Почему пористые металлы превосходят традиционные материалы в промышленном использовании

Пористые металлические материалы Это революционная категория конструкционных материалов, в которых содержание основного металла составляет всего 5–25% от объёма. Эти специализированные материалы, также называемые ячеистым металлом или металлической пеной, привлекают внимание национальной экономики, промышленности и многих других отраслей благодаря своим уникальным структурным свойствам.

Обычные твердые металлы не могут сравниться с тем, что предлагают пористые материалы в металлургии. Эти материалы сохраняют основные свойства металла — теплопроводность, электропроводность и паяемость — при низкой плотности, что снижает стоимость устройств и оборудования.ВечерЗначительно уменьшает вес. Металлическая пена сохраняет негорючесть, как и её основа, и перерабатывается так же, как и основа. Пористая структура металла создаёт структуры, проницаемость которых можно контролировать, и высокую удельную площадь поверхности, что делает пористые металлы ценными для промышленного применения. Пористые металлы типа «Лотос» также демонстрируют лучшие механические свойства, чем обычные пористые металлы, благодаря выровненным цилиндрическим порам.

В этой статье рассматривается, почему пористые металлы работают лучше традиционных материалов в различных промышленных приложениях: от фильтрации и звукоизоляции до теплообмена и биомедицинских имплантатов. Инженеры и конструкторы могут использовать эти универсальные материалы для создания передовых промышленных решений, изучая их уникальные свойства, методы производства и эксплуатационные характеристики.

Понятие пористых металлов: определения и основные свойства

Пористые металлы — это особый класс материалов, структура которых представляет собой сеть пустот. Эти материалы обладают уникальными свойствами, которых нет у обычных твёрдых металлов.

Что такое пористый материал в металлургии?

В материаловедении пористые материалы определяются как структуры, содержащие пустоты. Твёрдая часть называется «матрицей» или «каркасом», а поры обычно содержат жидкость (жидкость или газ). В металлургии пористые металлические материалы имеют поры, пронизывающие всю структуру металла. Это создаёт материал, сохраняющий свои металлические свойства при большом объёме.

Эти металлы отличаются высокой пористостью — наличием внутреннего пространства внутри самого металла. В большинстве случаев материал классифицируется как пористый металл или металлическая пена, если его пористость превышает 50%. Рассматривая его под микроскопом, можно определить:

• Как поры имеют размер и распределение
• Насколько хорошо поры соединены и куда они направлены
• Сколько существует тупиковых пор?
• Общая схема поровых сетей

Эти металлы обладают рядом уникальных особенностей, которые делают их превосходными для промышленности:

1. Высокое соотношение прочности и веса - Они остаются крепкими даже со всеми этими дырками.
2. Большая площадь поверхности - Сеть пор упаковывает большую площадь поверхности в небольшие пространства.
3. Тепловые свойства - Они могут либо удерживать тепло, либо способствовать его распространению.
4. Акустическое поглощение - Сложная внутренняя структура помогает снизить уровень шума
5. Поглощение энергии - Они поглощают энергию, когда стенки пор изгибаются, деформируются или ломаются.

Ученые разделяют пористость на три основных диапазона:

• Низкая пористость (
• Средняя пористость (30-60%)
• Высокая пористость (>60%) 

ИЮПАК разделяет размеры пор на следующие группы:

• Микропоры: диаметр
• Мезопоры: диаметр от 2 до 50 нм
• Макропоры: диаметр > 50 нм

Эти различия в пористости и размере пор влияют на эксплуатационные характеристики металла. С ростом пористости прочность, жёсткость и усталостная стойкость металла, как правило, снижаются. Тем не менее, этот компромисс привносит новые свойства, недоступные цельным металлам.

Пористость металла: открытоячеистые и закрытоячеистые структуры

Мы разделяем пористые металлы на два основных типа: с открытыми и закрытыми ячейками. Это помогает нам понять их поведение и области применения.

Ячеистые металлические конструкции: Пористые металлы с открытыми ячейками имеют сообщающиеся поры, образующие каналы внутри материала. Газы и жидкости могут свободно перемещаться через эти материалы. Эти структуры характеризуются:

• Клетки, которые соединяются с соседними клетками, а не остаются отдельными 
• Поры обычно имеют размер 0,5–1,0 мм. 
• Общая пористость от 70 до 90%
• Связанные пути составляют 55–65 %

Благодаря такой связной конструкции пористые металлы с открытыми ячейками отлично подходят для фильтрации. Да, структуру можно адаптировать в зависимости от типа фильтруемой среды. Более того, эти материалы легко сжимаются под небольшим давлением и восстанавливают свою первоначальную форму.

