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Articulo de referencia

Espuma metálica

Aluminio espumado aluminio espumado regular En ciencia de los materiales , una espuma metálica es un material o estructura que consiste en un metal sólido (frecuentemente alumin...

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Aluminio espumado
aluminio espumado regular

En ciencia de los materiales , una espuma metálica es un material o estructura que consiste en un metal sólido (frecuentemente aluminio ) con poros llenos de gas que comprenden una gran parte del volumen . Los poros pueden estar sellados ( espuma de celda cerrada ) o interconectados (espuma de celda abierta). [ 1 ] La característica definitoria de las espumas metálicas es una alta porosidad : típicamente solo entre el 5 y el 25 % del volumen es el metal base. La resistencia del material se debe a la ley del cuadrado-cubo .

Las espumas metálicas suelen conservar algunas propiedades físicas de su material base. La espuma fabricada con metal no inflamable sigue siendo no inflamable y, por lo general, puede reciclarse como material base. Su coeficiente de dilatación térmica es similar, mientras que su conductividad térmica probablemente se reduce. [ 2 ]

Definiciones

Celda abierta

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

La espuma metálica de celda abierta, también llamada esponja metálica, [ 3 ] se puede utilizar en intercambiadores de calor ( refrigeración de componentes electrónicos compactos , tanques criogénicos , intercambiadores de calor de PCM ), absorción de energía, difusión de flujo, depuradores de CO₂ , supresores de llamas y óptica ligera . [ 4 ] El alto costo del material generalmente limita su uso a tecnologías avanzadas, la industria aeroespacial y la manufactura.

Las espumas de celda abierta a pequeña escala, con celdas más pequeñas de lo que se puede ver a simple vista, se utilizan como filtros de alta temperatura en la industria química.

Las espumas metálicas se utilizan en intercambiadores de calor compactos para aumentar la transferencia de calor a costa de una menor presión. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Sin embargo, su uso permite una reducción sustancial del tamaño físico y de los costos de fabricación. La mayoría de los modelos de estos materiales utilizan estructuras idealizadas y periódicas o propiedades macroscópicas promedio.

La esponja metálica tiene una superficie muy grande por unidad de peso y los catalizadores a menudo se forman en forma de esponja metálica, como el negro de paladio , la esponja de platino y el níquel esponjoso . Metales como el osmio y el hidruro de paladio se denominan metafóricamente "esponjas metálicas", pero este término hace referencia a su propiedad de unirse al hidrógeno, más que a su estructura física. [ 8 ]

Celda cerrada

La espuma metálica de celda cerrada fue descrita por primera vez en 1926 por Meller en una patente francesa donde se sugería la formación de espuma en metales ligeros, ya sea mediante inyección de gas inerte o mediante un agente espumante . [ 9 ] En 1948 y 1951, Benjamin Sosnik obtuvo dos patentes sobre metal esponjoso, en las que aplicó vapor de mercurio para espumar aluminio líquido. [ 10 ] [ 11 ]

Las espumas metálicas de celda cerrada fueron desarrolladas en 1956 por John C. Elliott en los Laboratorios de Investigación Bjorksten. Si bien los primeros prototipos estuvieron disponibles en la década de 1950, la producción comercial comenzó en la década de 1990 a cargo de la empresa Shinko Wire en Japón. Estas espumas se utilizan principalmente como material de absorción de impactos, de forma similar a las espumas poliméricas de los cascos de bicicleta , pero para cargas de impacto mayores. A diferencia de muchas espumas poliméricas, las espumas metálicas permanecen deformadas tras el impacto y, por lo tanto, solo pueden deformarse una vez. Son ligeras (con una densidad típica del 10 al 25 % de la de una aleación no porosa idéntica; comúnmente, las de aluminio) y rígidas , y se proponen con frecuencia como material estructural ligero. Sin embargo, su uso para este fin no se ha generalizado.

Las espumas de celda cerrada conservan la resistencia al fuego y el potencial de reciclaje de otras espumas metálicas, pero además tienen la propiedad de flotar en el agua.

