Fémhab - cellás szerkezetű fém ( ötvözet ), amely szilárd fémből (gyakran alumíniumból) áll, gázzal töltött pórusokkal, amelyek a térfogat jelentős részét teszik ki. A pórusok lehetnek elszigeteltek (zárt cellás hab) vagy összekapcsolhatók (nyitott cellás hab).
A habosított fémek általában megtartják az alapfém fizikai tulajdonságainak egy részét. A nem gyúlékony fémhab nem gyúlékony marad, alapanyagaként újrahasznosítható. Az alapfémmel összehasonlítva a habosított fém hőtágulási együtthatója azonos, de a hővezető képessége általában csökken.
A fémhab az anyagok új osztályát jelenti , rendkívül alacsony sűrűséggel (az AZ91 ötvözet esetén akár 50 kg/m³), nagy fajlagos merevséggel és zajelnyelő képességgel , valamint alacsony hővezető képességgel kombinálva . A habfémek meghatározó jellemzője a nagy porozitás: jellemzően csak a térfogat 5-25%-a a fémmag. Az anyag szilárdsága a négyzetkocka törvényen alapul.
A leggyakoribb alumínium- és magnéziumötvözeteken alapuló habos fémek - Fomalyum [1] .
A nyitott cellás hab, más néven fémszivacs, hőcserélőkben (kompakt elektronikai hűtés, kriogén tartályok, fázisváltó anyagú hőcserélők), energiaelnyelésben, áramlási diffúzióban és fényoptikában használható. Az anyag magas ára jelentősen korlátozza annak alkalmazását a fejlett technológiákban, a repülésben és a gyártásban.
A kisméretű fémhab nyitott pórusokkal, szabad szemmel láthatatlan, a vegyiparban magas hőmérsékletű szűrőként használatos. A fémhabok használata kompakt hőcserélőkben jelentősen csökkentheti azok méretét és gyártási költségeit. Ezen anyagok legtöbb modellje idealizált periodikus szerkezetet vagy átlagolt makroszkopikus tulajdonságokat használ.
A fémszivacs tömegegységenkénti felülete nagyon nagy, ezért a katalizátorokat gyakran fémszivacs formájában készítik – például Raney-nikkelből , platinafeketéből és palládiumfeketéből . Az olyan fémeket, mint az ozmium és a palládium-hidrid metaforikusan fémszivacsoknak nevezik, de ez a kifejezés inkább a hidrogénnel való kötési képességükre utal, mint a fizikai szerkezetükre.
A nyitott cellás habokat öntési eljárással vagy porkohászati technológiával állítják elő. A por módszernél aggregátumokat használnak a pórusok terének és csatornáinak kialakítására. Az öntési folyamat során a fémhabot nyitott cellás poliuretán habkerettel öntik.
A zárt cellás fémhabot először Meller írta le 1926-ban egy francia szabadalomban, amely könnyűfémek habosítását inert gáz befecskendezésével vagy habosítószer alkalmazásával javasolta. Benjamin Sosnick 1948-ban és 1951-ben két szabadalmat nyújtott be a szivacsos fémekre, amelyek higanygőzt használnak folyékony alumínium habosítására. A zártcellás habfémeket John S. Elliott fejlesztette ki a Bjorksten Research Laboratories-ban 1956-ban. Bár az első prototípusok az 1950-es években készültek, a kereskedelmi gyártást az 1990-es években kezdte meg a japán Shinko Wire. A zárt cellás habokat elsősorban lengéscsillapító anyagként használják, hasonlóan a motoros sisakok habjaihoz, de nagyobb ütési terhelésre. Sok habbal ellentétben a fémhab az ütközés után deformálódik, így csak egyszer tudnak terhelést felvenni. Könnyűek (jellemzően egy azonos nem porózus ötvözet sűrűségének 10–25%-a; gyakran használnak alumíniumötvözeteket) és merevek, és gyakran javasolják könnyű szerkezeti anyagoknak, de nem használják széles körben erre a célra.
A zártcellás habok megőrzik más habok tűzállóságát és újrahasznosíthatóságát, de emellett vízben is felúsznak.
A fémhabot általában úgy állítják elő, hogy gázt fecskendeznek be, vagy habosítószert kevernek az olvadt fémbe. Az olvadékok habosodhatnak, ha az anyagban gázbuborékok képződnek. Normál körülmények között az olvadt fémben lévő buborékok nagy sűrűségű folyadékokban erősen felúsznak, és gyorsan a felszínre emelkednek. Az emelkedés lassítható az olvadt fém viszkozitásának növelésével kerámiaporok vagy ötvözőelemek hozzáadásával, hogy stabilizáló részecskéket képezzenek az olvadékban. A fémolvadékokat háromféleképpen lehet habosítani:
A buborékok stabilizálásához magas hőmérsékletű habosítószerek (nano- vagy mikrométer méretű szilárd részecskék) szükségesek. A pórusok vagy sejtek mérete általában 1-8 mm. Habosító- vagy habosítószerek használatakor ezeket fémporral keverik össze, mielőtt megolvasztják. Ez a habosítás úgynevezett "poros változata", valószínűleg a leggyakoribb (ipari szempontból). Fémpor (pl. alumínium) és habosítószer (pl. titán-hidrid TiH 2 ) összekeverése után tömör tömör nyersdarabokká préselik, pl. rúd, lemez vagy huzal formájában. Ez az anyagformáló eljárások, például a félszáraz sajtolás, az extrudálás (közvetlen vagy folyamatos) és az egyenes menetes hengerlés kombinációjával érhető el.
A kompozit habfémek (CFM) egyik fém üreges golyóiból készülnek egy másik fém szilárd mátrixában (például acél alumínium belsejében). 5-6-szor nagyobb fajlagos szilárdsággal és több mint 7-szer jobb energiaelnyelési jellemzőkkel rendelkeznek, mint a korábbi habfémek.
A kevesebb, mint egy hüvelyk vastag lemez elég stabil ahhoz, hogy teljesen megsemmisítse a szabványos 7,62 × 63 mm-es töltényt az M2 páncéltörő golyóval . A tesztlemez jobban teljesített, mint egy teljesen azonos vastagságú fémlemez, miközben sokkal könnyebb volt. További lehetséges alkalmazások közé tartozik a nukleáris hulladék szállítása (röntgen-, gamma- és neutronárnyékolás) és az űrhajók visszatérésének hőszigetelése, köszönhetően a hagyományos fémeknél kétszeres hő- és tűzállóságnak.
A KPM helyettesítheti a hengerelt acél páncélzatot, ugyanazt a védelmet nyújtva 2/3-ával kisebb súly mellett. Képesek blokkolni az agykárosodást okozó töredékeket és lökéshullámokat. A rozsdamentes acél PLM-ek képesek blokkolni a robbanásnyomást és az 5000 fps-es töredezettséget a képernyőtől 18 hüvelykre felrobbanó HE töltényekből. A KPM acéllemezeket (9,5 mm vagy 16,75 mm vastag) 18 hüvelykre helyezték el a védőlemeztől, amely a robbanásveszélyes nyomáshullámnak és a 23 × 152 mm-es nagy robbanásveszélyes gyújtólövedék által alkotott réz- és acéltöredékeknek volt kitéve (mint az ágyús légvédelemnél). , valamint egy 2,3 mm vastag alumínium védőlemezből [https://web.archive.org/web/20200724215042/https://nplus1.ru/news/2018/03/27/blast Archivált másolat július 24-től, 2020 a Wayback Machine -nél [1]].
A fémhabot sztochasztikusnak nevezzük, ha a pórusok véletlenszerű eloszlásúak. A legtöbb fémhab sztochasztikus szerkezettel rendelkezik a gyártási eljárás következtében:
Az adott szerkezetű habfémet szabályosnak nevezzük. Az öntési módszer lehetővé teszi a normál nyitott cellás habok előállítását. A fémhabok komplementer eljárásokkal, például szelektív lézeres olvasztással is előállíthatók.
A lemezek öntőformák magjaként használhatók, minden alkalmazáshoz egyedileg változtatva az alakot. Ezzel az előállítási módszerrel az úgynevezett "ideális" habfém nyerhető, mivel megfelel a Plateau törvényeinek, és vezetőképes pórusai vannak csonka oktaéderek, Kelvin-cellák formájában (testközpontú köbös szerkezet).
A fémhabokat a mérnöki tudomány különböző ágaiban használják: az autóiparban szerkezeti elemek (lökhárítók stb.) formájában, a repülőgépiparban titán és alumínium "szendvicsek", valamint egyes turbinaalkatrészek formájában, ill. a hajógyártásban személyszállító hajótestek gyártására.
Így például a rézhab olyan eszközökben talált alkalmazást, mint: hőcserélő és hőeltávolító eszközök, mechanikus és akusztikus impulzuscsillapítók, gázkeverők, aeroszolcsapdák, biocid szűrők. Az alumíniumhabot pedig zajelnyelőkben használják; hőcserélő és hőelvezető eszközök; üregek és kapacitások töltőanyagaiban; mechanikai, akusztikus és EM impulzusok csillapítói; gázáramok kiegyenlítői; hordozómátrixok és égésszabályozók szilárd tüzelőanyagokhoz; szendvicspanelek.
A fémhab felhasználható termékek vagy építészeti kompozíciók tervezésében.
A fémhabokat állatok kísérleti protézisében használták. Ebből a célból fémhabot helyeztek a csontba fúrt lyukba, lehetővé téve, hogy a csont a fémbe nőjön, és állandó kapcsolatot hozzon létre. Az ortopédia területén a legelterjedtebb alkalmazás a tantál vagy titán hab, szakítószilárdságuk, korrózióállóságuk és biokompatibilitásuk miatt . Emlősökön végzett vizsgálatok kimutatták, hogy a porózus fémek, mint például a tantál, lehetővé teszik az érképződést (erek növekedését) egy porózus területen belül.
Az ortopédiai eszközök gyártói habszerkezeteket vagy bevonatokat használnak a csontintegráció kívánt szintjének eléréséhez.
AutóiparA fémhabok fő funkciója az autókban a zajszigetelés javítása, a tömeg csökkentése, az energiaelnyelés növelése ütközés esetén, és (katonai alkalmazásokban) a rögtönzött robbanószerkezetek ütközőerejének ellensúlyozása. Például a habbal töltött csövek oldalsó ütközőrúdként használhatók. Az alumínium vagy ötvözete alapú habfémek alacsony sűrűségük (0,4-0,9 g/cm 3 ) miatt kiemelt figyelmet érdemelnek ezen a területen. Merevek, égésgátlók, nem mérgezőek, energiaelnyelőek, újrahasznosíthatók, kevésbé hővezetők, kevésbé mágneses áteresztőképességűek, és hatékonyabbak a zajszigetelésben, különösen az üreges részekhez képest. Az üreges autóalkatrészekben lévő habosított fémek csökkentik az autóbalesetekkel és a vibrációval kapcsolatos gyenge pontokat. Az ilyen habos fémek porkohászattal történő öntése olcsó más üreges alkatrészek öntéséhez képest.
Az autókban használt habpolimerekhez képest a fémhab merevebb, erősebb, jobban felszívja az energiát, jobban ellenáll a tűznek és a kedvezőtlen időjárási viszonyoknak: ultraibolya sugárzásnak, páratartalomnak és hőmérsékleti szélsőségeknek. Azonban nehezebbek, drágábbak és kevésbé jó szigetelési teljesítményük.
Hab fém technológiát alkalmaznak az autó kipufogórendszerében . A kordierit kerámia hordozót használó hagyományos katalizátorokhoz képest a fémhab jobb hőátadást és kiváló tömegátadási tulajdonságokat biztosít (nagy turbulencia), valamint csökkentheti a szükséges platina katalizátor mennyiségét.
Energy AbsorptionA fémhabokat a szerkezet merevségének növelésére használják anélkül, hogy növelnék a tömegét. Erre a célra általában zártcellás alumíniumhabokat használnak. A habpanelt alumíniumlemezre ragasztják, hogy a megfelelő helyen (a lap vastagságában) erős laminált kompozitot kapjanak, amely a habréteg vastagságától függően merev hosszban.
A habfémek előnye, hogy reakciójuk az erő irányától függetlenül azonos. A habosított fémek deformáció után terhelési platójuk van, amely legalább 80%-os tönkremenetelig állandó.
Tian és munkatársai több kritériumot is felsorolnak a hab hőcserélőben történő előállításához. A termikus tulajdonságú fémhabok összehasonlítása a cseregyorsításra általánosan használt anyagokkal (lamellák, ragasztott felületek, golyóréteg) mindenekelőtt azt mutatja, hogy a fémhabok által okozott nyomásveszteség sokkal nagyobb, mint a hagyományos bordák esetében, de sokkal alacsonyabb, mint a golyók használatával.
A fémhab a következő termofizikai és mechanikai tulajdonságokkal is rendelkezik:
A fémhab alapú kompakt hőcserélők kereskedelmi forgalomba hozatala korlátozott a fémhab reprodukálásának magas költsége miatt. Szennyezéssel, korrózióval és erózióval szembeni hosszú távú ellenálló képességük nem pontosan meghatározott. A gyártás szempontjából a habosított fémtechnológiákra való átállás új gyártási és szerelési módszereket, valamint a hőcserélők új kialakítását igényli.
Finom hálós acélhab
Nagy hálós alumíniumhab
Finom hálós alumíniumhab
Ragasztott (nem lezárt) cellás alumíniumhab
Ragasztott (nem lezárt) cellás sárgarézhab