Металлические конструкции с закрытыми ячейками: Пористые металлы с закрытыми ячейками отличаются тем, что их поры не сообщаются. Каждая пора отделена от других, запертая между ячейками. Эти материалы:

• Разделяйте клетки с помощью мембранных стенок
• Удерживайте газы в каждой ячейке
• Когда пористость меньше
• Похоже на металл с пузырьками внутри. 

Структуры с закрытыми ячейками хорошо справляются с ударами, будучи одновременно прочными и гибкими. Они также отлично сохраняют тепло и звук, не пропуская воду. При ударе о поверхность пористые металлы с закрытыми ячейками преобразуют эту силу в движение и упругость, что способствует поглощению энергии.

Разница между этими структурами имеет большое значение. Поры начинают сообщаться с внешним миром, когда занимают около 64% ​​объёма металла. Это меняет структуру с закрытопористой (как пена) на открытопористую (как губка).

Некоторые особые типы, например, пористые металлы типа «лотос», имеют длинные цилиндрические поры, направленные в одну сторону. Они образуются в процессе специального охлаждения. Они прочнее обычных пористых металлов с круглыми порами.

Преимущества конструкции по сравнению с традиционными цельнометаллическими конструкциями

Пористые металлические конструкции дают инженерам уникальное преимущество, позволяя добиться характеристик, недоступных цельным металлам. Эти материалы помогают решать конструкторские задачи, с которыми промышленность сталкивается уже много лет.

Снижение веса без ущерба для прочности

Пористые металлы сочетают в себе высокие механические характеристики и значительно меньшую массу. Исследования показывают, что более лёгкие механические компоненты работают лучше. Металлические пены — это новые материалы, которые сохраняют жёсткость, несмотря на лёгкость. Это делает их идеальными для применений, где вес имеет значение.

Экономия веса достигается за счёт тщательного добавления пустот. Используемый метод производства позволяет создавать металлические пены, занимающие до 97% пространства. Эти металлы сохраняют свою структурную прочность даже при наличии большого количества отверстий. Их уникальная структура обеспечивает им особые свойства, такие как низкая плотность и высокая прочность при их весе.

Такой баланс между весом и прочностью создает новые возможности проектирования, которые ранее были невозможны:

• Аэрокосмические приложения: Наибольшие преимущества — меньший вес, лучшая термостойкость, высокая коррозионная стойкость и способность поглощать энергию.
• Автомобильная техника: Более легкие детали требуют меньше контроля вибрации для движущихся частей и имеют меньшую вращающуюся массу, чем стальные детали 
• Структурные компоненты: Пористые металлы с закрытыми ячейками хорошо поглощают энергию, оставаясь при этом легче и легче поддающимися обработке, чем сплошные детали 

Три основных фактора определяют эксплуатационные характеристики этих металлов: процент пористости, размер пор и микроскопическая структура стенок пор. Инженеры могут корректировать эти характеристики в соответствии с требованиями конкретного применения.

Увеличенная площадь поверхности для тепло- и массообмена

Главное конструктивное преимущество пористых металлов по сравнению с обычными материалами заключается в их площади поверхности, которая очень велика в заданном объёме. Сложная сеть пор создаёт большую площадь поверхности в компактном корпусе. Это способствует процессам, требующим большого контакта с поверхностью, таким как фильтрация, абсорбция и катализ.

С точки зрения теплоотвода эта дополнительная площадь поверхности обеспечивает превосходную теплопередачу. Исследования показывают, что пористые металлы отлично подходят для теплообменников:

• Теплообменники с пористыми Металлические детали передают тепло гораздо быстрее, чем те, у кого его нет 
• Пластинчатые теплообменники, заполненные пористым металлом между пластинами, работают хорошо, поскольку имеют большую площадь поверхности и небольшие каналы.
• Теплопередача улучшается с увеличением пористости, и одно исследование показало, что она работает лучше всего при уровне пористости p = 0,6169.

Пористые металлы заставляют жидкости перемешиваться при течении. Это перемешивание распределяет тепло по всему потоку и усиливает теплопередачу. Добавление пористого материала в трубы даёт два преимущества: лучшую теплопередачу и меньшее падение давления по сравнению с полностью заполненными трубами.

