Металлические пены

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра неорганической химии

 

 

 

 

 

Курсовая работа на тему

“ Металлические пены”

 

 Студента химического факультета

1 курса 6 группы   

Бродович Антонины

                                                                                                  

 

Руководитель:

Кандидат химических наук

Скорб Екатерина Владимировна,

кафедра неорганической химии

Белорусский государственный

университет

 

 

 

 

Минск, 2013

 

Оглавление.

Введение                                                                                                                -3-

Глава 1.Механизмы получения металлической пены                                      -5-

1.1. Производство металлических пен из расплавов металлов                     -5-

1.2. Производство металлических пен из металлических порошков             -8-

 

Глава 2. Свойства специфических металлических пен                                  -12-

2.1. Пеноалюминий                                                                                              -12-

2.2. Пеноникель                                                                                                   -14-

Глава 3. Применение металлических пен                                                          -16-

3.1. Машиностроение                                                                                          -16-

3.2. Космические технологии                                                                              -17-

3.3. Строительство и архитектура                                                                      -17-

3.4. Шумоизоляция                                                                                               -17-

3.5. Медицина                                                                                                        -18-

3.6. Электрохимическое применение                                                                  -19-

3.7. Литейное производство                                                                                 -20-

3.8. Очищение воды                                                                                              -20-

Заключение                                                                                                            -21-

Приложение                                                                                                           -22-

Список литературы                                                                                               -24-

 

 

Введение

 

С развитием технологий обнаруживается все больше возможностей модификации традиционных материалов, например металла. Структура, состоящая из металла, и содержащая большое количество наполненных газом пор — называется металлической пеной. Как правило, примерно 75-95 процентов ее объема составляют пустоты. Материал обладает уникально малым весом — некоторые виды металлической пены настолько легки, что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.

О пористых металлах заговорили еще в 1990-х годах. Считалось, что отличительной чертой такого материала является низкая плотность: 0,4 - 1 грамм на кубический сантиметр.

Как и все в науке, металлическая  пена подверглась совершенствованию. Недавно доктор Афсанех Рабией из университета Северной Каролины открыла самую прочную металлическую пену в мире.

Учёные многих стран уверенны, что  металлическая пена – это материал будущего и благодаря своим уникальным свойствам найдёт огромное применение во всех сферах деятельности человека. Российской и белорусской действительности еще предстоит знакомство с металлической пеной: «Специалист испытательного центра «СПбГАСУ» Виктор Зверев отказался отвечать на вопрос: «Известно ли  вам о новом материале-металлическая пена?», сказав лишь: «Такой материал нам не знаком и не проходил лицензирование». Выяснилось, что и на заводах царит пенометаллический нигилизм. Мнение инженеров разделилось. Одни удивляются изобретению, например, Вячеслав Коньков из «Металлиста»: «Это что-то новое и очень интересное, вышлите мне по факсу информацию». Другие же скептически заявляют: «Вряд ли это самый прочный материал. Мы не используем никакую металлическую пену», - прокомментировал Юрий Филисов из компании «Петросталь».¹ Вероятно, в будущем ситуация изменится. Но сейчас, к сожалению, многие белорусские и российские учёные не принимают этот материал и относятся к нему скептически. Поэтому я считаю данную тему актуальной.

Цель данной  работы доказать, что металлическая пена - материал будущего, обладающий уникальными свойствами.

Исходя из данной цели перед нами возникают следующие задачи:

1. Изучить методы получения металлической пены;
2. Выявить свойства на примере специфических пен (пеноалюминий, пеноникель);
3. Рассмотреть применение в различных областях деятельности человека.
4. Разработать методики синтеза металлической пены

Для решения поставленных задач  были использованы различные источники: на основе авторефератов диссертаций² Ю.Н. Лисакова и Иванова Д.О. были раскрыты новые методы получение металлических пен.  Так же были использованы статьи из научных журналов³.

Новизна данной работы состоит в  обобщении данных о металлических пенах, так как работ, посвящённых данной теме на русском языке немного.

Теоретическая и практическая значимость моего исследования состоит в том, что данный материал будет полезен для  подготовки семинаров по теме «Металлические пены».

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                  

Глава 1. Механизмы  получения металлической пены.

 

Первая металлическая  пена была получена Бенджамином Сосником в 1948 г.⁴ Этот процесс был основан на нагревании вместе летучих металлов с металлами нелетучими. Во время нагревания нелетучий металл  спекался, а более летучий (например, ртуть) испарялся, вспенивая смесь  таким образом.        Но данный метод не имел коммерческого успеха, поскольку предполагал работу с опасными материалами.

Прошло много времени, наука шагнула вперёд. И сейчас существует много способов получения металлической пены. Их можно разделить на две большие группы: изготовление металлической  пены с использованием жидких расплавов металлов и на основе металлических порошков.

1. 1. Производство металлических пен из расплавов металлов

Производство данного  типа начинается с расплавления металла, из которого металлопена  получается с помощью пористого материалом, либо с помощью полимерной пены или литьём жидкого металла на твёрдый наполнитель. Существуют технологии получения металлических пен прямым вспениванием расплавов металлов газами. Рассмотрим подробнее данные методы, выявив их достоинства и недостатки.