Espuma estocástica

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

  • Formación de espuma en metales líquidos o sólidos (en polvo).
  • Deposición química en fase vapor (CVD sobre una matriz aleatoria)
  • Fundición aleatoria directa o indirecta de un molde que contiene perlas o matriz.

Espuma normal

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

Se dice que una espuma es regular cuando su estructura está ordenada. El moldeo directo es una tecnología que produce espumas regulares [ 12 ] [ 13 ] con poros abiertos. Las espumas metálicas también pueden producirse mediante procesos aditivos como la fusión selectiva por láser (SLM).

Las placas pueden utilizarse como núcleos de fundición. Su forma se adapta a cada aplicación. Este método de fabricación permite obtener una espuma "perfecta", denominada así porque cumple las leyes de Plateau y posee poros conductores con la forma de una celda de Kelvin octaédrica truncada ( estructura cúbica centrada en el cuerpo ).

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

Espuma híbrida

Las espumas metálicas híbridas suelen tener una película delgada sobre el sustrato poroso subyacente. [ 15 ] Se ha demostrado que recubrir las espumas metálicas con un material diferente mejora sus propiedades mecánicas, especialmente porque son propensas a sufrir deformaciones por flexión debido a su estructura celular. La adición de una película delgada también puede mejorar otras propiedades, como la resistencia a la corrosión, y permitir la funcionalización de la superficie para procesos de flujo catalítico.

Para fabricar espumas metálicas híbridas, se depositan películas delgadas sobre un sustrato de espuma mediante electrodeposición a temperatura ambiente. [ 16 ] Se puede utilizar una configuración de celda de dos electrodos en un baño de Watts . [ 16 ] Estudios recientes han demostrado problemas con la uniformidad de la película delgada debido a la compleja geometría de las espumas metálicas. [ 16 ] Los problemas de uniformidad se han abordado en estudios más recientes mediante la implementación de películas delgadas de nanopartículas, lo que conduce a propiedades mejoradas de resistencia mecánica y a la corrosión. [ 17 ]

Estudios recientes sobre espumas híbridas también se han utilizado para abordar los recursos energéticos no renovables. [ 18 ] Anteriormente, se fabricaron espumas híbridas de metales de transición mediante una combinación de electrodeposición y burbujeo de hidrógeno para mejorar la difusividad de los fluidos a través del material poroso y optimizar las propiedades eléctricas para una mayor transferencia de carga. [ 18 ] Por lo tanto, dichas espumas pueden utilizarse para hacer más eficientes los procesos de electrólisis del agua .

Las espumas metálicas híbridas pueden tener propiedades conductoras favorables para dispositivos flexibles. Mediante la aplicación de una capa delgada de metal sobre un sustrato de polímero poroso a través de la deposición en fase gaseosa, los investigadores han logrado una alta conductividad manteniendo la flexibilidad de la matriz polimérica. [ 19 ] Mediante pruebas de ciclado, se ha demostrado que las espumas híbridas son capaces de detectar deformaciones superficiales. [ 19 ] Los esfuerzos futuros buscan caracterizar el cambio en el entrecruzamiento y la porosidad de los materiales a medida que ocurre la deposición. Además, se puede explorar la interacción o compatibilidad entre diferentes polímeros y metales en los ligandos de espuma para obtener una mejor comprensión de su sensibilidad a las fuerzas externas. Esto ayudaría a mejorar la resistencia a las fuerzas de compresión.

Fabricación

Celda abierta

Las espumas de celda abierta se fabrican mediante fundición o metalurgia de polvos . En el método de polvos, se utilizan "espaciadores" que, como su nombre indica, ocupan los espacios porosos y los canales. En los procesos de moldeo, la espuma se moldea con una estructura interna de espuma de poliuretano de celda abierta .