Помимо использования в тепловых процессах, дополнительная площадь поверхности также способствует массопереносу. Эти материалы обладают особыми архитектурными преимуществами, включая возможность варьирования формы и расположения. Это делает их отличными катализаторами и носителями для катализаторов. Большая площадь поверхности способствует распределению наночастиц, благодаря чему они остаются стабильными и не слипаются, что облегчает протекание реакций.

Для работы с жидкостями соединенные поры в пористых металлах с открытыми ячейками позволяют жидкостям протекать контролируемым образом.Это открывает возможности применения в самых разных областях: от ортопедии и звукоизоляции до фильтрации и катализа. - работы, которые твердые металлы просто не могут выполнить.

Методы производства пористых металлов промышленного назначения

Производство пористых металлов в промышленных масштабах требует специальных методов, позволяющих контролировать структуру пор, сохраняя при этом целостность материала. Различные методы оптимально подходят для конкретных применений и комбинаций материалов.

Порошковая металлургия и спекание

Порошковая металлургия – один из самых универсальных способов создания пористых металлических компонентов с контролируемой пористостью. Процесс начинается с тщательного подбора металлических порошков с учётом размера и формы частиц, которые напрямую влияют на конечную структуру пор. Этот простой процесс включает три ключевых этапа: подготовку порошка, прессование и Спекание.

Процесс начинается с смешивания базовых порошков с легирующими элементами, а иногда и с заполнителями, создающими поры. Затем смеси прессуются в желаемые формы несколькими способами:

• Осевое уплотнение: Металлический порошок прессуется в пресс-форме под давлением, достаточным для того, чтобы частицы прилипали к точкам контакта, что создает «сырую» деталь, достаточно прочную для обработки. 
• Изостатическое уплотнение: К деформируемому контейнеру, содержащему металлический порошок, прикладывается равномерное давление — это особенно хорошо подходит для деталей с большим отношением длины к диаметру. 
• Спекание сыпучего порошка: В этом процессе не используется внешнее давление; вместо этого фракционированный порошок поступает в полость формы перед нагревом. 

Затем сырые детали подвергаются спеканию — они нагреваются ниже температуры плавления металла, но достаточно высоко для склеивания частиц. Спекание обычно происходит при температуре 800–1300 °C и длится от 0,5 до 5 часов. В течение этого времени механизмы диффузии создают «шейки» между частицами, сохраняя при этом пористую структуру. Окружающая среда должна оставаться инертной или восстановительной, обычно это эндогазовая атмосфера: N₂, N₂/H₂, H₂ или вакуум.

Методы непрерывного литья и зонной плавки

Массовое производство специализированных пористых металлов, таких как структуры типа «лотос» с выровненными порами, наилучшим образом реализуется методами непрерывного литья и зонной плавки. Эти методы используют информацию о разнице в растворимости газа в жидкой и твердой фазах металла.

Установка непрерывной разливки состоит из трёх основных секций: верхней – для плавки металла и растворяющего газа, средней – для кристаллизации и нижней – для механического переноса. Процесс плавления металла осуществляется индукционным нагревом в атмосфере сжатого газа (обычно водорода или азота). Расплавленный металл, насыщенный газом, затем перемещается через охлаждающую форму с контролируемой скоростью, что обеспечивает однонаправленную кристаллизацию.

Параметры процесса формируют конечную структуру пор:

• Большее парциальное давление водорода или более высокая температура расплава приводят к увеличению пористости и размера пор.
• Более быстрое затвердевание уменьшает диаметр пор, но увеличивает плотность пор. 
• Скорость литья 90 мм/мин по сравнению с 30 мм/мин уменьшает диаметр пор с 850 мкм до 400 мкм, одновременно увеличивая плотность пор с 0,7 до 2,8 Н·мм⁻².

Зонная плавка – ещё один эффективный способ создания пористых металлов типа «лотос». Этот метод предполагает плавление лишь небольшой части металлического прутка с помощью индукционного нагрева в среде сжатого газа. Образец перемещается с контролируемой скоростью (обычно 5–25 мм/мин), при этом происходит его кристаллизация, что приводит к образованию длинных пор. Давление газа (обычно 0,2–1,0 МПа) существенно влияет на свойства материала, о чём свидетельствует увеличение микротвёрдости по Виккерсу с 148 HV при 0,2 МПа до 192 HV при 1,0 МПа.

Аддитивное производство для сложных геометрических форм

Аддитивное производство произвело революцию в производстве пористых металлических конструкций с точным контролем геометрии. В отличие от традиционных методов, позволяющих получать стандартные формы, аддитивное производство позволяет создавать сложные конструкции, которые ранее были невозможны.

