Металлическая пена: Металлические пены способны экранировать различные типы излучений и даже останавливать бронебойные пули / Хабр

Металлические пены способны экранировать различные типы излучений и даже останавливать бронебойные пули / Хабр

ragequit

11 апреля 2016 в 13:17

Научно-популярное Физика

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».

Теги:

• металлические пены
• ядерная энергетика
• безопасность
• броня
• рентгеновское излучение

Хабы:

• Научно-популярное
• Физика

Всего голосов 26: ↑24 и ↓2 +22

Просмотры

22K

Комментарии
83

Александр
@ragequit

Контент и бесстрашие

Комментарии
Комментарии 83

Металлическая пена . Металлы и человек

Большой и важной для различных отраслей народного хозяйства группой искусственных полимерных материалов являются пенопласты.

Мне довелось однажды присутствовать на лекции, в ходе которой лектор, кандидат химических наук В. Щеголев, получил в небольшом стеклянном сосуде пенопласт. Он влил на дно этого сосуда совсем немного прозрачной зеленоватой жидкости, всыпал какого-то белого порошка и тщательно размешал получившуюся смесь стеклянной ложечкой. Затем поставил сосуд на край кафедры и продолжил лекцию.

Вещества в сосуде меж тем не остались в покое. Смесь их начала расти значительно быстрее, чем растет тесто в квашне.

Минут за двадцать белая устойчивая пена заполнила весь сосуд и перелилась тяжелой волной через край. Но лектор не обращал на это внимания.

Вероятно, исчерпав силы своего бунта, вещество перестало расти. Мне все казалось, что еще несколько минут — и пена начнет опадать, пузыри ее будут высыхать, лопаться и снова на дне сосуда останется лишь несколько ложек зеленоватой жидкости. Во всяком случае именно такой вариант предсказывал мой житейский опыт: ведь именно так вела себя мыльная пена, когда я намыливал щеку и меня в это время срочно приглашали к телефону; это же происходило и с несъеденной вовремя порцией мусса. Но не тут-то было!

Щеголев кончил лекцию, взял в руки сосуд и вытряхнул из него пену. Нет, она не разлилась по столу, она сохранила форму сосуда. Всего за двадцать минут она застыла, затвердела. И вела она себя не как мыльная пена, а скорее как тесто. Ведь обыкновенная булочка, которую вы съедаете за завтраком, — это и есть застывшая пена теста, она вся пронизана крохотными пузырьками газа.

Пенопласты обладают удивительными свойствами. Прежде всего это чрезвычайно легкий материал. Целую глыбу его может легко поднять один человек. Это делает пенопласты чрезвычайно полезными во всех транспортных устройствах, где вреден излишний вес.

Пенопласты обладают отличными теплоизоляционными свойствами. Ведь воздух является отличным теплоизолятором — недаром именно слоем воздуха отгораживаемся мы от зимних холодов, вставляя в окна двойные рамы. Звук «вязнет» в пенопласте, обессиленный бесчисленными перегородками между воздушными пузырями. Все эти свойства делают пенопласт лучшим строительным изоляционным материалом.

Но пенопласты обладают и большим недостатком: их прочность невысока. Вот если бы удалось получить каким-либо способом пенометалл, он нашел бы еще более широкое распространение: ведь прочность его была бы куда выше, чем у пенопластов.

Писатель-фантаст Ю. С. Моралевич написал даже научно-фантастический рассказ о нефтеналивном судне, построенном из пенометалла, которое обладало удивительными свойствами: в частности, оно было непотопляемым — ведь материал, из которого судно было изготовлено, плавал на воде, как пробка.

Опытов в этом направлении ведется много. В печати недавно, в частности, появилось сообщение о разработанной технологии получения пеноалюминия.

Изготовляется пеноалюминий следующим образом. В расплавленном алюминии растворяют гидриды циркония, бария, лития. Расплав выдерживают несколько минут при температуре около 657 градусов. Молекулы гидридов распадаются, выделяя водород. Он и заполняет бесчисленные образующиеся в толще металла поры диаметром до нескольких миллиметров. Металл начинает стремительно «расти». Так как водород очень летуч и пузыри его быстро поднимаются к поверхности металла и там лопаются, алюминий надо моментально охладить. Это осуществляют струей холодной воды.

Пеноалюминий обладает очень низким удельным весом — в зависимости от дозировки и точности технологии вес куб. см этого материала колеблется от 0,19 до 0,64 г. Следовательно, пеноалюминий плавает на воде, как пробка или как бальзовое дерево, из которого был построен знаменитый плот «Кон-Тики».

