رغوة معدنية


في علم المواد ، الرغوة المعدنية هي مادة أو هيكل يتكون من معدن صلب (غالبًا الألومنيوم ) مع مسام مملوءة بالغاز تشكل جزءًا كبيرًا من الحجم . يمكن أن تكون المسام مغلقة ( رغوة ذات خلايا مغلقة ) أو مترابطة (رغوة ذات خلايا مفتوحة). [1] السمة المميزة للرغوة المعدنية هي المسامية العالية : عادةً ما يكون المعدن الأساسي 5-25٪ فقط من الحجم. ترجع قوة المادة إلى قانون المربع والمكعب .
تحتفظ الرغوة المعدنية عادةً ببعض الخصائص الفيزيائية لمادتها الأساسية. تظل الرغوة المصنوعة من معدن غير قابل للاشتعال غير قابلة للاشتعال ويمكن إعادة تدويرها عمومًا كمادة أساسية. معامل التمدد الحراري الخاص بها مماثل بينما من المحتمل أن تكون الموصلية الحرارية منخفضة. [2]
التعاريف
خلية مفتوحة

يمكن استخدام الرغوة المعدنية ذات الخلايا المفتوحة، والتي تسمى أيضًا الإسفنجة المعدنية، [3] في المبادلات الحرارية ( تبريد الإلكترونيات المدمجة ، وخزانات التبريد العميق ، والمبادلات الحرارية PCM )، وامتصاص الطاقة، وانتشار التدفق، ومنظفات ثاني أكسيد الكربون ، وموانع اللهب، والبصريات خفيفة الوزن. [4] إن التكلفة العالية للمادة تحد بشكل عام من استخدامها في التكنولوجيا المتقدمة، والفضاء الجوي ، والتصنيع.
تُستخدم الرغوات ذات الخلايا المفتوحة ذات الحجم الدقيق، والتي تكون خلاياها أصغر من أن تُرى دون مساعدة، كمرشحات عالية الحرارة في الصناعة الكيميائية.
تُستخدم الرغوات المعدنية في المبادلات الحرارية المدمجة لزيادة نقل الحرارة على حساب الضغط المنخفض. [5] [6] [7] [ يُطلب التوضيح ] ومع ذلك، يسمح استخدامها بخفض كبير في الحجم المادي وتكاليف التصنيع. تستخدم معظم نماذج هذه المواد هياكل مثالية ودورية أو خصائص مجهرية متوسطة.
تتمتع الإسفنجة المعدنية بمساحة سطح كبيرة جدًا لكل وحدة وزن وغالبًا ما يتم تشكيل المحفزات في إسفنجة معدنية، مثل الأسود البلاديوم وإسفنجة البلاتين والنيكل الإسفنجي . يُطلق على المعادن مثل الأوزميوم وهيدريد البلاديوم مجازيًا "إسفنجات معدنية"، ولكن هذا المصطلح يشير إلى خاصيتها في الارتباط بالهيدروجين، وليس البنية الفيزيائية. [8]
خلية مغلقة
تم الإبلاغ عن رغوة المعادن ذات الخلايا المغلقة لأول مرة في عام 1926 بواسطة ميلر في براءة اختراع فرنسية حيث تم اقتراح رغوة المعادن الخفيفة، إما عن طريق حقن الغاز الخامل أو عن طريق عامل النفخ . [9] تم إصدار براءتي اختراع على المعادن الشبيهة بالإسفنج لبنجامين سوسنيك في عامي 1948 و 1951 الذي استخدم بخار الزئبق لنفخ الألومنيوم السائل. [10] [11]
تم تطوير الرغوة المعدنية ذات الخلايا المغلقة في عام 1956 بواسطة جون سي إليوت في مختبرات أبحاث بيوركستن. على الرغم من توفر النماذج الأولية الأولى في الخمسينيات، إلا أن الإنتاج التجاري بدأ في التسعينيات بواسطة شركة Shinko Wire في اليابان. تُستخدم الرغوة المعدنية ذات الخلايا المغلقة في المقام الأول كمواد لامتصاص الصدمات، على غرار الرغوة البوليمرية في خوذة الدراجة ولكن لأحمال تأثير أعلى. على عكس العديد من الرغوة البوليمرية، تظل الرغوة المعدنية مشوهة بعد الاصطدام وبالتالي لا يمكن تشويهها إلا مرة واحدة. إنها خفيفة (عادةً ما تكون كثافتها من 10 إلى 25٪ من كثافة سبيكة غير مسامية متطابقة؛ عادةً تلك المصنوعة من الألومنيوم) وصلبة وكثيراً ما يتم اقتراحها كمواد هيكلية خفيفة الوزن. ومع ذلك، لم يتم استخدامها على نطاق واسع لهذا الغرض.
تحتفظ الرغوة ذات الخلايا المغلقة بمقاومة الحرائق وإمكانية إعادة التدوير لرغوات المعادن الأخرى، ولكنها تضيف خاصية التعويم في الماء.
رغوة عشوائية
يقال إن الرغوة عشوائية عندما يكون توزيع المسامية عشوائيًا. معظم الرغوات عشوائية بسبب طريقة التصنيع:
- رغوة المعدن السائل أو الصلب (المسحوق)
- الترسيب البخاري (CVD على مصفوفة عشوائية)
- الصب العشوائي المباشر أو غير المباشر لقالب يحتوي على خرز أو مصفوفة
رغوة عادية

يقال إن الرغوة منتظمة عندما يتم ترتيب البنية. القولبة المباشرة هي إحدى التقنيات التي تنتج رغاوي منتظمة [12] [13] ذات مسام مفتوحة. يمكن أيضًا إنتاج الرغاوي المعدنية من خلال العمليات المضافة مثل الصهر الانتقائي بالليزر (SLM).
يمكن استخدام الألواح كنواة صب. يتم تخصيص الشكل لكل تطبيق. تسمح طريقة التصنيع هذه بإنتاج رغوة "مثالية"، تسمى كذلك لأنها تلبي قوانين بلاتو ولديها مسام موصلة على شكل خلية كلفن ثماني السطوح المقطوعة ( هيكل مكعب مركزي الجسم ).

