אוספים

בהשראת הטבע אך קשוח כמו ברזל: למה משמש קצף מתכת?

בהשראת הטבע אך קשוח כמו ברזל: למה משמש קצף מתכת?

בהשראת הטבע ומשלב את חוזק המתכות, לקצף מתכות יש יישומים מעניינים רבים בתעשייה. הם יכולים להיות עשויים ממגוון מתכות ונוטים להיות קלים וחזקים להפליא.

כאן אנו בוחנים מהן קצף מתכת, כיצד מייצרים אותם ומסתכלים במהירות על המקום בו הם משמשים.

קשורים: 9 חומרים מעניינים שיכולים לעצב את העתיד

ממה עשוי קצף מתכת?

קצף מתכות בעל מבנה סלולרי המורכב ממתכת מוצקה (כגון אלומיניום) ונקבוביות רבות המלאות גז. ניתן לאטום את הנקבוביות (קצף תאים סגורים) או לחבר ביניהן (קצף תאים פתוחים). קצף מתכת קל משקל להפליא, אך חזק מאוד. המבנה הסלולרי שלהם דומה לזה שנמצא לעיתים קרובות בעולם הטבע בדברים כמו עצם, עץ או אפילו ספוגי ים.

קצף מתכות נוטה להיות עשוי מאלומיניום, אך יכול להיווצר ממגוון מתכות אחרות, כולל טיטניום, טנטלום, נחושת, אבץ או עופרת.

למבנים תאיים מתכתיים יש חלק נפח גדול של נקבוביות מלאות גז.

"הנקבוביות הללו יכולות להיות אטומות (קצף תאים סגורים), או שהן יכולות להיות רשת מחוברת זו לזו (קצף תאים פתוחים). קצף התא הסגור מכונה קצף מתכת, ואילו קצף התאים הפתוחים מכונה בפשטות. כמתכת נקבובית ", על פי azom.com.

לקצף מתכת יש כמה מאפייני מפתח חשובים מאוד שהופכים אותם לשימושיים במיוחד בקרב מדעני חומרים.

המאפיינים העיקריים של קצף מתכת הם כדלקמן (אשראי ל- azom.com):

  • חומר אולטרה-קל (75–95% הכרך מורכב מרווחים חללים),
  • נקבוביות גבוהה מאוד,
  • עוצמות דחיסה גבוהות בשילוב מאפייני ספיגת אנרגיה טובים,
  • מוליכות תרמית נמוכה,
  • חוזק גבוה.

לשם מה משתמשים בקצף מתכת?

לקצף מתכת יש מגוון יישומים. אלה נעים בין חומרי בניין לפתרונות ביו-רפואיים.

כמה דוגמאות בולטות כוללות (באדיבות azom.com):

  • המגוון הסגור משמש ליישומים מבניים הדורשים תכונות נושאות עומס, ולמבני חיסכון במשקל וספיגת פגיעות ברכבים.
  • המגוון הפתוח אידיאלי עבור רטט וספיגת קול, סינון וזרז בטמפרטורות גבוהות, להחלפת חום ובמכשירים רפואיים.
  • המגוון הפתוח שימושי גם ביישומים פונקציונליים כגון סינון ושיכוך.
  • מתכת קצף משמשת כתותבת ניסיונית בבעלי חיים.
  • קצף מתכת בעל עוצמות גבוהות יכול לשמש כבולמי אנרגיית השפעה בעלי יכולת גבוהה.
  • בתעשיית הרכב הקצף משמש לצמצום מספר החלקים במסגרת המכונית, להקל על ההרכבה ובכך להפחית עלויות ולשפר את הביצועים.

כיצד מייצרים קצף מתכת?

קצף מתכת נוצר באמצעות סדרת מדרגות. ראשית, נמס מתכות מוקצפים על ידי יצירת בועות גז במתכת המותכת.

מכיוון שבועות הגז צפופות פחות ובעלות ציפה גבוהה יותר ממתכת המתכת, הן עולות אל פני השטח. כדי לעצור זאת, גדלה צפיפות המתכת המותכת כדי לכוד את בועות האוויר בממיסה.

אבקות קרמיקה עדינות משמשות לעיתים קרובות בכדי להשיג זאת, או משתמשים באלמנטים מסגסוגיים לייצוב חלקיקים במתכת המותכת.

הכנסת בועות גז יכולה להיעשות באמצעות אחת משלוש שיטות. הנפוצים ביותר הם (אשראי ל- azom.com):

  • הזרקת גז למתכת הנוזלית ממקור חיצוני.
  • גורם למשקעים של גז שזה עתה מומס בנוזל.
  • גרימת היווצרות גז במקום הנוזל על ידי ערבוב חומרי נשיפה המשחררים גז לממיסה.