Трудно сказать, окажется ли первенец в семействе пенометаллов — пеноалюминий, технология производства которого разработана американскими учеными, тем удивительным материалом, о котором вместе с писателями-фантастами мечтают и инженеры. Но нет сомнения, что появятся и пенотитан, и пеносталь, и пенобериллий, и разнообразнейших свойств пеносплавы.

Пенометаллам принадлежит большое будущее. Но так много еще неизвестного в этой области металлургии! И в первую очередь неизвестны пути получения таких металлов.

Металлическая пена | Металлическая пена с открытыми порами

Металлическая пена представляет собой ячеистую структуру, состоящую из твердых связок и проницаемых пор. Эта матрица клеток и связок полностью настраиваема и может быть оптимизирована для удовлетворения требований к производительности широкого спектра приложений.

Металлическая пена, иногда называемая вспененным металлом, обычно используется в приложениях, которые выигрывают от очень большой площади поверхности и морфологии жесткой ячеистой структуры, имитирующей природу.

9Пена 0002 с открытыми ячейками, также известная как сетчатая пена, имеет 100% открытые ячейки с проходом через пену в любом направлении для воздуха или жидкости.

Открытая ячейка позволяет проходить жидкостям или газам, но ограничивает поток, чтобы контролировать скорость потока и изменения буферного давления.

Высокое отношение площади поверхности к объему обеспечивает скорость теплопередачи, недостижимую для любого другого материала.

ERG производит продукт под названием Duocel®; Предлагаемый с 1967 года, Duocel® устанавливает стандарт качества и однородности среди пенопластов с открытыми порами.

В чем уникальность металлической пены Duocel®?

По сравнению с другими коммерчески доступными металлическими пенопластами, которые часто имеют закрытые ячейки и/или спеченные или полые связки, Duocel® предлагает непревзойденные характеристики для приложений, связанных с потоком жидкости, теплопередачей и структурной целостностью.

Поры в структуре металлической пены Duocel полностью сетчатые или открытые, так что жидкость может протекать через пену и взаимодействовать с очень большой площадью поверхности твердых металлических связок. Это важно для таких применений, как теплопередача и управление потоком, в которых пена помогает создать очень компактное и эффективное решение.

Вся наша пена представляет собой открытую или сетчатую металлическую пену. Это обеспечивает превосходный поток жидкости и поглощение ударов для различных применений.

Высокая однородность пены Duocel® позволяет точно контролировать прочность на раздавливание путем изменения плотности и размера пор или связок; что делает его идеальным для приложений по поглощению энергии, а также позволяет дополнительно настраивать объемную структуру.

Толщина цельнометаллических связок (определяемая относительной плотностью) может быть рассчитана на поглощение желаемого количества кинетической энергии за счет сжатия, которое происходит при относительно постоянном напряжении без отскока или отскока. Твердые связки пенопласта также сохраняют пластичность при смятии, что позволяет создавать конструкции с увеличенной площадью поверхности и взаимодействиями между жидкостью и теплом.

Металлический пенопласт Duocel® может подвергаться механической обработке для получения сложных форм, пайке, соединению, покрытию и металлизации, что делает его чрезвычайно универсальным с точки зрения технологичности. Металлические пены часто могут упростить производственный процесс при интеграции в сложные системы.

Наша металлическая пена с открытыми порами может быть изготовлена ​​из многих металлических сплавов, включая алюминий, медь, сталь, инконель, олово, золото, серебро и многие другие. Самым популярным металлическим пенопластом Duocel является алюминий из-за его превосходного отношения прочности к весу, проводимости и совместимости с обычными компонентами системы.

Металлические пенопласты Duocel® обычно имеют ту же чистоту металла, что и исходный сплав, из которого они изготовлены. Таким образом, многие известные свойства металлов (такие как химическая совместимость, электропроводность, температура плавления и т. д.) можно перенести на уникальный форм-фактор пенопласта.

Благодаря высокому соотношению прочности и веса наш запатентованный материал предлагает решения, недоступные больше нигде.

Какие размеры выпускает Metal Foam?

Пеноматериалы Duocel® обычно изготавливаются в виде блоков размером приблизительно до 16 дюймов x 16 дюймов x 4 дюймов (406 мм x 406 мм x 102 мм). Большие размеры доступны путем пайки нескольких блоков вместе для больших требований.

Существуют также ограничения на размер детали из вспененного металла, в зависимости от PPI ​​пены, поскольку разрезание слишком мелкой или тонкой структуры с открытыми ячейками приводит к отсутствию связанных связок. В этой таблице указаны стандартные минимальные размеры несжатой пены. Возможны меньшие размеры и характеристики – пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы определить соответствие вашим требованиям.

