Espuma de metal
Material poroso hecho de un metal.
Aluminio espumado
Aluminio espumado regular

En la ciencia de los materiales , una espuma metálica es un material o estructura que consiste en un metal sólido (frecuentemente aluminio ) con poros llenos de gas que comprenden una gran parte del volumen . Los poros pueden estar sellados ( espuma de celda cerrada ) o interconectados (espuma de celda abierta). [1] La característica definitoria de las espumas metálicas es una alta porosidad : típicamente solo el 5-25% del volumen es el 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, por lo general, se puede reciclar como material base. Su coeficiente de expansión térmica es similar, mientras que la conductividad térmica probablemente se reduzca. [2]

Definiciones

Celda abierta

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

La espuma metálica de celdas abiertas, también llamada esponja metálica, [3] se puede utilizar en intercambiadores de calor ( enfriamiento de dispositivos electrónicos compactos , tanques criogénicos , intercambiadores de calor PCM ), absorción de energía, difusión de flujo, depuradores de CO2 , parallamas y ópticas livianas. [4] El alto costo del material generalmente limita su uso a la tecnología avanzada, la industria aeroespacial y la fabricación.

Las espumas de celdas abiertas de tamaño fino, con celdas más pequeñas que las que se pueden 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] [ aclaración necesaria ] Sin embargo, su uso permite una reducción sustancial del tamaño físico y de los costos de fabricación. La mayoría de los modelos de estos materiales utilizan estructuras idealizadas y periódicas o propiedades macroscópicas promediadas.

Las esponjas metálicas tienen una superficie muy grande por unidad de peso y los catalizadores a menudo se forman en forma de esponjas metálicas, como el paladio negro , 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, en lugar de a su estructura física. [8]

Célula cerrada

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

Las espumas metálicas de celda cerrada fueron desarrolladas en 1956 por John C. Elliott en los Laboratorios de Investigación Bjorksten. 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 celda cerrada se utilizan principalmente como material de absorción de impactos, de manera similar a las espumas de polímeros en un casco de bicicleta , pero para cargas de impacto más altas. A diferencia de muchas espumas de polímeros, las espumas metálicas permanecen deformadas después del impacto y, por lo tanto, solo se pueden deformar una vez. Son ligeras (normalmente entre el 10 y el 25 % de la densidad de una aleación no porosa idéntica; comúnmente las de aluminio) y rígidas , y se proponen con frecuencia como material estructural ligero. Sin embargo, no se han utilizado ampliamente para este propósito.

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

Espuma estocástica

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

  • Formación de espuma de metal líquido o sólido (polvo)
  • Deposición en fase de vapor (CVD en una matriz aleatoria)
  • Colada aleatoria directa o indirecta de un molde que contiene perlas o matriz

Espuma regular

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

Se dice que una espuma es regular cuando su estructura es ordenada. 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 adapta a cada aplicación. Este método de fabricación permite obtener una espuma "perfecta", llamada así porque cumple las leyes de Plateau y tiene poros conductores con forma de celda de Kelvin de octaedro truncado ( estructura cúbica centrada en el cuerpo ).

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

Espuma híbrida

Las espumas metálicas híbridas suelen tener una película fina sobre el sustrato poroso subyacente. [15] Se ha demostrado que recubrir las espumas metálicas con un material diferente mejora las propiedades mecánicas de la espuma metálica, especialmente porque son propensas a mecanismos de deformación por flexión debido a su estructura celular. La adición de una película fina 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 metálicas híbridas, 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 geometría compleja de las espumas metálicas. [16] Los problemas con la uniformidad se han abordado en estudios más recientes mediante la implementación de películas delgadas de nanopartículas, lo que conduce a propiedades mejoradas de resistencia mecánica y a la corrosión. [17]

Estudios recientes sobre espumas híbridas también se han utilizado para abordar recursos energéticos no renovables. [18] Las espumas híbridas de metales de transición se han fabricado anteriormente 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, dichas espumas se pueden utilizar para hacer que los procesos de división de agua electrocatalítica sean más eficientes.

Las espumas metálicas híbridas pueden tener propiedades conductoras favorables para dispositivos flexibles. Mediante la aplicación de una capa fina de metal sobre un sustrato de polímero poroso mediante deposición en fase gaseosa, los investigadores han podido lograr una alta conductividad manteniendo al mismo tiempo la flexibilidad de la matriz de polímero. [19] Mediante 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 los ligandos de espuma para obtener una mejor comprensión de su sensibilidad a las fuerzas externas. Esto ayudaría a mejorar la resistencia a las fuerzas de compresión.

