих целей из алюминиевой пены могут быть изготовлены крылья и лонжероны, стойки дверей автомобиля, багажник, капот и раздвижная крыша. Звукопоглощающие свойства пен можно использовать в моторном отсеке автомобиля для предотвращения передачи шума в пассажирский салон и окружающую среду.
Благодаря своему легкому весу алюминиевая пена может стать очень важным конструкционным материалом для аэрокосмической промышленности. Например, материалы из алюминиевой пены или сэндвич-панелей могут заменить дорогие сотовые конструкции. Это будет иметь ряд преимуществ, например, снижение затрат. Еще одним важным преимуществом является изотропность свойств таких панелей и отсутствие какого-либо клеевого соединения. Последнее могло бы помочь сохранить целостность конструкции в случае пожара. Однако, важным вопросом, который является предметом текущих исследований, является усталостная характеристика алюминиевой пены и сэндвич-панелей.
Легкость и «плавучесть» алюминиевой пены может применяться в судостроении. Морские суда не строятся большими сериями и не собираются из высоко стандартизованных частей. Поэтому алюминиевая пена или панели могут иметь большие преимущества. Условием их использования будет развитие
подходящих крепежных элементов и исследование коррозии алюминиевой пены в морской воде. Первые исследования пен с закрытым типом ячеек показали, что хлорид натрия влияет только на поверхностный слой алюминиевой пены, не вызывая структурных дефектов.
В строительстве зданий и сооружений есть хорошие возможности для применения алюминиевой пены, в основном из-за ее хорошего сопротивления проникновению огня и теплоизоляционным свойствам. Например, детали из пены или сэндвич-панелей могут быть использованы в качестве элементов наружных фасадов или настенных покрытий внутри зданий. В обоих случаях алюминиевая пена может служить энергосберегающим строительным материалом. Из алюминиевых панелей возможно изготовление облицовки в железнодорожные тоннелях под шоссе, мостами или внутри зданий в качестве звукопоглощающего материала.
Еще одна область применения алюминиевой пены — возведение легких конструктивных элементов, например, мобильных мостов. Алюминиевая пена может использоваться для уменьшения расхода энергии лифтов. Алюминиевые панели могут быть легко установлены без грузоподъемного оборудования.
Уникальные свойства алюминиевой пены имеют большой потенциал для дизайнеров бытовых предметов и мебели. Этот материал может быть использован для ламп, столов или предметов домашнего обихода и аксессуаров. Мебель, изготовленная из металлической пены, обладает легким весом, который может быть большим преимуществом в офисных помещениях или на ярмарках и выставках.
Алюминиевая пена может также служить в качестве материала для изготовления теплообменников, тепловых экранов, фильтров или носителей для катализаторов. Другой возможностью является использование в качестве материала для защиты от электромагнитных волн для потолков и стен помещений с электронным оборудованием.
В последние годы большой интерес учёные и промышленники проявляют к пористым материалам, получаемым на основе алюминия. Алюминий с закрытыми порами (пеноалюминий) получают вспениванием расплавленного или размягчённого металла. Открытоячеистый (или пористый) алюминий изготавливают способом литья с удаляемым наполнителем или гальваническим покрытием на пенополиуретане.
Свойства и применение пеноалюминия
Размер порв пеноалюминии может колебаться от нескольких долей миллиметра до 30 мм и зависит от тонкостей технологического процесса. Плотность этого материала регулируется в интервале 0,3-1,5 г/см 3 . Пеноалюминий сохраняет все качества исходного металла - стойкость к коррозии, свариваемость, простоту обработки. Наряду с этим, материал приобретает новые положительные качества:
- способность к окрашиванию и склеиванию;
- эффективное звукопоглощение и поглощение энергии удара;
- пониженную теплопроводность;
- уникальный внешний вид.
Удельный вес пеноалюминия равен аналогичной характеристике пластмассовых и деревянных изделий. При этом материал не горюч, не токсичен, стоек к воздействию ГСМ, термо- и биостоек, устойчив к ультрафиолетовым лучам и радиации. При попадании в воду закрытопористый алюминий плавает без набухания.
Большой интерес вызывают многослойные материалы, в которых сердцевина изготовлена из пеноалюминия, а поверхности покрываются полимерными материалами, шпоном, плакируются алюминиевыми или титановыми сплавами.
Области применения открытопористого алюминия:
- внутренняя облицовка судов, самолётов, ж/д вагонов;
- бамперы, кожуха, заполнители глушителя автомобиля;
- в строительстве - пожаро- и биостойкая облицовка, подвесные потолки и полы, способные выполнять функцию защиты от электромагнитного излучения;
- в промышленности - шумозащитные кожухи для оборудования, фильтры, теплоизоляция
Характеристики и области применения алюминия с открытой пористостью
Механические характеристики алюминия с открытой пористостью были изучены не так хорошо, как свойства пеноалюминия. Однако о свойствах этого материала можно сказать следующее:
- его жёсткость и прочность на сжатие аналогичны пеноалюминию;
- высокоразвитая внутренняя поверхность позволяет использовать пористый алюминий в компактных теплообменниках;
- акустические характеристики этого материала недостаточно высоки, но негорючесть и стойкость к термическим перепадам позволяют его использовать для шумопоглощения.
Области применения пористого алюминия:
- В компрессорах и пневматических установках в конструкциях шумоглушителей. При этом пористый алюминий сочленяют со сплошной металлической деталью, оснащённой резьбой.
- Фильтры, изготовленные из пористого алюминия. Могут служить для отделения некоторых твёрдых частиц от газов и жидкостей.
- Высокая теплопроводность алюминия в сочетании с развитой внутренней поверхностью пористых материалов позволяет использовать открытоячеистый металл для изготовления теплообменников.
Пористые металлы, в том числе и алюминий, могут служить накопителями жидкостей с целью их дальнейшей дозированной подачи.