Для производства пористых металлов хорошо подходят несколько технологий АМ:

• Селективное лазерное плавление (СЛП): Полностью расплавленные частицы порошка создают более прочные связи между частицами и лучшие механические свойства.
• Селективное лазерное спекание (SLS): Использует лазер для спекания порошкообразного материала в сложные структуры.
• Электронно-лучевая плавка (ЭЛП): Использует электронные лучи для плавления металлического порошка в вакуумной среде. 

Эти методы сплавления порошковых материалов позволяют создавать геометрически сложные структуры, такие как трижды периодические структуры с минимальной поверхностью (TPMS), обладающие высокими механическими свойствами и высоким разрешением. Последние достижения позволяют контролировать проницаемость отдельных компонентов, регулируя параметры процесса в различных зонах. Это устраняет необходимость в нескольких этапах сборки, что снижает количество потенциальных точек отказа и повышает общую производительность.

Выбор материала и варианты персонализации

Выбор основного металла для пористой структуры определяет её эксплуатационные характеристики. Этот выбор имеет решающее значение в процессе проектирования. Инженерам необходимо оценить свойства основного металла и то, как пористость будет взаимодействовать с этими свойствами для достижения желаемых результатов.

Распространенные базовые металлы: медь, алюминий, титан

Медь служит отличной основой для пористых металлических конструкций, требующих повышенной тепло- и электропроводности. Высокая пластичность и коррозионная стойкость этого цветного металла делают пористые структуры на основе меди ценными. Открытоячеистая медь демонстрирует удивительную универсальность во многих областях применения – от аккумуляторов и топливных элементов до теплообменников в электронных компонентах. Эти медные пористые материалы могут достигать уровня пористости 87,3%. Они образуют связанные макропоры неправильной формы размером около 548 ± 201 мкм в длину и 177 ± 62 мкм в ширину.

Алюминий популярен для пористых металлических конструкций благодаря своей лёгкости. Пористые алюминиевые материалы обычно имеют пористость 55–65%, проницаемую структуру и равномерное распределение пор. Ячеистая структура материала обладает уникальными преимуществами, включая энергопоглощение, гашение вибраций, звукопоглощение, электромагнитное экранирование и теплоизоляцию. Эти свойства делают пористый алюминий ценным материалом в аэрокосмической, автомобильной, нефтехимической и строительной отраслях.

Титан и его сплавы — лучший выбор для биомедицинских применений, где биосовместимость имеет первостепенное значение. Эти пористые структуры стали незаменимыми в имплантатах благодаря своему высокому соотношению прочности к массе и способности к интеграции с костью. Жёсткость обычного титана (114 ГПа) значительно выше, чем у человеческой кости (0,4–30 ГПа). Добавление контролируемой пористости помогает уменьшить эту разницу. В качестве примера рассмотрим, как можно точно регулировать жёсткость конструкции в диапазоне от 0,6 ГПа до 4,9 ГПа, изменяя архитектуру пор. Это позволяет создавать имплантаты, которые лучше соответствуют механическим свойствам натуральной кости.

Подбор размера и распределения пор для конкретного использования

Точный контроль характеристик пор определяет эффективность пористых металлов. Размер пор влияет на пригодность к применению. Классификация варьируется от крупных (50–1000 мкм) до ультрамелких (менее 0,1 мкм). Исследования показывают, что для биомедицинских применений необходимы поры размером 100–150 мкм для стимуляции роста костей. Поры размером 200–400 мкм способствуют адгезии и росту остеобластов.

Морфология пор существенно влияет на поведение материала. Сферические поры создают квазиизотропные свойства. Изменённая форма пор может придавать анизотропные свойства, помогающие при направленной нагрузке. Связность пор определяет, будет ли структура работать как открытоячеистая или как закрытоячеистая. Открытые ячейки имеют соединённые поры, пропускающие жидкость. Закрытые ячейки создают лёгкие структуры с различными механическими свойствами.

Современное производство обладает передовыми возможностями настройки архитектуры пор. Технология спейсера позволяет точно контролировать конечную пористость, регулируя содержание спейсера. Такие материалы, как карбонат калия, хлорид натрия, сахар и карбамид, используются в качестве спейсеров для создания индивидуальных структур пор. Аддитивное производство позволяет инженерам точно настраивать пористость, изменяя параметры процесса. Это позволяет достичь диапазона пористости 23,5–47,9% для меди, 0,8–55,3% для бронзы и 8,0–50,2% для латуни.