Fabricación

Celda abierta

Las espumas de celdas abiertas se fabrican mediante fundición o pulvimetalurgia . En el método de los polvos se utilizan "retenedores de espacio" que, como su nombre indica, ocupan los espacios porosos y los canales. En los procesos de colada, la espuma se moldea con un esqueleto de espuma de poliuretano de celdas abiertas .

Célula cerrada

Las espumas se fabrican comúnmente inyectando un gas o mezclando un agente espumante en el metal fundido . [20] El metal fundido se puede espumar creando burbujas de gas en el material. Normalmente, las burbujas en el metal fundido son muy flotantes en el líquido de alta densidad y suben rápidamente a la superficie. Este ascenso se puede ralentizar aumentando la viscosidad del metal fundido mediante la adición de 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 una de tres formas:

  • inyectando gas en el metal líquido desde una fuente externa;
  • provocando la formación de gas en el líquido mediante la mezcla de agentes espumantes liberadores de gas con el metal fundido;
  • provocando la precipitación del gas que previamente estaba disuelto en el metal fundido.

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 celdas, suele ser de 1 a 8 mm. Cuando se utilizan agentes espumantes o sopladores, se mezclan con el metal en polvo antes de fundirlo. Esta es la denominada "ruta del polvo" de espumación, y es probablemente la más establecida (desde un punto de vista industrial). Después de mezclar los polvos de metal (por ejemplo, aluminio ) y el agente espumante (por ejemplo, TiH 2 ), se comprimen en un precursor sólido y compacto, que puede estar disponible en forma de tocho, 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 metálica compuesta

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

La espuma metálica compuesta está hecha de una combinación de esferas metálicas huecas homogéneas con una matriz metálica que las rodea. Esta espuma metálica de celdas cerradas aísla las bolsas de aire en su interior y puede estar hecha de casi cualquier metal, aleación o combinación. Los tamaños de las esferas se pueden variar y ajustar según la aplicación. La mezcla de esferas metálicas huecas llenas de aire y una matriz metálica proporciona tanto peso ligero como resistencia. Las esferas están dispuestas aleatoriamente dentro del material, pero la mayoría de las veces se asemejan a una estructura cúbica simple o cúbica centrada en el cuerpo . La CMF está hecha 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 5-6 veces mayor y una capacidad de absorción de energía más de 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 metálica compuesta y método de preparación de la misma" (Patentes de utilidad de EE. UU. 9208912, 8110143, 8105696, 7641984), y CMF es actualmente tecnología patentada 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 de blindaje M2 de Springfield .30-06 estándar. La placa de prueba superó a una placa de metal sólido de espesor similar, mientras que pesaba mucho menos. Otras aplicaciones potenciales incluyen la transferencia de desechos nucleares (protección contra rayos X , rayos gamma y radiación de neutrones ) y el 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 del blindaje homogéneo enrollado . [26]

Pruebas de HEI/fragmentos

El CMF puede reemplazar el blindaje de acero laminado con la misma protección por un tercio del peso. Puede bloquear los fragmentos y las ondas de choque que son responsables de las lesiones cerebrales traumáticas (TBI). El CMF fue probado contra explosiones y fragmentos. Los paneles fueron probados contra municiones incendiarias de alto explosivo de 23 × 152 mm (como en 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 soportar los impactos de la explosión y la fragmentación sin arquearse ni agrietarse. La muestra más gruesa (16,7 mm de espesor) pudo detener por completo fragmentos de varios tamaños de tres pruebas de munición incendiaria separadas . Se demostró que el CMF puede 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 las rondas incendiarias de alto explosivo (HEI) que detonan a 18 pulgadas de distancia. Las placas CMF de acero (de 9,5 mm o 16,75 mm de espesor) que se colocaron a 18 pulgadas de la placa de impacto resistieron la ola de presión de la explosión y los fragmentos de cobre y acero creados por una ronda HEI de 23 × 152 mm (como en armas antiaéreas ), así como una placa de impacto de aluminio de 2,3 mm. [28] El rendimiento del CMF de acero fue mucho mejor que la placa de aluminio del mismo peso contra el mismo tipo de explosión y fragmentos. [29]

Pruebas de armas pequeñas

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

Espuma metálica compuesta tras el impacto de un proyectil perforante BMG del calibre .50. Observe la bala extraída y colocada sobre el panel CMF en la parte inferior izquierda. [31]

