Espuma metálica : un metal ( aleación ) de estructura celular, que consiste en un metal sólido (a menudo aluminio) con poros llenos de gas que constituyen una parte importante del volumen. Los poros pueden estar aislados (espuma de celda cerrada) o interconectados (espuma de celda abierta).
Los metales de espuma generalmente retienen algunas de las propiedades físicas del metal base. La espuma metálica no inflamable sigue siendo no inflamable y puede reciclarse como material base. Comparado con el metal base, el coeficiente de expansión térmica de la espuma metálica es el mismo, pero la conductividad térmica generalmente se reduce.
Los metales de espuma son una nueva clase de materiales con una densidad extremadamente baja (hasta 50 kg/m³ para la aleación AZ91) combinados con una alta rigidez específica y absorción de ruido , baja conductividad térmica . La característica definitoria de los metales de espuma es su alta porosidad: por lo general, solo el 5-25 % del volumen es el núcleo de metal. La resistencia del material se basa en la ley del cuadrado-cubo.
Los metales de espuma más comunes a base de aleaciones de aluminio y magnesio - Fomalyum [1] .
La espuma de celda abierta, también llamada esponja metálica, se puede utilizar en intercambiadores de calor (refrigeración electrónica compacta, tanques criogénicos, intercambiadores de calor de material de cambio de fase), absorción de energía, difusión de flujo y óptica de luz. El alto costo del material limita significativamente su aplicación para tecnologías avanzadas, aeroespacial y de fabricación.
Los metales de espuma a pequeña escala con poros abiertos, invisibles a simple vista, se utilizan en la industria química como filtros de alta temperatura. El uso de metales de espuma en intercambiadores de calor compactos puede reducir significativamente su tamaño y costos de fabricación. La mayoría de los modelos de estos materiales utilizan una estructura periódica idealizada o propiedades macroscópicas promediadas.
La esponja de metal tiene un área de superficie muy grande por unidad de peso, por lo que los catalizadores a menudo se fabrican en forma de esponja de metal, por ejemplo, níquel Raney , negro de platino y negro de paladio . Los metales como el osmio y el hidruro de paladio se denominan metafóricamente esponjas metálicas, pero el término se refiere más a su capacidad para unirse con el hidrógeno que a su estructura física.
Las espumas de celda abierta se producen mediante el proceso de fundición o mediante el uso de tecnologías de pulvimetalurgia. En el método de polvo, se utilizan agregados para formar el espacio y los canales de los poros. En el proceso de fundición, la espuma metálica se funde con un marco de espuma de poliuretano de celda abierta.
El metal de espuma de celda cerrada fue descrito por primera vez por Meller en 1926 en una patente francesa que proponía la formación de espuma de metales ligeros mediante la inyección de un gas inerte o el uso de un agente de expansión. Benjamin Sosnick presentó dos patentes en 1948 y 1951 para esponjas metálicas que utilizan vapor de mercurio para formar espuma de aluminio líquido. Los metales de espuma de celda cerrada fueron desarrollados por John S. Elliott en Bjorksten Research Laboratories en 1956. Aunque los primeros prototipos se fabricaron en la década de 1950, Shinko Wire en Japón inició la producción comercial en la década de 1990. Las espumas de celda cerrada se utilizan principalmente como material amortiguador, similar a las espumas en los cascos de motocicleta, pero para cargas de impacto más altas. A diferencia de muchas espumas, los metales de espuma permanecen deformados después del impacto, por lo que solo pueden soportar una carga una vez. Son ligeros (normalmente del 10 al 25 % de la densidad de una aleación no porosa idéntica; a menudo se utilizan aleaciones de aluminio) y rígidos, y a menudo se proponen como materiales estructurales ligeros, pero no se utilizan mucho para este fin.
Las espumas de celda cerrada conservan la resistencia al fuego de otras espumas y su reciclabilidad, pero además tienen la propiedad de flotar en el agua.
