1. Wat is metaalschuim en aluminiumschuim?
In de loop van de geschiedenis vormt de ontdekking van metaalschuim een belangrijke mijlpaal in de revolutie van het gehele vakgebied van materiaalkunde. Metaalschuim is een materiaal dat bestaat uit een metalen structuur met een groot aantal poriën en langs de structuur gevuld is met gas [2]. De poriën van deze metaalschuimen kunnen onderling verbonden of afgesloten zijn en worden respectievelijk opencellig schuim en geslotencellig schuim genoemd, zoals weergegeven in Figuur 2(a)(b) [3]. Van deze is aluminiumschuim momenteel het meest veelbelovende schuimmetaal, vanwege de hoge porositeit, lage dichtheid, het lichte gewicht, de hoge sterkte, goede samendrukbaarheid, sterke impactabsorptie, goede geluidsabsorptie en goede elektromagnetische afscherming. Uitstekende prestaties, daarom bekend als de "metalen ster" [4], veel gebruikt in andere verwerkingsmethoden op het gebied van lucht- en ruimtevaarttechniek, productie en natuurwetenschappen.
Figuur 2. Structurele kenmerken van aluminiumschuim: (a) Opencellig aluminiumschuim; (B) Geslotencellig aluminiumschuim [3]
2. De ontdekking van geschuimd aluminium
Door de geschiedenis heen zijn materialen zoals bot, hout en puimsteen lange tijd op grote schaal gebruikt. Veel onderzoekers voorspellen dat het nut van deze materialen de productie van door de mens gemaakte materialen zoals metaalschuim heeft bevorderd. Hoewel de meeste schuimtechnologieën die momenteel in gebruik zijn, al sinds de jaren vijftig zijn voorgesteld, hebben studies aangetoond dat de ontdekking van aluminiumschuim terug te voeren is tot 1926, toen Ma De Meller voor het eerst metaalschuiming noemde in een Frans patent. Meller suggereerde ooit dat het metaalschuimproces kan worden bereikt door inert gas in het gesmolten metaal te introduceren, of door een schuimmiddel zoals carbonaat in het gesmolten metaal te gebruiken. Hoewel dit slechts een patent is dat op het idee is gebaseerd, legt het de basis voor de volgende stappen die nodig zijn in de ontwikkeling van aluminiumschuim. John C. Elliott ontwikkelde dit idee 20 jaar later verder, ontwierp een bijgewerkte versie van het Meller-patent en introduceerde het eerste beschikbare aluminiumschuim, wat op zijn beurt bijdroeg aan de commercialisering van het materiaal in Japan in de jaren negentig. De publicatie legde de basis [5].
3. Prestaties en toepassing van aluminiumschuim
Geschuimd aluminium is een metaal met een hoge porositeit en poreuze structuur, waarbij de afgesloten poriën ongeveer driekwart van het totale volume van het metaalmateriaal uitmaken, waardoor het materiaal zeer licht is [7]. Naast de bovengenoemde kenmerken heeft geschuimd aluminium ook indrukwekkende energieabsorptie-eigenschappen en een hoge samendrukbaarheid [7]. Wat betreft de dichtheid, ontdekten de onderzoekers dat de dichtheid van de meeste geschuimde aluminiummonsters ongeveer 0,4-1,2 g·cm-3 is [6]. Daarnaast heeft geschuimd aluminium ook geluidsabsorptie, recyclebaarheid en een lage thermische geleidbaarheid [7].
Wat betreft de toepassing maken de elektromagnetische afscherming, het lichte gewicht en de absorberende eigenschappen van aluminiumschuim het een ideale kandidaat voor componenten die worden gebruikt in apparaten voor gecontroleerde kernfusie, de auto-industrie, de lucht- en ruimtevaart en de bouwsector vanwege de bestendigheid tegen extreme fysieke omstandigheden. In apparaten voor gecontroleerde kernfusie is aluminiumschuim met gesloten cellen een uitstekend materiaal voor elektromagnetische afscherming. Door de onderlinge verbinding van het aluminiumschuimskelet heeft het een enorm specifiek oppervlak en een goed vermogen om elektromagnetische golven te absorberen en te reflecteren. Er treden verschillende verliezen op, zoals absorptieverlies, reflectieverlies, enz., waardoor geschuimd aluminium uitstekende elektromagnetische afschermingsprestaties heeft. Bovendien werd vastgesteld dat de elektromagnetische afschermingseffectiviteit van geschuimd aluminium een trend vertoonde van eerst afnemend en vervolgens toenemend met de toename van de frequentie van elektromagnetische golven [3]. In de lucht- en ruimtevaart wordt geschuimd aluminium gebruikt voor de productie van ruimtekegels of turbineonderdelen. Vanwege de lage kwaliteit van geschuimd aluminium is het bijzonder nuttig voor het verminderen van het totale gewicht van vliegtuigonderdelen [7]. En als uitstekend energieabsorberend materiaal wordt geschuimd aluminium gebruikt voor de productie van buffers, trillingsdempers en de bodem van de terugkeercabine van ruimtevaartuigen, zodat het ruimtevaartuig een veilige landing kan maken en de veiligheid van astronauten en ruimtevaartapparatuur kan worden beschermd. Door effectieve energie- en schokabsorptie kan geschuimd aluminium de veiligheid van astronauten garanderen bij de impact van de landing van het ruimtevaartuig, zoals weergegeven in figuur 3 [8].
Figuur 3. Verbeterde gedeeltelijke structuur van de slagvaste bilge[8]
1-bovenhuid; 2-schuim aluminium stringers; 3-onderhuid
In de auto-industrie helpt geschuimd aluminium het totale aantal onderdelen in het frame te verminderen, het assemblageproces efficiënter te maken en uiteindelijk de kosten te verlagen en de prestaties te verbeteren [7]. Momenteel wordt geschuimd aluminium gebruikt in antibotsingsstangen, balken en deurbalken in carrosseriestructuren van auto's, zoals weergegeven in figuur 4 [9-10].
Figuur 4. (a) is een diagram van gedeeltelijke energie-absorberende delen van de carrosserie;
(B) Schematisch diagram van een antibotsingsstang van schuimaluminium
In de bouwsector wordt geschuimd aluminium voornamelijk gebruikt als beschermende, brandwerende barrière om zware geluidsoverlast te voorkomen. De typische toepassing van gesloten-cel aluminiumschuim in de architectuur is de Fuxing Plaza in het Shanghai SOHO. De ontwerper gebruikt een grote hoeveelheid geschuimd aluminium om geluid te absorberen en te isoleren, zoals weergegeven in figuur 6 [11].
De ontdekking van geschuimd aluminium wordt beschouwd als een opmerkelijke prestatie. Geschuimd aluminium combineert uitstekende elektromagnetische afschermingsprestaties met een laag gewicht, een lage dichtheid, schokabsorptie en energieabsorptie, waardoor het vandaag de dag zeer goed presteert in diverse industrieën. Het is breed toepasbaar. Interessant is dat geschuimd aluminium ook een milieuvriendelijk product is dat recyclebaar is. Dit betekent dat het een duurzaam materiaal is en naar verwachting in grote hoeveelheden zal worden gebruikt in toekomstige industriële toepassingen.
Plaatsingstijd: 30-11-2021