Celda cerrada

Las espumas se fabrican comúnmente inyectando un gas o mezclando un agente espumante en metal fundido . [ 20 ] El metal fundido se puede espumar creando burbujas de gas en el material. Normalmente, las burbujas en el metal fundido son muy flotantes en el líquido de alta densidad y ascienden rápidamente a la superficie. Este ascenso se puede ralentizar aumentando la viscosidad del metal fundido mediante la adición de polvos cerámicos o elementos de aleación para formar partículas estabilizadoras en el metal fundido, o por otros medios. El metal fundido se puede espumar de tres maneras:

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

Para estabilizar las burbujas de metal fundido, se requieren agentes espumantes de alta temperatura (partículas sólidas de tamaño nanométrico o micrométrico). El tamaño de los poros , o celdas, suele ser de 1 a 8  mm. Cuando se utilizan agentes espumantes, se mezclan con el metal en polvo antes de fundirlo. Este es el llamado "proceso de espumado en polvo" y es probablemente el más establecido (desde un punto de vista industrial). Después de mezclar los polvos de metal (por ejemplo, aluminio ) y el agente espumante (por ejemplo, TiH₂ ) , se comprimen en un precursor sólido y compacto, que puede estar disponible en forma de lingote, lámina o alambre. La producción de precursores puede realizarse mediante una combinación de procesos de conformado de materiales, como el prensado de polvo, [ 21 ] la extrusión (directa [ 22 ] o conformada [ 23 ] ) y el laminado plano . [ 24 ]

espuma metálica compuesta

A medida que aumenta la tensión y la carga aplicada a la espuma metálica compuesta, su capacidad para soportarla también aumenta. A diferencia de los materiales sólidos, que alcanzan su resistencia máxima muy rápidamente, la espuma metálica compuesta la alcanza gradualmente, absorbiendo energía en el proceso.

La espuma metálica compuesta se fabrica mediante una combinación de esferas metálicas huecas homogéneas con una matriz metálica que las rodea. Esta espuma metálica de celda cerrada aísla las bolsas de aire en su interior y puede fabricarse con prácticamente cualquier metal, aleación o combinación. El tamaño de las esferas puede variar y ajustarse con precisión según la aplicación. La mezcla de esferas metálicas huecas rellenas de aire y una matriz metálica proporciona ligereza y resistencia. Las esferas se disponen aleatoriamente dentro del material, pero generalmente presentan una estructura cúbica simple o cúbica centrada en el cuerpo . La espuma metálica compuesta está compuesta por aproximadamente un 70 % de aire y, por lo tanto, pesa un 70 % menos que un volumen igual del material sólido original. La espuma metálica compuesta es la espuma metálica más resistente disponible, con una relación resistencia-densidad de 5 a 6 veces mayor y una capacidad de absorción de energía más de 7 veces superior a la de las espumas metálicas anteriores. [ 25 ] CMF fue desarrollado en la Universidad Estatal de Carolina del Norte por la inventora Afsaneh Rabiei con cuatro patentes a su nombre, todas tituladas "Espuma metálica compuesta y método de preparación de la misma" (Patentes de utilidad de EE. UU. 9208912, 8110143, 8105696, 7641984), y CMF es actualmente una tecnología patentada propiedad de la empresa Advanced Materials Manufacturing.

Pruebas de impacto/explosión/balística de alta velocidad

Una placa de menos de una pulgada de espesor tiene la resistencia suficiente para pulverizar una bala perforante M2 estándar de .30-06 Springfield . La placa de prueba superó a una placa de metal sólido de espesor similar, pesando mucho menos. Otras aplicaciones potenciales incluyen la transferencia de residuos nucleares (blindaje contra rayos X , rayos gamma y radiación de neutrones ) y el aislamiento térmico para la reentrada atmosférica de vehículos espaciales, con una resistencia al fuego y al calor muchas veces mayor que la de los metales comunes. [ 25 ] Otro estudio que probó la resistencia del CMF a proyectiles de calibre .50 encontró que el CMF podía detener dichos proyectiles con menos de la mitad del peso de un blindaje homogéneo laminado . [ 26 ]

