1. 金属フォームとアルミニウムフォームとは何か
歴史の過程で、金属発泡体の発見は、材料工学の全分野の革命における重要なマイルストーンを構成しています。 金属発泡体は、多数の気孔を有する金属構造で構成され、構造に沿ってガスが満たされた材料です[2]。 これらの金属発泡体の気孔は相互に連結または密閉されており、図2（a）（b）に示すように、それぞれオープンセルフォームとクローズドセルフォームと呼ばれます[3]。 その中で、アルミニウム発泡材料は、高い多孔性、低密度、軽量、高強度、優れた圧縮性、強力な衝撃吸収性、優れた吸音性能、優れた電磁シールド性能により、現在最も有望な発泡金属です。 優れた性能のため、「金属スター」として知られており[4]、航空宇宙工学、製造、物理科学の分野の他の加工方法に広く使用されています。
図2. 発泡アルミニウムの構造特性：（a）連続気泡アルミニウムフォーム、（B）独立気泡アルミニウムフォーム[3]
2. アルミニウム発泡体の発見
歴史を通して、骨、木、軽石といった素材は古くから広く利用されてきました。多くの研究者は、これらの素材の有用性が金属発泡体などの人工素材の生産を促進したと予測しています。現在使用されている発泡技術のほとんどは1950年代以降に提案されたものですが、研究によると、アルミニウム発泡体の発見は1926年にMa De Mellerがフランスの特許で金属発泡について初めて言及した際に遡ります。Mellerはかつて、金属発泡プロセスは溶融金属に不活性ガスを導入するか、溶融金属に炭酸塩などの発泡剤を使用することで実現できると示唆しました。これはこのアイデアに基づいた特許に過ぎませんが、アルミニウム発泡体の開発に必要な次のステップの基礎を築くものとなりました。John C. Elliottはこのアイデアを20年後にさらに発展させ、Mellerの特許を改良したバージョンを設計し、初めて市販可能なアルミニウム発泡体を発表しました。これは、1990年代の日本におけるアルミニウム発泡体の商業化に貢献しました。この解放により基礎が築かれた[5]。
3. アルミニウム発泡体の性能と応用
発泡アルミニウムは、高い多孔性と多孔質構造を持つ金属であり、密閉された気孔が金属材料の全体積の約4分の3を占めているため、非常に軽量です[7]。上記の特性に加えて、発泡アルミニウムは優れたエネルギー吸収特性と高い圧縮性も備えています[7]。密度に関しては、研究者らは、ほとんどの発泡アルミニウムサンプルの密度が約0.4～1.2 g·cm-3であることを発見しました[6]。さらに、発泡アルミニウムは吸音性、リサイクル性、低熱伝導性も備えています[7]。
応用面では、アルミニウムフォームの電磁シールド性、軽量性、吸収性は、過酷な物理的環境への耐性があるため、制御核融合装置、自動車、航空宇宙、建設産業で使用される部品の理想的な候補となります。制御核融合装置において、閉気泡アルミニウムフォームは優れた電磁シールド材です。アルミニウムフォーム骨格の相互接続により、比表面積が大きく、電磁波を吸収・反射する能力に優れています。吸収損失、反射損失などのさまざまな損失が発生するため、発泡アルミニウムは優れた電磁シールド性能を備えています。さらに、発泡アルミニウムの電磁シールド効果は、電磁波周波数の増加に伴って最初は減少し、その後増加する傾向を示すこともわかっています[3]。航空宇宙産業では、発泡アルミニウムはスペースコーンやタービン部品の製造に使用されています。発泡アルミニウムは品質が低いため、航空機部品の総重量を軽減するのに特に役立ちます[7]。また、優れたエネルギー吸収材料として、発泡アルミニウムは宇宙船の緩衝材、振動吸収材、帰還キャビンの底部などに使用され、宇宙船の安全な着陸を実現し、宇宙飛行士と宇宙機器の安全を守ります。発泡アルミニウムは、効果的なエネルギー吸収と衝撃吸収により、図3に示すように、宇宙船の着陸時の衝撃から宇宙飛行士の安全を確保します[8]。
図3. 耐衝撃ビルジの改良された部分構造[8]
1-上部スキン、2-発泡アルミニウムストリンガー、3-下部スキン
自動車産業において、発泡アルミニウムはフレームに使用される部品の総数を削減し、組立工程の効率化を促進し、最終的にはコスト削減と性能向上に貢献しています[7]。現在、発泡アルミニウムは、図4に示すように、自動車の車体構造において、衝突防止バー、ビーム、ドアビームなどに使用されています[9-10]。
図４（ａ）は車体の部分エネルギー吸収部の図である。
(B) 発泡アルミ衝突防止バーの模式図
建設業界において、発泡アルミニウムは主に防音・防火バリアとして使用され、深刻な騒音を防いでいます。建築分野における独立気泡アルミニウムフォームの典型的な応用例は、上海SOHO復興プラザです。図6[11]に示すように、設計者は吸音・遮音のために大量の発泡アルミニウムを使用しています。
発泡アルミニウムの発見は、注目すべき成果とみなされています。発泡アルミニウム材料は、優れた電磁シールド性能、軽量、低密度、衝撃吸収性、エネルギー吸収性を兼ね備えており、今日の様々な産業において非常に優れた性能を発揮します。幅広い応用範囲を備えています。興味深いことに、発泡アルミニウムはリサイクル可能な環境に優しい製品でもあります。これは、持続可能な材料であり、将来の産業用途で大量に使用されることが期待されていることを意味します。
投稿日時: 2021年11月30日
