metalne pjene

HRVATSKO DRUŠTVO ZA MATERIJALE I TRIBOLOGIJU

Tomislav Filetin Ivan Kramer Gojko Marić

METALNE PJENE PROIZVODNJA, SVOJSTVA I PRIMJENA

Zagreb, 2003.

Autori:

dr.sc. Tomislav Filetin, redoviti profesor Fakulteta strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu Ivan Kramer, dipl.ing. strojarstva, Zagreb dr.sc. Gojko Marić, Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu

Recenzenti: dr.sc. Franjo Kovačiček, redoviti profesor Fakulteta strojarstva i brodogradnje

r Fakulteta strojarstva i brodogradnje eta elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje

I tribologiju, Ivana Lučića 1, Zagreb

G

L

C

C

T

N

dr.sc. Osman Muftić, redoviti profesodr.sc. Dražen Živković, docent Fakult Sveučilišta u Splitu

zdavač: Hrvatsko društvo za materijale i

lavni urednik: prof. dr.sc. Vinko Ivušić

ektorica: Zrinka Romić, prof.

CIP - Katalogizacija u publikaciji Nacionalna i sveučilišna knjižnica - Zagreb

UDK 621-03

FILETIN, Tomislav Metalne pjene : proizvodnja, svojstva i primjena / Tomislav Filetin, Ivan Kramer, Gojko Marić ; <crteži Mario Lesar>. - Zagreb : Hrvatsko društvo za materijale i tribologiju, 2003.

Bibliografija.

ISBN 953-7040-03-8

1. Kramer, Ivan 2. Marić, Gojko

430409099

rteži, grafičko oblikovanje ovitka i prijelom na računalu: Mario Lesar, graf. ing.

opyright © HDMT

isak: ITG d.o.o.

aklada: 200

SADRŽAJ

SADRŽAJ POPIS OZNAKA

PREDGOVOR .................................................................................................................................................................................. 1

1. UVOD .............................................................................................................................................................................................. 3

1.1. Građa i struktura metalnih pjena ............................................................................................................ 5 1.2. Stabilnost metalnih pjena .............................................................................................................................. 7 1.4. Mogućnosti primjene metalnih pjena ................................................................................................ 8 1.5. Isplativost metalnih pjena ............................................................................................................................. 9

2. POSTUPCI PROIZVODNJE METALNIH PJENA ................................................................. 11

2.1. Ubrizgavanje plina u taljevinu .............................................................................................................. 12 2.2. Plinom oslobođene čestice rastvorene u taljevini ............................................................... 14 2.3. Plinom oslobođene čestice rastvorene u polučvrstoj fazi ............................................ 16 2.4. Precizno lijevanje pomoću kalupa od voska ili polimera ............................................ 18 2.5. Taloženje metala na ćelijaste praoblike ........................................................................................ 19 2.6, Ekspanzija plina u taljevini ...................................................................................................................... 20 2.7. Građe s kuglastim šupljinama ................................................................................................................ 22 2.8. Spajanje ili lijevanje dvaju materijala od kojih je jedan topiv ................................ 24 2.9. Eutektičko skrućivanje plin-metal ..................................................................................................... 25 2.10. Matematički modeli korišteni za opisivanje ponašanja metalnih pjena ......... 26

3. SVOJSTVA METALNIH PJENA ................................................................................................................ 29

3.1. Mehanička svojstva metalnih pjena ................................................................................................. 29 3.1.1. Priprema površine i veličina uzorka ................................................................... 31 3.1.2. Krutost ............................................................................................................................................ 31 3.1.3. Tlačna čvrstoća ...................................................................................................................... 33

METALNE PJENE

3.1.4. Vlačna čvrstoća ...................................................................................................................... 39 3.1.5. Ponašanje pri promjenjivom opterećenju – umor .................................. 45 3.1.6. Ponašanje pri puzanju ...................................................................................................... 54 3.1.7. Apsorpcija energije udara ............................................................................................ 59 3.1.8. Propagacija udarnog vala ............................................................................................. 62 3.1.9. Ojačane metalne pjene .................................................................................................... 63 3.1.10. Sendvič-konstrukcije ........................................................................................................ 69 3.1.11. Procjena vrijednosti mehaničkih svojstava pjena .................................. 78 3.2. Toplinska svojstva metalnih pjena .................................................................................................... 79 3.2.1. Koeficijent toplinske vodljivosti ........................................................................... 81 3.2.2. Prijenos topline ...................................................................................................................... 83 3.2.3. Vatrootpornost ........................................................................................................................ 85 3.2.4. Otpornost na eksploziju ................................................................................................. 86 3.2.5. Procjena vrijednosti toplinskih svojstava pjena ...................................... 87 3.3. Zvučna svojstva metalnih pjena ........................................................................................................... 88 3.4. Prigušenje vibracija metalnih pjena ................................................................................................. 91 3.5. Električna svojstva metalnih pjena ................................................................................................... 94 3.6. Spajanje metalnih pjena ............................................................................................................................... 96 3.5.1. Spajanje ljepilima ................................................................................................................ 96 3.5.2. Rastavljivi spojevi ............................................................................................................... 97 3.5.3. Zavarivanje ................................................................................................................................ 99

4. USPOREDBA METALNIH PJENA SA SLIČNIM ĆELIJASTIM MATERIJALIMA ....................................................................................................................................................... 101

4.1. Polimerne pjene ................................................................................................................................................ 101 4.2. Drvo ............................................................................................................................................................................. 103

5. IZBOR METALNIH PJENA .......................................................................................................................... 107

6. PRIMJENA METALNIH PJENA ............................................................................................................. 111

7. IZVORI PODATAKA ............................................................................................................................................. 117

LITERATURA ........................................................................................................................................................................... 123

POPIS OZNAKA

POPIS OZNAKA a, duljina brida četvrtastog komada korištenog za mjerenje progiba, mm A, konstanta potrebna za izračunavanje početnog istezanja (ε0)pri puzanju A, površina presjeka, mm2 (AG)eq, ekvivalentna smična krutost, N a*, negativno ubrzanje (usporenje), m/s2 a,b, koeficijenti za izračunavanje efektivnog koeficijenta toplinske vodljivosti (λeff) b, debljina medija, mm b, debljina uzorka na mjestu gdje je urez, mm b, širina uzorka, mm B1,B2, koeficijenti učvršćenja Bi, Biotov broj Bieff, efektivni Biotov broj C, konstanta c, visina jezgrenog sloja, mm C1, koeficijent za izračunavanje maks. brzine udara (vt), m/s Ce, trošak energije, $/kWh Ci, trošak informacija, $/h CL, trošak opreme, $/h Cm, cijena materijala, $/kg Cp, specifični toplinski kapacitet pri stalnom tlaku, J/kgK Cv, specifični toplinski kapacitet pri stalnom obujmu, J/kgK Ct, trošak izrade alata, $ D, promjer provrta, mm d, debljina stijenki ćelija, mm d, visina uzorka, mm e0, električna otpornost, Ωm er, energija razdvajanja pjene po jedinici površine, kJ/m2 er0, energija razdvajanja materijala ćelija po jedinici površine, kJ/m2 E, modul elastičnosti, GPa Ec, modul elastičnosti jezgre sendvič-konstrukcije, GPa

METALNE PJENE

Ef, modul elastičnosti limova sendvič-konstrukcije, GPa Ef, modul savitljivosti, GPa Es, modul elastičnosti materijala ćelija, GPa Et, tangencijalni modul elastičnosti, GPa (EI)eq, ekvivalentna savojna krutost, Nmm2 f, frekvencija, Hz f, neprihvatljiva cijena, $ F, sila, N FA, sila loma zbog smicanja u mehanizmu urušavanja A, N FB, sila loma zbog smicanja u mehanizmu urušavanja B, N Ff, sila prilikom koje dolazi do izvlačenja umetka, N Ffy, sila stradavanja sendvič konstrukcije zbog tečenja, N Fp, sila razvlačenja, N G, modul smičnosti, GPa g, konstanta gravitacije, m/s2 Gc, modul smičnosti jezgre sendvič-konstrukcije, GPa H(ω), funkcija prigušenja h, debljina stijenke paketa od metalne pjene, mm H, tvrdoća H, udaljenost mjesta djelovanja sile od kraja uzorka, mm I, jakost struje koja se uvodi u uzorak, A I, moment inercije, mm4 Ji, impuls eksplozije, Ns/m2 k,α3, koeficijenti korišteni za izračunavanje progiba sendvič-konstrukcije KIC, lomna žilavost, MPa·m1/2 L, duljina komada metalne pjene, mm l, duljina prijenosa, mm L, duljina tetive, mm L, latentna toplina, taljenja, KJ/kg l, udaljenost između sila na donjoj strani uzorka, mm L/λ, frekvencija naboranosti stijenke ćelije Lf, latentna toplina hlađenja, J m, konstanta propagacije M, masa eksploziva (TNT-a), kg m, masa, kg M, moment, Nmm m, B, Monkman-Grantovi parametri puzanja

POPIS OZNAKA

Mp, moment plastičnosti, Nmm n, količina, 1/sat n, koeficijent očvrsnuća n, eksponent puzanja n, količina, N, broj ciklusa promjenjivog opterećenja P, snaga, W p, tlak, MPa p0, tlak koji predstavlja granicu čujnosti, MPa pmax, maksimalni tlak zvuka, MPa pmin, minimalni tlak zvuka, MPa Pr, Prandtlov broj prms, tlak zvuka, MPa Q, aktivacijska energija, kJ/mol Q, toplina, J R, električni otpor, Ω R, plinska konstanta, J/kgK R, polumjer kuglica korištenih za mjerenje progiba, mm R, polumjer stijenke ćelije, mm R, polumjer vijka ili zatika, mm R, udaljenost materijala od eksplozije, mm Rc, čvrstoća drobljenja pjene, MPa Rd, dinamička izdržljivost, MPa Re, granica tečenja materijala pjene, MPa Re, Reynoldsov broj Re,c, granica tečenja jezgre sendvič-konstrukcije, MPa Re,f, granica tečenja limova sendvič-konstrukcije, MPa Res,c, smična granica tečenja jezgre sendvič-konstrukcije, MPa Ret, granica stlačivanja, MPa Rm, vlačna čvrstoća, MPa Rmo, smična čvrstoća, MPa Rmo,c, smična čvrstoća jezgre sendvič-konstrukcije, MPa Rmt, tlačna čvrstoća, MPa Rw, polumjer podloške, mm s, udaljenost između sila (na gornjoj strani uzorka) u slučaju opterećenja u četiri

točke, mm s1, s2, s3 razmaci između kontakata, mm t, debljina vanjskih ploča, mm

METALNE PJENE

t, vrijeme, s tr, vrijeme do loma, s tf, vrijeme do oštećivanja (puzanje), sati T, temperatura, K T0, temperatura na ulazu, K T1, temperatura izvora topline, K TB

∞, temperatura neizložene površine u mirnom stanju, K TB, temperatura neizložene površine, K TC, kritična temperatura pri ispitivanju vatrootpornosti, K Te, temperatura na izlazu, K Tf, promjena temperature fluida duž osi x, K TF, temperatura plamena, K Tm, talište, K Tmax, maksimalna radna temperatura, K Tmin, minimalna radna temperatura, K To, temperatura okoliša, K U, deformacijska energija, J U, pad potencijala, V V, volumen, mm3

v, brzina, m/s vD, brzina u točki D, m/s vel, brzina širenja elastičnog vala, m/s vf, brzina fluida, m/s vpl, brzina širenja plastičnog vala, m/s vt, maksimalna brzina kod koje može doći do udara, m/s W, apsorpcija energije po jedinici volumena, MJ/m3 W, debljina uzorka, mm W, snaga zvuka, W W0, referentna snaga zvuka, W X, amplituda, mm x, pomak, mm Y, amplituda, mm y, relativno odbijanje mase, mm y, udaljenost od neutralne osi, mm Z, karakteristični prividni otpor (impedancija), Ω Zr, prividni otpor (impedancija) iza uzorka, Ω Zs, prividni otpor (impedancija) na prednjoj površini uzorka, Ω

POPIS OZNAKA

GRČKA SLOVA α, koeficijent toplinske rastezljivosti, 1/K α, faktor apsorpcije zvuka αc, koeficijent prijelaza topline, W/m2K αl, lokalni koeficijent prijelaza topline, W/m2K α, β, koeficijenti za izračunavanje maksimalne brzine udara (vt) α/L, amplituda naboranosti stijenke ćelije γ, električna vodljivost, Ω-1m-1

γS, električna vodljivost materijala od kojeg je napravljena pjena, Ω-1m-1 δ, progib, mm ∆Tlm, logaritamska srednja temperatura, K ε, deformacija, mm/mm ili % εD, deformacija pri zgušnjavanju, mm/mm ili % εf, vlačna duktilnost ε*, brzina puzanja u drugom stadiju (brzina sekundarnog puzanja), s-1 ε0

*, početna brzina puzanja materijala, s-1 η, konstanta prigušenja η, viskoznost rastaljenog metala, Pa⋅s ηc, faktor gubitka, % θ, kut, rad κ, toplinska difuznost λ, valna duljina, nm λ, koeficijent toplinske vodljivosti, W/mK λa, koeficijent toplinske vodljivosti zraka, W/mK λeff, efektivna vrijednost koeficijenta toplinske vodljivosti, W/mK λeffmax, efektivna maksimalna vrijednost koeficijenta toplinske vodljivosti, W/mK λeffmin, efektivna minimalna vrijednost koeficijenta toplinske vodljivosti, W/mK νa, koeficijent kinematičke viskoznosti, m2/s λs, koeficijent toplinske vodljivosti osnovnog metala, W/mK ν, Poissonov faktor ∏, poroznost ρ, gustoća metalne pjene, kg/m3

ρc, gustoća jezgre sendvič konstrukcije, kg/m3 ρf, gustoća limova sendvič konstrukcije, kg/m3 ρS, gustoća neporoznog metala, kg/m3 ρ/ρS, relativna gustoća

METALNE PJENE

σ, naprezanje, MPa σc, naprezanje u jezgri sendvič konstrukcije pri savijanju, MPa σf, naprezanja limova sendvič konstrukcije pri savijanju, MPa σg maksimalno (gornje) promjenjivo naprezanje, MPa σd, minimalno (donje) promjenjivo naprezanje, MPa σet, naprezanje stlačivanja, MPa

fwσ , naprezanje pri kojem dolazi do nabiranja limova sendvič konstrukcije, MPa

τ, tangencijalno naprezanje, MPa τ, toplinska vatrootpornost, s τet, smična granica tečenja, MPa τg, maksimalno (gornje) tangencijalno promjenjivo naprezanje, MPa τ*, strukturna vatrootpornost, s φ, volumni udio čvrstog materijala u stijenci ćelija

01Φ , inicijalna relativna gustoća

ω, frekvencija, Hz ω1, neprigušena frekvencija, Hz

PREDGOVOR

PREDGOVOR

Metalne pjene predstavljaju relativno novu vrstu i oblik materijala koje se razvijaju na osnovi oponašanja strukture i svojstava prirodnih ćelijastih materijala kao što su drvo, kosti, koralji itd. Temeljna svojstva proizlaze od vrste materijala stijenki ćelija, oblika ćelija (zatvorene i otvorene) i procesa proizvodnje. U odnosu na druge konstrukcijske materijale prednosti su sljedeće: mala gustoća, prilagodljiva toplinska svojstva – ovisno o strukturi (otvorene ili zatvorene ćelije) mogu biti jako dobri toplinski izolatori ili mogu dobro provoditi toplinu, vatrootpornost, dobra električna vodljivost, izuzetno prigušenje energije udara, vibracija i zvuka, relativno visoka krutost sendvič konstrukcija s jezgrom od metalne pjene itd.

Problemi u proizvodnji i primjeni proizlaze iz još nepotpunog ovladavanja parametrima procesa izrade. Stoga se često dobivaju neujednačene i nepredvidljive strukture i varijacije u vrijednostima svojstava. Usporedo s usavršavanjem postupaka proizvodnje i prilagođavaju se i metode ispitivanja svojstava specifičnostima ponašanja metalnih pjena. Zato se u ovoj knjizi podrobnije opisuju načini utvrđivanja svojstava i navode rezultati iz različitih literaturnih izvora.

Intenzivan razvoj i nastojanja usvajanja proizvodnje nalaze svoju opravdanost u mogućem vrlo širokom polju primjena - za dijelove cestovnih i tračnih vozila, letjelica, brodova, u graditeljstvu, za namještaj, za ukrasne predmete, za medicinska pomagala, za izmjenjivače topline, prigušivače zvuka i vibracija itd. Za širu primjenu ograničenje je još uvijek visoka cijena metalnih pjena.

Nadamo se da će ova publikacija potaknuti istraživače i poduzetnike na intenzivnije bavljenje ovom skupinom materijala

Ova je knjiga rezultat proučavanja literaturnih podataka i osobnih kontakata autora s istraživačima i proizvođačima metalnih pjena u svijetu, a unutar tehnologijskog projekta "SUMAT – Razvoj i primjena suvremenih materijala" (program HITRA/TEST). Slične analize i pregledi trendova razvoja provode se i za druge skupine novih materijala.

Zahvaljujemo recenzentima na vrlo korisnim sugestijama na osnovi kojih je poboljšan prvotni tekst. Gospodin Lesar uložio je velik trud, strpljenje i kreativnost pri izradi ilustracija, prijeloma na računalu i grafičkom oblikovanju korica.

Na kraju zahvaljujemo Ministarstvu znanosti i tehnologije RH na financijskoj potpori projektu.

Zagreb, ožujak 2003. Autori

1

METALNE PJENE

2

1. UVOD

1. UVOD

Priroda stvara ćelijaste materijale, kao što su npr. drvo, kamen, kost, koralj i sl. čija su svojstva optimalno prilagođena okolnim uvjetima. Metalne pjene su pokušaj oponašanja takvih građa i struktura za tehničke uvjete primjene (slika 1.1.). Metalne pjene imaju visoku poroznost od 40 do 90 % što uz oblik i veličinu ćelija – otvorene, zatvorene, vrstu osnovnog materijala bitno određuje njihova svojstva. Svojstva se uglavnom reguliraju promjenom parametara procesa proizvodnje, čime se primarno utječe na građu pjene.

Slika 1.1. Prirodni ćelijasti materijali: a) pluto; b) balza; c) spužva; d) kost; e) koralj; f) riblja kost; g) list irisa; h) stabljika biljke /1/

3

METALNE PJENE

Metalne pjene predstavljaju potpuno novi oblik metalnih materijala koji je još uvijek relativno nepoznat inženjerima. Intenzivna istraživanja metalnih pjena počela su tek unatrag 10-tak godina iako su prvi patenti prijavljeni prije 50-tak godina. Metalne pjene izrađuju se novim procesnim tehnikama koje se iz dana u dan razvijaju i unapređuju. Neke od tih tehnika još nisu u potpunosti dorađene i kvantitativno opisane, te nije usavršeno upravljanje procesima izrade. Sve to može rezultirati neželjenim varijacijama svojstava metalnih pjena, što se svakako želi izbjeći.

Metode kojima se ispituju svojstva metalnih pjena još nisu dovoljno pouzdano razrađene i provjerene, a time nisu još u potpunosti poznata niti sva svojstva.

Slika 1.2. ″Obiteljsko stablo″ metalnih pjena /2/

Slika 1.2. pokazuje ˝obiteljsko stablo˝ metalnih pjena. Početne sirovine za proizvodnju metalnih pjena mogu biti u obliku taljevine ili praha. Samo upjenjavanje materijala uvijek se događa iz tekuće faze tako da se i prah dovodi u oblik taljevine povišenjem temperature. Izvor plina nužan je preduvjet za stvaranje šupljina unutar rastaljenog metala. On može biti vanjski ili se u taljevinu dodaje raspršujući agens koji pospješuje pjenjenje. Stvaranje pjene može biti trenutno ili odgođeno. U najdonjem redu na slici 1.2. navedeni su nazivi nekih oblika metalnih pjena.

Metalne pjene mogu se proizvesti iz gotovo svih vrsta metala koji postoje u obliku praha, no zbog ranog stadija istraživanja komercijalno su danas najčešće dostupne metalne pjene na bazi aluminija (Al) i nikla (Ni). Po posebnoj narudžbi proizvode se i pjene na bazi magnezija (Mg), olova (Pb), cinka (Zn), bakra (Cu), bronce, titana (Ti), čelika pa čak i zlata (Au).

S obzirom na intenzivnost proučavanja metalnih pjena u narednih pet godina očekuje se znatno povećanje vrsta ovih materijala na tržištu. Kombinacijom više metala

4

1. UVOD

može se dobiti širok raspon svojstava, a također je moguće i konstruiranje materijala za točno određeni proizvod.

Budući da su proizvodni procesi za izradu metalnih pjena još u ranoj fazi razvitka, postoje i neki nedostaci koji još uvijek nisu riješeni, a najčešći su sljedeći: f nedostatak razumijevanja osnovne mehanike metalnih pjena. Neki dijelovi tog

područja još su uvijek nerazjašnjeni. f nemogućnost proizvodnje pjena konstantne kvalitete pomoću prethodno definiranih

parametara. To se događa zato što su gotovo sva dosadašnja istraživanja bila empirijskog karaktera bez detaljnog poznavanja samih temelja procesa upjenjavanja metala. Njih su provodile komercijalne tvrtke ili instituti čiji je glavni interes bila brza zarada. Upravo ta mogućnost postizanja točno određenih svojstava metalnih pjena na temelju prethodno postavljenih parametara nužna je za njihovo probijanje na tržište kao konstrukcijskog materijala.

f primjena ovih materijala u inženjerskoj praksi još je uvijek na niskoj razini. Razlozi tome su sljedeći: fizikalna svojstva pjena još su nedovoljno poznata – rješenja se traže u optimalizaciji procesa upjenjivanja; znanje o svojstvima pjena nedovoljno je – traže se novi, djelotvorniji načini ispitivanja metalnih pjena koji će omogućiti njihovu potpunu karakterizaciju; prijenos rezultata istraživanja između institucija danas još uvijek nije na zadovoljavajućoj razini; neki oblici metalnih pjena još su uvijek preskupi; potrebno je naći mogućnosti primjene metalnih pjena tamo gdje su njihova svojstva u potpunosti iskorištena i tamo gdje cijena materijala nema prevelik udio u cijeni konačnog proizvoda.

Slika 1.3. Komad izrađen od metalne pjene /3/

1.1. Građa i struktura metalnih pjena

Oblik građe jedan je od najvažnijih čimbenika koji određuje svojstva, a samim tim i mogućnosti primjene metalnih pjena. Oblik građe i njezin utjecaj na svojstva nisu u potpunosti proučeni dosadašnjim istraživanjima. Nakon boljeg razumijevanja tih

5

METALNE PJENE

utjecaja, otvaraju se mogućnosti za postizanje boljih svojstava i za upravljanje proizvodnjom metalnih pjena. Metalne pjene pojavljuju se u nekoliko oblika: \ ćelijasti metali: unutar metalne mase nalaze se disperzirane, plinom ispunjene

šupljine. Metalna faza dijeli prostor na zatvorene ćelije koje sadrže plinovitu fazu. \ porozni metali: poseban oblik ćelijastih metala koji se sastoji od određenog tipa

šupljina. Poroznost metalnih pjena kreće se od 50 % do 90 %. Pore su okrugle i odvojene su jedne od drugih. \ čvrste metalne pjene: ovdje se također radi o posebnom obliku ćelijastih metala

koji nastaju od tekućih metalnih pjena i imaju ograničenu morfologiju. Ćelije su okrugle, zatvorene ili poliedarskog oblika i odvojene su jedne od drugih tankim slojem. \ metalne spužve: morfologija ćelijastih metala s međusobno povezanim šupljinama.

Ćelije metalnih pjena mogu biti otvorene ili zatvorene. O tome ovise svojstva tako

da pjene sa zatvorenim ćelijama jako dobro apsorbiraju energiju udara, dok pjene s otvorenim ćelijama imaju dobra toplinska svojstva. Pored vrsta ćelija, metalne pjene karakterizirane su veličinom, oblikom i stupnjem anizotropije ćelija, vrstom materijala te relativnom gustoćom ρ/ρS (omjer gustoće pjene i gustoće metala ćelije).

Slika 1.4. Građa i struktura: a) CYMAT metalne pjene; b) ALPORAS metalne pjene; c)ALULIGHT metalne pjene /4/

Na slikama 1.4.a, b i c prikazane su oblici građe (strukture) triju metalnih pjena različitih proizvođača. CYMAT pjena ima najmanju relativnu gustoću ρ/ρS = 0,04 (gustoća iznosi 108 kg/m3), ALPORAS pjena ima ρ/ρS = 0,09 (gustoća iznosi 240 kg/m3), a ALULIGHT pjena ima ρ/ρS = 0,25 (gustoća iznosi 435 kg/m3). Građa prikazana na prethodnim slikama sastoji se od ćelija poliedarskog oblika s tankim naličjem i s debljim rubovima. Kada se proučava građa metalnih pjena, često se uočavaju i neke nepravilnosti kao što su npr. nepravilne i naborane granice ćelija te prekinute stijenke ćelija.

6

1. UVOD

1.2. Stabilnost metalnih pjena

Pjene se ubrajaju u nestabilne sustave zato što im energija nije minimalna zbog relativno velikog površinskog područja. Metalne taljevine ne mogu biti upjenjene bez aditiva koji imaju ulogu stabilizatora prilikom stvaranja pjene. Postoji više vrsta takvih dodataka čiji izbor ovisi o metalu koji se upjenjuje te o procesu izrade. U ovom radu spomenut ćemo samo neke. U Hydro-Alcan procesu taljevini se dodaju SiC čestice promjera približno 10 µm. Smatra se kako je aluminiju potrebno dodati 8-20 %SiC. Taj volumni udio najviše ovisi o načinu ubrizgavanja plina u taljevinu. Postojanje takvih dodatnih čestica uočava se analizom pomoću energijski disperziranih rendgenskih zraka (EDX). Osim SiC pojavljuju se i područja MgO, područja gotovo eutektičkog Al-Si itd. U procesu proizvodnje ALPORAS pjene aditivi su aluminijevi, kalcijevi ili miješani oksidi koji nastaju u taljevini unutarnjom oksidacijom nakon dodavanja Ca. Izvor kisika mogu biti oksidi koji se nalaze u taljevini i prije dodavanja Ca ili zrak koji se u taljevinu upuhuje. EDX analiza u takvim vrstama pjena otkriva dvije vrste precipitata. Veći su promjera 10 µm i sastoje se od 5 %Ca, 12,5 %Ti i 5 %O2, a manji su promjera 3 µm i sastoje se od 12 %Ca, 2 %Ti i 6 %O2. Smatra se kako takvi precipitati sadrže više vrsta spojeva kao što su npr. Al2CaO4, Al2Ca3O6, Al2O3+TiO2, Al4Ca, Al2Ca, Al3Ti itd. U proizvodnji Alulight-Foaminal pjena kao stabilizatori procesa služe metalno-oksidna vlakna koja se nalaze u metalnom prahu. Oksidi prekrivaju površinu svakog zrna praha prije skrućivanja i ostaju zbijeni nakon pritiskivanja. Vlakna su vrlo tanka, pogotovo za aluminij gdje njihova debljina iznosi ispod 100 nm. Sadržaj oksida u metalnim prašcima vrlo je bitan zato što o njemu ovisi stabilnost metalnih pjena. Ako je sadržaj premalen, pjene će biti nestabilne. Kod pjena s višim udjelom oksida veći dio tekuće faze kasnije zadržava pjenovitu građu. Takvi mehanizmi naročito su učinkoviti kada se metalne pjene izrađuju od olova ili aluminija.

Slika 1.5. Mikrostruktura ALCAN pjene /2/ Slika 1.6. Mikrostruktura ALPORAS pjene /2/

7

METALNE PJENE

Slika 1.7. Olovne pjene izrađene od dvije vrste prahova; a) prah s 0,06 % kisika; b) prah s 0,46 % kisika /2/

1.3. Mogućnosti primjene metalnih pjena

Primjena svih materijala, pa tako i metalnih pjena, proizlazi iz njihovih svojstava. Iako danas uporaba metalnih pjena u industrijskoj praksi nije previše raširena, one ipak pokazuju veliki potencijal. Glavni problem javlja se zbog još uvijek neistraženih mnogih područja primjene. Iako će svojstva metalnih pjena biti opisana u kasnijim dijelovima knjige, sada će se ipak navesti neka značajnija i industriji najzanimljivija. Prije svega to su: iznimno mala masa, velika specifična krutost, vrlo dobra mogućnost apsorpcije energije udara i elektromagnetskih valova, toplinsko- -izolacijska svojstva, vrlo dobro upijanje zvuka, vatrootpornost, recikličnost, neotrovnost itd. Za isplativu primjenu nužno je da u konkretnom slučaju budu istovremeno izražena barem četiri nabrojena svojstva pjena. Do danas su obavljena brojna istraživanja koja pokazuju veliku zainteresiranost nekih industrijskih grana za ovu vrstu materijala.

