Manufacturing and characterization of open-cell metal foams with high strut porosity

Abstract

Aluminum and copper foams were manufactured by the sponge replication technique and a combination of the sponge replication technique with two additional freezing steps, freezing and freeze-drying, in order to generate additional lamellar strut pores. The effect of the starting powder particle characteristics, the thermal processing parameters, the polymeric template foam cell size, and the additional strut porosity on the macrostructure, the porosity, the mechanical properties, the thermal conductivity, and the specific surface area was studied. Foams prepared with the additional freeze processing steps possess additional pores with a lamellar shape in the struts, and they showed a higher strut porosity and a higher specific surface area. The lamellar pores in the foam struts had a thickness between 24 μm and 56 μm and a random orientation, which had a significant influence on the compressive strength, the absorbed energy during compression testing, and the thermal conductivity of the metal foams. Since those foams are potential supports for microporous materials due to their unique heat transport and fluid dynamic properties, the zeolite SAPO-34 was crystallized directly on aluminum foams and the MOF material HKUST-1 was crystallized directly on copper foams. These microporous components were found on the outer surface of the foam struts, in the hollow cavities of the foam struts, and in the lamellar pores generated by additional freezing steps.

Aluminium- und Kupferschäume wurden durch das Replika-Verfahren und mittels Kombination des Replika-Verfahrens mit Gefrieren und Gefriertrocknung, hergestellt, um zusätzliche lamellare Stegporen zu erzeugen. Untersucht wurden die Auswirkungen der Eigenschaften der Ausgangspulverpartikel, der thermischen Verarbeitungsparameter, der Zellgröße der Polymerschaumtemplate und der zusätzlichen Stegporosität auf die Makrostruktur, die Porosität, die mechanischen Eigenschaften, die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Oberfläche. Schäume, die mit den zusätzlichen Gefrierbehandlungsschritten hergestellt wurden, wiesen zusätzliche Poren mit einer lamellaren Struktur in den Stegen auf, und sie zeigten eine höhere Stegporosität und eine höhere spezifische Oberfläche. Die lamellaren Poren in den Stegen hatten eine Dicke zwischen 24 μm und 56 μm und eine zufällige Orientierung, was einen signifikanten Einfluss auf die Druckfestigkeit, die absorbierte Energie während des Drucktests und die Wärmeleitfähigkeit der Metallschäume hatte. Da diese Schäume aufgrund ihrer einzigartigen Wärmetransport- und Fluiddynamikeigenschaften potenzielle Träger für mikroporöse Materialien sind, wurde der Zeolith SAPO-34 direkt auf Aluminiumschäumen und das MOF-Material HKUST-1 direkt auf Kupferschäumen kristallisiert. Diese mikroporösen Komponenten befanden sich auf der äußeren Oberfläche der Stege, in den Hohlstegen der Schäume und in den zusätzlichen lamellaren Poren.