Una espuma de metal es una estructura celular que consta de un metal sólido (frecuentemente aluminio ) con poros llenos de gas que comprenden una gran parte del volumen. Los poros pueden estar sellados ( espuma de celda cerrada ) o interconectados (espuma de celda abierta). La característica definitoria de las espumas metálicas es una alta porosidad : por lo general, solo el 5–25% del volumen es el metal base. La resistencia del material se debe a la ley del cuadrado-cubo .
Las espumas metálicas suelen conservar algunas propiedades físicas de su material base. La espuma hecha de metal no inflamable sigue siendo no inflamable y generalmente se puede reciclar como material base. Su coeficiente de expansión térmica es similar, mientras que la conductividad térmica probablemente se reduzca. [1]
De celda abierta
La espuma metálica de celdas abiertas, también llamada esponja metálica, [2] se puede utilizar en intercambiadores de calor ( refrigeración de componentes electrónicos compactos , tanques criogénicos , intercambiadores de calor PCM ), absorción de energía, difusión de flujo y ópticas ligeras . El alto costo del material generalmente limita su uso a tecnología avanzada, aeroespacial y de fabricación.
Las espumas de celda abierta de escala fina, con celdas más pequeñas de las que se pueden ver sin ayuda, se utilizan como filtros de alta temperatura en la industria química.
Las espumas metálicas se utilizan en intercambiadores de calor compactos para aumentar la transferencia de calor a costa de una presión reducida. [3] [4] [5] [ aclaración necesaria ] Sin embargo, su uso permite una reducción sustancial en el tamaño físico y los costos de fabricación. La mayoría de los modelos de estos materiales utilizan estructuras idealizadas y periódicas o propiedades macroscópicas promediadas.
La esponja de metal tiene un área de superficie muy grande por unidad de peso y los catalizadores a menudo se forman en esponjas de metal, como el negro de paladio , la esponja de platino y el níquel esponjoso . Los metales como el osmio y el hidruro de paladio se denominan metafóricamente "esponjas metálicas", pero este término se refiere a su propiedad de unirse al hidrógeno, más que a la estructura física. [6]
Fabricación
Las espumas de células abiertas se fabrican mediante fundición o pulvimetalurgia . En el método del polvo, se utilizan "soportes espaciales"; como sugiere su nombre, ocupan los espacios porosos y los canales. En los procesos de fundición, la espuma se funde con un esqueleto de espuma de poliuretano de celda abierta .
De celda cerrada
Meller informó por primera vez sobre la espuma metálica de celda cerrada en 1926 en una patente francesa en la que se sugería la formación de espuma de metales ligeros, ya sea mediante inyección de gas inerte o mediante agente de expansión. [7] Se otorgaron dos patentes sobre metal similar a una esponja a Benjamin Sosnik en 1948 y 1951, quien aplicó vapor de mercurio para soplar aluminio líquido. [8] [9]
Las espumas metálicas de celda cerrada fueron desarrolladas en 1956 por John C. Elliott en Bjorksten Research Laboratories. Aunque los primeros prototipos estaban disponibles en la década de 1950, la producción comercial comenzó en la década de 1990 por la empresa Shinko Wire en Japón. Las espumas metálicas de celda cerrada se utilizan principalmente como material absorbente de impactos, de manera similar a las espumas de polímero en un casco de bicicleta, pero para cargas de impacto más altas. A diferencia de muchas espumas poliméricas, las espumas metálicas permanecen deformadas después del impacto y, por lo tanto, solo pueden deformarse una vez. Son livianos (típicamente del 10 al 25% de la densidad de una aleación no porosa idéntica; comúnmente los de aluminio) y rígidos y frecuentemente se proponen como un material estructural liviano. Sin embargo, no se han utilizado ampliamente para este propósito.
Las espumas de celda cerrada retienen la resistencia al fuego y el potencial de reciclaje de otras espumas metálicas, pero agregan la propiedad de flotación en agua.