Pruebas de AP calibre .50

El CMF se ha probado contra proyectiles perforantes de mayor calibre . [31] Se fabricaron paneles CMF de acero inoxidable y se combinaron con una placa frontal de cerámica y una placa posterior de aluminio. Los blindajes duros en capas se probaron contra proyectiles de bala y AP de calibre .50 BMG a una variedad de velocidades de impacto. Los núcleos de acero dulce de los proyectiles de bala penetraron una de las tres muestras, pero revelaron los beneficios de usar múltiples mosaicos sobre una sola placa frontal de cerámica para limitar la propagación del daño. El núcleo de acero endurecido de los proyectiles AP penetró profundamente en la placa frontal de cerámica, comprimiendo la capa CMF hasta que el proyectil se detuvo y se incrustó dentro del blindaje o pudo penetrar completamente y salir de la placa posterior. Los resultados experimentales se compararon con materiales de blindaje 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 de manera constante hasta el 79% de la energía del impacto. A medida que aumentaba la velocidad de impacto, también lo hacía la resistencia efectiva de la capa CMF debido a la sensibilidad a la velocidad de deformación del material. Se calculó que la relación de eficiencia de masa de los blindajes, en comparación con el blindaje homogéneo laminado (RHA), era de 2,1. Los blindajes duros CMF pueden detener eficazmente un proyectil entrante con menos de la mitad del peso del RHA requerido. [26] El ahorro de peso que se logra con el uso de este novedoso blindaje puede mejorar la eficiencia de combustible de los vehículos militares sin sacrificar la protección del personal o el equipo en el interior.

Prueba de punción

La espuma metálica compuesta se ha probado en una prueba de perforación. Las pruebas de perforación se llevaron a cabo en SS CMF-CSP con diferentes espesores de láminas frontales de acero inoxidable y núcleo de CMF. La unión del núcleo de SS CMF y las láminas frontales se realizó mediante unión adhesiva y unión por difusión. Varios espesores del núcleo de CMF y las láminas frontales crearon una variedad de densidades de área objetivo de aproximadamente 6,7 a aproximadamente 11,7 kg por cada baldosa de 30 x 30 cm. Los objetivos fueron impactados 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 resultó en energías de perforación de 488 a 14 500 J sobre un área de impacto de 5,06–7,91 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 refuerzan el núcleo CMF para manejar mejor las tensiones de tracción. Los paneles sándwich con láminas frontales más gruesas muestran una menor eficacia, 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 desprendimiento de las láminas frontales del núcleo 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 un desprendimiento de las láminas frontales del núcleo SS CMF. Este estudio demostró las capacidades de absorción de energía del CMF, lo que indica que el CMF se puede utilizar para aumentar simultáneamente las protecciones y disminuir el peso. [32]

Prueba de fuego/calor extremo

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

Un panel CMF de acero 316L de 12" x 12" x 0,6" de espesor con un peso de 3,545 kg fue probado en una prueba de fuego con soplete . En esta prueba, el panel fue expuesto a temperaturas de más de 1204 °C durante 30 minutos. Al alcanzar el tiempo de exposición de 30 minutos, la temperatura máxima en la superficie no expuesta del acero fue de 400 °C (752 °F) en el centro de la placa directamente sobre el quemador de chorro. Esta temperatura estaba muy por debajo del límite de aumento de temperatura requerido de 427 °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 falló esta prueba en aproximadamente 4 minutos. [33]

Cabe mencionar que el mismo panel CMF antes de la prueba de fuego a chorro mencionada anteriormente se sometió a una prueba de fuego en charco. En esta prueba, el panel se expuso 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 de igual tamaño que falló la prueba en aproximadamente 13 minutos. [34] Estos estudios indican el extraordinario desempeño del CMF contra el fuego y el calor extremo.

El CMF aísla temperaturas de 1.100 °C (2.000 °F) tan bien que puede tocarse a sólo dos pulgadas de la región al rojo vivo del material.

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

Otras habilidades

La espuma metálica compuesta ha demostrado tener la capacidad de proteger contra la radiación de rayos X y neutrones, absorber/mitigar golpes, sonidos y vibraciones, y puede soportar más de 1.000.000 de ciclos de carga alta, superando a los metales sólidos tradicionales en cada caso.

