מחקר ויישום של מצב פיתוח של קצף מתכת

קצף מתכת הוא חומר מתכת נקבובי היוצר בועות רבות במטריצת המתכת, המכונה גם קצף מתכת נקבובי. מכיוון שיש לו גם תכונות מתכת וגם כמה תכונות פיזיקליות מיוחדות של מתכות שאינן-, הוא זכה לתשומת לב נרחבת בבית ומחוצה לה. בשנים האחרונות חלה התקדמות רבה במחקר התיאורטי על פיתוח, יישום ופיתוח של מתכת קצף ותכונותיה המבניות.

1. סקירה כללית של התפתחות מתכת קצף בבית ומחוצה לה

מאז SOSNIK בארצות הברית הוסיפה לראשונה כספית לאלומיניום כדי לייצר אלומיניום מוקצף ב-1948, חוקרים עשו עבודה רבה על הכנה, מחקר ביצועים ופיתוח יישומים של מתכת מוקצפת. מערכת השיטה קבועה באופן כללי, שניתן לחלק לשיטת יציקה, שיטת שקיעת מתכת, שיטת מטלורגיית אבקה, שיטת שקיעה בהתזה וכו'. ביניהן שיטת היציקה היא החסכונית ביותר, והתקדמה מאוד ביישום המעשי לאחרונה שנים. לדוגמה, חברת Roa האמריקאית וארה"ב ויפן ייצרו בהצלחה את דרגות סגסוגת העופרת של פרופילי אלומיניום קצף 7075 ו-ALMAG35 בשיטת הקצף ישיר ושיטת יציקת ההשקעה בהתאמה.

מהופעת קצף מתכת ועד שנות ה-70 וה-80, המחקר התמקד בעיקר בהכנת קצף מתכת. לדוגמה, לפתרון בעיית עליית הצמיגות בהכנת קצף אלומיניום יש תנופה רבה להכנת קצף אלומיניום; בנוסף, ההצעה והיישום של מנגנון ליבת הבועה היא פריצת דרך גדולה בהכנת מתכת קצף. התיאוריה היא כמו הוספת חומר גרעיני בתהליך ההתמצקות של מתכת, מה שמאפשר יצירה ישירה של קצף מתכת.

כעת ייצור אלומיניום מוקצף הצליח לבצע ייצור רציף מהקצף ועד תהליך היווצרות.

(א) לייצור רציף של אלומיניום גדול; (ב) לייצור רציף של צלחות גדולות בעובי מסוים; (ג) ליציקות שניתן להשתמש בהן לייצור צורה מסוימת; (ד) לייצור רציף של יציקת צורה מסוימת. שיטה זו היא להשיג קצף מתכת מותכת יציב על פי תורת ליבת הבועות, ולאחר מכן לשאוב אותו ליציקה לקבלת מוצר מוגמר בצורה הרצויה.

מנגד, מדינות שונות השקיעו משאבי כוח אדם וחומר רבים כדי לשפר את תכונות מתכת הקצף, ותכולת המחקר כוללת בעיקר סגסוגת, טיפול בחום, חיזוק סיבים או שיטות חיזוק אחרות של מתכת קצף. ביניהם, חומר הקצף הנקבובי החוזק של Gasser-שפותח על ידי המטלורג האוקראיני שפובאלוב הוא האופייני ביותר. לחומר זה יש רמה גבוהה של שלמות מבנית ובעל חוזק וקשיחות גבוהים בהרבה מחומרי קצף נקבוביים רגילים.

בנוסף, בשנים האחרונות נעשה גם מחקר שיטתי של קצפי מתכת בתיאוריה. קודם כל, במחקר על הפרמטרים המבניים של קצף מתכת, אנשים מרגישים יותר ויותר את הייחודיות של קצף מתכת במבנה הפיזי, זה לא רק חומר מבני, אלא חומר רב תכליתי עם תכונות פיזיות רבות. את המאפיינים המיוחדים שלו ניתן לגלות מהמבנה שלו. לדוגמה, מדידה ומחקר של הנקבוביות הפתוחה והנקבוביות הסגורה של נקבוביות מתכת קצף, מדידה סטטיסטית של גודל הנקבוביות, מדידת שטח פנים ספציפי והשפעת פרמטרים אלו על הביצועים של מתכת קצף. שנית, זה ללמוד את המאפיינים של מתכת קצף, כגון מאפייני דפורמציה, מאפייני ספיגת קול ומאפייני חיכוך פנימיים של מתכת קצף. מחקרים אלו מהווים בסיס תיאורטי למחקר יישומי.