Los metales espumosos generalmente se producen inyectando gas o mezclando un agente de expansión en el metal fundido. Los fundidos pueden formar espuma como resultado de la formación de burbujas de gas en el material. En condiciones normales, las burbujas en el metal fundido son muy flotantes en líquidos de alta densidad y suben rápidamente a la superficie. El aumento puede ralentizarse aumentando la viscosidad del metal fundido mediante la adición de polvos cerámicos o elementos de aleación para formar partículas estabilizadoras en la masa fundida. Los metales fundidos se pueden espumar de tres maneras:
Se necesitan agentes de soplado de alta temperatura (partículas sólidas de tamaño nanométrico o micrométrico) para estabilizar las burbujas. El tamaño de los poros, o células, suele ser de 1 a 8 mm. Cuando se utilizan agentes espumantes o de soplado, estos se mezclan con metal en polvo antes de que se funda. Esta es la llamada "versión en polvo" del espumado, probablemente la más común (desde un punto de vista industrial). Después de mezclar un polvo de metal (p. ej., aluminio) y un agente de expansión (p. ej. , hidruro de titanio TiH 2 ), se prensan en piezas brutas sólidas compactas, por ejemplo, en forma de barra, lámina o alambre. Esto se puede lograr mediante el uso de una combinación de procesos de formación de materiales, como prensado semiseco, extrusión (directa o continua) y laminación de paso recto.
Los metales de espuma compuesta (CFM) se forman a partir de bolas huecas de un metal dentro de una matriz sólida de otro (por ejemplo, acero dentro de aluminio). Tienen una fuerza específica de 5 a 6 veces mayor y más de 7 veces mejores características de absorción de energía que los metales de espuma anteriores.
La placa, de menos de una pulgada de grosor, tiene suficiente estabilidad para destruir completamente el cartucho estándar de 7,62 × 63 mm con la bala perforante M2. La placa de prueba se desempeñó mejor que una placa completamente metálica del mismo grosor y, al mismo tiempo, fue mucho más liviana. Otras posibles aplicaciones incluyen el transporte de residuos nucleares (blindaje de rayos X, gamma y neutrones) y aislamiento térmico para el reingreso de naves espaciales, gracias al doble de resistencia térmica y al fuego que los metales convencionales.
KPM puede reemplazar la armadura de acero laminado, brindando la misma protección con 2/3 menos de peso. Pueden bloquear fragmentos y ondas de choque que causan daño cerebral. Los PLM de acero inoxidable pueden bloquear la presión de explosión y la fragmentación de 5000 fps de rondas HE que detonan a 18 pulgadas de la pantalla. Se colocaron placas de acero KPM (9,5 mm o 16,75 mm de espesor) a 18 pulgadas de la placa protectora expuesta contra la onda de presión explosiva y los fragmentos de cobre y acero formados por el proyectil incendiario de alto explosivo de 23 × 152 mm (como en las armas de defensa aérea) , así como de una placa protectora de aluminio de 2,3 mm de espesor [https://web.archive.org/web/20200724215042/https://nplus1.ru/news/2018/03/27/blast Copia archivada del 24 de julio de 2020 en la Wayback Machine [1]].
La espuma metálica se llama estocástica si tiene una distribución aleatoria de poros. La mayoría de las espumas metálicas tienen una estructura estocástica como consecuencia del método de producción:
La espuma de metal con una estructura dada se llama regular. El método de moldeo permite la producción de espumas regulares de celda abierta. Los metales de espuma también se pueden fabricar mediante procesos complementarios, como la fusión selectiva por láser.
Las placas se pueden usar como núcleos para moldes de fundición, cambiando la forma individualmente para cada aplicación. Este método de producción permite obtener el llamado foam metal "ideal", ya que cumple las leyes de Plateau y tiene poros conductores en forma de octaedros truncados, celdas de Kelvin (estructura cúbica centrada en el cuerpo).
Los metales espumados se utilizan en diversas ramas de la ingeniería: en la industria del automóvil en forma de elementos estructurales (parachoques, etc.), en la industria aeroespacial en forma de "sándwiches" de titanio y aluminio, así como en algunas piezas de turbinas, y en la construcción naval para la fabricación de cascos de buques de pasaje.
Así, por ejemplo, la espuma de cobre ha encontrado aplicación en dispositivos tales como: dispositivos de intercambio y eliminación de calor, amortiguadores de impulsos mecánicos y acústicos, mezcladores de gases, trampas de aerosol, filtros biocidas. Y la espuma de aluminio se usa en los amortiguadores de ruido; dispositivos de intercambio y eliminación de calor; en rellenos de cavidades y capacidades; amortiguadores de impulsos mecánicos, acústicos y EM; ecualizadores de corrientes de gas; matrices portadoras y reguladores de combustión para combustibles sólidos; paneles sándwich.
