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Espuma metálica

Aluminio espumado
Aluminio espumado normal

En ciencia de los materiales , una espuma metálica es un material o estructura formada por un metal sólido (frecuentemente aluminio ) con poros llenos de gas que comprenden una gran parte del volumen . Los poros pueden estar sellados ( espuma de células cerradas ) o interconectados (espuma de células abiertas). [1] La característica definitoria de las espumas metálicas es una alta porosidad : normalmente sólo entre el 5% y el 25% del volumen es metal base. La resistencia del material se debe a la ley del cuadrado-cubo .

Las espumas metálicas suelen conservar algunas propiedades físicas de su material base. La espuma hecha de metal no inflamable sigue siendo no inflamable y generalmente puede reciclarse como material base. Su coeficiente de expansión térmica es similar, mientras que es probable que la conductividad térmica se reduzca. [2]

Definiciones

celda abierta

Espuma metálica de células abiertas
Simulación CFD (numérica) del flujo de fluido y la transferencia de calor en una espuma metálica de celda abierta

La espuma metálica de celda abierta, también llamada esponja metálica, [3] se puede utilizar en intercambiadores de calor ( refrigeración de dispositivos electrónicos compactos , tanques criógenos , intercambiadores de calor PCM ), absorción de energía, difusión de flujo, depuradores de CO 2 , supresores de llamas y ópticas livianas. [4] El alto costo del material generalmente limita su uso a tecnología avanzada, aeroespacial y de fabricación.

Las espumas finas de células abiertas, con células más pequeñas de lo que se puede ver a simple vista, se utilizan como filtros de alta temperatura en la industria química.

Las espumas metálicas se utilizan en intercambiadores de calor compactos para aumentar la transferencia de calor a costa de una presión reducida. [5] [6] [7] [ se necesita aclaración ] Sin embargo, su uso permite una reducción sustancial en el tamaño físico y los costos de fabricación. La mayoría de los modelos de estos materiales utilizan estructuras idealizadas y periódicas o propiedades macroscópicas promediadas.

La esponja metálica tiene una superficie muy grande por unidad de peso y los catalizadores a menudo se forman en esponjas metálicas, como el negro de paladio , la esponja de platino y el níquel esponjoso . Los metales como el osmio y el hidruro de paladio se denominan metafóricamente "esponjas metálicas", pero este término se refiere a su propiedad de unirse al hidrógeno, más que a la estructura física. [8]

celda cerrada

La espuma metálica de células cerradas fue descrita por primera vez en 1926 por Meller en una patente francesa en la que se sugería la formación de espuma en metales ligeros, ya sea mediante inyección de gas inerte o mediante agente espumante . [9] Se concedieron dos patentes sobre un metal similar a una esponja a Benjamin Sosnik en 1948 y 1951, quien aplicó vapor de mercurio para soplar aluminio líquido. [10] [11]

Las espumas metálicas de células cerradas fueron desarrolladas en 1956 por John C. Elliott en Bjorksten Research Laboratories. Aunque los primeros prototipos estuvieron disponibles en la década de 1950, la producción comercial comenzó en la década de 1990 por la empresa Shinko Wire en Japón. Las espumas metálicas de células cerradas se utilizan principalmente como material absorbente de impactos, de forma similar a las espumas poliméricas de un casco de bicicleta , pero para cargas de impacto más elevadas. A diferencia de muchas espumas poliméricas, las espumas metálicas permanecen deformadas después del impacto y, por lo tanto, sólo pueden deformarse una vez. Son ligeros (normalmente entre el 10% y el 25% de la densidad de una aleación no porosa idéntica; comúnmente las de aluminio) y rígidos y con frecuencia se proponen como un material estructural liviano. Sin embargo, no han sido ampliamente utilizados para este propósito.

Las espumas de células cerradas conservan la resistencia al fuego y el potencial de reciclaje de otras espumas metálicas, pero añaden la propiedad de flotación en agua.

espuma estocástica

Se dice que una espuma es estocástica cuando la distribución de porosidad es aleatoria. La mayoría de las espumas son estocásticas debido al método de fabricación:

Espuma normal

Proceso de fabricación de una espuma metálica normal mediante moldeo directo, proceso CTIF [12] [13] [14]

Se dice que una espuma es regular cuando se pide la estructura. El moldeo directo es una tecnología que produce espumas regulares [12] [13] con poros abiertos. Las espumas metálicas también se pueden producir mediante procesos aditivos como la fusión selectiva por láser (SLM).

Las placas se pueden utilizar como núcleos de fundición. La forma se personaliza para cada aplicación. Este método de fabricación permite obtener una espuma "perfecta", llamada así porque satisface las leyes de Plateau y tiene poros conductores en forma de celda Kelvin de octaedro truncado ( estructura cúbica centrada en el cuerpo ).

Célula de Kelvin (similar a la estructura de Weaire-Phelan )

Espuma híbrida

Las espumas metálicas híbridas suelen tener una película delgada sobre el sustrato poroso subyacente. [15] Se ha demostrado que recubrir espumas metálicas con un material diferente mejora las propiedades mecánicas de las espumas metálicas, especialmente porque son propensas a mecanismos de deformación por flexión debido a su estructura celular. La adición de una película delgada también puede mejorar otras propiedades, como la resistencia a la corrosión y permitir la funcionalización de la superficie para procesos de flujo catalítico.