הישגים גדולים הושגו ביישום ובמחקר של מתכת מוקצף, וחתיכות קטנות וגדולות הוכנו ונכנסו לשלב הייצור והיישום הניסיון. לדוגמה, קצף האלומיניום המיוצר על ידי Sumitomo Electric Co., Ltd. היפנית משמש לייצור חלקים-עמידים בחום ועמידות-שחיקה של מכוניות וחלקי רמקולים; במסילות רכבת, קצף אלומיניום משמש לייצור קירות אטומים לרעש עבור חדרי ייצור חשמל של מיזוג-. בנוסף, אלומיניום מוקצף משמש גם כחומר עמיד בפני הלם- עבור מכשירים מדויקים.

מחקר מקומי על מתכת קצף החל רק בשנות ה-80. לאחר יותר מ-10 שנים של חקר ומחקר, כמה יחידות מחקר כגון אוניברסיטת דרום-מזרח, האקדמיה למדעים גוויג'ואו, אוניברסיטת דאליאן לטכנולוגיה, מפעל לעיבוד אלומיניום דרום-מערב שלטו בתחילה בשיטת הייצור של מתכת קצף. ביניהם, אוניברסיטת דרום-מזרח ואקדמיה למדעים של גוויג'ואו הן המתקדמות ביותר. במיוחד, האקדמיה למדעים של גוויג'ואו ייצרה בהצלחה פרופילי קצף אלומיניום בקנה מידה גדול- על ידי שימוש בשיטת ההקצפה הישירה עם סוכני הקצף זולים. לאחר בדיקה של המכון לאקוסטיקה של האקדמיה הסינית למדעים ויחידות אחרות, הספיגה של הקול, המיגון, בלימת זעזועים ועמידות בפני פגיעות, משקל סגולי ומחווני ביצועים אחרים, הגיעו לאינדיקטורים של מוצרים זרים דומים. כיום, אוניברסיטת דרום מזרח פעילה מאוד במחקר על הכנה ותכונות של מתכת מוקצפת. הם מתמקדים בעיקר בהכנת אלומיניום מוקצף בשיטת החלחול, וביצעו ניסויי סימולציה בשיטת החלחול והכינו את האלומיניום המוקצף בשיטת החלחול. חומרים מרוכבים פולימרים, אוניברסיטת הביי לטכנולוגיה הכינה בהצלחה קצף ברזל בעל התכה- גבוהה על ידי הוספת חומרים ליצירת נקבוביות-, והשיגה תוצאות משמחות.

מבחינת הכנת מתכת קצף, ישנם מחקרים מקומיים רבים על שיטת הקצף, שיטה מתכתית ושיטת חלחול, והם בעצם הדביקו את הרמה של מדינות מפותחות זרות, אבל המחקר על שיטת ייצור מתמשך עדיין ריק, ו צריך לפתח כדי להתאים לתנאים הביתיים. שיטת ייצור רציפה.

מבחינת ביצועים תיאורטיים, המחקר המקומי מוקדם יחסית, ותחום המחקר הוא בעצם ברמה בינלאומית מובילה, כגון מדידת פרמטרים מבניים של מתכת קצף, ביצועי הפחתת רעשים, ביצועי בליעת קול תת-מימיים, ביצועי שיכוך וכו'. מחקר רב נעשה והשיג תוצאות ניכרות. מספר הנקבוביות במתכת הקצף הוא עצום והגדלים שונים. קשה מאוד למדוד ידנית את הפרמטרים המבניים הללו. בספרות, המידע הגרפי של מתכת הקצף מוזנת למחשב ועיבוד נתונים מבוצע למדידת הקוטר הממוצע וחלוקת גודל הנקבוביות של הנקבוביות. זה פותר את הבעיה של מדידת הפרמטרים המבניים של מתכת קצף. קצף מתכת הוא סוג של חומר קל משקל ודיכוי גבוה עם זרעי ספיגת אנרגיה גבוהה. מאפיין השיכוך שלו הוא חיכוך פנימי לא ליניארי הקשור קשר הדוק לאמפליטודת המתח, אך אין לו קשר משמעותי עם תדירות המתח. המחקר בתחום זה דווח בחו"ל רק ב-1998.