Инженеры могут разрабатывать пористые металлические компоненты со свойствами, соответствующими конкретным условиям применения. Это достигается благодаря тщательному выбору базового материала и стратегическому проектированию пор. Области применения варьируются от теплообменников, требующих максимальной теплопроводности, до систем фильтрации, требующих оптимальной проницаемости и биосовместимые структуры которые помогают интеграции тканей.

Показатели производительности в реальных условиях

Испытания пористых металлов в реальных условиях требуют специальных методов, учитывающих их уникальную структуру. Эти материалы должны надёжно работать при различных нагрузках, температурах и воздействиях окружающей среды, выходящих за рамки лабораторных условий.

Теплопроводность под нагрузкой

Способность пористых металлов переносить тепло меняется в зависимости от их структуры. Пористая медь типа «Лотос». теплопроводность показывает большую разницу в направлении. Тепло лучше распределяется параллельно порам (кэфф//), чем перпендикулярно им (к(эфф.⊥). Перпендикулярная проводимость достигает всего 40% от базовой проводимости при пористости 40%. Инженеры используют это направленное тепловое поведение для создания оптимизированных компонентов.

Параметры обработки напрямую влияют на теплопроводность пористых структур, изготовленных методом аддитивного спекания. Лазерное спекание показывает, что более высокая плотность потока энергии приводит к лучшему тепловому потоку. Это происходит за счёт лучшего сплавления частиц порошка и создания более прочных теплопроводящих путей. Испытания показывают, что спечённые металлические слои (0,38 Вт/м·К) проводят тепло лучше, чем неспечённые частицы порошка (0,12 Вт/м·К) при той же пористости..

Механическая прочность при направленном напряжении

Направление нагрузки определяет механические свойства пористых металлов. Металлы типа «лотос» с цилиндрическими порами демонстрируют разную прочность на растяжение в зависимости от направления нагрузки. Прочность падает прямолинейно с увеличением пористости, когда растягивающая сила действует параллельно порам. Прочность падает быстрее, когда сила действует перпендикулярно порам из-за концентрации напряжений.

Эти металлы демонстрируют «область плато» при испытаниях на сжатие. Здесь напряжение остаётся практически неизменным, а деформация растёт, что идеально подходит для поглощения энергии. Сжимающее напряжение обычно уменьшается с увеличением угла между осью нагрузки и направлением пор. Инженеры должны учитывать это направленное поведение при проектировании.

Акустико-эмиссионные испытания при растяжении объяснили, как деформируются эти металлы. В отличие от твёрдых металлов, пористая медь типа «лотос» издаёт отчётливые сигналы разрыва после начала текучести. Это свидетельствует о трещинах, образующихся вблизи пор, независимо от направления нагрузки.

Акустическое поглощение в промышленных условиях

Пористые металлы отлично поглощают звук, особенно в сложных промышленных условиях с высокими температурами и давлением. Они снижают уровень шума несколькими способами: за счёт вязкостных потерь, рассеивания в волокнах и резонансных эффектов.

Структура материала напрямую влияет на акустические характеристики. Испытания показывают, что сопротивление потоку и средний коэффициент звукопоглощения действуют противоположно. Это помогает предсказать, насколько хорошо эти материалы будут поглощать звук. Для оптимального акустического применения необходим баланс. Структура должна пропускать звуковые волны, но при этом иметь достаточное количество поверхностей для рассеивания энергии.

Сравнительное исследование конструкций из спеченного волокна и ячеистой пены из нержавеющей стали показывает, что оба материала хорошо снижают уровень шума, но с помощью разных методов.В промышленных условиях часто наблюдается скользящий поток, сопротивление которого меняется в зависимости от скорости и градиента потока. Эти металлы хорошо подходят в качестве звукоизолирующих материалов в сложных промышленных условиях, где обычные материалы неэффективны.

Испытания и валидация пористых металлических компонентов

_{Источник изображения: Лаборатории по проверке соответствия упаковки требованиям}

Отделы контроля качества используют строгие протоколы валидации, чтобы убедиться, что пористые металлические компоненты соответствуют эксплуатационным требованиям перед их использованием в промышленных условиях. Эти специализированные испытания оценивают ключевые параметры, определяющие их эффективность в наземных условиях.

Испытания на точку кипения и проницаемость

Испытание на точку пузырька измеряет размер самой большой поры в фильтре, что является важнейшим параметром контроля качества пористых металлических компонентов. Испытание неразрушающее: специалисты смачивают мембрану фильтра жидкостью (обычно изопропиловым спиртом) и медленно увеличивают давление газа с одной стороны. Давление «первого пузырька» показывает минимальное усилие, необходимое для выталкивания жидкости из самой большой поры. Это измерение напрямую связано с максимальным размером пор, поскольку распределение размеров пор в фильтре определяет его фильтрующую способность.