Slika 1.8. Prikaz zainteresiranosti pojedinih grana industrije za metalne pjene /5/

8

1. UVOD

Slika 1.9. Prikaz zainteresiranosti industrije za pojedina svojstva metalnih pjena /5/

Kao što se iz prethodno prikazanih grafikona na slikama 1.8. i 1.9. vidi, industrija transportnih sredstava najzainteresiranija je za metalne pjene. Također je vidljivo da su najzanimljivija mehanička svojstva. Interes su pokazale velike svjetske tvrtke kao što su: Jaguar Cars LTD., Ford Motor Company, Rover Group, Alvis Vehicles LTD., FBM Marine LTD., Fischer Instrumentation LTD, AMC, Rheotech, ALPOCO, INCO, DML, Corus itd. Primjena metalnih pjena za izradu određenih proizvoda bit će detaljnije obrađena u kasnijim poglavljima.

1.4. Isplativost metalnih pjena

Pri izboru materijala za neki proizvod vrlo važnu ulogu ima ravnoteža između svojstava i troška sirovine i izrade. Prvo se sagledavaju tehnička svojstva koja će osigurati funkcionalnost i trajnost proizvoda. Nakon toga se izračunavaju troškovi izrade materijala. U slučaju metalnih pjena troškovi izrade su još uvijek vrlo visoki zato što procesi proizvodnje nisu još uvijek usavršeni i zato što su količine koje se proizvode male. Vrlo je zanimljivo da ta cijena može varirati od 7 $ pa čak i do 12000 $ po kilogramu materijala /4/.

Tablica 1.1. pokazuje kako se izračunava trošak izrade metalnih pjena. Tablica 1.1.: Trošak izrade dijela od metalne pjene /4/

9

METALNE PJENE

Iz prethodne tablice vidi se da ukupni trošak čine troškovi materijala, izrade alata, korištenje opreme, energije i informacija. Budući da su metalne pjene vrlo dobro reciklične, taj podatak ići će u njihovu korist prilikom izračunavanja troškova. Zadnji je korak optimalizacija izbora materijala. To znači da se mora odabrati materijal s odgovarajućim svojstvima uz minimalne troškove. Metalne pjene imaju mnogo svojstava koja su zanimljiva industriji i kojima se danas teži. To će proširiti područja njihove uporabe što će ujedno i smanjiti troškove izrade. Iz tih podataka proistječe da će metalne pjene već u skoroj budućnosti postati vrlo isplative.

10

2. PROIZVODNJA METALNIH PJENA

2. POSTUPCI PROIZVODNJE METALNIH PJENA

Pronalaženje novih, djelotvornijih i bolje upravljivih procesa za proizvodnju pjena nužno je kako bi se ostvarila još bolja svojstva. To je važno i zato da se procesom proizvodnje, na temelju prethodno zadanih parametara, postignu točno određena svojstva. Danas je poznato devet načina proizvodnje metalnih pjena od kojih je pet u komercijalnoj uporabi. Svi ti načini dijele se na četiri šira područja. To su: \ pjena se oblikuje iz parne faze; \ pjena se oblikuje elektrotaloženjem iz tekuće faze; \ pjena se oblikuje u rastaljenoj fazi; \ pjena se oblikuje u čvrstoj fazi.

Svakim od tih devet postupaka može se donekle utjecati na oblik, veličinu i stupanj otvorenosti ćelija te na relativnu gustoću. Postupci će biti ukratko opisani u narednom dijelu teksta (u uglatim zagradama navedeni su metali od kojih se određenim postupkom mogu proizvesti pjene): \ ubrizgavanje plina u taljevinu legura Al-SiC i Al-Al2O3 [Al, Mg]; \ u aluminijsku taljevinu dodaje se agens (TiH2) koji se raspada i tvori mjehuriće

pri određenom tlaku i temperaturi [Al]; \ mješavina metalnog praha i agensa (TiH2) zagrijava se pri čemu se oslobađaju

mjehurići u taljevini i stvara se pjena [Al, Zn, Fe, Pb, Au]; \ ubrizgavanje pod tlakom metalne taljevine u kalup od polimerne pjene ili voska

koji je premazan keramičkim prahom [Al, Mg, Ni-Cr, Cu, nehrđajući čelik]; \ kemijsko taloženje metala iz parne faze na kalup od polimerne pjene koji se

kasnije uklanja izgaranjem [Ni, Ti]; \ vrućim izostatičkim prešanjem praha (HIP-Hot Isostatic Pressing) inertni plin

pod visokim tlakom biva zarobljen u porama. Povišenjem temperature dolazi do ekspanzije plina [Ti]; \ kuglaste šupljine koje nastaju procesom atomizacije ili taloženjem iz parne faze

na polimerne kugle [Ni, Co, Ni-Cr legure]; \ spajanje dvaju materijala u obliku praha od kojih je jedan topljiv. Otopljiva

komponenta uklanja se otapalom i ostaje metalna porozna građa [Al+sol u obliku praha]; \ otapanje plina (obično H2) u taljevini pod visokim tlakom. Porozni materijal

nastaje eutektičkom reakcijom plina i metala [Cu, Ni, Al].

11

METALNE PJENE

Slika 2.1. Vrijednosti veličine ćelija i relativne gustoće koje se mogu dobiti određenim proizvodnim postupkom /4/

Slika 2.1. pokazuje raspon veličine ćelija i relativne gustoće koja se može dobiti različitim proizvodnim postupcima. Budući da oba prethodno navedena parametra jako utječu na svojstva, ovaj dijagram vrlo je važan za izbor proizvodnog procesa.

2.1. Ubrizgavanje plina u taljevinu

Metalna pjena ne može se proizvesti samo ubrizgavanjem plina u rastaljeni metal, zato što je sušenje metala oko ruba mjehurića prebrzo da bi pjena ostala stabilna do skrućivanja. Zbog toga se u taljevinu dodaju vrlo sitne, nerastvorljive čestice koje povećavaju viskoznost aluminija, sprečavaju sušenje opne mjehurića i na taj način stabiliziraju pjenu. Kao čestice se najčešće koriste SiC, Al2O3, ZrO2, MgO ili TiB2 promjera 0,5 µm do 25 µm. Volumni udio najčešće im iznosi 10-20 %. Prilikom unošenja tih čestica u aluminij koriste se tehnike miješanja kako bi njihova raspodjela bila jednolika. Ovim postupkom uglavnom se upjenjuje aluminij zbog njegove niske

12


gustoće i dobre otpornosti na oksidaciju. Nakon toga se u taljevinu upuhuje plin pomoću posebno konstruiranih rotirajućih ubrizgavalica i vibrirajućih raspršivača. Tako nastaju fini jednoliki mjehurići raspršeni u taljevini. U ovom procesu se može koristiti više vrsta plinova. To su zrak, CO2, O2, inertni plinovi (npr. argon), N2, pa čak i vodena para. Mješavina metala i mjehurića ispliva na površinu gdje se metal suši. Vrijeme skrućivanja ovisit će o toplinskom gradijentu. Tako stvorena pjena izlazi na površinu pomoću pomičnih traka (konvejerskih remena). Na taj se način proizvode aluminijske pjene gustoće od 69 kg/m3 do 540 kg/m3 s porama promjera od 3-25 mm i debljinom stijenke 50-85 µm. Na veličinu ćelija može se utjecati protokom plina, brzinom ubrizgavalice, frekvencijom vibriranja raspršivača te ostalim parametrima. Shema procesa proizvodnje metalne pjene prikazana je na slici 2.2.

Slika 2.2. Proces nastajanja metalne pjene ubrizgavanjem plina u taljevinu /4/

Ako je sadržaj čestica prevelik ili premalen mogu nastupiti određene poteškoće što je i prikazano na slici 2.3.

Slika 2.3. Poteškoće uzrokovane loše odabranom količinom čestica /2/

13

METALNE PJENE

Određene poteškoće mogu se pojaviti i zbog sila pomičnih traka tijekom vučenja na površinu. Ćelije se dijagonalno deformiraju što negativno utječe na mehanička svojstva koja postaju izotropna. Upjenjeni materijal koristi se ili sa zatvorenom površinom ili se reže u odgovarajuće oblike. Prednost ovog procesa je u tome što je jeftiniji i što se mogu proizvoditi komadi većih dimenzija, a loša strana je u tome što se rezanjem otvaraju ćelije i što je još uvijek ograničen samo na aluminij. Na tržištu su na ovaj način izrađene pjene poznate pod nazivima Hydro-Alcan. Danas se razvijaju procesi proizvodnje pjena ovim postupkom bez dodataka. Viskoznost se drži na niskoj razini tako da je u procesu tijekom ubrizgavanja stalno prisutno hlađenje. Međutim, takvi sustavi su još uvijek vrlo nestabilni.

2.2. Plinom oslobođene čestice rastvorene u taljevini

U ovom se procesu taljevini dodaje agens za pospješenje upjenjivanja. Pod utjecajem povišene temperature on se rastvara i tako tvori plin. U početnoj fazi procesa, pri temperaturi tališta aluminija u rasponu od 670-690 °C, taljevini se dodaje oko 1,5 %Ca. Nakon nekoliko minuta vođenja procesa viskoznost se znatno povećava zbog spojeva CaO, CaAl2O4 ili intermetalnog spoja Al4Ca. Kao raspršujući agens dodaje se otprilike 1-2 %TiH2 koji se iznad temperature 465 °C rastvara na Ti i plinoviti H2. H2 stvara mjehuriće koji služe za stvaranje metalne pjene sa zatvorenim ćelijama ako je sušenje dovoljno sporo. Promjer dodanih čestica kreće se u rasponu 5-20 µm. Poslije hlađenja ispod temperature tališta stvorena je aluminijska metalna pjena koja se može dalje obrađivati. Cijeli proces traje otprilike 15 minuta i odvija se pod konstantnim tlakom.

Slika 2.4. Proces nastajanja metalne ALPORAS pjene /2/

14


Slika 2.5. Utjecaj količine kalcija na viskoznost aluminijske taljevine /2/

Slika 2.4. prikazuje proces nastajanja ALPORAS metalne pjene, a slika 2.5. utjecaj

količine Ca na viskoznost taljevine. Pažljivom kontrolom parametara procesa, kao što su tlak, vrijeme ili temperatura, može se ostvariti homogena građa metalne pjene. Na neka svojstva, kao što su relativna gustoća ili veličina ćelija, može se utjecati variranjem količine Ca ili TiH2. Gustoća ovako proizvedenih pjena može biti od 180 kg/m3 do 240 kg/m3, relativna gustoća od 0,07 do 0,2, a veličina ćelija od 0,5 mm do 5 mm.

Slika 2.6. Građa (struktura) ALPORAS metalne pjene /2/

Ćelije kod ove vrste pjena zatvorene su, no valjanjem se njihove stijenke mogu razbiti čime im se povećavaju zvučno izolacijska svojstva. Zbog uporabe relativno skupog Ca i TiH2 ovaj je postupak ipak nešto skuplji od prethodnog.

Slika 2.7. Ovisnost broja i veličine ćelija o recipročnoj vrijednosti gustoće /6/

15

METALNE PJENE

Danas se izrađuju i numerički modeli metalnih pjena proizvedenih ovim procesom. Diferencijalne jednadžbe potrebne za definiranje modela izračunavaju se Lattice- -Boltzmannovom metodom. Model opisuje širenje šupljina u taljevini pri konstantnoj temperaturi. U metalnoj matrici transport vodika u šupljine modeliran je pomoću jednadžbe difuzije, a tok taljevine pomoću Navier-Stokesovih jednadžbi. Glavni cilj je definiranje graničnih uvjeta i odnosa između šupljina i taljevine.

Stvaranje pjene može se simulirati pomoću računalnih programa – jedan primjer vidljiv je na slici 2.8.

Slika 2.8. Numerička 2D simulacija procesa upjenjavanja. Različite boje označavaju koncentraciju H2 u Al-matrici. /6/

Zbog nešto niže temperature raspadanja TiH2 ovim procesom danas se izrađuju samo aluminijske metalne pjene koje se komercijalno zovu ALPORAS. Razvijanjem novih agensa (karbonati, nitrati) koji se raspadaju na višim temperaturama mogu se uskoro očekivati čelične ili Ni metalne pjene izrađene ovim postupkom.

2.3. Plinom oslobođene čestice rastvorene u polučvrstoj fazi

Pjenasti metali mogu se također izrađivati od metalnog praha. Na samom početku procesa miješaju se prah čistog metala ili legure i dodatak koji pospješuje upjenjavanje (slika 2.9.). Kao dodatak najčešće se koristi TiH2. Nastala mješavina zatim se sabija u poluprozvod u obliku šipke ili pločice. Tehnike sabijanja u metalnu matricu mogu biti razne: izostatičko tlačenje, ekstrudiranje, valjanje praha itd. Takav poluproizvod mora biti vrlo pažljivo napravljen zato što početna poroznost ili druge nepravilnosti uzrokuju loše rezultate u kasnijm fazama procesa. Poluproizvod se reže na male komade i stavlja u kalup gdje se zagrijava na temperaturu nešto višu od solidus temperature legure. Dodatak (agens) se raspada na Ti i plinoviti H2 koji uzrokuje širenje i stvaranje visoko

16


poroznog materijala. Trajanje procesa ovisi o temperaturi i veličini poluproizvoda i kreće se od nekoliko sekundi do nekoliko minuta. Proizvod zadržava oblik kalupa, ima relativnu gustoću od 0,08 naviše i zatvorene ćelije promjera 1 do 5 mm.

Slika 2.9. Proces nastajanja FOAMINAL-ALULIGHT metalne pjene /4/

Ovaj postupak nije ograničen samo na aluminij, već se njime mogu proizvoditi pjene na bazi cinka, mjedi, olova, zlata i drugih metala ovisno o početnim parametrima. Upjenjavanje se događa u polučvrstom stanju zato što se TiH2 raspada na 465 °C što je mnogo niže od tališta aluminija (660 °C). Sve to pospješuje upjenjavanje čvrstog aluminija koji se zatim zagrijava do taljenja. Hlađenjem se pjena stabilizira. Fraunhoferov institut u Bremenu (Institut für Advanced Materials - IFAM) razvio je izradu sendvič-konstrukcija ovim postupkom. Takve konstrukcije sastavljene su od jezgre od upjenjenog metala zatvorene s dva metalna lima (ploče) koji su ljepilom

17

METALNE PJENE

povezani s pjenom. Ako se zahtijeva metalna veza između slojeva, limovi od čelika, aluminija ili titana valjanjem zatvaraju jezgru od pjenovitog poluproizvoda. Takva se konstrukcija oblikuje te zatim zagrijava čime se širi samo poluproizvod i stvara jezgra od metalne pjene. Prilikom proizvodnje ovakvih sendvič-konstrukcija treba se izbjeći taljenje limova od čistog metala. Sendvič-ploče mogu biti dimenzija 2×1 m.

Primjer-sendvič ploče prikazan je na slici 2.10. Komercijalni naziv za ovako proizvedene metalne pjene je “FOAMINAL-

-ALULIGHT”.

Slika 2.10. Sendvič-konstrukcija s jezgrom od metalne pjene /7/

2.4. Precizno lijevanje pomoću kalupa od voska ili polimera

Ovaj proces je razvila tvrtka Ergaerospace i njime su proizvedene sve tzv. “ERG DUOCEL” metalne pjene (slika 2.11.). Ti materijali imaju građu s otvorenim ćelijama u obliku duodekaedara. Gustoća im je 3 % do 50 % gustoće čvrstih metala dok im je gustoća ćelija 5, 10, 20 ili 40 šupljina po inchu. Za izradu pjene najčešće se koriste aluminijske legure 6101 i A356 /8/. Za izradu kalupa, u kojima se postupkom preciznog lijevanja proizvode metalne pjene, mogu se koristiti polimerne pjene s otvorenim ćelijama raznih veličina i oblika. Prvo se odabire polimerna pjena odgovarajuće veličine ćelija i relativne gustoće. Ona se zatim premazuje keramičkim prahom koji se zatim suši i ugrađuje u ljevački pijesak. Kalup se zatim peče da bi kalupni materijal očvrsnuo, a polimerna pjena isparila, te da bi se stvorio negativ oblika pjene. Sljedeći je korak punjenje kalupa rastaljenom legurom koja se zatim hladi. Otpor tečenju nekih legura prevladava se primjenom tlaka za vrijeme ulijevanja u kalup. Nakon hlađenja i vađenja iz kalupa metalna pjena ima jednaku građu kao i korištena polimerna pjena.

18


Slika 2.11. Proces nastajanja ERG DUOCEL metalne pjene /4/

Veličine šupljina metalnih pjena s otvorenim ćelijama iznose od 1 do 5 mm, dok im relativna gustoća iznosi više od 0,05. Ovim procesom mogu se izrađivati metalne pjene na bazi svih vrsta metala koji se mogu precizno lijevati.

2.5. Taloženje metala na ćelijaste praoblike

Polimerne pjene s otvorenim ćelijama također mogu poslužiti kao baza na koju se postupkom kemijskog taloženja iz parne faze (Chemical Vapour Deposition – CVD) nanose metalni materijali evaporacijom ili elektrotaloženjem. U samom početku postupka polimerna pjena stavlja se u CVD retortu u koju se zatim uvodi Ni(CO)4 (slika 2.12.). Zagrijavanjem na temperaturu od oko 100 °C Ni(CO)4 se raspada na čisti nikal i ugljični monoksid CO. Nikal se u parnoj fazi taloži na polimerni materijal unutar retorte. Nakon što je naneseno nekoliko desetaka mikrometara metalne prevlake, polimerne pjene se uklanjaju i spaljuju infracrvenim zagrijavanjem. Građa ovako proizvedenih metalnih pjena je ćelijasta sa šupljikavim vezama. Gustoća takvih veza može se povećati sinteriranjem. Ovaj je postupak razvila tvrtka INCO iz Kanade.

19

METALNE PJENE

Slika 2.12. Proces nastajanja Ni metalne pjene (tzv. INCO pjena) /4/

Pjena ima otvorene ćelije sa šupljinama veličine od 100 do 300 µm. Također se ovim procesom proizvode metalne pjene s najmanjom relativnom gustoćom od 0,02 do 0,05. Ovaj proizvodni postupak vrlo je skup zato što je Ni(CO)4 vrlo otrovan i za vrijeme njegove uporabe nužne su temeljite analize štetnih emisija u okoliš. Ova pjena se rijetko koristi zato što je njeno uvođenje u procesnu industriju vrlo skupo i regulirano oštrim zakonima. Još jedna loša strana ovog postupka je u tome što se moraju koristiti čisti metali, titan ili nikal, zbog nemogućnosti nanošenja legura CVD postupkom.

2.6. Ekspanzija plina u taljevini

Za proizvodnju materijala koji u svojoj građi imaju malene šupljine ispunjene inertnim plinom visokog tlaka koriste se postupci metalurgije praha. Najčešće korišteni inertni plin je argon koji ima vrlo nisku topljivost u metalima. Do puzanja materijala i širenja šupljina dolazi zbog visokog tlaka uzrokovanog povišenom temperaturom. To

20


pokazuje kako se promjenom tlaka i temperature može utjecati na građu, a time i na svojstva metalnih pjena. U prvom koraku procesa prah legure Ti6Al4V stavlja se u posudu napravljenu od istog materijala (slika 2.13.).

Slika 2.13. Proces nastajanja metalne pjene procesom širenja inertnog plina /4/

Iz posude je izvučen sav kisik jer bi on inače na sebe vezao titan, te je potom napunjena argonom pod tlakom od 0,3 MPa do 0,5 MPa. Sadržaj posude potom se zgušnjava na relativnu gustoću 0,9 do 0,98 postupkom vrućeg izostatičkog prešanja (HIP), što također uzrokuje porast tlaka u šupljinama. No to još nije dovoljno da bi se izazvala ekspanzija Ti6Al4V. U posudi se u tom trenutku nalazi relativno mali broj ćelija koji je približno jednak broju zrna praha legure koja je na početku unesena u posudu. Sljedeći korak je valjanje tako pripremljene titanove legure pri temperaturi od približno 900-940 °C. Zbog tlaka valjanja šupljine u leguri postaju spljoštene i izdužene u smjeru valjanja. Sve to rezultira profinjenijom strukturom koja sadrži mnogo jednoličniju raspodjelu šupljina i stvaranjem veza između plinom ispunjenih

21

METALNE PJENE

šupljina. Do širenja plina dolazi u posljednjoj fazi procesa pri temperaturi od 900 °C uz trajanje i do 48 sati. Zbog visoke temperature tlak u ćelijama raste (10 do 16 MPa) pa se one šire, što dovodi do smanjenja gustoće.

Ovim postupkom uglavnom se izrađuju sendvič-konstrukcije na bazi Ti-legura koje imaju poroznost jezgre do 50 % i veličinu ćelija od 10 do 300 µm. To je prva iskoristila tvrtka Boeing za izradu sendvič-ploča s jezgrom niske gustoće. Ovaj postupak također je nešto skuplji zbog procesa vrućeg valjanja Ti legura.

2.7. Građe s kuglastim šupljinama

U zadnje vrijeme razvija se čitav niz procesa za proizvodnju metalnih ćelijastih materijala s kuglastim oblikom šupljina. Smatra se kako atomizacija inertnog plina s malim udjelom (1 do 5 %) uzrokuje stvaranje legura s prethodno opisanom građom. Šupljine imaju relativno velik promjer, od 0,3 do 1 mm, te relativnu gustoću 0,1. Šupljine se prvo raspoređuju u materijalu raznim specijalnim postupcima, a zatim se zgušnjuju vrućim izostatičkim prešanjem, postupkom sinteriranja u vakuumu ili postupkom sinteriranja s tekućom fazom. Zadnji navedeni postupak smatra se najprikladnijim za neke legure jer se pri njemu izbjegavaju tlačne deformacije kuglastih čestica praha s tankim stijenkama, koje bi nastale vrućim izostatičkim prešanjem. Također nije potrebna naknadna visokotemperaturna obrada potrebna za učvršćivanje veza između čestica koja je nužna kod sinteriranja u vakuumu. Ovim postupkom danas se proizvode metalne pjene od Ni superlegura i legure Ti6Al4V s relativnom gustoćom 0,06.

Drugi postupak razvijen je na sveučilištu Georgia Tech. u SAD-u (slika 2.14.).

Slika 2.14. Proces nastajanja metalne pjena razvijen na Georgia Tech-u /4/

22


Kuglasta građa tvori se pomoću dodataka kao što su TiH2 pomiješana s organskim dodacima koji pospješuju povezivanje i s otapalom. Kugle se očvršćuju letom kroz visoki toranj. Povišena temperatura pospješuje uklanjanje otapala i hlapljenje sredstva za bolje povezivanje. Ovim postupkom može se proizvesti niz vrsta metalnih pjena, tako da se od Fe2O3 i od Cr2O3 može napraviti metalna pjena od nehrđajućeg čelika.

Treći postupak razvio je Fraunhoferov institut u Bremenu (IFAM) – slika 2.15. Kugle od polistirena prevučene su metalom i sinterirane kako bi se dobila metalna građa s kuglastim šupljinama visokog stupnja jednoličnosti. Sinteriranje i spajanje stijenki kugala se obavlja u jednom koraku što znatno smanjuje troškove proizvodnje. Kasnije spajanje šupljina dovodi do građe s otvorenim i zatvorenim ćelijama što se, kao i relativna gustoća, može mijenjati kombinacijom različitih parametara proizvodnje. Iznosi relativnih gustoća kreću se od 0,05 naviše, a veličina šupljina od 100 µm do nekoliko milimetara.

Slika 2.15. Proces nastajanja metalne pjene s kuglastim šupljinama IFAM postupkom /9/

IFAM nastoji proizvesti pjenu i od nehrđajućeg čelika X2CrNiMo18-10 (AISI - 316L) velike gustoće. Proizvedena je pjena od te vrste čelika poroznosti 80 do 97 % te su i ispitana neka njezina mehanička svojstva. Slika 2.16. prikazuje oblik takve pjene.

Slika 2.16. Metalna pjena s kuglastim šupljinama od nehrđajućeg čelika AISI - 316L /9/

23

METALNE PJENE

Modeliranje mehaničkih svojstava napravljeno je uz pomoć metode konačnih elemenata (MKE). To nam omogućuje modeliranje realnih svojstava i optimizaciju kuglastih šupljina u materijalu. Slika 2.17. pokazuje MKE simulaciju kuglastih šupljina između krutih ploča.

Slika 2.17. Simulacija kuglastih šupljina metodom konačnih elemenata /9/

2.8. Spajanje ili lijevanje dvaju materijala od kojih je jedan topljiv

Dva praha, od kojih niti jedan nije u manjem volumnom udjelu od 25 %, miješaju se i kompaktiraju tvoreći dvostruko povezanu strukturu od obje faze. Nakon konsolidacije (povezivanja) jedan se prah (npr. sol) topi (rastvara) u odgovarajućem otapalu (slika 2.18.). Pjene bazirane na mješavini prahova aluminijskih legura s natrijevim kloridom uspješno su primjenjene za velike presjeke s jednoličnom građom. Kao otapalo najčešće se koristi voda. Građa ćelija im je vrlo jednolika.

Slika 2.18. Nastajanje metalne pjene povezivanjem dvaju materijala od kojih je jedan topljiv: a) rastaljeni metal (npr. aluminij i njegove legure) infiltrira se u sloj topljivih čestica; b) čestice se otapaju u prikladnom otapalu (npr. voda) čime nastaju otvorene ćelije

24


Oblik ćelija razlikuje se od onog proizvedenog drugim procesima i one su najčešće otvorene. Veličina ćelija ovisi o promjeru čestica praha i kreće se u širokom rasponu od 10 µm do 10 mm. Relativna gustoća iznosi od 0,3 do 0,5.

Postoji i alternativa ovom procesu gdje se u nakupinu čestica od topljivog materijala infiltrira metalna taljevina pod tlakom, te se nakon toga hladi. Čestice se otapaju i ostaje metalna pjena vrlo uravnotežene građe ćelija.

2.9. Eutektičko skrućivanje plin-metal

Ova postupak zasniva se na činjenici da neki metali i njihove legure tvore s vodikom eutektički sustav (slika 2.19.). U te metale ubrajaju se Al, Be, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn i Ni te njihove legure. Legure se otapaju u vodikovoj atmosferi pod visokim tlakom, skrućuju se direktno brzim sniženjem tlaka. Rezultat je homogena taljevina ispunjena vodikom. Porozni materijal nastaje eutektičkom reakcijom plina i metala. Ako se temperatura snizi, taljevina će naposljetku doživjeti eutektičku pretvorbu u heterogeni dvofazni sustav plin+metal. Na određenoj temperaturi događaju se reakcije segregacije i plinske šupljine ostaju zatvorene u metalu.

Slika 2.19. Binarni dijagram stanja metal-vodik /4/

Legura se zagrijava u posudi pod određenim tlakom vodika i na taj se način tali (slika 2.20.). Tlak vodika uobičajno iznosi od 0,5 do 1 MPa, no on može iznositi i do 5 MPa. Taljevina se zatim ulijeva u kalup gdje se događa eutektičko skrućivanje. Materijali nastali ovim postupkom u literaturi se nazivaju "GASAR" ili "GASERIT". To je jedna od prvih proizvedenih metalnih pjena sa visokom poroznošću, no takve pjene se još komercijalno ne primjenjuju.

25

METALNE PJENE

Slika 2.20. Proces nastajanja metalne pjene eutektičkim plin-metal skrućivanjem /4/

Volumni udio šupljina u tako proizvedenoj metalnoj pjeni je i do 30 %. Na volumni udio i orijentaciju ćelija utječu kemijski sastav legure, tlak taljenja, zagrijavanje taljevine (što utječe i na topljivost vodika u leguri), temperaturno polje u taljevini tijekom skrućivanja i brzina skrućivanja. Tako velik broj parametara pokazuje kako je kontrola i optimalizacija strukture ćelija vrlo komplicirana. Ćelije su izdužene i orijentirane su u smjeru skrućivanja, mogu biti i koničnog oblika (slika 2.21.). Promjeri ćelija iznose od 10 µm do 10 mm, duljine su od 100 µm do 300 mm.

