1. Mút kim loại và mút nhôm là gì?
Trong quá trình lịch sử, việc phát hiện ra bọt kim loại tạo nên một cột mốc quan trọng trong cuộc cách mạng của toàn bộ lĩnh vực kỹ thuật vật liệu. Bọt kim loại là vật liệu bao gồm một cấu trúc kim loại có nhiều lỗ rỗng và chứa đầy khí dọc theo cấu trúc [2]. Các lỗ rỗng của các bọt kim loại này có thể được kết nối với nhau hoặc bịt kín, và được gọi tương ứng là bọt ô mở và bọt ô kín, như thể hiện trong Hình 2(a)(b) [3]. Trong số đó, vật liệu bọt nhôm hiện là kim loại bọt triển vọng nhất, do độ xốp cao, mật độ thấp, trọng lượng nhẹ, độ bền cao, khả năng nén tốt, hấp thụ va đập mạnh, hiệu suất hấp thụ âm thanh tốt và hiệu suất che chắn điện từ tốt. Hiệu suất tuyệt vời, do đó được gọi là "ngôi sao kim loại" [4], được sử dụng rộng rãi trong các phương pháp xử lý khác trong các lĩnh vực kỹ thuật hàng không vũ trụ, sản xuất và khoa học vật lý.
Hình 2. Đặc điểm cấu trúc của bọt nhôm: (a) Bọt nhôm ô mở; (B) Bọt nhôm ô kín [3]
2. Phát hiện ra bọt nhôm
Trong suốt chiều dài lịch sử, các vật liệu như xương, gỗ và đá bọt đã được sử dụng rộng rãi trong một thời gian dài. Nhiều nhà nghiên cứu dự đoán rằng tính hữu ích của những vật liệu này đã thúc đẩy sản xuất các vật liệu nhân tạo như bọt kim loại. Mặc dù hầu hết các công nghệ tạo bọt hiện đang được sử dụng đều được đề xuất từ những năm 1950, nhưng các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc phát hiện ra bọt nhôm có thể bắt nguồn từ năm 1926, khi Ma De Meller lần đầu tiên đề cập đến bọt kim loại trong một bằng sáng chế của Pháp. Meller đã từng đề xuất rằng quá trình tạo bọt kim loại có thể đạt được bằng cách đưa khí trơ vào kim loại nóng chảy hoặc bằng cách sử dụng chất tạo bọt như cacbonat trong kim loại nóng chảy. Mặc dù đây chỉ là một bằng sáng chế dựa trên ý tưởng, nhưng nó đặt nền tảng cho các bước tiếp theo cần thiết trong quá trình phát triển bọt nhôm. John C. Elliott đã phát triển thêm ý tưởng này 20 năm sau đó, thiết kế phiên bản cập nhật của bằng sáng chế Meller và giới thiệu bọt nhôm đầu tiên có sẵn, từ đó góp phần vào việc thương mại hóa vật liệu này tại Nhật Bản vào những năm 1990. Bản phát hành đã đặt nền móng [5].
3. Hiệu suất và ứng dụng của nhôm xốp
Nhôm xốp là kim loại có độ xốp và cấu trúc xốp cao, trong đó các lỗ xốp kín chiếm khoảng ba phần tư tổng thể tích của vật liệu kim loại, làm cho vật liệu rất nhẹ [7]. Ngoài các đặc điểm trên, nhôm xốp còn có đặc tính hấp thụ năng lượng ấn tượng và khả năng nén cao [7]. Về mật độ, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng mật độ của hầu hết các mẫu nhôm xốp là khoảng 0,4-1,2 g·cm-3 [6]. Ngoài ra, nhôm xốp còn có khả năng hấp thụ âm thanh, khả năng tái chế và độ dẫn nhiệt thấp [7].
