Huokoiset metallit - Huokoisten 316L-kappaleiden ruiskuvalaminen ja analysointi

HUOKOISET METALLIT – HUOKOISTEN 316L- KAPPALEIDEN RUISKUVALAMINEN JA ANALY-

SOINTI Matti Kultamaa

PRO GRADU -TUTKIELMA Fysikaalinen kemia

Kemistitutkijan koulutusohjelma

623/2019

1

Huokoiset metallit – Huokoisten 316L-kappaleiden ruiskuvalaminen ja analysointi Porous Metals – Injection Molding and Analysis of Porous 316L Objects

Matti Kultamaa, 249635

Itä-Suomen yliopisto, Kemian laitos

Ohjaajat: professori Mika Suvanto ja nuorempi tutkija Paavo Auvinen Joensuu 18.5.2019

Tiivistelmä

Huokoiset metallit, joita kutsutaan myös vaahtometalleiksi, ovat metalleja, joiden rakenteessa on yleensä ilmaa sisältäviä huokosia. Huokoisten metallien valmistuksessa voidaan käyttää monia eri metalleja ja metalliseoksia, kuten alumiinia, kuparia tai ruostumatonta terästä, minkä vuoksi huokoiset metallit ovat fysikaalis-kemiallisilta ominaisuuksiltaan monipuolinen materiaaliryhmä.

Lisäksi eri materiaalien huokoisuusaste sekä huokosten koko, muoto ja yhteenliittyvyys vaihtelevat, joten eri huokoisten metallimateriaalien rakenteet voivat poiketa toisistaan merkittävästi. Huokoisten metallien valmistamiseksi on kehitetty lukuisia menetelmiä, ja menetelmän valintaan vaikuttaa tuleva käyttökohde. Huokoisten metallien keskeisimpiä ominaisuuksia ovat keveys verrattuna tavanomaisiin metalleihin, sähkön- ja lämmönjohtavuus, mekaanisen kulutuksen, korroosion ja korkeiden lämpötilojen kesto sekä nesteiden ja kaasujen läpäisykyky. Esimerkiksi rakennusteollisuus ja biolääketiede hyödyntävät huokoisia metalleja kevyenä rakennusmateriaalina; huokoisten metallien lämmön- ja sähkönjohtavuus sekä läpäisevyys mahdollistavat niiden käyttämisen muun muassa katalyytisissä, akustisissa sekä lämmönsiirtoon perustuvissa funktionaalisissa sovelluksissa.

Tämän pro gradu -tutkielman kokeellisessa osassa tutkittiin polyvinyylialkoholin (PVA) käyttökelpoisuutta huokosia muodostavana tilanvaraajana (space holder) valmistettaessa huokoisia metallikappaleita 316L-ruostumattomasta teräksestä ruiskuvalumenetelmällä. PVA:ta käytettiin tilanvaraajana pääasiassa yhdessä natriumkloridin (NaCl) kanssa. PVA osoittautui vaativaksi materiaaliksi ruiskuvaluprosessin kannalta, koska valamista seuraavassa irrotusvaiheessa liuottimena käytetty vesi saa PVA:n laajenemaan teräskappaleen sisällä hajottaen kappaleen. Riittävän korkeaa suolapitoisuutta (30 massaprosenttia suolan ja teräksen kokonaismassasta) ja suhteellisen matalaa PVA-pitoisuutta (2,0 massaprosenttia kokonaismassasta) käyttämällä onnistuttiin valmistamaan kiekkomaisia, huokoisia teräskappaleita, joiden huokosrakenne on hyvin verkottunutta.

Koska PVA:ta käyttämällä valmistettujen kappaleiden kestävyys ei ollut riittävää mekaanista testausta ja tribologisia tutkimuksia varten, valmistettiin huokoisia 316-kappaleita pelkkää natriumkloridia tilanvaraajana käyttäen. Taivutustestit ja tribologiset määritykset tehtiin kolmella huokoisuusasteella: kappaleilla, joiden valmistamisessa käytettiin 5, 10 ja 15 massaprosenttia suolaa.

Tribologilla määritetyssä liikekitkakertoimen arvossa ei tapahtunut merkittävää muutosta huokoisuuden kasvaessa käytetyillä painoilla 1, 3, 5 ja 7 N. Kolmipisteisessä taivutustestissä nähtiin selvä trendi taivutuskestävyyden laskusta huokoisuuden kasvaessa.

2

Abstract

Porous metals, or foam metals as they are often called, are metallic materials having pores in their structure. The pores are usually filled with air. Different metals or alloys, aluminium, copper or stain- less steel to name of few, can be used to produce this type of materials, leading to differences in physical and chemical properties between different types of porous metals. In addition, the structures of porous metals vary based on differences in porosity as well as pore size, shape and connectivity between different porous metal materials.

Multiple production methods have been developed to produce porous metal materials. The choice of production method depends on the future application of the produced material. The essential proper- ties of porous metals are thermal and electrical conductivity, permeability and resistance to corrosion, high temperatures and mechanical forces. They are also lightweight compared to conventional metal materials, which makes them good materials in applications such as construction industry and bio- medicine. More functional applications include fields such as catalysis, acoustic control and heat transfer which utilize the good thermal and electrical conductivity and permeability of porous metal materials.

The potential to use polyvinyl alcohol (PVA) as space holder in the fabrication of porous 316L stain- less steel objects by metal injection molding (MIM) was researched in the experimental section of this master’s thesis. In the research, sodium chloride (NaCl) was usually used as an additional space holder. PVA was found to be a rather difficult material in the MIM process. During debinding phase PVA, though water-soluble, swells when introduced to water which was used as a solvent, thus break- ing the structure of the steel object. When using sufficiently high mass percentage of sodium chloride (circa 30 mass percent salt of the total mass of salt and 316L) and only 2.0 mass percent of PVA of the total mass of the feedstock, disc-shaped porous 316L-objects were successfully produced. These objects have a highly webbed inner structure.

The original research plan involved the analyzing of newly produced porous 316L-objects using me- chanical bending test and tribological measurements. As the use of PVA as space holder did not yield sufficiently durable objects to be used in the measurements, new porous objects were produced using only sodium chloride as a space holder material. Objects with three grades of porosities were pro- duced: 5, 10 and 15 mass percent of sodium chloride of the total mass. The kinetic friction coefficient for the objects of each porosity was determined using tribometer and normal loads of 1, 3, 5 and 7 Newton. No considerable change in kinetic friction coefficient was recorded with different porosities.

However, in three-point flexural test, a distinct decrease in flexural strength was observed as a func- tion of increasing porosity.

3

Sisällysluettelo

1. Johdanto ... 7

2. Huokoisten metallien ominaisuudet ... 8

3. Huokoisten metallien valmistusmenetelmät ... 10

3.1. Sulan metallin vaahdotukseen perustuvat menetelmät ... 10

3.1.1. Kaasun injektio ... 10

3.1.2. Vaahdotusaine ... 11

3.1.3. Jauhemetallurgia ... 13

3.2. Valamismenetelmät ... 14

3.2.1. Valaminen huokoisia polymeerejä hyödyntäen ... 14

3.2.2. Valaminen tilaa varaavia rakeita käyttäen ... 15

3.3. Valmistus kiinteästä metallista ... 15

3.3.1. Metallijauheiden ja -säikeiden sintraus ... 15

3.3.2. Kiinteä metalli ja tilaa varaavat rakeet ... 16

3.4. Pinnoitusmenetelmät ... 16

3.4.1. Sähköpinnoitus ... 16

3.4.2. Kaasufaasipinnoitus ... 16

4. Huokoisten metallien käyttökohteet ... 17

4.1. Rakenteelliset kohteet ... 17

4.1.1. Autoteollisuus ... 17

4.1.2. Lentotekniikka ... 18

4.1.3. Laivanrakennus ... 18

4.1.4. Rautatieteollisuus ... 18

4

4.1.5. Rakennukset ja laitteet ... 19

4.1.6. Urheiluvälineet ... 19

4.1.7. Biolääketiede ... 20

4.2. Funktionaaliset kohteet ... 21

4.2.1. Katalyysi ... 21

4.2.2. Lämmönsiirto ... 21

4.2.3. Akustiikka ja äänenvaimennus ... 22

4.2.4. Elektrodit ... 24

4.2.5. Laakerit ... 24

5. Huokoisten metallien analysointi ... 26

5.1. Vaurioittavat analysointimenetelmät ... 26

5.1.1. Kuvausmenetelmät ... 26

5.1.2. Mekaaninen testaus ... 26

5.1.3. Tribologia ... 27

5.2. Ei-vaurioittavat analysointimenetelmät ... 27

5.2.1. Röntgensäteilyyn perustuvat menetelmät ... 27

5.2.2. Akustiset mittaukset ... 28

5.2.3. Muita tutkimusmenetelmiä ... 29

6. Tutkimuksen tavoitteet ... 30

7. Kokeelliset menetelmät ... 32

7.1. 316L-kappaleiden valmistus ... 32

7.2. 316L-kappaleiden liuotus ... 34

7.3. 316L-kappaleiden sintraus ... 36

7.4. 316L-kappaleiden analysointi ... 36

5

8. Tulokset ja pohdinta ... 39

8.1. Huokoisen verkkorakenteen saavuttaminen 316L-kappaleisiin PVA:n avulla .. 39

8.1.1. Kolikkosarjan 1 valmistus ... 39

8.1.2. Kolikkosarjan 2 valmistus ... 42

8.1.3. Kolikkosarjan 3 valmistus ... 43

8.1.4. Kolikkosarjan 4 valmistus ... 45

8.1.5. Kolikkosarjojen kappaleiden analysointi ... 46

8.1.6. Levymäisten kappaleiden valmistus tribologisia tutkimuksia varten ... 47

8.2. Huokoisten 316L-kappaleiden tribologiset ominaisuudet ... 49

8.3. Huokoisten 316L-kappaleiden mekaaniset ominaisuudet ... 53

9. Johtopäätökset ... 58

10. Viitteet ... 60

6

Lyhenteet

AFS Aluminium Foam Sandwich

CT X-ray computed tomography, tietokonekerroskuvaus, tietokonetomografia DPF Diesel Particulate Filter, hiukkassuodatin

GRNN general regression neural network

HDPE high-density polyethylene, suuritiheyksinen polyeteeni ICE Intercity-Express

LDPE low-density polyethylene, pienitiheyksinen polyeteeni

LX huokoisten levymäisten 316L-kappaleiden sarja X (X=1, 2, 3, …6) MIM Metal Injection Molding, metalliruiskuvalu

MMC Metal Matrix Composite, metallimatriisikomposiitti NiMH nikkelimetallihydridiakku

PEG polyetyleeniglykoli PP polypropeeni PVA polyvinyylialkoholi

SEM Scanning Electron Microscope, pyyhkäisyelektronimikroskooppi SLT Sprinter Light Train

SX huokoisten 316L-vetosauvojen sarja X (X= 1, 2, 3) TLX tiiviiden levymäisten 316L-kappaleiden sarja X (X=1, 2) TS tiiviiden 316L-vetosauvojen sarja

7

1. Johdanto

Metallit ovat olleet osa ihmiskunnan arkea ja kehitystä esihistoriallisista ajoista saakka. Jo tuhansien vuosien ajan metalleja on käytetty muun muassa aseina, työkaluina, ruoanlaittoastioina ja kolikoina.

