Espuma de metal - Metal foam

Espuma de alumínio
Alumínio espumado regular

Uma espuma de metal é uma estrutura celular que consiste em um metal sólido (freqüentemente alumínio ) com poros cheios de gás compreendendo uma grande parte do volume. Os poros podem ser selados ( espuma de célula fechada ) ou interconectados (espuma de célula aberta). A característica definidora das espumas de metal é uma alta porosidade : normalmente, apenas 5–25% do volume é o metal de base. A resistência do material se deve à lei do quadrado do cubo .

As espumas de metal normalmente retêm algumas propriedades físicas de seu material de base. A espuma feita de metal não inflamável permanece não inflamável e geralmente pode ser reciclada como material de base. Seu coeficiente de expansão térmica é semelhante, enquanto a condutividade térmica é provavelmente reduzida.

Definições

Célula aberta

Espuma de metal de célula aberta
CFD (simulação numérica) de fluxo de fluido e transferência de calor em uma espuma de metal de célula aberta

A espuma de metal de células abertas, também chamada de esponja de metal, pode ser usada em trocadores de calor ( resfriamento eletrônico compacto , tanques criogênicos , trocadores de calor PCM ), absorção de energia, difusão de fluxo e ótica leve . O alto custo do material geralmente limita seu uso a tecnologia avançada, aeroespacial e manufatura.

As espumas de células abertas em escala fina, com células menores do que as que podem ser vistas sem ajuda, são usadas como filtros de alta temperatura na indústria química.

As espumas metálicas são usadas em trocadores de calor compactos para aumentar a transferência de calor ao custo da redução da pressão. No entanto, seu uso permite uma redução substancial no tamanho físico e nos custos de fabricação. A maioria dos modelos desses materiais usa estruturas idealizadas e periódicas ou propriedades macroscópicas médias.

A esponja de metal tem uma área de superfície muito grande por unidade de peso e os catalisadores são freqüentemente formados em esponja de metal, como paládio preto , esponja de platina e níquel esponjoso . Metais como o ósmio e o hidreto de paládio são metaforicamente chamados de "esponjas de metal", mas este termo se refere à sua propriedade de ligação ao hidrogênio, ao invés da estrutura física.

Célula fechada

A espuma de metal de células fechadas foi relatada pela primeira vez em 1926 por Meller em uma patente francesa onde a formação de espuma de metais leves, seja por injeção de gás inerte ou por agente de expansão , foi sugerida. Duas patentes de metal esponjoso foram emitidas para Benjamin Sosnik em 1948 e 1951, que aplicou vapor de mercúrio para soprar alumínio líquido.

As espumas metálicas de células fechadas foram desenvolvidas em 1956 por John C. Elliott no Bjorksten Research Laboratories. Embora os primeiros protótipos estivessem disponíveis na década de 1950, a produção comercial começou na década de 1990 pela empresa Shinko Wire no Japão. As espumas de metal de células fechadas são usadas principalmente como um material de absorção de impacto, semelhante às espumas de polímero em um capacete de bicicleta, mas para cargas de impacto mais altas. Ao contrário de muitas espumas de polímero, as espumas de metal permanecem deformadas após o impacto e, portanto, só podem ser deformadas uma vez. Eles são leves (normalmente 10–25% da densidade de uma liga não porosa idêntica; geralmente os de alumínio) e rígidos e são frequentemente propostos como um material estrutural leve. No entanto, eles não têm sido amplamente usados ​​para esse fim.

As espumas de células fechadas retêm a resistência ao fogo e o potencial de reciclagem de outras espumas de metal, mas adicionam a propriedade de flotação na água.

Espuma estocástica

Uma espuma é considerada estocástica quando a distribuição da porosidade é aleatória. A maioria das espumas são estocásticas devido ao método de fabricação:

  • Espuma de metal líquido ou sólido (pó)
  • Deposição de vapor (CVD em uma matriz aleatória)
  • Fundição aleatória direta ou indireta de um molde contendo grânulos ou matriz

Espuma regular

Processo de fabricação de uma espuma de metal regular por moldagem direta, processo CTIF

Uma espuma é considerada regular quando a estrutura é solicitada. A moldagem direta é uma tecnologia que produz espumas regulares com poros abertos. As espumas metálicas também podem ser produzidas por processos aditivos, como fusão seletiva a laser (SLM).

As placas podem ser usadas como núcleos de fundição. A forma é personalizada para cada aplicativo. Este método de fabricação permite a espuma "perfeita", assim chamada porque satisfaz as leis de Plateau e tem poros condutores no formato de uma célula Kelvin de octaedro truncado ( estrutura cúbica centrada no corpo ).

