Replication is one of the processing techniques used for the production of porous metal sponges. In this paper one implementation of the method for the production of open celled porous aluminum is shown in detail.
Metall skum är intressanta material från både en grundläggande förståelse och praktisk tillämpningar synvinkel. Användningar har föreslagits, och i många fall valideras experimentellt, för lätt vikt eller stötenergiabsorberande strukturer, som med stor ytarea värmeväxlare eller elektroder, som implantat till kroppen, och många fler. Även stora framsteg har gjorts för att förstå deras struktur-egenskaper relationer, det stora antalet olika bearbetningstekniker, varje producerande material med olika egenskaper och struktur, gör att förståelsen för de individuella effekterna av alla aspekter av strukturen är inte fullständig. Replikeringsprocessen, där smält metall infiltreras mellan korn av en borttagbar förform material, medger en markant hög grad av kontroll och har använts med god effekt för att belysa några av dessa förhållanden. Ändå har processen många steg som är beroende av enskilda "know-how", ochdetta papper syftar till att ge en detaljerad beskrivning av alla stadier av ett utförande av denna bearbetningsmetod, med hjälp av material och utrustning som skulle vara relativt lätt att ställa upp i en forskningsmiljö. Målet med detta protokoll och dess varianter är att producera metallskum på ett effektivt och enkelt sätt, vilket ger möjlighet att skräddarsy resultatet av proverna genom att ändra vissa steg i processen. Genom att följa denna, kan öppna celler aluminium skum med porstorlek av 1-2,36 mm diameter och 61% till 77% porositet erhållas.
Metall skum har lockat ett stort intresse och forskningsinsatser under senare år vilket framgår av den omfattande arbete citeras i omfattande översiktsartiklar såsom Banhart 1, Conde et al., 2 eller senare Goodall och Mortensen 3. Bland de metoder som används för framställning av materialet, är replikeringsprocessen kännetecknas av dess experimentella enkelhet och graden av kontroll över den slutliga skumstrukturen som kan erbjudas. Det bör noteras att även i litteraturen sådana material beskrivs ofta som skum (och är här) eftersom de inte produceras av bubblor av gas inom en vätska de mer lämpligt kallas porösa metaller eller mikrocellulära metaller.
Den första rapporten om replikeringsprocessen var i början av 1960-talet 4, och det har utvecklats ytterligare i olika skeden sedan dess, med noter förskott av forskargruppen för Mortensen vid Ecole Polytechnique Federale de Lausanne i Schweiz.
Processen förlitar sig på gjutning av metallen runt en förform av partiklar som definierar formen av porositet i det slutliga materialet 2, 5. Efter kylning av förformen kan avlägsnas genom lösningsmedels urlakning eller pyrolys som orsakar oxidation. En populär användning av denna teknik använder NaCl som ett utrymme innehavaren att producera aluminium 5-10 eller aluminiumlegering skum 11-14. NaCl har flera fördelar såsom att vara lättillgänglig, giftfri och kan tas bort från skummet genom upplösning i vatten. Genom att ha en smältpunkt av 801 ° C, kan den användas med metaller som har en smältpunkt som är lägre än detta värde, vanligast aluminium, men exempel finns också av användning tillsammans med material, såsom bulk metalliskt glas, genom fuktning av en blandning av flytande palladium-baserade bulk metalliskt glas legering och NaCl granulat 15. Substitution av NaCl med högre smältpunkt material tillåter även produktion av skum från högre smältpunkt metaller 16. Detta kan inkludera andra vattenlösliga material eller olösliga inklusive olika typer av sand. I denna form processen blir mer som konventionella sandgjutning som att ta bort sand, högtrycksvattenstrålar 17, 18 eller olika former av tvätt 19 eller omskakning 20 krävs.
