金属フォーム

材料科学において、金属フォームは、体積の大部分を占めるガス充填細孔を有する固体金属（多くの場合アルミニウム）からなる材料または構造である。細孔は密閉されている場合（独立気泡フォーム）または相互接続されている場合（連続気泡フォーム）。^[1]金属フォームの特徴は高い多孔性であり、通常、体積の5～25%のみがベース金属である。材料の強度は平方立方法則による。

金属フォームは、通常、ベース材料の物理的特性の一部を保持します。不燃性金属で作られたフォームは不燃性のままであり、一般的にベース材料としてリサイクルできます。熱膨張係数は似ていますが、熱伝導率は低下する可能性があります。^[2]

オープンセル金属フォームは金属スポンジとも呼ばれ、[ ^3]熱交換器（小型電子機器の冷却、極低温タンク、PCM 熱交換器）、エネルギー吸収、流動拡散、CO2_{スクラバー}、火炎防止装置、軽量光学系などに使用できます。^{[4]この材料はコストが高いため、一般的には先端技術、}航空宇宙、製造業 での使用に限られています。

肉眼で見えるよりも小さなセルを持つ微細オープンセルフォームは、化学産業において 高温フィルターとして使用されます。

金属フォームは、圧力を下げて熱伝達を高めるために小型熱交換器に使用されています。^{[5] [6] [7] [説明が必要]}しかし、金属フォームを使用すると、物理的なサイズと製造コストを大幅に削減できます。これらの材料のほとんどのモデルでは、理想化された周期的な構造または平均化されたマクロ特性が使用されています。

金属スポンジは単位重量あたりの表面積が非常に大きく、触媒はパラジウムブラック、白金スポンジ、スポンジ状ニッケルなどの金属スポンジに形成されることが多い。オスミウムやパラジウム水素化物などの金属は比喩的に「金属スポンジ」と呼ばれているが、この用語は物理的構造ではなく、水素に結合する特性を指している。^[8]

独立気泡金属フォームは、1926年にメラーがフランスの特許で初めて報告したもので、不活性ガス注入または発泡剤による軽金属の発泡が示唆された。^[9]スポンジ状金属に関する2つの特許は、1948年と1951年にベンジャミン・ソスニックに交付され、彼は水銀蒸気を使って液体アルミニウムを発泡させた。^{[10] [11]}

独立気泡金属フォームは、1956 年にビョルクステイン研究所のジョン C. エリオットによって開発されました。最初のプロトタイプは 1950 年代に利用可能でしたが、商業生産は 1990 年代に日本の神鋼ワイヤー社によって開始されました。独立気泡金属フォームは、自転車のヘルメットのポリマーフォームと同様に、より高い衝撃負荷に対して、主に衝撃吸収材として使用されます。多くのポリマーフォームとは異なり、金属フォームは衝撃を受けた後も変形したままであるため、一度しか変形できません。金属フォームは軽量 (通常、同一の非多孔性合金 (一般的にはアルミニウム) の密度の 10～25%) で剛性があり、軽量構造材料として頻繁に提案されています。ただし、この目的で広く使用されてはいません。

独立気泡フォームは、他の金属フォームの耐火性とリサイクルの可能性を維持しながら、水に浮く性質も備えています。

多孔度の分布がランダムな場合、フォームは確率的であると言われます。ほとんどのフォームは製造方法により確率的になります。

• 液体または固体（粉末）金属の発泡
• 蒸着（ランダムマトリックス上のCVD）
• ビーズまたはマトリックスを含む鋳型の直接または間接のランダム鋳造

フォームの構造が整然としているとき、そのフォームは規則的であると言われます。直接成形は、開いた気孔を持つ規則的なフォーム^{[12] [13]を生成する技術の1つです。金属フォームは、}選択的レーザー溶融（SLM） などの付加プロセスによっても生成できます。

プレートは鋳造コアとして使用できます。形状は各用途に合わせてカスタマイズされます。この製造方法により、プラトーの法則を満たし、切頂八面体ケルビンセル（体心立方構造）の形状の導電性細孔を持つ「完全な」フォームと呼ばれるフォームが得られます。