رغوة هجينة
تحتوي الرغوة المعدنية الهجينة عادةً على طبقة رقيقة على الركيزة المسامية الأساسية. [15] وقد ثبت أن طلاء الرغوة المعدنية بمادة مختلفة يحسن الخصائص الميكانيكية للرغوة المعدنية، خاصةً لأنها عرضة لآليات تشوه الانحناء بسبب بنيتها الخلوية. يمكن أن يؤدي إضافة طبقة رقيقة أيضًا إلى تحسين خصائص أخرى مثل مقاومة التآكل وتمكين وظائف السطح لعمليات التدفق الحفزي.
لتصنيع رغاوي معدنية هجينة، يتم ترسيب أغشية رقيقة على ركيزة رغوية باستخدام الترسيب الكهربائي في درجة حرارة الغرفة. [16] يمكن استخدام إعداد خلية ذات قطبين في حمام وات . [16] أظهرت الدراسات الحديثة وجود مشكلات في توحيد الغشاء الرقيق بسبب الهندسة المعقدة للرغاوي المعدنية. [16] تمت معالجة مشكلات التوحيد في دراسات أكثر حداثة من خلال تنفيذ أغشية رقيقة من الجسيمات النانوية، مما أدى إلى تحسين الخصائص الميكانيكية ومقاومة التآكل. [17]
كما تم استخدام الدراسات الحديثة حول الرغوات الهجينة لمعالجة مصادر الطاقة غير المتجددة. [18] تم تصنيع الرغوات الهجينة المعدنية الانتقالية سابقًا من خلال مزيج من عمليات الترسيب الكهربائي والفقاعات الهيدروجينية لتعزيز انتشار السوائل عبر المادة المسامية وتحسين الخصائص الكهربائية لتحسين نقل الشحنة. [18] وبالتالي، يمكن استخدام مثل هذه الرغوات لجعل عمليات تقسيم الماء بالتحفيز الكهربائي أكثر كفاءة.
قد تتمتع الرغوات المعدنية الهجينة بخصائص توصيل مواتية للأجهزة المرنة. من خلال تطبيق طبقة رقيقة من المعدن على ركيزة بوليمر مسامية عبر الترسيب في الطور الغازي، تمكن الباحثون من تحقيق موصلية عالية مع الحفاظ على مرونة مصفوفة البوليمر. [19] من خلال اختبار الدورة، فقد ثبت أن الرغوات الهجينة قادرة على استشعار تشوه السطح. [19] تسعى الجهود المستقبلية إلى توصيف التغيير في الترابط المتقاطع ومسامية المواد أثناء حدوث الترسيب. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استكشاف التفاعل أو التوافق بين البوليمرات المختلفة والمعادن في ربيطات الرغوة من أجل الحصول على فهم أفضل لحساسيتها للقوى الخارجية. وهذا من شأنه أن يساعد في تحسين مقاومة قوى الضغط.
تصنيع
خلية مفتوحة
يتم تصنيع الرغوة ذات الخلايا المفتوحة عن طريق المسبك أو مسحوق المعادن . في طريقة المسحوق، يتم استخدام "حاملات الفراغات"؛ وكما يوحي اسمها، فإنها تشغل الفراغات والقنوات المسامية. في عمليات الصب، يتم صب الرغوة بهيكل رغوة البولي يوريثين ذات الخلايا المفتوحة.
خلية مغلقة
تُصنع الرغوة عادةً عن طريق حقن غاز أو خلط عامل رغوي في معدن منصهر . [20] يمكن تكوين رغوة من المعدن المنصهر عن طريق تكوين فقاعات غازية في المادة. عادةً ما تكون الفقاعات في المعدن المنصهر شديدة الطفو في السائل عالي الكثافة وترتفع بسرعة إلى السطح. يمكن إبطاء هذا الارتفاع عن طريق زيادة لزوجة المعدن المنصهر عن طريق إضافة مساحيق سيراميك أو عناصر سبائكية لتشكيل جزيئات مثبتة في المعدن المنصهر، أو بوسائل أخرى. يمكن تكوين رغوة من المعدن المنصهر بإحدى الطرق الثلاث التالية:
- عن طريق حقن الغاز في المعدن السائل من مصدر خارجي؛
- عن طريق التسبب في تكوين الغاز في السائل عن طريق خلط عوامل النفخ التي تطلق الغاز مع المعدن المنصهر؛
- عن طريق التسبب في ترسب الغاز الذي تم إذابته مسبقًا في المعدن المنصهر.
لتثبيت فقاعات المعدن المنصهر، يلزم استخدام عوامل رغوية عالية الحرارة (جسيمات صلبة بحجم النانو أو الميكرومتر). حجم المسام أو الخلايا عادة ما يكون من 1 إلى 8 مم. عند استخدام عوامل الرغوة أو النفخ، يتم خلطها مع المعدن المسحوق قبل إذابته. هذا هو ما يسمى "طريق المسحوق" للرغوة، وربما يكون الأكثر رسوخًا (من وجهة نظر صناعية). بعد خلط مساحيق المعدن (مثل الألومنيوم ) وعامل الرغوة (مثل TiH 2 )، يتم ضغطها في مادة أولية صلبة مضغوطة، والتي يمكن أن تكون متاحة في شكل كتلة أو صفيحة أو سلك. يمكن إجراء إنتاج المواد الأولية من خلال مجموعة من عمليات تشكيل المواد، مثل الضغط على المسحوق، [21] والبثق (المباشر [22] أو المطابق [23] ) والدرفلة المسطحة . [24]
رغوة معدنية مركبة

تُصنع الرغوة المعدنية المركبة من مزيج من الكرات المعدنية المجوفة المتجانسة مع مصفوفة معدنية تحيط بالكرات. تعمل هذه الرغوة المعدنية ذات الخلايا المغلقة على عزل جيوب الهواء بالداخل ويمكن تصنيعها من أي معدن أو سبيكة أو مزيج تقريبًا. يمكن تنويع أحجام الكرات وضبطها بدقة لكل تطبيق. يوفر خليط الكرات المعدنية المجوفة المملوءة بالهواء والمصفوفة المعدنية كلًا من الوزن الخفيف والقوة. يتم ترتيب الكرات بشكل عشوائي داخل المادة ولكنها غالبًا ما تشبه بنية مكعبة بسيطة أو مكعبة مركزية الجسم . تتكون الرغوة المعدنية المركبة من حوالي 70% من الهواء وبالتالي، تزن 70% أقل من حجم مساوٍ من المادة الأم الصلبة. الرغوة المعدنية المركبة هي أقوى رغوة معدنية متاحة بنسبة قوة إلى كثافة أكبر من 5-6 مرات وقدرة امتصاص طاقة أكبر من الرغوات المعدنية السابقة بأكثر من 7 مرات. [25] تم تطوير CMF في جامعة ولاية كارولينا الشمالية بواسطة المخترعة أفسانة ربيعي بأربع براءات اختراع باسمها، وكلها بعنوان "رغوة معدنية مركبة وطريقة تحضيرها" (براءات الاختراع الأمريكية 9208912، 8110143، 8105696، 7641984)، وCMF هي حاليًا تقنية مملوكة لشركة Advanced Materials Manufacturing.