Para fabricar espumas de metales híbridos, se depositan películas delgadas sobre un sustrato de espuma con electrodeposición a temperatura ambiente. [16] Se puede utilizar una configuración de celda de dos electrodos en un baño de Watt . [16] Estudios recientes han demostrado problemas con la uniformidad de la película delgada debido a la compleja geometría de las espumas metálicas. [16] Los problemas de uniformidad se han abordado en estudios más recientes mediante la implementación de películas delgadas de nanopartículas, lo que lleva a mejores propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión. [17]

También se han utilizado estudios recientes sobre espumas híbridas para abordar los recursos energéticos no renovables. [18] Las espumas híbridas de metales de transición se han fabricado previamente mediante una combinación de procesos de electrodeposición y burbujeo de hidrógeno para mejorar la difusividad de los fluidos a través del material poroso y mejorar las propiedades eléctricas para una mejor transferencia de carga. [18] Por lo tanto, estas espumas se pueden utilizar para hacer más eficientes los procesos electrocatalíticos de división del agua .

Las espumas metálicas híbridas pueden tener propiedades conductoras favorables para dispositivos flexibles. Mediante la aplicación de una fina capa de metal sobre un sustrato polimérico poroso mediante deposición en fase gaseosa, los investigadores han podido lograr una alta conductividad manteniendo al mismo tiempo la flexibilidad de la matriz polimérica. [19] A través de pruebas cíclicas, se ha demostrado que las espumas híbridas son capaces de detectar la deformación de la superficie. [19] Los esfuerzos futuros buscan caracterizar el cambio en la reticulación y la porosidad de los materiales a medida que se produce la deposición. Además, se puede explorar la interacción o compatibilidad entre diferentes polímeros y metales en ligandos de espuma para comprender mejor su sensibilidad a las fuerzas externas. Esto ayudaría a mejorar la resistencia a las fuerzas de compresión.

Fabricación

celda abierta

Las espumas de células abiertas se fabrican mediante fundición o pulvimetalurgia . En el método del polvo se utilizan "soportes de espacio"; Como su nombre indica, ocupan los espacios porosos y los canales. En los procesos de fundición, la espuma se fabrica con un esqueleto de espuma de poliuretano de celdas abiertas .

celda cerrada

Las espumas se fabrican comúnmente inyectando un gas o mezclando un agente espumante con metal fundido . [20] El metal fundido puede formar espuma creando burbujas de gas en el material. Normalmente, las burbujas en el metal fundido flotan mucho en el líquido de alta densidad y suben rápidamente a la superficie. Este aumento puede frenarse aumentando la viscosidad del metal fundido añadiendo polvos cerámicos o elementos de aleación para formar partículas estabilizadoras en el metal fundido, o por otros medios. El metal fundido se puede espumar de tres maneras:

Para estabilizar las burbujas de metal fundido, se requieren agentes espumantes de alta temperatura (partículas sólidas de tamaño nanométrico o micrométrico). El tamaño de los poros, o células, suele ser de 1 a 8 mm. Cuando se utilizan agentes espumantes o sopladores, se mezclan con el metal en polvo antes de que se derrita. Esta es la llamada "vía del polvo" de la espumación y probablemente sea la más establecida (desde un punto de vista industrial). Después de mezclar los polvos metálicos (p. ej., aluminio ) y el agente espumante (p. ej., TiH 2 ), se comprimen hasta obtener un precursor sólido y compacto, que puede estar disponible en forma de palanquilla, lámina o alambre. La producción de precursores se puede realizar mediante una combinación de procesos de formación de materiales, como prensado de polvo, [21] extrusión (directa [22] o conformada [23] ) y laminado plano . [24]

Espuma de metal compuesto

A medida que aumentan la tensión y la carga aplicada sobre la espuma metálica compuesta, crece la capacidad de resistir tensiones. A diferencia de los materiales sólidos que alcanzan su resistencia máxima muy rápidamente, la espuma metálica compuesta aumenta lentamente hasta alcanzar su resistencia máxima, absorbiendo energía en el proceso.

La espuma metálica compuesta está hecha de una combinación de esferas metálicas huecas homogéneas con una matriz metálica que rodea las esferas. Esta espuma metálica de células cerradas aísla las bolsas de aire del interior y puede estar hecha de casi cualquier metal, aleación o combinación. Los tamaños de esfera se pueden variar y ajustar según la aplicación. La mezcla de esferas metálicas huecas llenas de aire y una matriz metálica proporciona ligereza y resistencia. Las esferas están dispuestas aleatoriamente dentro del material, pero la mayoría de las veces se asemeja a una estructura cúbica simple o cúbica centrada en el cuerpo . El CMF está hecho de aproximadamente un 70 % de aire y, por lo tanto, pesa un 70 % menos que un volumen igual del material original sólido. La espuma metálica compuesta es la espuma metálica más fuerte disponible con una relación resistencia-densidad entre 5 y 6 veces mayor y una capacidad de absorción de energía 7 veces mayor que las espumas metálicas anteriores. [25] CMF fue desarrollado en la Universidad Estatal de Carolina del Norte por la inventora Afsaneh Rabiei con cuatro patentes a su nombre, todas tituladas "Espuma de metal compuesto y método de preparación de la misma" (Patentes de utilidad de EE. UU. 9208912, 8110143, 8105696, 7641984) y CMF. Actualmente es tecnología propia propiedad de la empresa Advanced Materials Manufacturing.