Slika 2.21. Izgled metalne pjene proizvedene eutektičkim plin-metal skrućivanjem /2/

2.10. Matematički modeli korišteni za opisivanje ponašanja metalnih pjena

Uz sve eksperimentalne pokušaje proizvodnje metalnih pjena usporedo se istražuju i matematički modeli koji će bolje objasniti procese upjenjavanja. Takvi modeli omogućuju bolje poznavanje i upravljanje parametrima procesa izrade. Također omogućuju da se na temelju saznanja o ponašanju materijala tijekom izrade stvore metalne pjene točno određenih svojstava. U tu svrhu koriste se teorijska matematička

26


znanja kao i razne vrste danas dostupnih sofisticiranih računalnih programa. Proces skrućivanja i isušivanja može se modelirati pod pretpostavkom da je pjenovita taljevina u potpunosti ekspandirala. Matematički model temelji se na jednadžbi isušivanja koja je vrlo temeljito proučavana i provjerena za tekuće pjene /10/. Nelinearna parcijalna diferencijalna jednadžba opisuje promjenu udjela tekućine u pjeni (relativna gustoća) ovisno o položaju i vremenu. Ona se kombinira s jednadžbom provođenja topline. Te dvije parcijalne jednadžbe su nedimenzijske i rješavaju se istovremeno korištenjem opisa konačnih razlika. Prije samog rješavanja potrebno je postaviti granične uvjete. Granični uvjeti za taljevinu kažu kako nema toka na rubovima uzorka i profil relativne gustoće je uniforman (konstantna vlažnost pjene). Temperatura je jednaka temperaturi tališta dok je na rubovima poznata temperatura hlađenja.

Slika 2.22. Prikaz raspodjele relativne gustoće kroz kocku skrućene pjene /10/

Rezultat raspodjele relativne gustoće na slici 2.22. utvrđen je numeričkim

metodama. Jednodimenzijska se teorijska analiza zasniva na očuvanju taljevine i energije i vodi do raspodjele relativne gustoće u skrućenoj pjeni. Ona daje kriterij za očuvanje uniformnosti uzorka pjene. Time se zadržava veza između relevantnih parametara koji opisuju uvjete pod kojima će stupanj nehomogenosti gotovog proizvoda biti malen. Taj je kriterij homogenosti sljedeći /10/:

2f 0

m1

λL g L

T⋅ ρ ⋅ ⋅ ⋅ α

<<⋅ ⋅ η

gdje su: Lf – latentna toplina zamrzavanja, ρ – gustoća, λ – toplinska vodljivost, Tm – talište, η – viskoznost rastaljenog metala, L – duljina pjene, α0 – inicijalna relativna gustoća g – gravitacijska konstanta

27

METALNE PJENE

28

3. SVOJSTVA METALNIH PJENA


Podaci o raznim svojstvima nužni su pri odabiru materijala za neki proizvod. Na svojstva materijala utječu: građa (struktura), kemijski sastav te način izrade i obrade. Vrlo su bitne dimenzije i način pripreme uzorka za ispitivanje. Postupci ispitivanja metalnih pjena još se razvijaju i predstavljaju, zbog svoje kompleksnosti, pravi izazov za inženjere koji ih provode. Zbog svoje vrlo nepredvidive građe rezultati pri istom načinu ispitivanja često variraju i za nekoliko desetaka postotaka što smanjuje povjerenje u metalne pjene u primjeni. Da bi rezultati bili što vjerodostojniji, ispitivanja se provode po strožim režimima nego je to inače uobičajeno. U ovoj se knjizi detaljno opisuju svojstva metalnih pjena (npr. mehanička, toplinska, zvučna, mogućnosti spajanja metalnih pjena itd.), načini njihovog ispitivanja i veličine koje na njih utječu.

3.1. Mehanička svojstva metalnih pjena

Svojstva pjena određena su svojstvima osnovnog materijala i relativnom gustoćom ρ/ρs, gdje je ρ gustoća pjene a ρs gustoća materijala od kojeg je pjena napravljena. Vrijednosti relativne gustoće kreću se od 0,005 (rijetke pjene) do 0,5 (guste pjene).

Kod ispitivanja bilo kojeg svojstva nužno je odmah jasno naglasiti razliku između svojstava metalnih pjena i metala od kojih su one dobivene. Jedna je od najvećih prednosti metalnih pjena u primjeni njihova vrlo mala masa. To omogućuje izradu izrazito lakih konstrukcija kojima se danas teži zato što se njima ostvaruju uštede u masi i druge prednosti (npr. u autoindustriji manja potrošnja goriva). Takve konstrukcije u eksploataciji su često izložene statičkim ili dinamičkim mehaničkim opterećenjima koja mogu uzrokovati havarije. Zbog toga je nužno što točnije odrediti mehanička svojstva metalnih pjena, kao što su: tlačna i vlačna čvrstoća, modul elastičnosti i modul smičnosti, dinamička izdržljivost, tvrdoća, otpornost na umor ili puzanje itd., kako bi se mogao odrediti podoban materijal za neku konstrukciju. Veliku ulogu igra i stupanj nepravilnosti i nehomogenosti građe pjene. Ćelije su često nepravilnog oblika, različite veličine, zidovi ćelija često su potrgani što znatno

29

METALNE PJENE

umanjuje mehanička svojstva, poroznost varira po nekoliko desetaka postotaka itd. Izbor i dobra priprema uzoraka bitni su za utvrđivanje reprezentativnih podataka. U ovom dijelu knjige bit će opisane i sendvič-konstrukcije koje čine kombinaciju jezgre od metalne pjene i vanjskih limova od neporoznog materijala.

Na tablici 3.1. navedene su vrijednosti mehaničkih svojstava metalnih pjena nekoliko najpoznatijih svjetskih proizvođača.

Ovdje su podrobnije obrađene samo metalne pjene na bazi aluminija i nikla budući da su jedino one danas komercijalno primjenjuju. Metalne pjene imaju širok raspon svojstava tako da im je i veliko područje potencijalne primjene u uvjetima mehaničkog opterećenja. Kada se usporede pjene s otvorenim i zatvorenim ćelijama, vidljivo je da su im mehanička svojstva uglavnom na jednakoj razini, no ove prve imaju ipak nešto niže vrijednosti vlačne i tlačne čvrstoće (tablica 3.1.). Tablica 3.1.: Mehanička svojstva metalnih pjena /4/

MATERIJAL SVOJSTVO, SIMBOL, JEDINICA

CYMAT Al-SiC

ALULIGHT Al

ALPORAS Al

ERG Al

INCO Ni

Relativna gustoća, ρ/ρS 0,02-0,2 0,1-0,35 0,08-0,1 0,05-0,1 0,03-0,04

Građa Zatvorene ćelije Otvorene ćelije

Gustoća, ρ, Mg/m3 0,07-0,56 0,3-1,0 0,2-0,25 0,16-0,25 0,26-0,37

Modul elastičnosti, E, GPa 0,02-2,0 1,7-12 0,4-1,0 0,06-0,3 0,4-1,0

Modul smičnosti, G, GPa 0,001-1,0 0,6-5,2 0,3-0,35 0,02.0,1 0,17-0,37

Modul savitljivosti, Ef, GPa 0,03-3,3 1,7-12 0,9-1,2 0,06-0,3 0,4-1,0

Poissonov faktor, ν 0,31-0,34 0,31-0,34 0,31-0,34 0,31-0,34 0,31-0,34

Tlačna čvrstoća, Rmt, MPa 0,04-7,0 1,9-14 1,3-1,7 0,9-3,0 0,6-1,1

Granica razvlačenja, Re, MPa 0,04-7,0 2,0-20 1,6-1,8 0,9-2,7 0,6-1,1

Vlačna čvrstoća, Rm , MPa 0,05-8,5 2,2-30 1,6-1,9 1,9-3,5 1,0-2,4

Dinamička izdržljivost, Rd, MPa 0,02-3,6 0,95-13 0,9-1,0 0,45-1,5 0,3-0,6

Deformacija pri zgušnjavanju, εD 0,6-0,9 0,4-0,8 0,7-0,82 0,8-0,9 0,9-0,94

Vlačna duktilnost, εf 0,01-0,02 0,002-0,04 0,01-0,06 0,1-0,2 0,03-0,1

Faktor gubitka, ηC, % 0,4-1,2 0,3-0,5 0,9-1,0 0,3-0,5 1,0-2,0

Tvrdoća, H 0,05-10 2,4-35 2,0-22 2,0-3,5 0,6-1,0

Lomna žilavost, , MPa·mICK 1/2 0,03-0,5 0,3-1,6 0,1-0,9 0,1-0,28 0,6-1,0

30


3.1.1. Priprema površine i veličina uzorka

Prije početka ispitivanja vrlo je važna i priprema uzorka. Odvajanje uzorka iz većeg komada materijala može se izvesti na različite načine. Ako je taj postupak loše izveden, dolazi do deformacije ćelije ili do otvaranja ćelija kod uzorka s inače zatvorenim ćelijama. To se u pravilu neće dogoditi ako se odvajanje obavlja dijamantnom rezalicom ili nekim od postupaka kemijskog rezanja. Dokaz važnosti ovog postupka vidljiv je iz variranja vrijednosti modula elastičnosti i tlačne čvrstoće kod aluminijske metalne pjene sa zatvorenim ćelijama. Tlačna čvrstoća može se mijenjati i do 7 %, a modul elastičnosti i do 15 % u ovisnosti od načina odvajanja uzorka. Na vrijednost mehaničkih svojstava utječu i dimenzije uzorka i to tako da se uzima u obzir omjer veličine uzorka i veličine ćelije uzorka. Kod ispitivanja različitih svojstava i taj utjecaj je različit. Općenito se može zaključiti da omjer veličine uzorka i veličine ćelije mora biti veći od 7. Kod ispitivanja smicanjem duguljasti uzorak metalne pjene veže se na dvije krute ploče i nakon toga se opterećuje. Spoj uzorka pjene i ploče može utjecati na rezultate ispitivanja. Njegov se utjecaj može zanemariti ako je omjer veličine uzorka i veličine ćelije veći od 3. Slika 3.1. prikazuje utjecaj veličine uzorka i veličine ćelija na modul elastičnosti i tlačnu čvrstoću.

Slika 3.1. Utjecaj omjera veličine uzorka i veličine ćelije na modul elastičnosti (gore) i na tlačnu čvrstoću (dolje) dviju metalnih pjena na bazi aluminija /4/

3.1.2. Krutost

Uobičajeno je da čvrstoća i krutost ćelijastih (poroznih) materijala u značajnoj mjeri ovise o njihovoj gustoći. Teorijske pretpostavke, koje su postavili Gibson i Ashby /60/ o mehaničkim svojstvima ćelijastih materijala, zasnivaju se na vezi između

31

METALNE PJENE

morfologije ćelija i svojstava stijenki ćelija. Kod metalnih pjena s otvorenim ćelijama takve pretpostavke odgovaraju podacima utvrđenim ispitivanjem, dok u pjena sa zatvorenim ćelijama to nije slučaj.

Aluminijske pjene pokazuju različit modul elastičnosti pri vlačnom i tlačnom opterećenju. Bit ove pojave otežava činjenica da početna krutost uzorka pri neosnom tlačnom opterećenju ne karakterizira ponašanje samog materijala, već ponajprije ispitivanog uzorka. Početna krutost ispitivanog uzorka iznosi samo 20 % vrijednosti modula elastičnosti koji se dobiva na osnovi krivulja opterećivanje/rasterećivanje uzorka nakon dosezanja granice stlačivanja (Ret).

Slika 3.2. Ovisnost modula elastičnosti o gustoći Al pjena; neosno opterećeno na tlak i regresijske krivulje iz literature /58/

Slika 3.2. pokazuje rezultate ispitivanja modula elastičnosti Al pjena sa zatvorenim ćelijama. Iz ove slike vidljivo je kako krutost materijala ovisi o njegovoj gustoći. Većina izmjerenih vrijednosti pjena sa zatvorenim ćelijama manja je od očekivanih teorijskih proračuna Gibsona i Ashbyja /60/.

Pjene sa zatvorenim ćelijama niske gustoće pokazuju vrijednosti krutosti koje su približno jednake vrijednostima predviđanja za pjene s otvorenim ćelijama. Objašnjenje za niže vrijednosti krutosti u odnosu na predviđene nalazi se u mikrostrukturi materijala.

Može se konstatirati da s povećanjem pravilnosti mezostrukture raste krutost Al pjena. Krutost također snizuju i nepravilnosti poput zavojitih stijenki ćelija, nehomogenosti kao što su nejednolika veličina čvorova i velike napukline. Teorijska

32


predviđanja koje su dali Gibson i Ashby zasnivaju se na pretpostavci pravilne građe (strukture) metalnih pjena. Tako nisu uzeti u obzir lokalne pojave nestabilnosti, kao što je npr. lokalno izvijanje.

Aluminijske pjene proizvedene postupcima metalurgije praha pokazuju vrlo malen stupanj anizotropije.

3.1.3. Tlačna čvrstoća

Slika 3.3. prikazuje tipičan dijagram “naprezanje-skraćenje” pri tlačnom opterećenju i dvije krivulje realnih Al pjena.

Slika 3.3. Tipični dijagrami “naprezanje-deformacija” metalnih pjena pri tlačnom opterećenju /4/

Izgleda da inicijalno opterećenje izaziva elastičnu deformaciju, ali početna linija

nije pravac i manjeg je nagiba od nagiba koji odgovara stvarnom modulu elastičnosti, jer neke ćelije počinju teći već pri vrlo malim opterećenjima. Modul elastičnosti pri vlačnom opterećenju je za oko 10 % viši od modula pri tlačnom opterećenju. Anizotropija oblika ćelija dovodi do bitnih razlika (30 %) između modula elastičnosti u različitim smjerovima.

Pjene s otvorenim ćelijama imaju vrlo dobro definiranu granicu stlačivanja - Ret (engl. plateau stress) vidljivo na slici 3.3. Pri tom naprezanju ćelije počinju teći

33

METALNE PJENE

uslijed savijanja. Zatvorene ćelije pokazuju mnogo složenije ponašanje. Naprezanje veličine granice stlačivanja izaziva zgušnjivanje pjene sve do konačne deformacije zgušnjivanja (εD).

Empirijske veze između granice stlačivanja, deformacije zgušnjivanja i relativne gustoće prema /4/ izražene su u obliku:

( )m

et es

0,25 0,35R R ρ

= − ⋅ ρ

D 1s

1 ρ

ε ≈ − α ρ

gdje je: Re – granica tečenja materijala pjene, m – eksponent koji za metalne pjene iznosi od 1,5 do 2, a koeficijent α1 od 1,4 do 2,0.

Većina ispitivanja provodi se na aluminijskim ili niklenim pjenama budući da su one uglavnom prisutne u primjeni. Od aluminijskih pjena proučavaju se sljedeće vrste: CYMAT, ALPORAS, ERG Duocel, ALULIGHT i IFAM. Omjer visine i debljine uzorka mora biti veći od 1,5, dok omjer veličine uzorka i veličine ćelije mora biti veći od 7 kako bi se izbjegao utjecaj veličine uzorka na rezultate ispitivanja. Budući da proizvođači isporučuju materijal raznih dimenzija, vrlo je važan način na koji se rezanjem dobiva manji uzorak iz većeg komada materijala. Danas se preporučuju tri postupka rezanja. To su: rezanje tračnom pilom nakon kojeg slijedi obrada površine, rezanje dijamantnom oštricom ili odvajanje elektroerozijskom obradom. Postupci obrade površine ne utječu previše na rezultate ispitivanja. Gustoća pojedinog uzorka određuje se vaganjem uzorka i mjerenjem njegovih dimenzija. Veličina ćelije prikazuje se prosjekom izmjerenih duljina, dok se kompozicija stijenke ćelije određuje valnom duljinom disperziranih x-zraka. Volumni udio pojednih faza u mikrostrukturi moguće je odrediti iz slike dobivene scanning elektronskim mikroskopom. Na volumni udio pojednih faza dosta utječe postupak izrade i sušenja metalnih pjena. Često se prilikom tih ispitivanja izrađuju urezi na uzorcima na posebno konstruiranim uređajima, a veličina ureza mjeri se svjetlosnim mikroskopom. Kod tako pripremljenih uzoraka opisuje se granica razvlačenja kao trećina izmjerene tvrdoće. Ispitivanje urezima teško je provedivo kod pjena s otvorenim ćelijama tako da se kod njih granica razvlačenja izjednačuje s granicom razvlačenja materijala od kojeg je pjena napravljena. Na temelju najmanje 300 ćelija određuje se zakrivljenost stijenki sljedećim izrazima:

12

4θ 4 tan AL

− ⋅ = ⋅

θsin2 2

LR

= ⋅

34


pri čemu je: L – duljina tetive, A – trokutasta površina, θ – kut i R – polumjer zakrivljenosti.

Slika 3.4 prikazuje način karakterizacije geometrije stijenke ćelije.

Slika 3.4. Veličine za karakterizaciju zakrivljenosti i naboranosti stijenki ćelije /11/

Naboranost se određuje na temelju duljine L, prosječne amplitude α i na temelju broja nabora. Također se izračunavaju normalizirana amplituda α/L i normalizirana frekvencija L/λ. Podaci utvrđeni takvim istraživanjima navedeni su u tablicama 3.2. i 3.3. Uz podatke o geometriji ćelija navedene su i vrijednosti relativnog smanjenja modula elastičnosti i čvrstoće. Tablica 3.2.: Veličine ćelija i zakrivljenosti stijenki ćelija aluminijskih pjena /11/

Pjena Veličina ćelije, mm Prosjek L/2R E/E01) 95 % L/2R Rm/Rm0

2) ERG 2,5 – – – – Alcan 3 % 13,2 0,33 0,52 0,69 0,15 Alcan 6 % 7,5 0,28 0,62 0,62 0,34 Alcan 14 % 3,4 0,34 0,66 0,64 0,48 Alporas 4,5 0,21 0,72 0,56 0,45 Alulight 4,2 0,37 0,63 0,74 0,32 Fraunhofer 2,6 – – – – 1) Relativno smanjenje modula elastičnosti, 2) Relativno smanjenje čvrstoće

Tablica 3.3.: Amplituda i frekvencija naboranosti stijenki ćelija aluminijskih pjena /11/

Pjena Prosjek L/λ Prosjek α/L E/E0 95 % L/λ 95 % α/L Rm/Rm0 Alcan 3 % 1,67 0,067 0,46 3,0 0,05 0,71 Alcan 6 % 1,14 0,058 0,65 3,2 0,19 0,22

35

METALNE PJENE

Na slici 3.5. vidljiva je građa metalnih pjena na kojima su provedena ispitivanja geometrije ćelija.

Slika 3.5. Fotografije građe metalnih pjena na kojima su obavljana ispitivanja /11/

Ispitivanja s tlačnim opterećenjima obavljana su na kockastim uzorcima duljine brida 25, 40, 45 ili 50 mm. Ovisno o vrsti metalnih pjena uzorci su opterećeni okomito ili paralelno na os izduženja ćelija. Kod ALCAN pjena uzorci su opterećivani u smjeru kojim su metalne pjene izvučene pomičnom trakom (konvejerom), u smjeru debljine uzorka i u smjeru okomitom na smjer izvlačenja pomičnom trakom. Ispitivanje se provodi tako da se uzorak deformira između dvije ploče pod opterećenjem od 50 kN. Deformacija uzoraka mjeri se ekstenzimetrima i na temelju njih se izračunava Poissonov faktor. Pri manjim deformacijama brzina iznosi 0,01 mm/s, a pri većim i do 0,05 mm/s.

Slika 3.6. Krivulje “naprezanje-deformacija” pod tlačnim opterećenjem aluminijskih pjena; a) do deformacije od 5 %; b) pri većim deformacijama /11/

Iz dijagrama na slici 3.6. može se zaključiti kolike su deformacije uzoraka pri najvećim opterećenjima za svaki tip aluminijskih metalnih pjena. Kod ove vrste ispitivanja često se daju i grafikoni ovisnosti relativne gustoće o modulu elastičnosti ili

36


o omjeru granice stlačivanja pjene (Ret) i granice tečenja (Re) materijala, kao što je i prikazano na slikama 3.7. i 3.8.

Slika 3.7. Ovisnost relativnog modula elastičnosti o relativnoj gustoći /11/

Slika 3.8. Ovisnost omjera granice stlačivanja pjene (Ret) i granice tečenja materijala ćelija (Re) o relativnoj gustoći /11/

Na slici 3.9. prikazana je mikrostruktura metalne pjene prije i nakon ispitivanja

u uvjetima tlačnog opterećenja. Ovo ispitivanje je provedeno na uzorku dimenzija 2×2×3 cm3. Desna slika prikazuje stanje nakon 5 % stlačivanja i na njoj je jasno vidljivo deformiranje stijenki ćelija.

Slika 3.9. Mikrostruktura metalne pjene prije i nakon ispitivanja na tlak /12/

37

METALNE PJENE

Pjene na bazi nikla koriste se za izradu proizvoda koji moraju imati dobra električna svojstva (npr. dijelovi računala, mobitela, akumulatora itd.). Osim električnih takvi proizvodi moraju imati i vrlo dobra mehanička svojstva. Da bi se ostvarila dobra svojstva, nužno je poznavati vezu između građe (veličina, oblik ćelija itd.) i željenih svojstava. Za ispitivanje svojstava ovih vrsta pjena postoje dva modela. Prvi se temelji na mikromehaničkom proučavanju ponašanja konstituenata i ćelijaste građe iz čega slijede očekivana svojstva. Ispitivanja se provode na dvodimenzijskim i trodimenzijskim jedinicama koje imaju idealnu ćelijastu strukturu koja je prikazana na slici 3.10. Takvi modeli pogodni su i za određivanje tangencijalnih naprezanja u materijalu.

Slika 3.10. Anizotropna idealna ćelija korištena za analize ponašanja metalnih pjena u uvjetima mehaničkog opterećenja /13/

Drugi način analize svojstava metalnih pjena polazi od fenomenološkog pristupa kojim se stvaraju potpuno trodimenzionalni modeli koji se kasnije, pomoću metode konačnih elemenata, koriste za strukturne analize. Takvi modeli uzimaju u obzir i nehomogene deformacije u materijalu.

Slika 3.11. Ćelijasta građa Ni pjene /13/

38


Građa Ni pjena, prikazana na slici 3.11., slična je građi poliuretanske pjene koja je korištena kao osnova za nastajanje Ni pjene. Veličina ćelija kreće se od 400 µm pa sve do 1,2 mm. Debljina stijenki ćelija iznosi otprilike 10 µm. Na rezultate tlačnih ispitivanja mogu utjecati i neki drugi čimbenici koji su posljedica proizvodnog procesa (npr. debljina niklovog sloja nanešenog na poliuretansku pjenu). Za ispitivanja tlačnih svojstava koriste se diskovi promjera 20 mm koji su izrezani iz većih komada. Zbog ograničene debljine uzorka mogu se mjeriti jedino relativni pomaci ploča ispitnog uređaja.

Slika 3.12. Rezultati tlačnog ispitivanja Ni pjena različitih relativnih gustoćama i različitih veličina ćelija /13/

Iz dijagrama na slici 3.12. vidljivo je da je vrhunac dosegnut nakon gotovo linearnog režima nakon kojeg slijedi faza očvrsnuća. Krivulje prikazuju granicu stlačivanja nakon koje slijedi vidljivo omekšanje.

3.1.4. Vlačna čvrstoća

Ispitivanja se pod vlačnim opterećenjima provode na cilindričnim uzorcima ili na uzorcima u obliku kosti. Odvajanje i obrada uzoraka propisani su normom ASTM E8-96a kako bi se izbjegli lomovi u području vrata uzorka ili na krajevima koji se uglavljuju u uređaj za ispitivanje. Kao glavne dimenzije uzoraka uzimaju se promjer kod cilindričnog i debljina kod uzorka u obliku kosti. Omjer tih dimenzija i veličine ćelije mora biti veći od 7. Istezanje se uglavnom mjeri ekstenzimetrom koji se pričvršćuje na dio uzorka gdje dolazi do lomova. Ispitivanja vlačnih svojstava obavljana su na istim tipovima aluminijskih metalnih pjena koje su spomenute u prethodnom poglavlju. Prilikom ispitivanja ERG pjene korišteni su uzorci u obliku kosti duljine 90 mm i presjeka 20×20 mm. Opterećenje je zadano u dva smjera: okomito i paralelno na dulju os ćelija. Krajevi uzorka prevučeni su epoksidnom smolom kako bi se izbeglo drobljenje materijala. Osim toga na krajeve se mogu namotati i komadi papira i njihov

39

METALNE PJENE

učinak je isti. Opterećenje je zadavano brzinom 0,01 mm/s. Opterećenje na uzorak se ciklički ponavlja prije i poslije stvaranja incijalne napukline koja vodi do loma. Za mjerenje osnog istezanja uzorka koristi se ekstenzimetar duljine 50,8 mm, dok se za mjerenje poprečnog istezanja koristi ekstenzimetar duljine 12,7 mm. Modul elastičnosti može se izračunati iz nagiba krivulje “naprezanje-istezanje”, dok se Poissonov faktor računa pomoću izmjerenih vrijednosti istezanja. Slična ispitivanja provedena su na ALCAN i ALPORAS pjenama, samo što je u tom slučaju uzorak, koji je također u obliku kosti, dimenzija 25×25 mm i duljine 125 mm. Opterećenje je zadano paralelno na smjer izduženja ćelije. Rezultati vlačnog ispitivanja za Al pjene dani su u dijagramu na slici 3.13.

Slika 3.13. Dijagram naprezanje-istezanje Al pjena /11/

U literaturi postoje i rezultati drugih ispitivanja vlačnih svojstava Al pjena. Pomoću videoekstenzimetra zabilježne su deformacije uzorka s urezom i poprečno

istezanje uzorka bez ureza. Ponašanje pjene tijekom ispitivanja zabilježeno je digitalnom kamerom. Te fotografije služe kako bi se jasno vidjelo stvaranje incijalne napukline u materijalu, kao i njeno naglo širenje do konačnog loma. Uređaj za takva ispitivanja prikazan je na slici 3.14., a fotografije površina pjena na slici 3.15.

Slika 3.14. Uređaj za mjerenje produljenja pjene tijekom ispitivanja /14/

40


Slika 3.15. Fotografije površine ALPORAS pjene gustoće 400 kg/m3 tijekom ispitivanja /14/

Lijeva fotografija na slici 3.15. pokazuje stanje površine prije početka opterećenja, srednja fotografija pokazuje stvaranje inicijalne napukline pri istezanju od 3 %, dok desna fotografija pokazuje stvaranje lomne zone pri istezanju od 7 %.

Slika 3.16. Krivulja naprezanje-istezanje s udjelom lomne površine ALPORAS pjene (uzorci bez ureza) /14/

Iz krivulja na slici 3.16., koja pokazuje ponašanje uzoraka bez ureza, zaključuje se kako se aluminijske pjene ponašaju slično kao žilavi metali. Linearno-elastični dio krivulje vrlo je malen nakon kojeg slijedi veći dio u području plastičnosti. Rezultat je toga nehomogena raspodjela deformacija koja uzrokuje vrlo veliku deformaciju na nekim dijelovima površine uzorka. Inicijacija napuklina nekih ćelija vidljiva je na digitalnim fotografijama (slika 3.15.), a počinje blizu maksimalnog naprezanja. Daljnje

41

METALNE PJENE

istezanje dovodi do stvaranja zone loma. Modul elastičnosti smanjuje se s povećanjem istezanja; tako on pri istezanju od 0,5 % iznosi 3690 MPa, a pri istezanju od 5,2 % je 2360 MPa. Općenito se može reći da je modul elastičnosti u uvjetima tlačnog opterećenja ipak nešto veći nego u uvjetima vlačnog.

Slika 3.17. Odnos transverzalnog i longitudinalnog istezanja /14/

Iz mjerenih istezanja prikazanih dijagramom na slici 3.17., može se izračunati Poissonov faktor. Prosječni iznos Poissonovog faktora u uvjetima vlačnog opterećenja iznosi 0,35. Još jedno vlačno svojstvo koje se često istražuje je eksponent očvrsnuća n. On se izračunava pomoću nagiba krivulje na slici 3.18. u plastičnom području, a iznosi 0,34 za ALPORAS pjenu gustoće 250 kg/m3, što je manje nego kod čistog aluminija.