Metallien merkityksestä ihmisille kertoo ihmiskunnan historian kannalta tärkeiden ajanjaksojen ni- meäminen kulloisenakin aikana ihmisten käyttöönottamien ja laajasti hyödyntämien metallien mu- kaan, kuten pronssikausi ja rautakausi. Metallit ovatkin ihmisten sivilisaation kannalta tärkeimpiä materiaaleja, sillä niiden käytöllä on ollut merkittävä rooli tärkeimmissä ihmiskunnan teknisissä saa- vutuksissa, kuten maanviljelyn synnyssä sekä 1700-luvulla alkaneessa teollisessa vallankumouk- sessa. Aikojen saatossa tapahtunut valmistustekniikoiden kehittyminen on johtanut siirtymiseen pie- nistä käsin kannettavista metalliesineistä yhä mittavampiin, metalleja pääasiallisena raaka-aineenaan käyttäviin rakennuksiin ja kulkuvälineisiin, kuten pilvenpiirtäjiin, laivoihin ja lentokoneisiin.¹ Metallille ei ole yksiselitteistä määritelmää: metalleihin lasketaan kuuluvaksi moninainen joukko ominaisuuksiltaan toisistaan poikkeavia alkuaineita ja seoksia. Monilla metalleilla on kuitenkin yh- distäviä ominaisuuksia, kuten hyvä lämmön- ja sähkönjohtavuus sekä kiiltävyys.¹

Monet luonnon materiaalit, kuten eläinten luut sekä puiden ja muiden kasvien osat, ovat huokoisia.

Elollisen luonnon materiaaleissa huokoiset rakenteet, onkalot ja kolot, ovat eliön kannalta tärkeässä roolissa: ne keventävät rakenteita (kuten lintujen luita), tarjoavat lämmöneristystä ja toimivat ainei- den siirrossa. Onkin luontevaa, että ihminen valmistaessaan materiaaleja ja käyttöesineitä ottaa mallia luonnosta löytämistään materiaaleista. Kun luonnon materiaaleissa ilmeneviä huokoisuuden etuja hyödynnetään yleisesti hyvin kiinteinä ja läpäisemättöminä pidettyihin materiaaleihin, metalleihin, saadaan ominaisuuksiltaan mielenkiintoisia ja rakenteeltaan kestäviä metalleja, huokoisia metalleja.² Huokoiset metallit ovat kohonneet merkittävän tieteellisen ja teollisen huomion kohteiksi 1980-lu- vulta alkaen, yhä enemmän 2000-luvulla. Huokoiseksi metalliksi kutsutaan metallia, jonka jäykkään metallirunkoon on tarkoituksenmukaisesti lisätty koloja ja/tai onkaloita. Onkaloiden seurausta ovat huokoisten metallien monet erityiset ominaisuudet, joita seuraavat kappaleet valottavat ja joita voi- daan hyödyntää erinäisissä sovelluksissa eri aloilla, kuten kemianteollisuudessa sekä ympäristö- ja lääketieteessä.^3,4

Ennen 1900-lukua huokoisten metallien valmistamiseksi oli kehitetty erilaisia tekniikoita, joita hyö- dynnettiin lähinnä esteettisessä tarkoituksessa korujen tai muiden pintakäsittelyä vaativien esineiden valmistuksessa. 1920-luvulla alettiin valmistaa ensimmäisiä kaupallisia huokoisia metalleja, sintrat- tuja metallijauheita, joita hyödynnettiin, ja hyödynnetään edelleen, muun muassa paristoissa ja suo- dattimissa. Yhdysvallat oli johtava maa huokoisten metallien tutkimuksessa 1950-luvulla, jolloin tut- kimusta aiheen parissa tehtiin enemmän kuin muutamina seuraavina, hiljaisempina vuosikymmeninä, kunnes 1980-luvun lopussa ja 1990-luvun alussa heräsi yhä edelleen jatkuva maailmanlaajuinen kiin- nostus huokoisiin metalleihin tutkimuksen ja tuotekehityksen kohteena.^3,4

8

2. Huokoisten metallien ominaisuudet

Huokoiset metallit, vaahtometallit ja metalliset vaahdot ovat nimityksiä, joita käytetään metalleista, joiden rakenne sisältää huokosia, koloja tai onteloita. Usein näitä nimityksiä käytetään osittain pääl- lekkäin toistensa synonyymeinä⁴, mutta täsmällisempiäkin nimeämistapoja tunnetaan. Erään määri- telmän mukaan huokoinen metalli on yleisempi käsite metallista, jonka tilavuudesta suuri osa on huo- koista osiota, vaahtometalli-nimitystä käytettäessä enemmänkin kuvaamaan metallia, jonka valmis- tusprosessissa tapahtuu vaahtoutumista.³ Nimeämistavasta riippumatta huokoisten metallien luokit- telussa käytetään usein suhteellista tiheyttä, ρ/ρs, jossa ρ on huokoisen metallin tiheys ja ρs vastaavan ei-huokoisen metallin tiheys. Tämän yksinkertaisen suhteen avulla huokoisen metallin voidaan mää- ritellä olevan metalli, jonka suhteellinen tiheys on alle 70 %. Kun suhteellinen tiheys on alle 30 %, puhutaan metallisesta vaahdosta. Harvinaisemmissa materiaaleissa suhteellinen tiheys voi saavuttaa niinkin matalan arvon kuin 0,1 %.² Suhteellinen tiheys vaikuttaa huokoisten metallien mekaanisiin ominaisuuksiin.⁵

Huokoisessa metallissa huokosten määrä, koko, muoto ja suunta vaihtelevat riippuen suurilta osin valmistustavasta, mutta näistä ominaisuuksista riippumatta kukin huokoinen metalli voidaan luoki- tella huokostensa perusteella jompaankumpaan kahdesta ryhmästä: suljettujen huokosten metallit tai avointen huokosten metallit.²

Suljetut huokoset ovat koloja, jotka ovat erillään toisista huokosista, eli kukin huokonen on metalli- materiaalista koostuvien seinämien ympäröimä ilman yhteyttä muihin huokosiin. Tämän eristäyty- neen järjestyksen vuoksi suljettuja huokosia sisältävä metalli ei ole kaasuja ja nesteitä läpäisevää, vaikka kukin huokonen yleensä sisältääkin kaasua. Yleensä suljettujen huokosten metallit ovat me- kaanisilta ominaisuuksiltaan laadukkaita, ja niitä sovelletaankin käyttökohteissa, joissa kestävyys ja lujuus ovat materiaalin ominaisvaatimuksia. Kuva 1a esittää leikkauspinnan huokoisesta alumiinista, jonka huokoset ovat suljettuja. Kuvaan piirretyt punaiset nuolet osoittavat puuttuvien tai rikkoutunei- den huokosseinämien sijainteja. Kuvassa näkyvä huokoinen alumiini tunnetaan kaupallisella nimellä Alporas.^2,3,6

Toisinaan huokosrakenteeltaan sekä suljettuja että avoimia huokosia muistuttavista metalleista käy- tetään nimitystä puoliavointen huokosten metallit. Näiden metallien suljetut huokoset (kuten kuvassa 1b näkyvässä huokoisessa raudassa) ovat yhteydessä toisiinsa huokosia erottavissa seinämissä sijait- sevien, kooltaan vaihtelevien reikien kautta. Nimitys on harvemmin käytetty, ja usein myös puolia- voimia huokosia kutsutaan avoimiksi huokosiksi.^7,8

Avoimet huokoset ovat toisiinsa yhteydessä, joten useimmiten ne läpäisevät kaasuja ja nesteitä. Lä- päisykyky ohjaa vahvasti näiden huokoisten metallien käyttökohteita: niitä käytetään sisäisen raken- teensa mukaisissa, toiminnallisemmissa tarkoituksissa enemmän kuin rakenteellista kestävyyttä vaa- tivissa käyttökohteissa. Kuvan 1c vaahtomainen nikkeli on tyypillinen esimerkki erittäin huokoisesta vaahtometallista, jonka huokoset ovat avoimia. Huokosia ympäröivät vain ohuet tukisäikeet.^2,3,7

9

Monet huokoisten metallien ja vaahtometallien ominaisuudet riippuvat suuresti käytetystä metallista.

Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi korroosion ja lämpötilan vastustuskyky sekä elastisuus.