Fabricación
Las espumas se fabrican comúnmente inyectando un gas o mezclando un agente espumante en el metal fundido . [10] Los materiales fundidos pueden formarse espuma creando burbujas de gas en el material. Normalmente, las burbujas en el metal fundido son muy flotantes en el líquido de alta densidad y ascienden rápidamente a la superficie. Este aumento se puede ralentizar aumentando la viscosidad del metal fundido añadiendo polvos cerámicos o elementos de aleación para formar partículas estabilizadoras en la masa fundida, o por otros medios. Las masas fundidas metálicas se pueden espumar de tres formas:
- inyectando gas en el metal líquido desde una fuente externa;
- provocando la formación de gas en el líquido mezclando agentes de expansión que liberan gas con el metal fundido;
- provocando la precipitación de gas que se disolvió previamente en el metal fundido.
Para estabilizar las burbujas de metal fundido, se requieren agentes espumantes de alta temperatura (partículas sólidas de tamaño nanométrico o micrométrico). El tamaño de los poros o células suele ser de 1 a 8 mm. Cuando se usan agentes espumantes o de soplado, se mezclan con el metal en polvo antes de que se derrita. Esta es la llamada "ruta del polvo" de la formación de espuma, y probablemente sea la más establecida (desde un punto de vista industrial). Después de que se hayan mezclado los polvos de metal (por ejemplo, aluminio ) y el agente espumante (por ejemplo, TiH 2 ), se comprimen en un precursor sólido compacto, que puede estar disponible en forma de tocho, hoja o alambre. La producción de precursores se puede realizar mediante una combinación de procesos de formación de materiales, como el prensado de polvo, [11] extrusión (directa [12] o conformada [13] ) y laminado plano . [14]
Composicion
La espuma de metal compuesto (CMF) se forma a partir de perlas huecas de un metal dentro de una matriz sólida de otro, como el acero dentro del aluminio, muestra de 5 a 6 veces mayor relación resistencia / densidad y más de 7 veces mayor absorción de energía que las espumas metálicas anteriores. [15]
Una placa de menos de una pulgada de grosor tiene suficiente resistencia para convertir en polvo una bala perforadora de blindaje M2 estándar Springfield .30-06 . La placa de prueba superó a una placa de metal sólido de espesor similar, mientras que pesaba mucho menos. Otras aplicaciones potenciales incluyen la transferencia de desechos nucleares (protección contra rayos X , rayos gamma y radiación de neutrones ) y aislamiento térmico para la reentrada atmosférica de vehículos espaciales, con el doble de resistencia al fuego y al calor que los metales simples. [16] [17] Otro estudio que probó la resistencia de CMF a rondas de calibre .50 encontró que CMF podía detener tales rondas a menos de la mitad del peso de una armadura homogénea enrollada . [18]
CMF puede reemplazar la armadura de acero laminado con la misma protección por un tercio del peso. Puede bloquear fragmentos y las ondas de choque que son responsables de las lesiones cerebrales. El CMF de acero inoxidable puede bloquear la presión de explosión y la fragmentación a 5,000 pies por segundo de rondas incendiarias de alto explosivo (HEI) que detonan a 18 pulgadas del escudo. Se colocaron placas CMF de acero (9.5 mm o 16.75 mm de espesor) a 18 pulgadas de la placa de impacto sostenida contra la ola de presión de explosión y contra los fragmentos de cobre y acero creados por una ronda HEI de 23 × 152 mm (como en las armas antiaéreas ) así como una placa de contacto de aluminio de 2,3 mm. [19]
Espumas estocásticas y regulares
Estocástico
Se dice que una espuma es estocástica cuando la distribución de porosidad es aleatoria. La mayoría de las espumas son estocásticas debido al método de fabricación:
- Espuma de metal líquido o sólido (polvo)
- Deposición de vapor (CVD en una matriz aleatoria)
- Fundición aleatoria directa o indirecta de un molde que contiene perlas o matriz
Regular
Se dice que una espuma es regular cuando se ordena la estructura. El moldeo directo es una tecnología que produce espumas regulares [20] [21] con poros abiertos. Las espumas metálicas también se pueden producir mediante procesos aditivos como la fusión selectiva por láser (SLM).