  • Disipador de calor con espuma de cobre
    Disipador de calor con espuma de cobre
  • Crash box que incluye espuma de aluminio
    Crash box que incluye espuma de aluminio
  • Espuma de aluminio con gran porosidad.
    Espuma de aluminio con gran porosidad.
  • Espuma de aluminio con lámina de aluminio.
    Espuma de aluminio con lámina de aluminio.
  • Cabecera - espuma de metal de acero
    Cabecera - espuma de metal de acero

Aplicaciones

Diseño

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

  • Espuma de metal mecanizada
    Espuma de metal mecanizada
  • Diseño de disipador de calor con espuma regular[35]
    Diseño de disipador de calor con espuma regular [35]
  • Mesa de centro con aluminio de poro grande
    Mesa de centro con aluminio de poro grande

Mecánico

Ortopedía

La espuma metálica se ha utilizado en prótesis animales experimentales . En esta aplicación, se perfora un orificio en el hueso y se inserta la espuma metálica, lo que permite que el hueso crezca dentro del metal para lograr 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 realizados 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 construcciones de espuma o revestimientos de espuma metálica [37] para lograr los niveles deseados de osteointegración . [38] [39] [40]

Automotor

Las principales funciones 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 IED . Como ejemplo, los tubos rellenos de espuma podrían usarse como barras antiintrusión . [41] Debido a su baja densidad (0,4–0,9 g/cm3 ) , las espumas de aluminio y aleación 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 reducen los puntos de debilidad generalmente asociados con los choques y la vibración del automóvil. Estas espumas son económicas de moldear con pulvimetalurgia, en comparación con la fundición de otras piezas huecas.

En comparación con las espumas poliméricas de los vehículos, las espumas metálicas son más rígidas, más resistentes, absorben más energía y son resistentes al fuego y a las inclemencias climáticas, como la luz ultravioleta , la humedad y las variaciones de temperatura. Sin embargo, son más pesadas, más caras y no son 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 área superficial y estructura estable. Los poros interconectados también benefician el transporte de masa de reactivos y productos. Sin embargo, la referencia de los electrocatalizadores puede ser difícil debido a la indeterminación del área superficial, las diferentes propiedades de la espuma y el efecto capilar. [45]

Absorción de energía

Gráfico de caída de aluminio

Las espumas metálicas se utilizan para reforzar una estructura sin aumentar su masa. [46] Para esta aplicación, las espumas metálicas suelen ser 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 lámina) y rígido a lo largo de la longitud 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 una estructura de espuma metálica regular
Transferencia de calor en una 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 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 con las aletas convencionales, pero son significativamente menores que las de las perlas. Los coeficientes de intercambio son cercanos a los de los lechos y bolas y muy superiores a los de las palas. [49] [50]

Las espumas ofrecen otras características termofísicas y mecánicas:

  • Masa muy baja (densidad del 5 al 25 % del sólido a granel según el método de fabricación)
  • Gran superficie de intercambio (250–10000 m 2 /m 3 )
  • Permeabilidad relativamente alta
  • Conductividad térmica efectiva relativamente alta (5–30 W/(mK))
  • Buena resistencia a choques térmicos, altas presiones, altas temperaturas, humedad, desgaste y ciclos térmicos.
  • Buena absorción de impactos mecánicos y ruidos.
  • El tamaño de poro y la porosidad pueden ser controlados por el fabricante.

La comercialización de intercambiadores de calor compactos, disipadores de calor y amortiguadores basados ​​en espuma es limitada debido al alto costo de las réplicas de espuma. Su resistencia a largo plazo a la suciedad, la corrosión y la erosión no está suficientemente caracterizada. Desde el punto de vista de la fabricación, la transición a la tecnología de espuma requiere nuevas técnicas de producción y ensamblaje 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 el enfriamiento avanzado de dos fases para la electrónica 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/manipularon 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 comprimir la espuma reduce proporcionalmente el diámetro hidráulico efectivo y aumenta tanto el área de superficie por unidad de volumen como la conductividad térmica a granel de la espuma, lo que mejora el rendimiento del enfriamiento de dos fases. Además, los resultados muestran que la espuma comprimida tiene el potencial de aumentar el flujo de calor crítico (CHF), que es fundamental para el funcionamiento seguro del enfriamiento de dos fases a altas densidades de calor. Los resultados preliminares muestran que las espumas metálicas comprimidas pueden resolver varios problemas que presentan los microcanales, como obstrucciones, inestabilidades de flujo, baja CHF y otros. Por ello, las espumas comprimidas se están proponiendo como nuevas y potentes alternativas a los microcanales en refrigeración bifásica bombeada para refrigeración/gestión térmica de dispositivos electrónicos de alto flujo de calor, incluidos ordenadores de alto rendimiento, la industria aeroespacial, militar y de defensa, y la electrónica de potencia.

Véase también

Referencias

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  • Vídeo: Espuma de aluminio normal: prueba de caja de choque
  • Vídeo: Cómo se hacen las espumas regulares
  • Hoja informativa de la NASA FS-2003-09-117-MSFC: espuma líquida viscosa y vidrio metálico a granel (espuma)
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  • Vídeo de destrucción de balas en YouTube
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