Célula Kelvin (semelhante à estrutura Weaire-Phelan)

Manufatura

Célula Aberta

As espumas de células abertas são fabricadas por fundição ou metalurgia do pó . No método do pó, são usados ​​"suportes de espaço"; como o nome sugere, eles ocupam os espaços dos poros e canais. Nos processos de fundição, a espuma é fundida com um esqueleto de espuma de poliuretano de células abertas .

Célula fechada

As espumas são comumente feitas por injeção de gás ou mistura de um agente espumante no metal fundido . O material derretido pode formar espuma criando bolhas de gás no material. Normalmente, as bolhas no metal fundido são altamente flutuantes no líquido de alta densidade e sobem rapidamente à superfície. Este aumento pode ser retardado aumentando a viscosidade do metal fundido adicionando pós de cerâmica ou elementos de liga para formar partículas estabilizadoras no fundido, ou por outros meios. Fundidos metálicos podem ser espumados de uma das três maneiras:

  • injetando gás no metal líquido de uma fonte externa;
  • causando a formação de gás no líquido por meio da mistura de agentes de expansão que liberam gás com o metal fundido;
  • causando a precipitação do gás que foi previamente dissolvido no metal fundido.

Para estabilizar as bolhas de metal fundido, são necessários agentes espumantes de alta temperatura (partículas sólidas de tamanho nanométrico ou micrômetro). O tamanho dos poros , ou células, é geralmente de 1 a 8 mm. Quando são usados ​​agentes espumantes ou de expansão, eles são misturados com o metal em pó antes de derretê-lo. Essa é a chamada "rota do pó" da espumação, e provavelmente a mais consagrada (do ponto de vista industrial). Após a mistura de pós de metal (por exemplo, alumínio ) e agente de formação de espuma (por exemplo, TiH 2 ), eles são comprimidos em um precursor sólido compacto, que pode estar disponível na forma de tarugo, folha ou arame. A produção de precursores pode ser feita por uma combinação de processos de conformação de materiais, como prensagem de pó, extrusão (direta ou conformada) e laminação plana .

Espuma de metal composto

Conforme a deformação e a carga aplicada no CMF aumentam, a capacidade do CMF de suportar o estresse aumenta. Ao contrário dos materiais sólidos que atingem sua resistência máxima muito rapidamente, o CMF desenvolve lentamente sua resistência máxima, absorvendo energia no processo.

A Espuma de Metal Composto (CMF) é feita de uma combinação de esferas de metal ocas homogêneas com uma matriz metálica ao redor das esferas. Esta espuma de metal de célula fechada isola as bolsas de ar internas e pode ser feita de quase qualquer metal, liga ou combinação. Os tamanhos das esferas podem ser variados e ajustados de acordo com a aplicação. A mistura de esferas de metal ocas preenchidas com ar e uma matriz metálica fornece leveza e resistência. As esferas são dispostas aleatoriamente dentro do material, mas na maioria das vezes se assemelha a uma estrutura cúbica simples ou cúbica centrada no corpo . O CMF é feito de cerca de 70% de ar e, portanto, pesa 70% menos do que um volume igual do material original sólido. A espuma de metal composta é a espuma de metal mais forte disponível, com uma relação resistência / densidade de 5 a 6 vezes maior e capacidade de absorção de energia 7 vezes maior do que as espumas de metal anteriores. O CMF foi desenvolvido na North Carolina State University pelo inventor Professor Afsaneh Rabiei com 4 patentes em seu nome, todas intituladas "Espuma de metal composto e método de preparação da mesma" (US Utility Patents 9208912, 8110143, 8105696, 7641984), e CMF está atualmente tecnologia proprietária de propriedade da empresa Advanced Materials Manufacturing .

Teste de impacto / explosão / balística de alta velocidade

Uma placa com menos de 2,5 cm de espessura tem resistência suficiente para transformar em pó uma bala perfurante de armadura M2 padrão Springfield .30-06 . A placa de teste superou uma placa de metal sólido de espessura semelhante, embora pesando muito menos. Outras aplicações potenciais incluem transferência de lixo nuclear (blindagem de raios X , raios gama e radiação de nêutrons ) e isolamento térmico para reentrada atmosférica de veículos espaciais, com muitas vezes mais resistência ao fogo e ao calor do que os metais comuns. Outro estudo testando a resistência do CMF a cartuchos de calibre .50 descobriu que o CMF poderia parar esses cartuchos com menos da metade do peso da armadura homogênea enrolada .