Slika 3.18. Krivulja naprezanje-istezanje u dvostrukom logaritamskom mjerilu korištena za izračunavanje eksponenta očvrsnuća /14/

42


Ispitivanja su provođena i na uzorcima s urezima različite debljine gdje je omjer b/W iznosio 0,8, 0,5 i 0,3. Vidljivo je da se najveće naprezanje i granica tečenja povećavaju s debljinom ureza. Prosječno istezanje smanjuje se s povećanjem debljine ureza. Krivulja naprezanje-istezanje za ovaj tip uzoraka prikazana je dijagramom na slici 3.19.

Slika 3.19. Krivulje naprezanje-istezanje urezanih uzoraka s omjerom b/W = 0,2, 0,5, 0,8 i 1,0 /14/

Rezultati vlačnog ispitivanja mogu se pratiti i laserskim ekstenzimetrom što je prikazano na slici 3.20. Laserska zraka prelazi po uzorku duž glavne osi, mjeri deformacije iz kojih se računa istezanje. Zbog nehomogenosti uzorka često se dobiva više krivulja u dijagramu naprezanje-istezanje, ovisno o zoni mjerenja.

Slika 3.20. Vlačno ispitivanje cilindra od Al-pjene korištenjem laserskog ekstenzimetra /15/

43

METALNE PJENE

U zaključku se može reći da je ponašanje ispitivanih pjena slično ponašanju žilavih metala. Linearno područje dosta je malo te se i prijelaz u plastično područje događa pri nešto nižim naprezanjima, što se objašnjava nehomogenom građom na koju utječu pogreške u stijenkama ćelija.

U nastavku će se opisati svojstva niklenih metalnih pjena u uvjetima vlačnog opterećenja. Opterećenja se na tu vrstu pjena zadaju u dva smjera: u smjeru valjanja (RD) i u poprečnom smjeru (TD). Način rezanja uzoraka iz većeg komada neće bitnije utjecati na mehanička svojstva. Krivulja prikazana na slici 3.21., pokazuje nam ponašanje Ni pjena u uvjetima vlačnog opterećenja u oba smjera.

Slika 3.21. Eksperimentalno i simulirano ponašanje Ni pjena pod vlačnim opterećenjem /13/

U ovom prmjeru teško je odrediti elastični dio krivulje tako da se uvjeti rasterećenja postavljaju već na početku ispitivanja kako bi se mogao izračunati modul elastičnosti. To je prikazano na slici 3.22.

Slika 3.22. Uvjeti rasterećenja na početku ispitivanja potrebni za izračunavanje modula elastičnosti /13/

44


Pjene na bazi nikla pokazuju anizotropno elastoplastično ponašanje što znači da im je duktilnost u TD smjeru ispitivanja dvostruko veća, nego u RD smjeru. Na sljedećem dijagramu (slika 3.23.) prikazana je ovisnost maksimalnog naprezanja, pri kojem dolazi do loma materijala, o relativnoj gustoći.

Slika 3.23. Ovisnost vlačnog naprezanja o relativnoj gustoći Ni pjena /13/

3.1.5. Ponašanje pri promjenjivom opterećenju - umor

Uzrok umoru materijala veliki je broj ciklusa opterećenja koje se neprestano ponavlja. Nakon nekog vremena izloženosti dolazi do stvaranja inicijalne napukline, širenja napuklina u materijalu i konačno do loma. Značajka koja pokazuje otpornost materijala na umor naziva se dinamička izdržljivost. Umoru su izložene i metalne pjene. Ciklička opterećenja mogu biti tlačnog i vlačnog karaktera i oba načina variraju od minimalne σd do maksimalne σg vrijednosti kao što je pokazano na slici 3.24. U tom je slučaju uzorak cilindričnog oblika.

Slika 3.24. Vrste dinamičkih opterećenja /4/

45

METALNE PJENE

Za uobičajene se metalne materijale smatra da na vijek trajanja u uvjetima cikličkog opterećenja ne utječe učestalost ponavljanja opterećenja u normalnim uvjetima. Ako se sve to događa u korozivnom mediju, vijek je trajanja materijala znatno kraći. Pretpostavlja se kako ta pravila vrijede i za metalne pjene. Poznata su tri tipa ponašanja metalnih pjena: Tip 1. Iako se u materijalu akumuliraju deformacije, nisu vidljivi znaci širenja lomnog područja. Na dijagramu na slici 3.25. prikazana je ovisnost deformacije izazvane tlačnim opterećenjima o broju ciklusa ponavljanja.

Slika 3.25. Skraćenje Duocel Al--6101-T6 pjene u uvjetima umora izazvanog tlačnim opterećenjima /4/

Tip 2. Lomna područja stvaraju se na nepredvidivim unutarnjim stranama materijala.

Napukline prvo nastaju na najslabijem dijelu, a trajanjem opterećenja lomna područja se razvijaju po cijelom materijalu. Ovaj tip ponašanja prikazuje slika 3.26.

Slika 3.26. Tip 2 ponašanja metalnih pjena u uvjetima dinamičkog opterećenja /4/

46


Tip 3. Zbog djelovanja opterećenja stvara se jedna napuklina u obliku trake i širi se preko cijelog materijala što je vidljivo na slici 3.27.

Slika 3.27. Tip 3 ponašanja metalnih pjena u uvjetima dinamičkog opterećenja /4/

Ispitivanja se obavljaju na cilindričnim uzorcima. Opterećenja, koja su u ovom ispitivanju tlačna, variraju između minimalne i maksimalne vrijednosti. Frekvencija ispitivanja bila je u rasponu od 3 do 10 Hz. Svi uzorci su predopterećeni naprezanjem od 0,1 MPa. Broj ciklusa kod svih uzoraka iznosio je 3×106, dok su maksimalna naprezanja iznosila između 50 % i 80 % utvrđene vrijednosti tlačne čvrstoće. Porast deformacije pod cikličkim opterećenjem pokazuje slika 3.28.

Slika 3.28. Deformacija AlSi7 pjene (gustoće 550 kg/m3) pod maksimalnim promjenjivim naprezanjem od 4,6 MPa /18/

Istraživanja su pokazala da incijalna deformacija nastala zbog predopterećenja iznosi 1 mm. Materijal se dobro ponaša nekih 104 do 105 ciklusa nakon čega dolazi do naglog tečenja metalne pjene i deformacije od nekoliko milimetara. Nakon toga defomacija se smanjuje no propadanje materijala se nastavlja. Budući da se koncept umora zasniva na propagaciji napuklina kroz materijal, njegovo proučavanje kod metalnih pjena otežano je zato što su one pune pora. Do stradanja pjena dolazi zbog

47

METALNE PJENE

nepravilnosti u stijenci materijala koje se pod opterećenjem šire na susjedne ćelije. Zadaća ovakvih ispitivanja je, između ostalog, određivanje dinamičke izdržljivost iz Wöhlerove krivulje (slika 3.29.). Istraživanja pokazuju kako vrijednosti dinamičke izdržljivosti Al pjena najčešće iznose od 75-95 % vrijednosti tlačne čvrstoće. U opisivanju umora postoje brojne poteškoće kao što su npr. činjenice da vrijednosti tlačne čvrstoće dosta variraju u ovisnosti o građi, kao i da lom pri promjenjivom opterećenju jako ovisi o uređenju ćelija ili gustoći mikronapuklina i dr.

Slika 3.29. Rezultati ispitivanja na umor AlSi7 pjene. Ispunjeni kvadratići < 3×106 ciklusa; prazni kvadratići – nema loma ni nakon 3×106 ciklusa /18/

Rezultati ispitivanja uglavnom se prikazuju krivuljama “naprezanje-broj ciklusa” (tzv. S-N krivulje). One pokazuju odnos konstantnog naprezanja, bilo tlačnog ili vlačnog, i broj ciklusa ponavljanja opterećenja. Kod vlačnog opterećenja uzima se broj ciklusa kod kojeg dolazi do loma uzorka, a kod tlačnog opterećenja broj ciklusa kod kojeg dolazi do ubrzanog skraćenja uzorka. S-N krivulje za više vrsta metalnih pjena prikazane su dijagramima na slici 3.30.

a)

48


b)

c)

d)

Slika 3.30. a) S-N krivulje za tlačno i vlačno promjenjivo opterećenje ALPORAS pjene relativne gustoće 0,11; b) S-N krivulje za tlačno promjenjivo opterećenje ALULIGHT pjene relativne gustoće 0,1; c) S-N krivulje za tlačno i vlačno promjenjivo opterećenje ALCAN pjene relativne gustoće 0,1 i 0,5; d) S-N krivulje za tlačno i vlačno promjenjivo opterećenje DUOCEL Al-6106-T6 pjene relativne gustoće 0,08 /4/

49

METALNE PJENE

Iz tih dijagrama vidljivo je kako se broj ciklusa do loma povećava sa smanjenjem nivoa opterećenja. Zaključuje se kako metalne pjene imaju zadovoljavajuću dinamičku izdržljivost sve do broja ciklusa 1×107. Vijek trajanja pjena u uvjetima umora više ovisi o maksimalnom naprezanju kojem su izložene, nego o razlici minimalnog i maksimalnog naprezanja. Čvrstoća u uvjetima vlačnog opterećenja ipak je nešto manja nego, ona kod tlačnog opterećenja. Dinamička izdržljivost pjena na bazi aluminija približno je jednaka onoj koju imaju neporozne aluminijske legure.

Slike 3.31. i 3.32. također pokazuju ponašanje ALPORAS pjene u uvjetima promjenjivog opterećenja.

Slika 3.31. Ponašanje Alporas pjene u uvjetima tlačnog promjenjivog opterećenja /19/

Unutar faze I. događaju se manje deformacije, unutar faze II. dolazi do akumulacije minimalnih deformacija, a faza III. predstavlja akumulaciju velikih deformacija sve do loma materijala.

50


Slika 3.32. Ovisnost deformacije pri maksimalnom opterećenje o broju ciklusa /19/

Slika 3.33. S-N krivulje tlačnog promjenjivog opterećenja /19/

51

METALNE PJENE

Promatranje ćelija pokazuje kako tijekom ispitivanja dolazi do savijanja kao i do loma stijenki nekih ćelija. Neke stijenke imaju velik broj napuklina koje su slične napuklinama u stijenkama ćelija tokom ispitivanja u uvjetima vlačnog opterećenja. Stanje ćelija nakon deformiranja pokazuje slika 3.34.

Slika 3.34. Prikaz ćelija nakon deformacije od 18 % zabilježen skening elektronskim mikroskopom /19/

Smatra se kako u drugoj fazi ispitivanja nastaju napukline u stijenci ćelija koje smanjuju čvrstoću ćelija i na taj način pogoduju razvijanju mehanizma mekšanja materijala. Umor se unosi deformacijom stijenki što se nekada događa čak i unutar prve faze. Plastična deformacija stijenki glavni je uzrok pojavi lomova uslijed umora kod ove vrste pjena.

Osjetljivost na ureze

Prilikom konstruiranja mnogi dijelovi imaju neki oblik ureza ili su u njemu prisutni provrti. To osigurava njihovu funkcionalnost, mogućnost spajanja s drugim dijelovima itd. Vrlo je važno utvrditi kako se metalne pjene ponašaju u slučajevima postojanja ureza ili provrta kako bi se potpuno mogla definirati njihova konstrukcijska primjena. Ako je opterećenje statički tlačno, pjene nisu osjetljive na ureze ili provrte, što je i eksperimentalno potvrđeno (slika 3.35.), a može se izraziti formulom:

( )( )mt 1R Dσ = ⋅ − W

gdje je: σ – nominalno naprezanje, Rmt – tlačna čvrstoća, W – širina ispitivane ploče i D – promjer provrta.

52


Slika 3.35. prikazuje čvrstoću metalnih pjena u slučaju postojanja provrta.

Slika 3.35. Čvrstoća kod postojanja provrta u uvjetima tlačnog i vlačnog opterećenja. Ispitivani materijali nisu osjetljivi na ureze /4/

Kod određivanja osjetljivosti na ureze u uvjetima tlak-tlak promjenjivog opterećenja potrebno je odrediti maksimalno naprezanje na uzorku s urezom ili provrtom, a na osnovi geometrije uzorka i maksimalnog naprezanja na uzorku bez ureza:

( )( )max,p max,bp1 D Wσ = − ⋅ σ

gdje je: σmax,p – maksimalno naprezanje uzorka s provrtom, a σmax,bp – maksimalno naprezanje uzorka bez provrta.

Mogu se pojaviti dva moguća mehanizma loma: žilavo ponašanje; plastičnost u blizini provrta dovoljna je da razgradi koncentraciju elastičnih naprezanja koja može dovesti do loma, ili krhko ponašanje kada do loma dolazi na rubu provrta zato što su se lokalna naprezanja izjednačila s vlačnom čvrstoćom. Slika 3.36. pokazuje čvrstoću u uvjetima promjenjivog tlačnog opterećenja pjena s provrtom.

53

METALNE PJENE

Slika 3.36. Urezna čvrstoća u uvjetima tlačnog promjenjivog opterećenja (R = 0,1) uz praktički beskonačan broj ciklusa na pjenama s provrtom /4/

3.1.6. Ponašanje pri puzanju

U ovom poglavlju bit će opisano ponašanje metalnih pjena pri povišenim temperaturama. Kao što je već poznato na visokim se temperaturama bitno mijenjaju mehanička svojstva svih metalnih materijala. Dolazi do sniženja granice razvlačenja, modula elastičnosti i dinamičke izdržljivosti te do povišenja istezljivosti i žilavosti, te često i do puzanja materijala. Puzanje se pojavljuje na temperaturama koje su više od 1/3 tališta promatranog materijala koji je istodobno izložen konstantnom opterećenju. S povećanjem vremena izloženosti navedenim uvjetima deformacija je sve veća. Puzanje metalnih pjena nužno je proučiti zato što se one vrlo često koriste kao jezgre sendvič-konstrukcija koje su u eksploataciji izložene visokim temperaturama. Puzanje pjena modelirano je korištenjem saznanja o izobličenju i istezanju stijenki ćelija zbog puzanja. Danas postoje i matematički modeli koji opisuju proces puzanja kod metalnih pjena. Pretpostavlja se da je brzina puzanja pjene u drugom stadiju ovisna o početnoj brzini puzanja i nametnutom naprezanju, a određena je sljedećim empirijskim izrazom /21/:

n*0

0

* σε = ε ⋅ σ

gdje je: ε* – brzina puzanja u drugom stadiju, σ – primjenjeno naprezanje, dok su: – početna brzina puzanja

*0ε

, n – eksponent puzanja, σ0 – referentno naprezanje svojstva materijala (vidi tablicu 3.4.).

54


Početna brzina puzanja ( ε )*0 povezuje se s energijom (Q) potrebnom za aktivaciju

procesa puzanja i to sljedećom relacijom:

*0 exp QA

R T ε = ⋅ − ⋅

gdje je: Q – aktivacijska energija, A – konstanta, R – plinska konstanta i T – apsolutna temperatura.

Tablica 3.4.: Parametri puzanja pojedinih metala

Materijal n σ0 Q, kJ/mol

Aluminij 4,4 0,12 142 Nikal 4,6 0,50 284 Austenitni čelik (AISI - 316L) 7,9 33,5 270

Relativna brzina u II. fazi puzanja za pjene s otvorenim ćelijama prema /21/ iznosi:

( ) ( )

*00

n 3n 1 / 2* s1,7 2n 10,6n 2 n

+⋅ + ρ ε σ= ⋅ ⋅ + σ ρε

gdje je: ε* – brzina puzanja u drugom stadiju, ρ/ρs – relativna gustoća, σ – naprezanje i n – eksponent puzanja.

Relativna brzina istezanja u drugoj fazi puzanja za pjene sa zatvorenim ćelijama prema /21/ iznosi:

( )( )

03n 1 2* 1 n

0

s s

*

1 n 2 n 2 11,7 0,6 2n 1 3

+

σ σε

= ε + ρ ⋅ ⋅ ⋅ φ ⋅ + ⋅ − φ ⋅ + ρ ρ

ρ

gdje je φ volumni udio čvrstog materijala u stijenci ćelija.

Ispitivanje je obavljano na ALPORAS pjeni gustoće 235,2 kg/m3. Ta se pjena također koristi kao jezgra sendvič-konstrukcija koje su izložene povišenoj temperaturi. Veličina ćelija ispitivane pjene dosta varira, no prosječno je iznosila 4,5 mm, dok je debljina stijenki bila 82 µm. Kao i kod većine pjena primijećene su neke nepravilnosti u njezinoj građi. Temperatura solidusa iznosi 615 °C, a temperatura likvidusa 660 °C.

55

METALNE PJENE

Zbog nedostatka podataka pretpostavlja se kako su eksponent n i iznos aktivacijske energije Q jednaki kao kod čistog aluminija. Temperature na kojima je obavljano ispitivanje bile su manje od 0,67 iznosa temperature tališta. Ispitivani uzorak je bio dimenzija 25×25×50 mm. Puzanje pjena dosta ovisi o gustoći uzorka tako da prilikom ispitivanja valja smanjiti varijacije u gustoći uzoraka što je više moguće. Naprezanja su iznosila od 0,25 MPa do 0,68 MPa, dok je temperatura varirala između 260 °C i 350 °C. Ovisno o iznosu opterećenja i temperature ispitivanja do pojave loma trajala su od 0,5 sati do 500 sati. Slika 3.37. pokazuje krivulje puzanja ALPORAS pjene u uvjetima vlačnog i tlačnog opterećenja.

Slika 3.37. Krivulje puzanja ALPORAS pjene u uvjetima vlačnog i tlačnog opterećenja /21/

Pojava puzanja u uvjetima vlačnog opterećenja sastoji se od primarnog, sekundarnog i tercijarnog stadija. Lom materijala javlja se u tercijarnom stadiju. Do loma uzorka najčešće dolazi pod kutem od 45° u odnosu na smjer djelujućeg opterećenja (slika 3.38.).

56


Slika 3.38. Lom uzorka zbog puzanja u uvjetima vlačnog opterećenja /21/

U uvjetima tlačnog opterećenja brzina puzanja povećava se u drugom stadiju, da bi se nakon nekog vremena počela smanjivati. Smatra se da je povećanje brzine puzanja uzrokovano propadanjem ćelija i stvaranjem slomljenih traka. Daljnje sekundarno puzanje uzorka događa se dalje od tih traka te se zbog toga smanjuje i deformacija.

Slika 3.39. Ovisnost brzine sekundarne deformacije o naprezanju ALPORAS pjena na konstantnoj temperaturi od 300 °C /21/

Slika 3.40. Ovisnost brzine puzanja o inverznoj vrijednosti temperature ALPORAS pjena pri konstatnom opterećenju od 0,42 MPa /21/

57

METALNE PJENE

Na prethodnim dijagramima (slike 3.39. i 3.40.) vide se iznosi brzina deformacije pri konstantnom optrerećenju i temperaturi. Eksponent puzanja (n) iznosi 5,4 kod tlačnog opterećenja i 3,9 kod vlačnog pri nižim naprezanjima, te 15 kod tlačnog i 14,4 kod vlačnog opterećenja pri višim iznosima naprezanja. Pri nižim temperaturama aktivacijska energija iznosi 62,4 kJ/mol kod tlačnog opterećenja i 133,1 kJ/mol kod vlačnog, dok pri višim temperaturama iznosi 555,4 kJ/mol kod tlačnih i 404 kJ/mol kod vlačnih opterećenja. Kod ovog ispitivanja koje je obavljano pri temperaturama od 260 °C do 350 °C smatra se kako aktivacijska energija iznosi 71 kJ/mol. Vrijeme nakon kojeg dolazi do loma materijala pri tlačnom ili vlačnom opterećenju određeno je tzv. Monkman-Grantovom relacijom /21/:

( ) ( )r*log mlog ε log Bt + =

gdje je: tr – vrijeme do loma, ε*– brzina puzanja u drugom stadiju, m = 0,96 (tlak) i 0,91(vlak), B = –1,34 (tlak), i B = –1,35 (vlak).

Iz ovog izraza vidljivo je da je vijek trajanja pri vlačnom opterećenju nešto manji, nego pri tlačnom. Ovisnost vremena pri kojem dolazi do loma i brzine puzanja pokazuje slika 3.41.

Slika 3.41. Ovisnost vremena do loma i brzine puzanja /21/

Zaključeno je da nehomogenost metalnih pjena ne utječe na mehanizme puzanja, ali je jasno vidljivo da se s povećanjem homogenosti povećavaju i vrijednosti značajki mehaničkih svojstava metalnih pjena pri povišenim temperaturama.

58


3.1.7. Apsorpcija energije udara

Mogućnost apsorpcije energije udara jedno je od najzanimljivijih uporabnih svojstava pjena. Posebno je izražen interes industrije transportnih sredstava koja izrađuje mnoge dijelove vozila koji u eksploataciji mogu biti izloženi udarnim opterećenjima (npr. branici, nosači motora itd.). Također je to svojstvo zanimljivo prilikom izrade pakirne ambalaže koja tokom transporta može biti izložena udarima.

Gibson i Ashby pretpostavili su, na osnovi odnosa relativnih naprezanja tečenja i relativne gustoće, da do plastičnog kolapsa ćelija dolazi kada moment izazvan tlačnim opterećenjem prekorači moment plastičnosti čvorova ćelija. Prema /60/ odnos između relativnog naprezanja tečenja i relativne gustoće iznosi:

3 2et

e sCR

R ρ

= ⋅ ρ

gdje je: Ret – granica stlačivanja pjene, Re – granica tečenja materijala ćelija, ρ – gustoća pjene, ρs – gustoća materijala stijenki ćelija i C – konstanta.

Slika 3.42. prikazuje empirijsku vezu između relativnog naprezanja tečenja i relativne gustoće za različite vrste komercijalnih pjena, prema kojoj konstanta C iznosi 0,3 kao i kod poliuretanskih pjena.

Slika 3.42. Omjer između relativnog naprezanja tečenja i relativne gustoće /23/

Apsorpcija energije udara po jedinici volumena (W) može se prikazati sljedećom relacijom:

( )0

W dε

= σ ε∫ ε

gdje je: σ – naprezanje, a ε – deformacija.

59

METALNE PJENE

Prosječne vrijednosti apsorpcije energije udara po jedinici volumena za ALPORAS pjenu pri deformaciji od 55 % za statičko i dinamičko opterećenje iznose 1,0 MJ/m3 i 1,51 MJ/m3. Iz toga je vidljivo kako je apsorpcija za 50 % veća pri dinamičkom opterećenju.

Kao što je već spomenuto, apsorpcija energije udara vrlo je važna kod izbora materijala za izradu pakirne ambalaže koja može biti izložena udarnim opterećenjima (slika 3.43). Tu je bitno da granica stlačivanja (Ret) bude tek nešto manja od naprezanja pri kojem dolazi do loma materijala, odnosno do dosizanja kritične deformacije zgušnjavanja (εD). Površina ispod krivulje Ret – εD pokazuje kolika se količina energije udara može apsorbirati (slika 3.43.).

Slika 3.43. Krivulje koje prikazuju apsorpciju energije pri savijanju (a) i tlaku (b) /4/

Slika 3.44. pokazuje primjer padajućeg (udarno opterećenog) paketa obloženog pjenom.

Slika 3.44. Objekt obložen metalnom pjenom

Objekt mase m, obložen pjenom debljine h može podnijeti kritično usporenje a*

(negativnu akceleraciju), pri čemu maksimalna dopuštena sila iznosi:

*F m a= ⋅

Ako kontaktna površina između pjene i pakiranog objekta iznosi A, tada će do uništenja pjene doći pri sili:

etF A= σ ⋅

gdje je σ – naprezanje stlačivanja. et

60


Iz toga se može izračunati potrebna granica stlačivanja pjene:

et

*m aRA⋅

≤

Apsorpcija po jedinici volumena W izračunava se na sljedeći način:

et DW R= ⋅ ε

Na kraju je nužno odrediti i debljinu paketa pjene koja je potrebna za apsorpciju ukupne kinetičke energije (mv2/a*).

2

et D

12

mvhE A

= ⋅ε

Kod tlačno opterećenih cijevi, ispunjenih metalnom pjenom i zatvorenih na jednom

kraju, dolazi do savijanja ćelija koje stvaraju nakupine u obliku prstena. Kada se cijela cijev deformira, te nakupine dolaze u međusobni kontakt. I za ovaj oblik materijala vrijede dijagrami apsorpcije energije udara prikazani na slici 3.43.

Da se metalne pjene kao materijal koji apsorbira energiju udara već ispituju u industriji pokazuje sljedeći primjer. BMW je napravio niz udarnih testova na nosaču motora koji ima jezgru od metalne pjene. Nosač je udaren masom od 885 kg pri brzini od 30 km/h. Napravljen je kao sendvič-ploča u kojoj su vanjski limovi napravljeni od čelika, a jezgra od pjene AlSiMg. Nakon testa gustoća u aluminijskoj pjeni nehomogeno je raspoređena u aksijalnom smjeru zbog dinamičkih procesa. Napravljen je simulirani model udara numeričkim metodama (slika 3.45.).

Slika 3.45. Udarni test nosača motora BMW-a /24/

61

METALNE PJENE

3.1.8. Propagacija udarnog vala

Udarni val širi se kroz metalnu pjenu nakon što je ona izložena udaru relativno velikim brzinama. Širenjem vala raste naprezanje do granice stlačivanja Ret. pjene.

Slika 3.46. Krivulja naprezanje-deformacija metalne pjene /4/

Krivulja na slici 3.46. prikazuje kako metalna pjena prije udara ima granicu stlačivanja pri deformaciji zgušnjavanja εD. Nakon udara naprezanje raste iznad granice stlačivanja i pjenom se širi plastični udarni val. Elastični val širi se brzinom vel, a naprezanje raste do σ : et

tpl

Ev =

ρ

Plastični val širi se brzinom vpl pri čemu naprezanje raste od do vrijednosti σ u točki D.

etσ D

Skok naprezanja sa σ na σ iznosi: et D

( )D et plv vσ − σ = ρ D

( )D et tpl

D

Ev

σ − σ= ≡

ρε ρ

( )D ett

DE

σ − σ=

ε

gdje je: vD – brzina u točki D, a Et – tangencijalni modul (vidi spojnicu U-D na slici 3.45.)

Brzina prijelaza (vt), kod koje može doći do udara, ponajprije ovisi o relativnoj gustoći i iznosi:

62


1 2 1 4 1 2e

t 1s s s

0,1CR

v ρ ρ

= α ρ ρ ρ

−β

gdje su: α i β – koeficijenti koji iznose 0,8 i 1,75, C1 – koeficijent koji se bira proizvoljno (npr. 0,3), Re – granica tečenja materijala ćelija i ρ/ρS – relativna gustoća.

Ako se kao primjer uvrste sljedeće vrijednosti: ρ/ρS = 0,15; C1 = 0,3; Re = 200 MPa i ρS = 2700 kg/m3, dolazi se do brzine od 21,5 m/s. Za mnoge primjene zemaljskog transporta brzine udara mnogo su manje od te vrijednosti, pa se može konstatirati da kvazistatička čvrstoća zadovoljava u konceptualnoj fazi konstruiranja.

3.1.9. Ojačane aluminijske pjene

Tijekom proizvodnje formiraju se slučajne raspodjele šupljina različitih oblika, a neizbježno je i nastajanje guste površinske kore, koja značajno poboljšava savojnu krutost i izgled pjene. S druge strane, ta kora sadrži često nevidljive napukline i praznine koje mogu inicirati prijevremen lom pjene, naročito pri vlačnom opterećenju i kada su povoljni uvjeti za stvaranje napuklina u visokoporoznom materijalu. Zbog toga je vlačna čvrstoća aluminijskih pjena nedovoljna za efikasniju uporabu za jače opterećene konstrukcijske dijelove, iako je omjer krutosti i težine odličan (slike 3.47. i 3.48.).