מבחינת יישום, ישנם מעט מחקרים מקומיים. למרות שהמחקר על ביצועים תיאורטיים הציע הרבה אפשרויות יישום, הוא מנותק מפיתוח יישומים, ואין דיווח על יישום מתכת קצף.

2. מצב הכנה של ברזל מוקצף

למרות שלקצף מתכת יש היסטוריה של כמעט 50 שנה, המחקר והפיתוח של קצף מתכת מתבסס בעיקר על מתכות קלות, במיוחד המחקר על אלומיניום מוקצף הוא הנרחב ביותר. זה נובע מנקודת ההיתוך הנמוכה של האלומיניום וסגסוגותיו, תכונות יציקה טובות וטיפול קל במתכת מותכת. בנוסף, החומרים שניתן להשתמש בהם לייצור מתכת מוקצפת כוללים מתכות בנקודת התכה נמוכה כמו cu, Zn וסגסוגותיהם, אך חומרים אלו הם הרבה פחות נרחבים מהמחקר והפיתוח של אלומיניום קצף.

למחקר של קצף מתכת בנקודת התכה גבוהה, יש בעיקר סגסוגות מבוססות Ni-, Ti- וסגסוגות מבוססות D-, ושיטת הייצור היא בעיקר סינטר מתכות אבקת. דיווחים בהקשר זה הופיעו רק בשנים האחרונות, כגון השימוש בסגסוגות מבוססות Ni- לייצור אלקטרודות נקבוביות דקות.

דוחות המחקר על ברזל מוקצף נדירים אף יותר, רק כמה דוחות קשורים על ברזל-המכיל מתכת קצף זהב טייוואן, אחד מהם הוא Cu-Fe. ייצור מתכת קצף sn, שבה תכולת ה-Fe (שבריר המסה) היא 60 אחוז עד 80 אחוז, וה-cu הוא 10 אחוז עד 30 אחוז, המתקבלת על ידי סינטר מטלורגית אבקת, והנקבוביות שלה היא 10 אחוז עד 35 אחוז. [3U]; עוד Fe-Cr-AI. RE Taijin, Fe מהווה 70 אחוז ~ 8O אחוז , מיוצר גם בשיטת סינטר, Fe קיים בצורה של סיבים"; יש גם אבקת Fe ואבקת מתכת נוספת המודבקת למבנה רשת שרף דביק, ולאחר מכן מסונטרת לקבלת יריעת קצף מתכת דקה, המשמשת כאלקטרודה. בנוסף, ישנם דיווחים על הכנת קצף ברזל בשיטת החלחול, ודיווחים על הכנת קצף ברזל בשיטת הכדור החלול, אך הם לא זכו לפופולריות .

במילה אחת, ההכנה והיישום של קצף ברזל בעל התכה גבוהה- נמצאים רק בחיתוליו, והשיטה מורכבת ופשוטה יחסית. לכן, יש צורך לחקור ולפתח שיטות הכנה לקצף ברזל בהתכה גבוהה- ולמתכות אחרות בנקודת התכה- גבוהה וסגסוגותיהן, כדי להשתמש בהן בהקדם האפשרי חומר פונקציונלי זה בעל תכונות מיוחדות רבות תורם לאנושות.

3. מאפיינים ויישומים של קצף מתכת

מכיוון שישנם חורים רבים במתכת הקצף, הגודל, המספר, האחידות, הקישוריות והסגירה של החורים ישפיעו על הביצועים שלה.

