Αφρώδη Μέταλλα Νέα Αφρώδη Υλικά του Γ. Πεχλιβάνογλου

Transcript

1 Αφρώδη Μέταλλα Νέα Αφρώδη Υλικά του Αντίγραφο του άρθρου που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό R&D Team

2 [1] Η επανάσταση των αφρών!! Μέθοδοι Παρασκευής Ιδιότητες Εφαρμογές Για τους αναγνώστες του R&D ο όρος αφρός αλουμινίου δεν είναι καθόλου άγνωστος. Ήδη από το πρώτο τεύχος του περιοδικού στα τέλη του 2002 υπήρχε ένα άρθρο αφιερωμένο σε αυτό το νέο πολλά υποσχόμενο υλικό. Το άρθρο λοιπόν που μόλις ξεκινήσατε να διαβάζετε δεν αφορά στην παρουσίαση κάποιας απολύτως νέας τεχνολογίας, αλλά στην εμβάθυνση στην τεχνολογία των αφρωδών υλικών και δη των μεταλλικών αφρών η οποία από το 1998 και έπειτα πραγματοποιεί πραγματικά άλματα. Επίσης από χρηστικής άποψης το συγκεκριμένο άρθρο αποσκοπεί στην ενημέρωση του τεχνικού και μη αναγνώστη σχετικά με μια κατηγορία υλικών η οποία στα αμέσως επόμενα χρόνια θα κάνει δυναμική είσοδο σε πάρα πολλά προϊόντα όπως είναι τα τροχοφόρα οχήματα, τα αεροπλάνα, τα τεθωρακισμένα οχήματα και άρματα μάχης, τα πλοία και πολλά άλλα. Το πόσο χρήσιμα θεωρούνται τα αφρώδη μεταλλικά υλικά μπορεί να το διαπιστώσει ο καθένας αν κάνει μια σύντομη αναζήτηση στο διαδίκτυο, όπου υπάρχει πληθώρα μελετών για τη χρήση των μεταλλικών αφρών στην αυτοκινητοβιομηχανία αλλά και ανακοινώσεις τις NASA η οποία κατατάσσει τους αφρούς κραμάτων αλουμινίου και τιτανίου στη λίστα με τα top υλικά που θα καθορίσουν την πορεία της τεχνολογίας στο άμεσο μέλλον. Αφροί Μετάλλων Όπως ίσως θυμάστε και από το άρθρο του 1 ου Τεύχους του R&D, όταν μιλάμε για αφρούς μετάλλων, ουσιαστικά δεν μιλάμε για τίποτα περισσότερο ή λιγότερο από ένα κλασικό σφουγγάρι με τη μόνη διαφορά ότι το δομικό υλικό του είναι ένα μέταλλο ή ένα κράμα μετάλλων αντί για μαλακό πλαστικό. Αυτό ακριβώς το χαρακτηριστικό καθώς και ορισμένες μηχανικές ιδιαιτερότητες καθιστούν αυτό το σφουγγάρι ιδανικό υλικός για μια πληθώρα χρήσεων. Το πρώτο φυσιολογικό ερώτημα που μπορεί προκύπτει, σχετίζεται με τον τρόπο που φτιάχνονται αυτά τα μεταλλικά σφουγγάρια. Εδώ λοιπόν είναι που έρχεται η σύγχρονη βιομηχανία και μελετά όλους τους τρόπους παρασκευής αφρών, πορωδών υλικών και σπόγγων και καταλήγει στο συμπέρασμα πως οι μεταλλικοί αφροί είναι δυνατόν να κατασκευαστούν με

3 [2] πάρα πολλούς τρόπους. Δε μένει λοιπόν παρά να χρησιμοποιούμε κάθε φορά τον τρόπο παραγωγής που θέλουμε ανάλογα με τις ιδιότητες που θέλουμε να έχει το τελικό μας προϊόν (με αντίστοιχη αύξηση ή μείωση του κόστους παραγωγής). Ας δούμε λοιπόν εν συντομία με ποιους τρόπους μπορούν να παρασκευαστούν αφρώδη μέταλλα σήμερα. Κυψελωτά υλικά στο μικροσκόπιο. a) Κυψελωτό αλουμίνιο, b) Αφρός πολυαιθυλενίου με κλειστές κυψέλες, c) Αφρός νικελίου με ανοιχτές κυψέλες, d) Αφρώδες γυαλί με κλειστές κυψέλες, e) Αφρός από ζιρκόνιο με ανοιχτές κυψέλες, f) Σύνθετος αφρός με βάση το κολλαγόνο.

4 [3] Δημιουργία αφρού σε υγροποιημένα μέταλλα Δημιουργία αφρού σε υγροποιημένα μέταλλα με διοχέτευση αερίου (Cymat / Metcomb). Πρόκειται για μία μέθοδο παραγωγής μεγάλων ποσοτήτων αφρού με σχετικά μικρό κόστος. Αρχικά στο λουτρό τηγμένου αλουμινίου προστίθενται ορισμένες χημικές ουσίες (π.χ οξείδια του μαγνησίου) έτσι ώστε το τήγμα να αποκτήσει το ιδανικό ιξώδες. Στη συνέχεια διοχετεύεται στο λιωμένο μέταλλο αέρας ή αέριο άζωτο μέσω ειδικά διαμορφωμένων περιστρεφόμενων και παλλόμενων ακροφυσίων, με αποτέλεσμα τη δημιουργία χιλιάδων φυσαλίδων κατανεμημένων ομοιόμορφα στη μάζα του τήγματος. Οι φυσαλίδες ανέρχονται προς την ελεύθερη επιφάνεια του λουτρού και σχηματίζουν ένα στρώμα στερεού αφρού από αλουμίνιο. Το στρώμα αυτό συλλέγεται και χρησιμοποιείται αυτούσιο ή υπόκειται σε ειδική κατεργασία για τη δημιουργία τυποποιημένων τμημάτων (π.χ πλάκες, ράβδοι κ. λ.π). Η μέθοδος Cymat είναι προϊόν της καναδικής εταιρείας Cymat Aluminum Corp. Σημαντικό πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η δυνατότητα χύτευσης αφρωδών υλικών πολύ χαμηλής πυκνότητας σε περίπλοκα σχήματα με ταυτόχρονη δημιουργία μεταλλικής επιδερμίδας καθώς και η δημιουργία σύνθετων αφρών όταν στο διάλυμα προστεθούν κατάλληλα καρβίδια ή οξείδια αλουμινίου, μαγνησίου κ.λ.π. Η μέθοδος Metcomb είναι ουσιαστικά μια απλή εξέλιξη της Cymat η οποία επιτρέπει τη χύτευση περισσότερο πολύπλοκων κομματιών από αφρώδες αλουμίνιο. Δημιουργία αφρού αλουμινίου με αφρίζοντες παράγοντες (Alporas). Ο δεύτερος τρόπος για να δημιουργηθεί αφρός σε ένα λουτρό τήγματος μετάλλου είναι η προσθήκη