ניתן גם לערבב אבקת מתכת או שבבי מתכת עם טיטניום הידריד, או חומרי נפץ אחרים, ולחמם מעל נקודת ההיתוך של המתכת. בכך משתחרר מימן גזי שמקציף את התערובת.

למה משמש קצף טיטניום?

קצף מתכת טיטניום הוא חומר חדיר בעל צפיפות נמוכה מאוד ובעל יישומים רבים. המאפיינים המגדירים אותו הם הנקבוביות הגבוהה ביותר שלו (בין 75 ל -95% בנפח), שמורכבת בעיקר מרווחים חללים.

קצף מתכת חזק במיוחד זה משמש לעתים קרובות ל:

  • בידוד תרמי,
  • בידוד אקוסטי,
  • ספיחה של מזהמים סביבתיים,
  • סינון של סגסוגות מתכת מותכות,
  • כמצע לזרזים הדורשים שטח פנים פנימי גדול.

לקצף טיטניום יש גם כמה יישומים רפואיים מוגבלים אחרים. יש חוקרים שניסו להשתמש בו כשתל חזק במיוחד להחלפת עצם שאבדה או פגומה.

"בפרויקט TiFoam, שותפי המחקר התרכזו בהדגמת הכדאיות של קצף טיטניום להחלפת גופי חוליות פגומים. הקצף מתאים באותה מידה לתיקון עצמות אחרות הלחוצות קשות", מציין fraunhofer.de.

האם אלומיניום הוא מתכת נקבובית?

צורות מסוימות של אלומיניום הן אכן נקבוביות. יש להם כמה קווי דמיון לקצף מתכת, כלומר שניהם חדירים לגזים ולנוזלים מסוימים, אבל יש גם כמה הבדלים גדולים.

ההבדל העיקרי הוא בתהליך הייצור. אלומיניום נקבובי נוצר על ידי יציקת המתכת יחד עם מלח קריסטל לצורה הרצויה.

לאחר השלמת התבנית נשטף המלח. תהליך זה מתמוסס ומסיר את המלח. אזורים שהכילו גרגירי מלח נותרים כנקבוביות בעקבות התהליך.

לאלומיניום נקבובי זה יש כמה יתרונות על פני קצף מתכות. לדוגמא, אחד הקשיים העיקריים בייצור קצף מתכות הוא למצוא את השילוב הנכון של מתכת וחומר נפץ. קושי נוסף הוא למצוא את הטמפרטורות והזמנים הנכונים לחימוםם כדי לייצר את המרקם הנדרש של הקצף.

בגלל זה, קשה לחזות כיצד נקבוביות, גודל הנקבוביות והתפלגות הנקבוביות יתבררו.

"מסיבות אלה, אלומיניום נקבובי, עם טכנולוגיית הייצור הפשוטה שלו, הוא אלטרנטיבה בעלת ערך. המגוון הרחב של ציוני סינון מוגדרים במדויק מ 5 מיקרומטר עד 250 מיקרומטר יכול להבדיל את היישום במדויק. ממשק היציקה החזק במיוחד בין חלקים נקבוביים לחלקים לא נקבוביים פותח מגוון רחב של יישומים שונים ", קובע porous-aluminium.com.

כמה מההבדלים העיקריים בין אלומיניום נקבובי לקצף מתכת הם כדלקמן, על פי porous-aluminium.com:

  • מגוון רחב של ציוני סינון מוגדרים במדויק מ 5 מיקרומטר עד 250 מיקרומטר,
  • ממשק יצוק חזק במיוחד בין חלקים נקבוביים ולא נקבוביים,
  • חוזק קיצוני הודות למבנה יצוק,
  • עיבוד פוסט פשוט (למשל השחלה) ו,
  • טכנולוגיית ייצור חסכונית.

האם נירוסטה נקבובית?

נירוסטה אינה נקבובית מטבעה, אך ניתן ליצור פלדות אל חלד נקבוביות. לדוגמא, צוות חוקרים באוניברסיטת פדרל דה סאו פאולו הצליח לייצר נירוסטה נקבובית למטרות רפואיות.

"פלדות אל-חלד אוסטניטיות משמשות לעתים קרובות ביישומים ביו-רפואיים, כגון שתלים אורטופדיים, בשל מאפיינים כמו עמידות גבוהה בפני קורוזיה ועייפות וכן קשיחות גבוהה לשברים. בנוסף לתאימות ביולוגית, מאפיינים אלה חשובים בבחירת והתאמת החומר לביו-רפואי. יישומים ", מציין מאמר מחקר חומרים ב- researchgate.net.


צפו בסרטון: ננו טכנולוגיה - ביומימטיקה (יָנוּאָר 2022).