Статьи
Метал майбутнього стане пористим
Автор:
Анастасія Богданова
Фото з сайтів fraunhofer.de, wikipedia.org
Всім відомо, що кістка, - один з найбільш міцних біологічних матеріалів. Кісткова тканина стійка до опору і стисненню, надзвичайно довго протистоїть руйнуванню. Схожим на неї вчені вирішили зробити і метал майбутнього.
металеве диво
З розвитком технологій виявляється все більше можливостей модифікації традиційних матеріалів, наприклад металу. Структура, що складається, як правило, з алюмінію, і містить велику кількість наповнених газом пір - називається металева піна. Як правило, приблизно 75-95 відсотки її обсягу складають порожнечі. Матеріал має унікально малою вагою - деякі види металевої піни настільки легкі, що плавають на поверхні води. При цьому міцність такої піни в кілька разів перевищує міцність традиційного металу.
Про пористих металах заговорили ще в 1990-х роках. Вважалося, що відмінною рисою такого матеріалу є низька щільність: 0,4 - 1 грам на кубічний сантиметр. В силу особливостей своєї структури металева піна здатна поглинати велику кількість енергії при відносно низькому рівні напруги. Технологія забезпечила можливість поєднання різних металів і отримання виробів різноманітної форми. Дослідження здійснювалися з алюмінієм, але можливе отримання піни з олова, цинку, бронзи, свинцю, латуні та інших металів.
Металева піна, так званий пінонікель, розробляється, зокрема, російською компанією «Новомет-Перм». За даними цієї фірми, такий матеріал екстремально високою сполученої пористістю 96 відсотків і екстраординарними властивостями. Це структурний аналог відкритого пористого пінополіуретану, з високою хімічною і термічною стійкістю, металевої міцність і твердість, низьким гідравлічним опором і розвиненою питомою поверхнею. Пінонікель, зрозуміло, надзвичайно пластичний і технологічний, піддається різним видам механічної обробки для додання виробам необхідної геометричної конфігурації.
Унікальні властивості пінонікель роблять його придатним для широкого діапазону застосувань. Серед них: теплообмінники, пламепреградітелі, звукоізолюючі пристрої, гомогенізатори рідин і газів, електрофільтри, адсорбер, наповнювачі багатошарових конструкцій
Піна нового покоління
Як і все в науці, металева піна піддалася вдосконалення. Нещодавно доктор Афсанех Рабіей з університету Північної Кароліни відкрила найміцнішу металеву піну в світі. Матеріал може стискуватися до 80 відсотків свого розміру під дією ваги і зберігати первинну форму. Нова металева піна унікальна завдяки своїй однорідності осередків і їх стінок. Саме це надає їй міцність і еластичність, необхідну для стиснення без деформації.
Сфери застосування такої металевої піни - найрізноманітніші. Найбільш же перспективним є використання в автомобіле- і машинобудування. Вважають, що металева піна може застосовуватися в якості елементів бічної і лобової обшивки кузовів автомобілів і залізничних вагонів з метою максимального поглинання енергії удару при зіткненнях. Захист водія та пасажирів стане максимально надійною і комфортною. Метал ідеальний при створенні військової амуніції, в будівництві - еластична і міцна піна в конструкції будівель здатна витримати будь-землетрус. В майбутньому металева піна може стати невід'ємною частиною машинобудування, а також використовуватися у виробництві металокераміки. Матеріал ідеально підходить для створення великогабаритних надзвичайно міцних конструкцій - іншого матеріалу, який здатний забезпечити таке співвідношення міцності та ваги, людство ще не придумало. Безумовно, вона буде активно застосовуватися в космічних технологіях, де мінімізація маси має величезне значення.
Російської дійсності ще чекає знайомство з металевої піною. Спеціаліст випробувального центру «СПбГАСУ» Віктор Звєрєв відмовився від коментарів, сказавши лише: «Такий матеріал нам не знайомий і не проходив ліцензування».