5 [4] ενός παράγοντα ο οποίος κάτω από ορισμένες συνθήκες θα απελευθερώσει κάποιο αέριο. Στο λουτρό τήγματος λοιπόν αλουμινίου το οποίο βρίσκεται στους 680 o C προστίθεται ασβεστούχο οξείδιο του αλουμινίου (CaAl 2 O 4 ) σε ποσοστό περίπου 1.5% κατά βάρος. Μετά από συνεχή ανάμειξη προστίθεται ο αφρίζων παράγοντας TiH 2 (υδρίδιο του τιτανίου) ο οποίος στη θερμοκρασία των 680 o C απελευθερώνει αέριο υδρογόνο δημιουργώντας αφρό αλουμινίου. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται από το 1986 από την ιαπωνική εταιρεία Shinko Wire Co. και έως τώρα η παραγωγή είναι της τάξης των 1000 κιλών αφρού αλουμινίου ημερησίως. Προφανώς οι αφροί Alporas είναι σχετικά ακριβότεροι, ωστόσο το σημαντικό τους πλεονέκτημα είναι το πολύ μεγάλο ποσοστό πόρων που μπορεί να δημιουργηθεί ανά κυβικό μέτρο αφρού (porosity=πορώδες, δηλ. ο αριθμός των πόρων ανά μονάδα όγκου του αφρού) καθώς επίσης και ομοιόμορφη κατανομή των πόρων. Αφροί τύπου ALPORAS με κλειστές κυψέλες των οποίων το βασικό μέταλλο είναι το αλουμίνιο. Ευτηκτική στερεοποίηση μετάλλου αερίου (Gasar/Lotus). Πρόκειται για μια μέθοδο που πρωτοεμφανίστηκε πριν από περίπου 15 χρόνια από Ρώσους ερευνητές. Εδώ, το λουτρό τηγμένου μετάλλου συμπιέζεται με τη βοήθεια αερίου (π.χ. υδρογόνο ή ήλιο) στα 50bar περίπου. Στη συνέχεια μειώνεται σταδιακά η θερμοκρασία μέχρι να πέσει κάτω από το σημείο τήξης. Το αέριο παγιδεύεται λοιπόν στο εσωτερικό του στερεού πλέον μετάλλου υπό μορφή μακρόστενων φυσαλίδων (που μοιάζουν με καρπούς λωτού Lotus ). Κάτω λοιπόν από κατάλληλες συνθήκες θερμοκρασίας,

6 [5] πίεσης, χημικής σύστασης τήγματος, ταχύτητας και διεύθυνσης ψύξης κατασκευάζεται με αρκετά υψηλό κόστος ένα είδος μεταλλικού αφρού με λίγες, είναι αλήθεια, πρακτικές εφαρμογές λόγω της ανομοιομορφίας των πόρων και της δυσκολίας ελέγχου της αφροποίησης. Δημιουργία μεταλλικών αφρών μέσω προσχηματισμένων αφριζόντων παραγόντων Δημιουργία αφρού από τήγμα μίγματος κόνεων (Foaminal/Alulight). Η διαδικασία ξεκινά με την επιλογή της κατάλληλης πούδρας μετάλλου, ή κράματος η οποία θα αποτελέσει τη βάση του αφρώδους υλικού. Στη συνέχεια επιλέγεται πούδρα από έναν αφρίζοντα παράγοντα (π.χ. μεταλλοϋδρίδιο) η οποία και αναμιγνύεται με τη βασική πούδρα δημιουργώντας ένα πλήρως ομογενοποιημένο μίγμα. Ακολουθεί η ισχυρή συμπίεση του μίγματος έτσι ώστε να δημιουργηθεί ένα σύνθετο στερεό που έχει περίπου τη μορφή των MMCs μόνο που αντί για καρβίδια, το μέταλλο περιέχει υδρίδια. Τέλος το αντικείμενο θερμαίνεται έως το σημείο τήξης του βασικού μετάλλου, κατά την οποία και ο παράγοντας απελευθερώνει αέριο σχηματίζοντας αφρό μετάλλου. Η τεχνική αυτή είναι αρκετά οικονομική και επιτυγχάνει υψηλές τιμές πορώδους. Η μέθοδος αυτή βρίσκεται στο στάδιο της περιορισμένης παραγωγής και εξελίσσεται συνεχώς, κυρίως από ορισμένες γερμανικές εταιρείες όπως είναι η Schunk, η Karmann και η ALM (applied Light-weight Materials). Τα προϊόντα των εταιρειών αυτών κυκλοφορούν με τις ονομασίες Alulight, Foam-in-Al και AFS (Aluminum Foam Sandwich). Δημιουργία αφρού με τήξη 2 σταδίων μίγματος κόνεων (Thixofoam). Η βάση της μεθόδου αυτής είναι παρόμοια με την προηγούμενη, μόνο που πλέον η αρχική σταθεροποίηση του μίγματος πούδρας μετάλλου και