Koska huokoisia metalleja voidaan valmistaa laajasta joukosta erilaisia metalleja ja metalliseoksia ja koska huokoisuusaste sekä huokosten koko ja rakenne vaihtelevat, huokoisten metallien tarkastelu yhtenä materiaaliryhmänä muistuttaa yleisestikin metallien ominaisuuksien tarkastelua: yhteisiä piir- teitä voidaan löytää, mutta kaikki huokoiset metallit eivät täytä samoja ominaispiirteitä. Yleisiä huo- kosten olemassaolosta johtuvia huokoisten metallien ominaisuuksia ovat matala tiheys verrattuna vastaavaan tiiviiseen metalliin, korkea pinta-ala sekä avoimia huokosia sisältävissä metalleissa (nes- teiden ja kaasujen) läpäisevyys. Huokoisia metalleja yhdistäviä, metallisuudesta johtuvia yleisiä omi- naisuuksia ovat esimerkiksi lämmön- ja sähkönjohtavuus.^3,9

Huokoisilla metalleilla on monia hyviä ominaisuuksia verrattuna huokoisillekin metalleille käyttö- kelpoisissa sovelluksissa yleisemmin käytettyihin polymeerisiin ja keraamisiin materiaaleihin sekä niistä valmistettuihin vaahtoihin. Ne ovat esimerkiksi mekaanisesti paljon kestävämpiä ja jäykempiä kuin polymeerivaahdot ja kestävät näitä paremmin myös äärilämpötiloja.³

Huokoisilla metalleilla on siis ominaisuuksia, jotka tekevät niistä erinomaisia materiaaleja niin ra- kenteellisiin kuin funktionaalisiin sovellutuksiin. Monissa tapauksissa sama huokoinen metallimate- riaali voi toimia käyttökohteessaan sekä funktionaalisessa että rakenteellisessa tehtävässä, ja usein tällaisissa käyttökohteissa tapahtuva monien suotuisten ominaisuuksien hyödyntäminen on olennai- sen tärkeää, jos huokoisella metallilla pyritään korvaamaan jokin jo laajasti käytössä oleva materi- aali.^3,4,10

a) b) c)

Kuva 1. Esimerkkikuvat huokoisten metallien laaduista, jotka eroavat toisistaan huokosten avoimuuden pe- rusteella. a) Leikkauspinta huokoisesta alumiinista (kaupallinen nimi Alporas), jonka huokoset ovat suljettuja.

Punaiset nuolet osoittavat rikkoutuneiden tai puuttuvien huokosseinämien paikkoja⁶; b) Huokosiltaan puolia- vointa rautaa⁷; c) Vaahtomaista nikkeliä, jonka huokoset ovat avoimia⁷.

10

3. Huokoisten metallien valmistusmenetelmät

Huokoisten metallien valmistamiseksi on kehitetty monia menetelmiä. Vielä tänäkin päivänä jatkuva valmistusmenetelmien kehittäminen ja tutkimus sai alkunsa 1920-luvulla. Valmistusmenetelmät voi- daan jaotella kahdella tavalla: valmistuvan huokoisen metallin rakenteen (avoimet tai suljetut huoko- set) tai metallimateriaalin alkuperäisen olomuodon mukaan. Kaikki menetelmät eivät ole kaupallisen mittakaavan käytössä. Yleisimmin käytettyjä lienevät menetelmät, joissa lähtöaineena toimiva me- talli on nestemuodossa tai kiinteänä metallijauheena.^9,10,11 Menetelmiä on lukuisia, ja samasta mene- telmästä on olemassa muunnelmia riippuen valmistetusta metallista ja käyttötarkoituksesta. Tämä luku sisältää katsauksen yleisimpiin valmistusmenetelmiin esitellen kuitenkin eri valmistustapoja mahdollisimman monipuolisesti.

3.1. Sulan metallin vaahdotukseen perustuvat menetelmät

Sulan metallin vaahdottamiseksi on kehitetty kaksi menetelmätyyppiä: suora ja epäsuora vaahdotus.

Tässä osiossa esiteltävät kaasun injektioon ja vaahdotusaineen käyttöön perustuvat menetelmät edus- tavat suoraa vaahdotusta; jauhemetallurginen menetelmä on esimerkki epäsuorasta vaahdotuksesta.⁹ Suora vaahdotus perustuu kaasukuplien muodostukseen sulassa metallissa. Olennainen askel näissä menetelmissä on sulan metallin viskositeetin kohottaminen lisäämällä siihen usein jotain keraamista ainetta, millä pyritään vähentämään tiheästä metallisesta nesteestä aiheutuvan voimakkaan nosteen vaikutusta, joka nostaa kaasukuplat metallin pintaan aiheuttaen kuplien, ja niiden kautta lopullisten huokosten, epätasaista jakautumista metallissa.¹⁰

Jauhemetallurgista valmistusmenetelmää kutsutaan epäsuoraksi vaahdotukseksi, sillä siinä metalli ei ole lähtötilanteessa sulassa tilassa.¹⁰

Kaikki kolme tässä osiossa esiteltyä valmistusmenetelmää tuottavat huokosiltaan suljettuja metal- leja.⁹

3.1.1. Kaasun injektio

Kaasun injektiomenetelmän, jota käytetään pääasiassa huokoisen alumiinin ja alumiiniseosten val- mistuksessa, kehittivät 1990-luvulla norjalainen Norsk Hydro ja kanadalainen Alcan International.⁹ Menetelmässä sulaan metalliin tai metalliseokseen sekoitetaan noin 5-20 tilavuusprosenttia keraami- sia partikkeleita, kuten alumiinioksidia, piikarbidia tai magnesiumoksidia, joiden tehtävänä on nostaa sulan metallin viskositeettia ja stabiloida ja tukea myöhemmin muodostuvien huokosten seinämiä.^9,10 Tähän nestemäiseen seokseen injektoidaan paineistettua kaasua (esimerkiksi ilmaa, typpeä, happea tai hiilidioksidia)¹¹ käyttäen värähtelevää suutinta tai pyörivää siipipyörää, jonka tehtävänä on syn- nyttää riittävän pieniä ja tasaisesti seokseen jakautuvia kaasukuplia.¹⁰ Kuplien ja sulan metallin seos,

11

joka on metalliin sekoitetun keraamisen yhdisteen vuoksi viskoosia ja varsin vakaata, nousee neste- mäisen metallin pintaan, josta se voidaan kerätä nestemäisenä vaahtona esimerkiksi liukuhihnaa käyt- täen, mikä mahdollistaa jatkuvan ja runsaan tuotannon. Jäähtyessään sula metallivaahto kiinteytyy säilyttäen huokoisen rakenteensa.^9,10 Kuvassa 2 on esitetty kaasun injektiomenetelmän toimintaperi- aate.¹⁰

Kaasun injektiomenetelmä tuottaa huokoista metallia, jonka huokoset ovat suljettuja. Menetelmällä voidaan tuottaa alumiinivaahtoja, joiden huokoskoko vaihtelee 3 mm:stä 25 mm:iin huokoisuusasteen asettuessa yleensä välille 80-98 %. Korkea huokoisuusaste onkin menetelmän ehdoton etu jatkuvan vaahdontuoton synnyttämien laajamittaisten tuotantomahdollisuuksien lisäksi.¹⁰

Menetelmän eräs haittapuoli on tarve huokosia avaavalle metallilevyn katkaisulle, joka on välttämä- tön toimenpide prosessissa, joka tuottaa jatkuvana virtana katkeamatonta metallivaahtolevyä. Toinen menetelmään liittyvä haittapuoli on lopullisessa vaahdossa yhä mukana olevasta keraamisesta yhdis- teestä johtuva tuotteen hauraus.¹⁰ Tämän ongelman välttämiseksi voidaan prosessissa käyttää huoko- sia muodostavana kaasuna jotakin inerttiä kaasua, jota johdetaan puhtaaseen metalliin tai metalliseok- seen (ilman keraamista yhdistettä). Viskositeettia nostetaan tällöin sulan metallin lämpötilaa säätele- mällä.^10,11

Menetelmällä valmistetuista tuotteista käytetään toisinaan nimitystä metallimatriisikomposiitti (Me- tal Matrix Composite, MMC).¹⁰ Alumiinin lisäksi myös magnesiumia voidaan vaahdottaa kaasun in- jektiomenetelmällä.¹²

3.1.2. Vaahdotusaine

Kaasun injektoiminen sulaan metalliin ei ole ainoa tapa tuoda kuplia metallivaahdon valmistuspro- sessin käyttöön. Kaasun asemesta sulaan metalliin voidaan lisätä vaahdotusainetta (blowing agent), jonka kuumudessa tapahtuva hajoaminen synnyttää kaasua, joka aiheuttaa metallin vaahtoutumisen.

Kuva 2. Huokoisten metallimateriaalien valmistamiseksi kehitetyn kaasun injektioon perustuvan tuotantome- netelmän toimintaperiaate.¹⁰

12

Kaasun injektiomenetelmän tavoin vaahdotusainetta käyttävää vaahdotustekniikkaa käytetään pää- asiassa huokoisen alumiinin ja alumiiniseosten valmistamiseksi.^10,11

Tuotantomenetelmä, jonka kaupallisti ensimmäisenä 1980-luvun lopulla japanilainen Shinko Wire ja jonka tuottama huokoinen alumiini tunnetaan kaupallisella nimellä Alporas, alkaa metallisen kal- siumin lisäyksellä sulaan, 680 °C:n lämpötilassa olevaan alumiiniin. Lisätyn kalsiumin osuus on yleensä 1,5-3,0 massaprosenttia. Seosta sekoitetaan useiden minuuttien ajan, jolloin muodostuu ok- sideja: kalsiumoksidia (CaO) ja monokalsiumaluminaattia (CaAl2O4) sekä mahdollisesti muitakin yhdisteitä, jotka nostavat seoksen viskositeettia. Seokseen lisätään seuraavaksi vaahdotusainetta, joka on alumiinintuotannossa titaanihydridiä (TiH2). Yksi tekijä vaahdotusaineen valinnassa on sen ha- joamislämpötila: metallivaahdon laadun kannalta optimaalisinta on, että vaahdotusaine hajoaa suun- nilleen sulan metallin lämpötilassa. Hajotessaan vaahdotusaine tuottaa kaasua, titaanihydridin ta- pauksessa vetykaasua (H2), joka jää kuplina kuuman metallisulan sisälle aiheuttaen vaahtoutumista.