اختبار التأثير/الانفجار/الباليستية عالية السرعة
تتمتع اللوحة التي يقل سمكها عن بوصة واحدة بمقاومة كافية لتحويل رصاصة خارقة للدروع من طراز M2 من عيار .30-06 Springfield إلى غبار. تفوقت اللوحة الاختبارية على لوحة معدنية صلبة ذات سمك مماثل، بينما كانت تزن أقل بكثير. تشمل التطبيقات المحتملة الأخرى نقل النفايات النووية (حماية الأشعة السينية وأشعة جاما والإشعاع النيوتروني ) والعزل الحراري لإعادة دخول المركبات الفضائية إلى الغلاف الجوي، مع مقاومة للحريق والحرارة أكبر عدة مرات من المعادن العادية. [25] وجدت دراسة أخرى اختبرت مقاومة CMF لطلقات عيار .50 أن CMF يمكن أن توقف مثل هذه الطلقات بأقل من نصف وزن الدروع المتجانسة الملفوفة . [26]
اختبار HEI/الجزء
يمكن لـ CMF استبدال الدروع الفولاذية المدلفنة بنفس الحماية لثلث الوزن. يمكنه حجب الشظايا والموجات الصدمية المسؤولة عن إصابات الدماغ الرضحية (TBI). تم اختبار CMF ضد الانفجارات والشظايا. تم اختبار الألواح ضد قذائف حارقة شديدة الانفجار مقاس 23 × 152 مم (كما هو الحال في الأسلحة المضادة للطائرات ) والتي تطلق موجة انفجار عالية الضغط وشظايا معدنية بسرعات تصل إلى 1524 م / ث. كانت ألواح CMF قادرة على تحمل الانفجار وتأثيرات الشظايا دون انحناء أو تشقق. كانت العينة الأكثر سمكًا (سمكها 16.7 مم) قادرة على إيقاف الشظايا ذات الأحجام المختلفة تمامًا من ثلاثة اختبارات منفصلة للذخيرة الحارقة . وقد تبين أن CMF قادرة على إيقاف الشظايا محليًا وتبديد طاقة موجة الانفجار الحادثة وإعاقة انتشار الفشل، على عكس المواد الصلبة بالكامل التي تنقل الطاقة عبر اللوحة بأكملها، مما يؤدي إلى إتلاف المادة السائبة. [27] في هذه الدراسة، قامت مادة CMF المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ بمنع ضغط الانفجار والتفتت بسرعة 5000 قدم في الثانية من قذائف حارقة شديدة الانفجار (HEI) تنفجر على بعد 18 بوصة. صدت صفائح CMF الفولاذية (9.5 مم أو 16.75 مم سمكًا) الموضوعة على بعد 18 بوصة من لوحة الضرب موجة ضغط الانفجار وضد الشظايا النحاسية والفولاذية الناتجة عن قذيفة HEI مقاس 23 × 152 مم (كما هو الحال في الأسلحة المضادة للطائرات ) بالإضافة إلى لوحة ضربة من الألومنيوم مقاس 2.3 مم. [28] كان أداء مادة CMF الفولاذية أفضل بكثير من لوحة الألومنيوم ذات الوزن نفسه ضد نفس نوع الانفجار والشظايا. [29]
اختبار الأسلحة الصغيرة
تم استخدام ألواح الرغوة المعدنية المركبة، المصنعة باستخدام كرات مجوفة من الصلب مقاس 2 مم مدمجة في مصفوفة من الفولاذ المقاوم للصدأ ومعالجتها باستخدام تقنية مسحوق المعادن، جنبًا إلى جنب مع سيراميك كربيد البورون والألمنيوم 7075 أو ألواح خلفية من كيفلر لتصنيع نظام درع مركب جديد. تم اختبار هذا الدرع المركب ضد التهديدات من النوع الثالث والرابع وفقًا لمعيار NIJ باستخدام معيار الاختبار الباليستي NIJ 0101.06. سمح التصميم القائم على الطبقات عالي الوظائف للرغوة المعدنية المركبة بامتصاص الطاقة الحركية الباليستية بشكل فعال، حيث شكلت طبقة CMF ما بين 60-70٪ من إجمالي الطاقة التي يمتصها نظام الدرع وسمحت لنظام الدرع المركب بإظهار أداء باليستي متفوق لكل من التهديدات من النوع الثالث والرابع. تشير نتائج برنامج الاختبار هذا إلى أنه يمكن استخدام CMF لتقليل الوزن وزيادة أداء الدرع للتهديدات من النوع الثالث والرابع. [30]

اختبار AP عيار .50
تم اختبار CMF ضد طلقات خارقة للدروع ذات عيار أكبر . [31] تم تصنيع ألواح SS CMF وإقرانها بلوحة وجه من السيراميك ولوحة خلفية من الألومنيوم. تم اختبار الدروع الصلبة متعددة الطبقات ضد طلقات BMG .50 و AP في مجموعة من سرعات التأثير. اخترقت نوى الفولاذ الطري للطلقات الكروية واحدة من العينات الثلاث ولكنها كشفت عن فوائد استخدام بلاطات متعددة على لوحة وجه سيراميكية واحدة للحد من انتشار الضرر. اخترق قلب الفولاذ المقوى لطلقات AP عميقًا في اللوحة الأمامية الخزفية، مما أدى إلى ضغط طبقة CMF حتى توقفت المقذوف وتم دمجه داخل الدرع أو تمكنت من اختراق لوحة الدعم والخروج منها بالكامل. تمت مقارنة النتائج التجريبية بمواد الدروع المتوفرة تجاريًا وتوفر أداءً محسنًا مع تقليل الوزن. يُقدر أن طبقة CMF تمتص ما بين 69 و 79٪ من الطاقة الحركية للرصاصة، في حالة الاختبار غير المحسنة. [31] عند سرعات التأثير التي تزيد عن 800 متر/ثانية، تمتص طبقة CMF باستمرار ما يصل إلى 79% من طاقة التأثير. ومع زيادة سرعة التأثير، زادت أيضًا القوة الفعالة لطبقة CMF بسبب حساسية معدل إجهاد المادة. تم حساب نسبة كفاءة الكتلة للدروع، عند مقارنتها بالدروع المتجانسة المدلفنة (RHA)، لتكون 2.1. يمكن للدروع الصلبة CMF إيقاف الجولة القادمة بشكل فعال بأقل من نصف وزن RHA المطلوب. [26] يمكن أن يؤدي توفير الوزن الذي توفره استخدام مثل هذا الدرع الجديد إلى تحسين كفاءة الوقود للمركبات العسكرية دون التضحية بحماية الأفراد أو المعدات الموجودة بالداخل.