7 [6] αφροποιητικού παράγοντα δεν γίνεται μόνο με συμπίεση αλλά και με τήξη. Η κατάλληλη λοιπόν επιλογή αφροποιητικών παραγόντων επιτρέπει την κανονική τήξη και χύτευση του μίγματος χωρίς τη δημιουργία αφρού. Στη συνέχεια και ενώ το αντικείμενο είναι ακόμα στο καλούπι του ακολουθεί ισχυρή θέρμανση (πολύ παραπάνω από το σημείο τήξης του βασικού μετάλλου) η οποία ενεργοποιεί τον αφροποιητικό παράγοντα ο οποίος εκλύει αέριο μετατρέποντας το μέχρι πρότινος συμπαγές στερεό σε μεταλλικό αφρό. Με τη μέθοδο αυτή επιτυγχάνεται η πολύ καλή ομογενοποίηση του αφρού και η δημιουργία σχεδόν όμοιων φυσαλίδων σε όλη τη μάζα του αντικειμένου. Δημιουργία αφρού σε τήγμα μετάλλου με χρήση ρινισμάτων υδριδίων (Formgrip/Formcarp). Με αυτή τη μέθοδο παρακάμπτεται η ανάγκη χρήσης πούδρας από το βασικό μέταλλο, αλλά ακόμα και από τον αφροποιητικό παράγοντα. Σε λιωμένο λοιπόν μέταλλο (κυρίως αλουμίνιο) προστίθεται ρινίσματα υδριδίου του τιτανίου και το μίγμα αναδεύεται συνεχώς έτσι ώστε να επιτευχθεί πλήρης ομογενοποίηση. Κατά τη διάρκεια της ανάδευσης το μίγμα ψύχεται και στερεοποιείται εγκλωβίζοντας τα ρινίσματα του υδριδίου. Στη συνέχεια ακολουθείται η έντονη θέρμανση του στερεού μίγματος (όπως και στην περίπτωση του Thixofoam) η οποία οδηγεί στην εκ νέου τήξη του βασικού μετάλλου και την απότομη έκλυση υδρογόνου από το υδρίδιο. Η μετέπειτα στερεοποίηση του μετάλλου παράγει το επιθυμητό αφρώδες υλικό. Η μέθοδος αυτή έχει αρκετά πλεονεκτήματα όσον αφορά το κόστος και την ευκολία παραγωγής, ωστόσο είναι αρκετά δύσκολο να παραχθούν τελείως ομοιόμορφα αφρώδη μεταλλικά τεμάχια ενώ είναι δύσκολο να ελεγχθεί το μέγεθος καθώς και το σχήμα των παραγόμενων φυσαλίδων. Ορισμένες φορές όταν τα ρινίσματα του υδριδίου είναι πολύ μικρά απαιτείται η προσθήκη ενός σταθεροποιητικού υλικού (π.χ. SiC) έτσι ώστε να αποτραπεί η απότομη έκλυση υδρογόνου η οποία μπορεί να δημιουργήσει μεγάλα κενά στη μάζα του τεμαχίου. Η διαφορά του Formgrip από του Formcarp αφορά μόνο ένα επιπλέον πρόσθετο (το CaCO 3 ) που χρησιμοποιείται στη διαδικασία παραγωγής του Formcarp το οποίο οξειδώνει την επιφάνεια των φυσαλίδων δημιουργώντας ένα προστατευτικό στρώμα οξειδίων.

8 [7] Δημιουργία αφρού μέσω των παραγομένων αερίων κατά τη παραγωγική διαδικασία. Ένα από τα προβλήματα που προκύπτουν κατά τις διαδικασίες παραγωγής μεταλλικών αφρών μέσω αφριζόντων παραγόντων (π.χ. υδρίδια) είναι η ακαριαία απελευθέρωση του αερίου από το υδρίδιο όταν το τήγμα του μετάλλου βρίσκεται σε πολύ υψηλή θερμοκρασία. Αυτό το γεγονός περιορίζει τη χρήση των περισσότερων από τις παραπάνω τεχνικές στη δημιουργία αφρών αλουμινίου και άλλων παρεμφερών κραμάτων με χαμηλό σημείο τήξης. Για τη δημιουργία λοιπόν μεταλλικών αφρών από περισσότερο δύστηκτα υλικά έχουν επινοηθεί ορισμένες διαφορετικές τεχνικές. Μία από αυτές, χρησιμοποιεί τις διάφορες ουσίες που βρίσκονται αναμεμιγμένες στο λιωμένο μέταλλο καθώς επίσης και τη θερμότητα του τήγματος για την πραγματοποίηση χημικής αντίδρασης από την οποία θα εκλυθεί αέριο. Έτσι λοιπόν για τη δημιουργία αφρού από χάλυβα, προστίθεται στον λιωμένο χάλυβα ένα οξείδιο του σιδήρου και σκόνη άνθρακα. Η αντίδραση των δυο αυτών συστατικών (ατελής κάυση) δημιουργεί αέριο μονοξείδιο του άνθρακα το οποίο δρα ως αφροποιητικός παράγοντας. Παρόμοια διαδικασία χρησιμοποιείται και για την παρασκευή ορισμένων περισσότερο ειδικών κραμάτων του αλουμινίου όπως είναι το Al-Ni. Τα μοναδικά στοιχεία που μεταβάλλονται είναι οι συστάσεις και οι αναλογίες των διαφόρων ουσιών που προστίθενται στο βασικό λιωμένο μέταλλο. Οι ιδιότητες και εφαρμογές των αφρών Όλα τα παραπάνω αφορούν τις διαδικασίες που ακολουθούν οι ερευνητές ή οι βιομηχανίες για να δημιουργήσουν αφρώδη μεταλλικά αντικείμενα και ιδιαίτερα αντικείμενα από αφρώδες αλουμίνιο και διάφορα κράματα αυτού. Γιατί όμως ενδιαφέρεται τόσος πολύς κόσμος για την παραγωγή αφρού αλουμινίου; Το μυστικό είναι οι εκπληκτικές ιδιότητες των προϊόντων αυτής της οικογένειας των μεταλλικών αφρών. Η βασικότερη και προφανέστερη ιδιότητα των μεταλλικών αφρών αφορά το ειδικό βάρος τους. Όλα λοιπόν τα αφρώδη μεταλλικά υλικά είναι πολύ ελαφριά, ή καλύτερα λίγη μάζα μετάλλου καταλαμβάνει πολύ μεγάλο όγκο. Ορισμένοι μεταλλικοί αφροί δε, έχουν πυκνότητα πολύ μικρότερη της