Vaahto täyttää sulatusastian tai muotin, joka lopuksi jäähdytetään nopeasti, jotta metalli kiinteytyy tasaisesti painovoiman pääsemättä vaikuttamaan tuotteen homogeenisuuteen.^9,10,11 Vaahdotusaineen käyttöön perustuva huokoisten metallien tuotantomenetelmä on esitetty kuvassa 3.¹⁰ Kuvasta näh- dään, että juuri tässä huokoista alumiinia tuottavassa prosessissa käytetyn vaahdotusaineen, titaani- hydridin, pitoisuus on 1,6 massaprosenttia seoksen kokonaismassasta.¹⁰

Kuten kaasua injektoimallakin, vaahdotusainetta käyttämällä tuotetaan huokosiltaan suljettuja metal- leja⁹. Huokoisen alumiinin, Alporasin, huokoskoko on yleensä 2-10 mm¹⁰. Menetelmällä voidaan tuottaa hyvinkin homogeenista metallia, etenkin kun lukuisat valmistusparametrit, kuten viskositeet- tia parantavan ja vaahdottavan aineen määrät, eri vaiheiden lämpötilat sekä sekoitusaika, on opti- moitu^10,11. Kaupallista Alporasia on tutkittu varsin kattavasti, esimerkiksi sen ”huokossolujen” on raportoitu olevan geometrialtaan epäsäännöllisiä, keskimäärin 14 tahkoisia monitahokkaita⁶. Alumiinin lisäksi muitakin huokoisia metalleja voidaan valmistaa vaahdotusainetta käyttäen.¹¹ Huo- koista magnesiumia on onnistuttu valmistamaan tällä menetelmällä käyttäen vaahdotusaineena kal- siumkarbonaattia (CaCO3), joka tuottaa magnesiumin tapauksessa rakenteeltaan paljon tasaisempia huokosia kuin TiH2. Haittapuolena on CaCO3:n hajoamisessa muodostuva hiilimonoksidi (CO).¹³ Tästä syystä esimerkiksi dolomiitin (CaMg(CO3)2) käyttöä CaCO3:n asemesta on tutkittu¹⁴.

Kuva 3. Huokoisten metallien tuotantomenetelmä vaahdotusainetta käyttäen.¹⁰

13

Yleensäkin vaahdotusaineina käytetään metallihydridejä, -oksideja ja -karbonaatteja.¹¹ Myös visko- siteettia lisäävä aine voi vaihdella tarpeen mukaan, esimerkiksi bariumsulfaatin (BaSO4) ja wollasto- niitin (CaSiO3) käyttöä metallisulan paksuutta lisäävänä aineena on onnistuneesti kokeiltu huokoisen alumiiniseoksen tuottamisessa.¹⁵

3.1.3. Jauhemetallurgia

Jauhemetallurgisella menetelmällä, jota kutsutaan myös kompaktin tai tiiviin jauheen sulattamiseksi, tuotetaan huokosiltaan suljettuja metalleja, kuten edellä mainitut kaasuinjektio- ja vaahdotusaineme- netelmät. Jauhemetallurginen menetelmä voidaan luokitella sulaa metallia käyttäväksi menetelmäksi, sillä vaikka menetelmän lähtöaineet ovat metallijauheita, varsinainen huokosten muodostuminen ta- pahtuu metalliaineksen ollessa sulassa tilassa.¹⁰

Menetelmän ensimmäisessä vaiheessa jauhemaiseen metalliin tai metalliseokseen lisätään ja sekoite- taan mahdollisimman homogeenisesti vaahdotusainetta, minkä jälkeen jauhe tiivistetään kompaktiksi vaahdotettavaksi prekursoriksi. Tiivistämisen voi tehdä monin eri menetelmin; vaatimuksena on tiivis ja tasainen välituote, jossa ei ole valmista huokoisuutta. Puristaminen on yleisesti käytetty tiivistys- tapa.^9,10,11

Seuraavaksi prekursorin lämpötilaa nostetaan metallijauheen sulamispisteeseen tai sen yli¹¹, jolloin sopivasti valittu vaahdotusaine hajoaa aiheuttaen kaasukuplien muodostumista toimien samankaltai- sesti kuin edellä kuvatussa vaahdotusainemenetelmässä¹⁰. Kaasu pakottaa tiiviin prekursorin laajen- tumaan muodostaen huokosia. Valmis huokoinen rakenne saavutetaan usein muutamissa minuuteissa riippuen prekursorin koosta.¹⁰ Kuva 4 esittää jauhemetallurgisen valmistusmenetelmän huokoiselle alumiinille¹⁶, joka on seoksineen tälläkin menetelmällä yleisimmin tuotettu huokoinen metalli¹⁰. Ku- ten vaahdotusainemenetelmässä, tässäkin prosessissa vaahdotuksen aiheuttavana aineena käytetään titaanihydridiä.¹⁶

Vaikka huokoiset alumiini ja alumiiniseokset ovatkin eniten valmistettuja metalleja tällä menetel- mällä, myös muita metalleja voidaan käyttää raaka-aineina. Näitä ovat muun muassa sinkki, kulta, lyijy, messinki ja tina. Jauhemetallurginen menetelmä on myös yksi yleisimmistä huokoisen teräksen

Kuva 4. Huokoisen alumiinin tuotanto jauhemetallurgisella menetelmällä.¹⁶

14

valmistusmenetelmistä. Eräs menetelmän merkittävä etu monikäyttöisyyden lisäksi on mahdollisuus valmistaa huokoista metallia erilaisiin muotoihin valitsemalla halutunlaisen muotin, jossa prekursorin vaahtoutuminen tapahtuu.^10,17

Eräs tärkeä jauhemetallurgisella menetelmällä valmistettu tuote on AFS (Aluminium Foam Sandwich), jossa kahden tiiviin metallilevyn välissä on huokoista alumiinia kokonaisuuden muistut- taessa ulkonäöltään ja rakenteeltaan kerrosvoileipää.^9,10

3.2. Valamismenetelmät

3.2.1. Valaminen huokoisia polymeerejä hyödyntäen

Sulan metallin vaahtoutuminen on tärkeä vaihe kaikissa edellä esitellyissä huokoisten metallien val- mistusmenetelmissä. Sula metalli voidaan kuitenkin muuntaa huokoiseen muotoon ilman vaahdo- tusta, jolloin yksi käyttökelpoinen menetelmä on käyttää huokoisia polymeerejä valamisen malleina.

Menetelmä tuottaa huokosiltaan avoimia metalleja; toinen ero edellä kuvattuihin menetelmiin.^9,10 Monivaiheisen menetelmän aluksi polymeerivaahdon avoimet huokoset täytetään esimerkiksi feno- lihartsin, kalsiumkarbonaatin ja mulliitin lietemäisellä seoksella, tai jollakin muulla aineella, jonka lämmönkestävyys on prosessin eri vaiheet huomioiden riittävää. Kun tämä täyteaine on riittävän kui- vaa ja kestävää, alkuperäinen polymeeri poistetaan lämpökäsittelyllä, minkä jälkeen polymeerin jät- tämät tilat täytetään valamalla niihin metallia. Viimeisenä vaiheena kiinteytyneen metallin huokosista poistetaan täyteaine, jolloin saadaan lopullinen huokoinen metalli, joka vastaa tarkalleen alkuperäistä polymeerivaahtoa.^9,10

Menetelmän merkittävin etu on huokosten homogeeninen jakautuminen ja tasalaatuinen huokoskoko.

Nämä ovat osittain seurausta tutkimus- ja tuotekehitystyöstä huokoisten polymeerien parissa. Huo- koisia polymeerejä on valmistettu huokoisia metalleja kauemmin, joten niiden valmistuksessa käyte- tyt menetelmät ovat hyvin tunnettuja ja osittain siirrettävissä huokoisten metallien valmistukseen.

Menetelmän nykyistä laajempaa hyödyntämistä jarruttavat kuitenkin haittapuolet: monivaiheinen, hi- daskin valmistus, kooltaan paikoin hyvin pienien polymeerien jättämien tilojen metallilla täyttämisen hankaluus ja varovaisuus, jota on noudatettava täyteaineen poistossa rakenteen eheyden turvaa- miseksi.^9,10

Menetelmällä valmistettujen metallien huokoisuusaste on yleensä 80-97 %. Huokoiset alumiinit ja alumiiniseokset ovat tämänkin menetelmän tärkeimpiä lopputuotteita, mutta myös huokoista magne- siumia ja kuparia voidaan valmistaa.^9,10

15 3.2.2. Valaminen tilaa varaavia rakeita käyttäen

Huokoisten metallien valmistusmenetelmä, jossa käytetään tilaa varaavia (place holder, space holder) rakeita muistuttaa edellä kuvattua huokoisia polymeerejä hyödyntävää valamismenetelmää, mutta on yksinkertaisempi. Prosessi tuottaa metalleja, joiden huokoset ovat avoimia.^9,10

Tyypillisesti haluttu muotti täytetään orgaanisilla tai epäorgaanisilla rakeilla, joita yleensä lämmite- tään sulan metallin liian varhaisen jäähtymisen estämiseksi. Muottiin valetaan sulaa metallia, joka ympäröi rakeet, joiden täytyy näin ollen kestää sulan metallin lämpötila hajoamatta. Rakeiden paikat edustavat valmiissa metallissa huokosia; rakeet poistetaan kiinteytyneestä metallista esimerkiksi huuhtomalla sopivalla hapolla tai liuottimella. Joissakin tapauksessa, etenkin jos rakeet ovat keveitä ja onttoja, ne voidaan jättää osaksi metallirakennetta.^9,10

Esimerkiksi alumiinista, sinkistä, tinasta ja magnesiumista voidaan tehdä huokoista tilaa varaavia ra- keita hyödyntäen. On ilmeistä, että huokosten koko ja muoto riippuvat täysin käytetyistä rakeista, joita voidaan valmistaa esimerkiksi suoloista, savesta, hiekasta, lasista tai jostakin polymeeristä. Ra- keita käyttämällä saavutetaan helposti ja kontrolloidusti tasainen huokoskoko. Tämän edun kääntö- puolena on huokoisuusaste, joka yltää korkeimmillaan noin 80 %:iin ollen varsin alhainen verrattuna moniin muihin valmistusmenetelmiin.¹⁰

3.3. Valmistus kiinteästä metallista

Tässä osiossa esiteltävissä menetelmissä huokoisia metalleja valmistetaan kiinteästä metallijauheesta ilman, että metalli on missään vaiheessa sulassa tilassa. Sen sijaan metallia käsitellään kiinteässä ti- lassa, ja usein käytetään sintrausta lopullisen lujan rakenteen tuottamiseksi. Metallijauheesta valmis- tetut huokoiset metallit ovat huokosiltaan avoimia materiaalin koostuessa pallomaisista rakenne- osasista.¹⁰

3.3.1. Metallijauheiden ja -säikeiden sintraus

Metallijauheiden tai -säikeiden sintraaminen on yksinkertaisin tapa valmistaa huokoista metallia. Esi- merkiksi pronssi ja teräs ovat käyttökelpoisia metalleja huokoisuusasteen vaihdellessa välillä 20-80