1) Прямое вспенивание расплавов. Данный метод основан на непрерывном пропускании газа через металлический расплав. Метод разработан одновременно и независимо Alcan и Norsk Hydro в конце 1980-х и 1990-х годов. Суть данного метода состоит в том, что металлический расплав может быть вспенен при определённых условиях путём введения газов в жидкость. Пузырьки газа, которые образовываются в металлическом расплаве, будут стремиться быстро подняться на его поверхность  из-за высокой выталкивающей силы в высокоплотной жидкости, но этому подъему препятствует высокая вязкость расплавленного металла. Это может быть устранено путём добавления мелкого керамического порошка или легирующих элементов, которые образуют частицы в расплаве.⁵

Следует отметить, что многочисленные попытки вспенивания жидких металлов были предприняты ещё в 60-70-х годах прошлого века, но, по-видимому, этот процесс был не достаточно оптимизирован, чтобы производить достаточно качественную пену. За последние 10 лет было проведено ряд новых разработок и сейчас  доступны лучшие методы производства.

В настоящие время  существует два метода прямого получения  вспененных металлических расплавов. Один эксплуатируется Канадской технологической компанией «Cymat» для вспенивания алюминия и алюминиевых сплавов. Следуя этому механизму, нужно использовать  карбид кремния (SiC), оксид алюминия (Al₂O₃) или оксид магния (MgO) для усиления вязкости расплава. Поэтому первый шаг состоит из приготовления алюминиевого расплава, содержащего одно из этих веществ. Проблема состоит в том, что необходимо добиться  однородности распределения частиц.  Второй шаг – это вспенивание  жидкого расплава  путём вдувания газов (воздух, азот, аргон) с помощью специально разработанных колёс. Эта установка должна выпускать очень маленькие пузырьки газа в расплав и распределять их однородно. Полученная пена всплывает на поверхности жидкости и тогда её можно собрать посредством ленточного конвейера. Следует предпринять меры, препятствующие разрушению структуры пены из-за взаимного перемещения полутвёрдой пены. Полученный материал,  в принципе, бывает сколь угодной длины. Пена велика настолько, насколько позволяет сосуд, содержащий жидкий металл. Обычно толщина пены 10 см. Вспененный материал можно вырезать необходимой формы, но в связи с высоким содержанием керамических частиц, обработка пены может стать проблемой.  Преимуществом такого способа производства металлической пены является возможность производства огромных  объёмов данного ценного материала, относительно низкая цена и низкая плотность. Пористость пены, полученной данным способом находится в диапазоне от 80 до 97%. К недостаткам вышеописанного способа можно отнести необходимость резать пену, а следовательно  открывать поры, а так же хрупкость такой металлической пены из-за усиливающих частиц (SiC, Al₂O_3, MgO), которые содержаться в пористых стенках.

Второй путь прямого  вспенивания расплавов – это добавление пенообразователя в расплав вместо продувки его газом. Пенообразователь  разлагается при нагревании  и выделяет газ, который и осуществляет процесс вспенивания.

Первый шаг процесса - увеличение вязкости расплава. Для этого добавляют кальций (1-2% от общей массы), который окисляется с образованием СаО и СаАl₂O₄ (возможно образование Al₄Ca).⁶ В качестве пенообразователя используют гидрид титана (TiH₂) , который при нагревании выделяет газ (H₂): Пена, полученная таким методом имеет наиболее однородную клеточную структуру, по сравнению с пенами, полученными другим путём.

2) Эвтектическое затвердевание (твёрдое вещество-газ). Этот метод, который был разработан несколько лет назад на  Украине,   основан на том, что некоторые жидкие металлы образуют эвтектические системы с газообразным водородом. Сначала плавят металл в автоклаве (автоклав — аппарат для проведения различных процессов при нагреве и под давлением выше атмосферного). Потом растворяют водород в этом расплаве при высоком давлении (обычно 50 атм). Далее температуру делают ниже эвтектической, и система переходит в двухфазное состояние, соответствующее и твердому, и газу.

 Если параметры  процесса – скорость охлаждения  и профиль давления – будут  выбраны соответствующие, то газ будет накапливаться в виде маленьких газовых пузырьков в расплаве, таким образом, образовывая пену. Возможность затвердевания жидкости в определённом направлении предполагает образование пены преимущественно с удлиненными порами. Если сосуд цилиндрический, то возможны радиальные и осевые поры.

 Максимальная пористость, которая может быть достигнута, не выше 5-75 %, но металлы со средними  и высокими температурами плавления,  такие как медь и никель,  могут быть вспенены только таким способом. Структура пор таких пен называется «Gasars» .

 3) Литье по выплавляемым моделям. Металлическая пена может быть изготовлена без непосредственного вспенивания металла. Для этого отправной точкой является  полимерная пена. Полимерную пену превращают в структуру с открытыми порами путём манипуляции пенообразования или обработкой пористой структуры. Затем пену заполняют суспензией из термостойкого материала, например, смеси муллита, фенольных смол и карбоната кальция.  После высыхания полимер удаляют, и расплавленный металл заливают в полученные открытые пустоты, которые точно представляют первоначальную структуру пены. После удаления формовочного материала (например, под давлением воды) получаем металлическую пену, которая имеет такую же форму, как первоначальная полимерная пена.