Pruebas de impacto/explosión/balística a alta velocidad

Una placa de menos de una pulgada de espesor tiene suficiente resistencia para convertir en polvo una bala perforante M2 estándar de Springfield .30-06 . La placa de prueba superó a una placa de metal sólido de espesor similar, aunque pesaba mucho menos. Otras aplicaciones potenciales incluyen la transferencia de desechos nucleares (protección contra rayos X , rayos gamma y radiación de neutrones ) y aislamiento térmico para el reingreso atmosférico de vehículos espaciales, con muchas veces la resistencia al fuego y al calor que los metales simples. [25] Otro estudio que probó la resistencia del CMF a balas de calibre .50 encontró que el CMF podía detener tales balas con menos de la mitad del peso de una armadura homogénea enrollada . [26]

HEI/pruebas de fragmentos

CMF puede reemplazar la armadura de acero laminado con la misma protección por un tercio del peso. Puede bloquear fragmentos y ondas de choque responsables de las lesiones cerebrales traumáticas (LCT). CMF fue probado contra explosiones y fragmentos. Los paneles se probaron contra proyectiles incendiarios de alto explosivo de 23 × 152 mm (como en las armas antiaéreas ) que liberan una onda expansiva de alta presión y fragmentos de metal a velocidades de hasta 1524 m/s. Los paneles CMF pudieron resistir los impactos de explosiones y fragmentos sin doblarse ni agrietarse. La muestra más gruesa (16,7 mm de espesor) pudo detener por completo fragmentos de varios tamaños de tres pruebas distintas de munición incendiaria . Se demostró que CMF es capaz de detener localmente los fragmentos y disipar la energía de la onda expansiva incidente e impedir la propagación de la falla, a diferencia de los materiales completamente sólidos que transfieren la energía a través de toda la placa, dañando el material a granel. [27] En este estudio, el CMF de acero inoxidable bloqueó la presión de la explosión y la fragmentación a 5,000 pies por segundo de rondas incendiarias de alto explosivo (HEI) que detonan a 18 pulgadas de distancia. Placas de acero CMF (9,5 mm o 16,75 mm de espesor) que se colocaron a 18 pulgadas de la placa de impacto sostenidas contra la ola de presión de la explosión y contra los fragmentos de cobre y acero creados por una bala HEI de 23 × 152 mm (como en las armas antiaéreas). armas ), así como una placa de impacto de aluminio de 2,3 mm. [28] El rendimiento del CMF de acero fue mucho mejor que el de la placa de aluminio del mismo peso contra el mismo tipo de explosión y fragmentos. [29]

Pruebas de armas pequeñas

Se utilizaron paneles de espuma metálica compuesta, fabricados con esferas huecas de acero de 2 mm incrustadas en una matriz de acero inoxidable y procesados ​​mediante una técnica de pulvimetalurgia, junto con paneles posteriores de cerámica de carburo de boro y aluminio 7075 o Kevlar para fabricar un nuevo sistema de armadura compuesta. Esta armadura compuesta fue probada contra amenazas NIJ-Tipo III y Tipo IV utilizando el estándar de prueba balística NIJ 0101.06. El diseño altamente funcional basado en capas permitió que la espuma metálica compuesta absorbiera la energía cinética balística de manera efectiva, donde la capa CMF representó entre el 60% y el 70% de la energía total absorbida por el sistema de armadura y permitió que el sistema de armadura compuesta mostrara un rendimiento balístico superior. para amenazas de Tipo III y IV. Los resultados de este programa de pruebas sugieren que el CMF se puede utilizar para reducir el peso y aumentar el rendimiento del blindaje para amenazas de Tipo III y Tipo IV. [30]

Espuma de metal compuesto después del impacto de una bala perforante de calibre .50 BMG. Observe la viñeta retirada y colocada en la parte superior del panel CMF en la parte inferior izquierda. [31]

Pruebas AP calibre .50

El CMF ha sido probado contra proyectiles perforantes de mayor calibre . [31] Los paneles SS CMF se fabricaron y combinaron con una placa frontal de cerámica y una placa posterior de aluminio. Las armaduras duras en capas se probaron contra balas .50 BMG y balas AP en un rango de velocidades de impacto. Los núcleos de acero dulce de las bolas penetraron en una de las tres muestras, pero revelaron los beneficios de usar múltiples baldosas sobre una sola placa frontal de cerámica para limitar la propagación del daño. El núcleo de acero endurecido de las balas AP penetró profundamente en la placa frontal de cerámica, comprimiendo la capa CMF hasta que el proyectil se detuvo e incrustó dentro de la armadura o pudo penetrar completamente y salir de la placa de respaldo. Los resultados experimentales se compararon con los materiales de armadura disponibles comercialmente y ofrecen un rendimiento mejorado con un peso reducido. Se estima que la capa CMF absorbe entre el 69 y el 79% de la energía cinética de la bala, en su condición de prueba no optimizada. [31] A velocidades de impacto superiores a 800 m/s, la capa CMF absorbió consistentemente hasta el 79% de la energía del impacto. A medida que aumentó la velocidad del impacto, también aumentó la resistencia efectiva de la capa de CMF debido a la sensibilidad a la tasa de deformación del material. La relación de eficiencia masiva de las armaduras, en comparación con la armadura homogénea laminada (RHA), se calculó en 2,1. Las armaduras duras CMF pueden detener eficazmente una bala entrante con menos de la mitad del peso del RHA requerido. [26] El ahorro de peso que se consigue mediante el uso de un blindaje tan novedoso puede mejorar la eficiencia del combustible de los vehículos militares sin sacrificar la protección del personal o del equipo en su interior.

