Пенометалл

Пенометалл — это класс ячеистых материалов, состоящих из металлической матрицы с равномерно распределёнными газовыми порами. По своей структуре пенометалл представляет собой твёрдое тело, в котором объёмная доля пустот (пористость) может достигать 75–95 %. Материал сочетает свойства металла (электропроводность, теплопроводность, прочность) с лёгкостью и способностью поглощать энергию, характерными для пористых сред.

История

Первые попытки создания металлических пен относятся к началу XX века. В 1925 году французский инженер Жан-Анри де Бюсси получил патент на способ получения пористого алюминия путём введения газообразующего реагента в расплав. Однако практическое развитие технологии началось в 1940-х годах, когда в США и Великобритании исследовали пенометаллы для авиационных и военных целей. В 1950-х годах компания «General Electric» разработала процесс получения пен на основе алюминия и никеля.

В СССР систематические исследования пенометаллов начались в 1960-х годах в Институте металлургии имени А. А. Байкова. Учёные, в частности Б. С. Чуркин, разработали методы получения пен с использованием газообразователей (например, гидрида титана). В 1970–1980-х годах пенометаллы применялись в космической технике и атомной промышленности как поглотители ударных нагрузок и теплозащитные экраны.

С 1990-х годов, с развитием методов порошковой металлургии и литья, пенометаллы стали доступнее для коммерческого использования. В 2000-х годах на рынке появились первые промышленные партии алюминиевых пен (например, марки «Alporas» и «Foamal»).

Классификация

Пенометаллы классифицируют по нескольким признакам.

По типу металла

• Алюминиевые пены — наиболее распространённый тип, лёгкий, коррозионно-стойкий, используется в автомобилестроении и строительстве.
• Никелевые пены — обладают высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью, применяются в фильтрах и катализаторах.
• Медные пены — отличаются высокой теплопроводностью, используются в теплообменниках.
• Стальные и титановые пены — прочные и термостойкие, применяются в аэрокосмической и оборонной промышленности.

По структуре пор

• Открытоячеистые — поры сообщаются между собой, материал проницаем для газов и жидкостей. Используются в фильтрации и акустике.
• Закрытоячеистые — поры изолированы друг от друга, материал непроницаем. Применяется для теплоизоляции и плавучести.

По способу получения

• Литьевые — газообразователь вводится в расплав металла.
• Порошковые — смесь металлического порошка с газообразователем спекается или плавится.
• Гальванические — металл осаждается на полимерную пену, которая затем удаляется.

Способы получения

Основные методы производства пенометаллов включают:

1. Прямое вспенивание расплава. В расплавленный металл (обычно алюминий) добавляют газообразователь, например гидрид титана (TiH₂). При нагреве газообразователь разлагается, выделяя водород, который образует поры. Расплав застывает, фиксируя ячеистую структуру.
2. Метод порошковой металлургии. Металлический порошок смешивают с газообразователем, прессуют в брикет, а затем нагревают до температуры плавления. Выделяющийся газ вспенивает материал.
3. Инфильтрационное литьё. Расплавленный металл заливается в форму, заполненную сферическими гранулами (например, из соли или керамики). После застывания металла гранулы вымываются, оставляя поры.
4. Гальваническое осаждение. На полимерную пену с открытыми порами наносят слой металла (например, никеля) электролитическим способом. Затем полимер удаляют термическим разложением, получая металлическую пену с открытыми порами.

Свойства

Физико-механические свойства пенометаллов зависят от плотности, размера пор и материала основы. Типичные характеристики:

• Плотность: от 0,1 до 1,0 г/см³ (для алюминиевых пен — 0,2–0,6 г/см³, что в 2–5 раз легче твёрдого алюминия).
• Пористость: 75–95 %.
• Прочность на сжатие: 0,5–20 МПа в зависимости от плотности.
• Теплопроводность: 0,2–10 Вт/(м·К) (для закрытоячеистых пен — низкая, для открытоячеистых — выше).
• Электропроводность: снижается пропорционально плотности.
• Звукопоглощение: открытоячеистые пены эффективно поглощают звук в диапазоне 500–4000 Гц.

Пенометаллы негорючи, устойчивы к циклическим нагрузкам, не выделяют токсичных веществ при нагреве. Они обладают высокой удельной жёсткостью (отношение модуля упругости к плотности), что делает их перспективными для лёгких конструкций.

Применение

Автомобилестроение

Пенометаллы используются в качестве элементов пассивной безопасности: алюминиевые пены заполняют бамперы, стойки кузова и дверные панели. При ударе они поглощают энергию, снижая ускорение и деформацию. Например, компания «Audi» применяла пенометалл в прототипе Audi A8 для усиления зон деформации.

Аэрокосмическая промышленность

В ракетостроении и авиации пенометаллы служат теплозащитными экранами, амортизаторами и лёгкими несущими элементами. Никелевые пены используются в каталитических нейтрализаторах выхлопных газов.

Строительство

Закрытоячеистые алюминиевые пены применяются для теплоизоляции фасадов и кровель, а также в качестве несъёмной опалубки. Открытоячеистые пены — для звукоизоляции стен и перегородок.

Машиностроение

Пенометаллы используются в фильтрах для очистки газов и жидкостей, в теплообменниках (благодаря развитой поверхности), в демпферах вибраций и в электродах аккумуляторов (например, никелевые пены в никель-металлогидридных батареях).

Медицина

Титановые и танталовые пены с открытыми порами применяются в ортопедии для изготовления имплантатов, так как пористая структура способствует врастанию костной ткани (остеоинтеграции).

Интересные факты

• Пенометалл может плавать на воде, если его плотность меньше 1 г/см³, что характерно для алюминиевых пен с пористостью выше 90 %.
• В 2019 году российские учёные из Института физики прочности и материаловедения СО РАН разработали технологию получения пенометалла с градиентом пористости, что позволяет сочетать в одной детали лёгкость и прочность.
• Пенометалл используется в скульптурах и архитектурных объектах: например, в 2015 году в Лондоне была установлена инсталляция из алюминиевой пены «Cloud Gate» (уменьшенная копия чикагской «Боб»).

Критика и ограничения

Основные недостатки пенометаллов: высокая стоимость производства (в 5–10 раз дороже твёрдого металла той же массы), сложность контроля размера и равномерности пор, а также низкая усталостная прочность при циклических нагрузках. Кроме того, пенометаллы трудно поддаются сварке и механической обработке без разрушения ячеистой структуры. Эти ограничения сдерживают их массовое внедрение в промышленности.

Источники

1. Чуркин Б. С. «Пенометаллы: получение, свойства, применение». — М.: Металлургия, 1985.
2. Ashby M. F. «Metal Foams: A Design Guide». — Butterworth-Heinemann, 2000.
3. Banhart J. «Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams». — Progress in Materials Science, 2001.
4. Патент FR 615147 (1925) — «Procédé de fabrication de métal alvéolaire».
5. «Пенометалл: свойства и применение» — статья в журнале «Наука и жизнь», № 3, 2018.