Pełne zrozumienie potencjału spienionych metali
Choć metal w formie bryły i struktura pienista mogą się wydawać skrajnie różnymi surowcami, gdy struktura komórkowa bryły metalu składa się z wypełnionych gazem porów, otrzymujemy tzw. spieniony metal. Choć spienione metale są niezwykle lekkie, są także wytrzymałe, co czyni z nich doskonałe surowce do szeregu różnych zastosowań w sektorze motoryzacji, aeronautyki czy zdrowia. Celem finansowanego przez UE projektu METFOAM było lepsze zrozumienie mechanicznego zachowania takich pian. „O unikalności spienionych metali świadczy ich zdolność do wydajnego transportu ciepła, co jest przydatne w procesie chłodzenia przy pomocy przepływu powietrza przez strukturę piany”, wyjaśnia koordynator projektu, Stefan Szyniszewski. „Chcieliśmy sprawdzić, w jaki sposób możemy lepiej wykorzystać te mechaniczne właściwości na potrzeby rzeczywistych zastosowań”. Spienione metale i płyty warstwowe Jednym z obszarów zainteresowań projektu były płyty warstwowe z rdzeniem wykonanym ze spienionego metalu. Płyty warstwowe są strukturami składającymi się z trzech warstw i znajdują zastosowanie tam, gdzie istotne jest połączenie wysokiej sztywności strukturalnej i niskiej masy. Celem niniejszego badania było znalezienie zastosowań, w których takie panele mogłyby mieć przewagę nad konwencjonalnymi segmentami stalowymi. „Zasadniczo chcieliśmy zrozumieć ten innowacyjny surowiec i znaleźć dla niego niszę pośród zastosowań mechanicznych i infrastrukturalnych”, mówi Szyniszewski. „Odkryliśmy, że płyty warstwowe mogą unieść ładunek nawet dziesięciokrotnie wyżej niż gładkie płyty stalowe”. Według Szyniszewskiego, takie płyty warstwowe mogłyby umożliwić budowę nowej generacji dźwigarów do mostów kolejowych lub wież turbin wiatrowych, eliminując konieczność stosowania na płytach przyspawanych usztywniaczy, co zapobiegałoby miejscowym wyboczeniom konstrukcji. Przy usztywniaczach koncentrują się naprężenia, co wymaga okresowych prac konserwacyjnych, ponieważ są one podstawowymi miejscami pęknięć wskutek zmęczenia materiału. Przeszkody pokonane W trakcie projektu Szyniszewski wraz z zespołem napotkali różne przeszkody. Na przykład, ze względu na to, że płyty warstwowe z okładzinami o grubości poniżej 2 mm nie są niezawodne, badacze musieli poddać badaniom płytę o sztywności i wytrzymałości równej płytom stalowym grubym na 5 mm. Niestety, oznaczało to prowadzenie badań na płycie o wymiarach szybu windowego, co nie byłoby możliwe do zrealizowania przy użyciu instalacji o maksymalnej nośności 100 ton, jaką dysponował zespół projektu. Aby poradzić sobie z tą przeszkodą, naukowcy zbadali pojedyncze płyty. „Musieliśmy w tym celu zaprojektować specjalny osprzęt zdolny do swobodnego ruchu obrotowego, a jednocześnie umożliwiający nam transport przy znaczących obciążeniach osiowych”, mówi Szyniszewski. Nowy potencjał spienionych metali Dzięki tym działaniom, badacze odkryli, że wzbogacenie spienionego metalu w ceramiczne kuleczki zapewniło mu niebywałą odporność na cięcie, której nie osiągnęły dotąd żadne powszechnie wykorzystywane materiały sypkie. „Ostatecznie, projekt METFOAM udowodnił, że spienione metale mogą zostać wykorzystane do wytwarzania nowych metamateriałów o niespotykanych parametrach, których nie wykazują materiały sypkie czy ceramiczne”, dodaje Szyniszewski. Naukowcy odkryli też, że dodanie powierzchni porowatych do ciał zakłócających może ograniczyć opory powietrza. „Na przykład, ustawiona przodem do prądu powietrza powierzchnia porowata generuje turbulencje, podobnie jak wgłębienia na piłce golfowej”, wyjaśnia Szyniszewski. „Natomiast porowata struktura umieszczona od strony zawietrznej redukuje ciśnienie bazowe i intensywność powstających turbulencji”. Szyniszewski dodaje, że takie cechy mogą umożliwić zastosowanie spienionych metali na powierzchniach zewnętrznych. Choć projekt został już zakończony, badacze zgłębiają obecnie możliwości zastosowania spienionych metali na potrzeby inżynierii lądowej, np. belki do przenoszenia o niezwykle wysokiej odporności na wyboczenia, które mogłyby zostać usprawnione dzięki zastosowaniu komponentów płyt ze spienionego metalu.
Słowa kluczowe
METFOAM, spieniony metal, płyty warstwowe