ハイブリッド金属フォームは、通常、下層の多孔質基板上に薄膜を有しています。^[15]金属フォームを異なる材料でコーティングすると、金属フォームの機械的特性が向上することが示されています。特に、金属フォームはセル構造のため曲げ変形しやすいためです。薄膜を追加することで、耐腐食性などの他の特性も向上し、触媒フロープロセス用の表面機能化が可能になります。

ハイブリッド金属フォームを製造するには、室温での電着により薄膜をフォーム基板上に堆積させる。^[16]ワット浴内の2電極セルセットアップを使用することができる。^[16]最近の研究では、金属フォームの複雑な形状のために薄膜の均一性に問題があることが実証されている。^[16]均一性の問題は、最近の研究ではナノ粒子薄膜の実装によって解決され、機械的特性と耐腐食性が向上している。^[17]

ハイブリッドフォームに関する最近の研究は、再生不可能なエネルギー資源に対処するためにも使用されています。^[18]遷移金属ハイブリッドフォームは、これまで、多孔質材料を通る流体の拡散性を高め、電荷移動を強化するために電気特性を改善するために、電着と水素バブリングプロセスの組み合わせによって製造されてきました。^{[18]したがって、このようなフォームは、電気触媒}水分解プロセスをより効率的にするために使用できます。

ハイブリッド金属フォームは、フレキシブルデバイスに好ましい導電性特性を持つ可能性があります。研究者は、気相堆積によって多孔質ポリマー基板上に金属の薄い層を適用することにより、ポリマーマトリックスの柔軟性を維持しながら高い導電性を達成することができました。^[19]サイクルテストにより、ハイブリッドフォームは表面変形を感知できることが示されました。^[19]今後の取り組みでは、堆積が発生したときの材料の架橋と多孔性の変化を特徴付けることを目指しています。さらに、フォームリガンド内のさまざまなポリマーと金属間の相互作用または互換性を調査して、外力に対する感度をよりよく理解することができます。これにより、圧縮力に対する耐性が向上します。

オープンセルフォームは、鋳造または粉末冶金によって製造されます。粉末法では、「スペースホルダー」が使用されます。その名前が示すように、スペースホルダーは細孔空間とチャネルを占有します。鋳造プロセスでは、フォームはオープンセルポリウレタンフォームスケルトンを使用して鋳造されます。

泡は、一般的に溶融金属にガスを注入するか、発泡剤を混ぜて作られます。 ^[20]溶融金属は、材料内に気泡を発生させることで発泡します。通常、溶融金属内の泡は高密度液体中で浮力が高く、すぐに表面に上昇します。この上昇は、セラミック粉末や合金元素を加えて溶融金属に安定化粒子を形成するなど、溶融金属の粘度を高めることで遅くすることができます。溶融金属は、次の3つの方法のいずれかで発泡します。

• 外部から液体金属にガスを注入することによって;
• 溶融金属にガス放出発泡剤を混合して液体中にガスを発生させる。
• 溶融金属に溶解していたガスを沈殿させることによって。

溶融金属の泡を安定させるには、高温発泡剤（ナノまたはマイクロメートルサイズの固体粒子）が必要です。気孔またはセルのサイズは通常 1 ～ 8 mm です。発泡剤または発泡剤を使用する場合は、溶融する前に粉末金属と混合します。これはいわゆる「粉末法」の発泡法であり、おそらく最も確立された方法です（産業的観点から）。金属（アルミニウムなど）粉末と発泡剤（TiH ₂など）を混合した後、圧縮してコンパクトな固体前駆体にします。この前駆体は、ビレット、シート、またはワイヤの形で入手できます。前駆体の製造は、粉末プレス、^[21] 押し出し（直接^[22]またはコンフォーム^[23]）、フラットローリングなどの材料成形プロセスの組み合わせによって行うことができます。^[24]