Prueba de punción

La espuma metálica compuesta ha sido probada en una prueba de perforación. Se realizaron pruebas de punción en SS CMF-CSP con diferentes espesores de láminas frontales de acero inoxidable y núcleo de CMF. La unión del núcleo SS CMF y las láminas frontales se realizó mediante unión adhesiva y unión por difusión. Diversos espesores del núcleo de CMF y de las láminas frontales crearon una variedad de densidades de área objetivo desde aproximadamente 6,7 hasta aproximadamente 11,7 kg por cada loseta de 30 x 30 cm. Los objetivos se impactaron utilizando bolas de acero de 2,54 y 3,175 cm de diámetro disparadas a velocidades que oscilaban entre 120 y 470 m por segundo, lo que dio como resultado energías de perforación de 488 a 14 500 J en un área de impacto de 5,06 a 7,91 cm2 para las bolas esféricas de dos tamaños. Ninguno de los paneles, incluso aquellos con las densidades de área más bajas, mostró penetración/perforación completa a través de su espesor. Esto se debió principalmente a la capacidad de absorción de energía del núcleo SS CMF en compresión, mientras que las láminas frontales fortalecen el núcleo CMF para manejar mejor las tensiones de tracción. Los paneles sándwich con láminas frontales más gruesas muestran menos efectividad, y una lámina frontal delgada parecía ser suficiente para soportar el núcleo SS CMF para absorber tales energías de perforación. Los paneles ensamblados mediante unión adhesiva mostraron desunión de las láminas frontales del núcleo de CMF tras el impacto del proyectil, mientras que los paneles unidos por difusión mostraron más flexibilidad en la interfaz y se adaptaron mejor a las tensiones. La mayoría de los paneles unidos por difusión no mostraron una desunión de las láminas frontales del núcleo SS CMF. Este estudio demostró la capacidad de absorción de energía del CMF, lo que indica que el CMF se puede utilizar para aumentar la protección y disminuir el peso simultáneamente. [32]

Pruebas de fuego/calor extremo

Espuma metálica compuesta durante una prueba de fuego con soplete. [33]

Se probó un panel CMF de acero 316L de 12" x 12" x 0,6" de espesor con un peso de 3,545 kg en una prueba de fuego con soplete . En esta prueba, el panel se expuso a temperaturas superiores a 1204 °C durante 30 minutos. Al alcanzar la Después de 30 minutos de exposición, la temperatura máxima en la superficie no expuesta del acero fue de 400 °C (752 °F) en el centro de la placa directamente encima del quemador de chorro. Esta temperatura estaba muy por debajo del límite de aumento de temperatura requerido de 427 °C. °C; por lo tanto, esta muestra cumplió con los requisitos de la prueba de fuego con soplete. Como referencia, una pieza sólida de acero de igual volumen utilizada para la calibración no superó esta prueba en aproximadamente 4 minutos. [33]

Cabe mencionar que el mismo panel CMF antes de la prueba de fuego de chorro antes mencionada fue sometido a una prueba de fuego de piscina. En esta prueba, el panel fue expuesto a temperaturas de 827 °C durante 100 minutos. El panel resistió la temperatura extrema durante 100 minutos con facilidad, alcanzando una temperatura máxima en la cara posterior de 379 °C, muy por debajo de la temperatura de falla de 427 °C. Como referencia, la prueba se calibró utilizando una pieza de acero sólido del mismo tamaño que no pasó la prueba en aproximadamente 13 minutos. [34] Estos estudios indican el extraordinario rendimiento del CMF contra el fuego y el calor extremo.

CMF aísla temperaturas de 1100 °C (2000 °F) tan bien que se puede tocar a solo dos pulgadas de distancia de la región candente del material.

La espuma metálica compuesta tiene una tasa muy baja de transferencia de calor y ha demostrado aislar una temperatura extrema de 1100 °C (2000 °F) en tan solo unas pocas pulgadas, dejando el material a temperatura ambiente a solo dos pulgadas de una región blanca. -material caliente. Además, el acero CMF logró conservar la mayor parte de su resistencia similar al acero a esta temperatura y al mismo tiempo seguir siendo tan liviano como el aluminio, un material que se derretiría instantáneamente a esta temperatura extrema.

Otras habilidades

La espuma de metal compuesto ha demostrado su capacidad para proteger contra la radiación de rayos X y neutrones, absorbe/mitiga impactos, sonidos y vibraciones, y puede soportar más de 1.000.000 de ciclos de carga elevada, superando en cada caso a los metales sólidos tradicionales.