Pruebas HEI/fragmento

El CMF puede reemplazar el blindaje de acero laminado con la misma protección, pero con un tercio del peso. Puede bloquear fragmentos y las ondas de choque responsables de las lesiones cerebrales traumáticas (LCT). El CMF fue probado contra explosiones y fragmentos. Los paneles fueron probados contra proyectiles incendiarios de alto explosivo de  23 × 152 mm (como los utilizados en armas antiaéreas ) que liberan una onda expansiva de alta presión y fragmentos metálicos a velocidades de hasta 1524 m/s. Los paneles de CMF pudieron soportar la explosión y los impactos de los fragmentos sin deformarse ni agrietarse. La muestra más gruesa (16,7 mm de espesor) logró detener por completo fragmentos de diversos tamaños en tres pruebas de munición incendiaria distintas . Se demostró que el CMF es capaz de detener localmente los fragmentos, disipar la energía de la onda expansiva incidente e impedir la propagación de la falla, a diferencia de los materiales totalmente sólidos que transfieren la energía a través de toda la placa, dañando el material base. [ 27 ] En este estudio, el acero inoxidable CMF bloqueó la presión de la explosión y la fragmentación a 5000 pies por segundo de proyectiles incendiarios de alto explosivo (HEI) que detonan a 18 pulgadas de distancia. Las placas de acero CMF (de 9,5 mm o 16,75 mm de espesor) colocadas a 18 pulgadas de la placa de impacto resistieron la onda de presión de la explosión y los fragmentos de cobre y acero creados por un proyectil HEI de 23 × 152 mm (como en las armas antiaéreas ), así como una placa de impacto de aluminio de 2,3 mm. [ 28 ] El rendimiento del acero CMF fue mucho mejor que el de la placa de aluminio del mismo peso contra el mismo tipo de explosión y fragmentos. [ 29 ]     

Pruebas de armas pequeñas

Se utilizaron paneles de espuma metálica compuesta, fabricados con esferas huecas de acero de 2  mm incrustadas en una matriz de acero inoxidable y procesados ​​mediante una técnica de metalurgia de polvos, junto con paneles traseros de cerámica de carburo de boro y aluminio 7075 o Kevlar para fabricar un nuevo sistema de blindaje compuesto. Este blindaje compuesto se probó contra amenazas de tipo III y IV según la norma balística NIJ 0101.06. El diseño de capas altamente funcionales permitió que la espuma metálica compuesta absorbiera eficazmente la energía cinética balística , donde la capa de espuma metálica compuesta representó entre el 60 % y el 70 % de la energía total absorbida por el sistema de blindaje, lo que le permitió mostrar un rendimiento balístico superior contra amenazas de tipo III y IV. Los resultados de este programa de pruebas sugieren que la espuma metálica compuesta puede utilizarse para reducir el peso y aumentar el rendimiento del blindaje contra amenazas de tipo III y IV. [ 30 ]

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

Pruebas de munición AP calibre .50

El CMF se ha probado contra proyectiles perforantes de mayor calibre . [ 31 ] Se fabricaron paneles de CMF de acero inoxidable y se combinaron con una placa frontal de cerámica y una placa posterior de aluminio. Los blindajes duros en capas se probaron contra proyectiles de bala y AP de calibre .50 BMG a un rango de velocidades de impacto. Los núcleos de acero dulce de los proyectiles de bala penetraron una de las tres muestras, pero revelaron los beneficios de usar múltiples placas sobre una sola placa frontal de cerámica para limitar la propagación del daño. El núcleo de acero endurecido de los proyectiles AP penetró profundamente en la placa frontal de cerámica, comprimiendo la capa de CMF hasta que el proyectil se detuvo y se incrustó dentro del blindaje o pudo penetrar completamente y salir de la placa posterior. Los resultados experimentales se compararon con materiales de blindaje disponibles comercialmente y ofrecen un rendimiento mejorado con un peso reducido. Se estima que la capa de CMF absorbe entre el 69 y el 79 % de la energía cinética de la bala, en su condición de prueba no optimizada. [ 31 ] A velocidades de impacto superiores a 800  m/s, la capa CMF absorbió consistentemente hasta el 79% de la energía del impacto. A medida que aumentaba la velocidad de impacto, también lo hacía la resistencia efectiva de la capa CMF debido a la sensibilidad a la tasa de deformación del material. La relación de eficiencia de masa de los blindajes, en comparación con el blindaje homogéneo laminado (RHA), se calculó en 2,1. Los blindajes duros CMF pueden detener eficazmente un proyectil entrante con menos de la mitad del peso del RHA requerido. [ 26 ] El ahorro de peso que proporciona el uso de este novedoso blindaje puede mejorar la eficiencia del combustible de los vehículos militares sin sacrificar la protección del personal o el equipo en su interior.