複合金属フォームは、均質な中空金属球と、球を囲む金属マトリックスの組み合わせから作られています。この独立気泡金属フォームは内部の空気ポケットを隔離し、ほぼすべての金属、合金、または組み合わせから作ることができます。球のサイズは、用途ごとに変更および微調整できます。空気で満たされた中空金属球と金属マトリックスの混合物は、軽量で強度があります。球は材料内でランダムに配置されていますが、ほとんどの場合、単純な立方体または体心立方構造に似ています。CMF は約 70% が空気でできているため、同体積の固体親材料よりも 70% 軽量です。複合金属フォームは、従来の金属フォームよりも 5 ～ 6 倍の強度対密度比と 7 倍以上のエネルギー吸収能力を備えた、入手可能な金属フォームの中で最も強力なものです。^{[25] CMFは}、ノースカロライナ州立大学の発明家アフサネ・ラビエイによって開発され、彼女の名義で4つの特許を取得しており、その名称はすべて「複合金属フォームおよびその製造方法」（米国実用特許9208912、8110143、8105696、7641984）です。CMFは現在、Advanced Materials Manufacturing社が所有する独自の技術です。

厚さ1インチ未満のプレートは、.30-06スプリングフィールド標準装備M2徹甲弾を粉砕するのに十分な耐性があります。テストプレートは、はるかに軽量でありながら、同様の厚さの固体金属プレートよりも優れた性能を発揮しました。他の潜在的な用途には、核廃棄物（X線、​​ガンマ線、中性放射線の遮蔽）の転送や宇宙船の大気圏再突入時の断熱があり、耐火性と耐熱性は普通の金属よりも何倍も優れています。^{[25] CMFの.50口径弾に対する耐性をテストした別の研究では、CMFは}圧延均質装甲の半分以下の重量でそのような弾丸を阻止できることがわかりました。^[26]

CMF は、重量を 3 分の 1 に抑えながら、同等の保護機能を備えた圧延鋼装甲の代替品として使用できます。CMF は、外傷性脳損傷 (TBI) の原因となる破片や衝撃波を遮断できます。CMF は爆風や破片に対してテストされました。パネルは、最大 1524 m/s の速度で高圧爆風と金属破片を放出する 23 × 152 mm の高性能爆薬焼夷弾(対空兵器に使用されているもの) に対してテストされました。CMF パネルは、たわんだり割れたりすることなく爆風や破片の衝撃に耐えることができました。より厚いサンプル (厚さ 16.7 mm) は、3 回の焼夷弾テストでさまざまなサイズの破片を完全に阻止することができました。エネルギーをプレート全体に伝達してバルク材料を損傷する完全に固体の材料とは対照的に、CMF は破片を局所的に阻止し、入射爆風のエネルギーを消散させて破損の拡大を阻止できることが示されました。^[27]この研究では、ステンレス鋼CMFが、18インチ離れた場所で爆発する高性能焼夷弾（HEI）による毎秒5,000フィートの爆圧と破片の飛散を阻止した。ストライクプレートから18インチ離れた場所に配置された鋼鉄CMFプレート（厚さ9.5mmまたは16.75mm）は、爆圧の波と、23×152mm HEI弾（対空兵器で使用されるもの）および2.3mmアルミニウムストライクプレートによって生成された銅と鋼の破片に対して持ちこたえた。^[28]鋼鉄CMFの性能は、同じ種類の爆風と破片に対する同じ重量のアルミニウムプレートよりもはるかに優れていた。^[29]

複合金属フォームパネルは、ステンレス鋼のマトリックスに埋め込まれた 2 mm の鋼中空球を使用して製造され、粉末冶金技術を使用して処理され、炭化ホウ素セラミックおよびアルミニウム 7075 またはケブラー製の背面パネルとともに、新しい複合装甲システムを製造しました。この複合装甲は、 NIJ 0101.06 弾道試験規格を使用して、 NIJ タイプ IIIおよびタイプ IV の脅威に対してテストされました。高度に機能的なレイヤーベースの設計により、複合金属フォームは弾道運動エネルギーを効果的に吸収することができ、CMF 層は装甲システムが吸収する総エネルギーの 60～70% を占め、複合装甲システムはタイプ III およびタイプ IV の両方の脅威に対して優れた弾道性能を発揮しました。このテストプログラムの結果は、CMF を使用して重量を軽減し、タイプ III およびタイプ IV の脅威に対する装甲の性能を向上できることを示唆しています。^[30]

