1. Kaj je kovinska pena in aluminijasta pena
V zgodovini predstavlja odkritje penjene kovine pomemben mejnik v revoluciji celotnega področja inženirstva materialov. Kovinska pena je material, sestavljen iz kovinske strukture, ki ima veliko število por in je vzdolž strukture napolnjena s plinom [2]. Pore teh kovinskih pen so lahko medsebojno povezane ali zaprte in se imenujejo pena z odprtimi celicami oziroma pena z zaprtimi celicami, kot je prikazano na sliki 2(a)(b) [3]. Med njimi je aluminijeva pena trenutno najbolj obetavna penasta kovina zaradi svoje visoke poroznosti, nizke gostote, majhne teže, visoke trdnosti, dobre stisljivosti, močne absorpcije udarcev, dobre absorpcije zvoka in dobre elektromagnetne zaščite. Odlična zmogljivost, zato znana kot »kovinska zvezda« [4], ki se pogosto uporablja v drugih procesnih metodah na področju vesoljskega inženirstva, proizvodnje in fizikalnih znanosti.
Slika 2. Strukturne značilnosti penastega aluminija: (a) odprtocelična aluminijasta pena; (B) Zaprtocelična aluminijasta pena [3]
2. Odkritje penastega aluminija
Skozi zgodovino so se dolgo uporabljali materiali, kot so kost, les in plovec. Mnogi raziskovalci napovedujejo, da je uporabnost teh materialov spodbudila proizvodnjo umetnih materialov, kot je kovinska pena. Čeprav je večina tehnologij penjenja, ki se trenutno uporabljajo, predlagana od leta 1950, so študije pokazale, da je mogoče odkritje penjenega aluminija izslediti vse do leta 1926, ko je Ma De Meller v francoskem patentu prvič omenil penjenje kovine. Meller je nekoč predlagal, da se lahko postopek penjenja kovine doseže z vnosom inertnega plina v staljeno kovino ali z uporabo sredstva za penjenje, kot je karbonat v staljeni kovini. Čeprav je to samo patent, ki temelji na ideji, postavlja temelje za naslednje korake, ki so potrebni pri razvoju aluminijeve pene. John C. Elliott je 20 let pozneje to idejo še naprej razvijal, oblikoval posodobljeno različico Mellerjevega patenta in predstavil prvo razpoložljivo aluminijasto peno, kar je posledično prispevalo h komercializaciji materiala na Japonskem v devetdesetih letih prejšnjega stoletja. Izdaja je postavila temelje [5].
3. Izvedba in uporaba penastega aluminija
Penjen aluminij je kovina z visoko poroznostjo in porozno strukturo, v kateri zaprte pore predstavljajo približno tri četrtine celotne prostornine kovinskega materiala, zaradi česar je material zelo lahek [7]. Poleg zgornjih lastnosti ima penjeni aluminij tudi impresivne lastnosti absorpcije energije in visoko stisljivost [7]. Kar zadeva gostoto, so raziskovalci ugotovili, da je gostota večine vzorcev penastega aluminija približno 0,4-1,2 g·cm-3 [6]. Poleg tega ima penjeni aluminij tudi absorpcijo zvoka, možnost recikliranja in nizko toplotno prevodnost [7].
Kar zadeva uporabo, je zaradi elektromagnetnega ščita, majhne teže in absorpcijskih lastnosti aluminijaste pene idealen kandidat za komponente, ki se uporabljajo v napravah za nadzorovano jedrsko fuzijo, avtomobilski, vesoljski in gradbeni industriji zaradi njene odpornosti na ekstremna fizična okolja. V napravi za nadzor jedrske fuzije je zaprtocelična aluminijasta pena odličen material za elektromagnetno zaščito. Zaradi medsebojne povezanosti ogrodja iz aluminijeve pene ima ogromno specifično površino in dobro sposobnost absorbiranja in odbijanja elektromagnetnih valov. Prihaja do različnih izgub, kot so izguba absorpcije, izguba odboja itd., tako da ima penjeni aluminij odlično elektromagnetno zaščito. Poleg tega je bilo tudi ugotovljeno, da je učinkovitost elektromagnetne zaščite penastega aluminija pokazala trend, da se najprej zmanjša in nato poveča s povečanjem frekvence elektromagnetnega valovanja [3]. V vesoljski industriji se penjeni aluminij uporablja za izdelavo vesoljskih stožcev ali turbinskih delov. Zaradi nizke kakovosti penastega aluminija je še posebej uporaben za zmanjšanje skupne teže letalskih komponent [7]. In kot odličen material, ki absorbira energijo, se penjeni aluminij uporablja za izdelavo blažilnikov vesoljskih plovil, dušilcev vibracij in dna povratne kabine vesoljskega plovila, tako da lahko vesoljsko plovilo doseže varen pristanek in zaščiti varnost astronavtov in vesoljske opreme. Z učinkovito absorpcijo energije in absorpcijo udarcev lahko penjeni aluminij zagotovi varnost astronavtov ob udarcu pristanka vesoljskega plovila, kot je prikazano na sliki 3 [8].
Slika 3. Izboljšana delna struktura kaluže, odporne na udarce[8]
1-zgornja koža; 2 penaste aluminijaste vrvice; 3-spodnja koža
V avtomobilski industriji penjen aluminij pomaga zmanjšati skupno število delov, uporabljenih v okvirju, naredi postopek sestavljanja učinkovitejši in na koncu pomaga zmanjšati stroške in izboljšati učinkovitost [7]. Trenutno se penasti aluminij uporablja v prečkah proti trčenju, nosilcih in nosilcih vrat v karoserijskih strukturah avtomobilov na trgu, kot je prikazano na sliki 4 [9-10].
Slika 4. (a) je diagram delov karoserije, ki delno absorbirajo energijo;
(B) Shematski diagram prečke proti trčenju iz penastega aluminija
V gradbeništvu se penjeni aluminij uporablja predvsem kot zaščitna, ognjevarna pregrada za preprečevanje močnega hrupa. Tipična uporaba aluminijaste pene z zaprtimi celicami v arhitekturi je šanghajski SOHO Fuxing Plaza. Oblikovalec uporablja veliko količino penastega aluminija za absorpcijo in izolacijo zvoka, kot je prikazano na sliki 6 [11].
Odkritje penastega aluminija velja za izjemen dosežek. Material iz penastega aluminija združuje odlično zmogljivost elektromagnetne zaščite, majhno težo, nizko gostoto, blaženje udarcev in absorpcijo energije, tako da ima danes zelo dobre rezultate v različnih industrijah. Široka uporabnost. Zanimivo je, da je penjeni aluminij tudi okolju prijazen izdelek, ki ga je mogoče reciklirati, kar pomeni, da je trajnosten material in naj bi se v prihodnjih industrijskih aplikacijah uporabljal v velikih količinah.
Čas objave: 30. nov. 2021
