Replikacja jest jedną z technik przetwarzania używanych do produkcji porowatych gąbek metalowych. W artykule przedstawiono szczegółowo jedną implementację metody wytwarzania porowatego aluminium o otwartych komórkach.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Replikacja jest jedną z technik przetwarzania używanych do produkcji porowatych gąbek metalowych. W artykule przedstawiono szczegółowo jedną implementację metody wytwarzania porowatego aluminium o otwartych komórkach.
Pianki metalowe są interesującymi materiałami zarówno z punktu widzenia podstawowego zrozumienia, jak i praktycznych zastosowań. Zaproponowano zastosowania, a w wielu przypadkach zweryfikowano je eksperymentalnie, dla lekkich lub pochłaniających energię uderzenia konstrukcji, takich jak wymienniki ciepła lub elektrody o dużej powierzchni, jako implanty do ciała i wiele innych. Chociaż poczyniono ogromne postępy w zrozumieniu zależności między ich strukturą a właściwościami, duża liczba różnych technik przetwarzania, z których każda wytwarza materiał o innych cechach i strukturze, oznacza, że zrozumienie indywidualnych skutków wszystkich aspektów struktury nie jest pełne. Proces replikacji, w którym stopiony metal jest infiltrowany między ziarnami usuwalnego materiału preformowego, pozwala na znacznie wysoki stopień kontroli i został wykorzystany z dobrym skutkiem do wyjaśnienia niektórych z tych zależności. Niemniej jednak proces ten składa się z wielu etapów, które są zależne od indywidualnego "know-how", a niniejszy artykuł ma na celu przedstawienie szczegółowego opisu wszystkich etapów jednego przykładu wykonania tej metody przetwarzania, przy użyciu materiałów i sprzętu, które byłyby stosunkowo łatwe do skonfigurowania w środowisku badawczym. Celem tego protokołu i jego wariantów jest produkcja pianek metalowych w efektywny i prosty sposób, dający możliwość dostosowania wyników próbek poprzez modyfikację niektórych etapów procesu. W ten sposób można uzyskać pianki aluminiowe o otwartych komórkach o średnicy porów 1–2,36 mm i porowatości od 61% do 77%.
Pianki metalowe przyciągnęły duże zainteresowanie i wysiłek badawczy w ostatnich latach, jak pokazuje duża liczba prac cytowanych w obszernych artykułach przeglądowych, takich jak Banhart1, Conde et al.2 lub ostatnio Goodall i Mortensen3. Wśród metod stosowanych do produkcji materiału proces replikacji wyróżnia się eksperymentalną prostotą oraz stopniem kontroli nad końcową strukturą piany, jaki można zaoferować. Należy zauważyć, że chociaż w literaturze takie materiały są często opisywane jako pianki (i są tutaj), ponieważ nie są wytwarzane przez pęcherzyki gazu w cieczy, bardziej odpowiednie są nazywane metalami porowatymi lub metalami mikrokomórkowymi.
Pierwszy raport o procesie replikacji pojawił się na początku lat sześćdziesiątych4 i od tego czasu był dalej rozwijany na różnych etapach, z zauważalnymi postępami grupy badawczej Mortensena w Ecole Polytechnique Federale de Lausanne w Szwajcarii.
Proces polega na odlaniu metalu wokół preformy cząstek, która określa kształt porowatości w końcowym materiale2, 5. Po schłodzeniu preforma może zostać usunięta przez ługowanie rozpuszczalnikiem lub pirolizę, która powoduje utlenianie. Popularnym zastosowaniem tej techniki jest wykorzystanie NaCl jako uchwytu przestrzeni do produkcji pianek aluminiowych5-10 lub ze stopów aluminium11-14. NaCl ma kilka zalet, takich jak to, że jest łatwo dostępny, nietoksyczny i może być usunięty z piany przez rozpuszczenie w wodzie. Dzięki temperaturze topnienia 801 °C może być stosowany z metalami, które mają temperaturę topnienia niższą niż ta wartość, najczęściej z aluminium, ale istnieją również przykłady zastosowania z materiałami takimi jak szkło metaliczne luzem, poprzez nawilżanie mieszaniny ciekłego stopu szkła metalicznego na bazie palladu i granulek NaCl15. Zastąpienie NaCl materiałami o wyższej temperaturze topnienia pozwala również na produkcję pianek z metali o wyższej temperaturze topnienia16. Może to obejmować inne materiały rozpuszczalne w wodzie lub nierozpuszczalne, w tym różne rodzaje piasku. W tej formie proces staje się bardziej podobny do konwencjonalnego odlewania w piasku, ponieważ do usunięcia piasku wymagane są strumienie wody pod wysokim ciśnieniem17, 18 lub różne formy mycia19 lub mieszania20.