CMFは、より大口径の徹甲弾に対してもテストされている。^[31] SS CMFパネルが製造され、セラミック製のフェースプレートとアルミニウム製のバックプレートと組み合わせられた。層状の硬質装甲は、さまざまな衝撃速度で.50 BMGボール弾とAP弾に対してテストされた。ボール弾の軟鋼コアは3つのサンプルのうち1つを貫通したが、損傷の拡大を制限するために単一のセラミック製フェースプレートではなく複数のタイルを使用することの利点が明らかになった。AP弾の硬化鋼コアはセラミック製フェースプレートの奥深くまで貫通し、CMF層を圧縮して、発射体が装甲内で停止して埋め込まれるか、完全に貫通してバックプレートから出ることができた。実験結果は市販の装甲材料と比較され、重量を減らしながらパフォーマンスが向上していることがわかった。CMF層は、最適化されていないテスト条件で、弾丸の運動エネルギーの69〜79％を吸収すると推定されている。^[31]衝突速度が800m/sを超えると、CMF層は一貫して衝突エネルギーの最大79%を吸収しました。衝突速度が増加すると、材料のひずみ速度感度によりCMF層の有効強度も増加しました。圧延均質装甲（RHA）と比較した場合、装甲の質量効率比は2.1と計算されました。CMFハード装甲は、必要なRHAの半分以下の重量で、飛来する弾丸を効果的に阻止できます。^[26]このような新しい装甲を使用することで得られる軽量化により、人員や内部の機器の保護を犠牲にすることなく、軍用車両の燃費を向上させることができます。

複合金属フォームは、穿刺試験でテストされています。穿刺試験は、異なる厚さのステンレス鋼表面シートと CMF コアを備えた SS CMF-CSP で実施されました。SS CMF コアと表面シートの結合は、接着結合と拡散結合によって行われました。CMF コアと表面シートのさまざまな厚さにより、30 x 30 cm のタイルの 1 枚あたり約 6.7 ～ 約 11.7 kg のさまざまなターゲット面密度が作成されました。ターゲットは、120 ～ 470 m/秒の速度で発射された直径 2.54 cm と 3.175 cm の鋼球を使用して衝突され、2 つのサイズの球体ボールの衝突面積 5.06 ～ 7.91 cm2 で 488 ～ 14 500 J の穿刺エネルギーが得られました。どのパネルも、面密度が最も低いパネルでさえ、厚さを完全に貫通/穿刺することはありませんでした。これは主に、SS CMF コアの圧縮時のエネルギー吸収能力によるものですが、表面シートは CMF コアを強化して引張応力にうまく対処します。表面シートが厚いサンドイッチ パネルは効果が低く、薄い表面シートでも SS CMF コアをサポートしてこのような穿孔エネルギーを吸収するのに十分であると思われます。接着接合を使用して組み立てられたパネルは、発射体の衝撃で CMF コアから表面シートが剥離しましたが、拡散接合パネルは界面でより柔軟であり、応力にうまく対応しました。ほとんどの拡散接合パネルでは、SS CMF コアから表面シートが剥離することはありませんでした。この研究は CMF のエネルギー吸収能力を証明し、CMF を使用すると保護を強化しながら重量を減らすことができることを示しています。^[32]

12 x 12 x 0.6 インチの厚さ、重量 3.545 kg の 316L 鋼 CMF パネルをトーチ火災試験でテストしました。このテストでは、パネルは 30 分間 1204 °C を超える温度にさらされました。30 分の暴露時間に達すると、鋼の露出されていない表面の最高温度は、ジェットバーナーの真上にあるプレートの中央で 400 °C (752 °F) でした。この温度は、必要な温度上昇制限の 427 °C を大きく下回っていたため、このサンプルはトーチ火災試験の要件を満たしていました。参考までに、校正に使用した同体積の鋼の固体片は、約 4 分でこのテストに不合格になりました。^[33]