Во многих отраслях промышленности для подтверждения целостности фильтра используется метод определения точки пузырька. В фармацевтической промышленности этот метод используется для подтверждения того, что стерилизующие фильтры сохраняют заданный размер пор, что важно для качества и безопасности продукции. Этот метод также выявляет потенциальные дефекты размера пор и целостности мембраны, что крайне важно для отраслей, где требуется контроль загрязнений.

Испытания на проницаемость предлагают несколько методов, основанных на свойствах материалов. Стандартные испытания на проницаемость позволяют оценить характер течения в пористых средах при различных условиях. Методы затухания импульса лучше подходят для испытаний микропористых материалов с проницаемостью, далекой от 1 мкД (микродарси). При испытаниях на относительную проницаемость используются сепараторы, которые разделяют смешанные поровые жидкости на компоненты после выхода из образцов, что помогает объяснить поведение многофазного потока.

Стандарты испытаний на прочность на растяжение и разрыв

Испытание на растяжение позволяет определить, насколько прочно пористые покрытия сцепляются и удерживаются под прямым напряжением. ASTM F1147 описывает этот метод для оценки кальций-фосфатных и металлических пористых покрытий на плотных металлических подложках. Испытание показывает, как различные факторы, от подготовки подложки и текстуры поверхности до технологии нанесения покрытия и термообработки, влияют на его характеристики.

Испытание на прочность на разрыв проверяет устойчивость к давлению до разрушения. Испытатели могут использовать гидростатическое давление (жидкость), пневматическое давление (сжатый воздух), внутреннее давление или внутреннее давление воздуха в зависимости от будущего использования компонента. В промышленности испытания на разрыв используются для проверки соответствия деталей требуемым стандартам и определения максимально допустимого рабочего давления.

Международные стандарты дают четкие рекомендации по единообразию испытаний. К ним относятся ISO 2738 для определения плотности и пористости, ISO 4022 для определения проницаемости жидкости, ISO 4003 для определения размера пор при испытании на образование пузырьков и ASTM E128 для определения максимального диаметра пор и проницаемости. Помимо стандартных испытаний, важным остается тестирование эксплуатационных характеристик: испытание компонентов в условиях, имитирующих реальные, — самый быстрый способ предсказать их реальное поведение.

В результате проведения этих проверок было определено, способны ли пористые металлические компоненты выдерживать конкретные нагрузки окружающей среды и надежно работать там, где они предназначены для использования.

Приложения, в которых пористые металлы превосходят

_{Источник изображения: Корпорация Мотт}

Пористые металлы демонстрируют выдающиеся эксплуатационные характеристики в различных отраслях, где сплошные материалы не могут удовлетворить жесткие требования. Эти металлы сочетают в себе уникальные свойства, которые позволяют им эффективно работать в сложных условиях.

Теплообменники и системы охлаждения

Технология пористого металла отлично подходит для систем терморегулирования и превосходит обычные теплообменники по многим исследованиям. Испытания показывают, что теплообменники с пористыми металлическими вставками обеспечивают более высокую эффективность. скорости теплопередачи чем те, у которых нет таких компонентов.Исследования показывают, что интенсивность теплопередачи увеличивается при использовании пористых алюминиевых вставок, особенно в конструкциях с большей пористостью..

Эти металлы обладают лучшими характеристиками благодаря извилистым внутренним каналам потока. Они смешивают жидкости, сохраняя при этом высокую разницу температур, что обеспечивает эффективную теплопередачу. Благодаря улучшенному рассеиванию тепла эти материалы идеально подходят для систем охлаждения серверов, рабочих станций и оборудования для кондиционирования электропитания.

Системы охлаждения на основе пористого металла повысили эффективность панелей в фотоэлектрических системах. Конфигурации с тремя ребрами показали улучшение на 6,73%, конфигурации с пятью ребрами – на 9,19%, а цельные пористые слои – на 8,34%. Высокое соотношение поверхности к объему и теплообмен материала делают эти улучшения возможными.

Носители катализаторов и фильтрующие элементы

Взаимосвязанная структура пористых металлов с открытыми ячейками делает их ценными для фильтрации и каталитических применений. Эти материалы обладают механической прочностью, устойчивостью к тепловым ударам и эффективно фильтруют как газы, так и жидкости. Они служат дольше, поскольку их можно очищать и использовать повторно.