Las placas se pueden utilizar como núcleos de fundición. La forma se personaliza para cada aplicación. Este método de fabricación permite una espuma "perfecta", así llamada porque satisface las leyes de Plateau y tiene poros conductores con la forma de una celda de octaedro Kelvin truncada ( estructura cúbica centrada en el cuerpo ).
Galería de espumas regulares
Disipador de calor con espuma de cobre
Caja de protección que incluye espuma de aluminio
Espuma de aluminio de gran porosidad.
Espuma de aluminio con hoja de aluminio
Cabecera - espuma de metal de acero
Aplicaciones
Diseño
La espuma metálica se puede utilizar en productos o composiciones arquitectónicas.
Galería de diseño
espuma de metal mecanizada
Disipador de calor de diseño con espuma regular [23]
mesa de centro con aluminio de grandes poros
Mecánico
Ortopedía
La espuma metálica se ha utilizado en prótesis de animales experimentales . En esta aplicación, se perfora un orificio en el hueso y se inserta la espuma de metal, dejando que el hueso crezca en el metal para una unión permanente. Para aplicaciones ortopédicas, las espumas de tántalo o titanio son comunes por su resistencia a la tracción , resistencia a la corrosión y biocompatibilidad .
Las patas traseras de un husky siberiano llamado Triumph recibieron prótesis de espuma de metal. Los estudios en mamíferos mostraron que los metales porosos, como la espuma de titanio , pueden permitir la vascularización dentro del área porosa. [24]
Los fabricantes de dispositivos ortopédicos utilizan estructuras de espuma o recubrimientos de espuma metálica [25] para lograr los niveles deseados de osteointegración . [26] [27] [28]
Automotor
Las funciones principales de las espumas metálicas en los vehículos son aumentar la amortiguación del sonido , reducir el peso, aumentar la absorción de energía en caso de choques y (en aplicaciones militares) combatir la fuerza de conmoción de los IED . Como ejemplo, los tubos rellenos de espuma podrían usarse como barras anti-intrusión . [29] Debido a su baja densidad (0,4–0,9 g / cm 3 ), las espumas de aluminio y de aleaciones de aluminio son objeto de especial consideración. Estas espumas son rígidas, resistentes al fuego, no tóxicas, reciclables, absorbentes de energía, menos conductoras de calor, menos permeables magnéticamente y amortiguan el sonido de manera más eficiente, especialmente en comparación con las piezas huecas. Las espumas metálicas en las piezas huecas de los automóviles reducen los puntos de debilidad asociados generalmente con los choques y las vibraciones. Estas espumas son económicas de fundir con pulvimetalurgia, en comparación con la fundición de otras piezas huecas.
En comparación con las espumas de polímero en los vehículos, las espumas metálicas son más rígidas, más fuertes, más absorbentes de energía y resistentes al fuego y las adversidades climáticas de la luz ultravioleta , la humedad y la variación de temperatura. Sin embargo, son más pesados, más caros y no aislantes. [30]
La tecnología de espuma metálica se ha aplicado a los gases de escape de los automóviles . [31] En comparación con los convertidores catalíticos tradicionales que utilizan cerámica de cordierita como sustrato, el sustrato de espuma metálica ofrece una mejor transferencia de calor y exhibe excelentes propiedades de transporte de masa (alta turbulencia) y puede reducir la cantidad de catalizador de platino requerido. [32]
Electrocatálisis
Las espumas metálicas son un soporte popular para los electrocatalizadores debido a su gran superficie y estructura estable. Los poros interconectados también benefician el transporte masivo de reactivos y productos. Sin embargo, el punto de referencia de los electrocatalizadores puede ser difícil debido al área superficial indeterminada, las diferentes propiedades de la espuma y el efecto capilar. [33]
Absorción de energía
Las espumas metálicas se utilizan para endurecer una estructura sin aumentar su masa. [34] Para esta aplicación, las espumas metálicas son generalmente de poro cerrado y están hechas de aluminio. Los paneles de espuma se pegan a la placa de aluminio para obtener un sándwich compuesto resistente localmente (en el espesor de la hoja) y rígido a lo largo en función del espesor de la espuma.