Prueba de punción

Se ha probado la espuma metálica compuesta en una prueba de punción. Las pruebas de punción se realizaron en SS CMF-CSP con diferentes espesores de láminas de acero inoxidable y núcleo de CMF. La unión del núcleo de SS CMF y las láminas se realizó mediante unión adhesiva y unión por difusión. Los distintos espesores del núcleo de CMF y las láminas crearon una variedad de densidades superficiales objetivo de aproximadamente 6,7 a aproximadamente 11,7  kg por cada baldosa de 30 x 30  cm. Los objetivos fueron impactados con bolas de acero de 2,54 y 3,175  cm de diámetro disparadas a velocidades que oscilaron entre 120 y 470 m por segundo, lo que resultó en energías de punción de 488 a 14 500 J en un área de impacto de 5,06–7,91 cm2 para las bolas de dos tamaños. Ninguno de los paneles, incluso aquellos con las densidades superficiales más bajas, mostró penetración/punción completa a través de su espesor. Esto se debió principalmente a la capacidad de absorción de energía del núcleo SS CMF en compresión, mientras que las láminas exteriores refuerzan el núcleo CMF para soportar mejor las tensiones de tracción. Los paneles sándwich con láminas exteriores más gruesas muestran menor eficacia, y una lámina exterior delgada pareció ser suficiente para soportar el núcleo SS CMF y absorber dichas energías de perforación. Los paneles ensamblados mediante unión adhesiva mostraron desprendimiento de las láminas exteriores del núcleo CMF tras el impacto del proyectil, mientras que los paneles unidos por difusión mostraron mayor flexibilidad en la interfaz y soportaron mejor las tensiones. La mayoría de los paneles unidos por difusión no mostraron desprendimiento de las láminas exteriores del núcleo SS CMF. Este estudio demostró las capacidades de absorción de energía del CMF, lo que indica que el CMF puede utilizarse para aumentar la protección y reducir el peso simultáneamente. [ 32 ]

Pruebas de fuego/calor extremo

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

 Se sometió un panel de acero CMF 316L de 12" x 12" x 0,6" de espesor y 3,545 kg de peso a una prueba de combustión con soplete . En esta prueba, el panel se expuso a  temperaturas superiores a 1204 °C durante 30 minutos. Al alcanzar los 30 minutos de exposición, la temperatura máxima en la superficie no expuesta del acero fue de 400  °C (752  °F) en el centro de la placa, directamente encima del quemador de chorro. Esta temperatura estuvo muy por debajo del límite de aumento de temperatura requerido de 427  °C; por lo tanto, esta muestra cumplió con los requisitos de la prueba de combustión con soplete. Como referencia, una pieza sólida de acero de igual volumen utilizada para la calibración no superó esta prueba en aproximadamente 4 minutos. [ 33 ]

Cabe mencionar que el mismo panel CMF, antes de la prueba de incendio por chorro mencionada anteriormente , fue sometido a una prueba de incendio por inmersión. En esta prueba, el panel se expuso a  temperaturas de 827 °C durante 100 minutos. El panel soportó la temperatura extrema durante 100 minutos sin problemas, alcanzando una temperatura máxima en la cara posterior de 379  °C, muy por debajo de la  temperatura de falla de 427 °C. Como referencia, la prueba se calibró utilizando una pieza de acero macizo de igual tamaño que falló la prueba en aproximadamente 13 minutos. [ 34 ] Estos estudios indican el extraordinario desempeño del CMF frente al fuego y al calor extremo.