9 [8] μονάδας συνεπώς μπορούν να επιπλέουν στο νερό. Τέλος όλοι οι μεταλλικοί αφροί παρουσιάζουν πολύ καλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα ενώ ταυτόχρονα είναι και άριστα ηχομονωτικά. Τα καλύτερα όμως ακολουθούν στη συνέχεια... Όταν προσπαθήσουμε με μια πρέσα να συμπιέσουμε ένα αφρώδες μεταλλικό τεμάχιο διαπιστώνουμε πως η παραμόρφωση ξεκινά όταν εφαρμοστεί αρκετά μεγάλη δύναμη, κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσης και μέχρι να συμπιεστεί το τεμάχιο κατά 60% περίπου, η ασκούμενη δύναμη παραμένει σταθερά υψηλή. Ενώ έπειτα από το 60% της παραμόρφωσης ο αφρός αρχίζει να συμπεριφέρεται σαν συμπαγές μέταλλο. Ας μελετήσουμε όμως λίγο καλύτερα τη συγκεκριμένη ιδιότητα και τα οφέλη της. Πίνακας φυσικών ιδιοτήτων μερικών αφρωδών υλικών Αφρώδεις ζώνες παραμόρφωσης Όταν μιλάμε για παθητική ασφάλεια στα οχήματα, ουσιαστικά εννοούμε την κατάλληλη σχεδίαση των οχημάτων έτσι ώστε σε περίπτωση σύγκρουσης ένα μεγάλο κομμάτι του οχήματος να καταρρέει (με συγκεκριμένο τρόπο) απορροφώντας την κινητική ενέργεια της σύγκρουσης. Την ίδια στιγμή ο χώρος των επιβατών πρέπει να διατηρείται όσο το δυνατών ανέπαφος και λειτουργικός. Προφανώς υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που μπαίνουν στο παιχνίδι της παθητικής ασφάλειας, όπως είναι ο τρόπος επιβράδυνσης των

10 [9] επιβατών κ.λ.π αλλά όλα αυτά είναι μια άλλη ιστορία. Ας γυρίσουμε λοιπόν πάλι στις λαμαρίνες, τόσο αυτές που πρόκειται να διαλυθούν όσο και αυτές που πρέπει να μείνουν ανέπαφες. Ποιο είναι λοιπόν το πρόβλημα όλων όσων εμπλέκονται στο σχεδιασμό οχημάτων και ιδιαίτερα των συστημάτων παθητικής ασφάλειας αυτών; Το βασικότερο πρόβλημα είναι η μεταβαλλόμενη (μη σταθερή) συμπεριφορά των μεταλλικών μερών των οχημάτων κατά την κατάρρευσή τους λόγω της σύγκρουσης. Τα συνήθη δηλαδή μεταλλικά προφίλ έχουν σημαντική αντοχή στη συμπίεση, αλλά από τη στιγμή της έναρξης της κατάρρευσης και έπειτα, απορροφούν πολύ μικρά ποσά ενέργειας. Έτσι λοιπόν τα πολύ ενισχυμένα μεταλλικά προφίλ δεν μπορούν να απορροφήσουν σημαντικά ποσά ενέργειας στις μικρής και μέσης σφοδρότητας συγκρούσεις (όπου ουσιαστικά δεν παραμορφώνονται) ενώ τα πολύ αδύναμα μεταλλικά προφίλ επιτρέπουν την διάλυση της ζώνης παραμόρφωσης του οχήματος όταν η σύγκρουση είναι λίγο περισσότερο σφοδρή από το ιδανικό. Βέβαια δοκιμάζονται συνεχώς νέες λύσεις, π.χ πλαστικά υλικά, κυψελωτά υλικά και νέα προφίλ ελεγχόμενης παραμόρφωσης οι οποίες έχουν πολύ βελτιωμένη συμπεριφορά, αλλά το πρόβλημα εξακολουθεί να υπάρχει. Εδώ λοιπόν έρχονται οι αφροί αλουμινίου να δώσουν τη λύση στο πρόβλημα των συγκρούσεων παρουσιάζοντας ταυτόχρονα μηδενικά μειονεκτήματα. Οι μεταλλικοί λοιπόν αφροί έχουν την ιδιότητα να παραμορφώνονται σταθερά απαιτώντας κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσης πολύ μεγάλες πιέσεις. Την ίδια στιγμή το βάρος τους είναι ελάχιστο, μπορούν να χυτευτούν πολύ εύκολα και με οποιαδήποτε μορφή ενώ ανάλογα με το πορώδες και τη σύσταση του βασικού τους μετάλλου, μεταβάλλεται και η απαιτούμενη πίεση συμπίεσης. Στα επόμενα λοιπόν χρόνια θα κυκλοφορήσουν οχήματα με ζώνες παραμόρφωσης από αφρό αλουμινίου οι οποίες θα καταρρέουν απολύτως προβλέψιμα, θα καταλαμβάνουν πολύ μικρότερο όγκο, θα έχουν ελάχιστο βάρος και πολύ μικρό κόστος. Επιπλέον υπάρχει η δυνατότητα δημιουργίας ζωνών παραμόρφωσης που θα ανταποκρίνονται σε διάφορα επίπεδα δυνάμεων σύγκρουσης.