3.1 פרמטרים ומאפיינים מבניים

1) גודל נקבוביות: גודל נקבוביות מתייחס בדרך כלל לקוטר הממוצע של הנקבוביות, שהוא הפרמטר הבסיסי של מתכת קצף. גודל הנקבוביות של מתכת קצף הוא בדרך כלל גדול יותר, O. 1-10 מ"מ או יותר (בדרך כלל, הפתח של מתכת אבקת מתכת אינו עולה על 0.3 מ"מ).

2) נקבוביות כוללת, נקבוביות יעילה: נקבוביות כוללת מתייחסת ליחס בין הנפח שתופסים הנקבוביות לנפח הכולל (שניתן לקבל בשיטת השקילה). מכיוון שלא כל הנקבוביות מחוברות זו לזו, היחס בין הנקבוביות המחוברות לנפח הכולל נקרא הנקבוביות האפקטיבית. רק כאשר כל הנקבוביות מחוברות, נקבוביות L הכוללת שווה לנקבוביות L האפקטיבית. הנקבוביות של קצף מתכת גבוהה יחסית, והנקבוביות שלו היא בין 40 אחוז ל-90 אחוז.

3) נקבוביות דרך: היחס בין קוטר תעלת הנקבוביות הממוצע לקוטר הנקבוביות הממוצע בכל קטע הוא נקבוביות דרך.

4) משקל סגולי ושטח פנים ספציפי: המשקל הסגולי של מתכת קצף הוא קל. בדרך כלל רק 1/10-3/5 מאותו נפח של מתכת. שטח הפנים הספציפי שלו גדול יותר, שהוא lO-40cm²/cm³

3.2 מאפייני ביצועים

3.2.1 משקל קל ומשקל סגולי קטן

בשל קיומם של חורים גדולים וקטנים רבים במטריצת המתכת, חומר זה הוא ללא ספק קל במשקל. המשקל הסגולי קטן. המשקל הסגולי של אלומיניום מוקצף נע בין {{0}}.2 ל-0.5 גרם/ס"מ, והערך הממוצע שלו הוא רק 1/10 מזה של האלומיניום.

3.2.2 מאפיינים מכניים

חוזק המתיחה של מתכת קצף נמוך יחסית. החוזק הספציפי גם הוא נמוך יחסית, אך חוזק הלחיצה וחוזק הכיפוף גבוהים. חוזק המתיחה של אלומיניום מוקצף הוא רק כ-1/100 מזה של אלומיניום, והחוזק הספציפי הוא כ-1/10 מזה של אלומיניום. אלומיניום מוקצף בעל ניתוק נמוך. לדוגמה, לקצף אלומיניום אין גמישות של אלומיניום מתכתי, וכמעט לא מתרחש עיוות פלסטי בלחץ. מודול האלסטי של אלומיניום מוקצף הנמדד בבדיקת כיפוף הוא בערך 1/50-1/100 מזה של סגסוגת אלומיניום.

3.2.3 מאפייני ספיגת אנרגיית זעזועים

לחומר המתכת הקצף יש רשת ייחודית, מבנה נקבובי לא-כיווני וללא אפקט ריבאונד. באמצעות בדיקת המתח-של חומר זה, נמצא שהמתח שלו מפגר מאוד אחרי הלחץ, ובעקומת הלחץ-עקומת המתח E קו המכיל רמה ארוכה, קצף מתכת הוא חומר בעל תכונות ספיגת אנרגיית השפעה גבוהה.

3.2.4 תכונות תרמופיזיקליות

למתכת מוקצפת יש בדרך כלל עמידות בחום גבוהה, גם אם הטמפרטורה מגיעה לנקודת ההתכה של סגסוגת הבסיס, היא לא תתמוסס. לדוגמה, לסגסוגות ALMAG יש טווח טמפרטורות של 560-640. C, אבל סגסוגת הקצף מסגסוגת ALMAG מחוממת ל-1400 באטמוספירה. גם C לא מתמוסס.

3.2.5 ביצועי שידור

חדירות היא מזלג-האופייני לקצף מתכת דרך-תאי. באמצעות התאמה של מבנה נקבוביות מתכת הקצף (כגון נקבוביות, גודל נקבוביות, דרך נקבוביות וכו'). ניתן להשיג חומרי מתכת מוקצפת עם דרישות חדירות שונות.