З'ясувалося, що і на заводах панує пенометалліческій нігілізм. Думка інженерів розділилося. Одні дивуються винаходу, наприклад, В'ячеслав Коньков з «Металіста»: «Це щось нове і дуже цікаве, вишліть мені по факсу інформацію». Інші ж скептично заявляють: «Навряд чи це найміцніший матеріал. Ми не використовуємо ніяку металеву піну », - прокоментував Юрій ФІЛІСІТ з компанії« Петросталь ». Ймовірно, в майбутньому ситуація зміниться.
рецептура
Який же процес виробництва такої піни? Технологія проста. Спершу змішують порошки металів або сплавів зі спеціальним сполучною, яке проникає в металеву матрицю. Відбувається термообробка матриці, що поміщається в порожнисту форму, при температурі, близькій до точки плавлення даного металу. В результаті метал плавиться, що міститься в з'єднанні газоподібний водень звільняється і спінює рідкий метал. Останній піднімається, як дріжджове тісто: обсяг утворюється матеріалу, що складається на 85 відсотка з повітря і на 15 - з металу, уп'ятеро перевищує вихідний. Після охолодження деталі виймаються з форми - вони готові до використання.
практичний аспект
Металеві піни з алюмінію, магнію, сталі, титану або цинку витримують високий тиск, приглушують звук, послаблюють вібрації, добре ізолюють. Вони легко піддаються свердління, розпилювання і фрезерування, а тому успішні для захисту від ударів в автомобілях, в якості каталізаторів в хімії, в виготовленні паливних елементів, а також як біологічно сумісний протез кісткової тканини в медицині.
У авіакосмічної промисловості заміна алюмінієвими пінними панелями дорогих стільникових конструкцій може скоротити витрати виробництва. Алюмінієві пористі панелі можуть сприяти скороченню споживання енергії при експлуатації ліфтів, так як в умовах високих швидкостей їх руху і частої зміни прискорень і уповільнень легкість конструкції набуває особливо значення. Широке поле застосування в будівництві відкривається і для вспенивающем заготовок, які можуть, наприклад, використовуватися для закріплення штепсельних розеток в бетонній стіні. Така заготовка може бути поміщена в отвір в стіні і піддана нагріванню після монтажу розетки, в результаті чого забезпечується дуже міцне з'єднання.
Можливо також створення конструктивних елементів з основою з алюмінієвої піни, покритої шарами алюмінію, сталі, пластмаси або вуглецевих волокон. «Сьогодні ці технології придатні для виробництва великих серій і повністю автоматизовані», - заявляє фізик Йоахім Баумайстер з Інституту виробничих технологій і прикладного матеріалознавства ім. Фраунгофера в Бремені. Однак у алюмінію є і недоліки. Один з найважливіших - алюмінієвий брухт важко використовувати повторно: в ньому багато різних легуючих добавок. При цьому сталевий брухт цілком йде на вторинну переплавку. З цієї причини на автозаводах використовується лише 35 відсотків алюмінію. Якщо ще врахувати, що виробництво алюмінію один з найнебезпечніших забруднювачів природи, то широка дорога в виробництво піні з цього металу здається закритою.
У медицині металеві піни використовують для прискорення процесів загоєння кісткової тканини. Як вже було зазначено, структура пористого матеріалу подібна природної структурі кістки. Тому він ідеально підходить для її заміщення.
Використання композитних імплантантів з титанової піни дозволяє значно прискорити одужання пацієнтів зі складними переломами кісток. Вчені розробили біологічно сумісний матеріал, структурою і фізичними властивостями подібний природної кісткової тканини. В результаті титанова піна виступає каркасом, а мінеральне покриття забезпечує вростання в нього кісткової тканини.
Як видно, мало знайомий російським експертам, але дуже цікавий і багатообіцяючий метал - важливе відкриті. Своєчасне і потрібне.