言及する価値があるのは、上記のジェット火災試験の前に、同じCMFパネルがプール火災試験にかけられたことである。この試験では、パネルは827℃の温度に100分間さらされた。パネルは100分間の極端な温度に楽に耐え、裏面の最大温度は427℃の破損温度をはるかに下回る379℃に達した。参考までに、この試験は、約13分で試験に失敗した同じ大きさの固体鋼片を使用して較正された。^[34]これらの研究は、火災と極端な熱に対するCMFの並外れた性能を示している。

複合金属フォームは熱伝導率が非常に低く、わずか数インチの範囲内で 1,100 °C (2,000 °F) の極度の温度を遮断し、白熱した物質の領域からわずか 2 インチ離れたところでは材料を室温に保つことが実証されています。さらに、鋼鉄 CMF は、この温度で鋼鉄のような強度をほぼ維持しながら、この極度の温度では瞬時に溶けてしまうアルミニウムと同じくらい軽量なままです。

複合金属フォームは、X 線や中性子放射線を遮蔽し、衝撃、音、振動を吸収/緩和する能力があり、1,000,000 回を超える高負荷サイクルに耐えることができ、いずれの場合も従来の固体金属よりも優れた性能を発揮します。

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  銅フォーム付きヒートシンク
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  アルミフォームを含むクラッシュボックス
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  大きな多孔性を持つアルミニウムフォーム
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  アルミシート付きアルミフォーム
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  ヘッダー - スチール金属フォーム

金属フォームは、製品や建築構成に使用できます。

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  機械加工された金属フォーム
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  通常のフォームを使用したヒートシンク設計^[35]
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  大きな多孔アルミニウムのコーヒーテーブル

発泡金属は、実験動物の人工装具に使用されています。この用途では、骨に穴を開けて金属発泡体を挿入し、骨が金属に成長して永久的な接合部を形成します。整形外科用途では、引張強度、耐腐食性、生体適合性に富むタンタルまたはチタン発泡体が一般的です。

トライアンフという名のシベリアンハスキーの後ろ足に発泡金属の人工装具が装着された。哺乳類の研究では、チタンフォームなどの多孔質金属は多孔質領域内で血管新生を可能にする可能性があることが示された。^[36]

整形外科用機器メーカーは、望ましいレベルの骨結合を達成するために、フォーム構造または金属フォームコーティング^[37]を使用している。^{[38] [39] [40]}

車両における金属フォームの主な機能は、遮音性の向上、重量の軽減、衝突時のエネルギー吸収の向上、および（軍事用途では）IEDの衝撃力に対抗することです。たとえば、フォームを充填したチューブは侵入防止バーとして使用できます。^{[41]アルミニウムおよびアルミニウム合金フォームは、密度が低い（0.4〜0.9 g / cm 3} ） ため、特に検討されています。これらのフォームは、堅く、耐火性、無毒、リサイクル可能、エネルギー吸収性、熱伝導性が低く、磁気透過性が低く、特に中空部品と比較した場合、より効率的に遮音性があります。中空の自動車部品に金属フォームを使用すると、自動車の衝突や振動に通常関連する弱点が軽減されます。これらのフォームは、他の中空部品を鋳造する場合と比較して、粉末冶金で安価に鋳造できます。

車両に使用されているポリマーフォームと比較すると、金属フォームはより硬く、より強く、よりエネルギー吸収性があり、耐火性、紫外線、湿度、温度変化などの悪天候に対する耐性に優れています。しかし、金属フォームはより重く、より高価で、断熱性がありません。^[42]

金属フォーム技術は自動車の排気ガス処理に応用されている。^[43]コーディエライトセラミックを基材として使用する従来の触媒コンバータと比較して、金属フォーム基材はより優れた熱伝達を提供し、優れた質量輸送特性（高乱流）を示し、必要な白金触媒の量を減らすことができる。^[44]

金属フォームは、高い表面積と安定した構造のため、電気触媒の担体としてよく使用されます。相互接続された細孔は、反応物と生成物の質量輸送にも役立ちます。しかし、電気触媒のベンチマークは、表面積が不明であること、フォームの特性が異なること、毛細管効果などにより困難な場合があります。^[45]