Teste HEI / Fragmento

O CMF pode substituir a armadura de aço laminado com a mesma proteção para um terço do peso. Pode bloquear fragmentos e as ondas de choque responsáveis ​​por lesões cerebrais traumáticas (TCE). CMF foi testado contra explosões e fragmentos. Os painéis foram testados contra cartuchos incendiários de alto explosivo de 23 × 152 mm (como em armas antiaéreas ) que liberam uma onda de explosão de alta pressão e fragmentos de metal a velocidades de até 1524 m / s. Os painéis CMF foram capazes de resistir aos impactos da explosão e fragmentos sem arquear ou rachar. A amostra mais espessa (16,7 mm de espessura) foi capaz de interromper completamente fragmentos de vários tamanhos de três testes HEI separados . Foi demonstrado que o CMF é capaz de prender localmente os fragmentos e dissipar a energia da onda de explosão incidente e impedir a propagação da falha, ao contrário de materiais totalmente sólidos que transferem a energia por toda a placa, danificando o material a granel. Neste estudo, o CMF de aço inoxidável bloqueou a pressão de explosão e a fragmentação a 5.000 pés por segundo de projéteis incendiários de alto explosivo (HEI) que detonam a uma distância de 18 polegadas. Placas de aço CMF (9,5 mm ou 16,75 mm de espessura) foram colocadas a 18 polegadas da placa de ataque mantida contra a onda de pressão de explosão e contra os fragmentos de cobre e aço criados por um cartucho HEI de 23 × 152 mm (como em armas antiaéreas ), bem como uma placa de aço de alumínio de 2,3 mm. O desempenho do CMF de aço foi muito melhor do que a placa de alumínio de mesmo peso contra o mesmo tipo de explosão e fragmentos.,

Teste de armas leves

Painéis compostos de espuma de metal, fabricados com esferas ocas de aço de 2 mm incorporadas em uma matriz de aço inoxidável e processados ​​usando uma técnica de metalurgia do pó, foram usados ​​junto com cerâmica de carboneto de boro e painéis traseiros de alumínio 7075 ou Kevlar ™ para fabricar um novo sistema de blindagem composto. Esta armadura composta foi testada contra ameaças NIJ-Tipo III e Tipo IV usando o padrão de teste balístico NIJ 0101.06. O design baseado em camada altamente funcional permitiu que a espuma de metal composta absorvesse a energia cinética balística de forma eficaz, onde a camada CMF foi responsável por 60-70% da energia total absorvida pelo sistema de armadura e permitiu que o sistema de armadura composto mostrasse desempenho balístico superior para ameaças do Tipo III e IV. Os resultados deste programa de teste sugerem que o CMF pode ser usado para reduzir o peso e aumentar o desempenho da armadura para ameaças do Tipo III e Tipo IV.  

Espuma de metal composta após o impacto de uma rodada de 0,50 Cal AP. Observe o marcador removido e colocado no topo do painel CMF no canto inferior esquerdo.

.50 Cal AP Testing

O CMF foi testado contra balas perfurantes de grande calibre . Os painéis SS CMF foram fabricados e combinados com uma placa frontal de cerâmica e uma placa traseira de alumínio. As armaduras rígidas em camadas foram testadas contra bolas de 12,7 × 99 mm e munições AP em uma gama de velocidades de impacto. Os núcleos de aço macio das esferas penetraram em uma das três amostras, mas revelaram os benefícios do uso de vários ladrilhos sobre uma única placa frontal de cerâmica para limitar a propagação dos danos. O núcleo de aço endurecido das munições AP penetrou profundamente na placa frontal de cerâmica, comprimindo a camada CMF até que o projétil foi parado e embutido na armadura ou foi capaz de penetrar totalmente e sair da placa de apoio. Os resultados experimentais foram comparados aos materiais de armadura disponíveis comercialmente e oferecem melhor desempenho com peso reduzido. Estima-se que a camada CMF absorva entre 69 e 79% da energia cinética do projétil, em sua condição de teste não otimizada. Em velocidades de impacto acima de 800 m / s, a camada CMF absorveu consistentemente até 79% da energia de impacto. Conforme a velocidade de impacto aumentou, também aumentou a resistência efetiva da camada CMF devido à sensibilidade da taxa de deformação do material. A taxa de eficiência de massa das armaduras, quando comparada com RHA , foi calculada em 2,1. As armaduras rígidas CMF podem impedir efetivamente uma rodada de entrada com menos da metade do peso da armadura homogênea enrolada necessária . A economia de peso proporcionada pelo uso de tal armadura inovadora pode melhorar a eficiência de combustível dos veículos militares sem sacrificar a proteção do pessoal ou do equipamento interno.