Можно ли изготовить пенопласт индивидуальной формы?

Да. Как и цельный кусок металла, металлическая пена Duocel® может быть обработана практически до любой уникальной формы и размера. Особое внимание следует уделить очень маленьким элементам деталей с жесткими допусками, таким как небольшие отверстия, острые края или малые радиусы, точные углы и т. д.  

При таком большом количестве применений металлической пены у нас есть собственная команда инженеров, которая может проконсультировать вас относительно вашего конкретного проекта и требований к размерам.

*Пример* Характеристики металлической пены Duocel®:

Примечание: Алюминий 6101-T6 является нашей самой популярной пеной и используется в этом примере при относительной плотности 8%.

Прочность на сжатие	367 psi	(2,53 МПа)
Прочность на растяжение*	180 psi	(1,24 МПа)
Прочность на сдвиг*	190 фунтов на кв.
Modulus of Elasticity (Tension)*	14. 6 × 10 3  psi	(101.84 MPa)
Shear Modulus	2.9 × 10 4  psi	(199.95 MPa)
Пирамида Виккерса номер	35 HV
Термическая проводимость. F	(23.58 × 10 -6 m/m–C)
Melting Point	1220°F
Corrosion Resistance	4.5 to 8.5 pH	Very Resistant

Как приобрести образцы металлической пены Duocel®?

В США вы можете разместить заказ онлайн с помощью кредитной карты на сайте duocelfoam.com. В других странах посетите соответствующего дистрибьютора на нашей странице заказа или свяжитесь с нами напрямую, чтобы обсудить вашу заявку и запросить образцы.

Характеристики:

• Легкий вес
• Прочные связки
• Открытоклеточные, проницаемые поры
• Высокая прочность к весу
• Высокое отношение площади поверхности к объему
• Контролируемая абсорбция энергии0212
• Универсальная производительность
• может быть припаяна и припаяна
• можно покрыть и покрыть

Общие свойства:

• Стандартный диапазон 9-12%
• . : 5, 10, 20, 40

Все наши материалы на 100% произведены в США.

Металлические и керамические пенопласты | американские элементы | Продукты

О металлических и керамических пенопластах

Металлический пенопласт или пенокерамика представляет собой ячеистую структуру, состоящую из твердого металлического или керамического материала, содержащую большую объемную долю газонаполненных пор. Поры могут быть закрыты (пена с закрытыми порами) или могут образовывать взаимосвязанную сеть (пена с открытыми порами). Определяющей характеристикой этих пенопластов является очень высокая пористость, при этом обычно 75-95% объема составляют пустоты. Прочность вспененного материала зависит от его плотности по степенному закону: например, материал с плотностью 20 % более чем в два раза прочнее материала с плотностью 10 %. Металлические пенопласты обычно сохраняют некоторые физические свойства своего основного материала. Пена, изготовленная из негорючего металла, останется негорючей, и пена, как правило, может быть переработана обратно в основной материал. Коэффициент теплового расширения также обычно остается одинаковым, в то время как теплопроводность, вероятно, снижается.

Вспененные материалы

Металлы и сплавы

Металлические пенопласты с открытыми порами обычно представляют собой копии, произведенные с использованием пенополиуретанов с открытыми порами в качестве каркаса. Эти пены нашли широкое применение в теплообменниках, абсорбере энергии, диффузии потока и легкой оптике. Чрезвычайно мелкомасштабные пены с открытыми порами используются в качестве высокотемпературных фильтров в химической промышленности. Металлические пены, используемые в компактных теплообменниках, увеличивают теплопередачу за счет дополнительного перепада давления. Однако их использование позволяет существенно уменьшить физический размер теплообменника и, следовательно, стоимость изготовления.

Металлические пенопласты с закрытыми порами разрабатывались с 1950-х годов, но, несмотря на наличие прототипов, коммерческое производство было начато только в 1990-х годах. Металлические пенопласты с закрытыми порами обычно изготавливают путем нагнетания газа или смешивания пенообразователя с расплавленным металлом. Затем материал стабилизируется с помощью высокотемпературного пенообразователя (обычно это твердые частицы нано- или микронного размера). Размер пор, или ячеек, обычно составляет от 1 до 8 мм. Металлические пенопласты с закрытыми порами в основном используются в качестве ударопоглощающего материала. В отличие от многих полимерных пен, металлические пены остаются деформированными после удара и поэтому могут использоваться только один раз.