Slika 3.47. Parametar S - omjer krutost/masa za različite materijale i opterećenja (E - modul elastičnosti, ρ - gustoća, 100 %-vrijednost za čelik) /66/

63

METALNE PJENE

Slika 3.48. Parametar R - omjer čvrstoća/masa za različite materijale i uvjete opterećenja (Re - granica tečenja materijala, ρ - gustoća, 100 %-vrijednost za čelik ) /66/

Rast napuklina u stijenkama ćelija može se spriječiti ojačanjem pjena, slično kao kod ojačanja betona. Za ojačanje Al pjena rabe se različiti oblici mreža od nehrđajućih čelika (slika 3.49.). Ako materijal ojačanja ima viši modul elastičnosti i dovoljnu granicu tečenja, naprezanja se prenose s pjene na ojačavajući element i postojeća napuklina u ćeliji postaje neaktivna.

mreža istegnuta mreža pletena mreža štancani lim

Slika 3.49. Oblici mreža od nehrđajućeg čelika za ojačanje Al pjena

Naprezanje koje uzrokuje tečenje ili čak površinski lom aluminijskih pjena, može se smanjiti ulaganjem ojačanja, naročito ako su postavljena na vlačno opterećenu površinu. Na taj način dolazi do značajnog povećanja čvrstoće, kapaciteta apsorpcije energije uz neznatno povećanje težine (oko 20-30 %). Dio od pjene moguće je ojačati u onom smjeru gdje se očekuje najveće opterećenje i tako maksimalno optimalizirati svojstva u odnosu na težinu. Također se ojačanja koriste za poboljšanje savojne krutosti sendviča kada je ograničena debljina limova.

64


U postupku gdje se ojačanje stavlja na donju stranu kalupa, prilikom ekspanzije pjene ojačanje se pomiče prema površini gdje se stapa s pjenom. Tekuća pjena reagira s ojačanjem tvoreći metalnu vezu. Kvaliteta te veze ovisi o kemijskom sastavu oba materijala i može se kontrolirati vremenom kontakta između taljevine i ojačanja te pripremom površine ojačanja. Ovim tipom metalne veze dobivaju se značajna poboljšanja mehaničkih svojstava i toplinske stabilnosti u odnosu na lijepljene ili zavarene sendvič-konstrukcije. U odnosu na tipične kompozite s metalnom matricom ovdje gornji sloj ne predstavlja najslabiju kariku zbog toga što obično ima bolja svojstva od visokoporozne i krhke AlSi12 pjene. Ojačanja sprečavaju izlazak plina iz pjene prilikom hlađenja pa imaju stabilizirajući efekt. Također ojačanja povećavaju debljinu površine, pojednostavljuju spajanje jer je moguće zavarivanje, i omogućavaju određeno oblikovanje.

Dijelovi od metalnih pjena mogu biti ojačani ovisno o smjeru u kojem se očekuje najveće opterećenje, štedeći tako na troškovima ojačanja i težine materijala. Velika prednost ovog procesa proizvodnje ojačanih metalnih pjena je u tome što se izvodi u jednoj tehnološkoj operaciji što smanjuje troškove i pojednostavljuje proizvodnju.

Ploče različite poroznosti napravljene od legura AlSi12 i AlMg1Si0,6, ojačane su s jedne ili obje strane mrežom od istegnutog nehrđajućeg čelika (slika 3.49.). Veličina pojedinih otvora mreže je 6x3 mm, a specifična težina 3,4 kgm-2. Uzorci za ispitivanje izrezani su iz ploča u dva smjera: s uzdužnom i poprečnom orijentacijom ojačanja (slika 3.50.).

Slika 3.50. Orijentacija ojačanja mreže od istegnutog austenitnog čelika /66/

Na uzorcima je provedeno ispitivanje na savijanje u četiri točke. Veličina uzoraka je 10x12x100 mm (visina x širina x dužina). Korišteno je ispitivanje u četiri točke zbog toga što je pogodnije za materijale s heterogenom strukturom zbog bolje raspodjele momenta savijanja. Ojačanja su postavljena na tlačno ili vlačno opterećenu površinu pjene. Za usporedbu ispitivane su i pjene bez ojačanja. Savojna krutost B izračunata je iz nagiba krivulje “opterećenje-pomak” prema:

( )c 2 21 3 448

FB E I l c

yε= ⋅ = ⋅ ⋅ −

65

METALNE PJENE

gdje je: E (MPa) – modul elastičnosti, I (mm4) – poprečni moment inercije, Fc (N) – opterećenje koje uzrokuje pomak yε (mm), l i c – razmak između uporišta (l = 70 mm i c = 20 mm u ovom primjeru).

Da bi se dobio linearni dio krivulje opterećenje-pomak, primijenilo se kratko rasterećenje kada je postignuta deformacija od ε = 0,1. Otklon je mjeren u sredini uzorka elektroničkim ekstenziometrom. Brzina je iznosila 2 mm/min. Naprezanje je izračunato prema izrazu:

c2

6Fbh

σ =

gdje je b širina, a h visina ispitnog uzorka.

Slika 3.51. prikazuje ponašanje AlSi12 sa i bez ojačanja prilikom ispitivanja na savijanje. Poroznost pjene približno je ista. Ojačanje je postavljeno na donju ili na gornju stranu ispitnog uzorka, pa vidimo da je savojna krutost gotovo dvostruko veća, dok je težina uzorka porasla za oko 30 %. Najučinkovitije je ojačanje koje je postavljeno na donju, vlačno opterećenu stranu uzorka. U tom slučaju ne dolazi do loma tijekom ispitivanja. Ako je ojačanje postavljeno na gornju, tlačno opterećenu stranu uzorka, dolazi do loma pri znatno nižem opterećenju, koje je usporedivo sa uzorkom bez ojačanja.

Slika 3.51. Utjecaj ojačanja na ponašanje pri savijanju grede od AlSi12 pjene poroznosti od 81% /66/

Slika 3.52. prikazuje utjecaj i orijentaciju ojačanja na svojstva uzoraka od krhke AlSi12 pjene. Iako su težine svih uzoraka gotovo jednake, njihova se svojstva značajno razlikuju.

66


Slika 3.52. Utjecaj orijentacije i položaja ojačanja na svojstva pjene od AlSi12 legure s poroznošću od 75 % /66/

Čvrstoća je uvijek veća ako je ojačanje postavljeno na donju stranu uzorka (vlačno opterećena površina). Savojna krutost ovisi o orijentaciji ojačanja i ona je uvijek veća u uzdužnom smjeru, ali ne ovisi o položaju ojačanja; za razliku od čvrstoće.

Slični rezultati dobiveni su i za ojačanu žilaviju AlMg1Si0,6 leguru (slika 3.53.). Plastična deformacija bez pojave loma ovdje je također dobivena ojačanjem na vlačno opterećenoj površini. Pri sličnoj poroznosti AlSi12 ima neznatno bolju savojnu čvrstoću od AlMg1Si0,6 (slike 3.52. i 3.53.).

Slika 3.53. Utjecaj orijentacije i pozicije ojačanja na svojstva pjena od legure AlMg1Si0,6 s poroznošću 76 % /66/

67

METALNE PJENE

Utjecaj položaja ojačanja na žilavost jasno je vidljiv na slici 3.54., koja pokazuje konačnu deformaciju nakon udarnog ispitivanja. Uzorak bez ojačanja nije uspio apsorbirati gotovo ništa udarne energije, dok su uzorci s ojačanjem svu udarnu energiju pretvorili u deformaciju. Mogućnost apsorbiranja dodatne količine energije može se vidjeti iz kuta pod kojim uzorak ostao savinut. Ponovo se može uočiti da je najefikasnija upotreba ojačanja na vlačno opterećenoj površini.

Slika 3.54. Deformacija uzoraka AlMg1Si0,6 pjene, poroznosti 85 %, nakon udarnog ispitivanja (maksimalna energija 15 J) za različite položaje ojačanja /66/

Slika 3.55 prikazuje promjene svojstava različitih aluminijskih uzoraka jednakih težina. Uzorak od jednostavne aluminijske pjene ima znatno bolju krutost od Al lima. Nikakvog poboljšanja nema ako se usporedi savojna čvrstoća, a otpornost na lom pjene je nešto manja. Radi toga je aluminijske pjene za praktičnu uporabu nužno ojačati barem na vlačno opterećenoj strani.

Slika 3.55. Svojstva ojačane AlSi12 pjene debljine 15 mm, poroznosti 85 % u usporedbi s Al limom debljine 3 mm; AlSi12 debljine 15 mm, poroznosti 80 %; sendvič AlSi12 debljina pjene 11 mm, poroznosti 80 %, vanjskih Al limova debljine 1 mm /66/

68


Prednosti ojačanja potvrđena su i iz ispitivanja savijanja ploča. U ovom slučaju ploče su opterećene po cijeloj površini razlikom tlakova dviju komora između kojih je ispitivani uzorak. Ojačana AlSi12 ploča podnijela je razliku tlaka od 70 kPa, dok je kod ploče bez ojačanja došlo do loma pri 40 kPa. Uslijed povišenog opterećenja dolazi do konstantne deformacije zbog tečenja materijala ili loma zida kod najslabijih ćelija. Ojačanja omogućuju cikličko opterećenje ploče amplitudom od 50 kPa. Nakon prvog ispitivanja ojačane ploče krutost i trajna deformacija ostale su nepromijenjene tijekom cijelog ispitivanja (oko 1500 ciklusa).

3.1.10. Sendvič-konstrukcije

Sendvič-konstrukcije imaju vrlo široku primjenu u industriji. Do danas su se izrađivale uglavnom s jezgrom od polimernih pjena. Pojavom metalnih pjena dobio se novi materijal koji je idealan upravo za sendvič-konstrukcije. Jezgre metalnih pjena posebno su važne kada se od konstrukcije zahtijeva multifunkcionalnost tako da se one, osim kao konstrukcijski dio, mogu koristiti kao ležište sustava cijevi za grijanje ili hlađenje, kao zvučna izolacija itd. Osim toga one omogućuju primjenu pri višim temperaturama. Budući da je jezgra, zapravo konstrukcijski dio sendvič-ploča, ona na sebe prima sva opterećenja kao i vanjske površine. Zbog toga je nužno ispitati čitav niz mehaničkih svojstava kako bi se moglo predvidjeti ponašanje sendvič-konstrukcija u eksploataciji.

Za ispitivanje krutosti i čvrstoće koriste se uzorci točno propisanih dimenzija koji se opterećuju na tri ili četiri točke. Prigodom ovakvih ispitivanja pretpostavlja se kako je veza između vanjskih limova i jezgre čvrsta. Veza limova i pjene ostvaruje se lijepljenjem ili difuzijskim spajanjem do kojeg dolazi tijekom izrade pjene. U takvom spoju jezgra i vanjski limovi smatraju se izotropnim materijalom.

Slika 3.56. Sendvič-konstrukcije pod opterećenjem u a) četiri točke; b) tri točke /4/ i /26/

Na slici 3.56. vidljive su sve dimenzije uzorka. To su: b – širina uzorka, t – debljina

vanjskih limova, d – visina uzorka, c – visina jezgrenog sloja, l – udaljenost između

69

METALNE PJENE

sila na donjoj strani uzorka, s – udaljenost između sila na gornjoj strani uzorka u primjeru opterećenja u četiri točke, H – udaljenost mjesta djelovanja sile od kraja uzorka.

Sile se mogu prenositi preko kuglica promjera 2R ili četvrtastog komada duljine brida a. F/2 predstavlja silu, Ec i Ef su moduli elastičnosti jezgre i vanjskih limova, dok su Re,c i Re,f granice razvlačenja jezgre i vanjskih limova. U slučaju opterećenja u četiri točke ekvivalentna savojna krutost (EI)eq iznosi:¨

32 3cf f f

eq( )2 6 12 2

E bcE bdt E bt E bdtEI = + + ≈2

Ekvivalentna smična krutost (AG)eq iznosi:

2

eq c c( ) bdAG G bcGc

= ≈

gdje je: Gc – modul smičnosti i A – površina presjeka jezgre.

Maksimalni momenti savijanja i pomoću njih izražena naprezanja iznose:

4FlM =

( )4

F l sM y

−=

f f

eq( )MEEI

σ =

cc

eq( )MEEI

σ =

gdje je y udaljenost od neutralne osi. Sila pri kojoj dolazi do stradavanja sendvič-konstrukcije uslijed tečenja najbolje se

izražava preko granice razvlačenja za jezgru i vanjske limove. Opterećenje se i u ovom slučaju postavlja u tri ili četiri točke. Formule za sile iznose:

( ) 2

fy e,f e,c4bt c t bcF R

l l+

= + R

( ) 2

fy e,f e,c4bt c t bcF R

l s l s+

= +− −

R

Često se ispituje i progib sendvič-konstrukcija kako je prikazano na slici 3.57.

70


Slika 3.57. Ispitivanje progiba sendvič-konstrukcije s opterećenjem u tri točke /4/, /26/

gdje je: F – sila, λ – udaljenost između valjka za utiskivanje i linije gdje počinje progib, θ – kut deformiranja, Re,c – granica tečenja jezgre i Mp = Re,f bt2/4 moment plastičnosti. Sila koja dovodi do loma iznosi:

pe,c

82

MF b= + λ

λR

Ako na sendvič-konstrukciju djeluju poprečne sile, jezgra je izložena većim naprezanjima. Pritom često dolazi do smicanja jezgre. U tom se slučaju mogu javiti dva mehanizma oštećivanja. U mehanizmu A dolazi do stvaranja plastično deformiranih nakupina u gornjim i donjim limovima ispod gornjih valjaka koji opterećuju uzorak, dok su u mehanizmu B plastično deformirane nakupine stvorene u zonama pokraj svih valjaka. Mehanizmi oštećivanja A i B prikazani su na slici 3.58.

Slika 3.58. Mehanizmi oštećivanja A i B smično opterećene konstrukcije /4/ i /26/

Na temelju pretpostavke kako se desni kraj uzorka zakrene za kut θ, a lijevi za -θ može se izračunati sila kod koje dolazi do loma u mehanizmu A. Sila iznosi:

71

METALNE PJENE

2

A e,f mo,c22 2 1bt HF R bcR

l s l s = + + − −

gdje je Rmo,c smična čvrstoća i iznosi otprilike 2/3Re,c. Ostale oznake opisane su u prethodnom tekstu. Sila loma zbog smicanja za mehanizam B iznosi:

2

B e,f mo,c4 2btF R bcRl s

= +−

Budući da su iznosi sila veći nego u stvarnosti relevantnom se smatra manja vrijednost.

Kao pomoć pri stvaranju sendvič konstrukcija prikazat će se omjeri glavnih dimenzija u primjeru ploče s limovima od aluminija i jezgrom od aluminijske pjene:

0,1cl≈ 0,1t

l≈ mo,c

e,f0,005

RR

≈

Ispitivanja su provedena na uzorku čija je jezgra od ALPORAS pjene sa zatvorenim ćelijama, a limovi su od aluminija. Debljine aluminijskih limova iznose 0,5; 1; 1,5 i 3 mm. Pjena je relativne gustoće 0,11 i prosječne veličine ćelija 3 mm. Na početku izrade sendvič-ploče aluminijski limovi se odmašćuju. Povezivanje s pjenom potpomognuto je epoksidnim ljepilom Redux 332 na mreži od poliamida (nylona). Ugrijavanjem na temperaturu od 175 °C i opterećenjem od 0,01 MPa učvršćuje se veza. Smična čvrstoća ljepila iznosi 20 MPa. Za ispitivanje vlačnih svojstava korišteni su uzorci u obliku kosti izrezani u smjeru paralelenom sa smjerom valjanja. Krivulje «naprezanje-istezanje» za nekoliko debljina Al limova dane su u dijagramu na slici 3.59.

Slika 3.59. Krivulje naprezanje-istezanje sendvič-ploča za različite debljine Al limova /26/

72


Na rezultate ispitivanja ne utječe visoka temperatura kojom je stvorena veza između jezgre i limova. U ovisnosti od debljine granica razvlačenja varira i do 20 %, dok je modul elastičnosti konstantan i iznosi 69 GPa, a Poissonov faktor 0,3. Tlačna ispitivanja obavljana su na uzorcima dimenzija 50×50×75 mm, a ispitivanja smicanja na blokovima dimenzija 100×20×20 mm. Rezultati ispitivanja prikazani su na slici 3.60.

Slika 3.60. Krivulje naprezanje-deformacija u slučajevima tlačnog, vlačnog i smičnog opterećenja /26/

U narednom dijelu poglavlja proračunat će se progib sendvič-ploče opterećene jednolikim tlačnim opterećenjem. Pokazat će se ovisnost progiba i naprezanja u sendvič-ploči o debljini jezgre i debljini limova od aluminijske legure. Pri takvom opterećenju može doći do razvlačenja limova ili jezgre i do nabiranja limova. Progib ovisi i o načinu učvršćenja sendvič-ploče.

Slika 3.61. Pravokutna ploča slobodno oslonjena na dva kraja i opterećena jednolikim opterećenjem /4/

Kao što slika 3.61. prikazuje, ploča je izložena jednolikom tlačnom opterećenju p, a njene dimenzije su: l – širina, b – duljina, t – debljina limova i c – debljina jezgre od metalne pjene. U ovom primjeru navedene veličine iznose:

73

METALNE PJENE

p = 0,5 MPa l = 250 mm b = 250 mm c = 10 mm t = 2 mm Re = 263 MPa Ec = 0,8 GPa; Ef = 70 GPa ρc = 250 kg/m3; ρf = 2600 kg/m3 Gc = 0,35 GPa

Slijedi proračun smične granice tečenja i maksimalnih naprezanja u limovima i u

jezgri, prema /4/:

3 2 1 5e c

es,c 3f

263 2500,3 1,17 MPa2 2 2600

RR

ρ = α = = ∂ ρ

2 20,5 250 195,3 MPa

8 8 20p l

ct σ = = =

0,5 250 6,25 MPa2 2 10p l

c τ = = =

( ) ( )1 3 0,3333f 2 2w f ck 0,58 70000 800 2058,3 MPaE Eσ = = ⋅ =

4 2 4 2

2 22 c1 f

2 2 0,5 250 0,5 250 1,84 mmB 8 350B 384 70000 2 10

pl plG cE tc

⋅ ⋅ ⋅δ = + = + =

⋅ ⋅⋅ ⋅ ⋅ 10

gdje je: Re – granica tečenja osnovnog materijala, Res,c – smična granica razvlačenja, σ – maksimalno naprezanje u limovima, τ –maksimalno tangencijalno naprezanje u jezgri,

– naprezanje pri kojem dolazi do nabiranja limova, k i αfwσ 3 – koeficijenti, B1 i B2 –

koeficijenti koje ovise o načinu učvršćenja ploče (u našem slučaju ploče su učvršćene u dvjema bočnim površinama i koeficijenti iznose 384 i 8) i δ – progib.

Pri dimenzioniranju sendvič-ploča postoje ograničenja koja moraju biti zadovoljena kako ne bi došlo do određenih neželjenih učinaka opterećenja:

\ razvlačenja limova c⋅t ≥ (1/8) l2 (p/Ref),

\ nabiranja limova c⋅t ≥ (1/8) l2 (ρ/k (Ef Ec

2)1/3),

\ razvlačenja jezgre c ≥ (1/2) l (p/Res,c),

gdje je Re,f granica tečenja limova.

74


Utjecaj strukture aluminijskih pjena na svojstva sendviča

U ispitivanjima prema /67/ željelo se istražiti utjecaje raznih strukturnih parametara kao što su veličina ćelija, njihova jednoličnost i raspodjela, debljina površinskog gustog sloja (kora), relativna gustoća i debljina pjene na moment inercije ploča ili sendviča.

Za ispitne uzorke rabljene su AlSi12, AlMg1Si0,6 i Al99,96 pjene gustoće 500-900 kg/m3. Sendvič-konstrukcije sastoje se pjene AlSi12 u jezgri i aluminijskih limova debljine 1 ili 2 mm s obje strane. Debljina uzoraka pjene je 5, 10, 15 i 20 mm, dok je debljina sendviča 10, 25 i 40 mm. Pripremljeno je najmanje 10 uzoraka svake kombinacije. Svi su uzorci imali jednaku širinu (50 mm) i dužinu (400 mm) da bi se ispitao utjecaj gustoće i debljine na omjer čvrstoća–gustoća. Relativna gustoća određuje se iz odnosa volumena i težine. Savojna krutost B izračunata je iz nagiba krivulje opterećenje-pomak koja je dobivena nakon savijanja u četiri točke.

Kao što se vidi na slici 3.62. prividni modul elastičnosti, izračunat za uzorke s usporedivom gustoćom, opada s porastom debljine uzorka. Iako nema značajne razlike između modula elastičnosti za obje legure matrice, lijevana aluminijska legura pjene ima nešto manju vrijednost od gnječene legure pri jednakoj gustoći.

Slika 3.62. Utjecaj debljine, materijala ćelija i relativne gustoće na modul elastičnosti ploče od Al pjene /67/

Svi ispitani uzorci pokazali su nejednoličnu raspodjelu ćelijastog materijala po debljini. Veći udio materijala nalazi se blizu površine i tako tvori gusti površinski sloj (koru). Takvi uzorci krući su od uzoraka s jednoličnijom strukturom po presjeku, uz jednaku relativnu gustoću. Utjecaj površinskog sloja aluminija na moment inercije raste što je uzorak tanji. Zbog toga tanji uzorci imaju veći modul elastičnosti od debljih iste relativne gustoće. Ova analiza pokazuje da usporedba modula elastičnosti nije ispravna kod uzoraka s površinskim slojem (pogotovo tankih) zbog toga što ih ne

75

METALNE PJENE

možemo smatrati homogenim tijelima. Aluminijsku pjenu s površinskim slojem treba promatrati kao sendvič-konstrukciju. Također svojstva ploča od pjene ne mogu biti povezana samo s relativnom gustoćom jer treba uzeti u obzir i njihovu debljinu.

Viskoznost legure matrice tijekom upjenjivanja najviše utječe na debljinu zidova ćelija, veličinu ćelija i debljinu gustog površinskog sloja. Najmanja debljina dobivena je kod legure AlSi12, a najveća kod AlMg1Si0,6. Zbog debljine površinskog sloja i relativna gustoća uzorka kod AlMg1Si0,6 mnogo je veća (tablica 3.5.), a i utjecaj na moment inercije poprečnog presjeka je značajan (više od 70 %). Unatoč tome, utjecaj izbora legure matrice na moment inercije u odnosu na debljinu uzorka je malen. Utjecaj veličine ćelija i njihova oblika na krutost zanemariva je u odnosu na utjecaj gustoće i debljine uzorka. Tablica 3.5.: Konstrukcijski parametri i momenti inercije poprečnih presjeka ploča ili sendviča od Al pjene na osnovi računalne analize slike - vidi sliku 3.63. /67/

Srednja veličina ćelija

Debljina uzorka

Debljina površinskog

sloja

Prividna (relativna) gustoća,

ρs

Težina Moment inercije,

Is ρf/ρs Iss/Is

UZORAK

mm2 mm mm kg/m3 g cm4 % %

a Al 99,96 7,68 16,0 1,10 490 157 0,68 89 48

b AlSi12 5,87 16,3 0,62 500 163 0,68 96 28

c AlSi12 2,74 10,6 0,52 470 99 0,21 96 37

d AlMg1Si0,6 13,78 15,0 1,79 450 134 0,55 76 51

e AlMg1Si0,6 6,87 10,0 1,51 460 92 0,21 70 71

f AlMg1Si0,6 12,22 6,7 0,92 540 72 0,06 72 72

g sendvič 1 mm 5,77 13,0 1,46 810 211 0,54 69 76

h sendvič 2 mm 5,81 15,3 2,26 1150 352 1,14 63 86

ρf - gustoća čiste pjene bez površinskog sloja, ρs- prividna gustoća uzorka, Iss / Is- utjecaj površinskog sloja (kore) na moment inercije

Aluminijsku pjenu možemo smatrati aluminijskim profilom sa stijenkama čiji je modul elastičnosti jednak kao i za aluminij. Moment inercije poprečnog presjeka je funkcija raspodjele ćelija u materijalu (I je skoro konstantan u svim smjerovima). Stvarni moment inercije aluminijske pjene u odnosu na slučajan raspodjela ćelija i njihovu varijaciju u veličini ne može se izračunati iz geometrije i gustoće uzorka, ali se može utvrditi iz savojne krutosti, uzimajući da je modul elastičnosti aluminija E = 69 GPa. Praktično, relativna gustoća uzorka nije od velike važnosti, važnija je težina dijela za zadano svojstvo. Prikladan parametar koji bi opisivao karakteristike sendvič-ploče od metalne pjene, a kombinirao svojstva težine, gustoće i debljine uzorka bio bi omjer težine i površine, s time da je relativna gustoća manja od 0,4.

76


Slika 3.63. Struktura ploča i sendviča od aluminijske pjene i raspodjela ćelijastog materijala po presjeku (vidi tablicu 3.5.) /67/

77

METALNE PJENE

Slika 3.64. prikazuje stvarni moment inercije izračunat iz eksperimentalno dobivene savojne krutosti, u ovisnosti o težini po jediničnoj površini različitih pjenastih ploča i sendviča. Vidljivo je da savojna krutost raste porastom težine po jediničnoj površini. S konstrukcijskog gledišta (omjer krutost i težine) razlika je neznatna; rasipanje vrijednosti momenta inercije za zadanu težinu po jediničnoj površini je malo. Za neku proizvoljnu težinu savojna krutost uzoraka opada ovim redom: pjene, sendviči s Al limom debljine 1 mm, sendviči s Al limom debljine 2 mm, samo Al lim. Očita je prednost aluminijske pjene i sendviča s jezgrom od aluminijske pjene i njihove primjene u laganim krutim konstrukcijama.

Slika 3.64. Moment inercije kao funkcija težine po jediničnoj površini /67/

Zaključne su konstatacije sljedeće: f na relativnu gustoću pjene značajno utječe debljina površinske kore i zato se

prilikom određivanja modula elastičnosti mora uzeti u obzir debljina pjene; f na savojnu krutost ploče ne utječe vrsta materijala pjene; f težina po jediničnoj površini može se iskoristiti za opisivanje ploča od pjene jer

kombinira njihovu težinu, gustoću i debljinu; f stvarni moment inercije ploča i sendviča s jezgrom od pjene može se izračunati iz

njihove težine po jediničnoj površini ako relativna gustoća pjene nije viša od 0,4.

3.1.11. Procjena vrijednosti mehaničkih svojstava pjena

Jedna je od najvažnijih faza u stvaranju kvalitetnih proizvoda izbor materijala. Odabir materijala bit će lakši ako su poznata opterećenja u radu. Na temelju njih određuju se potrebne vrijednosti svojstava.

78


Izrazi za približno određivanje vrijednosti mehničkih svojstava pjena, uz poznatu relativnu gustoću i svojstva materijala ćelija, navedeni su u tablici 3.6.

Vidljivo je da sva svojstva bitno ovise o relativnoj gustoći pjene, kao što je to i prije utvrđeno. Tablica 3.6.: Izrazi za određivanje vrijednosti mehaničkih svojstava metalnih pjena /4/

Mehaničko svojstvo Otvorene ćelije Zatvorene ćelije

Modul elastičnosti, E , GPa E = (0,1-4)Es(ρ/ρs)2 E = (0,1-1)Es⋅ (0,5(ρ/ρs)2+0,3(ρ/ρs))

Modul smičnosti, G , GPa G ≈ 3/8E

Volumni modul, K , GPa K ≈ 1,1E

Modul savitljivosti, Ef , GPa Ef ≈ E

Poissonov faktor 0,32-0,34

Tlačna čvrstoća, Rmt , MPa Rmt = (0,1-1)Rmt,s (ρ/ρs)3/2 Rmt=(0,1-1)Rmt,s⋅(0,5(ρ/ρs)2/3+0,3(ρ/ρs))

Vlačna čvrstoća, Rm , MPa Rm ≈ (1,1-1,4)Rmt

Dinamička izdržljivost, Rd , MPa Rd ≈ (0,5-0,75)Rmt

Deformacija zgušnjavanja, εD εD = (0,91)⋅(1,4ρ/ρs+0,4(ρ/ρs)3) εD = (0,9-1)⋅(1-1,4ρ/ρs+0,4(ρ/ρs)3)

Faktor gubitka, η η ≈ (0,95-1,05)⋅ηs/(ρ/ρs)

Tvrdoća, H H = Rmt(1+2ρ/ρs)

3.2. Toplinska svojstva metalnih pjena

Gotovo sva svojstva metalnih pjena dovode se u vezu s njihovom vrlo malom masom, pa tako i toplinska. Osim male mase nužno je postići i toplinsko-izolacijska svojstva kako bi pjene bile primjenjive u eksploatacijskim uvjetima gdje su prisutne povišene ili snižene temperature. U sljedećem dijelu teksta govorit će se i o otpornosti pjena na otvorenu vatru i eksplozije. I na ova svojstva dosta utječe građa pjena, naročito relativna gustoća. Postoje velike razlike u svojstvima pjena s otvorenim i zatvorenim ćelijama. Unapređenje procesa proizvodnje i njegova bolja kontroliranost omogućuje postizanje boljih toplinskih svojstava. Željelo se naglasiti kako su metalne pjene, i u ovom području primjene, konkurentne konvencionalnim materijalima.