%. Valmistuksessa voi olla useampia vaiheita, kuten jauheen valmistelua ja tiivistämistä ja lopulta sintrausta. Yleensä vaiheet ovatkin hyvin yksinkertaisia. Huokoisen alumiinin valmistaminen suoraan sintraamalla alumiinijauheesta ei onnistu helposti, sillä alumiinin pinnassa on usein sintrausta häirit- sevä oksidikerros. Ongelman kiertämiseksi on erinäisiä menetelmiä, mutta huokoisen alumiinin val- mistamiseksi on kuitenkin myös olemassa monia muita valmistustapoja, kuten edellisistä kappaleista käy ilmi.¹⁰

16 3.3.2. Kiinteä metalli ja tilaa varaavat rakeet

Tilaa varaavia rakeita voidaan käyttää myös jauhemaisen metalliaineksen kanssa. Joitakin yhteneväi- syyksiä osiossa 3.2.2. kuvatun prosessin kanssa löytyy. Tilaa varaavat rakeet (jotka voivat olla esi- merkiksi keraamisia materiaaleja, polymeerejä tai suoloja) ja metallijauhe sekoitetaan keskenään joko sellaisenaan tai tarpeen tullen liuotinta tai orgaanista sideainetta käyttäen. Seos tiivistetään huoneen- lämpötilassa esimerkiksi puristamalla, joka voidaan tehdä myös korkeammassa lämpötilassa, jos ra- keet kestävät korkeita lämpötiloja. Muodostuneesta komposiittirakenteesta voidaan poistaa tilaa va- raavat partikkelit käyttäen liuotinta, huuhtoen tai lämpökäsittelyllä, ja lopuksi metallikappale voidaan sintrata tiheyden nostamiseksi.¹⁰

3.4. Pinnoitusmenetelmät

3.4.1. Sähköpinnoitus

Sähköpinnoitus (Electro-deposition) muistuttaa hieman osiossa 3.2.1. esiteltyä valmistusmenetelmää, jossa huokoiset polymeerit toimivat huokoisen metallirakenteen mallina ja jossa polymeerit poiste- taan lopuksi metallirakenteesta. Tämä sama periaate on käytössä sähköpinnoituksessa. Huokoista po- lymeeriä, jonka täytyy olla ainakin hieman sähköä johtavaa, pinnoitetaan sähköisesti elektrolyytissä olevilla metalli-ioneilla. Jos polymeeri ei johda sähköä, se voidaan tehdä sähköä johtavaksi erinäisin menetelmin. Metallilla pinnoituksen jälkeen polymeeri voidaan poistaa lämpökäsittelyllä.¹⁰

Menetelmällä valmistetaan huokoista nikkeliä, nikkelin ja kromin seosta sekä myös vähäisemmissä määrin kuparia. Valmiin metallin huokoisuusaste on jopa 92-95 %, ja huokoinen rakenne on avoin ja verkkomainen, jossa huokosia ympäröivät metallisäikeet voivat olla onttoja.¹⁰

3.4.2. Kaasufaasipinnoitus

Huokoisten metallien valmistuksessa kaasufaasipinnoitus on monin tavoin samankaltainen mene- telmä kuin sähköpinnoitus. Kylmä huokoinen polymeeri asetetaan alipainekammioon, jonne tuote- taan metallihöyryä, joka tiivistyy polymeerin pintaan. Metallipinnoituksen paksuus riippuu pinnoi- tusajasta sekä metallikaasun tiheydestä. Kun metalli on täysin kiinteytynyt, mallina toiminut poly- meeri poistetaan yleensä lämpökäsittelyllä, ja näin valmistettu metalli on kopio alkuperäisestä poly- meerivaahdosta.¹⁰

Sähköpinnoituksen tavoin kaasufaasipinnoituksella valmistetaan pääasiassa huokoista nikkeliä.

Myös kaasufaasipinnoitus tuottaa hyvin huokoisia (huokoisuusaste n. 95 %), verkkomaisia metal- leja.¹⁰

17

4. Huokoisten metallien käyttökohteet

Huokoisille metalleille on monia eri käyttökohteita ja -tarkoituksia, jotka voidaan karkeasti jakaa rakenteellisiin ja funktionaalisiin kohteisiin. Rakennusmateriaalina, esimerkiksi autojen, laivojen tai rakennusten osina, huokoisten metallien täytyy olla huokosiltaan suljettuja riittävän mekaanisen kes- tävyyden takaamiseksi. Huokosiltaan avoimet tai ainakin osittain avoimet metallit ovat omiaan funk- tionaalisissa tehtävissä, kuten suodatuksessa, nesteiden siirrossa tai äänenvaimennuksessa, sillä ne läpäisevät kaasuja ja nesteitä.¹⁰

Koska huokoisia metalleja on monenlaisia, käyttökohteen ratkaisee kunkin sovelluksen edellyttämät ominaisuudet. Edellä mainitun huokoisuustyypin lisäksi eri käyttökohteiden kannalta tärkeitä omi- naisuuksia voivat olla muun muassa huokoisuusaste ja siihen liittyen kokonaispinta-ala, huokosten koko ja mistä metallista huokoinen metalli on valmistettu. Esimerkiksi huokoista alumiinia käytetään paljon rakennusaineena, koska se on kestävää ja kevyttä. Keveys onkin tärkeä ominaisuus rakenteel- listen sovellusten kannalta, koska ilman sitä huokoisen metallin käytöllä ei välttämättä olisi mitään etua tavallisen, kiinteä metallin käyttöön verrattuna, etenkin kun tavallisen metallin valmistus on edullisempaa. Hinta ja mahdollisuus laajamittaiseen valmistukseen ovat myös merkittäviä näkökohtia käyttökohdetta ja siihen sopivaa huokoista metallia valittaessa.¹⁰

Yleensä huokoisilla metalleilla on parhaat mahdollisuudet menestyä sovelluksissa, jotka hyödyntävät useampia niiden erityisominaisuuksista. Esimerkiksi keveys yhdistettynä hyvään energian ab- sorptiokykyyn tekee huokoisesta metallista erittäin käyttökelpoisen rakennusmateriaalin erityiskoh- teissa. Toisaalta jos keveys on ainoa vaatimus käytetylle rakennusaineelle, löytyy käyttötarkoitukseen todennäköisesti jokin halvempi vaihtoehto, sillä muita huokoisia rakennusmateriaaleja on tutkittu pal- jon huokoisia metalleja kauemmin.¹⁰

4.1. Rakenteelliset kohteet

4.1.1. Autoteollisuus

Autoteollisuus voi hyödyntää huokoisia metalleja pääasiallisesti kolmessa tehtävässä: kevyenä raken- nemateriaalina, äänieristeenä sekä törmäysenergian absorboijana. Käyttökelpoinen materiaali autote- ollisuudelle on huokoinen alumiini. Autojen turvallisuus vaatii jatkuvaa kehitystä, jonka seurauksena autojen paino uhkaa nousta liian korkeaksi, jos uusia kevyempiä materiaaleja ei hyödynnetä, varsin- kin kun otetaan huomioon nykyajan vaatimukset matalasta polttoaineen kulutuksesta. Huokoiset me- tallit ovat massaansa nähden jäykkiä ja kestäviä ja ne absorboivat erinomaisesti energiaa, jopa pa- remmin voileipämäisenä rakenteena, jossa huokoista metallia on kahden tiiviimmän metallikerroksen välissä, jolloin korroosion kestokin on parempi. Nämä ominaisuudet tekevät huokoisista metalleista hyvän vaihtoehdon autoteollisuuden rakennusaineeksi, vaikkakaan niiden hyödyntäminen ei vielä ole kovinkaan runsasta.^9,10

18

Muita autoteollisuuden käyttökohteita huokoisille metalleille ovat äänieristerakenteet sekä pakokaa- sukatalysaattorit, joita molempia on käsitelty funktionaalisten käyttökohteiden osiossa 4.2.

4.1.2. Lentotekniikka

Lentokoneet ja esimerkiksi avaruussatelliitit voivat hyötyä huokoisista metalleista kevyenä ja kestä- vänä rakennusmateriaalina¹⁰. Esimerkiksi kerrosrakenteeltaan voileipämäisten AFS-alumiinien käyt- tämistä lentokoneissa suojaavana rakenteena lintujen törmäysten varalta on tutkittu⁹. Avaruuden käyttökohteissa, esimerkiksi avaruusasemilla tai satelliiteissa, erityisen arvokasta voi olla huokoisten metallien mekaanisten ominaisuuksien isotrooppisuus, eli ominaisuuksien riippumattomuus suun- nasta, mikä on tärkeää suojauduttaessa pieniltä avaruuden kappaleilta, joiden lähestymissuunta ei ole tiedossa. Lentokoneet ja avaruusalukset hyödyntävät nykyään kallista, rakenteeltaan hunajaken- nomaista alumiinia. Huokoinen alumiini voi tulevaisuudessa osoittautua halvemmaksi ja monin ta- voin paremmaksi rakennusmateriaaliksi lentoteknisissä sovelluksissa.¹⁰

4.1.3. Laivanrakennus

Laivanrakennus on yksi mahdollinen huokoisia metalleja hyödyntävä teollisuudenala. Edullinen omi- naisuus laivojen hyödynnettäväksi on pääasiassa huokoisten metallien keveys. Monenlaisia alumii- niosia käytetään jo laivoissa, ja huokoiset AFS-tyyppiset metallit voivat osoittautua käyttökelpoisiksi rakennusmateriaaleiksi.^9,10,18

4.1.4. Rautatieteollisuus

Rautatieteollisuus – junat, metrot ja raitiovaunut huomioiden – pystyy hyödyntämään huokoisia me- talleja vastaavissa sovelluksissa kuin autoteollisuus (kevyt rakennusmateriaali, törmäysenergian ab- sorbointi ja äänenvaimennus), tosin rakennettavien osien kokoluokka on suurempi kuin autoteolli- suudessa.¹⁰ Monella alalla huokoisten metallien hyödyntäminen on suurimmaksi osaksi vielä proto- tyyppivaiheessa, ja vaikka tämä tilanne vallitsee rautatieteollisuudessakin, huokoisia metalleja käy- tetään kuitenkin jo joissakin junissa ympäri maailmaa.^9,10