11 [10] Αφρώδεις ζώνες παραμόρφωσης...λίγα λόγια παραπάνω Η χαρακτηριστική συμπεριφορά των μεταλλικών αφρών να συμπιέζονται απαιτώντας σταθερά μεγάλα ποσά ενέργειας είναι ίσως η πιο σημαντική τους ιδιότητα και αυτή που τους έκανε εξ αρχής γνωστούς. Δεν θα ήταν λοιπόν άσχημο αν λέγαμε λίγα λόγια παραπάνω για τις αφρώδεις ζώνες παραμόρφωσης και γενικότερα για τα βασικά χαρακτηριστικά της ιδανικής συμπεριφοράς των μεταλλικών αφρών ως προς τη συμπίεση. Το πρώτο πράγμα που πρέπει να επισημανθεί είναι πως μόνο οι αφροί με κλειστούς πόρους έχουν μηχανικές ιδιότητες που να επιτρέπουν τη χρήση τους σε ζώνες παραμόρφωσης. Συνεπώς στην ανάλυση των αφρωδών ζωνών παραμόρφωσης όλοι οι μεταλλικοί αφροί θεωρούνται κλειστού τύπου. Επίσης πολύ σημαντικοί παράγοντες για την επιλογή αφρού κατά την κατασκευή της ζώνης παραμόρφωσης είναι η πυκνότητα του αφρού (συμβολίζεται με ρ)ή το πορώδες (συμβολίζεται συνήθως με ε) καθώς επίσης και η σύσταση του βασικού μετάλλου του αφρού. Εργαστηριακό δοκίμιο και διάγραμμα συμπίεσης απόδοσης αφρού αλουμινίου - πυριτίου Η γενική συμπεριφορά όλων των μεταλλικών αφρών στη συμπίεση φαίνεται στο σχετικό διάγραμμα (Δύναμη Συμπίεσης Ποσοστό Συμπίεσης - Απόδοση) και είναι παρόμοια για όλα τα υλικά και τις τιμές πορώδους. Παρατηρούμε λοιπόν ότι ξεκινά η εφαρμογή της δύναμης συμπίεσης αλλά η παραμόρφωση του αφρού είναι σχεδόν μηδενική έως τη στιγμή που αρχίζει η σταδιακή κατάρρευση του αφρού. Όταν λοιπόν ο αφρός παραμορφωθεί κατά 5% απαιτείται η μέγιστη δύναμη συμπίεσης ενώ από το 5% έως και το 60% περίπου της παραμόρφωσης, η απαιτούμενη δύναμη συμπίεσης είναι λίγο μικρότερη της μέγιστης δύναμης και παραμένει ουσιαστικά σταθερή. Όταν η συμπίεση φτάσει στο 60%, η αρχική μάζα του μετάλλου έχει περιοριστεί στο

12 [11] 40% του αρχικού της όγκου, αφού χονδρικά το 60% των φυσαλίδων έχει καταρρεύσει. Συνεπώς η πυκνότητα πλέον είναι αρκετά μεγαλύτερη με αποτέλεσμα να απαιτούνται μεγαλύτερες δυνάμεις για τη συμπίεση του αφρού. Επιπλέον όσο προχωρά η συμπίεση και αυξάνεται η πυκνότητα, τόσο περισσότερο ο αφρός αρχίζει να συμπεριφέρεται σαν συμπαγές μέταλλο απορροφώντας λιγότερη ενέργεια. Παρατηρώντας τη δεύτερη καμπύλη του ίδιου διαγράμματος βλέπουμε ότι από το 5% έως το 60% της παραμόρφωσης η απόδοση του αφρού σχετικά με την απορρόφηση ενέργειας είναι λίγο παραπάνω από 80%!!! (Σημείωση: Ως απόδοση του αφρού ορίζεται ο λόγος της ενέργειας που απορρόφησε ο αφρός προς την ενέργεια που θα απορροφούσε ένας ιδανικός θεωρητικός αποσβεστήρας. Στην παραπάνω μαθηματική σχέση η είναι η απόδοση και F max (s) η μέγιστη δύναμη που αναπτύσσεται κατά την παραμόρφωση s). Τα ακόλουθα διαγράμματα έρχονται να αποδείξουν αυτό που προκύπτει από τη λογική και την εμπειρία, ότι δηλαδή όσο μεγαλύτερο είναι το πορώδες ενός αφρού τόσο πιο εύκολα αλλά ομαλά καταρρέει. Αντίθετα αφροί ίδιας σύστασης με μεγαλύτερη αρχική πυκνότητα (μικρότερο πορώδες) απορροφούν μεγαλύτερα ποσά ενέργειας λόγω μεγαλύτερης δομικής αντοχής αλλά απαιτούν την άσκηση μεγαλύτερων δυνάμεων σε σχέση με τους αφρούς χαμηλής πυκνότητας. Γι αυτό λοιπόν οι βιομηχανίες δοκιμάζουν την παραγωγή τεμαχίων από αφρό αλουμινίου μεταβλητού πορώδους τα οποία θα μπορούν να παραμορφώνονται ελεγχόμενα λόγω μικρών δυνάμεων (π.χ μικροσυγκρούσεις ή προστασία πεζών από μικροατυχήματα) ή να καταρρέουν (πάλι ελεγχόμενα και καθορισμένα) απορροφώντας περισσότερη ενέργεια και σε περισσότερο χρόνο, έτσι ώστε να προστατευθούν οι επιβάτες του οχήματος σε σφοδρότερες συγκρούσεις.

13 [12] Συγκριτικός Πίνακας Ιδιοτήτων Μεταλλικών Αφρών Βασικό Κράμα Α199.5 foam AlCu 4 foam A199.5 solid Γενικές Ιδιότητες Παράγοντας αφροποίησης - TiH 2 TiH 2 - Θερμική επεξεργασία αφρού - καμία σκλήρυνση - Πυκνότητα G cm -3 0,4 0,7 2,7 Μέση διάμετρος πόρων mm Μηχανικές Ιδιότητες Αντοχή στη συμπίεση MPa Απορρόφηση ενέργειας στο 30% MJ m -3 0,72 5,2 - της παραμόρφωσης KJ kg -1 1,8 7,4 Συντελεστής Young GPa 2, Ηλεκτρικές & Θερμικές ιδιότητες Ηλεκτρική αγωγιμότητα m(ω. mm -2 ) 2,1 3,5 34 Ειδική ηλεκτρική αντίσταση ΜΩ. cm ,9 Θερμική αγωγιμότητα W(m. K) Συντελεστής θερμικής διαστολής 1/K ,