U tablici 3.7. navedene su vrijednosti toplinskih svojstava komercijalno dostupnih pjena.

79

METALNE PJENE

Tablica 3.7.: Toplinska svojstva metalnih pjena /4/

MATERIJAL SVOJSTVO, SIMBOL, JEDINICA,

CYMAT Al-SiC

ALULIGHT Al

ALPORAS Al

ERG Al

INCO Ni

Relativna gustoća 0,02-0,2 0,1-0,35 0,08-1,0 0,05-0,1 0,03-0,04

Građa Zatvorene ćelije Otvorene ćelije

Talište, Tm, K 830-910 840-850 910-920 830-920 1700-1720

Maks. radna temperatura, Tmax, K 500-530 400-430 400-420 380-420 550-650

Min. radna temperatura, Tmin , K 1 - 2

Specifični topl. kapacitet, Cp , J/kgK 830-870 910-920 830-870 850-950 450-460

Toplinska vodljivost, λ, W/mK, 0,3-10 3,0-35 3,5-4,5 6,0-11 0,2-0,3

Toplinska rastezljivost, α, 10-6/K, 19-21 19-23 21-23 22-24 12-14

Latentna toplina taljenja, kJ/kg, L 355-385 380-390 370-380 380-395 280-310

Talište - Tm ćelijastih materijala praktički je jednako talištu materijala ćelija. Kod Al pjena talište je više od tališta aluminija jer su ćelije često prevučene kontinuiranim oksidnim slojem. Što je veća poroznost i manja veličina ćelija, to je veća površina prevučena oksidom, pa je i talište više.

Specifični toplinski kapacitet - Cv po jedinici obujma za ćelijaste je materijale značajno niži nego kod neporoznih. To ih čini prikladnima za primjenu kada se traži mali toplinski kapacitet, na primjer za dijelove sustava za brza zagrijavanja i hlađenja.

Koeficijent toplinske rastezljivosti - α ćelijastih materijala gotovo je jednak koeficijentu materijala stijenki ćelija. Kako je koeficijent toplinske vodljivosti za pjene (λ) znatno niži, omjer koeficijenta toplinske rastezljivosti i toplinske vodljivosti (α/λ) je visok. Budući da je taj omjer mjerilo za veličinu toplinskih deformacija, kod konstrukcija s ugrađenim pjenama treba svesti na minimum pojavu temperaturnih razlika.

S druge strane, otpornost na toplinske šokove - Rm/(Eα) nije tako jednoznačno objašnjivo svojstvo. Kod pojave iznenadnih temperaturnih razlika dolazi do toplinskih deformacija čija veličina ovisi o modulu elastičnosti. Ako se uzme da je koeficijent toplinske rastezljivosti konstantan, a budući da modul elastičnosti ćelijastih materijala opada s opadanjem relativne gustoće, to će toplinske deformacije ćelijaste strukture biti u načelu manje nego kod neporoznih materijala. Dakako, s padom relativne gustoće pada i naprezanje urušavanja i lomno naprezanje pjena. Ako ta naprezanja u odnosu na relativnu gustoću padaju blaže od pada modula elastičnosti u odnosu na relativnu gustoću, onda će otpornost na toplinske šokove takvih pjena biti veća.

U daljnjem tekstu podrobnije će se analizirati: koeficijent toplinske vodljivosti, prijelaz topline, vatrootpornost i otpornost na eksploziju (pad tlaka) i dr.

80


3.2.1. Koeficijent toplinske vodljivosti

Koeficijent toplinske vodljivosti λ najbolje pokazuje izolacijske sposobnosti materijala. Iz prethodne tablice jasno je vidljivo kako vrijednosti λ variraju od 0,2 W/mK sve do 11 W/mK. Budući da je poznato kako koeficijent toplinske vodljivosti iznosi za aluminij 150-220 W/mK, a za nemetalne materijale približno 3 W/mK, jasno je da metalne pjene mogu biti vrlo dobar izolator. λ aluminijskih pjena je od 8 pa čak i do 100 puta manja od toplinske vodljivosti čistog aluminija.

Prividna toplinska vodljivost poroznih struktura funkcija je četiri doprinosa:

m G c rλ = λ λ λ λ+ + +

gdje indeksi znače doprinose toplinskoj vodljivosti: m - čvrstog materijala ćelija, G – plina unutar ćelija, c - konvekcije unutar ćelija i r – zračenja između ćelija.

Doprinos toplinske vodljivosti osnovnog metala izražava se empirijskom relacijom:

( )2m s sλ λ ρ ρ=

gdje je λs koeficijent toplinske vodljivosti materijala ćelija. Doprinos provođenja kroz plin unutar ćelija vrlo je malen u usporedbi s

provođenjem kroz metal. Zračenje kroz netransparentne metale ćelija nije moguće pa nema λr doprinosa kod metalnih pjena.

Danas su razvijeni matematički modeli pomoću kojih se s dovoljnom točnošću može izračunati najmanja i najveća vrijednost koeficijenta toplinske vodljivosti. Donja granica je izražena na temelju pretpostavke kako aluminij i zrak unutar ćelija provode toplinu u nizu, a gornja granica na temelju saznanja kako istodobno provode toplinu.

aeff min

s

a1 1

λλ =

λ+ Π − λ

aeff max

a

s1 1

λλ =

λ+ Π − λ

sρmV

V

−Π =

gdje je: λeffmin – efektivna najmanja vrijednost koeficijenta toplinske vodljivosti, λeffmax – efektivna najveća vrijednost, λs – toplinska vodljivost osnovnog metala, a

81

METALNE PJENE

λa – koeficijent toplinske vodljivosti zraka, ∏ – poroznost, V – obujam, m – masa i ρs – gustoća osnovnog metala.

Ako se pretpostavi da su ćelije ravnomjerno raspodijeljene i da na spojevima dviju faza nema toplinskog otpora, vrijedi sljedeće:

s

aeff s

1 3 s

a

11

1 1

λ− λ λ = λ + λ

+ Π − λ

gdje je λs>>λa. Ako su ćelije kuglastog oblika i ako je omjer λs/λa velik, vrijedi:

( )2 / 3eff(1) sλ λ 1= −Π

Ako zrak prividno okružuje osnovni metal i ako nema dodira između faza (λs/λa≈0), vrijedi:

( )1/ 3eff (2) aλ λ 1 1 = + Π −Π

Zbog nekih nedosljednosti u rezultatima smatra se kako efektivni koeficijent toplinske vodljivosti iznosi:

eff eff(1) eff(2)λ λ λa b= +

gdje je a + b = 1, a i b su vrijednosti koje ovise o građi materijala (pjene) – npr. veličina i oblik ćelija.

Slika 3.65. Način mjerenja koeficijenta toplinske vodljivosti /27/

Slika 3.65. pokazuje način mjerenja koeficijenta toplinske vodljivosti. Uzorak koji je označen brojem 4, ploča 3 i stap 5 grijani su toplinskim tokom. Bočne površine

82


uzorka, stapa i ploča 2 i 3 adijabatski su izolirani. Stap 5 i ploča 3 napravljeni su od bakra koji ima velik koeficijent toplinske vodljivosti tako da je pad temperature u njima malen.

Dimenzije su odabrane tako da je apsorbirana toplina u pločama i uzorku 5 do 10 puta manja nego u stapu. Uređaj za mjerenje sastoji se od dva bloka od kojih prvi dovodi energiju i zagrijava sustav brzinom 0,1 K/s i automatski kontrolira temperaturu. Blok za mjerenje se sastoji od ćelija za grijanje, uređaja za mjerenje, uzorka, Chromel-Alumel termoparova i kućišta. Temperaturna razlika između uzorka i ploča za mjerenje koristi se za izračunavanje koeficijenta toplinske vodljivosti. Rezultati se mijenjaju s povišenjem temperature s 25 °C na 75 °C i kreću se u rasponu vrijednosti od 2,1 do 8,2 W/mK.

Nakon mjerenja utvrđen je izraz za izračunavanje koeficijenta toplinske vodljivosti aluminijskih pjena:

s aeff

a s

s a

λ λλ 0,13 0,87

λ λ1 1 1λ λ

= +

−Π − +Π −

1

Iz svega je vidljivo kako su aluminijske pjene sa zatvorenim ćelijama dobri toplinski izolatori.

3.2.2. Prijenos topline

Kada se razmatra izgradnja različitih uređaja koji se koriste u energetskim postrojenjima, vrlo je važno znati nešto o procesu prijenosa topline kroz metalne pjene. Obično se kombiniraju dva načina prijenosa topline: provođenje i zračenje. Prvi je korak određivanje koeficijenta prijelaza topline (αc). Teži se da on bude što veći kako bi se veća količina topline predala radnom fluidu. Na prijenos topline utječe niz faktora kao što su: oblik ćelija, relativna gustoća, koeficijent toplinske vodljivosti, emisivnost itd. Postoji nekoliko modela za izračunavanje koeficijenta prijelaza topline. Prema jednoj teoriji /65/ koeficijent prijelaza topline iznosi:

sc eff eff eff

2ρ/ρ 2α λ Bi tan Bibhd d

=

gdje je: d – debljina stijenki ćelija, b – debljina medija kojim se prenosi toplina, Bieff – efektivni Biotov broj. Ispitivanjima je utvrđeno da su:

eff s0,28λλ =

83

METALNE PJENE

84

l

s

αBiλd

=

( )0,36 0,4a sBi 0,91Pr Re λ /λ= za Re 40≤

( )0,36 0,4a sBi 0,62Pr Re λ /λ= za Re 40>

f

aRe v d

v=

effBi 1,2Bi=

gdje je: Re – Reynoldsov broj, Pr – Prandtlov broj, vf – brzina fluida i νa – koeficijent kinematičke viskoznosti, λs – koeficijent toplinske vodljivosti materijala pjene, λa – koeficijent toplinske vodljivosti fluida i αl –lokalni koeficijent prijelaza topline.

Na temelju prethodno prikazanih jednadžbi može se izračunati koeficijent prijelaza topline. Njegova vrijednost ipak nije potpuno precizna, jer često dolazi do varijacija vrijednosti veličina koje su korištene za njegovo izračunavanje.

Svi ovi izrazi koriste se za izračunavanje količine topline koja je predana fluidu kroz ćelijaste materijale. Vrijednosti količine topline i parametara od kojih ona ovisi dane su sljedećim relacijama:

c lmαQ L T= ∆

( ) ( )e 0

lm1 0 1 eln /

T TT

T T T T−

∆ = − −

lm 1 0T T T∆ = −

( ) ( )f 1 1 0 exp /T T T T x l= − − −

1a p f s

effeff eff

ρ/ρ 21 tan Bi1,5η2ηλ Bi

C bv bl hd

−ρ = +

gdje je: Q – količina topline, L – duljina sloja pjene, ∆Tlm – logaritamska srednja temperatura, T1 – temperatura izvora topline, T0 – temperatura na ulazu, Te – temperatura na izlazu, Tf pokazuje kako se mijenja temperatura fluida duž osi x, l – duljina prijenosa, Cp – specifični toplinski kapacitet i faktor η = 1-0,22·(ρ/ρs).

Aluminijske pjene otporne su na temperature i do 780 °C na kojima se deformiraju tek ako su izložene većim mehaničkim opterećenjima. To je još zanimljivije kada se zna da je talište aluminija oko 660 °C. Otpornost na visoku temperaturu pripisuje se sloju Al2O3.


3.2.3. Vatrootpornost

Aluminijske pjene sa zatvorenim ćelijama pokazale su vrlo dobru vatrootpornost što se pripisuje već spomenutom Al2O3. Do stradavanja uzorka može doći iz više razloga tako da se u obzir uzima i toplinska i strukturna vatrootpornost. Do toplinskog stradavanja dolazi kada uzorak gubi izloacijski kapacitet, a do strukturnog kada gubi nosivost. Ispitivanja se provode tako da se pločasti uzorak debljine L izloži izrazito vrućim plinovima koji simuliraju vatru. Smatra se kako se izloženim dijelovima uzorka temperatura vrlo naglo povećava sa To (temperatura okoliša) na TF (temperatura plamena). Dio topline odlazi u uzorak, a dio se gubi u okolinu. Vatrootpornost se prikazuje sljedećom diferencijalnom jednadžbom:

2

21T T

txδ δ

=κ δδ

gdje je: T – temperatura, κ – toplinska difuznost i t – vrijeme. Toplinska vatrootpornost τ definira se kao vrijeme nakon kojeg dolazi do

stradavanja materijala zbog prevelikog prijenosa topline. Materijal gubi izolacijski kapacitet. Može se reći da do stradanja materijala dolazi kada temperatura neizložene površine TB dostigne kritičnu temperaturu TC (npr. talište). Toplinska vatrootpornost prikazuje se tada sljedećim relacijama:

( )2

C 0

B 0

1 Bi ln 110

T TLT T∞

−τ = − φ − κ −

F 0B 0 1 Bi

T TT T∞ −

= ++

gdje je: Bi – Biotov broj, TB – temperatura neizložene površine, TC – kritična temperatura (talište) i TB

∞ – temperatura neizložene površine u mirnom stanju. Vatrootpornost jako raste s porastom Biotovog broja koji se za ploče može

izračunati iz izraza:

cBi = /dα λ

gdje je: αc - koeficijent prijelaza topline, d – debljina ploče a λ - koeficijent toplinske vodljivosti ploče.

Koeficijent prijelaza topline ovisi i o zračenju i o provođenju topline u zračnu

masu. Za vertikalne ploče iznosi 10 do 90 W/m2K kada je TB između 300 K (27 ºC) i 1000 K (727 ºC). Ako se promotri ponašanje aluminijske legure, vidljivo je kako pri TF = 940 K (667 ºC), što je nešto više od tališta, njena toplinska vatrootpornost iznosi

85

METALNE PJENE

13,6 s. U slučaju aluminijskih pjena otpornost teži beskonačnosti i T iznosi 792 K (oko 520 ºC). Da bi se ta temperatura približila talištu, T

B∞

F mora biti oko 1125 K (oko 850 ºC) i tada toplinska vatrootpornost iznosi oko 30 s što je još uvijek puno bolje nego kod neporozne aluminijske legure pri nižoj temperaturi. Sve to pokazuje izvanrednu vatrootpornost aluminijskih pjena jer se prilikom eksploatacije rijetko pojavljuju temperature više od 1125 K (oko 850 ºC).

Može se reći da se kod aluminijskih pjena Biotov broj znatno povećava, čime raste i vatrootpornost, čak i u slučaju kada je neizložena temperatura veća od tališta.

Strukturna vatrootpornost τ* definira se kao vrijeme nakon kojeg dolazi do stradavanja materijala kada on, zbog utjecaja vatre, gubi mehanička svojstva. Za aluminijske legure, kada se kritična temperatura približi talištu, može se reći da je τ* = τ. Kod aluminijskih pjena sve se to drastično mijenja. One imaju mnogo veću strukturnu vatrootpornost što se pripisuje niskom koeficijentu toplinske vodljivosti i tankom sloju Al2O3 koji prekriva stijenke ćelija. Zbog svega toga pjene mogu biti izložene i temperaturama višim od tališta. ALPORAS pjene su ispitane prema njemačkim standardima i proglašene negorivim. Mogu biti izložene temperaturama višim od 600 °C, za razliku od poliuretanskih pjena koje se koriste u tračnim vozilima, koje se izobliče i razvijaju otrovne plinove.

3.2.4. Otpornost na eksploziju

Konstrukcije koje su izložene zapaljivim medijima mogu biti tijekom eksploatacije izložene eksplozijama. Kod eksplozije razvija se val visokog tlaka koji uništava materijal. Eksploziju opisuje impuls Ji koji ovisi o tlaku i vremenu izloženosti, što se prikazuje sljedećom relacijom:

iJ p= ∫ dt

Slika 3.66. pokazuje maksimalni tlak (p0) i rezultirajući impuls (Ji) uzrokovan eksplozijom neke mase (m) TNT-a (trinitrotoluola) eksploziva na radijalnoj udaljenosti (R) od eksplozivnog punjenja.

Na primjer, masa od 1 kg TNT-a u vodi razvija tlak 100 MPa i impuls 104 Ns/m2 na udaljenosti od 1 m. Krivulje za maksimalni tlak vodenog vala mogu se aproksimirati formulom:

1,131/ 3

0 108 mpR

=

Za izračunavanje impulsa postoji empirijski izraz:

86


87

0,861/ 34 1/ 3

i 1,185 10 mJ mR

= ×

gdje je: R – udaljenost materijala od eksplozije i m – masa TNT-a.

Slika 3.66. Ovisnost maksimalnog tlaka i impulsa o udaljenosti materijala od eksplozije i o masi TNT-a /4/

3.2.5. Procjena vrijednosti toplinskih svojstava metalnih pjena

Neki od izraza i vrijednosti preuzimaju se od neporoznih metala jer za pjene ne postoje (tablica 3.8.).

Tablica 3.8.: Pokazatelji vrednovanja toplinskih svojstava /4,17/

TOPLINSKO SVOJSTVO OTVORENE I ZATVORENE ĆELIJE Talište, Tm , K Max. radna temperatura, Tmax , K

Min. radna temperatura, Tmin , K

Specifični toplinski kapacitet, Cp , J/kgK

Kao i neporozni materijali

Toplinska vodljivost, λ , W/mK (ρ/ρs)1,8<λ/λs<(ρ/ρs)1,65

Toplinska rastezljivost, α , 106/K Latentna toplina, L , kJ/kg,

Kao i neporozni materijali

Otpornost na toplinski šok Rm/(E⋅α)

METALNE PJENE

3.3. Zvučna svojstva metalnih pjena

Dobra zvučna svojstva očituju se u činjenici da metalne pjene apsorbiraju veliku količinu energije. Zvuk, koji u konstrukcijama predstavlja neželjenu buku, nastaje zbog vibriranja materijala.

Brzina širenja uzdužnih elastičnih vibracija u nekom mediju najčešće je proporcionalna drugom korijenu omjera modula elastičnosti i gustoće materijala:

Ev ρ∝

Brzina širenja vala u čeliku i aluminiju iznosi oko 5000 m/s, a 343 m/s kroz zrak. Nadalje, brzina širenja vala određena je valnom duljinom i frekvencijom valova,

prema izrazu:

λSv f=

gdje je: λS – valna duljina zvuka i f – frekvencija zvuka. Općenito postoje tri skupine materijala glede zvučnih svojstava: \ materijali za izolaciju zvuka, \ materijali za upijanje zvuka, \ materijali za prigušenje zvuka.

Dobro upijanje zvuka znači da je zvučni val upijen u materijalu (nije ni reflektiran

niti se prenosi kroz materijal). U metalnim pjenama najzastupljenija su tri mehanizma upijanja zvuka: \ viskozni gubici koji se događaju kada tlačni val pumpa zrak iz šupljine i u

šupljine, \ toplinsko-elastično prigušenje, \ Helmholtzovi rezonatori.

Najvažnijim područjem zvuka smatra se ono u rasponu od 500 Hz do 4000 Hz.

Jačina zvuka iskazuje se u decibelima (dB) i on se danas uspoređuje pomoću dvije skale:

2rms rms

10 100 0

10log 20logp pSPLp p

= =

100

10log WPWLW

=

88


gdje je: SPL – razina tlaka zvuka (Sound Pressure Level), prms – tlak zvuka, p0 – tlak koji predstavlja granicu čujnosti (20×106 Pa), PWL – razina snage (Power Level), W je snaga i W0 referentna snaga (10-12 W). Zvučna svojstva određuju se pomoću koeficijenta upijanja zvuka α koji pokazuje koliki udio zvučne energije materijal upija. Za metalne pjene α se kreće u rasponu od 0,8 do 0,95 (upija se od 80 % do 95 % energije). Valja naglasiti kako dobra apsorpcijska svojstva imaju pjene s otvorenim ili poluotvorenim ćelijama.

Zvučna svojstva određuju se mjerenjem ulazne impedancije na površini uzorka koji se nalazi u cijevi. Na jednom kraju cijevi nalazi se zvučnik koji proizvodi zvuk, dok je na drugom kraju pričvršćen uzorak. Cijev je promjera 99 mm i duljine 1 m. Koristi za mjerenje zvuka frekvencija od 90 Hz do 1800 Hz. Koeficijent upijanja zvuka izračunava se sljedećom formulom:

2max

min

max

min

1α 1

1

pppp

− = − +

gdje su pmax i pmin najveći i najmanji tlak zvuka. Oni se mjere pomoću mikrofona koji se nalazi u rupi zvučnika.

Jačina zvuka na kraju cijevi, gdje se nalazi uzorak, iznosi oko 100 dB. Analiza zvučnih valova ipak se nešto pojednostavljuje pretpostavkom da su oni linearni. Ta se pretpostavka pokazala valjanom i nije puno utjecala na rezultate istraživanja. Impedancija se izražava sljedećom relacijom:

( ) ( )( ) ( )

rs

r

cos sinsin cos

Z h mL Z h mLZ Z

Z h mL Z h mL+

=+

gdje je: Zs – impedancija na prednjoj površini uzorka, Zr – impedancija iza uzorka, Z – karakteristična impedancija, m – konstanta širenja zvuka i L – debljina uzorka.

Postoji i metoda kojom se određuje upijanje zvuka u sobama i zgradama. U sobu se postavlja veliki uzorak koji je izložen zvuku različitih frekvencija. Računanjem vremena odbijanja zvuka u sobi sa i bez uzorka izražava se faktor upijanja.

Kao što je već spomenuto, metalna pjena mora imati otvorene ili poluotvorene ćelije kako bi dobro apsorbirala zvuk. Ispitivanja su provođena na ALPORAS pjeni koja ima zatvorene ćelije tako da je nužno različitim postupcima razbiti stijenke ćelija kako bi se omogućila cirkulacija zraka kroz njih.

Slika 3.67. pokazuje upijanje zvuka staklene vune i ALPORAS pjene prije i poslije tlačenja. Staklena vuna jedan je od najboljih zvučnih izolatora koji se koristi već čitav niz godina (najviše u građevinarstvu). Dijagram a) na slici 3.67. pokazuje kako pri frekvenciji od 1000 Hz staklena vuna ima faktor upijanja zvuka gotovo 1, što znači

89

METALNE PJENE

kako je gotovo sav zvuk apsorbiran. Dijagram b) pokazuje kako ALPORAS pjena u početnom obliku ima faktor upijanja 0,9 pri 1800 Hz. Često se metalne pjene izlažu tlačnim opterećenjima kako bi se razbile stijenke ćelija i na taj način povećao faktor upijanja. Dijagram c) na slici 3.67. pokazuje kako se povećava faktor upijanja ALPORAS pjene nakon tlačenja od 10 %.

Smanjenje jačine buke računa se prema sljedećem izrazu:

( )1010log 1 α∆ = −

Iz toga se lako izračuna da pri α = 0,5 buka padne za 3,01 dB, pri α = 0,6 za 3,98 dB, dok za veliki faktor npr. α = 0,9 padne čak za 10 dB.

Slika 3.67. Upijanje zvuka a) staklene vune, b) ALPORAS pjene početnog oblika; c) ALPORAS pjene nakon tlačenja od 10 % /4/

90


Upijanje zvuka može se poboljšati bušenjem provrta promjera od 1-2 mm u metalnoj pjeni. Bušeni su uzorci bili debljine 20 mm i relativne gustoće 0,09 i pokazalo se znatno povećanje faktora α, pogotovo u rasponu 1200-1600 Hz. Proučavan je i efekt bušenja na uzorcima 5 mm i 9 mm gdje se pokazalo kako bušenje provrta nije učinkovito kod tankih uzoraka. Ovom metodom postiže se najbolje upijanje zvuka te α dosiže čak i vrijednost 1, što izjednačava Al pjenu sa staklenom vunom.

Na kraju se, prema podacima proizvođača, navode prednosti ALPORAS pjena u odnosu na konkurentne materijale, kada se radi o upijanju buke: \ staklena vuna nije dovoljno kruta tako da se mora stabilizirati metalnom

armaturom, što nije slučaj kod ALPORAS pjene; \ vlakna staklene vune mogu biti uništena pod utjecajem vibracija i vjetra. Pod

utjecajem visoke temperature oslobađaju otrovne plinove; \ staklena vuna puno brže upija vlagu što nije dobro; \ ALPORAS pjena puno se lakše montira zbog svoje vrlo male mase.

3.4. Prigušenje vibracija metalnih pjena

Prigušenje je vrlo važno svojstvo materijala kada se on koristi za izradu dijelova neke konstrukcije koja je tijekom uporabe izložena mehaničkim vibracijama (npr. dijelovi stroja za preciznu obradu itd.). Ponašanje konstrukcije posebno je kritično u području rezonantnih ili vlastitih frekvencija. Konstrukcijsko prigušenje temelji se na pretvorbi vibracijske energije u toplinu unutrašnjim trenjem.

Princip ispitivanja je takav da se materijal izloži vibracijama te se proučava ponašanje u rezonanciji nakon prestanka rada izvora vibracije. Kao i kod drugih ispitivanja, i ovdje je problem nehomogena struktura uzoraka. Na rezultate utječe stupanj poroznosti, veličina i oblik ćelija, način obrade uzorka itd. Dublje ulaženje u problem pokazuje kako na prigušenje vibracija utječu i naizgled nebitni faktori, kao što su sastav legure od koje se dobija pjena i njena toplinska obrada. Ispitivanja se najčešće obavljaju na oscilatoru s jednim stupnjem slobode na kojem se vibracije različite frekvencije prenose na uzorak putem opruge (slika 3.68.):

iωtx Xe=

iωty Ye=

( ) ( )( ) ( )

21

21 1

ω/ωω

1 ω/ω η ω/ω

YHX i

= =− +

gdje su: X i Y – amplitude, ω – frekvencija, ω1 – neprigušena frekvencija, x – pomak, y – relativno odbijanje mase, η – konstanta prigušenja i H(ω) – funkcija prigušenja.

91

METALNE PJENE

Slika 3.68. a) Vibrirajuća masa s jednim stupnjem slobode; b) funkcija prigušenja zarelativno odbijanje y /4/

Procesi prigušenja u materijalu najbolje su obilježeni bezdimenzijskim faktorom gubitka η.

Prigušenje postaje bitno kada je materijal izložen rezonantnim frekvencijama. Materijal se nalazi u području elastičnih naprezanja i deformacija koje se ciklički ponavljaju. Definicija kaže kako je η gubitak energije po radijanu podijeljen s maksimalnom elastičnom deformacijskom energijom:

η2π

UU

∆=

Može se reći kako η najviše ovisi o frekvenciji cikličkog ponavljanja opterećenja, temperaturi, amplitudi opterećenja i deformaciji kojoj je materijal izložen.

Prema drugom pristupu, η se može prikazati kao funkcija proporcionalnog gubitka energije po ciklusu D = ∆U/U, omjera prigušenja ξ, logaritamskog dekrementa δ, kuta gubitka ψ i faktora kvalitete Q. Kada je prigušenje malo (η< 0,01) i sustav je uzbuđen blizu rezonancije, ta je veličina izražena na sljedeći način:

δ 1η 2ξ tanψ2πD

Q= = = = =

π

Konačni iznos faktora gubitka η tijekom ispitivanja predstavlja zbroj više faktora koji utječu na ispitivanje:

uzorka učvrs zrak urη η η η η ...= + + + +

Slika 3.69. prikazuje način učvršćivanja uzoraka kod ispitivanja prigušenja.

92


Slika 3.69. Učvršćenje uzoraka kod ispitivanja prigušenja a) uklješteni uzorak; b) slobodni uzorak /32/

ηučvr će ovisiti o kontaktu između uzorka i uređaja kojima se on učvršćuje, ηzrak uzima u obzir utjecaj okolnog zraka na uzorak i ηur predstavlja utjecaj uređaja kojim se obavljaju ispitivanja. Budući da se želi naći ηuzorka, ostali utjecaji moraju se ili eliminirati ili točno izračunati. U ispitivanju se uzorak pobuđuje pomoću magnetskog polja tako da se utjecaj uređaja smanjuje udaljavanjem uzorka od magneta. Ispitivanje se provodi u vakuumu tako da se eliminira utjecaj zraka. Uzorak se pričvršćuje na način a) iz slike 3.69. Faktor gubitka se kreće u rasponu (13-22)×10-4 i najviše ovisi o veličini sila kojima se pričvršćuje.

