Metal sponges : production, characterization and application

Cellular metals are a new class of materials characterized by low densities associated to interesting and novel mechanical-physical-chemical properties. Among man-made cellular materials, polymeric foams are currently the most important ones with widespread applications in nearly every sector of technology. Less known is that even some metals and alloys can be produced as cellular materials and these materials have such interesting properties that exciting new applications are expected in the near future. The aim of the project is to widen even more the range of suitable cellular metals employing the, so called, infiltration process. The process consists in infiltrating the molten metal into a inert filler, which is finally removed, leaving behind the desired cellular structure. The work attempts to improve the infiltration process, updating it for high melting temperature metals, such as ferrous alloys and some non-ferrous alloys in between, including shape memory alloys. Obviously, in order to switch to such metals, the project had to deal with an accurate and detailed survey of some suitable fillers and solvents. The process has been also modified in order to have a better control of the cellular morphology and structure, with the final aim of being able to tailor precisely the sponge properties from the beginning. Once the process has been suitably set up, the study focuses on the characterization of the products in order to correlate the mechanical properties to the morphological features of the materials that depend on the process parameters. The designed manufacturing route has been proven to be extremely successful for the production of metal sponges with very good cost to benefit ratio and outstanding results in terms of morphological characteristics and mechanical properties. The developed shape memory sponges presented very good pseudoelastic and damping behavior, opening new possibilities for industrial applications. Finally, Microbial Fuel Cell devices (MFC) will be presented, a biological and green electric power generator, and how it is possible to increase the power generation using metal sponges as electrodes, substituting the bulk variety used today.

I metalli cellulari sono una nuova classe di materiali caratterizzati da bassa densità e interessanti propietà meccanico-fisico-chimiche. Tra i materiali cellulari artificiali, le schiume polimeriche sono attualmente le più importanti con applicazioni diffuse in quasi tutti i settori della tecnologia. Meno nota è invece la possibilità di produrre alcuni metalli e alcune leghe sotto forma di materiali cellulari, i quali, grazie alle interessanti proprietà, sono attesi nel prossimo futuro in numerose applicazioni. Lo scopo del progetto è quello di allargare la gamma dei metalli cellulari ottenibili tramite il processo di infiltrazione. Il processo consiste nell'infiltrazione di metallo fuso in un ceramico inerte, che viene poi rimosso, permettendo di ottenere la struttura cellulare desiderata. Il lavoro ha migliorato il processo di infiltrazione, ed ha permesso di processare metalli ad alta temperatura di fusione, come le leghe ferrose, alcune leghe non ferrose e le leghe a memoria di forma. Ovviamente, al fine di processare metalli alto-fondenti, il progetto ha dovuto affrontare un'indagine accurata e dettagliata dei riempitivi adatti e dei solventi per rimuoverli. Il processo è stato inoltre modificato in modo da avere un miglior controllo sulla morfologia cellulare e sulla struttura, con l'obiettivo finale di essere in grado di ottenere con precisione le proprietà desiderate. Una volta che il processo è stato opportunamente impostato, lo studio si concentra sulla caratterizzazione dei prodotti al fine di correlare le proprietà meccaniche alle caratteristiche morfologiche dei materiali. Il processo di produzione ha dimostrato di essere estremamente efficace per la produzione di spugne metalliche con buoni benefici a livello di costi e ottimi risultati in termini di caratteristiche morfologiche e di proprietà meccaniche. Le spugne a memoria di forma presentano un ottimo comportamento pseudoelastico e un buon comportamento di smorzamento, aprendo nuove possibilità per le applicazioni industriali. Infine sarà presentato il dispositivo Microbial Fuel Cell (MFC), un generatore biologico e di energia elettrica verde, e come è possibile aumentare la produzione di energia utilizzando spugne metalliche come elettrodi, sostituendo la varietà di massa oggi in uso.