3.2.6 אקוסטיקה וחשמל

שכן קצף מתכת דרך-חור, כאשר גל הקול נוגע במשטח המתכת, הוא חודר לחור של קצף המתכת באמצעות השתקפות מפוזרת, והרעידה הפנימית של המתכת ממירה את אנרגיית הקול לאנרגיית חום, המנגנת תפקיד בהפחתת רעש. גלים אלקטרומגנטיים שימשו לבדיקת מתכת קצף, ונמצא שגם למתכת קצף הייתה אפקט של ספיגת גלים אלקטרומגנטיים, ולכן גם למתכת קצף הייתה אפקט מגן על גלים אלקטרומגנטיים.

3.3 יישום מתכת קצף

לאור הסוגים השונים של מתכת קצף שהוזכרו לעיל, ישנם תחומי יישום מקבילים רבים של מתכת קצף. הצורך ביישום הוא גם המשמעות של הפיתוח של סוג חדש זה של חומר.

3.3.1 השתמש בתכונות תרמופיזיקליות מצוינות

למתכת מוקצפת יש שטח פנים ספציפי גדול, וניתן להשתמש בה לייצור מחליפי חום ורדיאטורים למתכת מוקצפת באמצעות-תא; עבור מתכת מוקצפת-תאית סגורה, ניתן להשתמש בה כחומר בידוד תרמי.

3.3.2 נצל את מאפייני ספיגת אנרגיית ההלם

זהו אחד השימושים החשובים של מתכת קצף לייצור חוצצים ובולמי זעזועים. היישומים שלו נעים בין מדף הפגיעה של המכונית ועד לגלגלי הנחיתה של החללית, והוא שימש בהצלחה במעליות, רפידות בטיחות למסוע ובבטות-סופגות אנרגיה עבור מגיני מטחנה במהירות גבוהה- .

3.3.3 ניצול חדירות

באמצעות חדירות של קצף מתכת, זה יכול לשמש כחומר חשוב להכנת מסננים. בהשוואה למתכת נקבוביות של אבקת מתכות, יש לה מאפיינים של גודל נקבוביות גדול ונקבוביות גבוהה, ולמסנן המיוצר איתו מגוון רחב של יישומים, שניתן להשתמש בהם כדי לסנן חלקיקים מוצקים מנוזל, אוויר או זרימות אוויר אחרות.

3.3.4 שימוש בתכונות אקוסטיות ואלקטרומגנטיות

באמצעות תכונות-בליטת הקול של מתכת קצף, היא משמשת בעיקר להפחתת רעש והפחתת רעש, כגון משתיקי הנחתה עבור תחנות כוח קיטור, כלים פניאומטיים, מכוניות וכו'. ביפן הושגו תוצאות מבטיחות בתחום חדרי-מחוללי רכבות במהירות גבוהה, אולפני הקלטות רדיו וספיגת קול Shinkansen.

3.3.5 שימושים אחרים

מתכת בועות יכולה לשמש גם בתעשיית הבנייה, כגון חלקים דקורטיביים פנימיים וחיצוניים של מבנים, קירות מסך, קירות וכו'; זה יכול לשמש גם כמעמד למחשב; קופסאות אריזה שונות וכו'... באמצעות עמידות אש של מתכת קצף, ניתן להשתמש בה לחומרים עקשנים בתעשיות כגון בנייה; או על ידי עיבוד החורים שלו, ניתן להשתמש בו לחומרים מעכבי בעירה. בתעשייה הכימית, זה יכול לשמש כנשא זרז. בנוסף, קצף מתכת יכול לשמש גם כאלקטרודה נקבובית.

לסיכום, היישום של מתכת קצף הוא נרחב למדי, ניתן להשתמש בה בתחומים רבים כגון תעשיית הבנייה, תעופה, תעשיית המחשבים, תעשיית התחבורה והאריזה, ועם שיפור מתמיד של תהליך ייצור מתכת קצף והמחקר והמחקר שלו. פיתוח עם ההעמקה המתמשכת, תחום היישום של מתכת קצף עדיין מתרחב. לכן, למחקר ולפיתוח של מתכת קצף יש ערך יישום מעשי רב.