Brojni utjecaji na faktor gubitka mogu se smanjiti i promjenom geometrije uzorka. Uzorak se sada radi sa zadebljanjem na jednom kraju, kako je i prikazano na slici 3.70.

Slika 3.70. Uzorak za ispitivanje sa zadebljanjem /32/

Ćelijasti metali pokazuju za jedan red veličine više vrijednosti faktora gubitka od faktora gubitka materijala pune gustoće od kojih su napravljeni. Rasipanje vibracija rezultat je trenja između površina ćelija i nastajanja mikronapuklina. Prigušenje se može povisiti smanjenjem debljine stijenki ćelija, uvođenjem strukturnih nepravilnosti – npr. dodavanjem netopljivih keramičkih čestica (SiC, Al2O3 ili grafita). Unatoč svemu, faktor gubitka tipičnih ćelijastih metala premalen je u usporedbi sa standardnim materijalima za prigušenje vibracija, čije se vrijednosti η kreću od 0,01 do 0,1.

93

METALNE PJENE

3.5. Električna svojstva metalnih pjena

Ćelijasti metali su električni vodiči, za razliku od polimernih i keramičkih pjena. U ovom će poglavlju biti ukratko opisana električna svojstva metalnih pjena.

Istraživanjima se danas određuju dva električna svojstva: \ električni otpor, \ električna vodljivost. Ova su svojstva bitna kada se metalne pjene koriste za izradu baterija za što su

posebno pogodne niklene pjene. Tablica 3.9. pokazuje vrijednosti električne otpornosti metalnih pjena. Tablica 3.9.: Električna otpornost metalnih pjena /4/

MATERIJAL SVOJSTVO CYMAT

Al-SiC ALULIGHT

Al ALPORAS

Al ERG

Al INCO

Ni Relativna gustoća 0,02-0,2 0,1-0,35 0,08-0,1 0,05-0,1 0,03-0,04

Građa (tip ćelija) Zatvorene Otvorene

Električna otpornost, (10-8Ωm) 90-3000 20-2000 210-250 180-450 300-500

Način mjerenja električnog otpora prikazan je na slici 3.71.

Slika 3.71. Mjerenje električnih svojstava metalnih pjena kontaktom u četiri točke /4/

Za ispitivanje se koriste tanke ploče od metalne pjene. Kontakt s uzorkom postoji u četiri točke. Kroz P1 i P4 struja se uvodi u uzorak, dok se P2 i P3 koriste za mjerenje pada potencijala. Električna otpornost (e0) najčešće se iskazuje u µΩm i određena je sljedećom relacijom:

0 2 UeIS

= π

1 3 1 2 2

1 1 1 1Ss s s s s s

= + − −+ + 3

94


gdje je: I – jakost struje koja se uvodi u uzorak, U – pad potencijala i s1, s2 i s3 – razmaci između kontakata.

Električna vodljivost (γ) u Ω-1m-1 dobiva se iz električne otpornosti prema sljedećem izrazu:

0l lR eA A

= =γ

gdje je: R – električni otpor, l – duljina uzorka i A – površina okomita na tijek struje. Sva svojstva metalnih pjena ovise o relativnoj gustoći, pa tako i električna vodljivost

i električna otpornost (slika 3.73.). Da bi se pojasnila veza između električne vodljivosti i relativne gustoće, nužno je

pojednostavljenje građe metalnih pjena. Na slici 3.72. prikazana je idealizirana ćelija otvorene metalne pjene.

Slika 3.72. Idealizirani prikaz ćelije metalne pjene /4/

Duljina ruba ćelije iznosi l i četvrtasti presjek ruba iznosi t× t. Rubovi ćelija spajaju

se u čvorovima. Pri malim relativnim gustoćama volumen čvorova kroz koje prolazi struja zanemariv je u odnosu na volumen rubova ćelija. Električna vodljivost (γ) tada je povezana s relativnom gustoćom sljedećom relacijom:

S S

γ ρ1γ 3 ρ

=

gdje je γS električna vodljivost materijala od kojeg je napravljena pjena. Kada obujam čvorova t3 nije zanemariv u odnosu na obujam ruba l× t2, vrijedi:

1/ 2 3 / 2

S S S S S

γ ρ ρ ρ ρ1 11 2γ 3 ρ ρ 3 ρ 3 ρ

= + = +

2

Jasno je da je stvarna građa struktura ćelija mnogo složenija nego što to pokazuje slika 3.72. Količina materijala nejednoliko je raspodijeljena i dimenzije rubova i čvorova dosta se razlikuju. To je uzeto u obzir kada se određivala opća formula koja pokazuje ovisnost relativne električne vodljivosti o relativnoj gustoći.

95

METALNE PJENE

( )3/ 2

S S S

γ ρ ρα 1 αγ ρ ρ

= + −

Slika 3.73. prikazuje vezu između relativne električne vodljivosti i električne otpornosti za dva koeficijenta α - 0,33 ("idealno" ponašanje prema prethodnoj jednadžbi – dobro odgovara svojstvima DUOCEL pjene s otvorenim ćelijama) i 0,05 (dobro odgovara svojstvima ALULIGHT pjene).

Slika 3.73. Relativna električna vodljivost i električni otpor u ovisnosti o relativnoj gustoći za metalne pjene s otvorenim i zatvorenim ćelijama /4/

3.6. Spajanje metalnih pjena

Svojstva spoja moraju biti jednaka ili bolja od svojstava osnovnih materijala koji se spajaju. Treba spomenuti da porozna građa znatno otežava spajanje metalnih pjena, pa su nužne posebne tehnike spajanja. Ovdje će se kratko opisati tri načina spajanja: \ spajanje ljepilima, \ stvaranje rastavljivih spojeva, \ spajanje zavarivanjem.

3.6.1. Spajanje ljepilima

Kao ljepila najčešće se rabe epoksidne smole koje se primjenjuju i prigodom spajanja neporoznih metala. Ljepila imaju jednaka ili bolja svojstva od osnovnog

96


materijala. Određeni problemi koji se mogu javiti su: smanjenje toplinske stabilnosti i koeficijenta širenja topline i povećanje toplinske ili električne izolacije. Ova metoda spajanja najčešće se upotrebljava kod stvaranja sendvič-konstrukcija s jezgrom od metalne pjene.

3.6.2. Rastavljivi spojevi

Rastavljivi spojevi metalnih pjena ostvaruju se pomoću drvenih vijaka ili pomoću metalnih umetaka u koje je urezan navoj. Ako se rabi umetak, koji je najčešće od bakra, nužno je postići dobro spajanje s metalnom pjenom. To se može postići uporabom ljepila, umetanjem spojnica tijekom proizvodnog procesa ili korištenjem punila. Umetanje spojnice tijekom proizvodnog procesa ne osigurava željena svojstva spoja tako da se ono rijetko koristi. Kao punilo se koristi materijal koji se može upjeniti i ima niže talište od metalne pjene u koju se stavlja umetak. Kad se uloži punilo, cijeli sklop treba zagrijati. Tijekom zagrijavanja dolazi do upjenjavanja punila koje povezuje umetak i osnovnu metalnu pjenu. Dijelovi od metalne pjene s bakrenim umetkom prikazani su na slikama 3.74. i 3.75.

Slika 3.74. Proces povezivanja umetka i metalne pjene /33/

Slika 3.75. Komad metalne pjene s bakrenim umetkom /33/

97

METALNE PJENE

U narednom dijelu poglavlja opisuju se opterećenja na rastavljive spojeve koji su prikazani na slici 3.76.

Slika 3.76. Povezivanje metalne pjene pomoću drvenog vijka i pomoću umetka /4/

Kada se uzmu u obzir sva opterećenja, dobivaju se sljedeće relacije:

( )f m2F R l x R= π − o

3 / 2

mo e,s0,2S

R R ρ= ρ

( )3/ 2

f eS

0,4F R l x ρ≈ π − ρ ,sR

gdje je: R – polumjer vijka, l – duljina umetka, x ≈ R – dodatak za vrh vijka, Rmo – smična čvrstoća, Re,s – granica razvlačenja i Ff – sila pod kojom dolazi do izvlačenja umetka.

Spoj metalnih pjena može se napraviti i zatikom, kao što se vidi na slici 3.77.

Slika 3.77. Zatični spoj metalne pjene /4/

U takvom je primjeru sila razvlačenja jednaka:

( )2 2p w c w 2F R R R R= π − + π re

3 / 2

r r0S

e e ρ

≈ ρ

98


gdje je: Fp – sila razvlačenja, Rw – polumjer podloške, R – polumjer zatika, Rc – čvrstoća drobljenja i er – energija razdvajanja po jedinici površine izvedena iz er0, koja je karakteristika materijala pjene (za ALPORAS pjenu er0 iznosi 260 kJ/m2).

3.6.3. Zavarivanje

Metalne pjene mogu se spojiti postupcima lemljenja i zavarivanja. Zavarivanje neporoznog aluminija otežano je zbog tankog sloja oksida Al2O3 na površini koji ima više talište od aluminija. Nakon uklanjanja oksida zavarivanje se provodi u atmosferi zaštitnog plina kako se sloj oksida ne bi obnovio. Sve to treba uzeti u obzir prilikom zavarivanja aluminijskih pjena. Zavaruje se najčešće laserom. Gustoća energije iznosi 106 W/cm2. Laserska je zraka fokusirana zbog čega je zona utjecaja topline puno uža nego kod drugih postupaka. To je vrlo važno kod metalnih pjena zato što se smanjuje mogućnost urušavanja ćelijaste strukture. Do urušavanja dolazi zbog prijelaza čvrste faze u tekuću što se također može spriječiti uporabom dodatnog materijala koji se na mjesto zavarivanja dodaje u obliku šipke ili ploče. Način spajanja laserom pokazuje slika 3.78., a presjek zavara slika 3.79.

Slika 3.78. Lasersko zavarivanje metalne pjene /34/

Budući da se želi postići ćelijasta struktura zavara, koristi se dodatni materijal koji se pod utjecajem topline također pretvara u metalnu pjenu.

Slika 3.79. Presjek zavara dviju metalnih pjena /34/

99

METALNE PJENE

Prema podacima iz literature /37/ za zavarivanje se koristio Nd/Yag laser koji spada u skupinu lasera s krutim medijem. Snaga mu je 3 kW, a valna duljina zrake 1064 nm. Zraka upada na mjesto zavarivanja pod kutem od 3°. Iz sapnice izlazi zaštitni plin brzinom 20 l/min i pod kutem od 45°. Kao glavni parametri uzimaju se: brzina zavarivanja, veličina fokusirane zrake i vrsta zaštitnog plina (najčešće se koriste helij i argon). U ispitivanju su spajana dva komada aluminijske pjene i komad aluminijske pjene s tehničkim čistim aluminijem Al99. Optimalna brzina zavarivanja iznosila je 3,0 m/min pri kojoj se postiže potpuno provarivanje korijena (slika 3.80.).

Slika 3.80. Poprečni presjek zavara /36/

Na slici 3.81. prikazani su još neki primjeri zavarivenih spojeva metalnih pjena.

Slika 3.81. Primjeri zavarenih spojeva metalnih pjena /37/

Na kraju se može kazati da se metalne pjene mogu vrlo dobro zavarivati laserom upravo zbog fokusiranog snopa koji smanjuje mogućnost uništenja ćelijaste građe. Takav je proces moguće precizno i automatski voditi CNC strojevima.

100

4. USPOREDBA METALNIH PJENA SA SLIČNIM ĆELIJASTIM MATERIJALIMA


Kako bi se novi oblik materijala probio na tržište, njegova svojstva u primjeni moraju biti bolja od svojstava materijala koji su mu konkurentni. Jasno je da osim svojstava veliku važnost imaju i troškovi proizvodnje i obrade, što se ovdje ne uspoređuje. Svojstva metalnih pjena bit će uspoređena sa svojstvima polimernih pjena i drva. Ti materijali imaju ćelijastu strukturu koja je slična strukturi metalnih pjena.

4.1. Polimerne pjene

Polimerne su pjene materijali s trodimenzionalnim ćelijama koje tvore saćastu građu. Ćelije, kao i kod metalnih pjena, mogu biti otvorene i zatvorene. Ova vrsta pjena najčešće se radi na bazi polipropilena, poliuretana, polistirena i polietilena. Ako polimerna pjena ima otvorene ćelije, ona je fleksibila i primjenjuje se uglavnom za izradu namještaja, a ako ima zatvorene ćelije, ona je kruta i koristi se uglavnom kao toplinski izolator. Od fleksibilnih pjena se zahtijeva dobra izdržljivost pod statičkim opterećenjem i trajnost.

Nastajanje polimernih pjena slično je procesima proizvodnje metalnih pjena. Kemijska mješavina izložena je povišenim temperaturama pri kojima dolazi do stvaranja pjene. Kao agens rabi se CO2 uz dodatke različitih vrsta silikona. Proces se sastoji od nekoliko faza: priprema sirovine, miješanje, rast i stvaranje ćelija. Ukoliko se želi postići bolja vatrootpornost, u mješavinu se dodaje i fosfor. Za kontroliranje temperature reakcije prilikom stvaranja pjene nekad se koristio freon koji se danas sve manje rabi. Proces se također može odvijati u posebno izrađenim kalupima. U kemijsku mješavinu dodaju se razne vrste aditiva: f aditivi za poboljšanje vatrootpornosti: polimerna pjena postaje otpornija na vatru,

no smanjuju joj se nosivost i trajnost; f punila: pjeni se povećava masa i nosivost; f boje: koriste se u estetske svrhe i ne utječu na fizička svojstva polimernih pjena;

101

METALNE PJENE

f antistatički aditivi: smanjuju statički elektricitet; f aditivi protiv mikrobioloških organizama: štite pjene od različitih vrsta bakterija,

gljivica itd.

Polimerne pjene u primjeni najčešće imaju gustoću u rasponu od 15 kg/m3 do 40 kg/m3, što govori da su vrlo lagane. Na iznos gustoće jako utječu i razni aditivi (npr. punila), a sama gustoća bitno utječe na svojstva pjene. Mehanička svojstva bit će navedena za nekoliko vrsta polimernih pjena.

Slika 4.1. Ponašanje poliuretanskih pjena u uvjetima vlačnog i tlačnog opterećenja pri temperaturi od 20°C /41/

Na slici 4.1. prikazane su krivulje naprezanje-deformacija u uvjetima vlačnog i tlačnog opterećenja pri temperaturi od 20 °C. Iz dijagrama je vidljivo kako vlačna čvrstoća (Rm) iznosi 0,2 MPa, a tlačna čvrstoća (Rmt) iznosi 0,1 MPa. Polimerne pjene imaju veću krutost u uvjetima vlačnog opterećenja zbog izduženja stijenki ćelija. Kod ovih vrsta pjena bitno je odrediti njihovo ponašanje pri povišenim temperaturama.

Iz dijagrama na slici 4.2. vidljivo je kako specifični toplinski kapacitet raste u temperaturnom području od 40 °C do 50 °C. Koeficijent toplinske vodljivosti λ za poliuretanske pjene kreće se u rasponu od 0,027 W/mK do 0,12 W/mK.

Od toplinskih svojstava spomenut će se specifični toplinski kapacitet i koeficijent toplinske vodljivosti. Specifični toplinski kapacitet određuje se usporedbom unešene topline u uzorak i u materijal poznatog specifičnog kapaciteta u istim uvjetima.

102


Slika 4.2. Ovisnost specifičnog toplinskog kapaciteta poliuretanske pjene o temperaturi /41/

Polimerne pjene dobar su toplinsko-izolacijski materijal tako da se često koriste u građevinama. Međutim, protupožarni propisi nalažu da pjene moraju biti izolirane od okoline gipsanim pločama zbog opasnosti od požara. Sve to govori kako polimerne pjene nisu vatrootporne, a postoji mogućnost i oslobađanja otrovnih plinova ako dođu u dodir s vatrom.

Iz svega navedenog mogu se usporediti metalne s polimernim pjenama: f gustoća polimernih pjena je i do desetak puta manja od gustoće metalnih pjena, što

znači da će i konstrukcije od polimerne pjene imati puno manju masu; f metalne pjene imaju puno bolja mehanička svojstva. Njihova vlačna čvrstoća kreće

se od 0,05 do 30 MPa, a tlačna čvrstoća od 0,04 do 14 MPa. Kod polimernih pjena Rm može biti najviše oko 0,26 MPa, a Rmt oko 0,21 MPa;

f polimerne pjene izložene su maksimalnim temperaturama od oko 100 °C, dok se metalne mogu primijeniti čak i do 780 °C. S tim su povezana i mehanička svojstva koja su kod metalnih pjena puno bolja pri povišenim temperaturama;

f koeficijent toplinske vodljivosti polimernih pjena kreće se od 0,027 do 0,12 W/mK, dok isti kod metalnih pjena iznosi od 0,2-11 W/mK. Iz toga se zaključuje kako polimerne pjene imaju bolja toplinsko-izolacijska svojstva, no razlika ipak nije toliko izražena;

f vatrootpornost metalnih pjena vrlo je dobra, dok je kod polimernih pjena vrlo loša; f procesi izrade polimernih pjena bolje su upravljivi zato što je to stariji i mnogo

bolje proučeni proces; f metalne pjene još su uvijek značajno skuplje.

4.2. Drvo

Kao što je poznato, drvo je prirodni materijal. Upravo zbog te činjenice drvo je bilo najzastupljeniji konstrukcijski materijal u prošlosti. Koristilo se uglavnom u graditeljstvu, za izradu namještaja, transportnih sredstava itd. Prema podacima iz 1999.

103

METALNE PJENE

godine drvo je i danas najviše korišten inženjerski materijal u SAD-u i troši ga se oko 7×109 m3. Danas se razvija čitav niz metoda za zaštitu drva i produženje njegova vijeka trajanja u eksploataciji kako bi se smanjila sječa šuma. Struktura drva vrlo je složena i sastoji se od celuloznih ćelija, ojačanja koje se zove lignin i različitih drugih organskih komponenti. Svojstva drva su anizotropna, što znači da su ona neujednačena zbog njegove strukture.

Slika 4.3. Mikrostruktura mekog drva /45/ Slika 4.4. Mikrostruktura tvrdog drva /45/

Slika 4.3. pokazuje mikrostrukturu mekog drva. Ona se sastoji uglavnom od izduženih ćelija u obliku cijevi s tankim stijenkama. Veliki provrt u središtu ćelija naziva se lumen i koristi se za protok vode. Duljina ćelija iznosi 3-5 mm, a promjer 20-80 µm. Na slici 4.4. prikazana je mikrostruktura tvrdog drva koja se sastoji od cjevčica velikog promjera. Stijenka ćelije drva sastoji se od celuloze, hemiceluloze i lignina. Prvo se razvija primarna stijenka, dok kasnijim rastom drva nastaje i sekundarna.

Od svojstava drva prvo ćemo spomenuti sadržaj vlage MC, koji nam pokazuje relativni udio vode u drvu. U različitim dijelovima drva MC može iznositi od 40 % pa čak i do 250 %. U slučaju prevelike vlage drvo se suši i MC se smanjuje na otprilike 15 %. Gustoća drva vrlo je nepredvidiva i ona će ovisiti o sadržaju vlage u drvu. Gustoće nekih vrsta drva iznose: \ bijela jela: 370 kg/m3 \ bor: 360 kg/m3 \ bijeli hrast: 600 kg/m3 itd.

Modul elastičnosti (E) tvrdog drva kreće se u rasponu od 5000-15000 MPa, dok za

meko drvo on iznosi od 4000-13000 MPa. Poissonov faktor za tvrdo drvo iznosi 0,30-0,60, a za meko 0,25-0,50. Mehanička svojstva ovise u kojem smjeru djeluje opterećenje. Ako opterećenje djeluje paralelno s vlaknima u drvu, svojstva su puno bolja, nego kad opterećenje djeluje poprečno. Budući da su u literaturi svojstva dana za čitav niz vrsta drva, ovdje se navode samo rasponi vrijednosti za određeno svojstvo.

104


Svojstva su ispitana pri sadržaju vlage MC 12 %. Tlačna čvrstoća u slučaju kada opterećenje djeluje paralelno s vlaknima kreće se u rasponu 15,3-70,2 MPa za tvrdo drvo i 13,7-52 MPa za meko. Kada je opterećenje okomito na smjer vlakana tlačna čvrstoća iznosi 1-19,6 MPa za tvrdo drvo i 1,3-7 MPa za meko. Za vrijednosti vlačne čvrstoće, kada opterećenje djeluje paralelno na smjer vlakana, postoji vrlo malo podataka. Kada opterećenje djeluje okomito na smjer vlakana, tlačna čvrstoća iznosi 1,6-7,2 MPa za tvrdo i 1,2-3,2 MPa za meko drvo. Smična čvrstoća kreće se u rasponu od 4,1-18,3 MPa za tvrdo i 4,3-11,6 MPa za meko drvo. Ispitivanja su pokazala kako razna mehanička svojstva mogu varirati od uzorka do uzorka 10-30 %. Jasno je kako se mehanička svojstva mijenjaju sa povišenjem temperature. Ako su temperature ispod 100 °C, drvo će nakon hlađenja vratiti prvotni iznos nekog mehaničkog svojstava, a ako su temperature više, dolazi do trajnog smanjenja mehaničkih svojstva. Slika 4.5. pokazuje smanjenje tlačne čvrstoće s povišenjem temperature.

Slika 4.5. Ovisnost relativne tlačne čvrstoće drva o temperaturi /48/

Slika 4.6. Ovisnost puzanja drva o vremenu za četiri različita iznosa naprezanja /48/

Na slici 4.6. vidljivo je kako je pojava puzanja značajnija pri većim opterećenjima. Kod drva također dolazi do umora zbog cikličkih opterećenja. Istraživanja su pokazala kako se čvrstoća drva linearno smanjuje s povećanjem broja ciklusa. Otpornost na

105

METALNE PJENE

umor drva ovisi o učestalosti ponavljanja opterećenja, sadržaju vlage u drvu, veličini uzorka, temperaturi itd. Vrlo je važno napomenuti kako u drvu dolazi do povećanja i smanjenja volumena zbog promjene količine vlage. Takve pojave mogu dovesti do narušavanja funkcionalnosti konstrukcijskog dijela izrađenog od drva. Kada se sadržaj vlage snižava, drvu se smanjuje volumen, a kada se povećava, dolazi do bubrenja. Smatra se kako tangencijalno smanjenje volumena za komercijalne oblike drvenog materijala iznosi 4-11 %, a radijalno 2-7 %. Za bolju stabilnost dimenzija drva danas se koriste razne prevlake.

Govoreći o toplinskim svojstvima, može se reći kako je drvo izolacijski materijal, što znači da ima manju toplinsku vodljivost od metala. Toplinska vodljivost povećava se s povećavanjem gustoće, sadržaja vlage i temperature. Toplinska difuznost drva također je manja nego kod metalnih materijala. Koeficijent toplinske rastezljivosti drva kreće se u rasponu od 5 do 54×10-6/°C. Specifični toplinski kapacitet drva iznosi 1,26-2,93 kJ/kgK.

Električni otpor drva veći je od 1×1020 Ωm pri sobnoj temperaturi, što znači da se radi o jako dobrom izolatoru. Međutim, i na to svojstvo jako utječu sadržaj vlage i temperatura.

Brzina zvuka kroz drvo će ovisiti o modulu elastičnosti i gustoći. Za materijal koji ima modul elastičnosti 12,4 GPa i gustoću 480 kg/m3 brzina zvuka iznosi 3800 m/s u longitudinalnom smjeru, dok u transverzalnom smjeru iznosi 890 m/s, zato što u tom slučaju modul elastičnosti iznosi 690 GPa.

Usporedba svojstava drva i metalnih pjena je sljedeća: f drvo ima 1,5-3 puta veću gustoću od metalnih pjena, što znači da će konstrukcije

od drva imati veću masu; f mehanička svojstva, prije svega tlačna i vlačna čvrstoća drva bolja su kada je

opterećenje paralelno sa smjerom vlakana. Kada su opterećenja okomita na smjer vlakana, metalne pjene pokazuju bolja mehanička svojstva;

f metalne pjene su otporne na puno više temperature. One podnose temperature čak i do 780 °C, dok drvo pokazuje dobra svojstva do temperature od 100 °C. Ako temperatura prijeđe tu vrijednost, dolazi do trajnog smanjenja mehaničkih svojstava;

f električni otpor drva puno je veći nego kod metalnih materijala, tako da je ono izvrstan električni izolator. Drvo također ima jako dobra toplinsko-izolacijska svojstva;

f vatrootpornost drva zanemariva je u odnosu na metalne pjene. Drvo je također podložno različitim agresivnim medijima i vlazi iz okoline koji uzrokuju brže propadanje;

f drvo pokazuje izrazitu nestabilnost dimenzija; f nabava i prerada drva puno je jeftinija od procesa proizvodnje metalnih pjena, što

znači da je i konačna cijena proizvoda puno manja.

106

5. IZBOR METALNIH PJENA


Jedan od glavnih preduvjeta dobrog proizvoda odgovarajući je odabir materijala. Ponekad je takav izbor teško provesti jer ne postoje kvantitativne vrijednosti svojstava. Tada se izbor često temelji na prethodnom iskustvu. Budući da su metalne pjene nov oblik metalnih materijala, takva iskustva su nedostatna ili nepostojeća. Upravo zbog toga razvijeni su pokazatelji za kvantitativnu usporedbu materijala. Za metalne pjene takvi će pokazatelji biti navedeni za sendvič-konstrukcije koje su najčešće u uporabi /4/: \ E1/3/ρ pokazuje savojnu krutost laganih ploča. Uporabom metalne pjene kao

jezgre sendvič-konstrukcije omogućava se znatna ušteda mase. Prethodno poglavlje pokazuje kako su metalne pjene otporne na puno više temperature od drva ili polimera.

\ Re1/2/ρ pokazuje čvrstoću na savijanje lakih ploča. Kada se uzme u obzir i

njihova vrlo mala masa,, ploče od metalne pjene čvršće su od nekih metalnih materijala.

\ Ret⋅εD, gdje je Ret granica stlačivanja i εD deformacija pri zgušnjavanju, pokazuje iznimu sposobnost apsorpcije energije udara.

\ η⋅E1/3/ρ, gdje je η faktor gubitka, pokazuje sposobnost prigušenja vibracija. Time se također prikazuje sposobnost suzbijanja akustičke rezonancije.

\ Cp⋅ρ⋅λ pokazuje vrijeme prodiranja topline kroz sloj izolacijskog materijala te totalni gubitak topline.

Danas postoji čitav niz računalnih sustava za izbor materijala. Središnji dijelovi

takvih sustava su baze podataka i baze znanja. One sadrže čitav niz podataka o svojstvima kao i pravila za izbor i konstruiranje te razne vrste ograničenja. Jedan od tih sustava je i CES (Cambridge Engineering Selector), koji omogućuje izradu karata kojima se pokazuje ovisnost različitih svojstava danas komercijalno dostupnih metalnih pjena. Slike 5.1. do 5.6. pokazuju neke od karata u kojima su uspoređena svojstva pjena.