Den väsentliga processen 21 vinning genom att ta korn av NaCl och placera dem i en form 4, 22, 23. Den grundläggande metoden har använts för att göra aluminium och aluminiumlegering skum 24-26 för ett brett spektrum av undersökningar skum beteende. Ytterligare steg har införts för att ytterligare kontrollera tätheten och öka sammankoppling av porerna; dessa inkluderar förtätning av förformen. För att förtäta förformen har sintring använts 27, 28 och har använts i olika experiment sedan 13, med sintringsbeteendeNaCl baserat på temperatur, kornstorlek och densitet beskrivs av Goodall et al. 29. En annan metod som används för detta ändamål är kall isostatisk pressning (CIP) 5, 30; detta är en snabbare teknik som kan uppnå en större spektrum av jämförbara densiteter. Förfarandet kan även utföras i det fasta tillståndet med metallpulver och NaCl korn, och kallas då ibland Sintring och upplösningsprocessen 31.
En fullständig undersökning av användningen av replikationstekniken hittills och jämförelse med andra teknikerna ges i Goodall och Mortensen 3.
I detta arbete rapporterar vi i detalj utrustning och experimentella protokoll som har använts för bearbetning av metallskum genom replikeringsmetoden, och som är relativt lätt att införa i ett forskningslaboratorium inställning. Det är viktigt att erkänna att andra versioner av utrustningen, med före olika kapacitet i andra forsknings groups, och att medan utrustningen som presenteras här är lämplig att bearbeta materialet, är det inte den enda versionen eller protokoll som kan fås att fungera. I varje fall är en förutsättning för experimentell framgång en grundlig förståelse av någon speciell metod.
De exakta protokoll som används beskrivs nedan. De protokollvariationer (A, B, C och D) har små förändringar mellan dem, som främst är avsett att ändra densiteten hos skummen framställda. Porositeten har beräknats från mätningar av bulkvikt av proven, deras volym och täthet av aluminium (2,7 g / cm 3). Vid utvecklingen av de metoder som beskrivs för aluminium skum produktion genom replikering, har försök gjorts för att minska mängden av avancerad utrustning för att i minsta möjliga utsträckning, så att metoden är så enkelt som möjligt att genomföra. Andra varianter som kan användas i olika skeden diskuteras senare.
Den grundläggande metod som beskrivs här har använts i olika former av andra forskare. Några av de viktigaste varianterna som gör skum av olika typer som ska skapas diskuteras. I karakterisera dessa skum har vi mätte porositet, eftersom detta är en snabb och enkel bedömning att göra, men karakterisering av andra strukturella egenskaper, som porstorlek, specifik yta eller strut tjocklek kan behövas för att få en full förståelse av skumegenskaper för olika tillämpningar. I praktiken, för framställning av…
The authors have nothing to disclose.
Motsvarande Författaren vill tacka för den mexikanska regeringens nationella rådet för vetenskap och teknik CONACYT för tillhandahållande av ett stipendium.
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Salt | Hydrosoft | Granular Salt 25 kg 855754 | http://www.travisperkins.co.uk/p/hydrosoft-granular-salt-25kg/855754/3893446 |
Aluminum | William Rowland | Aluminum Ingots 99.87% pure 25 kg drum | http://www.william-rowland.com/products/high-purity-metals#product-id-1 |
Crucible | Morgan Advance Materials | Syncarb Crucible | http://www.morganmms.com/crucibles-foundry-products/crucibles/syncarb/ |
Furnace | Elite Thermal Systems | TLCF10/27-3216CP & 2116 O/T | http://www.elitefurnaces.com/eng/products/furnaces/1200%20Top%20Loading%20Furnaces.php |
Bar Mold | The University of Sheffield | Custom Made | Stainless Steel 304, 15 cm height, 5 cm inner diameter, 6 cm outer diameter |
Band Saw | 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 |
Sandpaper | Wickes | Specialist wet & dry sandpaper 501885 | http://www.wickes.co.uk/Specialist-Wet+Dry-Sandpaper-PK4/p/501885 |