Về mặt ứng dụng, khả năng che chắn điện từ, trọng lượng nhẹ và tính chất hấp thụ của bọt nhôm khiến nó trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các thành phần được sử dụng trong các thiết bị tổng hợp hạt nhân có kiểm soát, ô tô, hàng không vũ trụ và các ngành công nghiệp xây dựng do khả năng chống lại các môi trường vật lý khắc nghiệt. Trong thiết bị tổng hợp hạt nhân có thể kiểm soát, bọt nhôm ô kín là vật liệu che chắn điện từ tuyệt vời. Do sự kết nối của bộ khung bọt nhôm, nó có diện tích bề mặt riêng lớn và khả năng hấp thụ và phản xạ sóng điện từ tốt. Có nhiều tổn thất khác nhau, chẳng hạn như tổn thất hấp thụ, tổn thất phản xạ, v.v., do đó nhôm xốp có hiệu suất che chắn điện từ tuyệt vời. Hơn nữa, người ta cũng thấy rằng hiệu quả che chắn điện từ của nhôm xốp có xu hướng giảm dần rồi tăng dần khi tần số sóng điện từ tăng [3]. Trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, nhôm xốp được sử dụng để chế tạo các nón vũ trụ hoặc các bộ phận tua-bin. Do chất lượng nhôm xốp thấp nên nó đặc biệt hữu ích để giảm tổng trọng lượng của các bộ phận máy bay [7]. Và với tư cách là vật liệu hấp thụ năng lượng tuyệt vời, nhôm xốp được sử dụng để chế tạo bộ đệm, bộ giảm chấn và đáy khoang trở về của tàu vũ trụ, để tàu vũ trụ có thể hạ cánh an toàn và bảo vệ an toàn cho các phi hành gia và thiết bị vũ trụ. Thông qua khả năng hấp thụ năng lượng và hấp thụ sốc hiệu quả, nhôm xốp có thể đảm bảo an toàn cho các phi hành gia dưới tác động của tàu vũ trụ hạ cánh, như thể hiện trong Hình 3 [8].
Hình 3. Cấu trúc một phần được cải thiện của khoang chống va đập[8]
1-da trên; 2-thanh nhôm xốp; 3-da dưới
Trong ngành công nghiệp ô tô, nhôm xốp giúp giảm tổng số bộ phận được sử dụng trong khung, làm cho quá trình lắp ráp hiệu quả hơn và cuối cùng giúp giảm chi phí và cải thiện hiệu suất [7]. Hiện nay, nhôm xốp được sử dụng trong các thanh chống va chạm, dầm và dầm cửa trong các cấu trúc thân ô tô trên thị trường, như thể hiện trong Hình 4 [9-10].
Hình 4. (a) là sơ đồ các bộ phận hấp thụ năng lượng một phần của thân xe;
(B) Sơ đồ thanh chống va chạm bằng nhôm xốp
Trong ngành xây dựng, công dụng chính của nhôm xốp là làm rào cản bảo vệ, chống cháy để ngăn tiếng ồn lớn. Ứng dụng điển hình của nhôm xốp ô kín trong kiến trúc là Shanghai SOHO Fuxing Plaza. Nhà thiết kế sử dụng một lượng lớn nhôm xốp để hấp thụ và cách âm, như thể hiện trong Hình 6 [11].
Việc phát hiện ra bọt nhôm được coi là một thành tựu đáng chú ý. Vật liệu nhôm bọt kết hợp hiệu suất che chắn điện từ tuyệt vời, trọng lượng nhẹ, mật độ thấp, hiệu suất hấp thụ sốc và hấp thụ năng lượng, vì vậy nó có hiệu suất rất tốt trong nhiều ngành công nghiệp hiện nay. Khả năng ứng dụng rộng rãi. Điều thú vị là bọt nhôm cũng là một sản phẩm thân thiện với môi trường có thể tái chế, điều đó có nghĩa là nó là một vật liệu bền vững và dự kiến sẽ được sử dụng với số lượng lớn trong các ứng dụng công nghiệp trong tương lai.
Thời gian đăng: 30-11-2021