La ventaja de las espumas metálicas es que la reacción es constante, independientemente de la dirección de la fuerza. Las espumas tienen una meseta de tensión después de la deformación que es constante hasta en un 80% del aplastamiento. [35]
Térmico
Tian y col. [36] enumeró varios criterios para evaluar una espuma en un intercambiador de calor. La comparación de las espumas metálicas de rendimiento térmico con los materiales utilizados convencionalmente en la intensificación del intercambio (aletas, superficies acopladas, lecho de perlas) muestra en primer lugar que las pérdidas de presión causadas por las espumas son mucho más importantes que con las aletas convencionales, pero son significativamente menores que las de las espumas. de cuentas. Los coeficientes de intercambio están cerca de las camas y la bola y muy por encima de las palas. [37] [38]
Las espumas ofrecen otras características termofísicas y mecánicas:
- Masa muy baja (densidad del 5 al 25% del sólido a granel según el método de fabricación)
- Gran superficie de intercambio (250–10000 m 2 / m 3 )
- Permeabilidad relativamente alta
- Conductividades térmicas efectivas relativamente altas (5–30 W / (mK))
- Buena resistencia a choques térmicos, altas presiones, altas temperaturas, humedad, desgaste y ciclos térmicos.
- Buena absorción de golpes mecánicos y sonido.
- El fabricante puede controlar el tamaño y la porosidad de los poros
La comercialización de intercambiadores de calor compactos a base de espuma, disipadores de calor y amortiguadores es limitada debido al alto costo de las réplicas de espuma. Su resistencia a largo plazo a las incrustaciones, la corrosión y la erosión no está suficientemente caracterizada. Desde el punto de vista de la fabricación, la transición a la tecnología de espumas requiere nuevas técnicas de producción y ensamblaje y diseño de intercambiadores de calor.
Ver también
- Medio poroso
- Espuma de cerámica
- Nanofoam
- Espuma reticulada
- Compuesto de polímero de aluminio
- Sándwich de espuma de aluminio
- Espuma de titanio
Referencias
- ^ Comparar materiales: aluminio fundido y espuma de aluminio. Archivado el 30 de abril de 2010 en la Wayback Machine . Makeitfrom.com. Consultado el 19 de noviembre de 2011.
- ^ John Banhart. "¿Qué son los metales celulares y las espumas metálicas?" Archivado el 29 de diciembre de 2010 en la Wayback Machine .
- ^ Topin, F .; Bonnet, J. -P .; Madani, B .; Tadrist, L. (2006). "Análisis Experimental de Flujo Multifásico en Espumas Metálicas: Leyes de Flujo, Transferencia de Calor y Ebullición Convectiva". Materiales de ingeniería avanzada . 8 (9): 890. doi : 10.1002 / adem.200600102 .
- ^ Banhart, J. (2001). "Fabricación, Caracterización y Aplicación de Metales Celulares y Espumas Metálicas". Progreso en ciencia de materiales . 46 (6): 559–632. doi : 10.1016 / S0079-6425 (00) 00002-5 .
- ^ DeGroot, CT, Straatman, AG y Betchen, LJ (2009). "Modelado de convección forzada en disipadores de calor de espuma metálica con aletas". J. Electron. Packag . 131 (2): 021001. doi : 10.1115 / 1.3103934 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Ralph Wolf; Khalid Mansour. "La asombrosa esponja de metal: absorbiendo hidrógeno" Archivado el 16 de noviembre de 2015 en la Wayback Machine . 1995.
- ^ De Meller, MA Patente francesa 615.147 (1926).
- ^ Sosnick, B. Patente de Estados Unidos 2.434.775 (1948).
- ^ Sosnick, B. Patente de Estados Unidos 2.553.016 (1951).