14 [13] Αφρώδη αμαξώματα Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια έντονη στροφή της αυτοκινητοβιομηχανίας προς το αλουμίνιο, το οποίο χρησιμοποιεί τόσο για την κατασκευή κινητήρων όσο και για την κατασκευή πλαισίων και άλλων δομικών μονάδων. Το αλουμίνιο είναι αναμφισβήτητα ένα μέταλλο με πολλές και σημαντικές μηχανικές και φυσικές ιδιότητες. Η αυτοκινητοβιομηχανία αντιμετωπίζει πολύ θετικά το αλουμίνιο, κυρίως λόγω του μικρού του βάρους σε σχέση με το χάλυβα το οποίο επιτρέπει την κατασκευή ελαφρύτερων και λιγότερο ενεργοβόρων οχημάτων. Ωστόσο οι μηχανικές ιδιότητες του αλουμινίου είναι σημαντικά υποδεέστερες αυτών του χάλυβα. Έτσι οι μηχανικοί προσπαθούν να σχεδιάσουν με κατάλληλο τρόπο τα αλουμινένια τεμάχια χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές (π.χ. πολλαπλές εσωτερικές νευρώσεις) ώστε να είναι σημαντικά ελαφρύτερα από τα αντίστοιχα χαλύβδινα έχοντας όμως παραπλήσια ή και μεγαλύτερη αντοχή. Εδώ λοιπόν έρχονται τα αφρώδη υλικά να δώσουν νέες λύσεις. Οι ερευνητές του πανεπιστημίου Kookmin στη Σεούλ της Κορέας διαπίστωσαν μετά από σχετικές έρευνες πως η εσωτερική ενίσχυση με μεταλλικό αφρό (ή ακόμα και με απλή πολυουρεθάνη) του πλαισίου σε ορισμένα κρίσιμα σημεία μπορεί να επιφέρει τεράστιες βελτιώσεις στην δομική του αντοχή. Σε πραγματικές δοκιμές και υπολογιστικές προσομοιώσεις διαπιστώθηκε μια αύξηση κατά 50% στην αρχική δύναμη παραμόρφωσης της κύριας κολόνας (Β-pillar) του οχήματος. Επιπλέον ενώ η μη ενισχυμένη κατασκευή καταρρέει λόγω κάμψης σταθερά κάτω από την επίδραση δύναμης περίπου ίσης με την αρχική δύναμη πρόσκρουσης, η ενισχυμένη κολόνα απαιτεί συνεχώς μεγαλύτερη δύναμη

15 [14] για την παραμόρφωσή της. Στο σχετικό διάγραμμα διαπιστώνουμε ότι για τη μέγιστη υποχώρηση της κολόνας κατά 20 εκατοστά απαιτείται δύναμη περίπου διπλάσια της δύναμης που προκάλεσε την αρχική παραμόρφωση. Με την τεχνική αυτή μπορούν να κατασκευαστούν πάρα πολύ ανθεκτικά πλαίσια από αλουμίνιο τα οποία θα διαθέτουν στο εσωτερικό τους κάποιο ελαφρύ αφρώδες (μεταλλικό ή μη) υλικό. Ράβδος αλουμινίου με και χωρίς ενίσχυση από αφρώδες υλικό υποβάλλονται σε κάμψη. Γενικά θεωρείται σίγουρη η υιοθέτηση της συγκεκριμένης τεχνικής από τις αυτοκινητοβιομηχανίες αφού το κόστος της είναι πολύ χαμηλό, ενώ αντίθετα μια άριστη βαθμολόγηση στο Euro-NCAP μπορεί να αποφέρει τεράστια κέρδη. Αφρώδη ψυγεία και intercooler Έως τώρα ασχοληθήκαμε κυρίως με τους μεταλλικούς αφρούς και ιδιαίτερα τους αφρούς κραμάτων αλουμινίου οι οποίοι έχουν ένα κοινό γνώρισμα, έχουν κλειστές κυψέλες. Ωστόσο υπάρχει ακόμα μια κατηγορία μεταλλικών αφρών τα προϊόντα της οποίας χαρακτηρίζονται από το ότι διαθέτουν ανοιχτές κυψέλες (πόρους) και μοιάζουν κάπως με το συρμάτινο σφουγγάρι που χρησιμοποιούμε για να καθαρίσουμε τις κατσαρόλες...βέβαια εδώ όλο το υλικό είναι ενιαίο και συνεχές και δεν αποτελείται από πλεγμένα ή μπερδεμένα μεταλλικά φύλλα. Οι αφροί ανοιχτού τύπου δεν έχουν μεγάλη αντοχή στην συμπίεση όπως οι αφροί κλειστού τύπου οπότε δεν είναι χρήσιμοι για την απορρόφηση συγκρούσεων. Έχουν όμως ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό που τους καθιστά πολύτιμους για μία διαφορετική χρήση. Το

16 [15] χαρακτηριστικό αυτό δεν είναι άλλο από την τεράστια ελεύθερη επιφάνεια για δεδομένη μάζα μετάλλου και η χρησιμότητά τους, σε οποιαδήποτε εφαρμογή απαιτεί μεγάλη ελεύθερη επιφάνεια. Η πρώτη εφαρμογή που έρχεται στο μυαλό των περισσοτέρων είναι οι εναλλάκτες θερμότητας. Τις φοβερές δυνατότητες των μεταλλικών αφρών ανοικτού τύπου αντιλήφθηκαν και οι ερευνητές του Ομοσπονδιακού Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Σουηδίας και άρχισαν να πειραματίζονται με αφρώδεις εναλλάκτες. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων ανέκυψε η ανάγκη υπολογισμού (προσεγγιστικά αλλά με αρκετή ακρίβεια) της επιφάνειας εναλλαγής θερμότητας ενός αφρώδους εναλλάκτη. Μετά τους σχετικούς υπολογισμούς προέκυψαν τα παρακάτω εντυπωσιακά αποτελέσματα. Ένας εναλλάκτης από αφρό ανοικτού τύπου (παρόμοιος με αυτόν των παρακάτω εικόνων) με μέση διάμετρο πόρου της τάξης των 2.5mm κατασκευασμένος από κράμα αλουμινίου Τ-6106 και διαστάσεις 40mm X 40mm Χ 2mm (προκύπτει από έναν κύβο 40Χ40Χ40 με συμπίεση της μιας πλευράς έως το πάχος των 2mm) έχει λόγο ελεύθερης