Galería de espumas regulares

Aplicaciones

Diseño

La espuma metálica se puede utilizar en productos o composiciones arquitectónicas.

Galería de diseño

Mecánico

Ortopedía

La espuma metálica se ha utilizado en prótesis animales experimentales . En esta aplicación, se perfora un agujero en el hueso y se inserta la espuma metálica, dejando que el hueso crezca dentro del metal para una unión permanente. Para aplicaciones ortopédicas, las espumas de tantalio o titanio son comunes por su resistencia a la tracción , resistencia a la corrosión y biocompatibilidad .

Las patas traseras de un husky siberiano llamado Triumph recibieron prótesis de espuma metálica. Los estudios en mamíferos demostraron que los metales porosos, como la espuma de titanio , pueden permitir la vascularización dentro del área porosa. [36]

Los fabricantes de dispositivos ortopédicos utilizan estructuras de espuma o revestimientos de espuma metálica [37] para lograr los niveles deseados de osteointegración . [38] [39] [40]

Automotor

Las funciones principales de las espumas metálicas en los vehículos son aumentar la amortiguación del sonido , reducir el peso, aumentar la absorción de energía en caso de choques y (en aplicaciones militares) combatir la fuerza de conmoción de los artefactos explosivos improvisados . Por ejemplo, se podrían utilizar tubos rellenos de espuma como barras anti-intrusión . [41] Debido a su baja densidad (0,4–0,9 g/cm 3 ), las espumas de aluminio y aleaciones de aluminio están bajo especial consideración. Estas espumas son rígidas, resistentes al fuego, no tóxicas, reciclables, absorben energía, son menos conductoras térmicamente, menos permeables magnéticamente y amortiguan el sonido de manera más eficiente, especialmente en comparación con las piezas huecas. Las espumas metálicas en las piezas huecas de los automóviles disminuyen los puntos débiles normalmente asociados con los accidentes automovilísticos y las vibraciones. Estas espumas son económicas de fundir con pulvimetalurgia, en comparación con la fundición de otras piezas huecas.

En comparación con las espumas poliméricas utilizadas en los vehículos, las espumas metálicas son más rígidas, más fuertes, más absorbentes de energía y resistentes al fuego y a las adversidades climáticas de la luz ultravioleta , la humedad y la variación de temperatura. Sin embargo, son más pesados, más caros y no aislantes. [42]

La tecnología de espuma metálica se ha aplicado a los gases de escape de los automóviles . [43] En comparación con los convertidores catalíticos tradicionales que utilizan cerámica de cordierita como sustrato, el sustrato de espuma metálica ofrece una mejor transferencia de calor y exhibe excelentes propiedades de transporte de masa (alta turbulencia) y puede reducir la cantidad de catalizador de platino requerida. [44]

Electrocatálisis

Las espumas metálicas son un soporte popular para los electrocatalizadores debido a su gran superficie y estructura estable. Los poros interconectados también benefician el transporte masivo de reactivos y productos. Sin embargo, la evaluación comparativa de los electrocatalizadores puede resultar difícil debido a la superficie indeterminada, las diferentes propiedades de la espuma y el efecto capilar. [45]

Absorción de energía

Gráfico de choque de aluminio

Las espumas metálicas se utilizan para reforzar una estructura sin aumentar su masa. [46] Para esta aplicación, las espumas metálicas son generalmente de poro cerrado y están hechas de aluminio. Los paneles de espuma se pegan a la placa de aluminio para obtener un sándwich compuesto resistente localmente (en el espesor de la hoja) y rígido a lo largo dependiendo del espesor de la espuma.

La ventaja de las espumas metálicas es que la reacción es constante, independientemente de la dirección de la fuerza. Las espumas tienen una meseta de tensión después de la deformación que es constante hasta durante el 80% del aplastamiento. [47]

Térmico

Conducción de calor en estructura de espuma metálica regular.
Transferencia de calor en estructura de espuma metálica regular.

Tian et al. [48] ​​enumeraron varios criterios para evaluar una espuma en un intercambiador de calor. La comparación de las espumas metálicas de alto rendimiento térmico con los materiales utilizados convencionalmente en la intensificación del intercambio (aletas, superficies acopladas, lecho de perlas) muestra en primer lugar que las pérdidas de presión causadas por las espumas son mucho más importantes que en el caso de las aletas convencionales, pero son significativamente menores que las de cuentas. Los coeficientes de cambio se acercan a los de camas y bolas y muy por encima de los de cuchillas. [49] [50]

Las espumas ofrecen otras características termofísicas y mecánicas:

La comercialización de intercambiadores de calor, disipadores de calor y amortiguadores compactos a base de espuma es limitada debido al alto costo de las réplicas de espuma. Su resistencia a largo plazo a la incrustación, la corrosión y la erosión no está suficientemente caracterizada. Desde el punto de vista de la fabricación, la transición a la tecnología de la espuma requiere nuevas técnicas de producción y montaje y diseño de intercambiadores de calor.