В химической промышленности, включая атомную, пористые металлические фильтры используются для удаления твёрдых частиц из жидких химикатов. В нефтеперерабатывающей промышленности эти компоненты также используются для разделения различных нефтепродуктов.

Пористые металлы обеспечивают важные преимущества в качестве носителей катализаторов:

• Высокая пористость и удельная площадь поверхности
• Эффективные возможности теплопроводности
• Превосходная электропроводность
• Исключительная термостойкость и коррозионная стойкость 

Эти особенности повышают эффективность производства водорода, когда пористые металлы выступают в качестве структур-носителей катализатора.

Биомедицинские имплантаты и протезы

Пористые металлы изменили принципы работы имплантатов в ортопедии и стоматологии. Эти материалы способствуют заживлению костей благодаря контролируемой пористости, которая влияет на поведение клеток и их физиологическое состояние. Их структура позволяет макрофагам, остеобластам и остеокластам активировать пути, необходимые для регенерации костной ткани.

Коммерческий сектор быстрее осваивает эти материалы. В 2021 году с помощью 3D-печати металлом было изготовлено более 150 000 пористых металлических имплантатов для человеческого использования. Эксперты отрасли прогнозируют, что через десять лет это число вырастет со 150 000 до примерно 4 миллионов в год по всему миру.

Пористые металлические имплантаты работают эффективнее традиционных цельных. Они обладают регулируемой прочностью, усталостной устойчивостью и механическими свойствами, соответствующими характеристикам костной ткани. Структура связанных пор способствует обмену питательными веществами и прорастанию кости, что улучшает фиксацию имплантата в тканях и прочность соединения.

Техническое обслуживание, очистка и вопросы жизненного цикла

Пористые металлические компоненты требуют специализированных процедур обслуживания, которые существенно отличаются от процедур обслуживания цельных металлов. Сложная внутренняя структура делает стандартные методы обслуживания неэффективными. Эти компоненты невозможно обслуживать так же, как цельные металлы.

Восстановление проницаемости после обработки

Пористые материалы сталкиваются с особыми трудностями при механической обработке. Смазочно-охлаждающие жидкости легко вытесняют воздух из пористой структуры. Эти металлы содержат почти четверть воздуха по объёму, и СОЖ могут закупоривать поры, вытесняя этот воздух. После механической обработки проницаемость детали необходимо восстанавливать с помощью специальных процессов.

В конструкции детали должно быть предусмотрено отверстие для обратной промывки. Это отверстие следует просверлить, нарезать резьбу и очистить электроэрозионным методом для подключения воздухораспределительных фитингов. Отверстия для обратной промывки — отличный способ обеспечить периодическое обслуживание детали в течение всего срока службы для восстановления её проницаемости. Водорастворимые масла должны быть единственным выбором в качестве смазочных материалов, если невозможно избежать традиционной механической обработки.

Профессиональные клининговые компании используют свои технологии для реактивации обработанных поверхностей. Корпорация Mott разработала на своём заводе специализированные процессы реактивации для материалов, обработанных заказчиком. Без надлежащей реактивации компонент не будет функционировать, поскольку внутренняя проницаемость будет потеряна.

Методы очистки от масла и мусора

Пористые металлические детали можно очистить с помощью нескольких эффективных технологий:

Вакуумная нуклеация (VCN) – это крупнейший прорыв в промышленной очистке пористых компонентов. В ходе этого процесса внутри ограниченного пространства образуются пузырьки пара, которые увеличиваются во время вакуумных циклов и выталкивают жидкость из внутренней структуры. Свежая очищающая жидкость поступает во время циклов давления и продолжает поступать до завершения обработки детали.

Ультразвуковая очистка в сочетании с другими процедурами даёт наилучшие результаты. Одной ультразвуковой энергии недостаточно — чистящая жидкость должна проходить через пористую структуру. Это позволяет удалить внутренние загрязнения, которые невозможно удалить с помощью распыления, перемешивания и ультразвука. Этот процесс эффективнее сочетать с:

• Методы обратного потока (обратная промывка) с расходом/давлением в 1,5-2 раза больше типичного прямого потока 
• Химическая очистка совместимыми средствами (вода, спирты, органические растворители, промышленные очистители)
• Обработка в печи при температуре до 850°F для горючих загрязнений 

Эффективность очистки компонента следует проверять путем испытания на воздушный поток и испытания на точку пузырька относительно базовых измерений, проведенных с момента его появления на рынке.