17 [16] επιφάνειας εναλλαγής θερμότητας προς όγκο της τάξης των m 2 /m 3. Η τιμή αυτή είναι 2-3 φορές μεγαλύτερη από αυτή που επιτυγχάνουν οι πιο καλοσχεδιασμένοι συμβατικοί εναλλάκτες. Ενώ την ίδια στιγμή οι μετρήσεις των ερευνητών έδειξαν ότι η πτώση πίεσης που δημιουργείται στο ρευστό που διαπερνά τον αφρώδη εναλλάκτη είναι συγκρίσιμη με των συμβατικών εναλλακτών. Η συνολική απόδοση του πειραματικού εναλλάκτη αφρού ήταν περίπου 2 φορές μεγαλύτερη έναντι του καλύτερου συμβατικού εναλλάκτη, ακόμα και όταν ο συμβατικός εναλλάκτης λειτουργούσε στις ιδανικές συνθήκες για τις οποίες είχε σχεδιαστεί (ιδανικό θερμικό φορτίο, ταχύτητα ρευστών κ.λ.π).

18 [17] Είναι λοιπόν θέμα χρόνου η παρουσία των πρώτων υπερ-αποδοτικών εμπορικών ψυγείων και intercooler αφρού για αυτοκίνητα και λοιπά οχήματα. Επιπλέον όλα δείχνουν πως οι αφροί μετάλλων θα υιοθετηθούν σιγά-σιγά σε όλες τις εφαρμογές εναλλαγής θερμότητας μικρής κλίμακας (π.χ. ψύξη ηλεκτρονικών), μεσαίας κλίμακας (ψυγεία-εναλλάκτες οχημάτων) αλλά και μεγάλης κλίμακας (π.χ βιομηχανικά ψυγεία, βιομηχανικοί εναλλάκτες). Βλήματα VS Αφροί Μετάλλων Όπως είπαμε παραπάνω, οι μεταλλικοί αφροί συμπεριφέρνονται ιδανικά όταν καλούνται να απορροφήσουν δυνάμεις πρόσκρουσης αφού παραμορφώνονται καταναλώνοντας σταθερά υψηλή ενέργεια. Βέβαια τα οχήματα δεν είναι οι μοναδικές εφαρμογές στις οποίες ενίοτε σημειώνονται συγκρούσεις και απαιτείται κάποιο μέσο για την απόσβεσή τους. Μια πολύ σημαντική (όχι για εμάς τους απλούς πολίτες...) εφαρμογή των μεταλλικών αφρών εμφανίζεται και στη στρατιωτική βιομηχανία οχημάτων. Αρκετές εταιρείες στρατιωτικών εφαρμογών όπως η United Defense δοκιμάζουν εντατικά πολλά είδη μεταλλικών αφρών στις θωρακίσεις των οχημάτων τους. Συνήθως χρησιμοποιούν αφρούς κραμάτων αλουμινίου τους οποίους εμποτίζουν με συνθετικές ρητίνες έτσι ώστε να βελτιωθούν περαιτέρω οι μηχανικές τους ιδιότητες.

19 [18] Οι ενισχυμένοι αυτοί σύνθετοι αφροί αποκτούν πλέον απίστευτες ιδιότητες, τόσο ως προς την απορρόφηση συγκρούσεων μέσω παραμόρφωσης όσο και σχετικά με τη διαχείριση δυνάμεων, πιέσεων και τάσεων χωρίς να παραμορφώνονται. Οι βλητικές δοκιμές των πρωτοποριακών αυτών σύνθετων θωρακίσεων παρουσίασαν εξαιρετικά αποτελέσματα. Πλέον, πολύ ελαφρύτερες θωρακίσεις αποτελούμενες από πολλαπλά στρώματα κεραμικών υλικών και ενισχυμένου αφρού αλουμινίου είναι σε θέση να αποσβέσουν την κινητική και θερμική ενέργεια βλημάτων, θραυσμάτων και όλμων πολύ αποτελεσματικά. Αυξητικοί αφροί Πολλά πράγματα αποτυπώνονται στο μυαλό μας με ένα συγκεκριμένο τρόπο και είναι αδύνατον να δεχθούμε μία πρόταση που είναι αντίθετη σε κάποιο από αυτά τα αξιώματα. Έτσι π.χ. είναι αδύνατο να κατανοήσουμε μια μηχανή με βαθμό απόδοσης 110% ή μια μπάλα που αναπηδώντας φτάνει συνεχώς σε μεγαλύτερα ύψη. Τις περισσότερες φορές η εμπειρία μας είναι

