Schiume? Sì, metalliche

aperturaLe schiume rientrano nella categoria dei materiali cellulari, cioè di quella classe di materiali caratterizzata da basse densità associata a interessanti proprietà meccaniche, fisiche e chimiche. La struttura cellulare è costituita da un metallo solido con buona parte del volume occupata da pori d’aria (o gas), che possono essere chiusi o aperti, portando così alla definizione di schiuma a celle chiuse e di schiuma a celle aperte. Più precisamente, si dovrebbe parlare di schiume (foam) quando le celle sono chiuse e non comunicanti e di spugne (sponge). Di fatto, l’uso comune porta genericamente a considerare “schiume metalliche” le dispersioni uniformi della fase gassosa in un liquido o in solido, con il gas occupa che più del 70% del volume. Lo studio sulle schiume metalliche è nato in campo aeronautico, grazie a studi su nuovi materiali in grado di unire leggerezza e resistenza. Lo sviluppo tecnologico successivo, che ha visto la messa a punto di processi produttivi a costi sostenibili, con strutture globalmente più omogenee, ha permesso l’introduzione di questi materiali anche in settori meno ricchi, per quanto la diffusione sia ancora limitata e numerose siano le ricerche portate avanti da Università ed Enti di Ricerca.

COSA INFLUENZA LE PROPRIETÀ FINALI DELLA SCHIUMA?
Cosa influenza le proprietà finali della schiuma?

Quali le caratteristiche e i processi produttivi
Partendo dalla classificazione, le schiume possono essere raggruppate in funzione della loro struttura, definendo così tre macrogruppi: schiume isotrope, anisotrope e ortotrope. Naturalmente ogni gruppo sarà caratterizzato da proprietà, prestazioni e applicazioni differenti. Alla leggerezza, le schiume metalliche uniscono altre interessanti caratteristiche quali la grande capacità di assorbire energia, in particolare con assorbimento di energia di deformazione in spazi ridotti e/o in maniera graduale; ciò rende la schiuma metallica un ottimo materiale di riempimento strutturale, indicato per la realizzazione di componenti collassabili ad alto assorbimento energetico, quali i respingenti ferroviari. Le schiume metalliche hanno minore conduttività rispetto ai materiali metallici che ne hanno dato origine; alcune schiume, ad esempio quelle di Alluminio, hanno ottime caratteristiche fonoassorbenti e di permeabilità ai liquidi e all’aria che le rendono particolarmente interessanti in diversi settori industriali e in edilizia. Le proprietà del materiale sono fortemente influenzate dai processi produttivi, che sono molteplici e che perlopiù sono classificati in base allo stato del metallo di partenza. Sono quindi definite 4 tipologie di processo:
da metallo liquido
da metallo solido in polvere
da deposizione di vapore metallico o composto metallico gassoso
da soluzione di ioni metallici

Morfologia di schiume e spugne - cortesia MUSP
Morfologia di schiume e spugne – cortesia MUSP

Ogni processo produttivo può essere utilizzato su un limitato gruppo di metalli e crea un materiale poroso caratterizzato da un limitato range di densità relativa (rapporto fra il materiale schiumato e il solido) e di dimensioni di pori. Analogamente, alcuni processi portano a schiume con celle aperte, altri a schiume con netta prevalenza di celle chiuse. Si può quindi affermare che materiali diversi richiedono processi diversi che porteranno a risultati, e quindi impieghi, diversi. Se le proprietà di una schiuma metallica dipendono dalle proprietà del materiale solido, dalla densità relativa, dalle dimensioni dei pori, dal tipo e dalla morfologia delle celle, allora, per ottenere il profilo di proprietà desiderate occorre combinare adeguatamente metallo, densità e porosità.

Guscio di Alluminio con nucleo in schiuma di Alluminio: strutture leggere, con maggior rigidezza e miglior assorbimento delle vibrazioni
Guscio di Alluminio con nucleo in schiuma di Alluminio: strutture leggere, con maggior rigidezza e miglior assorbimento delle vibrazioni

Dalle prestazioni alle applicazioni pratiche
Le prestazioni dipendono, oltre che dal materiale, dalla densità, dal tipo di celle (dimensione, forma e distribuzione), dal processo produttivo e, naturalmente, dall’eventuale presenza di difetti. Le schiume metalliche trovano impiego in diversi settori, con applicazioni di tipo funzionale e/o strutturale, dagli scambiatori di calore, ai filtri, ai silenziatori e ogni qualvolta sia importante assorbire vibrazioni, suoni o energia di vario tipo. I pannelli sandwich in schiuma metallica, in grado di realizzare strutture rigide, ma leggere offrono il grosso vantaggio di non aver problemi di resistenza alla fiamma o di produzione di gas di combustione in caso di incendio, proprio perché sono interamente in metallo. Oltre alle strutture di carpenteria, i sandwich vengono impiegati come pannelli anti esplosione, essendo in grado di assorbire l’energia dovuta ad eventuali esplosioni.

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