Zasadniczy proces21 przebiega poprzez pobranie ziaren NaCl i umieszczenie ich w formie4, 22, 23. Podstawowa metoda została wykorzystana do wytwarzania pianek aluminiowych i stopów aluminium24-26 w szerokim zakresie badań zachowania piany. Wprowadzono dodatkowe kroki w celu dalszej kontroli gęstości i zwiększenia wzajemnych połączeń porów; Obejmują one zagęszczenie preformy. Aby zagęścić preformę, zastosowano spiekanie27, 28 i było używane w różnych eksperymentach od13 roku, przy czym zachowanie spiekania NaCl opiera się na temperaturze, wielkości granulek i gęstości opisanych przez Goodalla i wsp.29. Inną metodą stosowaną w tym celu jest prasowanie izostatyczne na zimno ()5, 30; Jest to szybsza technika, która pozwala osiągnąć większe spektrum porównywalnych gęstości. Procedura może być również wykonywana w stanie stałym z proszkiem metalu i ziarnami NaCl, a następnie jest czasami nazywana procesem spiekania i rozpuszczania31.
Pełny przegląd dotychczasowego użycia techniki replikacji i porównanie z innymi technikami znajduje się w Goodall i Mortensen3.
W tej pracy szczegółowo opisujemy sprzęt i protokoły eksperymentalne, które były używane do przetwarzania pianek metalowych metodą replikacji, a które są stosunkowo łatwe do wdrożenia w warunkach laboratorium badawczego. Ważne jest, aby przyznać, że w innych grupach badawczych istnieją inne wersje sprzętu, o różnych możliwościach, i że chociaż prezentowany tutaj sprzęt jest odpowiedni do przetwarzania materiału, nie jest to jedyna wersja lub protokół, który można zmusić do działania. W każdym razie dokładne zrozumienie konkretnej metody jest niezbędne do osiągnięcia sukcesu w eksperymencie.
Dokładne używane protokoły są szczegółowo opisane poniżej. Warianty protokołu (A, B, C i D) mają niewielkie zmiany między nimi, których głównym celem jest zmiana gęstości wytwarzanych pianek. Porowatość obliczono na podstawie pomiarów masy nasypowej próbek, ich objętości oraz gęstości aluminium (2,7 g/cm3). Opracowując opisane metody wytwarzania pianki aluminiowej metodą replikacji, starano się w jak najmniejszym stopniu ograniczyć ilość zaawansowanych urządzeń, tak aby metoda była jak najłatwiejsza do wdrożenia. Inne warianty, które mogą być używane na różnych etapach, zostaną omówione później.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
UWAGA: Poniższe instrukcje dotyczą Protokołu A (Rysunek 1). Wymienione są również modyfikacje dla protokołu B, C i D.
1. Przygotowanie prętów aluminiowych
2. Przygotowanie pieca
3. Przygotowanie preform
UWAGA: W zależności od wysokości piany, do której dążysz, zmień ilość NaCl do użycia do infiltracji między 100 g a 300 g.
4. Przygotowanie formy
5. Infiltracja
6. Pobieranie próbek
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Na Rysunku 4, w celach ilustracyjnych, przedstawiono morfologię ziaren NaCl (kanciaste i sferyczne). Piany otrzymane zgodnie z Protokołem A przygotowano przy użyciu ziaren o kształcie kanciastym, natomiast pozostałe wykonano z ziaren sferycznych. Stwierdzono, że zastosowanie ziaren NaCl o różnych kształtach nie miało zauważalnego wpływu na porowatość uzyskaną w próbkach.
