1. ¿Qué es la espuma metálica y la espuma de aluminio?
A lo largo de la historia, el descubrimiento de la espuma metálica constituye un hito importante en la revolución de la ingeniería de materiales. La espuma metálica es un material compuesto por una estructura metálica con una gran cantidad de poros y relleno de gas a lo largo de su estructura [2]. Los poros de estas espumas metálicas pueden estar interconectados o sellados, y se denominan espuma de celda abierta y espuma de celda cerrada, respectivamente, como se muestra en la Figura 2(a)(b) [3]. Entre ellas, la espuma de aluminio es actualmente la más prometedora, gracias a su alta porosidad, baja densidad, ligereza, alta resistencia, buena compresibilidad, alta absorción de impactos, buen rendimiento de absorción acústica y buen apantallamiento electromagnético. Su excelente rendimiento la ha convertido en la "estrella del metal" [4], ampliamente utilizada en otros métodos de procesamiento en los campos de la ingeniería aeroespacial, la fabricación y las ciencias físicas.
Figura 2. Características estructurales del aluminio espumado: (a) Espuma de aluminio de celda abierta; (B) Espuma de aluminio de celda cerrada [3]
2. El descubrimiento de la espuma de aluminio
A lo largo de la historia, materiales como el hueso, la madera y la piedra pómez se han utilizado ampliamente durante mucho tiempo. Muchos investigadores predicen que la utilidad de estos materiales ha impulsado la producción de materiales sintéticos como la espuma metálica. Si bien la mayoría de las tecnologías de espumado actualmente en uso se han propuesto desde la década de 1950, estudios han demostrado que el descubrimiento de la espuma de aluminio se remonta a 1926, cuando Ma De Meller mencionó por primera vez la espuma metálica en una patente francesa. Meller sugirió en una ocasión que el proceso de espumado metálico podía lograrse introduciendo un gas inerte en el metal fundido o utilizando un agente espumante como el carbonato. Si bien esta patente se basa únicamente en la idea, sienta las bases para los siguientes pasos necesarios en el desarrollo de la espuma de aluminio. John C. Elliott profundizó en esta idea 20 años después, diseñando una versión actualizada de la patente de Meller e introduciendo la primera espuma de aluminio disponible, lo que a su vez contribuyó a la comercialización del material en Japón en la década de 1990. Esta publicación sentó las bases [5].
3. Rendimiento y aplicación del aluminio espumado
El aluminio espumado es un metal con alta porosidad y estructura porosa, cuyos poros sellados representan aproximadamente tres cuartas partes de su volumen total, lo que lo hace muy ligero [7]. Además de las características mencionadas, el aluminio espumado también posee excelentes propiedades de absorción de energía y alta compresibilidad [7]. En cuanto a la densidad, los investigadores encontraron que la densidad de la mayoría de las muestras de aluminio espumado es de aproximadamente 0,4-1,2 g·cm⁻³ [6]. Además, el aluminio espumado también presenta absorción acústica, reciclabilidad y baja conductividad térmica [7].
En términos de aplicación, el blindaje electromagnético, el peso ligero y las propiedades absorbentes de la espuma de aluminio la convierten en un candidato ideal para componentes utilizados en dispositivos de fusión nuclear controlada, automóviles, industrias aeroespaciales y de la construcción debido a su resistencia a entornos físicos extremos. En el dispositivo de fusión nuclear controlable, la espuma de aluminio de celda cerrada es un excelente material de blindaje electromagnético. Debido a la interconexión del esqueleto de espuma de aluminio, posee una gran área superficial específica y buena capacidad para absorber y reflejar ondas electromagnéticas. Se producen diversas pérdidas, como pérdida de absorción, pérdida de reflexión, etc., por lo que el aluminio espumado tiene un excelente rendimiento de blindaje electromagnético. Además, también se encontró que la efectividad del blindaje electromagnético del aluminio espumado mostró una tendencia de primero decreciente y luego creciente con el aumento de la frecuencia de las ondas electromagnéticas [3]. En la industria aeroespacial, el aluminio espumado se utiliza para fabricar conos espaciales o piezas de turbinas. Debido a la baja calidad del aluminio espumado, es particularmente útil para reducir el peso total de los componentes de aeronaves [7]. Como excelente material de absorción de energía, el aluminio espumado se utiliza para fabricar los amortiguadores, los amortiguadores de vibraciones y la base de la cabina de retorno de la nave espacial, lo que permite un aterrizaje seguro y protege la seguridad de los astronautas y el equipo espacial. Gracias a su eficaz absorción de energía e impactos, el aluminio espumado garantiza la seguridad de los astronautas ante el impacto del aterrizaje, como se muestra en la Figura 3 [8].
Figura 3. Estructura parcial mejorada de la sentina resistente al impacto[8]
1-piel superior; 2-largueros de aluminio espumado; 3-piel inferior
En la industria automotriz, el aluminio espumado ayuda a reducir el número total de piezas utilizadas en el chasis, optimiza el proceso de ensamblaje y, en última instancia, ayuda a reducir costos y mejorar el rendimiento [7]. Actualmente, el aluminio espumado se utiliza en barras anticolisión, vigas y travesaños de puertas en las estructuras de carrocería de automóviles, como se muestra en la Figura 4 [9-10].
La figura 4. (a) es un diagrama de las partes de la carrocería del vehículo que absorben parcialmente energía;
(B) Diagrama esquemático de la barra anticolisión de espuma de aluminio
En la industria de la construcción, el aluminio espumado se utiliza principalmente como barrera protectora ignífuga para prevenir ruidos fuertes. La aplicación típica de la espuma de aluminio de celda cerrada en arquitectura es el edificio Fuxing Plaza de Shanghai SOHO. El diseñador utilizó una gran cantidad de aluminio espumado para absorber y aislar el sonido, como se muestra en la Figura 6 [11].
El descubrimiento del aluminio espumado se considera un logro notable. Este material combina un excelente blindaje electromagnético, ligereza, baja densidad y capacidad de absorción de impactos y energía, lo que le confiere un excelente rendimiento en diversas industrias. Su amplia aplicabilidad lo hace ideal. Cabe destacar que el aluminio espumado es un producto ecológico y reciclable, lo que lo convierte en un material sostenible y se prevé su uso masivo en futuras aplicaciones industriales.
Hora de publicación: 30 de noviembre de 2021