Керамика

Пенокерамика обычно изготавливается путем внутренней пропитки пенопласта с открытыми порами керамической суспензией с последующим обжигом в печи, после чего остается только керамический материал. Такие пены часто используются для теплоизоляции, звукоизоляции, адсорбции загрязнителей окружающей среды, фильтрации расплавленных металлических сплавов и в качестве подложки для катализаторов, требующих большой площади внутренней поверхности. Керамические пены также использовались в качестве жесткого легкого конструкционного материала, особенно для поддержки отражающих зеркал телескопа.

Методы производства и применения

Методы производства

Металлы

Методы на основе расплава

Нагнетание газа

Жидкий металлический расплав может быть вспенен путем продувки газами (воздух, азот, аргон) с использованием вращающихся импеллеров, которые отвечают за производство пузырьки газа в расплаве.

Газовыделяющие пенообразователи

Добавление пенообразователей в жидкий расплав является еще одним методом выделения пузырьков газа в расплав. В настоящее время этот процесс используется небольшими партиями.

Эвтектическое отверждение твердое тело-газ (Gasar)

Эвтектические системы (или многофазные системы), образованные между жидкими металлами и газообразным водородом, можно использовать для создания двухфазной системы путем снижения температуры и давления. Процесс приводит к захвату газа внутри затвердевающего металла.

Литье по выплавляемым моделям

Косвенный метод производства металлических пен включает использование полимерной пены в качестве исходного материала для формирования пористой структуры с использованием метода сетчатой ​​структуры или метода вспенивания. Полимерная пена заполняется термостойким материалом с последующей сушкой и удалением полимерной матрицы. Затем расплавленный металл заливают в пустоты, чтобы получить копию исходной структуры пенопласта.

Методы на основе порошков

Спеченные

Процесс Института Фраунгофера состоит из смешивания металлических порошков с пенообразователем, плотного уплотнения смеси с последующим спеканием для получения конечного пенного продукта.

Улавливание газа

Металлические порошки также могут быть вспенены путем сжатия порошков до материала-предшественника, затем заполнения металлической прессовки газом с последующим нагревом материала-предшественника для расширения металла за счет захваченного газа. Этот процесс обычно используется для изготовления пористых титановых структур.

Электроосаждение ионизированных пен

Ионизированные пены получают методом гальванического электроосаждения. Эти пенопласты прошли испытания на предмет использования в качестве усовершенствованных материалов для электродов аккумуляторных батарей.

Керамика

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)

При нанесении пенокерамики в качестве поверхностного покрытия используется процесс химического осаждения из паровой фазы. Таким способом получают, например, защитные или антикоррозионные покрытия.

Вспененная суспензия

Либо керамический порошок смешивается с водой для образования суспензии, либо органические мономеры смешиваются с катализатором-инициатором для образования суспензии. Затем суспензия смешивается с пенообразователем для создания пены с последующей полимеризацией, сушкой и спеканием.

Газообразующие пенообразователи

Добавление пенообразователей к керамической массе или расплаву является еще одним методом выделения пузырьков газа в расплав. В настоящее время этот процесс используется небольшими партиями.

Применение вспененных материалов

Легкие, прочные конструкционные материалы

Производители самолетов и автомобилей часто используют легкие прочные компоненты, состоящие из металлической или керамической пены. Легкие конструкционные материалы позволяют повысить эффективность использования топлива при сохранении или даже повышении стандартов безопасности автомобиля.

Фильтрация

Мембраны из пористого пенопласта используются для фильтрации газов и жидкостей.

Очистка воды и поглощение загрязнителей окружающей среды

Пены на основе оксида графена обычно используются для очистки воды. Кроме того, распыляемые пены использовались для восстановления окружающей среды.

Биомедицинские

Биомедицинские устройства, такие как имплантаты и ортопедические изделия, содержат пеноматериалы, что позволяет использовать биосовместимые, но неудобные тяжелые материалы. Например, титановые пены в настоящее время используются в многочисленных ортопедических изделиях, несущих нагрузку.

Легкая броня

В решениях легкой брони для различных сред, таких как земля, море и воздух, часто используются керамика, композитные материалы и металлические пены. Алюминиевая пена обычно используется для производства легкой брони.

Подложки для катализаторов

В подложках для катализаторов используется пенокерамическая структура, обеспечивающая большую площадь поверхности для катализа химических реакций.

Управление температурным режимом

Вспененный графит на основе углерода обычно используется в теплообменниках и радиаторах.

Гашение вибрации и уменьшение шума

Шумоизоляционные свойства некоторых пен используются для создания звуковых барьеров.

Аккумуляторы энергии – аккумуляторы и топливные элементы

Недавние исследования показали, что пены на основе меди можно использовать в передовых устройствах накопления энергии, таких как аккумуляторы и топливные элементы.