20 [19] ορθή και επιβεβαιώνεται θεωρητικά και από τις σχετικές επιστήμες. Ωστόσο ορισμένες φορές η απάντηση της επιστήμης είναι τελείως αναπάντεχη και μας αφήνει πραγματικά άφωνους. Κάτι τέτοιο συμβαίνει και με τα αυξητικά υλικά. Όλα τα ελαστικά υλικά χαρακτηρίζονται εκτός των άλλων και από μια σταθερά, τη σταθερά του Poisson. Ουσιαστικά ο αριθμός Poisson δεν είναι τίποτα άλλο από το λόγο της εγκάρσιας τάσης συστολής προς τη διαμήκη τάση επιμήκυνσης. Με απλά λόγια δηλαδή ο αριθμός αυτός περιγράφει το πόσο πιο λεπτό θα γίνει ένα ελαστικό τεμάχιο όταν επιμηκυνθεί κατά Χ. Γενικότερα τα περισσότερα στερεά έχουν αριθμό Poisson με τιμή από 0,2 έως και 0,4. Υπάρχει ωστόσο και μια κατηγορία υλικών στην οποία οι τιμές του αριθμού Poisson είναι αρνητικές. Αυτό απλά σημαίνει ότι όσο επιμηκύνονται τα υλικά αυτά, τόσο παχαίνουν (αυξάνει η διατομή τους)!!! Ακούγεται παράλογο όμως είναι πέρα για πέρα αληθινό. Ακόμα πιο παράξενο είναι το ότι αυτά τα αυξητικά υλικά είναι αρκετά και καλύπτουν ένα πολύ μεγάλο εύρος κλιμάκων μεγέθους. Υπάρχουν λοιπόν κάποια μοριακά αυξητικά υλικά (με μέγεθος της τάξης του 10-9 m), ορισμένα πολυμερή ή κυψελωτά υλικά (με μέγεθος της τάξης του 10-6 m έως 10-2 m) και τέλος ορισμένες σύνθετες κατασκευές πολύ μεγάλου μεγέθους. Τι σχέση όμως μπορεί να έχουν όλα αυτά τα όμορφα πράγματα με τους αφρούς μετάλλων; Απλά ορισμένοι μεταλλικοί αφροί μπορούν να παραχθούν με τέτοιο τρόπο ώστε να έχουν αυξητικές ιδιότητες. Με κατάλληλες λοιπόν παραγωγικές διαδικασίες, η κυψελωτή δομή των αφρωδών αυτών υλικών αλλάζει σχήμα και πλέον οι κυψέλες παίρνουν τέτοια μορφή ώστε η ενδεχόμενη εφελκυστική καταπόνηση που θα υποστούν να οδηγήσει σε εγκάρσια έκταση της δομής του υλικού. Οι έρευνες πάνω στα αυξητικά υλικά πραγματοποιούνται εδώ και αρκετά χρόνια, τόσο στα εργαστήρια της NASA όσο και σε ορισμένα πανεπιστημιακά ιδρύματα (π.χ. University of Iowa, University of Wisconsin- Madison, Technical University of Denmark, Harvard University κ.α.) αλλά και στα τμήματα ερευνών μεγάλων εταιρειών (π.χ. Boeing, British Nuclear Fuels plc, ICI Chemicals & Polymers, Ciba-Geigy κ.α.). Οι εφαρμογές των αυξητικών υλικών και ειδικότερα των αυξητικών αφρών και των αυξητικών νανο-υλικών είναι ατελείωτες και αφορούν ηλεκτρονικές μικροεπαφές, ιατρικά όργανα, ενεργές αντιβαλλιστικές θωρακίσεις, αυξητικά νήματα, βλήματα

21 [20] μεταβλητής διατομής, αντισεισμικούς κοχλίες μεταβλητής διατομής έως και γιγαντιαία καλύμματα πυρηνικών αντιδραστήρων τα οποία μεταβάλουν το πάχος τους στα σημεία που καταπονούνται περισσότερο κάθε στιγμή. Αφρώδη Κεραμικά Αφροί Άνθρακα Η τεράστια επανάσταση που έφεραν τα ανθρακονήματα και τα σύνθετα υλικά στις σύγχρονες κατασκευές είναι γνωστή. Ωστόσο, ενώ οι τεχνολογίες αυτές έχουν γίνει εδώ και αρκετά χρόνια εμπορικές, το κόστος τους παραμένει αρκετά υψηλό λόγω κυρίως των πολύπλοκων διαδικασιών παραγωγής. Επιπλέον είναι γνωστό ότι οι εξαιρετικές ιδιότητες των υλικών αυτών οφείλονται κυρίως στη δομή των ινών του γραφίτη (άνθρακα) που περιέχουν. Στο Εθνικό Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών στο Oak Ridge των Η.Π.Α ξεκίνησαν εδώ και λίγα χρόνια τις έρευνες για την παραγωγή ενός φτηνού γραφιτούχου υλικού με τις ιδιότητες των ανθρακονημάτων. Παρατηρώντας την εξέλιξη των αφρωδών μετάλλων, αποφάσισαν να δοκιμάσουν να κατασκευάσουν αφρώδη γραφίτη. Τελικά μετά από αρκετές δοκιμές και πειραματισμούς πέτυχαν να κατασκευάσουν (με πολύ απλό και φθηνό τρόπο) ένα αφρώδες γραφιτικό υλικό με ανοιχτούς πόρους και ειδικό βάρος 1.26g/cm 3. Η διαδικασία παραγωγής είναι απλή και φθηνή αφού περιλαμβάνει την έντονη ανάδευση ενός γραφιτούχου διαλύματος το οποίο αφρίζει. Στη συνέχεια ο αφρός θερμαίνεται έτσι ώστε να σταθεροποιηθεί και ψήνεται στους 2800 ο C παρουσία αερίου Ar (Αργό) για περίπου 1 ώρα. Ανάλογα με τις απαιτούμενες μηχανικές και θερμικές ιδιότητες μπορεί να ακολουθήσει ο εμποτισμός του αφρού με ένα μίγμα ρητινών και σταθεροποιητών. Το τελικό προϊόν έχει πυκνότητα περίπου 0.54 g/cm 3 (ως απλός αφρός) ή 1.3 g/cm 3 (εάν εμποτιστεί με ρητίνες) και μέση διάμετρο πόρων της τάξης των 100μm. Πρόκειται δηλαδή για ένα πορώδες γραφιτικό υλικό με μικροσκοπικούς ανοικτούς πόρους. Βέβαια όμοια με τους μεταλλικούς αφρούς έτσι και εδώ η δομή του αφρώδη άνθρακα είναι απόλυτα συνεχής, με αποτέλεσμα να παρουσιάζει πολύ μεγάλη θερμική αγωγιμότητα ενώ εμφανίζει και τεράστια αντοχή στις μηχανικές καταπονήσεις (περίπου 30 φορές μεγαλύτερη αντοχή στη συμπίεση από τον αφρό αλουμινίου). Επιπλέον ο τεράστιος αριθμός