Sieves | Fisher Scientific | Fisherbrand test sieves 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 |
Boron Nitride | Kennametal | 500 ml spray can | http://www.kennametal.com/content/dam/kennametal/kennametal/common/Resources/Catalogs-Literature/Advanced%20Materials%20and%20Wear%20Components/B-13-03401_ceramic_powders _brochure_EN.pdf |
Infiltration Mold, Base and Lid | The University of Sheffield | Custom Made | Stainless Steel 304, 15 cm height, 5.1 cm inner diameter, 6 cm outer diameter |
Cylindrical Mold | The University of Sheffield | Custom Made | Low carbon steel 1020, 15 cm height, 5 cm inner diameter, 6 cm outer diameter |
Graphite Gasket | Gee Graphite | Geegraf Stainless Steel Reinforced Graphite 1 mm thick | http://www.geegraphite.com/steel_reinforced.html |
Mallet | Thor Hammer Co. Ltd. | Round Solid Super Plastic Mallet | http://www.thorhammer.com/Mallets/Round/ |
Wrench | Kennedy Professional | 13 mm Ratchet Combination Wrench KEN5822166K | https://www.cromwell.co.uk/KEN5822166K |
Nuts | Matlock | M8 Steel hex full nut galvanized | https://www.cromwell.co.uk/CTL6400068J |
Washers | Matlock | M8 Form-A steel washer bzp | https://www.cromwell.co.uk/CTL6451208H |
SS Nuts | Matlock | M8 A2 st/st hex full nut | https://www.cromwell.co.uk/CTL6423008F |
SS Washers | Matlock | M8 A2 st/st Form-A washer | https://www.cromwell.co.uk/CTL6464008H |
Stainless Steel Studding | Cromwell | M8 x 1 Mtr A2 Stainless Steel Studding QFT6397080K | https://www.cromwell.co.uk/QFT6397080K |
Valves | Edwards | C33205000 SP16K, Nitrile Diaphragm | https://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=C33205000 |
Fitting Cross | Edwards | C10512412 NW16 Cross Piece Aluminum | https://www.edwardsvacuum.com/Products/C10512412/View.aspx |
Fitting T | Edwards | C10512411 NW16 T-Piece Aluminum | https://www.edwardsvacuum.com/Products/C10512411/View.aspx |
Vacuum Pump | Edwards | A36310940 E2M18 200-230/380-415V,3-ph, 50Hz | http://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=A36310940 |
Dial Gauge | Edwards | D35610000 CG16K, 0-1040mbar | http://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=D35610000 |
Argon Gas | BOC | Pureshield Argon Gas | http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/industrial-gases/inert-gases/pureshield-argon/pureshield-argon.html |
Stainless Steel Hose | BOC | Stainless Steel Hose | http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/speciality-equipment/hoses-and-pigtails/index.html |
Regulator | BOC | HP 1500 Series Regulator | http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/speciality-equipment/regulators/single-stage-regulators/hp1500-series/hp1500-series.html |
Copper Block | William Rowland | Copper Ingot 25 kg | http://www.william-rowland.com/products/high-purity-metals#product-id-18 |
Vise | Record | T84-34 H/Duty Eng Vice 4 1/2" Jaws REC5658326K | https://www.cromwell.co.uk/REC5658326K |
Beaker | Fisher Scientific | 11567402 – Beaker, squat form, with graduations and spout 800mL | https://webshop.fishersci.com/insight2_uk/getProduct.do;jsessionid=16D5812 D71B8CB37B475E94281E2BEA 5.ukhigjavappp11?productCode=11567402&resultSet Position=0 |
Stirring Hot Plate | Corning | Corning stirring hot plate Model 6798-420d | http://www.corning.com/lifesciences/us_canada/en/technical_resources/product_guid/shp/shp.aspx |
Stir Bar | Fisher Scientific | 11848862 – PTFE Stir bar + Ring 25×6 mm | https://webshop.fishersci.com/insight2_uk/getProduct.do;jsessionid=16D5812 D71B8CB37B475E94281E2BEA 5.ukhigjavappp11?productCode=11848862&resultSet Position=0 |
Air dryer | 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 |
Ceramic Sheet | Morgan Advance Materials | Kaowool Blanket 2 mm thick | http://www.morganthermalceramics.com/downloads/datasheets?f[0]=field_type%3A84 |
Vibrating Table | Pevco | Pevco Vibrating Table 1.25m x 0.625m x 0.6m | http://www.peverilmachinery.co.uk/equipment/vibrating-tables |