1. Hvad er metalskum og aluminiumskum
I historiens løb udgør opdagelsen af opskummet metal en vigtig milepæl i revolutionen af hele området for materialeteknik. Metalskum er et materiale sammensat af en metalstruktur, der har et stort antal porer og er fyldt med gas langs strukturen [2]. Porerne i disse metalskum kan være indbyrdes forbundne eller forseglede og kaldes henholdsvis åbencellet skum og lukket celleskum, som vist i figur 2(a)(b) [3]. Blandt dem er skummet aluminium i øjeblikket det mest lovende skummetal på grund af dets høje porøsitet, lave tæthed, lette vægt, høje styrke, gode komprimerbarhed, stærk stødabsorbering, god lydabsorptionsydelse og god elektromagnetisk afskærmningsydelse. Fremragende ydeevne, derfor kendt som "metalstjernen" [4], udbredt i andre behandlingsmetoder inden for rumfartsteknik, fremstilling og fysiske videnskaber.
Figur 2. Strukturelle egenskaber af opskummet aluminium: (a) Åbne-celle aluminiumskum; (B) Aluminiumskum med lukkede celler [3]
2. Opdagelsen af skummet aluminium
Gennem historien har materialer som ben, træ og pimpsten været meget brugt i lang tid. Mange forskere forudser, at nytten af disse materialer har fremmet produktionen af menneskeskabte materialer såsom metalskum. Selvom de fleste af de opskumningsteknologier, der i øjeblikket er i brug, er blevet foreslået siden 1950'erne, har undersøgelser vist, at opdagelsen af opskummet aluminium kan spores tilbage til 1926, hvor Ma De Meller første gang nævnte metalopskumning i et fransk patent. Meller foreslog engang, at metalopskumningsprocessen kan opnås ved at indføre inert gas i det smeltede metal eller ved at bruge et opskumningsmiddel såsom carbonat i det smeltede metal. Selvom dette blot er et patent baseret på ideen, lægger det grundlaget for de næste skridt, der kræves i udviklingen af aluminiumskum. John C. Elliott videreudviklede denne idé 20 år senere ved at designe en opdateret version af Meller-patentet og introducere det første tilgængelige aluminiumskum, som igen bidrog til kommercialiseringen af materialet i Japan i 1990'erne. Udgivelsen lagde grundlaget [5].
3. Ydeevne og påføring af skummet aluminium
Opskummet aluminium er et metal med høj porøsitet og porøs struktur, hvor de forseglede porer udgør omkring tre fjerdedele af metalmaterialets samlede volumen, hvilket gør materialet meget let [7]. Ud over de ovennævnte egenskaber har skummet aluminium også imponerende energiabsorptionsegenskaber og høj komprimerbarhed [7]. Med hensyn til massefylden fandt forskerne ud af, at densiteten af de fleste aluminiumskumprøver er omkring 0,4-1,2 g·cm-3 [6]. Derudover har opskummet aluminium også lydabsorbering, genanvendelighed og lav varmeledningsevne [7].
Med hensyn til anvendelse gør den elektromagnetiske afskærmning, lette vægt og absorberende egenskaber af aluminiumskum det til en ideel kandidat til komponenter, der anvendes i kontrollerede nukleare fusionsenheder, biler, rumfarts- og byggeindustrien på grund af dets modstandsdygtighed over for ekstreme fysiske miljøer. I den kontrollerbare kernefusionsenhed er lukket-cellet aluminiumskum et fremragende elektromagnetisk afskærmningsmateriale. På grund af sammenkoblingen af aluminiumskumskelettet har det et enormt specifikt overfladeareal og god evne til at absorbere og reflektere elektromagnetiske bølger. Forskellige tab forekommer, såsom absorptionstab, refleksionstab osv., således at opskummet aluminium har fremragende elektromagnetisk afskærmningsydelse. Desuden blev det også fundet, at den elektromagnetiske afskærmningseffektivitet af opskummet aluminium viste en tendens til først at falde og derefter øge med stigningen i elektromagnetisk bølgefrekvens [3]. I rumfartsindustrien bruges opskummet aluminium til at lave rumkegler eller turbinedele. På grund af den lave kvalitet af opskummet aluminium er det særligt nyttigt til at reducere den samlede vægt af flykomponenter [7]. Og som et fremragende energiabsorberende materiale bruges opskummet aluminium til at fremstille rumfartøjers buffere, vibrationsdæmpere og bunden af rumfartøjets returkabine, så rumfartøjet kan opnå en sikker landing og beskytte astronauternes og rumudstyrets sikkerhed. Gennem effektiv energiabsorption og stødabsorbering kan opskummet aluminium sikre sikkerheden for astronauter under påvirkningen af rumfartøjets landing, som vist i figur 3 [8].
Figur 3. Forbedret delstruktur af den slagfaste lænse[8]
1-overhud; 2-skum aluminiumsstrenge; 3-nederste hud
I bilindustrien hjælper opskummet aluminium med at reducere det samlede antal dele, der bruges i rammen, gør monteringsprocessen mere effektiv og hjælper i sidste ende med at reducere omkostningerne og forbedre ydeevnen [7]. På nuværende tidspunkt anvendes skumaluminium i anti-kollisionsstænger, bjælker og dørbjælker i automobilkonstruktioner på markedet, som vist i figur 4 [9-10].
Figur 4. (a) er et diagram over delvis energiabsorberende dele af bilens karrosseri;
(B) Skematisk diagram af skum aluminium anti-kollisionsstang
I byggebranchen er den primære anvendelse af opskummet aluminium som en beskyttende, brandsikker barriere for at forhindre alvorlig støj. Den typiske anvendelse af lukket-cellet aluminiumsskum i arkitekturen er Shanghai SOHO Fuxing Plaza. Designeren bruger en stor mængde skumaluminium til at absorbere og isolere lyd, som vist i figur 6 [11].
Opdagelsen af skummet aluminium anses for at være en bemærkelsesværdig præstation. Det opskummede aluminiumsmateriale kombinerer fremragende elektromagnetisk afskærmningsydelse, lav vægt, lav densitet, stødabsorbering og energiabsorberende ydeevne, så det har meget god ydeevne i forskellige industrier i dag. Bred anvendelighed. Interessant nok er skummet aluminium også et miljøvenligt produkt, der kan genbruges, hvilket betyder, at det er et bæredygtigt materiale og forventes at blive brugt i store mængder i fremtidige industrielle anvendelser.
Indlægstid: 30. november 2021