Alporas-tyyppistä huokoista alumiinia käytetään japanilaisissa junissa törmäysenergian absorboin- tiin¹⁰, ja Pekingin metrovaunujen lattioissa käytetään AFS-tyyppistä alumiinia⁹. Saksassa Intercity- Express (ICE) junien keularakenteesta on valmistettu yhteen hitsatuista AFS-paneeleista koostuva prototyyppi, joka on 18 prosenttia kevyempi kuin nykykäytössä oleva vastaava keularakenne. Myös esimerkiksi Unkarin Budapestin raitiovaunuissa sekä Alankomaiden Sprinter Light Train (SLT) -ju- nissa käytetään huokoista alumiinia energian absorboijana törmäysten varalta.⁹

19 4.1.5. Rakennukset ja laitteet

Huokoisten metallien käyttö rakennuksissa on enemmän esteettistä kuin rakenteellista, sillä kestävyys on rakennuksille yleensä ylivoimaisesti keveyttä tärkeämpi ominaisuus, minkä vuoksi esimerkiksi betoni ja tavanomaiset tiiviit metallit ovat huokoisia metalleja paljon käyttökelpoisempia ja edulli- sempia rakennusmateriaaleja. Esimerkiksi betonirakennuksia voidaan kuitenkin päällystää huokoi- silla metalleilla esteettisemmän ja omalaatuisemman ulkonäön saavuttamiseksi. Huokosiltaan suljetut metallit tarjoavat kuplamaisen pinnan, ja avointen huokosten metallit ovat läpikuultavia. Esimerkiksi kanadalainen Cymat on tuottanut useiden suurten eurooppalaisten rakennusten päällystämiseen käy- tettyä huokoista alumiinia.⁹ Eräs tällainen rakennus on Espanjan Kataloniassa sijaitseva Terrassan kaupungin protestanttinen kirkko, joka on esitetty kuvassa 5.⁹ Kuvan 5 oikeassa alakulmassa näkyy lähemmin kirkon ulkoseinän huokoista alumiinia oleva pintarakenne. Seinäpinta-alaltaan suurten ra- kennusten julkisivujen päällystykset ovat huokoisia metalleja valmistaville yrityksille tuottoisia pro- jekteja.⁹

Huokoisia metalleja voidaan myös hyödyntää lukuisissa laitteissa, jotka eivät välttämättä lukeudu mihinkään edellä esiteltyyn teollisuudenhaaraan. Usein AFS-alumiinipaneeleja käytetään kevyttä ja kestävää tukikehikkoa vaativissa laitteissa kuten aurinkopaneeleissa. Myös joissakin teollisuusko- neissa, mm. poraus-, jauhamis- ja painatuslaitteissa, käytetään huokoisia metalleja.⁹

4.1.6. Urheiluvälineet

Vaikka monissakaan urheiluvälineissä ei ainakaan toistaiseksi käytetä materiaalina huokoisia metal- leja, on urheiluvälineiden valmistus maininnan arvoinen ala tässä yhteydessä, sillä etenkin ammat- tiurheilijoille tarkoitetuissa välineissä kustannussyyt eivät rajoita teknisten innovaatioiden syntyä. Ja- panilainen Ryobi Corporation alkoi vuonna 2002 valmistaa golf-puttereita, joiden keskiosa on huo- koisuusasteeltaan 40 prosenttista kuparia. Muita mahdollisia käyttökohteita voisivat olla suojavarus- teet, kuten kypärät tai säärisuojat, mutta tiettävästi kaupallisia tuotteita ei ole vielä tarjolla.^2,9

Kuva 5. Huokoisella alumiinilla päällystetty Terrassan protestanttinen kirkko Kataloniassa Espanjassa.⁹

20 4.1.7. Biolääketiede

Yksi merkittävimmistä huokoisten metallien sovellusaloista nykyään ja todennäköisesti yhä enem- män tulevaisuudessa on biolääketiede.^3,9 Huokoisista metalleista voidaan valmistaa esimerkiksi luu- ja hammasimplantteja sekä tekoniveliä. Koska biolääketieteen hyödyntämänä huokoisesta metallista valmistetut proteesit ja implantit ovat jatkuvassa yhteydessä ihmiskehon monimutkaisiin biologisiin järjestelmiin, ovat niiden funktionaaliset ominaisuudet yhtä lailla merkittäviä kuin rakenteelliset omi- naisuudet, minkä vuoksi biolääketieteelliset sovellukset voitaisiin luokitella myös funktionaalisiin käyttökohteisiin.

Väestön ikääntyminen ja syöpien yleistyminen sekä erilaiset onnettomuudet ovat syitä kohonneelle ortopedisten implanttien tarpeelle. Jo 1920-luvulla alettiin valmistaa ja käyttää metallisia implantteja, ja niiden lisäksi ortopedisissä sovelluksissa käytetään yhä edelleen keraamisia, polymeerisiä ja kom- posiittirakenteisia implantteja. Elävä luu on rakenteeltaan ja toiminnaltaan monimutkainen verrattuna keinotekoisiin implantteihin, joilla kullakin on omat rajoituksensa. Esimerkiksi keraamiset kappaleet kestävät hyvin korroosiota mutta ovat liian hauraita laajalti implantteina hyödynnettäviksi. Saman- kaltaisia mekaaniseen kestävyyteen liittyviä ongelmia on polymeerisillä implanteilla.¹⁹

Metallit ovat hyviä materiaaleja biolääketieteen kannalta, koska ne kestävät erittäin hyvin kulutusta eivätkä murru helposti.²⁰ Jotkin metallit, kuten titaani, ovat myös erittäin bioyhteensopivia ihmiske- hon kanssa, eli ne eivät yleensä aiheuta haitallisia reaktioita elimistössä tai hajoa helposti kehossa vapauttaen haitallisia aineita.²¹ Eräs metalli-implanttien ongelma, joka toisaalta edistää huokoisten metallien hyödyntämistä, on luun ja metallin välillä vallitseva suuri ero materiaalin jäykkyyttä mit- taavan kimmokertoimen (Youngin moduuli) suhteen.²⁰ Luun kimmokerroin on noin 4-30 GPa (gigapascal), kun tiiviiden metallien kimmokerroin on paljon korkeampi: 55-110 GPa titaanille ja sen seoksille, 210 GPa ruostumattomalle teräkselle ja peräti 230 GPa Cr-Co-seoksille.²¹ Tämä ero kim- mokertoimissa alentaa luun kokemaa rasitusta haurastuttaen luuta, mikä voi lopulta johtaa implantin löystymiseen tai muihin ongelmiin.²⁰

Huokoisten metallien kimmokerroin on tiiviitä metalleja alhaisempi, joten tämä ominaisuus tekee niistä parempia ja pitkäikäisempiä materiaaleja ortopedisiksi implanteiksi. Kääntöpuolena niiden me- kaaninen kestävyys ei ole yhtä korkea kuin tiiviillä metalleilla, ja lisäksi huokoisuudesta aiheutuvan korkean pinta-alan takia niiden korroosion kesto on matalampi.²⁰ Toisaalta huokoinen rakenne pa- rantaa metallien kiinnittyvyyttä kudoksiin sekä kehon aineiden liikkuvuutta.¹⁹ Lisäksi huokoisten me- tallien ominaisuuksia voidaan muokata halutunlaisiksi säätelemällä huokoskokoa ja -jakaumaa sekä huokoisuusastetta.²⁰

Edellä on esitelty ominaisuuksia (hyvä bioyhteensopivuus, muita metalleja matalampi kimmokerroin sekä myös hyvä korroosion kesto) joiden vuoksi titaani ja sen seokset ovat yleisimmin käytettyjä metalleja ortopedisissä sovelluksissa.²² Muita käytettyjä huokoisia metalleja ovat ruostumaton teräs (316L-laji), Co-Cr-seos, magnesium sekä Ni-Ti-seos.²⁰

21

4.2. Funktionaaliset kohteet

4.2.1. Katalyysi

Katalyytin optimaalisen toiminnan kannalta tärkeää on korkea reaktiopinta-ala katalyytin ja kataly- soitavan aineen välillä. Heterogeenisessa katalyysissä, jossa katalyytti on eri faasissa kuin katalysoi- tava aine, katalyytti vaatii usein käytännön sovelluksissa kantajamateriaalin, jonka pintaan katalyytti kiinnitetään muun muassa reaktiopinta-alan kasvattamiseksi.¹⁰ Perinteisesti katalyytinkantajina on käytetty keraamisia materiaaleja, mutta niiden matala mekaaninen kestävyys ja lämmönjohtavuus ovat johtaneet tuotekehittelyä ja tutkimusta kohti uusia käyttökelpoisia materiaaleja, joista huokoiset metallit ovat yksi materiaalityyppi.²³

Kirjallisuudesta löytyvä tutkimus huokoisten metallien käytöstä katalyytin tukirakenteena painottuu vaahtomaisiin metalleihin, joiden rakenne on verkkomaista ja huokoset suuria niitä ympäröivien ”me- tallisäikeiden” ollessa ohuita huokosten kokoon nähden. Tällaisten huokoisten metallien keveys, kes- tävyys sekä lämmönjohtavuus ovat houkuttelevia ominaisuuksia katalyysin kannalta. Vaikka huo- koisten metallien pinta-ala on korkea, keraamisten katalyyttitukien pinta-ala voi olla vieläkin korke- ampi, minkä vuoksi metallivaahto päällystetään usein erillisellä pintakerrosmateriaalilla (washcoat), esimerkiksi alumiinioksidilla (Al2O3), piidioksidilla (SiO2) tai jollakin zeoliitilla, aktiivisen pinta- alan kasvattamiseksi. Pinnoitusmateriaalin ja siihen kiinnittyvän varsinaisen katalyytin kiinnittämi- nen ja irtoamisen estäminen kulutuksessa voivat aiheuttaa ongelmia huokoisia metalleja käytettäessä, mikä hidastaa näiden metallien käyttöönottoa käytännön sovelluksissa. Metallimateriaalin esikäsit- tely esimerkiksi hapettamalla on keino parantaa pintakerroksen kiinnittymistä.23,24,25,26

Sekä puhtaat huokoiset metallit että huokoiset metalliseokset ovat käyttökelpoisia materiaaleja kata- lyytinkantajina.²⁶ Esimerkiksi γ-Al2O3:lla päällystetyn Fe-Cr-Al-metalliseoksen on havaittu kestävän erinomaisesti kuumuutta ja mekaanista kulutusta, mikä mahdollistaa sopivalla katalyytillä vuorattuna materiaalin käytön voimalaitosten tai autojen kaltaisissa vaativien olosuhteiden sovelluksissa.²³ Huokoisia metalleja käytetään jo nykyään katalyyttisissä sovelluksissa. Esimerkiksi globaali, toimi- pisteitä Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa omistava eteläkorealainen Alantum valmistaa huokoista nikkelivaahtoa (puhdasta nikkeliä ja nikkeliseoksia) käytettäväksi dieseliä polttoaineenaan hyödyn- tävien ajoneuvojen pakokaasuja puhdistavissa hiukkassuodattimissa (DPF, diesel particulate filter).