107

METALNE PJENE

Slika 5.1. Omjer modula elastičnosti i gustoće komercijalnih metalnih pjena /4/

Slika 5.2. Omjer tlačne čvrstoće i gustoće komercijalnih metalnih pjena /4/

108


Slika 5.3. Omjer specifičnog modula E/ρ i specifične tlačne čvrstoće Rmt komercijalnih metalnih pjena /4/

Slika 5.4. Omjer E1/2/ρ i Rmt2/3/ρ komercijalnih metalnih pjena /4/

109

METALNE PJENE

Slika 5.5. Omjer E1/3/ρ i Rmt1/2/ρ komercijalnih metalnih pjena /4/

Slika 5.6. Omjer koeficijenta toplinske vodljivosti λ i specifičnog toplinskog kapaciteta Cp·ρ komercijalnih metalnih pjena /4/

110

6. PRIMJENA METALNIH PJENA


Kao što je već rečeno, primjena metalnih pjena slijedi iz njihovih povoljnih svojstava u odnosu na ostale materijale. Budući da su metalne pjene relativno novi oblik materijala, njihova primjena još uvijek nije u potpunosti raširena, iako već i danas postoji nekoliko respektabilnih proizvođača ove vrste materijala. Prije je opisano da metalne pjene mogu uspješno zamijeniti druge ćelijaste materijale, npr. drvo i polimerne pjene. Loša strana metalnih pjena je njihova visoka cijena, no ona se neprestano smanjuje. U ovom poglavlju primjerima će biti ilustrirana primjena metalnih pjena u raznim industrijskim granama. Tablica 6.1. pokazuje neke od mogućih područja primjene metalnih pjene i obrazloženje svojstava. Tablica 6.1.: Moguća primjena metalnih pjena /4/

PODRUČJE PRIMJENE OBRAZLOŽENJE

Lagane konstrukcije Odličan omjer krutosti i težine pri savijanju Jezgra sendvič konstrukcija Niska gustoća i dobra smična i lomna čvrstoća Prigušenje vibracija Prigušenje vibracija je i do 10 puta bolje nego kod

neporoznih metala Apsorpcija zvuka Metalne pjene s mrežastom strukturom Apsorpcija energije Vrlo dobra apsorpcija udarne energije pri sobnim i

povišenim temp. Zamjena za drvo Lagane su, krute i mogu se spajati drvenim vijcima Izmjenjivači topline, hladnjaci Pjene s otvorenim ćelijama dobro provode toplinu zbog

velike površine i vodljivosti stijenki Vatrootpornost Pjene sa zatvorenim ćelijama - stijenke prekrivene

slojem oksida Toplinska izolacija Određene vrste pjena imaju niski koeficijent toplinske

vodljivosti Biokompatibilni umeci Ćelijasta struktura biokompatibilnih titanovih pjena

stimulira rast ćelije Filteri Mogućnost filtriranja plinova i tekućina Elektromagnetska zaštita Dobra električna vodljivost Elektrode, držači katalizatora Veliki omjer površine i volumena

111

METALNE PJENE

Najčešći oblik metalnih pjena su sendvič-konstrukcije (slika 6.1.).

Slika 6.1. Sendvič-konstrukcije s jezgrom od metalne pjene /37/

Istraživanja pokazuju da najveće zanimanje za metalne pjene pokazuje industrija transportnih sredstava (slika 6.2.).

Slika 6.2. Primjena metalnih pjena u autoindustriji /50,51/

Metalne pjene se u autoindustriji uglavnom koriste kao jezgra sendvič-konstrukcija. One se koriste za izradu dijelova oplate i okvira. Time se masa automobila može smanjiti za 20 % što predstavlja i značajne uštede u potrošnji goriva. Ako se zna da metalne pjene imaju dobra toplinsko i zvučno-izolacijska svojstva te mogućnost prigušenje vibracija, jasno je da se one mogu primijeniti za razdvajanje kabine vozila od područja gdje je motor. Budući da aluminijske pjene imaju vrlo dobru sposobnost apsorpcije energije udara, od njih se mogu izrađivati i branici koji povećavaju sigurnost putnika pri udarcima. Primjer korištenja Al pjene za izradu branika prikazan je na slici 6.3.

112


Slika 6.3. Branik automobila napravljen od aluminijske pjene /52/

U poglavlju 3.1.7. pokazan je nosač motora koji je izrađen od sendvič-konstrukcije s jezgrom od metalne pjene. Osim u autoindustriji ovi materijali koriste se i u industriji tračnih vozila, brodova, zrakoplova i svemirskih letjelica. Posebno treba razmotriti mogućnost izrade titanovih pjena i njihovu primjenu u zrakoplovnoj industriji zato što titan ima vrlo dobra mehanička svojstva.

Toplinska svojstva metalnih pjena dosta ovise o njihovoj građi. Ako pjena ima otvorene ćelije, ona će dobro provoditi toplinu, a ako su ćelije zatvorene, ona je vrlo dobar toplinski izolator. Pjene s otvorenim ćelijama, zbog svoje velike površine i dobre toplinske vodljivosti stijenki, dobro provode toplinu i mogu se primjeniti za izradu izmjenjivača topline, hladnjaka itd. (slika 6.4.).

Slika 6.4. Izmjenjivač topline napravljen od DUOCEL Al pjene /7/

Velik omjer površina/volumen metalnih pjena također omogućuje izradu uređaja za kontrolu protoka fluida kao što su npr. difuzori plina.

Metalne pjene mogu se koristiti i u graditeljstvu gdje do izražaja dolazi njihova vrlo dobra mogućnost upijanja zvuka. Istraživanja su pokazala kako se bušenjem provrta upijanje zvuka metalnih pjena dovodi na razinu staklene vune, materijala koji se uglavnom upotrebljava u te svrhe. One također imaju bolja mehanička i toplinska svojstva, a njihova krutost osigurava lakšu montažu. Pod utjecajem vatre staklena vuna oslobađa otrovne plinove, dok su metalne pjene vatrootporne. Slika 6.5. pokazuje vijadukt čija je donja površina napravljena od metalne pjene koja dobro upija buku. Time je razina buke koju proizvode vozila znatno smanjena.

113

METALNE PJENE

Slika 6.5. Vijadukt čija je donja površina izvedena od metalne pjene /53/

Od tzv. aluminijskih spužvi izrađuju se također razni oblici prigušivača zvuka kao što je i prikazano na slici 6.6. Osim toga, od ove vrste materijala izrađuju se i filteri (slika 6.7.) koji služe za odvajanje dviju tekućina ili za odvajanje krutih čestica od plinova ili tekućina.

Slika 6.6. Prigušivači zvuka od aluminijskih spužvi /30/

Slika 6.7. Filteri od metalne pjene /54/

Danas razvijeni postupci lijevanja omogućuju izradu izrazito složenih oblika proizvoda od metalnih pjena (slika 6.8.). Mehanička svojstva mogu se optimizirati različitim postupcima toplinske obrade legure od koje nastaje pjena, a također su moguća i modificiranja površine.

114


Slika 6.8. Lijevani proizvodi od aluminijske pjene /37/

Mala masa metalnih pjena vrlo je poželjna u industriji namještaja. Porozna građa

različite teksture ima izrazito zanimljiva estetska svojstva. Osim toga, komadi namještaja od pjene se lako prenose. Još jedan primjer iskorištavanja privlačnog izgleda metalnih pjena prikazan je na slici 6.9.

Slika 6.9. Korištenje metalnih pjena u estetske svrhe /7/

Osim aluminijskih pjena danas se u komercijalne svrhe proizvode i niklene pjene

(slika 6.10.). One se uglavnom primjenjuju za izradu dijelova NiCd i NiMH baterija koje se rabe u električnim alatima, video kamerama, mobitelima itd. Sendvič- -konstrukcije s jezgrom od niklene pjene mogu se koristiti za izradu izmjenjivača topline.

Slika 6.10 Sendvič- -konstrukcija s jezgrom od niklene pjene /55/

Ovdje su prikazani samo neki primjeri primjene metalnih pjena. Jasno je kako se u

narednim godinama očekuje znatan porast proizvodnje metalnih pjena, kao i sniženje cijena što će dovesti do znatno šire primjene.

115

METALNE PJENE

116

7. IZVORI PODATAKA

7. IZVORI PODATAKA

Budući da su metalne pjene relativno nov oblik materijala, količina podataka o njima još je uvijek mala i teško dostupna. Jedan od načina prikupljanja informacija je preko web stranica proizvođača, kojih još nema mnogo. Slijedi popis nekih tvrtki i institucija koje se bave istraživanjem i proizvodnjom metalnih pjena, te njihove web stranice.

ISTRAŽIVAČKE INSTITUCIJE I PODUZEĆA

AEREX - Aerex Limited, Specialty Foams CH-5643 Sins, Švicarska Tel: +0041 42 66 00 66 Fax: +0041 42 66 17 07

DURALCAN - Alcan International Ltd. Box 8400, Kingston Ontario, K7L 5L9, Kanada Tel: +001 613 541 2400 Fax: +001 613 541 2134 www.alcan.com

CYMAT - Cymat Aluminium Corporation 6320-2 Danville Road Mississauga Ontario LST 2L7, Kanada Tel: +001 905 696 9900 Fax: +001 905 696 9300 www.cymat.com

ASTROMET - Astro Met Inc. 9974 Spriengfield, OH 45215, SAD Tel: +001 513 772 1242 Fax: +001 513 602 9080 www.astromet.com

117

http://www.alcan.com/

http://www.cymat.com/

http://www.astromet.com/

METALNE PJENE

DUOCEL - ERG - Materials and Aerospace Corporation 900 Stanford Avenue Oakland, CA 94608, SAD Tel: +001 510 658 9758 Fax: +001 510 658 7428 www.ergaerospace.com

ALPORAS - Shinko Wire Company Ltd. 10-1 Nakahama-machi, Amagasaki-shi 660, Japan Tel: +0081 6411 1051 Fax: +0081 6411 1056 www.shinko-wire.co.jp

ALPORAS, Europa Innovation Services CH-5200 Brugg Herrenmatt 7F, Švicarska Tel: +0041 56 422 5034 Fax: +0041 56 422 3635

IFAM - Fraunhofer-Institute for Manufacturing and Advanced Materials Wiener Strasse 12 D-28359 Bremen, Njemačka Tel: +0049 421 2246 211 Fax: +0049 421 2246 300 www.ifam.fhg.de

Fraunhofer-Centre Delaware 501 Wyoming Road Newark DE 19716, SAD Tel: +001 302 369 6752 Fax: +001 302 369 6763

Fraunhofer-IFAM Dresden Winterbergstrasse 28 D-01277 Dresden, Njemačka Tel: +0049 351 2537 300 Fax: +0049 351 2537 399

SCHUNK - Sintermetalltechnik GmbH Postfach 10 09 51, D-35339 Giessen, Njemačka Tel: +0049 641 608 1420 Fax: +0049 641 608 1488 www.schunk-group.com

MEPURA - Metallpulvergesellschaft m.b.H Lach 22, A-5282 Raushofen, Austrija Tel: +0043 7722 62216-0 Fax: +0043 7722 62216-11 www.mepura.at

118

http://www.ergaerospace.com/

http://www.shinko-wire.co.jp/

http://www.ifam.fhg.de/

http://www.schunk-group.com/

http://www.mepura.at/

7. IZVORI PODATAKA

LKR - Leichtmetall Kompetenzzentrum Ranshofen PO Box 26 A-5282 Ranshofen, Austrija Tel: +0043 7722 83353-0 Fax: +0043 7722 83353-1 www.lkr.at

INSTITUTE OF MATERIALS AND MACHINE MECHANICS Slovak Academy of Sciences, Department of Powder Metallury Po Box 95 Račianska 75, Slovačka Tel: +0042 7 253000 Fax: +0042 7 253301 www.umms.sav.sk

NEUMANN ALUMINIUM AUSTRIA A-3182 Marktl, Austrija Tel: +0043 2762 500 670 Fax: +0043 2762 500 679 www.neumann.at

DML - Dnepropetrovsk Metallurgical Institute Mayakovsky str. 3, 49064, Ukrajina

HYDRO - Hydro Aluminium a.s. R&D Materials Technology Po Box 219 N 6601 Sunndalsφra, Norveška Tel: +0047 71 69 3000 Fax: +0047 71 69 3602 www.hydro.com

HOLOW - SPHERE FOAM - Georgia Institute of Technology Materials Science and Engineering 778 Atlantic Drive Atlanta GA 30332, SAD Tel: +001 404 894 6104 Fax: +001 404 894 9140

JAM Corp. 17 Jonspin Road Wilmington MA 01887-102, SAD Tel: +001 617 978/988 0050 Fax: +001 617 978/988 0080

Molecular Geodesics Inc. 20 Hampden Street Boston MA 02199, SAD Tel: +001 617 427 0300 Fax: +001 617 427 1234

119

http://www.lkr.at/

http://www.umms.sav.sk/

http://www.neumann.at/

http://www.hydro.com/

METALNE PJENE

M-PORE GmbH Enderstrasse 94 01277 Dresden, Njemačka Tel.: +0049 351 2502290 Fax. +0049 351 2502291 www.m-pore.de

INCO nickel foams INCI Limited Research Laboratory Sheridan Park Mississauga Ontario L5K 1Z9, Kanada Tel: +011 905 403 2465 www.incoltd.com

CFL nickel foam Circuit Foil Luxemburg SA PO Box 9 L-9501 Wiltz G.D., Luksemburg Tel: +352 95 75 511 Fax: +352 95 75 249

ASHURST - Government Services 1450 S. Rolling Road Balto MD 21227, SAD Tel: +001 410 455 5521 Fax: +001 410 455 5500

WEB STRANICE

Osim navedenih Internet adresa postoji još nekoliko web stranica koje nude čitav niz zanimljivih članaka i podataka o istraživačkim projektima vezanim uz metalne pjene. To su:

www.metalfoam.net www.tms.org www.npl.co.uk www.spp-metallschaeume.uni-erlangen.de www.ultralight.deas.hardvard.edu www.wiley-vch.de www.fraunhofer.org www.m-pore.de

120

http://www.m-pore.de/

http://www.incoltd.com/

http://www.metalfoam.net/

http://www.tms.org/

http://www.npl.co.uk/

http://www.spp-metallschaeume.uni-erlangen.de/

http://www.ultralight.deas.hardvard.edu/

http://www.wiley-vch.de/

http://www.fraunhofer.org/

http://www.m-pore.de/

7. IZVORI PODATAKA

PATENTI

Današnje baze, dostupne na Internetu, omogućuju i pretraživanje svih vrsta patenata koji također mogu biti vrlo koristan izvor podataka o metalnim pjenama. Dvije web stranice koje omogućuju pretraživanje europskih i američkih baza patenata su:

http://ep.espacenet.com/ http://www.uspto.gov/

Važniji patenti iz metalnih pjena jesu:

1. A. Sosnik, US Patent 2434775, 1948. 2. J. C. Elliot, US Patent 2751289, 1956. 3. B. C. Allen, US Patent 3087807, 1963. 4. W. Ruch, B. Kirevag, Int. Patent PCT/NO90/0015, WO091/01387 5. S. Akiyama, EP 0210803Al, 1986. 6. J. Baumeister, Deutsches Patent 4018360, 1990. 7. V. I. Shapovalov, US Patent 5181549, 1991. 8. J. Lin, L. D. Kenny, H. Sang, US Patent 5112697, 1992. 9. J. Baumeister, J. Banhart, M. Weber, Deutsches Patent 4426627, 1997.

10. F. Schörghuber, F. Simančik, E. Hartl, US Patent 5865237, 1999. 11. F. Simančik, H. Wörtz, E. Wolfsgruber, AT Patent 40831 B, 2001.

Prikazat će se jedan primjer takvog patenta.

NASLOV: Method for producing forms and foamed metal forms PATENT br: US 6391250 IZUMITELJI: Eric Wolfsgruber, Braunnau am Inn

Helmut Woertz, Brixlegg (AT) František Simančik, Bratislava (SK)

KORISNIK: Mepura Metallpulvergesellschaft mbH Ranshofen (AT) DATUM: 9.04.1999.

121

http://ep.espacenet.com/

http://www.uspto.gov/

METALNE PJENE

Patent pokazuje izradu kompozitnih materijala kojima je jedan od sastojaka metalna pjena na bazi aluminija ili nekog drugog metala. U kalup se stavljaju poluproizvodi dobiveni miješanjem metalnog praha i komponente koja se pri povišenoj temperaturi raspada i stvara mjehuriće. Proces stvaranja pjene počinje kada se kalup zagrije na temperaturu tališta metala. U kalup se također stavljaju i profili od metala koji se ne pjeni pri zadanoj temperaturi. Na taj način, nakon hlađenja, dobiva kompozitni materijal koji se sastoji od metalne pjene i metalnih neporoznih profila čvrsto povezanih s pjenom. Slika 7.1. pokazuje takav način proizvodnje kompozitnih materijala.

Slika 7.1. Način dobivanja kompozita prema patentu US 6391250 /56/ Brojke na slici označavaju sljedeće:

1112 – unutrašnjost kalupa za oblikovanje 100 – kalup za oblikovanje 11 – dno kalupa 670 – limovi materijala koji se ne upjenjuje 60 – poluproizvodi nastali miješanjem Al praha i TiH2 671 – zakrivljena metalna ploča 610 – metalna pjena 12 – gornji dio kalupa 620 – metalni potpornji (cijevi) 13 – bočne strane kalupa

122

LITERATURA

LITERATURA /1/ http://web.mit.edu/dmse/csg/recent.html Natural cellular materials /2/ http://www.tms.org/pubs/journal/JOM/0012/Banhart_0012.html /3/ www.npl.co.uk/npl/cmmt/metal_foams/introduction.html /4/ M.F. Ashby, A.G. Evans, N.A. Fleck, L.J. Gibson, J.W. Hutchinson, H.N.G.

Wadley: Metal foams: A design guide, Butterworth-Heinemann, Woburn, USA, 2000.

/5/ http://www.npl.co.uk/npl/cmmt/metal_foams/pdf_files/industrial_survey.pdf /6/ http://www.spp-metallschaeume.uni-erlangen.de/Projects/Project_MF2/ /7/ http://www.npl.co.uk/npl/cmmt/metal_foams/applications.html /8/ http://www.ergaerospace.com/al.html /9/ http://www.spp-metallschaeume.uni-urlangen.de/Projects/Project_MC3/

project_mc3.html /10/ D. Weaire, S.J. Cox, J. Banhart: Methods and models of metallic foam fabrication,

Proc.8th Ann. Int. Conf. Composites Eng., D. Hui (ed), p. 977-978 (2001.); http://www.metalfoam.net/papers/weaire01a.pdf

/11/ E. Andrews, W. Sanders, L.J. Gibson: Compressive and tensile behaviour of aluminium foams, Materials Science and Engineering A270 (1999.), p. 113-124

/12/ http://www.spp-metallschaeume.uni-erlangen.de/Projects/Project_MC1/ project_mc1.html

/13/ X. Badiche, S. Forest, T. Guibert, Y. Bienvenu, J.-D. Bartout, P. Ienny, M. Croset, H. Bernet: Mechanical properties and non-homogeneous deformation of open-cell nickel foams: application of the mechanics of cellular solids and of porous materials, Materials Science and Engineering A289 (2000.), p. 276-288; http://www.metalfoam.net/papers/badiche00.pdf

/14/ C. Motz, R. Pippan: Deformation behaviour of closed-cell aluminium foams in tension, Acta mater. 49(2001.), p. 2463-2470; http://www.metalfoam.net/papers/motz01.pdf


/16/ M. Franz: Mehanička svojstva materijala, FSB, Zagreb, 1998.

123

http://web.mit.edu/dmse/csg/recent.html

http://www.tms.org/pubs/journal/JOM/0012/Banhart_0012.html

http://www.npl.co.uk/npl/cmmt/metal_foams/pdf_files/industrial_survey.pdf

http://www.spp-metallschaeume.uni-erlangen.de/Projects/Project_MF2/

http://www.npl.co.uk/npl/cmmt/metal_foams/applications.html

http://www.ergaerospace.com/al.html

http://www.spp-metallschaeume.uni-urlangen.de/Projects/Project_MC3/project_mc3.html

http://www.spp-metallschaeume.uni-urlangen.de/Projects/Project_MC3/project_mc3.html

http://www.metalfoam.net/papers/weaire01a.pdf

http://www.spp-metallschaeume.uni-erlangen.de/Projects/Project_MC1/project_mc1.html


http://www.metalfoam.net/papers/badiche00.pdf

http://www.metalfoam.net/papers/motz01.pdf



METALNE PJENE

/17/ T. Filetin: Izbor materijala pri razvoju proizvoda, FSB, Zagreb, 2000. /18/ J. Banhart, W. Brinkers: Fatigue behaviour of aluminium foams, Journal of

Materials cience Letters 18(1999.), p. 617-619; http://www.metalfoam.net/papers/banhart99b.pdf

/19/ http://www.ultralight.deas.hardvard.edu/Mech_331/Mech_331.html /20/ http://www.spp-metallschaeume.uni-erlangen.de/Projects/Project_MC7/

project_mc7.html /21/ E.W. Andrews, J.-S. Huang, L.J. Gibson: Creep behaviour of a closed-cell

aluminium foam, Acta mater. Vol. 47, No. 10, p. 2927-2935, 1999; http://www.metalfoam.net/papers/andrews99.pdf


/23/ T. Mukai, H. Kanahashi, T. Miyoshi, M. Mabuchi, T.G. Nieh, H. Higashi: Experimental study of energy absorption in a close-celled aluminium foam under dynamic loading, Scripta materialia, Vol. 40, No. 8, p. 921-927, 1999; http://www.metalfoam.net/papers/mukai99.pdf


/25/ http://www.wiley-vch.de/contens/jc_2266/2000/219_a.pdf /26/ C. Chen, A.-M. Harte, N.A. Fleck: The plastic collapse of sendwich beams with a

metalic foam core, Int. Journal of Mechanical Sciences 43 (2001.)9, p. 1483-1506; http://www.metalfoam.net/papers/chen01a.pdf

/27/ A.N. Abramenko, A.S. Kalinichenko, Y. Burtser, V.A. Kalinichenko, S.A. Tanaeva, I.P. Vasilenko: Determination of the thermal conductivity of foam aluminium, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Vol. 72, No. 3, 1999., p. 369-373; http://www.metalfoam.net/papers/abeamenko99.pdf

/28/ Prospekt Alporas /29/ T.J. Lu, C. Chen: Thermal transport and fire retardance properties of cellular

aluminium alloys, Acta mater. Vol. 47, No. 5, p.1469-1485, 1999.; http://www.metalfoam.net/papers/lu99.pdf

/30/ http://www.wiley-vch.de/contens/jc_2266/2000/188_a.pdf /31/ T.J. Lu, A. Hess, M.F. Ashby: Sound absorption in metallic foams, Journal of

applied physics, Vol. 85, No. 11, 7528-7539, 1999., http://www.metalfoam.net/papers/lu99a.pdf

/32/ J. Banhart, J. Baumeister, M. Weber: Damping properties of aluminium foams, Materials Science and Engineering A205 (1966.), p. 221-228; http://www.metalfoam.net/papers/banhart96.pdf

124

http://www.metalfoam.net/papers/banhart99b.pdf

http://www.ultralight.deas.hardvard.edu/Mech_331/Mech_331.html



http://www.metalfoam.net/papers/andrews99.pdf



http://www.metalfoam.net/papers/mukai99.pdf



http://www.wiley-vch.de/contens/jc_2266/2000/219_a.pdf

http://www.metalfoam.net/papers/chen01a.pdf

http://www.metalfoam.net/papers/abeamenko99.pdf

http://www.metalfoam.net/papers/lu99.pdf


http://www.metalfoam.net/papers/lu99a.pdf

http://www.metalfoam.net/papers/banhart96.pdf

LITERATURA

/33/ http://www.spp-metallschaeume.uni-erlangen.de/Projects/Project_CF5/ project_cf5.html

/34/ http://www.spp-metallschaeume.uni-erlangen.de/Projects/Project_CF4/ project_cf4.html

/35/ S. Kralj, Š. Andrić: Osnove zavarivačkih i srodnih postupaka, FSB, Zagreb, 1992.

/36/ T. Böllinghaus, H. von Hagen, W. Bleck: Laserstrahlschweiβen von schäumbarem Aluminiumhalbzeug, UTF Science II/2000., p. 23-26; http://www.metalfoam.net/papers/boellinghaus00.pdf

/37/ http://savba.savba.sk/~ummsjk/main_act.htm /38/ http://www.pfa.org/ce/lession1.html /39/ http://www.sintef.no/units/matek/2490/prosj/pp_foam.html /40/ http://www.pfa.org/abstracts/pfa-11.html /41/ http://www2.eng.cam.uk/~amw33/foams.pdf /42/ http://www.rci-mercury.com/files/bz071728.pdf /43/ http://www.silver.neep.wisc.edu/~lakes/PoissonPolyNonl.pdf /44/ T. Filetin: Pregled razvoja i primjene suvremenih materijala, HDMT, Zagreb,

2000. /45/ L.J. Brautman, R.H. Krock: Composite Materials, Volume 3, Academic Press

New York, 1974. /46/ http://www.fpl.fs.fed.us/documents/pdf2000/winan00a.pdf /47/ http://www.ucfpl.ucop.edu/WDPhyscialProp.pdf /48/ http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/FPLGTR/fplgtr/ch04.pdf /49/ http://www.forestry.caf.wvu.edu/programs/woodindustries/wdsc340g.htm /50/ http://www.fraunhofer.org/pdf/springnwsltr.pdf /51/ http://www.iwu.fhg.de/german/gebiete/abt50/bauw/_e_bauteile.htm /52/ http://www.wiley-vch.de/contens/jc_2266/2000/200_a.pdf /53/ http://www.wiley-vch.de/contens/jc_2266/2000/179_a.pdf /54/ http://www.metalfoam.co.kr/html/english.htm /55/ http://www.fibernide.com/foam.html /56/ http://ep.espacenet.com /57/ J. Banhart: Metallschäume, MIT Verlag, Bremen, 1997. /58/ W. Krach, T. Daxner, F.G. Rammerstorfer: Metallic Foams versus Human

Bones, Proceedings of the EUROMAT Conference, Rimini, 2000., Paper No. 1160.

125

http://www.spp-metallschaeume.uni-erlangen.de/Projects/Project_CF5/project_cf5.html




http://www.metalfoam.net/papers/boellinghaus00.pdf

http://savba.savba.sk/~ummsjk/main_act.htm

http://www.pfa.org/ce/lession1.html

http://www.sintef.no/units/matek/2490/prosj/pp_foam.html

http://www.pfa.org/abstracts/pfa-11.html

http://www2.eng.cam.uk/~amw33/foams.pdf

http://www.rci-mercury.com/files/bz071728.pdf

http://www.silver.neep.wisc.edu/~lakes/PoissonPolyNonl.pdf

http://www.fpl.fs.fed.us/documents/pdf2000/winan00a.pdf

http://www.ucfpl.ucop.edu/WDPhyscialProp.pdf

http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/FPLGTR/fplgtr/ch04.pdf

http://www.forestry.caf.wvu.edu/programs/woodindustries/wdsc340g.htm

http://www.fraunhofer.org/pdf/springnwsltr.pdf

http://www.iwu.fhg.de/german/gebiete/abt50/bauw/_e_bauteile.htm



http://www.metalfoam.co.kr/html/english.htm

http://www.fibernide.com/foam.html

http://ep.espacenet.com/

METALNE PJENE

/59/ A. Rahman, M. Mahamid: Functionally graded cellular metal alloys for joint implants, 15th ASCE Engineering Mechanics Conference, Columbia University, New York, 2002.; http://www.civil.columbia.edu/em2002/proceedings/papers/197.pdf

/60/ L.J. Gibson, M.F. Ashby: Cellular solids: structure and properties (Second Ed.), Cambridge University Press, Cambridge, 1997.

/61/ T. Filetin (Ur.): Materijali i tehnologijski razvoj, Akademija tehničkih znanosti Hrvatske, Zagreb, 2002., s. 83-96

/62/ H. Meerkamm, W. Schweiger, R. F. Singer, F. Heinrich, W. Puri, W. Schmidt: Auslegung von Traversen für Hochleistungsbestückungs-automaten aus zellularen Werkstoffen, VDI Berichte 1595 - Inovative Produkte durch neue Werkstoffe, VDI-Verlag, Düsseldorf, 2001. p. 283-299.

/63/ H. P. Degischer, B. Kriszt (eds): Handbook of cellular metals, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2002.

/64/ M. F. Ashby: Materials selection in design, Cambridge University Press, Cambridge, 2001.

/65/ T.J. Lu, H.A. Stone, M.F. Ashby, Acta mater. Vol. 46, p. 3619-3635, 1998; /66/ F. Simančik, J. Kovačik, N. Minarikova: Bending properties of foamed

aluminium panels and sendwiches, MRS Symposium Proceedings (Ed. by. D.S. Schwartz, D.S. Shih, A.G. Evans and H.N.G. Wadley, Vol. 521, Materials Research Society, Warrendale, Pennsylvania, 1998., p. 91

/67/ F. Simančik, W. Rajner, R. Laag: Reinforced Alulight for structural use, Proceeding of the conference «Processing and properties of lightweight cellular metals and structures (TMS Annual Meeting)», Seattle, 2002., p. 25

/68/ Advanced Engineering Materials, Special Issue – Metal Foams, Vol.2, No.4, April 2000.

/69/ Advanced Engineering Materials, Special Issue on Cellular Metals, Vol.4, No.10, October, 2002.

126

http://www.civil.columbia.edu/em2002/proceedings/papers/197.pdf

Documents

metalne pjene