اختبار الثقب
تم اختبار رغوة المعدن المركبة في اختبار الثقب. أجريت اختبارات الثقب على SS CMF-CSP بسماكات مختلفة من صفائح الوجه الفولاذية المقاومة للصدأ ونواة CMF. تم ربط نواة SS CMF وصفائح الوجه من خلال الترابط اللاصق والترابط الانتشاري. خلقت سماكات مختلفة من نواة CMF وصفائح الوجه مجموعة متنوعة من كثافات المساحة المستهدفة من حوالي 6.7 إلى حوالي 11.7 كجم لكل بلاطة بحجم 30 × 30 سم. تم التأثير على الأهداف باستخدام كرات فولاذية بقطر 2.54 و 3.175 سم تم إطلاقها بسرعات تتراوح من 120 إلى 470 مترًا في الثانية، مما أدى إلى طاقات ثقب من 488 إلى 14500 جول على مساحة تأثير 5.06-7.91 سم2 لكرات الكرة ذات الحجمين. لم تظهر أي من الألواح، حتى تلك ذات أدنى كثافات المساحة، اختراقًا/ثقبًا كاملاً من خلال سمكها. كان هذا يرجع في الغالب إلى قدرة امتصاص الطاقة لقلب SS CMF في الضغط، في حين تعمل صفائح الوجه على تقوية قلب CMF للتعامل بشكل أفضل مع إجهادات الشد. تظهر الألواح الساندويتش ذات صفائح الوجه الأكثر سمكًا فعالية أقل، ويبدو أن صفيحة الوجه الرقيقة كافية لدعم قلب SS CMF لامتصاص مثل هذه الطاقات الثاقبة. أظهرت الألواح المجمعة باستخدام الترابط اللاصق فك ارتباط صفائح الوجه من قلب CMF عند تأثير المقذوف بينما أظهرت الألواح المرتبطة بالانتشار مرونة أكبر عند الواجهة واستوعبت الإجهادات بشكل أفضل. لم تظهر معظم الألواح المرتبطة بالانتشار فك ارتباط صفائح الوجه من قلب SS CMF. أثبتت هذه الدراسة قدرات CMF على امتصاص الطاقة، مما يشير إلى أنه يمكن استخدام CMF لزيادة الحماية وتقليل الوزن في نفس الوقت. [32]
اختبار الحرائق/الحرارة الشديدة

تم اختبار لوحة CMF من الفولاذ 316L بسمك 12 بوصة × 12 بوصة × 0.6 بوصة ووزن 3.545 كجم في اختبار حريق الشعلة . في هذا الاختبار، تعرضت اللوحة لدرجات حرارة تزيد عن 1204 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. عند الوصول إلى وقت التعرض البالغ 30 دقيقة، كانت أقصى درجة حرارة على السطح غير المكشوف للفولاذ 400 درجة مئوية (752 درجة فهرنهايت) في وسط اللوحة فوق الموقد النفاث مباشرة. كانت هذه درجة الحرارة أقل بكثير من حد ارتفاع درجة الحرارة المطلوب وهو 427 درجة مئوية؛ لذلك، استوفت هذه العينة متطلبات اختبار حريق الشعلة. للإشارة، فشلت قطعة صلبة من الفولاذ بنفس الحجم تستخدم للمعايرة في هذا الاختبار في حوالي 4 دقائق. [33]
ومن الجدير بالذكر أن نفس لوحة CMF قبل اختبار حريق الطائرة المذكور أعلاه خضعت لاختبار حريق حمام السباحة. في هذا الاختبار، تعرضت اللوحة لدرجات حرارة 827 درجة مئوية لمدة 100 دقيقة. تحملت اللوحة درجة الحرارة القصوى لمدة 100 دقيقة بسهولة، ووصلت إلى أقصى درجة حرارة للواجهة الخلفية تبلغ 379 درجة مئوية، وهي أقل بكثير من درجة حرارة الفشل 427 درجة مئوية. للإشارة، تم معايرة الاختبار باستخدام قطعة من الفولاذ الصلب بنفس الحجم والتي فشلت في الاختبار في حوالي 13 دقيقة. [34] تشير هذه الدراسات إلى الأداء الاستثنائي لـ CMF ضد الحرائق والحرارة الشديدة.

تتميز رغوة المعدن المركبة بمعدل نقل حرارة منخفض للغاية وقد أثبتت قدرتها على عزل درجة حرارة قصوى تبلغ 1100 درجة مئوية (2000 درجة فهرنهايت) في غضون بضع بوصات فقط، مما يترك المادة في درجة حرارة الغرفة على بعد حوالي بوصتين من منطقة المادة الساخنة للغاية. بالإضافة إلى ذلك، تمكنت مادة CMF الفولاذية من الاحتفاظ بمعظم قوتها الشبيهة بالصلب عند هذه الدرجة من الحرارة مع بقائها خفيفة الوزن مثل الألومنيوم، وهي مادة تذوب على الفور عند هذه الدرجة من الحرارة القصوى.
قدرات أخرى
لقد أظهرت رغوة المعدن المركبة قدرتها على الحماية من الأشعة السينية والإشعاع النيوتروني، وامتصاص/تخفيف الصدمات والأصوات والاهتزازات، ويمكنها تحمل أكثر من مليون دورة تحميل عالية، متفوقة على المعادن الصلبة التقليدية في كل حالة.
معرض الرغوة العادية
-
مبدد حراري مع رغوة نحاسية
-
صندوق الحماية بما في ذلك رغوة الألومنيوم
-
رغوة الألومنيوم ذات المسامية الكبيرة
-
رغوة الألومنيوم مع صفائح الألومنيوم
-
رأس - رغوة معدنية فولاذية
التطبيقات
تصميم
يمكن استخدام الرغوة المعدنية في التركيبة المنتجة أو المعمارية.
معرض التصميم
-
رغوة معدنية آلية
-
تصميم المبدد الحراري باستخدام الرغوة العادية [35]
-
طاولة قهوة ذات مسام كبيرة من الألمنيوم
ميكانيكي
طب العظام
تم استخدام الرغوة المعدنية في الأطراف الاصطناعية للحيوانات التجريبية . في هذا التطبيق، يتم حفر ثقب في العظم وإدخال الرغوة المعدنية، مما يسمح للعظم بالنمو في المعدن للحصول على تقاطع دائم. بالنسبة للتطبيقات التقويمية، تعد رغوة التنتالوم أو التيتانيوم شائعة لقوتها الشد ومقاومتها للتآكل وتوافقها البيولوجي .
تم تركيب أطراف صناعية من الرغوة المعدنية للأرجل الخلفية لكلب سيبيري هاسكي يدعى تريومف. أظهرت الدراسات التي أجريت على الثدييات أن المعادن المسامية، مثل رغوة التيتانيوم ، قد تسمح بتكوين الأوعية الدموية داخل المنطقة المسامية. [36]
يستخدم مصنعو الأجهزة التقويمية بنية رغوية أو طلاءات رغوية معدنية [37] لتحقيق المستويات المطلوبة من التكامل العظمي . [38] [39] [40]
السيارات
الوظائف الأساسية للرغوة المعدنية في المركبات هي زيادة امتصاص الصوت وتقليل الوزن وزيادة امتصاص الطاقة في حالة وقوع حوادث و(في التطبيقات العسكرية) مكافحة القوة الارتجاجية للعبوات الناسفة . على سبيل المثال، يمكن استخدام الأنابيب المملوءة بالرغوة كقضبان مضادة للتطفل . [41] ونظرًا لكثافتها المنخفضة (0.4-0.9 جم / سم 3 )، فإن رغاوي الألومنيوم وسبائك الألومنيوم موضع اعتبار خاص. هذه الرغاوي صلبة ومقاومة للحريق وغير سامة وقابلة لإعادة التدوير وتمتص الطاقة وأقل توصيلًا حراريًا وأقل نفاذية مغناطيسية وأكثر كفاءة في امتصاص الصوت، خاصة عند مقارنتها بالأجزاء المجوفة. تعمل الرغاوي المعدنية في أجزاء السيارات المجوفة على تقليل نقاط الضعف المرتبطة عادةً بحوادث السيارات والاهتزازات. هذه الرغاوي غير مكلفة للصب باستخدام مسحوق المعادن، مقارنة بصب الأجزاء المجوفة الأخرى.
بالمقارنة مع الرغوة البوليمرية المستخدمة في المركبات، فإن الرغوة المعدنية أكثر صلابة وقوة وامتصاصًا للطاقة ومقاومة للحريق والظروف الجوية القاسية مثل الأشعة فوق البنفسجية والرطوبة وتغيرات درجات الحرارة. ومع ذلك، فهي أثقل وزنًا وأكثر تكلفة وغير عازلة. [42]
تم تطبيق تقنية الرغوة المعدنية على غازات العادم في السيارات . [43] وبالمقارنة مع المحولات الحفازة التقليدية التي تستخدم سيراميك الكورديريت كركيزة، فإن ركيزة الرغوة المعدنية توفر نقلًا أفضل للحرارة وتظهر خصائص نقل كتلة ممتازة (اضطراب عالي) وقد تقلل من كمية محفز البلاتين المطلوب. [44]
التحفيز الكهربائي
تُعَد الرغوات المعدنية دعامة شائعة للمحفزات الكهربائية نظرًا لمساحتها السطحية العالية وبنيتها المستقرة. كما تفيد المسام المترابطة في نقل الكتلة للمتفاعلات والمنتجات. ومع ذلك، قد يكون تحديد معيار المحفزات الكهربائية صعبًا بسبب مساحة السطح غير المحددة وخصائص الرغوة المختلفة وتأثير الشعيرات الدموية. [45]
امتصاص الطاقة

تُستخدم الرغوات المعدنية لتقوية الهيكل دون زيادة كتلته. [46] لهذا التطبيق، تكون الرغوات المعدنية عمومًا ذات مسام مغلقة ومصنوعة من الألومنيوم. يتم لصق ألواح الرغوة على لوح الألومنيوم للحصول على شطيرة مركبة مقاومة محليًا (في سمك الورقة) وصلبة على طولها حسب سمك الرغوة.
تتمثل ميزة الرغوة المعدنية في أن التفاعل يكون ثابتًا، بغض النظر عن اتجاه القوة. تتمتع الرغوة بهضبة من الإجهاد بعد التشوه والتي تكون ثابتة لما يصل إلى 80% من السحق. [47]
حراري


قام تيان وآخرون [48] بإدراج عدة معايير لتقييم الرغوة في المبادل الحراري. تظهر مقارنة الرغوات المعدنية ذات الأداء الحراري بالمواد المستخدمة تقليديًا في تكثيف التبادل (الزعانف، الأسطح المقترنة، فراش الخرز) أولاً أن خسائر الضغط الناتجة عن الرغوات أكثر أهمية بكثير من الزعانف التقليدية، ولكنها أقل بكثير من تلك الخاصة بالخرز. معاملات التبادل قريبة من الأسِرّة والكرات وأعلى بكثير من الشفرات. [49] [50]
توفر الرغوة ميزات حرارية وميكانيكية أخرى:
- كتلة منخفضة جدًا (كثافة 5-25% من المادة الصلبة السائبة اعتمادًا على طريقة التصنيع)
- مساحة تبادل كبيرة (250–10000 م 2 /م 3 )
- نفاذية عالية نسبيا
- موصلية حرارية فعالة عالية نسبيًا (5–30 واط/(م ك))
- مقاومة جيدة للصدمات الحرارية والضغوط العالية ودرجات الحرارة العالية والرطوبة والتآكل والدورة الحرارية
- امتصاص جيد للصدمات الميكانيكية والصوت
- يمكن التحكم في حجم المسام والمسامية من قبل الشركة المصنعة
إن تسويق المبادلات الحرارية المدمجة القائمة على الرغوة ومبددات الحرارة وممتصات الصدمات محدود بسبب التكلفة العالية لنسخ الرغوة. كما أن مقاومتها الطويلة الأمد للتلوث والتآكل والتآكل غير موصوفة بشكل كافٍ. ومن وجهة نظر التصنيع، يتطلب التحول إلى تكنولوجيا الرغوة تقنيات إنتاج وتجميع جديدة وتصميمًا جديدًا للمبادلات الحرارية.
كان كيسيتو وآخرون [51] [52] رائدين في التحقيق التجريبي لاستخدام رغوة النحاس المضغوطة للتبريد المتقدم ثنائي الطور للإلكترونيات عالية التدفق الحراري. تم تصميم عينات الرغوة المعدنية وتصنيعها بواسطة شركة مقرها الولايات المتحدة، ERG Aerospace Corporation. [53] تم اختبار/التعامل مع تدفقات حرارية تصل إلى 174 واط/سم2. تكشف البيانات أن ضغط الرغوة أربع مرات في اتجاه التيار (4X) عزز الأداء الحراري بأكثر من 3 مرات، مقارنة بالرغوة المعدنية غير المضغوطة. ويعزى ذلك إلى حقيقة أن ضغط الرغوة يقلل بشكل متناسب من القطر الهيدروليكي الفعال ويزيد من مساحة السطح لكل وحدة حجم والتوصيل الحراري لكتلة الرغوة، وكل ذلك يحسن أداء التبريد ثنائي الطور. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن الرغوة المضغوطة لديها القدرة على زيادة التدفق الحراري الحرج (CHF)، وهو أمر محوري في التشغيل الآمن للتبريد ثنائي الطور عند كثافات حرارية عالية. تظهر النتائج الأولية أن الرغوات المعدنية المضغوطة يمكنها حل العديد من المشكلات التي تواجه القنوات الدقيقة، بما في ذلك الانسداد وعدم استقرار التدفق وانخفاض CHF وغيرها. وعلى هذا النحو، يتم اقتراح الرغوات المضغوطة كبدائل قوية جديدة للقنوات الدقيقة في التبريد ثنائي الطور بالضخ لتبريد الإلكترونيات عالية التدفق الحراري/الإدارة الحرارية، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر عالية الأداء، والفضاء الجوي، والعسكرية والدفاعية، والإلكترونيات القوية.
انظر أيضا
- ساندويتش رغوة الألومنيوم
- مركب البوليمر الألومنيوم
- رغوة السيراميك
- نانو فوم
- وسط مسامي
- رغوة شبكية
- رغوة التيتانيوم
مراجع
- ^ "الرغوة المعدنية والسيراميك | American Elements | المنتجات | التطبيقات". American Elements . تم الاسترجاع في 2024-03-21 .
- ^ مقارنة المواد: الألومنيوم المصبوب ورغوة الألومنيوم محفوظ في 2010-04-30 على موقع Wayback Machine . Makeitfrom.com. تم الاسترجاع في 2011-11-19.
- ^ جون بانهارت. "ما هي المعادن الخلوية والرغوات المعدنية؟" محفوظ في 2010-12-29 على موقع واي باك مشين
- ^ "مادة الرغوة المعدنية Duocel®". ergaerospace.com/ . تم الاسترجاع في 2022-01-26 .
- ^ Topin, F.; Bonnet, J.-P.; Madani, B.; Tadrist, L. (2006). "Experimental Analysis of Multiphase Flow in Metallic foam: Flow Laws, Heat Transfer and Convective Boiling" (PDF) . Advanced Engineering Materials . 8 (9): 890. doi :10.1002/adem.200600102. S2CID 138133942.
- ^ بانهارت، ج. (2001). "تصنيع وتوصيف وتطبيق المعادن الخلوية والرغوات المعدنية". التقدم في علوم المواد . 46 (6): 559-632 . doi :10.1016/S0079-6425(00)00002-5.
- ^ DeGroot, CT; Straatman, AG; Betchen, LJ (2009). "نمذجة الحمل الحراري القسري في مشعات الحرارة الرغوية المعدنية ذات الزعانف". مجلة التغليف الإلكتروني . 131 (2): 021001. doi :10.1115/1.3103934.
- ^ رالف وولف؛ خالد منصور. "الإسفنجة المعدنية المذهلة: امتصاص الهيدروجين" محفوظ في 16 نوفمبر 2015 على موقع واي باك مشين . 1995.
- ^ دي ميلر، MA براءة الاختراع الفرنسية رقم 615147 (1926).
- ^ Sosnick, B. براءة اختراع أمريكية رقم 2,434,775 (1948).
- ^ Sosnick, B. براءة اختراع أمريكية رقم 2,553,016 (1951).
- ^ ab Recherche sur la production de pièces de fonderie en mousse métallique – Recherche en fonderie: les mousses métalliques أرشفة 2013-10-29 في آلة Wayback .. ctif.com. تم الاسترجاع بتاريخ 2013/12/03.
- ^ ab ALVEOTEC – Innovation Archived 2014-07-30 at the Wayback Machine . Alveotec.fr/en. Retrieved on 2013-12-03.
- ^ "ALVEOTEC - Actualités - video : making process of aluminium foam". مؤرشف من الأصل في 2014-07-30.
- ^ جونغ ، أ. كوبليشكا، السيد؛ لاش، إي. ديبلز، S .؛ ناتر، هـ. (2012). "الرغاوي المعدنية الهجينة". المجلة الدولية لعلوم المواد . 2 (4): 97- 107.