Z wyników możemy wywnioskować, że próbki a, b i c (przygotowane zgodnie z Protokołem A) są średnio w 63% po...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Opisana tu podstawowa metoda była stosowana w różnych formach przez innych badaczy. Omówiono niektóre z kluczowych wariantów, które pozwalają na tworzenie pianek różnego rodzaju. Charakteryzując te pianki, zmierzyliśmy porowatość, ponieważ jest to szybka i łatwa do dokonania ocena, ale scharakteryzowanie innych cech strukturalnych, takich jak wielkość porów, powierzchnia właściwa lub grubość rozpórki, może być wymagane do uzyskania pełnego zrozumienia charakterystyki pianki dla różnych zastosowań. W praktyce, w przypadku...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
Autor korespondencyjny chciałby podziękować Narodowej Radzie Nauki i Technologii CONACYT rządu meksykańskiego za udzielenie stypendium.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Sól | Hydrosoft | Sól granulowana 25 kg 855754 http://www.travisperkins.co.uk/p/hydrosoft-granular-salt-25kg/855754/3893446 | |
| Aluminium | William Rowland | Sztabki aluminiowe 99,87% czystości 25 kg bęben | http://www.william-rowland.com/products/high-purity-metals#product-id-1 |
| tygiel | Morgan Advance Materials | Tygiel syncarb | http://www.morganmms.com/crucibles-foundry-products/crucibles/syncarb/ |
| Piece | Elite Thermal Systems | TLCF10/27-3216CP & 2116 O/T | http://www.elitefurnaces.com/eng/products/furnaces/1200%20Top%20Loading%20Furnaces.php |
| Forma | prętowa University of Sheffield | Wykonana na zamówienie | stal nierdzewna 304, 15 cm wysokość, 5 cm średnica wewnętrzna, 6 cm średnica zewnętrzna |
| Piła taśmowa | Clarke | CBS45MD (6" x 4 1/2") 370W 060710025 | http://www.machinemart.co.uk/shop/product/details/cbs45md-41-2in-x-6in-metal-cutting-ban |
| Papier ścierny | Wickes | Specjalistyczny papier ścierny na mokro i na sucho 501885 | |
| http://www.wickes.co.uk/Specialist-Wet+Dry-Sandpaper-PK4/p/501885 Sita | Fisher Scientific | Fisherbrand sita testowe 200 mm diamater | http://www.fisher.co.uk/product/brand_listing.php/F/Fisherbrand/Sieve |
| Balance | Precisa | XB 6200C | http://www.precisa.co.uk/precision_balances.php |
| Azotek boru | Kennametal | 500 ml puszka | z aerozolemhttp://www.kennametal.com/content/dam/kennametal/kennametal/common/Resources/Catalogs-Literature/Advanced%20Materials%20and%20Wear%20Components/B-13-03401_ceramic_powders _brochure_EN.pdf |
| Forma infiltracyjna, podstawa i pokrywka | University of Sheffield | Wykonana na zamówienie | stal nierdzewna 304, 15 cm wysokość, 5.1 cm średnica wewnętrzna, 6 cm średnica zewnętrzna |
| Forma cylindryczna | University of Sheffield | Custom Made | Stal niskowęglowa 1020, 15 cm wysokość, 5 cm średnica wewnętrzna, 6 cm średnica zewnętrzna |
| Uszczelka grafitowa | Gee | Graphite Geegraf Grafit wzmocniony stalą nierdzewną 1 mm grubości | http://www.geegraphite.com/steel_reinforced.html |
| Młotek | Thor Hammer Co., Ltd. | Okrągły solidny super plastikowy młotek | http://www.thorhammer.com/Mallets/Round/ |
| klucz | Kennedy Professional | 13 mm Klucz płasko-oczkowy z grzechotką KEN5822166K | |
| https://www.cromwell.co.uk/KEN5822166K Nakrętki | Matlock | M8 Stalowa nakrętka sześciokątna ocynkowana | https://www.cromwell.co.uk/CTL6400068J |
| Podkładki | Matlock | M8 Form-A bzp | https://www.cromwell.co.uk/CTL6451208H |