Teste de punção

A espuma de metal composta foi testada em um teste de punção. Os testes de punção foram realizados em SS CMF-CSP com diferentes espessuras de placas de aço inoxidável e núcleo CMF. A colagem do núcleo SS CMF e das folhas faciais foi feita por meio de colagem por adesivo e colagem por difusão. Várias espessuras do núcleo CMF e folhas de face criaram uma variedade de densidades de área alvo de cerca de 6,7 a cerca de 11,7 kg por cada ladrilho de 30 x 30 cm. Os alvos foram impactados usando bolas de aço de 2,54 e 3,175 cm de diâmetro disparadas em velocidades que variam de 120 a 470 m por segundo, resultando em energias de punção de 488 a 14 500 J ao longo de uma área de impacto de 5,06-7,91 cm2 para as esferas de dois tamanhos. Nenhum dos painéis, mesmo aqueles com as densidades de área mais baixas, apresentou penetração / punção completa em sua espessura. Isso se deveu principalmente à capacidade de absorção de energia do núcleo SS CMF na compressão, enquanto as folhas frontais fortalecem o núcleo CMF para melhor lidar com as tensões de tração. Painéis sanduíche com folhas de face mais espessas mostram menos eficácia, e uma folha de face fina parecia ser suficiente para suportar o núcleo SS CMF para absorver tais energias de punção. Painéis montados por colagem apresentaram descolamento das folhas de face do núcleo CMF com o impacto do projétil, enquanto os painéis colados por difusão mostraram maior flexibilidade na interface e melhor acomodaram as tensões. A maioria dos painéis ligados por difusão não mostrou um descolamento das folhas de face do núcleo SS CMF. Este estudo comprovou as habilidades de absorção de energia do CMF, indicando que o CMF pode ser usado para aumentar simultaneamente as proteções e diminuir o peso.

Teste de fogo / calor extremo

Espuma de metal composto durante um teste de queima de tocha.

Um painel CMF de aço 316L de 12 ”x 12” x 0,6 ”de espessura com um peso de 3,545 kg foi testado em um teste de queima de tocha . Neste teste, o painel foi exposto a temperaturas superiores a 1204 ° C durante 30 minutos. Ao atingir o tempo de exposição de 30 minutos, a temperatura máxima na superfície não exposta do aço foi de 400 ° C (752 ° F) no centro da placa diretamente acima do queimador a jato. Esta temperatura estava bem abaixo do limite de aumento de temperatura necessário de 427 ° C; portanto, esta amostra atendeu aos requisitos de teste de fogo da tocha. Para referência, uma peça sólida de aço de igual volume usada para calibração falhou neste teste em cerca de 4 minutos.

É importante mencionar que o mesmo painel CMF anterior ao teste de jato de fogo mencionado acima foi submetido a um teste de incêndio em piscina. Neste teste, o painel foi exposto a temperaturas de 827 ° C durante 100 minutos. O painel resistiu a temperaturas extremas por 100 minutos com facilidade, atingindo uma temperatura máxima da face posterior de 379 ° C, bem abaixo da temperatura de falha de 427 ° C. Para referência, o teste foi calibrado usando uma peça de aço sólido de mesmo tamanho que falhou no teste em aproximadamente 13 minutos. Esses estudos indicam o desempenho extraordinário do CMF contra fogo e calor extremo.

O CMF isola as temperaturas de 1.100 C (2.000 F) tão bem que pode ser tocado a apenas 2 "de distância da região incandescente do material.

A espuma de metal composto tem uma taxa muito baixa de transferência de calor e provou isolar uma temperatura extrema de 1.100 C (2.000 F) dentro de apenas algumas polegadas, deixando o material em temperatura ambiente a apenas 2 polegadas de distância de uma região incandescente material. Além disso, o aço CMF conseguiu reter a maior parte de sua resistência semelhante à do aço nessa temperatura enquanto permanecia tão leve quanto o alumínio, um material que derreteria instantaneamente nessa temperatura extrema.

Outras Habilidades

A espuma de metal composta demonstrou uma capacidade de proteção contra raios X e radiação de nêutrons, absorve / atenua choques, sons e vibrações e pode suportar mais de 1.000.000 de ciclos de alta carga, superando os metais sólidos tradicionais em cada caso.

Galeria de espumas regulares

Formulários

Projeto

A espuma de metal pode ser usada no produto ou na composição arquitetônica.

Galeria de design

Mecânico

Ortopedia

A espuma de metal tem sido usada em próteses de animais experimentais . Nesta aplicação, um orifício é feito no osso e a espuma de metal inserida, permitindo que o osso cresça no metal para uma junção permanente. Para aplicações ortopédicas, as espumas de tântalo ou titânio são comuns por sua resistência à tração , resistência à corrosão e biocompatibilidade .