- ^ اي بي سي بوهويس، بكالوريوس؛ ماكريا، JL. بالومبو، ج.؛ هيبارد، جي دي (2009). "الخصائص الميكانيكية للرغاوي المعدنية النانوية الهجينة". اكتا ماديا . 57 (14): 4046– 4053. بيب كود :2009AcMat..57.4046B. دوى :10.1016/j.actamat.2009.04.053.
- ^ Xu, Y.; Ma, S.; Fan, M.; Zheng, H.; Chen, Y.; Song, X.; Hao, X. (2019). "تعزيز المقاومة الميكانيكية والتآكل لرغوات الألومنيوم ذات الخلايا المغلقة من خلال الطلاءات المركبة النانوية المترسب كهربائيًا". المواد . 12 (19): 2197. رمز Bibcode : 2019Mate...12.3197X. doi : 10.3390/ma12193197 . PMC 6803920. PMID 31569520 .
- ^ ab Zhou, J.; Yu, L.; Zhou, Z.; Huang, C.; Zhang, Y.; Yu, B.; Yu, Y. (2021). "التصنيع الفائق السرعة لرغوات المعادن الانتقالية المسامية لتقسيم الماء بالتحفيز الكهربائي بكفاءة". التحفيز التطبيقي ب: البيئة . 288 : 120002. رمز Bibcode : 2021AppCB.28820002Z. doi : 10.1016/j.apcatb.2021.120002. S2CID 233541520.
- ^ ab Peng, Y.; Liu, H.; Zhang, J. (2020). "رغوة معدنية هجينة ذات مرونة فائقة وموصلية كهربائية عالية وحساسية للضغط". ACS Applied Materials and Interfaces . 12 (5): 6489– 6495. doi :10.1021/acsami.9b20652. PMID 31927977. S2CID 210191505.
- ^ بانهارت، جون (2000). "طرق تصنيع الرغوات المعدنية". مجلة جوم . 52 (12). جمعية المعادن والمعادن والمواد: 22– 27. رمز المرجع : 2000JOM....52l..22B. doi : 10.1007/s11837-000-0062-8. S2CID 137735453. مؤرشف من الأصل في 2012-01-01 . تم الاسترجاع في 2012-01-20 .
- ^ Bonaccorsi, L.; Proverbio, E. (1 September 2006). "Powder Compaction Effect on Foaming Behavior of Uni-Axial Pressed PM Precursors". Advanced Engineering Materials . 8 (9): 864– 869. doi :10.1002/adem.200600082. S2CID 136706142.
- ^ شيومي، م.؛ إيماغاما، س.؛ أوساكادا، ك.؛ ماتسوموتو، ر. (2010). "تصنيع رغاوي الألومنيوم من المسحوق عن طريق البثق الساخن والرغوة". مجلة تكنولوجيا معالجة المواد . 210 (9): 1203-1208 . doi :10.1016/j.jmatprotec.2010.03.006.
- ^ Lefebvre, Louis Philippe; Banhart, John; Dunand, David C. (2008). MetFoam 2007 : porous metals and metallic foams : actions of the Fifth International Conference on Porous Metals and Metallic Foams, September 5–7, 2007, Montreal Canada . Lancaster, Pa.: DEStech Publications Inc. pp. 7–10 . ISBN 978-1932078282.
- ^ Strano, M.; Pourhassan, R.; Mussi, V. (2013). "تأثير الدرفلة الباردة على كفاءة الرغوة لسلائف الألومنيوم". مجلة عمليات التصنيع . 15 (2): 227. doi :10.1016/j.jmapro.2012.12.006.
- ^ ab "دراسة تجد أن الرغوات المعدنية قادرة على حجب الأشعة السينية وأشعة جاما وإشعاع النيوترون". جامعة ولاية كارولينا الشمالية، رالي، كارولينا الشمالية . أخبار جامعة ولاية كارولينا الشمالية. 17 يوليو 2015. تم الاسترجاع في 20 أغسطس 2021.
تُظهر الأبحاث من جامعة ولاية كارولينا الشمالية أن الرغوات المعدنية المركبة خفيفة الوزن فعالة في حجب الأشعة السينية وأشعة جاما وإشعاع النيوترون، وقادرة على امتصاص طاقة الاصطدامات عالية التأثير.
- ^ ab Shipman, Matt Metal Foam Stops .50 Caliber Rounds as Well as Steel – At Less Than Half the Weight, NC State University News, 05.05.19
- ^ Rabiei, Marx, Portanova, (2018), دراسة حول مقاومة الرغوة المعدنية المركبة للانفجار والشظايا من خلال الأساليب التجريبية والنمذجة. Composite Structures 194 (2018) 652-661.
- ^ وانج، بريان (2018-04-24). "توفر الرغوات المعدنية المركبة حماية مدرعة لثلث الوزن وتصنع مصدات سيارات خارقة | NextBigFuture.com". NextBigFuture.com . تم الاسترجاع في 2018-05-24 .
- ^ ماركس، بورتانوفا، رابي، دراسة حول مقاومة الرغوة المعدنية المركبة للانفجار والشظايا من خلال الأساليب التجريبية والنمذجة. الهياكل المركبة 194 (2018) 652-661.
- ^ Rabiei, Garcia-Avila, Portanova. (2015). الأداء الباليستي لرغوات المعادن المركبة. Composite Structures (2015) 202-211.
- ^ abc Rabiei, Marx, Portanova. (2019). الأداء الباليستي لرغوة المعدن المركبة ضد التهديدات ذات العيار الكبير. Composite Structures 224 (2019) 111032.
- ^ Rabiei, Marx, Portanova, Scott, Schwandt. (2020). دراسة حول مقاومة الثقب لألواح الساندويتش ذات النواة الرغوية المعدنية المركبة. Advanced Engineering Materials (2020) 2000693.
- ^ ab Rabiei، Lattimer، Bearinger، (2020)، التطورات الحديثة في تحليل وقياس وخصائص الرغوة المعدنية المركبة.
- ^ Rabiei, Karimpour, Basu, Janssens. (2020). رغوة معدنية مركبة من الفولاذ والفولاذ في اختبار حريق حمام السباحة المحاكى. المجلة الدولية للعلوم الحرارية 153 (2020) 106336.
- ^ ALVEOTEC - أخبار - LOUPI Lighing تطلق مبدد الحرارة الرغوي المعدني الجديد لتطبيق الإضاءة_66.html أرشيف 2014-07-30 على موقع Wayback Machine . Alveotec.fr. تم الاسترجاع في 2013-12-03.