金属フォームは、質量を増やすことなく構造を強化するために使用されます。^[46]この用途では、金属フォームは一般に密閉気孔でアルミニウムで作られています。フォームパネルはアルミニウム板に接着され、フォームの厚さに応じて、局所的に（シートの厚さで）耐久性のある複合サンドイッチと長さに沿って剛性が得られます。

金属フォームの利点は、力の方向に関係なく、反応が一定であることです。フォームは変形後に応力が一定となり、圧縮の80%まで一定になります。^[47]

Tian et al. ^[48]は、熱交換器内のフォームを評価するためのいくつかの基準を挙げています。熱性能金属フォームと、従来交換の強化に使用されている材料（フィン、結合面、ビーズベッド）との比較では、まず、フォームによって引き起こされる圧力損失が従来のフィンよりもはるかに大きいが、ビーズの圧力損失よりも大幅に低いことがわかります。交換係数はベッドとボールに近く、ブレードよりもはるかに高いです。^{[49] [50]}

フォームには、その他の熱物理的および機械的特性もあります。

• 質量が非常に小さい（製造方法に応じて、密度はバルク固体の5～25%）
• 大きな交換面積（250～10000 m ² /m ³）
• 比較的高い透過性
• 比較的高い有効熱伝導率（5～30 W/(mK)）
• 熱衝撃、高圧、高温、湿気、摩耗、熱サイクルに対する優れた耐性
• 機械的衝撃と音の吸収性に優れている
• 気孔サイズと多孔度は製造業者によって制御できる

フォームベースのコンパクトな熱交換器、ヒートシンク、およびショックアブソーバーの商業化は、フォームの複製のコストが高いため制限されています。汚れ、腐食、浸食に対する長期的な耐性は十分には評価されていません。製造の観点から見ると、フォーム技術への移行には、新しい製造および組み立て技術と熱交換器の設計が必要です。

Kisitu ら^{[51] [52] は、}高熱流束電子機器の高度な二相冷却に圧縮銅フォームを使用する実験的調査の先駆者でした。金属フォームのサンプルは、米国を拠点とする ERG Aerospace Corporation によって設計および製造されています。^[53] 174 W/cm2 もの熱流束がテスト/処理されました。データによると、フォームを流れ方向に 4 倍 (4X) 圧縮すると、圧縮されていない金属フォームと比較して、熱性能が 3 倍以上向上しました。これは、フォームを圧縮すると、有効水力直径が比例して減少し、単位体積あたりの表面積とフォームのバルク熱伝導率の両方が増加するためであり、これらはすべて二相冷却性能を向上させます。さらに、結果は、圧縮フォームが臨界熱流束 (CHF) を増加させる可能性があることを示しており、これは高熱密度での二相冷却の安全な操作に極めて重要です。予備的な結果では、圧縮金属フォームは、詰まり、流れの不安定性、低 CHF など、マイクロチャネルが直面するいくつかの問題を解決できることが示されています。そのため、圧縮フォームは、高性能コンピューター、航空宇宙、軍事および防衛、パワーエレクトロニクスなどの高熱流束電子機器の冷却/熱管理用のポンプ式 2 相冷却におけるマイクロチャネルの強力な新しい代替手段として提案されています。

• アルミフォームサンドイッチ
• アルミニウムポリマー複合材
• セラミックフォーム
• ナノフォーム
• 多孔質媒体
• 網状フォーム
• チタンフォーム

• ビデオ：アルミニウムレギュラーフォーム：クラッシュボックステスト
• ビデオ：通常のフォームの作り方
• NASA ファクトシート FS-2003-09-117-MSFC — 粘性液体フォームおよびバルク金属ガラス (フォーム)
• YouTubeでアルミニウム金属フォームの作り方を見る
• Fischer, SF; Thielen, M.; Weiß, P.; Seidel, R.; Speck, T.; Bührig-Polaczek, A.; Bünck, M. (2013). 「精密鋳造バイオインスパイアード複合材料の製造と特性」. Journal of Materials Science . 49 : 43–51 . doi :10.1007/s10853-013-7878-4. S2CID  136318878.
• YouTubeの弾丸破壊ビデオ