El CMF aísla tan bien las temperaturas de 1100  °C (2000  °F) que se puede tocar a tan solo cinco centímetros de la zona incandescente del material.

La espuma metálica compuesta tiene una tasa de transferencia de calor muy baja y ha demostrado aislar una temperatura extrema de 1100  °C (2000  °F) en tan solo unos centímetros, dejando el material a temperatura ambiente a apenas cinco centímetros de una zona de material al rojo vivo. Además, la espuma metálica compuesta de acero logró conservar la mayor parte de su resistencia a esta temperatura, manteniendo al mismo tiempo la ligereza del aluminio, un material que se fundiría instantáneamente a esta temperatura extrema.

Otras habilidades

La espuma metálica compuesta ha demostrado su capacidad para proteger contra la radiación de rayos X y neutrones, absorbe/mitiga golpes, sonidos y vibraciones, y puede soportar más de 1.000.000 de ciclos de alta carga, superando a los metales sólidos tradicionales en todos los casos.

Aplicaciones

Diseño

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

Mecánico

Ortopedía

La espuma metálica se ha utilizado en prótesis experimentales para animales . En esta aplicación, se perfora un orificio en el hueso y se inserta la espuma metálica, permitiendo que el hueso crezca dentro del metal para lograr una unión permanente. Para aplicaciones ortopédicas, las espumas de tantalio o titanio son comunes por su resistencia a la tracción , resistencia a la corrosión y biocompatibilidad .

Las patas traseras de una husky siberiana llamada Triumph recibieron prótesis de espuma metálica. Estudios en mamíferos demostraron que los metales porosos, como la espuma de titanio , pueden permitir la vascularización dentro del área porosa. [ 36 ]

Los fabricantes de dispositivos ortopédicos utilizan construcción de espuma o recubrimientos de espuma metálica [ 37 ] para lograr los niveles deseados de osteointegración . [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]

Automotor

Las funciones principales de las espumas metálicas en los vehículos son aumentar la amortiguación del sonido , reducir el peso, aumentar la absorción de energía en caso de colisiones y (en aplicaciones militares) combatir la fuerza de impacto de los IED . Como ejemplo, los tubos rellenos de espuma podrían usarse como barras anti-intrusión . [ 41 ] Debido a su baja densidad (0,4–0,9 g/cm³ ) , las espumas de aluminio y aleación de aluminio son objeto de especial consideración. Estas espumas son rígidas, resistentes al fuego, no tóxicas, reciclables, absorben energía, son menos conductoras térmicas, menos permeables magnéticamente y amortiguan el sonido de manera más eficiente, especialmente en comparación con las piezas huecas. Las espumas metálicas en las piezas huecas de los automóviles disminuyen los puntos débiles generalmente asociados con colisiones y vibraciones de automóviles. Estas espumas son económicas de fundir con metalurgia de polvos, en comparación con la fundición de otras piezas huecas.

En comparación con las espumas poliméricas utilizadas en vehículos, las espumas metálicas son más rígidas, resistentes, absorben mejor la energía y son más resistentes al fuego y a las inclemencias del tiempo, como la luz ultravioleta , la humedad y las variaciones de temperatura. Sin embargo, son más pesadas, más caras y no son aislantes. [ 42 ]

La tecnología de espuma metálica se ha aplicado a los gases de escape de los automóviles . [ 43 ] En comparación con los convertidores catalíticos tradicionales que utilizan cerámica de cordierita como sustrato, el sustrato de espuma metálica ofrece una mejor transferencia de calor y exhibe excelentes propiedades de transporte de masa (alta turbulencia) y puede reducir la cantidad de catalizador de platino necesaria. [ 44 ]

Electrocatálisis

Las espumas metálicas son un soporte popular para electrocatalizadores debido a su gran superficie y estructura estable. Los poros interconectados también favorecen el transporte de masa de reactivos y productos. Sin embargo, la evaluación comparativa de los electrocatalizadores puede resultar difícil debido a la superficie indeterminada, las diferentes propiedades de la espuma y el efecto capilar. [ 45 ]

Absorción de energía

Gráfico de choque del aluminio

Las espumas metálicas se utilizan para rigidizar una estructura sin aumentar su masa. [ 46 ] Para esta aplicación, las espumas metálicas suelen ser de poro cerrado y de aluminio. Los paneles de espuma se adhieren a la placa de aluminio para obtener un sándwich compuesto resistente localmente (en el espesor de la lámina) y rígido a lo largo de su longitud, dependiendo del espesor de la espuma.