Заключение

Пористые металлические материалы знаменуют собой важный шаг вперёд в промышленном проектировании и производстве. Этот образец демонстрирует, как эти специализированные структуры обеспечивают исключительную эффективность в различных областях применения. Их уникальные свойства сочетают высокую прочность при небольшом весе, увеличенную площадь поверхности и контролируемую проницаемость, обеспечивая функциональность, недостижимую для цельных металлов.

Разница между открытоячеистыми и закрытоячеистыми структурами определяет их пригодность для конкретных применений. Открытоячеистые пористые металлы лучше всего подходят для фильтрации, катализа и теплопередачи благодаря своей взаимосвязанной сети пор. Закрытоячеистые структуры, напротив, обеспечивают лучшее поглощение энергии, теплоизоляцию и структурную целостность под нагрузкой.

Методы производства значительно эволюционировали, обеспечив беспрецедентный контроль над архитектурой пор. Порошковая металлургия остаётся наиболее универсальным подходом к массовому производству, а непрерывное литьё создаёт направленно-ориентированные структуры пор. Современные технологии аддитивного производства позволяют создавать изделия сложной геометрии, которые ранее были невозможны, что даёт инженерам больше возможностей для проектирования.

Выбор материала определяет эксплуатационные характеристики. Пористые структуры на основе меди обеспечивают максимальную теплопроводность, варианты из алюминия обеспечивают малый вес, а варианты из титана обеспечивают непревзойденную биосовместимость. Инженеры могут точно подобрать размер и распределение пор в соответствии с конкретными требованиями.

Наземные испытания подтверждают, что пористые металлы во многих областях применения работают лучше, чем сплошные аналоги. Теплообменники с пористыми металлическими вставками демонстрируют значительно более высокую тепловую эффективность. Фильтрующие устройства работают эффективнее благодаря увеличенной площади поверхности и контролируемой проницаемости. Биомедицинские имплантаты достигают лучшей остеоинтеграции благодаря структурам, имитирующим естественную кость.

Специалистам по техническому обслуживанию приходится решать уникальные задачи, связанные со сложными внутренними конструкциями. Специализированные методы очистки, такие как вакуумная циклическая нуклеация и ультразвуковая обработка, эффективно восстанавливают проницаемость, утраченную в процессе механической обработки или обслуживания.

Инженеры и конструкторы, несомненно, найдут новые применения этим универсальным материалам. Их эксплуатационные преимущества, особенно в экстремальных условиях, где традиционные материалы неэффективны, делают пористые металлы незаменимыми компонентами промышленных систем нового поколения. Их растущее применение в аэрокосмической, автомобильной, биомедицинской и химической промышленности доказывает, что они работают лучше, чем обычные сплошные металлы.

Часто задаваемые вопросы

В1. Каковы основные преимущества пористых металлов по сравнению с традиционными материалами? Пористые металлы обладают уникальными преимуществами, такими как высокая прочность при небольшом весе, увеличенная площадь поверхности и контролируемая проницаемость. Эти свойства делают их превосходными для применения в теплообмене, фильтрации и поглощении энергии, где традиционные сплошные металлы неэффективны.

В2. В каких промышленных применениях пористые металлы наиболее эффективны? Пористые металлы превосходно подходят для использования в теплообменниках, носителях катализаторов, фильтрационных установках и биомедицинских имплантатах. Их уникальная структура повышает термическую эффективность, обеспечивает лучшую фильтрацию и способствует остеоинтеграции в медицинских изделиях.

В3. Как производятся пористые металлы для промышленного использования? Распространенные методы производства включают порошковую металлургию и спекание, непрерывное литье и аддитивное производство. Эти технологии позволяют точно контролировать размер пор, их распределение и общую структуру для удовлетворения конкретных требований к применению.

В4. Какие материалы обычно используются для создания пористых металлов? Медь, алюминий и титан часто используются в качестве базовых металлов для пористых конструкций. Медь отлично подходит для термических применений, алюминий обеспечивает лёгкость, а титан предпочтителен для биомедицинских имплантатов благодаря своей биосовместимости.

В5. Как обслуживаются и очищаются пористые металлические компоненты? Для поддержания пористых металлических компонентов в рабочем состоянии используются специализированные методы, такие как вакуумная нуклеация и ультразвуковая очистка. Эти методы эффективно восстанавливают проницаемость и удаляют загрязнения из сложных внутренних структур, обеспечивая оптимальную производительность на протяжении всего жизненного цикла компонента.