- ^ Banhart, John (2000). "Rutas de fabricación de espumas metálicas" . JOM . Sociedad de Minerales, Metales y Materiales. 52 (12): 22-27. Código Bibliográfico : 2000JOM .... 52l..22B . doi : 10.1007 / s11837-000-0062-8 . S2CID 137735453 . Archivado desde el original el 1 de enero de 2012 . Consultado el 20 de enero de 2012 .
- ^ Bonaccorsi, L .; Proverbio, E. (1 de septiembre de 2006). "Efecto de la compactación del polvo sobre el comportamiento de la formación de espuma de precursores de PM prensados uniaxialmente". Materiales de ingeniería avanzada . 8 (9): 864–869. doi : 10.1002 / adem.200600082 .
- ^ Shiomi, M .; Imagama, S .; Osakada, K .; Matsumoto, R. (2010). "Fabricación de espumas de aluminio a partir de polvo por extrusión en caliente y espumado". Revista de tecnología de procesamiento de materiales . 210 (9): 1203–1208. doi : 10.1016 / j.jmatprotec.2010.03.006 .
- ^ Dunand, [editores] Louis Philippe Lefebvre, John Banhart, David C. (2008). MetFoam 2007: metales porosos y espumas metálicas: actas de la quinta Conferencia Internacional sobre Metales Porosos y Espumas Metálicas, 5 al 7 de septiembre de 2007, Montreal, Canadá . Lancaster, Pa .: DEStech Publications Inc. págs. 7–10. ISBN 978-1932078282.CS1 maint: texto adicional: lista de autores ( enlace )
- ^ Strano, M .; Pourhassan, R .; Mussi, V. (2013). "El efecto del laminado en frío sobre la eficiencia de formación de espuma de los precursores de aluminio". Revista de procesos de fabricación . 15 (2): 227. doi : 10.1016 / j.jmapro.2012.12.006 .
- ^ Urweb: Espuma de metal compuesto de alto rendimiento . Archivado el 12 de diciembre de 2013 en Wayback Machine. Recuperado el 10 de diciembre de 2013.
- ^ MICU, ALEXANDRU (6 de abril de 2016). "Espuma de metal compuesto mejor para detener las balas que las placas sólidas" . Ciencia ZME . Archivado desde el original el 10 de abril de 2016 . Consultado el 9 de abril de 2016 .
- ^ https://news.ncsu.edu/2015/07/rabiei-foam-rays-2015/Shipman , Matt Study encuentra espumas metálicas capaces de proteger rayos X, rayos gamma, radiación de neutrones , NC State University News, 17.05.2018. 15
- ^ Shipman, Matt Metal Foam detiene las rondas de calibre .50 y el acero, con menos de la mitad del peso , NC State University News, 05/05/19
- ^ Wang, Brian (24 de abril de 2018). "Las espumas metálicas compuestas brindan una protección de blindaje para un tercio del peso y hacen parachoques súper autos | NextBigFuture.com" . NextBigFuture.com . Consultado el 24 de mayo de 2018 .
- ^ a b Recherche sur la production de pièces de fonderie en mousse métallique - Recherche en fonderie: les mousses métalliques Archivado el 29 de octubre de 2013 en la Wayback Machine . Ctif.com. Consultado el 3 de diciembre de 2013.
- ^ a b ALVEOTEC - Innovación Archivado el 30 de julio de 2014 en la Wayback Machine . Alveotec.fr/en. Consultado el 3 de diciembre de 2013.
- ^ "ALVEOTEC - Actualités - video: proceso de fabricación de espuma de aluminio" . Archivado desde el original el 30 de julio de 2014.
- ^ ALVEOTEC - Actualités - LOUPI Lighing lanza su nuevo disipador de calor de espuma metálica para iluminación application_66.html Archivado 2014-07-30 en Wayback Machine . Alveotec.fr. Consultado el 3 de diciembre de 2013.
