Niedawno w tym miejscu wspominaliśmy o wynalezieniu przed kilku laty w laboratorium w Los Alamos pian metalicznych o gęstości 0,01g/cm3, co wydaje się nieprawdopodobne (taka piana musiałaby być prawie zupełnie przejrzysta i na tyle ulotna, że trudno wyobrazić sobie jej zastosowania). Jednak spienianie metali służące m.in do wytwarzania kompozytów o nowych właściwościach jest tematem żywego zainteresowania inżynierii materiałowej.

Piany metaliczne wytwarza się na świecie czterema metodami: osadzania chemicznego lub elektrochemicznego, naparowywania próżniowego, metalurgii proszków oraz tzw. technikami ciekło-fazowymi, w największym skrócie polegającymi na spienianiu ciekłego metalu za pomocą specjalnie dobranych gazów. Tą ostatnią metodą wytwarza się tzw. gazary, czyli metale wzmacniane ("zbrojone") bardzo małymi pęcherzykami gazu. Gazary są niezwykle wytrzymałe, ekologiczne, mają szerokie spectrum zastosowań Państwami mającymi istotne osiągnięcia w badaniach i wytwarzaniu gazarów są tylko USA, Japonia, Rosja i Ukraina, gdzie główną inspiracją był oczywiście przemysł kosmiczny.

Z gazarem w kosmos

Jednym ze specjalistów w dziedzinie gazarów w Polsce jest prof. dr inż. Jerzy Sobczak z Instytutu Odlewnictwa. Jest głównym twórcą "Atlasu struktur kompozytów metalowych", gdzie zebrano po raz pierwszy całość wiedzy o gazarach. Pod jego kierunkiem skonstruowano w Instytucie reaktor ciśnieniowy przeznaczony do wytwarzania materiałów o ukierunkowanej porowatości poprzez rozpuszczenie gazów w ciekłym metalu i doprowadzenie do kierunkowej krystalizacji. Urządzenie pozwala na wytwarzanie ultralekkich i wytrzymałych materiałów o szerokim spektrum zastosowań. Święci w 2014r tryumfy na wielu wystawach międzynarodowych, ostatnio zostało nagrodzone złotym medalem na wystawie ITM w Poznaniu. Powstało przed rokiem w Instytucie Odlewnictwa we współpracy z Instytutem Transportu Samochodowego. Jest to jedyne w tej części Europy urządzenie półprzemysłowe do wytwarzania metali wzmocnionych małymi pęcherzykami gazu. "Ukierunkowana porowatość i krystalizacja" ma znaczenie ze względu na niektóre zastosowania, gdzie ważna jest wytrzymałość mechaniczna w określonym kierunku lub działanie gazaru jako nośnika katalizatora. Sposoby otrzymywania gazarów opisał prof. Szapowałow patentując tę metodę w 1993 roku w USA. Do ich wytwarzania stosuje się autoklawy przemysłowe z regulacją ciśnienia gazu i temperatury. Proces składa się z kilku operacji technologicznych, takich jak umieszczenie materiału podstawowego (wyjściowego) wewnątrz autoklawu, dostarczenie wodoru lub gazu zawierającego wodór o znanym składzie mieszanki poprzez stopienie materiału podstawowego, rozpuszczenie wodoru w ciekłym materiale.

Efektem końcowym jest metal o z góry założonym rozkładzie pęcherzy gazu (kulistych, elipsoidalnych, cylindrycznych, ciągłych lub innych). Pęcherze mogą być ciągłe (przepuszczalne) i mają wysoki stopień powtarzalności.

Nie tylko kosmos

W Polsce badania nad gazarami rozpoczęto we współpracy z Państwową Akademią Metalurgiczną Ukrainy w Dniepropietrowsku, Instytutem Materiałoznawstwa Bułgarskiej Akademii Nauk oraz z Instytutem Transportu Samochodowego (dr Andrzej Wojciechowski). ITS wsparł udane próby ich zastosowania jako filtrów cieczy stosowanych w motoryzacji. Obecnie na świecie z gazarów wytwarza się łożyska na bazie stopów miedzi dla przemysłu spożywczego (brązy aluminiowe i aluminiowo - żelazowe), filtry pracujące w temperaturze 400o C, filtry do insuliny w medycynie z rozmiarami pęcherzy 100 - 200 nm (gazary niklowe pokryte wewnątrz warstwą substancji organicznej), części generatorów tlenu w stacjach uzdatniania wody, części rakiet i silników odrzutowych (ceramiczne obudowy katalityczne, elementy układu chłodzenia komory spalania w rakietach typu Zenit), superlekkie panele porowate. Można oczekiwać w najbliższym czasie znacznego rozszerzenia tych ekskluzywnych zastosowań o materiały urządzeń powszechnego użytku, gdyż wytwarzanie jest stosunkowo prosty i tanie. Tańsze, niż inne metody otrzymywania pian metalowych. Nie oznacza to, że badając kompozyty Instytut poprzestaje na gazarach; obiecujące są badania nad innymi typami kompozytów metalowych jak zwykłe piany monolityczne, struktury typu "plaster miodu", a zwłaszcza piany syntaktyczne o niektórych właściwościach nawet lepszych niż gazary.

Klejnot z odpadu.
Kordieryt naturalny jest ciekawym i rzadkim minerałem, którego kryształy wykazują tzw. dwójłomność, czyli reagują na stopień polaryzacji światła. Z tego też powodu były "kamieniem słonecznym" stosowanym w nawigacji wikingów do określania położenia słońca nawet wtedy, gdy znajdowało się ono tuż za horyzontem. Minerał ten jest krzemianem złożonym z tlenku magnezu, tlenku glinu oraz dwutlenku krzemu. Sztucznie wytwarza się go z kopalin naturalnych - talku, kaolinu i krzemionki do produkcji ceramiki specjalnej stosowanej m.in w katalizatorach. Zespół prof. Sobczaka opracował proekologiczne zaawansowane materiały ceramiczne na bazie kordierytu do zastosowań wysokotemperaturowych wytworzone z odpadów elektrowni węglowych. Rozwiązanie to także zdobyło już liczne wyróżnienia na wystawach. Powstałe w wyniku modyfikacji popiołów lotnych wyroby ceramiczne z kordierytu do zastosowań wysokotemperaturowych stanowią ekologiczny materiał konstrukcyjny, odporny na szoki termiczne i posiadający dobre właściwości izolacyjne, trudnościeralny,   niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, niską wartość stałej dielektrycznej, wysoką stabilność chemiczną i termiczną. Ceramiczne wyroby z kordierytu tworzy się z myślą o syntezie nowych materiałów, w tym metalowych materiałów kompozytowych, stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym, w których kordieryt stanowi zbrojenie metalu. Kompozyty metaliczne stanowią coraz bardziej znaczący kierunek badawczy Instytutu Odlewnictwa. Oby nie brakło partnerów przemysłowych.

jaz.