Los metales de espuma se pueden utilizar en el diseño de productos o composiciones arquitectónicas.
Los metales de espuma se han utilizado en prótesis experimentales en animales. Para este propósito, se insertó metal de espuma en un orificio perforado en el hueso, lo que permitió que el hueso creciera dentro del metal para formar una conexión permanente. En ortopedia, la aplicación más común son los metales de espuma de tantalio o titanio debido a su resistencia a la tracción, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad . Los estudios con mamíferos han demostrado que los metales porosos como el tantalio pueden permitir la vascularización (crecimiento de vasos) dentro de una región porosa.
Los fabricantes de dispositivos ortopédicos utilizan estructuras o revestimientos de espuma para lograr el nivel deseado de osteointegración.
Industria automotrizLas funciones principales de las espumas metálicas en los automóviles son mejorar el aislamiento acústico, reducir el peso, aumentar la absorción de energía en caso de colisión y (en aplicaciones militares) contrarrestar la fuerza de impacto de los artefactos explosivos improvisados. Por ejemplo, los tubos rellenos de espuma se pueden usar como barras de impacto lateral. Debido a su baja densidad (0,4-0,9 g/cm 3 ), los metales espumados a base de aluminio o sus aleaciones merecen especial atención en este ámbito. Son rígidos, ignífugos, no tóxicos, absorbentes de energía, reciclables, menos conductivos térmicamente, menos permeables magnéticamente y más efectivos para aislar el ruido, especialmente en comparación con las piezas huecas. Los metales espumados en las piezas huecas de los automóviles reducen los puntos de debilidad comúnmente asociados con los choques de automóviles y las vibraciones. La fundición de tales espumas metálicas mediante pulvimetalurgia es de bajo coste en comparación con la fundición de otras piezas huecas.
En comparación con los polímeros de espuma en los automóviles, los metales de espuma son más rígidos, más fuertes, absorben mejor la energía, son más resistentes al fuego y a las condiciones climáticas adversas: radiación ultravioleta, humedad y temperaturas extremas. Sin embargo, son más pesados, más caros y tienen un rendimiento de aislamiento menos bueno.
La tecnología de espuma metálica se aplica en el sistema de escape de automóviles . En comparación con los convertidores catalíticos tradicionales que utilizan un sustrato cerámico de cordierita , el sustrato de espuma metálica proporciona una mejor transferencia de calor y excelentes propiedades de transferencia de masa (alta turbulencia) y puede reducir la cantidad de catalizador de platino requerida.
Absorción de energíaLos metales de espuma se utilizan para aumentar la rigidez de la estructura sin aumentar su masa. Para este propósito, generalmente se usan espumas de aluminio de celda cerrada. El panel de espuma se pega a una placa de aluminio para producir un compuesto laminado fuerte en el lugar correcto (en el grosor de la hoja), rígido en longitud dependiendo del grosor de la capa de espuma.
La ventaja de los metales espumosos es que su reacción es la misma independientemente de la dirección de la fuerza. Los metales de espuma tienen una meseta de carga después de la deformación, que es constante para fallas de al menos el 80%.
Tian y otros enumeran varios criterios para hacer espuma en un intercambiador de calor. La comparación de las espumas metálicas con propiedades térmicas con los materiales comúnmente utilizados para acelerar el intercambio (aletas, superficies unidas, capa de bolas) muestra en primer lugar que la pérdida de presión provocada por las espumas metálicas es mucho mayor que en el caso de las aletas convencionales, pero mucho menor que con el uso de pelotas.
Los metales de espuma también tienen las siguientes propiedades termofísicas y mecánicas:
La implementación comercial de intercambiadores de calor compactos basados en espumas metálicas está limitada debido al alto costo de reproducir espumas metálicas. Su resistencia a largo plazo a la contaminación, la corrosión y la erosión no está bien definida. En términos de producción, la transición a las tecnologías de espuma metálica requiere nuevos métodos de fabricación y montaje y un nuevo diseño de los intercambiadores de calor.
Espuma de acero de malla fina
Espuma de aluminio de malla grande
Espuma de aluminio de malla fina
Espuma de aluminio de celda adherida (no sellada)
Espuma de latón de celda adherida (no sellada)