Alantumin vuosittain valmistamaa noin 500 tonnia (2014) huokoista nikkeliä ja huokoisia nikkelise- oksia käytetään hiukkassuodattimien lisäksi myös kemianteollisuudessa katalyytinkantajana.^27,28 Myös muutamat muut valmistajat tuottavat huokoisia metalleja katalyyttisiin sovelluksiin.⁹

4.2.2. Lämmönsiirto

Huokoiset metallit, joiden huokoset ovat avoimia, ovat käyttökelpoisia lämmönsiirtimiä. Kaasuja tai nesteitä voidaan johtaa kulkemaan huokoisen metallin läpi, ja tämän metallin lämpötilaa nostamalla tai laskemalla sen läpi virtaavan nesteen tai kaasun lämpötilaa voidaan muuttaa. Käyttökelpoisia ovat

22

metallit, joilla on korkea lämmönjohtavuus, esimerkiksi kupari ja alumiini. Korkea lämmönjohtavuus yhdistettynä matalaan virtauksen vastustukseen on tavoiteltu ominaisuusyhdistelmä, jota ei ole help- poa saavuttaa käytännössä.¹⁰ Huokoisten metallien korkea pinta-ala ja verkkomainen sisärakenne mahdollistavat virtaavan aineen pyörteisen liikkeen ja siitä seuraavan paremman lämmönjohtumisen metallin ja virtaavan aineen välillä.²⁹ Huokosten koko ja huokoisuusaste sekä esimerkiksi pinnan karkeus ja huokosia erottavien seinämien koko ja paksuus ovat tekijöitä joilla on vaikutusta lämmön johtumisen voimakkuuteen metallin ja virtaavan aineen välillä.^3,30

Huokoista alumiinia ja kuparia käytetään esimerkiksi lämmönsiirtimissä, lämpöradiaattoreissa ja lämpöputkissa.⁷ Korkea pinta-ala ja hyvä lämmönjohtavuus tekevät niistä myös erinomaisia materi- aaleja passiivisen jäähdyttämisen tarpeisiin. Pienikokoisia, huokoisia metallikappaleita voidaan käyt- tää esimerkiksi tietokoneiden ja mikroelektronisten osien jäähdyttämiseksi.^9,10

4.2.3. Akustiikka ja äänenvaimennus

Melusaasteen vähentämisellä on suurta sosiaalista merkitystä, minkä vuoksi äänenvaimennus on hy- vin tärkeää, ja sitä tarvitaan esimerkiksi konserttisaleissa, autoissa, laivoissa ja muissa kulkuneu- voissa sekä etenkin asutuksen läheisyydessä sijaitsevien rauta- ja moottoriteiden yhteydessä. Äänen- vaimennuksessa käytetään monenlaisia materiaaleja. Orgaanisten materiaalien, kuten puun ja puuvil- lan, käyttöä äänenvaimennuksessa rajoittaa niiden kestämättömyys mm. korroosiota ja palamista koh- taan, vaikka ne vaimentavatkin keski- ja korkeataajuuksista ääntä. Epäorgaanisista materiaaleista, kuten lasista, muovista ja keraamisista aineista, voidaan valmistaa huokoisia vaahtomaisia kappaleita äänenvaimennussovelluksiin. Kullakin näistä materiaaleista on omat kestävyyteen liittyvät heikkou- tensa, jotka rajoittavat niiden laajamittaista hyödyntämistä äänenvaimennuksessa: keraamiset mate- riaalit ovat painavia ja vaikeasti muokattavia, muovit heikkenevät ajan myötä eivätkä ne kestä tulta ja lasirakenteet ovat mekaanisesti heikkoja.⁷ Huokoisissa metalleissa yhdistyvät monet kestävyyden kannalta oleelliset ominaisuudet: korroosion ja kulutuksen kesto sekä keveys, eivätkä ne hajoa hel- posti tulen tai kemikaalien vaikutuksesta.¹² Lisäksi ne ovat helposti kierrätettävissä ja ne voivat toimia myös värähdysten ja tärinän vaimentajina.³¹

Äänieristämisen kannalta huokoiset metallit häviävät monille materiaaleille, kuten yleisimmin käy- tetylle äänieristeelle, huokoiselle lasivillakuidulle ja myös esimerkiksi huovalle äänieristämisen kan- nalta ominaisuuksista oleellisimmassa: äänienergian absorboinnissa.^7,12 Äänen absorptiossa materi- aaliin saapuva ääniaalto ei heijastu materiaalin pinnasta tai siirry materiaalin sisään, vaan sen energia absorboituu materiaaliin.¹² Käytännössä huokoiseen materiaaliin tuleva ääniaalto heijastuu osittain materiaalista, ja materiaalin sisään pääsevästä aallosta osa siirtyy materiaalissa ja vain osa absorboi- tuu. Materiaalin sisään siirtynyt ääniaalto heikkenee lukuisten heijastumien kautta, ja tämä vaimen- tuminen on tehokasta, jos materiaalin huokoset ovat avoimia ja yhteydessä toisiinsa. Tämän vuoksi vain huokosiltaan avoimet metallit ovat käyttökelpoisia äänenvaimentimia. Myös suljettujen huokos- ten metallivaahtoja voidaan käyttää, jos materiaalin pinnan huokoset on avattu, mutta tässäkin ta- pauksessa äänenvaimennusteho jää heikoksi huokosia yhdistävien kanavien puutteen vuoksi.^9,10 Tut-

23

kimuksissa on havaittu, että mitä pienempi huokoisen materiaalin huokosten läpimitta on, sitä tehok- kaammin se absorboi äänienergiaa. Toisaalta huokoskoon ollessa alle 0,1 mm äänen absorptio on heikkoa, koska suurin osa ääniaallosta heijastuu materiaalista päätymättä materiaalin sisälle.³² Kuvassa 6 on esitetty äänen absorptiokerroin taajuuden funktiona erilaisille huokoisille materiaa- leille. Äänen absorptiokerroin kuvaa materiaalin pintaan osuvan tasomaisen ääniaallon absorboituvaa osuutta. Esimerkiksi absorptiokertoimen ollessa 0,8 äänienergiasta absorboituu 80 %. Kuvassa 6a lasivillan absorptiokerroin kohoaa taajuuden noustessa yli 0,9:n, jota voi pitää tehokkaan äänen- vaimennuksen rajana. Lasivilla on erinomainen äänenvaimennin äänen taajuuden ollessa yli 1000 Hz.

Kuvissa 6b ja 6c on syytä huomioida taajuusalue, joka ulottuu suurempiin lukemiin kuin kuvassa 6a.¹²

Kuva 6b esittää absorptiokertoimen käsittelemättömälle huokoiselle Alporas-alumiinille (jonka val- mistusmenetelmä ja ominaisuuksia on esitelty osiossa 3.1.2), jonka huokoset ovat suljettuja. Ab- sorptiokerroin saavuttaa korkeimman arvonsa (noin 0,85) taajuudella 1800 Hz, ja muilla taajuuksilla absorptio on paljon heikompaa. Absorptio on merkittävästi heikompaa kuin lasivillan tapauksessa.

Kun Alporas-alumiinia puristetaan 10 % alkuperäisistä mitoista ja mitataan äänen absorptiota, saa- daan kuva 6c.¹²

Puristuksessa osa huokosten seinämistä hajoaa, mikä parantaa äänienergian absorptiota äänen vai- mentuessa tehokkaammin sen päästessä siirtymään materiaalin sisällä. Absorptiokerroin nousee kor- keimmillaan jopa yli 0,9:n, ja pysyy korkeana selvästi käsittelemätöntä Alporasia laajemmalla taa- juusalueella. Silti se ei ole lasivillan veroinen äänienergian absorboija.¹²

Alporas-tyyppistä huokoista alumiinia käytetään Japanissa mm. metrotunneleissa ja korotettujen moottoriteiden alapuolella liikenteen ääniä vaimentamassa. Eteläkorealainen Foamtech on kehittänyt Alporasin pohjalta materiaaleja, joita hyödynnetään äänenvaimentimena metrotunnelien ja rautatei- den lisäksi esimerkiksi konserttisaleissa, urheilukeskuksissa sekä auditorioissa. Huokosiltaan avoi-

a) b) c)

Kuva 6. Äänen absorptiokerroin taajuuden (Hz) funktiona erilaisissa huokoisissa materiaaleissa. a) lasivilla;

b) huokoinen Alporas-alumiini; c) puristettu huokoinen Alporas-alumiini.¹²

24

mien metallien äänenvaimennusteho on suljettujen huokosten metalleja parempi, ja esimerkiksi Alan- tumin valmistamia metalleja käytetään äänenvaimennuksessa mm. autoissa ja aseissa. Rajallisesta äänenvaimennuskapasiteetistaan huolimatta huokoisille metalleille löytyy siis moninaisia käyttökoh- teita erinomaisten kestävyysominaisuuksiensa takia. Lisäksi etenkin sisätiloissa käytettynä huokoi- silla metallirakenteilla voi äänenvaimennuksen lisäksi olla esteettistä merkitystä.^9,10,12

4.2.4. Elektrodit

Huokoisten metallien korkea pinta-ala, hyvä läpäisevyys ja mekaaninen kestävyys ovat houkuttelevia ominaisuuksia hyödynnettäväksi elektrodeissa esimerkiksi erilaisissa paristoissa ja polttokennoissa.