| Nakrętki SS | Matlock | M8 A2 st / st pełna nakrętka sześciokątna | https://www.cromwell.co.uk/CTL6423008F |
| Podkładki SS | Matlock | M8 A2 st / st Podkładka form-A | https://www.cromwell.co.uk/CTL6464008H |
| Kołki ze stali nierdzewnej | Cromwell | M8 x 1 Mtr A2 Kołki ze stali nierdzewnej | QFT6397080K https://www.cromwell.co.uk/QFT6397080K |
| Zawory | Edwards | C33205000 SP16K, Membrana nitrylowa | https://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=C33205000 |
| Złączka krzyżowa | Edwards | C10512412 NW16 Krzyżak Aluminiowy | https://www.edwardsvacuum.com/Products/C10512412/View.aspx |
| T | Edwards | C10512411 NW16 Trójnik Aluminiowy | https://www.edwardsvacuum.com/Products/C10512411/View.aspx |
| Pompa próżniowa | Edwards | A36310940 E2M18 200-230/380-415V, 3-ph, 50 Hz | http://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=A36310940 |
| Czujnik zegarowy | Edwards | D35610000 CG16K, 0-1,040 mbar | http://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=D35610000 |
| Gaz argonowy | BOC | Pureshield Gaz | argonowyhttp://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/industrial-gases/inert-gases/pureshield-argon/pureshield-argon.html |
| Wąż ze stali nierdzewnej | BOC | Wąż ze stali nierdzewnej | http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/speciality-equipment/hoses-and-pigtails/index.html |
| regulator | serii BOC HP 1500 | ||
| http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/speciality-equipment/regulators/single-stage-regulators/hp1500-series/hp1500-series.html Blok miedziany | William Rowland | Sztabka miedzi 25 kg | |
| Imadło | Record | T84-34 H/Duty Eng Vice 4 1/2" Szczęki REC5658326K | https://www.cromwell.co.uk/REC5658326K |
| Beaker | Fisher Scientific | 11567402 - Zlewka, przysadzista, z podziałką i dzióbkiem 800 ml | https://webshop.fishersci.com/insight2_uk/getProduct.do;jsessionid=16D5812 D71B8CB37B475E94281E2BEA 5.ukhigjavappp11?productCode=11567402& resultSet Pozycja=0 |
| Mieszanie gorącej płyty | Corning Corning | mieszanie gorącej płyty Corning Model 6798-420d | http://www.corning.com/lifesciences/us_canada/en/technical_resources/product_guid/shp/shp.aspx |
| [nagłówek] | |||
| Mieszadło | Fisher Scientific | 11848862 - PTFE Mieszadło + Pierścień 25x6 mm | https://webshop.fishersci.com/insight2_uk/getProduct.do;jsessionid=16D5812 D71B8CB37B475E94281E2BEA 5.ukhigjavappp11?productCode=11848862& wynikZestaw Pozycja=0 |
| Osuszacz powietrza | V05 | V05 Max Air Turbo Dryer DR-120-GB | |
| http://reviews.boots.com/2111-en_gb/1120627/v05-v05-max-air-turbo-hair-dryer-dr-120-gb-reviews/reviews.htm Blacha ceramiczna | Morgan Advance Materials | Koc Kaowool o grubości 2 mm | http://www.morganthermalceramics.com/downloads/datasheets?f[0]=field_type%3A84 |
| Stół wibracyjny | Peveril Maszyny | Stół wibracyjny Pevco 1.25 m x 0,625 m x 0,6 m | https://peverilmachinery.co.uk/equipment/vibrating-tables |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
A journal reference was corrected in the publication of Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity. Reference 21 and 22 were originally merged together as one reference. They have been separated into references 21 and 22 in the article. The reference numbers have been updated in the article to reflect this additional reference citation. It has been updated from:
to: