1. Τι είναι ο αφρός μετάλλου και ο αφρός αλουμινίου
Στην πορεία της ιστορίας, η ανακάλυψη του αφρώδους μετάλλου αποτελεί σημαντικό ορόσημο στην επανάσταση ολόκληρου του τομέα της μηχανικής υλικών. Ο αφρός μετάλλου είναι ένα υλικό που αποτελείται από μια μεταλλική δομή που έχει μεγάλο αριθμό πόρων και είναι γεμάτο με αέριο κατά μήκος της δομής [2]. Οι πόροι αυτών των μεταλλικών αφρού μπορούν να αλληλοσυνδεθούν ή να σφραγιστούν και ονομάζονται αφρός ανοιχτής κυψέλης και αφρός κλειστής κυψέλης, αντίστοιχα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2(α)(β) [3]. Μεταξύ αυτών, το αφρώδες υλικό αλουμινίου είναι σήμερα το πιο πολλά υποσχόμενο αφρώδες μέταλλο, λόγω του υψηλού πορώδους, της χαμηλής πυκνότητας, του μικρού βάρους, της υψηλής αντοχής, της καλής συμπιεστότητας, της ισχυρής απορρόφησης κρούσης, της καλής απόδοσης απορρόφησης ήχου και της καλής απόδοσης ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης. Εξαιρετική απόδοση, γνωστή ως «μεταλλικό αστέρι» [4], που χρησιμοποιείται ευρέως σε άλλες μεθόδους επεξεργασίας στους τομείς της αεροδιαστημικής μηχανικής, της κατασκευής και των φυσικών επιστημών.
Σχήμα 2. Δομικά χαρακτηριστικά αφρού αλουμινίου: (α) Αφρός αλουμινίου ανοιχτής κυψέλης. (Β) Αφρός αλουμινίου κλειστής κυψέλης [3]
2. Η ανακάλυψη του αφρού αλουμινίου
Σε όλη την ιστορία, υλικά όπως το κόκκαλο, το ξύλο και η ελαφρόπετρα έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για μεγάλο χρονικό διάστημα. Πολλοί ερευνητές προβλέπουν ότι η χρησιμότητα αυτών των υλικών έχει προωθήσει την παραγωγή τεχνητών υλικών όπως ο αφρός μετάλλου. Αν και οι περισσότερες από τις τεχνολογίες αφρισμού που χρησιμοποιούνται αυτή τη στιγμή έχουν προταθεί από τη δεκαετία του 1950, μελέτες έχουν δείξει ότι η ανακάλυψη του αφρισμένου αλουμινίου μπορεί να εντοπιστεί στο 1926, όταν ο Ma De Meller ανέφερε για πρώτη φορά τον αφρισμό μετάλλων σε ένα γαλλικό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Ο Meller πρότεινε κάποτε ότι η διαδικασία αφρισμού μετάλλου μπορεί να επιτευχθεί με την εισαγωγή αδρανούς αερίου στο τηγμένο μέταλλο ή με τη χρήση ενός παράγοντα αφρισμού όπως το ανθρακικό στο τηγμένο μέταλλο. Αν και αυτό είναι απλώς ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας που βασίζεται στην ιδέα, θέτει τα θεμέλια για τα επόμενα βήματα που απαιτούνται για την ανάπτυξη αφρού αλουμινίου. Ο John C. Elliott ανέπτυξε περαιτέρω αυτή την ιδέα 20 χρόνια αργότερα, σχεδιάζοντας μια ενημερωμένη έκδοση του διπλώματος ευρεσιτεχνίας Meller και εισάγοντας τον πρώτο διαθέσιμο αφρό αλουμινίου, ο οποίος με τη σειρά του συνέβαλε στην εμπορευματοποίηση του υλικού στην Ιαπωνία τη δεκαετία του 1990. Η απελευθέρωση έθεσε τα θεμέλια [5].
3. Απόδοση και εφαρμογή αφρού αλουμινίου
Το αφρώδες αλουμίνιο είναι ένα μέταλλο με υψηλό πορώδες και πορώδη δομή, στο οποίο οι σφραγισμένοι πόροι αντιπροσωπεύουν περίπου τα τρία τέταρτα του συνολικού όγκου του μεταλλικού υλικού, καθιστώντας το υλικό πολύ ελαφρύ [7]. Εκτός από τα παραπάνω χαρακτηριστικά, το αφρώδες αλουμίνιο έχει επίσης εντυπωσιακά χαρακτηριστικά απορρόφησης ενέργειας και υψηλή συμπιεστότητα [7]. Όσον αφορά την πυκνότητα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η πυκνότητα των περισσότερων δειγμάτων με αφρό αλουμινίου είναι περίπου 0,4-1,2 g·cm-3 [6]. Επιπλέον, το αφρώδες αλουμίνιο έχει επίσης ηχοαπορρόφηση, δυνατότητα ανακύκλωσης και χαμηλή θερμική αγωγιμότητα [7].
Όσον αφορά την εφαρμογή, η ηλεκτρομαγνητική θωράκιση, το μικρό βάρος και οι απορροφητικές ιδιότητες του αφρού αλουμινίου το καθιστούν ιδανικό υποψήφιο για εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται σε συσκευές ελεγχόμενης πυρηνικής σύντηξης, αυτοκινήτων, αεροδιαστημικής και κατασκευαστικής βιομηχανίας λόγω της αντοχής του σε ακραία φυσικά περιβάλλοντα. Στην ελεγχόμενη συσκευή πυρηνικής σύντηξης, ο αφρός αλουμινίου κλειστής κυψέλης είναι ένα εξαιρετικό υλικό ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης. Λόγω της διασύνδεσης του σκελετού από αφρό αλουμινίου, έχει τεράστια ειδική επιφάνεια και καλή ικανότητα να απορροφά και να ανακλά ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Προκύπτουν διάφορες απώλειες, όπως απώλεια απορρόφησης, απώλεια ανάκλασης κ.λπ., έτσι ώστε το αφρώδες αλουμίνιο να έχει εξαιρετική απόδοση ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης. Επιπλέον, διαπιστώθηκε επίσης ότι η αποτελεσματικότητα της ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης του αφρώδους αλουμινίου παρουσίασε μια τάση πρώτα να μειώνεται και στη συνέχεια να αυξάνεται με την αύξηση της συχνότητας ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων [3]. Στην αεροδιαστημική βιομηχανία, το αφρώδες αλουμίνιο χρησιμοποιείται για την κατασκευή διαστημικών κώνων ή εξαρτημάτων στροβίλου. Λόγω της χαμηλής ποιότητας του αφρώδους αλουμινίου, είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για τη μείωση του συνολικού βάρους των εξαρτημάτων του αεροσκάφους [7]. Και ως εξαιρετικό υλικό απορρόφησης ενέργειας, το αφρώδες αλουμίνιο χρησιμοποιείται για την κατασκευή των αποσβεστήρων, των απορροφητών κραδασμών και του κάτω μέρους της καμπίνας επιστροφής του διαστημικού σκάφους, έτσι ώστε το διαστημικό σκάφος να επιτύχει ασφαλή προσγείωση και να προστατεύσει την ασφάλεια των αστροναυτών και του διαστημικού εξοπλισμού. Μέσω αποτελεσματικής απορρόφησης ενέργειας και απορρόφησης κραδασμών, το αφρώδες αλουμίνιο μπορεί να εξασφαλίσει την ασφάλεια των αστροναυτών υπό την πρόσκρουση της προσγείωσης του διαστημικού σκάφους, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 [8].
Εικόνα 3. Βελτιωμένη μερική δομή της ανθεκτικής σε κρούση σεντίνας[8]
1-άνω δέρμα? χορδές αλουμινίου 2 αφρού. 3-Κάτω δέρμα
Στην αυτοκινητοβιομηχανία, το αφρώδες αλουμίνιο συμβάλλει στη μείωση του συνολικού αριθμού των εξαρτημάτων που χρησιμοποιούνται στο πλαίσιο, κάνει τη διαδικασία συναρμολόγησης πιο αποτελεσματική και τελικά συμβάλλει στη μείωση του κόστους και στη βελτίωση της απόδοσης [7]. Επί του παρόντος, το αφρώδες αλουμίνιο χρησιμοποιείται σε ράβδους κατά της σύγκρουσης, δοκούς και δοκούς πόρτας σε δομές αμαξώματος αυτοκινήτων στην αγορά, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4 [9-10].
Σχήμα 4. (α) είναι ένα διάγραμμα μερικών μερών απορρόφησης ενέργειας του αμαξώματος του αυτοκινήτου.
(Β) Σχηματικό διάγραμμα αντισύγκρουσης ράβδου αφρού αλουμινίου
Στον κατασκευαστικό κλάδο, η κύρια χρήση του αφρώδους αλουμινίου είναι ως προστατευτικό, πυρίμαχο φράγμα για την αποφυγή έντονου θορύβου. Η τυπική εφαρμογή του αφρού αλουμινίου κλειστής κυψέλης στην αρχιτεκτονική είναι το Shanghai SOHO Fuxing Plaza. Ο σχεδιαστής χρησιμοποιεί μεγάλη ποσότητα αφρώδους αλουμινίου για να απορροφήσει και να μονώσει τον ήχο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6 [11].
Η ανακάλυψη αφρού αλουμινίου θεωρείται αξιοσημείωτο επίτευγμα. Το αφρώδες υλικό αλουμινίου συνδυάζει εξαιρετική απόδοση ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης, μικρό βάρος, χαμηλή πυκνότητα, απορρόφηση κραδασμών και απόδοση απορρόφησης ενέργειας, επομένως έχει πολύ καλές επιδόσεις σε διάφορες βιομηχανίες σήμερα. Ευρεία εφαρμογή. Είναι ενδιαφέρον ότι το αφρώδες αλουμίνιο είναι επίσης ένα φιλικό προς το περιβάλλον προϊόν που μπορεί να ανακυκλωθεί, πράγμα που σημαίνει ότι είναι ένα βιώσιμο υλικό και αναμένεται να χρησιμοποιηθεί σε μεγάλες ποσότητες σε μελλοντικές βιομηχανικές εφαρμογές.
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-30-2021