- ^ Osteointegración con espuma de titanio en fémur de conejo Archivado el 18 de abril de 2016 en Wayback Machine , YouTube
- ^ Recubrimientos de titanio en dispositivos ortopédicos Archivado el 13 de marzo de 2016 en la Wayback Machine . YouTube
- ^ Biomet Orthopaedics, Regenerex® Porous Titanium Construct Archivado 2011-09-28 en Wayback Machine.
- ^ Zimmer Orthopaedics, Trabeluar Metal Technology. Archivado el 18 de julio de 2011 en la Wayback Machine.
- ^ Revestimiento poroso Zimmer CSTiTM (titanio estructurado con esponjosa) Archivado el 18 de julio de 2011 en la Wayback Machine.
- ^ Strano, Matteo (2011). "Un nuevo enfoque FEM para la simulación de tubos llenos de espuma metálica". Revista de ciencia e ingeniería de fabricación . 133 (6): 061003. doi : 10.1115 / 1.4005354 .
- ^ Nuevo concepto para el diseño de componentes automotrices ligeros Archivado el 24 de marzo de 2012 en la Wayback Machine . (PDF). Consultado el 3 de diciembre de 2013.
- ^ Innovaciones de Alantum en espuma de aleación: Inicio Archivado el 17 de febrero de 2010 en la Wayback Machine . Alantum.com. Consultado el 19 de noviembre de 2011.
- ^ Desarrollo de postratamiento a base de espuma metálica en un automóvil de pasajeros diesel - Centro de conferencias virtual [ enlace muerto permanente ] . Vcc-sae.org. Consultado el 19 de noviembre de 2011.
- ^ Zheng, Weiran; Liu, Mengjie; Lee, Lawrence Yoon Suk (9 de octubre de 2020). "Mejores prácticas en el uso de electrodos de tipo espuma para la referencia de rendimiento electrocatalítico" . Letras de energía ACS . 5 (10): 3260–3264. doi : 10.1021 / acsenergylett.0c01958 .
- ^ Banhart, John; Dunand, David C. (2008). MetFoam 2007: Metales porosos y espumas metálicas: Actas de la Quinta Conferencia Internacional sobre Metales Porosos y Espumas Metálicas, 5-7 de septiembre de 2007, Montreal, Canadá . Publicaciones DEStech, Inc. ISBN 9781932078282.
- ^ ALVEOTEC - Actualités - Ejemplos de aplicaciones de espumas metálicas. Archivado el 30 de julio de 2014 en Wayback Machine Alveotec.fr. Consultado el 3 de diciembre de 2013.
- ^ Tian, J .; Kim, T .; Lu, TJ; Hodson, HP; Queheillalt, DT; Sypeck, DJ; Wadley, HNG (2004). "Los efectos de la topología sobre el flujo de fluidos y la transferencia de calor dentro de las estructuras de cobre celular" (PDF) . Revista Internacional de Transferencia de Calor y Masa . 47 (14-16): 3171. doi : 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2004.02.010 . Archivado (PDF) desde el original el 3 de marzo de 2016.
- ^ Miscevic, M. (1997). Etude de l'intensification des transferts thermiques par des structure poreuses: Application aux échangeurs compacts et au refroidissement diphasique. IUSTI. Marsella., Universidad de Provence
- ^ Catillon, S., C. Louis, et al. (2005). Utilization de mousses métalliques dans un réformeurtalytique du méthanol pour la production de H2. GECAT, La Rochelle.
enlaces externos
- Video: Espuma regular de aluminio: Prueba de caja de choque
- Video: Cómo se hacen las espumas regulares.
- Hoja de datos de la NASA FS-2003-09-117-MSFC - Espuma líquida viscosa y vidrio metálico a granel (espuma)
- Cómo hacer una espuma de aluminio y metal en YouTube
- Fischer, SF; Thielen, M .; Weiß, P .; Seidel, R .; Speck, T .; Bührig-Polaczek, A .; Bünck, M. (2013). "Producción y propiedades de un composite bioinspirado fundido a precisión". Revista de ciencia de materiales . 49 : 43–51. doi : 10.1007 / s10853-013-7878-4 . S2CID 136318878 .
- Video de destrucción de balas en YouTube