1. Was ist Metallschaum und Aluminiumschaum
Die Entdeckung von Metallschaum markierte einen wichtigen Meilenstein in der Geschichte der Werkstofftechnik. Metallschaum ist ein Werkstoff mit einer Metallstruktur, die zahlreiche Poren aufweist und entlang dieser mit Gas gefüllt ist [2]. Die Poren dieser Metallschäume können miteinander verbunden oder verschlossen sein und werden als offenzelliger bzw. geschlossenzelliger Schaum bezeichnet, wie in Abbildung 2(a)(b) dargestellt [3]. Unter diesen ist Aluminiumschaum aufgrund seiner hohen Porosität, geringen Dichte, seines geringen Gewichts, seiner hohen Festigkeit, guten Kompressibilität, starken Stoßdämpfung, guten Schallabsorptionseigenschaften und guten elektromagnetischen Abschirmeigenschaften derzeit das vielversprechendste Schaummetall. Aufgrund seiner hervorragenden Leistung wird er auch als „Metallstern“ [4] bezeichnet und findet breite Anwendung in anderen Verarbeitungsverfahren in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Fertigung und den Naturwissenschaften.
Abbildung 2. Strukturelle Eigenschaften von Aluminiumschaum: (a) Offenzelliger Aluminiumschaum; (B) Geschlossenzelliger Aluminiumschaum [3]
2. Die Entdeckung des Aluminiumschaums
Materialien wie Knochen, Holz und Bimsstein wurden im Laufe der Geschichte seit langem vielseitig verwendet. Viele Forscher gehen davon aus, dass der Nutzen dieser Materialien die Herstellung von künstlichen Materialien wie Metallschaum gefördert hat. Obwohl die meisten der heute verwendeten Schäumtechnologien seit den 1950er Jahren entwickelt wurden, belegen Studien, dass die Entdeckung von Aluminiumschaum bis ins Jahr 1926 zurückreicht, als Ma De Meller das Metallschäumen erstmals in einem französischen Patent erwähnte. Meller schlug einst vor, dass der Metallschäumprozess durch die Zugabe von Inertgas in die Metallschmelze oder durch die Verwendung eines Treibmittels wie Karbonat in der Metallschmelze erreicht werden könne. Obwohl dies nur ein Patent auf der Grundlage dieser Idee ist, legt es den Grundstein für die weiteren Schritte in der Entwicklung von Aluminiumschaum. John C. Elliott entwickelte diese Idee 20 Jahre später weiter, entwarf eine aktualisierte Version des Meller-Patents und stellte den ersten verfügbaren Aluminiumschaum vor, der wiederum zur Kommerzialisierung des Materials in Japan in den 1990er Jahren beitrug. Die Veröffentlichung legte den Grundstein [5].
3. Leistung und Anwendung von Aluminiumschaum
Aluminiumschaum ist ein Metall mit hoher Porosität und poröser Struktur. Die geschlossenen Poren machen etwa drei Viertel des Gesamtvolumens des Metallmaterials aus, was das Material sehr leicht macht [7]. Zusätzlich zu den oben genannten Eigenschaften verfügt Aluminiumschaum über beeindruckende Energieabsorptionseigenschaften und eine hohe Kompressibilität [7]. Bezüglich der Dichte fanden die Forscher heraus, dass die Dichte der meisten Aluminiumschaumproben etwa 0,4–1,2 g·cm-3 beträgt [6]. Darüber hinaus zeichnet sich Aluminiumschaum durch Schallabsorption, Recyclingfähigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aus [7].
Aufgrund seiner elektromagnetischen Abschirmung, seines geringen Gewichts und seiner Absorptionseigenschaften ist Aluminiumschaum aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen physikalischen Bedingungen ein idealer Kandidat für Komponenten, die in Anlagen zur kontrollierten Kernfusion, in der Automobilindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrt und im Bauwesen eingesetzt werden. In Anlagen zur kontrollierten Kernfusion ist geschlossenzelliger Aluminiumschaum ein hervorragendes Material zur elektromagnetischen Abschirmung. Durch die Vernetzung des Aluminiumschaumskeletts verfügt es über eine enorme spezifische Oberfläche und kann elektromagnetische Wellen gut absorbieren und reflektieren. Es treten jedoch verschiedene Verluste auf, wie Absorptions- und Reflexionsverluste, sodass geschäumtes Aluminium eine hervorragende elektromagnetische Abschirmung aufweist. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Wirksamkeit der elektromagnetischen Abschirmung von geschäumtem Aluminium mit zunehmender Frequenz elektromagnetischer Wellen zunächst abnimmt und dann zunimmt [3]. In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird geschäumtes Aluminium zur Herstellung von Weltraumkegeln oder Turbinenteilen verwendet. Aufgrund der geringeren Qualität von geschäumtem Aluminium eignet es sich besonders zur Reduzierung des Gesamtgewichts von Flugzeugkomponenten [7]. Als hervorragendes energieabsorbierendes Material wird geschäumtes Aluminium zur Herstellung von Puffern, Schwingungsdämpfern und dem Boden der Rückkehrkabine von Raumfahrzeugen verwendet, um eine sichere Landung des Raumfahrzeugs zu gewährleisten und die Sicherheit von Astronauten und Raumfahrzeugausrüstung zu gewährleisten. Durch effektive Energie- und Stoßdämpfung kann geschäumtes Aluminium die Sicherheit der Astronauten bei der Landung des Raumfahrzeugs gewährleisten, wie in Abbildung 3 [8] dargestellt.
Abbildung 3. Verbesserte Teilstruktur der schlagfesten Bilge[8]
1-obere Haut; 2-Schaum-Aluminium-Stringer; 3-untere Haut
In der Automobilindustrie trägt geschäumtes Aluminium dazu bei, die Gesamtzahl der im Rahmen verwendeten Teile zu reduzieren, den Montageprozess effizienter zu gestalten und letztendlich Kosten zu senken und die Leistung zu verbessern [7]. Derzeit wird geschäumtes Aluminium in Antikollisionsstangen, Trägern und Türträgern in Karosseriestrukturen auf dem Markt verwendet, wie in Abbildung 4 dargestellt [9-10].
Abbildung 4. (a) ist ein Diagramm der teilweise Energie absorbierenden Teile der Karosserie;
(B) Schematische Darstellung der Antikollisionsstange aus Aluminiumschaum
In der Bauindustrie wird geschäumtes Aluminium hauptsächlich als schützende, feuerbeständige Barriere gegen starken Lärm eingesetzt. Ein typisches Beispiel für die Anwendung von geschlossenzelligem Aluminiumschaum in der Architektur ist die Shanghai SOHO Fuxing Plaza. Der Designer verwendet eine große Menge geschäumten Aluminiums zur Schallabsorption und -dämmung, wie in Abbildung 6 [11] dargestellt.
Die Entdeckung von Aluminiumschaum gilt als bemerkenswerte Leistung. Aluminiumschaum vereint hervorragende elektromagnetische Abschirmung, geringes Gewicht, geringe Dichte sowie Stoß- und Energieabsorptionseigenschaften und bietet daher heute in verschiedenen Branchen hervorragende Leistung. Breite Anwendbarkeit. Interessanterweise ist Aluminiumschaum zudem ein umweltfreundliches und recycelbares Produkt. Es handelt sich also um ein nachhaltiges Material, das voraussichtlich in zukünftigen industriellen Anwendungen in großen Mengen zum Einsatz kommen wird.
Veröffentlichungszeit: 30. November 2021