Kisitu et al. [51] [52] fueron pioneros en la investigación experimental del uso de espuma de cobre comprimida para un enfriamiento avanzado de dos fases para dispositivos electrónicos de alto flujo de calor. Las muestras de espuma metálica están diseñadas y fabricadas por una empresa con sede en EE. UU., ERG Aerospace Corporation. [53] Se probaron/manejaron flujos de calor de hasta 174 W/cm2. Los datos revelan que comprimir la espuma cuatro veces en la dirección de la corriente (4X) mejoró el rendimiento térmico en más de 3 veces, en comparación con la espuma metálica sin comprimir. Esto se atribuyó al hecho de que la compresión de la espuma reduce proporcionalmente el diámetro hidráulico efectivo y aumenta tanto el área de superficie por unidad de volumen como la conductividad térmica del volumen de la espuma, todo lo cual mejora el rendimiento de enfriamiento de dos fases. Además, los resultados muestran que la espuma comprimida tiene potencial para aumentar el flujo de calor crítico (CHF), que es fundamental para el funcionamiento seguro del enfriamiento de dos fases con altas densidades de calor. Los resultados preliminares muestran que las espumas metálicas comprimidas pueden resolver varios problemas que enfrentan los microcanales, incluida la obstrucción, la inestabilidad del flujo y los niveles bajos de CHF, entre otros. Como tal, las espumas comprimidas se están proponiendo como nuevas alternativas poderosas a los microcanales en el enfriamiento bifásico por bombeo para la gestión térmica/enfriamiento de componentes electrónicos de alto flujo de calor, incluidas computadoras de alto rendimiento, aeroespaciales, militares y de defensa, y electrónica de potencia.