As patas traseiras de um Husky Siberiano chamado Triumph receberam próteses de espuma de metal. Estudos em mamíferos mostraram que metais porosos, como espuma de titânio , podem permitir a vascularização dentro da área porosa.

Os fabricantes de dispositivos ortopédicos usam construção de espuma ou revestimentos de espuma de metal para atingir os níveis desejados de osseointegração .

Automotivo

As funções principais das espumas metálicas em veículos são aumentar o amortecimento sonoro , reduzir o peso, aumentar a absorção de energia em caso de colisões e (em aplicações militares) combater a força de concussão dos IEDs . Como exemplo, tubos cheios de espuma podem ser usados ​​como barras anti-intrusão . Devido à sua baixa densidade (0,4–0,9 g / cm 3 ), as espumas de alumínio e ligas de alumínio estão sob consideração especial. Essas espumas são rígidas, resistentes ao fogo, não tóxicas, recicláveis, absorventes de energia, menos condutoras de calor, menos permeáveis ​​magneticamente e com um amortecimento acústico mais eficiente, especialmente quando comparadas às partes ocas. Espumas metálicas em peças ocas do carro diminuem os pontos de fraqueza geralmente associados a colisões e vibrações. Essas espumas são baratas de fundir com metalurgia do pó, em comparação com a fundição de outras peças ocas.

Em comparação com as espumas de polímero em veículos, as espumas metálicas são mais rígidas, fortes, mais absorventes de energia e resistentes ao fogo e às adversidades climáticas da luz ultravioleta , umidade e variação de temperatura. No entanto, eles são mais pesados, mais caros e não isolantes.

A tecnologia de espuma de metal tem sido aplicada aos gases de escape automotivos . Em comparação com os conversores catalíticos tradicionais que usam cerâmica de cordierita como substrato, o substrato de espuma de metal oferece melhor transferência de calor e exibe excelentes propriedades de transporte de massa (alta turbulência) e pode reduzir a quantidade de catalisador de platina necessária.

Eletrocatálise

As espumas de metal são um suporte popular para eletrocatalisadores devido à alta área de superfície e estrutura estável. Os poros interconectados também beneficiam o transporte em massa de reagentes e produtos. No entanto, o benchmark de eletrocatalisadores pode ser difícil devido à área de superfície indeterminada, diferentes propriedades de espuma e efeito capilar.

Absorção de energia

Gráfico de colisão de alumínio

Espumas de metal são usadas para enrijecer uma estrutura sem aumentar sua massa. Para esta aplicação, as espumas metálicas são geralmente poros fechados e feitas de alumínio. Os painéis de espuma são colados à placa de alumínio para obter um sanduíche composto resistente localmente (na espessura da folha) e rígido ao longo do comprimento dependendo da espessura da espuma.

A vantagem das espumas metálicas é que a reação é constante, independentemente da direção da força. As espumas apresentam um patamar de tensão após a deformação que é constante por até 80% do processo de esmagamento.

Térmico

Condução de calor em estrutura de espuma de metal regular
Transferência de calor em estrutura de espuma de metal regular

Tian et al. listou vários critérios para avaliar uma espuma em um trocador de calor. A comparação de espumas de metal de desempenho térmico com materiais convencionalmente usados ​​na intensificação da troca (aletas, superfícies acopladas, leito de contas) mostra primeiro que as perdas de pressão causadas por espumas são muito mais importantes do que com aletas convencionais, mas são significativamente menores do que aquelas de contas. Os coeficientes de troca estão próximos de camas e bola e bem acima das lâminas.

As espumas oferecem outras características termofísicas e mecânicas:

  • Massa muito baixa (densidade 5–25% do sólido a granel, dependendo do método de fabricação)
  • Grande superfície de troca (250–10000 m 2 / m 3 )
  • Permeabilidade relativamente alta
  • Condutividades térmicas eficazes relativamente altas (5–30 W / (mK))
  • Boa resistência a choques térmicos, altas pressões, altas temperaturas, umidade, desgaste e ciclagem térmica
  • Boa absorção de choque mecânico e som
  • O tamanho dos poros e a porosidade podem ser controlados pelo fabricante

A comercialização de trocadores de calor compactos baseados em espuma, dissipadores de calor e amortecedores é limitada devido ao alto custo das replicações de espuma. Sua resistência de longo prazo a incrustação, corrosão e erosão não é suficientemente caracterizada. Do ponto de vista da fabricação, a transição para a tecnologia de espuma requer novas técnicas de produção e montagem e design de trocador de calor.

Veja também

Referências

links externos