- ^ التكامل العظمي باستخدام رغوة التيتانيوم في عظم الفخذ عند الأرانب محفوظ في 2016-04-18 على موقع واي باك مشين ، يوتيوب
- ^ طلاء التيتانيوم على الأجهزة التقويمية محفوظ في 13 مارس 2016 على موقع واي باك مشين . يوتيوب
- ^ Biomet Orthopedics, Regenerex® Porous Titanium Construct Archived 2011-09-28 at the Wayback Machine
- ^ Zimmer Orthopedics, Trabeluar Metal Technology Archived 2011-07-18 at the Wayback Machine
- ^ طلاء مسامي من Zimmer CSTiTM (Cancellous-Structured Titanium TM) محفوظ في 2011-07-18 على موقع Wayback Machine
- ^ سترانو، ماتيو (2011). "نهج جديد لمحاكاة الأنابيب المملوءة بالرغوة المعدنية باستخدام طريقة العناصر المحدودة". مجلة علوم وهندسة التصنيع . 133 (6): 061003. doi :10.1115/1.4005354.
- ^ مفهوم جديد لتصميم مكونات السيارات خفيفة الوزن محفوظ في 2012-03-24 على موقع واي باك مشين . (PDF) . تم الاسترجاع في 2013-12-03.
- ^ ابتكارات آلانتوم في رغوة السبائك: الصفحة الرئيسية أرشيف 2010-02-17 على موقع واي باك مشين . Alantum.com. تم الاسترجاع في 2011-11-19.
- ^ تطوير المعالجة اللاحقة القائمة على الرغوة المعدنية على سيارة ركاب ديزل – مركز المؤتمرات الافتراضي [ رابط معطل دائم ] . Vcc-sae.org. تم الاسترجاع في 2011-11-19.
- ^ Zheng, Weiran; Liu, Mengjie; Lee, Lawrence Yoon Suk (9 أكتوبر 2020). "أفضل الممارسات في استخدام أقطاب كهربائية من النوع الرغوي لقياس أداء التحفيز الكهربائي". ACS Energy Letters . 5 (10): 3260– 3264. doi : 10.1021/acsenergylett.0c01958 . hdl : 10397/100121 .
- ^ بانهارت، جون؛ دوناند، ديفيد سي. (2008). MetFoam 2007: المعادن المسامية والرغوات المعدنية: وقائع المؤتمر الدولي الخامس للمعادن المسامية والرغوات المعدنية، 5-7 سبتمبر 2007، مونتريال كندا. DEStech Publications, Inc. ISBN 9781932078282.
- ^ ALVEOTEC – Actualités – Examples of metal foam applications. Archived 2014-07-30 at the Wayback Machine Alveotec.fr. Retrieved on 2013-12-03.
- ^ Tian, J.; Kim, T.; Lu, TJ; Hodson, HP; Queheillalt, DT; Sypeck, DJ; Wadley, HNG (2004). "تأثيرات الطوبولوجيا على تدفق السوائل ونقل الحرارة داخل الهياكل النحاسية الخلوية" (PDF) . المجلة الدولية لنقل الحرارة والكتلة . 47 ( 14– 16): 3171. Bibcode :2004IJHMT..47.3171T. doi :10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.02.010. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2016-03-03.
- ^ ميسيفيك، م. (1997). دراسة تكثيف التحويلات الحرارية من خلال الهياكل المسامية: تطبيق المبادلات المضغوطة والتبريد ثنائي الطور. IUSTI. مرسيليا، جامعة بروفانس
- ^ كاتيون، س.، سي. لويس، وآخرون. (2005). استخدام الرغوة المعدنية في مُصلح الميثانول الحفاز لإنتاج الهيدروجين. جيكات، لاروشيل.
- ^ كيسيتو، ديوجراتيوس؛ وآخرون (2022). "التحقيق التجريبي في الغليان التدفقي لـ R134a في مبخرات رغوة النحاس لتبريد الإلكترونيات عالية التدفق الحراري". المؤتمر والمعرض الفني الدولي ASME 2022 حول تغليف وتكامل الأنظمة الدقيقة الإلكترونية والفوتونية (نُشر في 2022-12-07). doi :10.1115/ipack2022-97400. ISBN 978-0-7918-8655-7. S2CID 254435507.
{{cite book}}:|website=تم تجاهله ( مساعدة ) - ^ كيسيتو، ديوجراتيوس؛ أورتيجا، ألفونسو؛ زلاتينوف، ميتودي؛ شافارزيك، دنفر (2023-05-30). "تدفق ثنائي الطور في رغوة نحاسية مضغوطة مع R134a لإدارة حرارية عالية التدفق: تأثيرات نسبة ضغط الرغوة وظروف تشغيل المبرد على الأداء الحراري الهيدروليكي". مؤتمر IEEE Intersociety الثاني والعشرون لعام 2023 حول الظواهر الحرارية والميكانيكية الحرارية في الأنظمة الإلكترونية (ITherm). IEEE. ص. 1-10 . doi :10.1109/ITherm55368.2023.10177584. ISBN 979-8-3503-2166-1. S2CID 259859929.
- ^ "ERG Aerospace | Home of Patented Duocel Foam | Metal Foam". ergaerospace.com . تم الاسترجاع في 2022-12-21 .
روابط خارجية
- فيديو: رغوة الألومنيوم العادية: اختبار صندوق الاصطدام
- فيديو : كيف يتم تصنيع الرغوة العادية
- ورقة حقائق من وكالة ناسا FS-2003-09-117-MSFC — رغوة سائلة لزجة وزجاج معدني سائب (رغوة)
- كيفية صنع رغوة معدنية من الألومنيوم على اليوتيوب
- فيشر، إس إف؛ ثيلين، إم؛ فايس، بي؛ سيدل، آر؛ سبيك، تي؛ بوهريج بولاتشيك، إيه؛ بونك، إم. (2013). "إنتاج وخصائص مركب مستوحى من المواد البيولوجية مصبوب بدقة". مجلة علوم المواد . 49 : 43–51 . doi :10.1007/s10853-013-7878-4. S2CID 136318878.
- فيديو تدمير الرصاص على اليوتيوب