Ver también

Referencias

  1. ^ "Espumas metálicas y cerámicas | Elementos americanos | Productos | Aplicaciones". Elementos americanos . Consultado el 21 de marzo de 2024 .
  2. Comparar materiales: aluminio fundido y espuma de aluminio Archivado el 30 de abril de 2010 en Wayback Machine . Hazlo desde.com. Recuperado el 19 de noviembre de 2011.
  3. ^ John Banhart. "¿Qué son los metales celulares y las espumas metálicas?" Archivado el 29 de diciembre de 2010 en la Wayback Machine.
  4. ^ "Material de espuma metálica Duocel®". ergaerospace.com/ . Consultado el 26 de enero de 2022 .
  5. ^ Topin, F.; Bonnet, J.-P.; Madani, B.; Tadrist, L. (2006). "Análisis experimental de flujo multifásico en espuma metálica: leyes de flujo, transferencia de calor y ebullición convectiva" (PDF) . Materiales de ingeniería avanzada . 8 (9): 890. doi :10.1002/adem.200600102. S2CID  138133942.
  6. ^ Banhart, J. (2001). “Fabricación, Caracterización y aplicación de metales celulares y espumas metálicas”. Progresos en Ciencia de Materiales . 46 (6): 559–632. doi :10.1016/S0079-6425(00)00002-5.
  7. ^ DeGroot, CT; Straatman, AG; Betchen, LJ (2009). "Modelado de convección forzada en disipadores de calor de espuma metálica con aletas". Revista de embalaje electrónico . 131 (2): 021001. doi : 10.1115/1.3103934.
  8. ^ Ralph Lobo; Jalid Mansour. "La asombrosa esponja metálica: absorbiendo hidrógeno" Archivado el 16 de noviembre de 2015 en Wayback Machine . 1995.
  9. ^ De Meller, MA Patente francesa 615.147 (1926).
  10. ^ Sosnick, B. Patente estadounidense 2.434.775 (1948).
  11. ^ Sosnick, B. Patente estadounidense 2.553.016 (1951).
  12. ↑ ab Recherche sur la Production de pièces de fonderie en mousse métallique – Recherche en fonderie: les mousses métalliques Archivado el 29 de octubre de 2013 en Wayback Machine . Ctif.com. Recuperado el 3 de diciembre de 2013.
  13. ↑ ab ALVEOTEC – Innovación Archivado el 30 de julio de 2014 en Wayback Machine . Alveotec.fr/en. Recuperado el 3 de diciembre de 2013.
  14. ^ "ALVEOTEC - Actualités - vídeo: proceso de fabricación de espuma de aluminio". Archivado desde el original el 30 de julio de 2014.
  15. ^ Jung, A.; Koblischka, señor; Lach, E.; Diebels, S.; Natter, H. (2012). "Espumas de metales híbridos". Revista Internacional de Ciencia de Materiales . 2 (4): 97–107.
  16. ^ a b C Bouwhuis, Licenciatura en Letras; McCrea, JL; Palumbo, G.; Hibbard, GD (2009). "Propiedades mecánicas de espumas metálicas nanocristalinas híbridas". Acta Materialia . 57 (14): 4046–4053. Código Bib : 2009AcMat..57.4046B. doi :10.1016/j.actamat.2009.04.053.
  17. ^ Xu, Y.; Mamá, S.; Fan, M.; Zheng, H.; Chen, Y.; Canción, X.; Hao, X. (2019). "Mejora de la resistencia mecánica y a la corrosión de espumas de aluminio de celda cerrada mediante recubrimientos compuestos nanoelectrodepositados". Materiales . 12 (19): 2197. Bibcode : 2019Mate...12.3197X. doi : 10.3390/ma12193197 . PMC 6803920 . PMID  31569520. 
  18. ^ ab Zhou, J.; Yu, L.; Zhou, Z.; Huang, C.; Zhang, Y.; Yu, B.; Yu, Y. (2021). "Fabricación ultrarrápida de espumas porosas de metales de transición para una división electrocatalítica eficiente del agua". Catálisis Aplicada B: Ambiental . 288 : 120002. doi : 10.1016/j.apcatb.2021.120002. S2CID  233541520.
  19. ^ ab Peng, Y.; Liu, H.; Zhang, J. (2020). "Espuma metálica híbrida con elasticidad superior, alta conductividad eléctrica y sensibilidad a la presión". Interfaces y materiales aplicados de ACS . 12 (5): 6489–6495. doi :10.1021/acsami.9b20652. PMID  31927977. S2CID  210191505.
  20. ^ Banhart, John (2000). "Rutas de Fabricación de Espumas Metálicas". JOM . Sociedad de Minerales, Metales y Materiales. 52 (12): 22-27. Código Bib : 2000JOM....52l..22B. doi :10.1007/s11837-000-0062-8. S2CID  137735453. Archivado desde el original el 1 de enero de 2012 . Consultado el 20 de enero de 2012 .
  21. ^ Bonaccorsi, L.; Proverbio, E. (1 de septiembre de 2006). "Efecto de compactación del polvo sobre el comportamiento de formación de espuma de precursores de PM prensados ​​​​uniaxiales". Materiales de ingeniería avanzada . 8 (9): 864–869. doi :10.1002/adem.200600082. S2CID  136706142.
  22. ^ Shiomi, M.; Imagama, S.; Osakada, K.; Matsumoto, R. (2010). "Fabricación de espumas de aluminio a partir de polvo mediante extrusión en caliente y espumado". Revista de tecnología de procesamiento de materiales . 210 (9): 1203–1208. doi :10.1016/j.jmatprotec.2010.03.006.
  23. ^ Lefebvre, Luis Felipe; Banhart, Juan; Dunand, David C. (2008). MetFoam 2007: metales porosos y espumas metálicas: actas de la quinta Conferencia internacional sobre metales porosos y espumas metálicas, 5 al 7 de septiembre de 2007, Montreal, Canadá . Lancaster, Pensilvania: DEStech Publications Inc. págs. 7-10. ISBN 978-1932078282.
  24. ^ Strano, M.; Pourhassan, R.; Mussi, V. (2013). "El efecto del laminado en frío sobre la eficacia espumante de los precursores del aluminio". Revista de Procesos de Fabricación . 15 (2): 227. doi :10.1016/j.jmapro.2012.12.006.
  25. ^ ab "Un estudio encuentra espumas metálicas capaces de proteger los rayos X, los rayos gamma y la radiación de neutrones". Estado de Carolina del Norte, Raleigh, Carolina del Norte . Noticias de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. 17 de julio de 2015 . Consultado el 20 de agosto de 2021 . Una investigación de la Universidad Estatal de Carolina del Norte muestra que las espumas metálicas compuestas livianas son efectivas para bloquear los rayos X, los rayos gamma y la radiación de neutrones, y son capaces de absorber la energía de colisiones de alto impacto.
  26. ^ ab Shipman, Matt Metal Foam detiene balas de calibre .50 y acero, con menos de la mitad del peso, NC State University News, 05.05.19
  27. ^ Rabiei, Marx, Portanova, (2018), Un estudio sobre la resistencia a explosiones y fragmentos de espumas metálicas compuestas mediante enfoques experimentales y de modelado. Estructuras compuestas 194 (2018) 652-661.
