Алюминиевая пена

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.