1. Che cosa sono la schiuma metallica e la schiuma di alluminio?
Nel corso della storia, la scoperta della schiuma metallica costituisce una pietra miliare importante nella rivoluzione dell'intero campo dell'ingegneria dei materiali. La schiuma metallica è un materiale composto da una struttura metallica che presenta un gran numero di pori ed è riempita di gas lungo la struttura [2]. I pori di queste schiume metalliche possono essere interconnessi o sigillati e sono chiamati rispettivamente schiuma a celle aperte e schiuma a celle chiuse, come mostrato in Figura 2(a)(b) [3]. Tra questi, il materiale schiumato di alluminio è attualmente il metallo espanso più promettente, grazie alla sua elevata porosità, bassa densità, leggerezza, elevata resistenza, buona comprimibilità, forte assorbimento degli urti, buone prestazioni di assorbimento acustico e buone prestazioni di schermatura elettromagnetica. Prestazioni eccellenti, quindi noto come la "stella di metallo" [4], ampiamente utilizzato in altri metodi di lavorazione nei campi dell'ingegneria aerospaziale, della produzione e delle scienze fisiche.
Figura 2. Caratteristiche strutturali dell'alluminio schiumato: (a) Schiuma di alluminio a celle aperte; (B) Schiuma di alluminio a celle chiuse [3]
2. La scoperta della schiuma di alluminio
Nel corso della storia, materiali come ossa, legno e pomice sono stati ampiamente utilizzati per lungo tempo. Molti ricercatori prevedono che l'utilità di questi materiali abbia promosso la produzione di materiali artificiali come la schiuma metallica. Sebbene la maggior parte delle tecnologie di schiumatura attualmente in uso sia stata proposta a partire dagli anni '50, studi hanno dimostrato che la scoperta della schiuma di alluminio può essere fatta risalire al 1926, quando Ma De Meller menzionò per la prima volta la schiumatura metallica in un brevetto francese. Meller una volta suggerì che il processo di schiumatura metallica potesse essere ottenuto introducendo gas inerte nel metallo fuso o utilizzando un agente schiumogeno come il carbonato nel metallo fuso. Sebbene questo sia solo un brevetto basato sull'idea, getta le basi per i successivi passi necessari nello sviluppo della schiuma di alluminio. John C. Elliott sviluppò ulteriormente questa idea 20 anni dopo, progettando una versione aggiornata del brevetto Meller e introducendo la prima schiuma di alluminio disponibile, che a sua volta contribuì alla commercializzazione del materiale in Giappone negli anni '90. La pubblicazione gettò le basi [5].
3. Prestazioni e applicazione dell'alluminio espanso
L'alluminio espanso è un metallo con elevata porosità e struttura porosa, in cui i pori sigillati rappresentano circa tre quarti del volume totale del materiale metallico, rendendo il materiale molto leggero [7]. Oltre alle caratteristiche di cui sopra, l'alluminio espanso ha anche impressionanti caratteristiche di assorbimento di energia e un'elevata comprimibilità [7]. Per quanto riguarda la densità, i ricercatori hanno scoperto che la densità della maggior parte dei campioni di alluminio espanso è di circa 0,4-1,2 g·cm-3 [6]. Inoltre, l'alluminio espanso ha anche assorbimento acustico, riciclabilità e bassa conduttività termica [7].
In termini di applicazione, la schermatura elettromagnetica, la leggerezza e le proprietà assorbenti della schiuma di alluminio la rendono un candidato ideale per componenti utilizzati in dispositivi di fusione nucleare controllata, nell'industria automobilistica, aerospaziale e edile grazie alla sua resistenza ad ambienti fisici estremi. Nei dispositivi di fusione nucleare controllabile, la schiuma di alluminio a celle chiuse è un eccellente materiale di schermatura elettromagnetica. Grazie all'interconnessione dello scheletro di schiuma di alluminio, presenta un'ampia superficie specifica e una buona capacità di assorbire e riflettere le onde elettromagnetiche. Si verificano varie perdite, come perdita di assorbimento, perdita di riflessione, ecc., in modo che l'alluminio espanso abbia eccellenti prestazioni di schermatura elettromagnetica. Inoltre, è stato anche riscontrato che l'efficacia della schermatura elettromagnetica dell'alluminio espanso ha mostrato una tendenza prima a diminuire e poi ad aumentare con l'aumento della frequenza delle onde elettromagnetiche [3]. Nell'industria aerospaziale, l'alluminio espanso viene utilizzato per realizzare coni spaziali o parti di turbine. A causa della bassa qualità dell'alluminio espanso, è particolarmente utile per ridurre il peso totale dei componenti aeronautici [7]. Inoltre, essendo un eccellente materiale in grado di assorbire l'energia, l'alluminio espanso viene utilizzato per realizzare i respingenti, gli assorbitori di vibrazioni e il fondo della cabina di rientro della navicella, in modo che la navicella possa atterrare in sicurezza e proteggere la sicurezza degli astronauti e delle attrezzature spaziali. Grazie all'efficace assorbimento di energia e urti, l'alluminio espanso può garantire la sicurezza degli astronauti durante l'impatto durante l'atterraggio della navicella, come mostrato in Figura 3 [8].
Figura 3. Struttura parziale migliorata della sentina antiurto[8]
1-pelle superiore; 2-travi in alluminio espanso; 3-pelle inferiore
Nell'industria automobilistica, l'alluminio espanso aiuta a ridurre il numero totale di parti utilizzate nel telaio, rende il processo di assemblaggio più efficiente e, in definitiva, aiuta a ridurre i costi e a migliorare le prestazioni [7]. Attualmente, l'alluminio espanso viene utilizzato nelle barre anticollisione, nelle travi e nelle travi delle porte nelle strutture della carrozzeria delle automobili sul mercato, come mostrato nella Figura 4 [9-10].
La figura 4. (a) è uno schema delle parti della carrozzeria che assorbono parzialmente l'energia;
(B) Schema della barra anticollisione in schiuma di alluminio
Nel settore edile, l'alluminio schiumato viene principalmente utilizzato come barriera protettiva e ignifuga per prevenire rumori intensi. L'applicazione tipica dell'alluminio schiumato a celle chiuse in architettura è il SOHO Fuxing Plaza di Shanghai. Il progettista utilizza una grande quantità di alluminio schiumato per assorbire e isolare il suono, come mostrato in Figura 6 [11].
La scoperta della schiuma di alluminio è considerata un risultato straordinario. Il materiale in schiuma di alluminio combina eccellenti prestazioni di schermatura elettromagnetica, leggerezza, bassa densità, assorbimento degli urti e di energia, risultando quindi molto efficace in diversi settori industriali. Ampia applicabilità. È interessante notare che la schiuma di alluminio è anche un prodotto ecologico e riciclabile, il che significa che è un materiale sostenibile e si prevede che verrà utilizzato in grandi quantità in future applicazioni industriali.
Data di pubblicazione: 30-11-2021