  28. ^ Wang, Brian (24 de abril de 2018). "Las espumas metálicas compuestas proporcionan protección blindada para un tercio del peso y fabrican parachoques para supercoches | NextBigFuture.com". SiguienteBigFuture.com . Consultado el 24 de mayo de 2018 .
  29. ^ Marx, Portanova, Rabiei, Un estudio sobre la resistencia a explosiones y fragmentos de espumas metálicas compuestas mediante enfoques experimentales y de modelado. Estructuras compuestas 194 (2018) 652-661.
  30. ^ Rabiei, García-Ávila, Portanova. (2015). Comportamiento balístico de espumas metálicas compuestas. Estructuras compuestas (2015) 202-211.
  31. ^ abc Rabiei, Marx, Portanova. (2019). Rendimiento balístico de espuma metálica compuesta contra amenazas de gran calibre. Estructuras compuestas 224 (2019) 111032.
  32. ^ Rabiei, Marx, Portanova, Scott, Schwandt. (2020). Un estudio sobre la resistencia a la perforación de paneles sándwich con núcleo de espuma metálica compuesta. Materiales de Ingeniería Avanzados (2020) 2000693.
  33. ^ ab Rabiei, Lattimer, Bearinger, (2020), Avances recientes en el análisis, medición y propiedades de espumas metálicas compuestas.
  34. ^ Rabiei, Karimpour, Basu, Janssens. (2020). Espuma metálica compuesta de acero-acero en pruebas de incendio simulado en piscina. Revista Internacional de Ciencias Térmicas 153 (2020) 106336.
  35. ALVEOTEC - Actualités - LOUPI Lighing lanza su nuevo disipador de espuma metálica para aplicaciones de iluminación_66.html Archivado el 30 de julio de 2014 en Wayback Machine . Alveotec.fr. Recuperado el 3 de diciembre de 2013.
  36. ^ Osteointegración con espuma de titanio en fémur de conejo Archivado el 18 de abril de 2016 en Wayback Machine , YouTube
  37. Recubrimientos de titanio en dispositivos ortopédicos Archivado el 13 de marzo de 2016 en Wayback Machine . YouTube
  38. ^ Biomet Orthopaedics, construcción de titanio poroso Regenerex® Archivado el 28 de septiembre de 2011 en la Wayback Machine.
  39. ^ Zimmer Orthopaedics, Trabeluar Metal Technology Archivado el 18 de julio de 2011 en la Wayback Machine.
  40. ^ Revestimiento poroso Zimmer CSTiTM (Titanio estructurado esponjoso TM) Archivado el 18 de julio de 2011 en Wayback Machine.
  41. ^ Strano, Matteo (2011). "Un nuevo enfoque FEM para la simulación de tubos rellenos de espuma metálica". Revista de ciencia e ingeniería de fabricación . 133 (6): 061003. doi : 10.1115/1.4005354.
  42. Nuevo concepto de diseño de componentes automotrices livianos Archivado el 24 de marzo de 2012 en Wayback Machine . (PDF). Recuperado el 3 de diciembre de 2013.
  43. Alantum Innovations in Alloy Foam: Inicio Archivado el 17 de febrero de 2010 en Wayback Machine . Alantum.com. Recuperado el 19 de noviembre de 2011.
  44. ^ Desarrollo de un postratamiento a base de espuma metálica en un turismo diésel - Centro de conferencias virtual [ enlace muerto permanente ] . Vcc-sae.org. Recuperado el 19 de noviembre de 2011.
  45. ^ Zheng, Weiran; Liu, Mengjie; Lee, Lawrence Yoon Suk (9 de octubre de 2020). "Mejores prácticas en el uso de electrodos de tipo espuma para comparar el rendimiento electrocatalítico". Cartas de Energía ACS . 5 (10): 3260–3264. doi : 10.1021/acsenergylett.0c01958 . hdl : 10397/100121 .
  46. ^ Banhart, Juan; Dunand, David C. (2008). MetFoam 2007: Metales porosos y espumas metálicas: Actas de la Quinta Conferencia Internacional sobre Metales Porosos y Espumas Metálicas, 5 al 7 de septiembre de 2007, Montreal, Canadá. Publicaciones DEStech, Inc. ISBN 9781932078282.
  47. ^ ALVEOTEC – Actualités – Ejemplos de aplicaciones de espuma metálica. Archivado el 30 de julio de 2014 en Wayback Machine Alveotec.fr. Recuperado el 3 de diciembre de 2013.
  48. ^ Tian, ​​J.; Kim, T.; Lu, TJ; Hodson, HP; Queheillalt, DT; Sypeck, DJ; Wadley, HNG (2004). "Los efectos de la topología sobre el flujo de fluidos y la transferencia de calor dentro de estructuras celulares de cobre" (PDF) . Revista internacional de transferencia de masa y calor . 47 (14-16): 3171. doi :10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.02.010. Archivado (PDF) desde el original el 3 de marzo de 2016.
  49. ^ Miscevic, M. (1997). Estudio de intensificación de las transferencias térmicas por estructuras porosas: aplicación en intercambiadores compactos y refroidissement difásico. IUSTI. Marsella., Universidad de Provenza
  50. ^ Catillon, S., C. Louis y col. (2005). Utilización de espumas metálicas en un reformador catalítico de metanol para la producción de H2. GECAT, La Rochelle.
  51. ^ Kisitu, Deogratius; et al. (2022). "Investigación experimental de la ebullición del flujo de R134a en evaporadores de espuma de cobre para refrigeración de dispositivos electrónicos de alto flujo de calor". Conferencia y exposición técnica internacional ASME 2022 sobre empaquetado e integración de microsistemas electrónicos y fotónicos (publicado el 7 de diciembre de 2022). doi : 10.1115/ipack2022-97400. ISBN 978-0-7918-8655-7. S2CID  254435507. {{cite book}}: |website=ignorado ( ayuda )
  52. ^ Kisitu, Deogratius; Ortega, Alfonso; Zlatinov, Metod; Schaffarzick, Denver (30 de mayo de 2023). "Flujo bifásico en espuma de cobre comprimido con R134a para gestión térmica de alto flujo de calor: efectos de la relación de compresión de la espuma y las condiciones de funcionamiento del refrigerante sobre el rendimiento termohidráulico". 2023 22.ª Conferencia Intersociedades del IEEE sobre fenómenos térmicos y termomecánicos en sistemas electrónicos (ITherm). IEEE. págs. 1–10. doi :10.1109/ITherm55368.2023.10177584. ISBN 979-8-3503-2166-1. S2CID  259859929.
  53. ^ "ERG Aerospace | Hogar de la espuma Duocel patentada | Espuma metálica". ergaerospace.com . Consultado el 21 de diciembre de 2022 .

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