La ventaja de las espumas metálicas es que la reacción es constante, independientemente de la dirección de la fuerza. Las espumas presentan una meseta de tensión tras la deformación que se mantiene constante hasta en un 80 % de la compresión. [ 47 ]

Térmico

Conducción de calor en estructuras regulares de espuma metálica
Transferencia de calor en una estructura de espuma metálica regular

Tian et al. [ 48 ] enumeraron varios criterios para evaluar una espuma en un intercambiador de calor. La comparación del rendimiento térmico de las espumas metálicas con los materiales utilizados convencionalmente en la intensificación del intercambio (aletas, superficies acopladas, lecho de perlas) muestra, en primer lugar, que las pérdidas de presión causadas por las espumas son mucho más importantes que con las aletas convencionales, pero significativamente menores que las de las perlas. Los coeficientes de intercambio son similares a los de los lechos y las bolas, y muy superiores a los de las palas. [ 49 ] [ 50 ]

Las espumas ofrecen otras características termofísicas y mecánicas:

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

La comercialización de intercambiadores de calor, disipadores de calor y amortiguadores compactos a base de espuma se ve limitada por el elevado coste de su fabricación. Su resistencia a largo plazo a la incrustación, la corrosión y la erosión no está suficientemente caracterizada. Desde el punto de vista de la fabricación, la transición a la tecnología de espuma requiere nuevas técnicas de producción y montaje, así como un nuevo diseño de intercambiadores de calor.

Kisitu et al. [ 51 ] [ 52 ] fueron pioneros en la investigación experimental del uso de espuma de cobre comprimida para la refrigeración avanzada de dos fases en componentes electrónicos con alto flujo de calor. Las muestras de espuma metálica fueron diseñadas y fabricadas por la empresa estadounidense ERG Aerospace Corporation. [ 53 ] Se probaron flujos de calor de hasta 174 W/cm2. Los datos revelan que comprimir la espuma cuatro veces en la dirección del flujo (4X) mejoró el rendimiento térmico en más de tres veces, en comparación con la espuma metálica sin comprimir. Esto se atribuyó al hecho de que la compresión de la espuma reduce proporcionalmente el diámetro hidráulico efectivo y aumenta tanto el área superficial por unidad de volumen como la conductividad térmica global de la espuma, lo que mejora el rendimiento de la refrigeración de dos fases. Además, los resultados muestran que la espuma comprimida tiene el potencial de aumentar el flujo de calor crítico (CHF), que es fundamental para el funcionamiento seguro de la refrigeración de dos fases a altas densidades de calor. Los resultados preliminares muestran que las espumas metálicas comprimidas pueden solucionar varios problemas de los microcanales, como la obstrucción, la inestabilidad del flujo y el bajo flujo crítico de calor (CHF), entre otros. Por ello, se proponen las espumas comprimidas como nuevas y potentes alternativas a los microcanales en la refrigeración bifásica por bombeo para la gestión térmica de componentes electrónicos con alto flujo de calor, incluyendo ordenadores de alto rendimiento, aplicaciones aeroespaciales, militares y de defensa, y electrónica de potencia.

Véase también

Referencias

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  • Vídeo  : Espuma de aluminio estándar: Prueba de impacto
  • Vídeo  : Cómo se fabrican las espumas comunes
  • Hoja informativa de la NASA FS-2003-09-117-MSFC  — Espuma líquida viscosa y vidrio metálico a granel (espuma)
  • Cómo hacer una espuma metálica de aluminio en YouTube
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  • Vídeo de destrucción por balas en YouTube