Kun näihin ominaisuuksiin lisätään huokoisten metallien hyvä sähkönjohtavuus – vaikkakaan säh- könjohtavuus ei ole yhtä hyvä kuin vastaaville tiiviille huokosettomille metalleille huokosten sisäti- lojen ollessa kaasutäytteisiä ja näin ollen sähköä johtamattomia – on saatu luetteloitua joukko syitä miksi sähkökemialliset sovellukset ovat yksi huokoisten metallien tärkeimpiä sovellusaloja nykypäi- vänä.^{3, 28,7,12}

Vaahtomaisesta nikkelistä valmistetaan elektrodeja nikkelikadmiumakuissa (NiCd) ja nikkelimetal- lihydridiakuissa (NiMH) käytettäviksi, ja kyseessä onkin suurin teollinen ja kaupallinen metallivaah- tojen käyttökohde.^3,9 Muun muassa matkapuhelimissa käytetyissä litiumioniakuissa ei kuitenkaan käytetä huokoista nikkeliä. Nikkelivaahdon nikkeliyhdisteet osallistuvat akun sähkökemiallisiin re- aktioihin, ja vaahto vastaa sähkövirrasta paristossa.²⁷ Nikkelin lisäksi myös esimerkiksi kuparia ja lyijyä (esimerkiksi lyijyakuissa tavanomaisten lyijylevyjen asemesta) voidaan mahdollisesti käyttää huokoisten elektrodien materiaaleina.^10,7

Huokoisia metalleja käytetään polttokennoissa. Polttokennot ovat laitteita, joilla tuotetaan sähköä nii- den elektrodeille laitteen ulkopuolelta syötetystä kemiallisesta energiasta. Polttokenno ei tuota hai- tallisia sivutuotteita, eikä se käytä fossiilisia polttoaineita, joten se on lupaava uusiutuvan energian tuottaja. Polttokennojen käyttö onkin yleistymässä. Erityisesti lähtöaineiltaan ja reaktio-olosuhteil- taan toisistaan eroavia polttokennoja on monenlaisia, ja huokoisia metalleja on käytetty niissä elekt- rodin lisäksi kaasun diffuusiokerroksena (gas diffusion layer) sekä virtauskenttänä (flow field). Polt- tokennojen nykyistä laajempaa käyttöönottoa rajoittavat mm. korkea hinta, matala teho ja lämmön- hallintaan liittyvät vaikeudet, joihin kaikkiin huokoiset metallit voivat tarjota ratkaisuja yhä parem- min tulevaisuudessa. Tutkimus huokoisten metallien käytöstä polttokennoissa on painottunut pääasi- assa huokoiseen nikkeliin.^30,33

4.2.5. Laakerit

Viimeisenä huokoisten metallien käyttökohteena esitellään laakerit. Laakerit ovat suodattimien ja pa- ristojen rinnalla ensimmäisiä tuotteita, joissa huokoisia metalleja alettiin hyödyntää. Sintrattuja jau- heita käytettiin jo 1920-luvulla laakereiden valmistuksessa, ja 1960-luvun alussa valmistettiin sintrat- tuja, itsevoitelevia alumiinilaakereita, joiden huokoisuusaste oli noin 20 %.^3,34 Itsevoitelevassa laa-

25

kerissa laakerin huokosiin säilötty voiteluaine virtaa hitaasti ulos korvaamaan kulutetun voiteluai- neen. Nykyaikaiset menetelmät mahdollistavat suurempia voiteluainemääriä säilövien laakerien val- mistuksen, ja itsevoitelevat laakerit ovat edelleen merkittävimpiä huokoisten metallien käyttökoh- teita.^3,10

26

5. Huokoisten metallien analysointi

Huokoisten metallien tutkimiseksi ja analysoimiseksi on olemassa lukuisia menetelmiä. Menetelmät voi jakaa karkeasti vaurioittaviin menetelmiin, joihin olennaisena osana liittyy huokoisen metallikap- paleen rakenteen hajoaminen testauksen yhteydessä (esimerkiksi mekaanista lujuutta mittaavat testit), ja ei-vaurioittaviin, joissa testikappale pysyy vahingoittumattomana tai vain vähäisesti muuttu- neena.¹⁰

5.1. Vaurioittavat analysointimenetelmät

5.1.1. Kuvausmenetelmät

Vaikka erilaiset kuvausmenetelmät eivät varsinaisesti vaurioita tutkittavia metallikappaleita, testikap- paleita joudutaan usein esikäsittelemään kuvaamista varten esimerkiksi leikkaamalla tai pinnoitta- malla tavoilla, jotka tekevät kappaleiden myöhemmästä hyödyntämisestä mahdotonta. Kuvauslait- teita ovat esimerkiksi valomikroskooppi ja pyyhkäisyelektronimikroskooppi, SEM (scanning electron microscope). Mikroskoopeilla tutkitaan muun muassa huokosten kokoa, muotoa ja hienora- kennetta, ja esimerkiksi SEM soveltuu erityisen hyvin avointen huokosten metallien tutkimiseen. Ku- vausmenetelmät eivät kuitenkaan välttämättä tarjoa numeerisesti konkreettisia ja merkityksellisiä tut- kimustuloksia, ja kuvien tulkitseminen on tärkeä osa tutkimusta.^10,12

5.1.2. Mekaaninen testaus

Huokoisen metallin mekaanisen kestävyyden tutkiminen on välttämätöntä, jos materiaalia on suun- niteltu käytettäväksi rakenteellisissa sovelluksissa. Koska huokoisten metallien kestävyys on usein selkeä etu tavanomaisesti käytettyihin materiaaleihin verrattuna myös funktionaalisissa käyttökoh- teissa, on mekaanisten ominaisuuksien tutkiminen näitäkin kohteita ajatellen hyödyllistä.¹⁰

Tavanomaisten metallien testaamiseen käytetyt laitteet soveltuvat huokoistenkin metallien mekaani- seen testaukseen. Yleensä testausmenetelmiin tai -periaatteisiin ei tarvitse tehdä erityisiä muutoksia huokoisia metalleja varten. Testikappaleiden ja mittauskertojen määrää sen sijaan joudutaan usein nostamaan, sillä samastakin materiaalista valmistetut huokoiset metallikappaleet eroavat toisistaan muun muassa massa- ja tiheysjakaumaltaan sekä huokosten morfologialtaan enemmän kuin vastaavat ei-huokoiset kappaleet, mikä tarkoittaa myös suurempaa hajontaa niiden mekaanista kestävyyttä osoittavissa testituloksissa. Erot voivat siis olla merkittäviä, vaikka saman mittaussarjan testikappa- leiden kokonaistiheys olisi täsmälleen sama.¹⁰

Testausmenetelmillä voidaan tutkia huokoisten metallien taivutus-, jännitys-, puristus-, vääntö- ja leikkauskestävyyttä. Testikappaleiden muoto riippuu valitusta testaustavasta. Hyvin huokoisten,

27

vaahtomaisten metallien tutkimuksessa käytetään useimmiten puristustestiä kuutiomaisille testikap- paleille. Yleensä käytetään yksiakselisia testimenetelmiä (uniaxial testing), joissa mekaaninen rasitus kohdistuu testikappaleeseen vain yhdestä suunnasta.¹⁰

5.1.3. Tribologia

Tribologia tarkoittaa toisiaan koskettavien liikkuvien pintojen kulumisen, kitkan ja voitelun tutki- musta. Toisiaan koskettavien pintojen välillä tapahtuu vuorovaikutusta, jolloin materiaalien pintara- kenteissa voi tapahtua muutoksia.³⁵ Kitkasta johtuva pinnan kuluminen on huokoisten metallien hyö- dyntämisen kannalta tutkimusta vaativa ilmiö. Huokoisia metalleja käytetään esimerkiksi laakereissa, joissa jatkuva liike aiheuttaa kulumista, ja tällaisia sovelluksia varten tribologinen tutkimus on vält- tämätöntä³. Kirjallisuudessa huokoisten metallien kitkaan ja kulumiseen liittyvät tutkimukset ovat saaneet vähemmän huomiota kuin esimerkiksi mekaaniset testausmenetelmät.

5.2. Ei-vaurioittavat analysointimenetelmät

5.2.1. Röntgensäteilyyn perustuvat menetelmät

Röntgensäteilyä käyttämällä voidaan tutkittavasta metallikappaleesta ottaa kaksi- ja kolmiulotteisia kuvia. Kun huokoisen metallikappaleen läpi suunnataan röntgensäde ja säteen heikentyminen kappa- leessa mitataan, saadaan kaksiulotteinen kuva röntgensäteen absorptiosta kappaleessa, edellyttäen että kuvaus on suoritettu jollekin kappaleen pinnalle kahdessa dimensiossa. Ohuilla kappaleilla täl- lainen kuvaus voi antaa informaatiota huokosten muodosta, mutta paksummilla kappaleilla yksittäisiä huokosia on vaikeaa erottaa huokosten päällekkäisyyden takia.¹⁰

Kehittyneempi menetelmä, jolla metallikappaleista saadaan kolmiulotteisia kuvia, joista voidaan tut- kia esimerkiksi tiheyden jakautumista kappaleessa, on nimeltään tietokonekerroskuvaus (CT, X-ray computed tomography). Tässä myös tietokonetomografiaksi kutsutussa tutkimusmenetelmässä rönt- gensäteilyä ohjataan tutkimuskappaleeseen lukuisista suunnista pyörittämällä ja kääntämällä säteily- lähdettä ja detektoria kappaleen ympärillä tai pyörittämällä kappaletta itseään.^10,36 Monista eri suun- nista otetuista röntgenkuvista koostetaan kappaleen 3D-rakennetta kuvaava esitys. Säteilyn heiken- tyminen eri kohdissa näytettä antaa tietoa kunkin alueen tiheydestä.¹⁰ Menetelmää voidaan käyttää jopa huokosiltaan suljettujen metallikappaleiden sisäosien tutkimiseksi.¹² Menetelmä antaa kappa- leen tiheysjakauman lisäksi tietoa esimerkiksi huokosten muodosta, huokoskokojen jakaumasta ja huokosten liittymisestä toisiinsa.³⁶ Nämä ominaisuudet ovat tiiviisti yhteydessä esimerkiksi materi- aalin äänenvaimennustehoon, ja tietokonetomografiaa onkin hyödynnetty etsittäessä keinoja huokois- ten metallien äänenvaimennustehon parantamiseksi.³¹