Випуски $\rightarrow$ Том 27, випуск 4 (2026)

Еволюція підходів щодо формування та функціоналізації пористого литого алюмінію: від дефектоскопії до програмованих метаматеріялів

КОВАЛЕНКО В.В.$^{1}$, БИБА Є.Г.$^{1,3,5}$, МІНІЦЬКИЙ А.В.$^{1,3,6}$, ЯМШИНСЬКИЙ М.М.$^{1}$, СІВОЛАПОВ П.В.$^{1}$, ЧВЕРТКО Є.П.$^{1}$, ЛЕОНОВ Д.С.$^{2}$, БАРАБАШ М.Ю.$^{1–4}$

$^1$Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», просп. Берестейський, 37, 03056 Київ, Україна
$^2$Технічний центр НАН України, вул. Покровська, 13, 04070 Київ, Україна
$^3$Інститут прикладних систем управління НАН України, просп. Академіка Глушкова, 42, 03187 Київ, Україна
$^4$Інститут газу НАН України, вул. Дегтярівська, 39, 03113 Київ, Україна
$^5$Інститут електрозварювання імені Є.О. Патона НАН України, вул. Казимира Малевича, 11, 03150 Київ, Україна
$^6$Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 34, 03142 Київ, Україна

Отримано / остаточна версія: 10.07.2026 / 27.09.2026 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Сучасний розвиток аерокосмічних, автомобільних, оборонних і машинобудівних галузей стимулює фундаментальний перехід від традиційних монолітних металевих стопів до гібридних матеріялів із керованою внутрішньою архітектурою. Пористий литий алюміній, виготовлений методом вакуумної інфільтрації розтопу у сольовому наповнювачі, що усувається, являє собою передовий метаматеріял, чиї структурні та функціональні властивості можуть бути прецизійно запрограмовані на етапі лиття. У цій оглядовій статті глибоко проаналізовано термодинамічні, гідродинамічні та мікромеханічні закономірності формування відкритої пористої структури. Розглянуто фундаментальну теорію біплівок, яка пояснює дефектометричні переваги методу спокійної інфільтрації над традиційними стохастичними процесами газового спінювання. Деталізовано мікромеханіку утворення міжпорових вікон зв'язности на основі фізичного моделю «повітряної манжети», механізми випаровування–конденсації під час спікання хлориду Натрію й унікальне явище термічного відшарування. Обґрунтовано структурно-функціональні властивості різних металевих матриць (на основі систем Al–Si, Al–Cu, Al–Zn і маґнійових стопів). Також проаналізовано стратегічні перспективи застосування пористого алюмінію у системах високопродуктивного керування тепловими процесами, широкосмугового акустичного демпфування, електромагнетного екранування, екологічної фільтрації та сучасного балістичного захисту.

Ключові слова: пористий алюміній, вакуумна інфільтрація, теорія біплівок, хлорид Натрію, капілярний тиск, гідродинаміка, метаматеріяли.

DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.27.04.***

Citation: V.V. Kovalenko, Ye.G. Byba, A.V. Minitskyi, M.M. Yamshynskyi, P.V. Sivolapov, Ye.P. Chvertko, D.S. Leonov, and М.Yu. Barabash, Evolution of Approaches to the Formation and Functionalization of Porous Cast Aluminium: from Defectoscopy to Programmable Metamaterials, Progress in Physics of Metals, 27, No. 4: ***–*** (2026)

Цитована література   
  1. Fracture control requirements for composite and bonded vehicle and payload structures, MSFC-RQMT-3479 (Huntsville Al., USA: Marshall Space Flight Center (MSFC)): 2006).
  2. Aerospace Grade Aluminum: Properties, Applications, and Advantages, Prophecy Sensorlytics (Mar 3, 2025); https://prophecysensor.com/aerospace-grade-aluminum-properties-applications-and-advantages/
  3. The strategic role of aluminium in Europe’s aerospace and defence sectors, European Aluminium (July 3, 2025); https://european-aluminium.eu/wp-content/uploads/2025/07/2025-07-03_The-Strategic-Role-of-Aluminum-in-Aerospace-and-Defence.pdf
  4. F. Rodríguez M., M. Meneses G., and B. Chinè, Computational analysis of metal foams for EMI shielding using comsol multiphysics, Comsol Conference, Cambridge 2019 (September 24–26, 2019) (Cambridge, UK: 2019); https://www.comsol.jp/paper/download/680811/F._Rodr_guez__M._Meneses__B._Chin__Computational_Analysis_of_Metal_Foams_for_EMI_Shielding_Using_Comsol_Multiphysics.pdf
  5. Xi Sun, Zhiqian Jian, Xixi Su, Peng Huang, Qiang Gao, Zhanhao Feng, and Guoyin Zu, Aluminum foam sandwich: pore evolution mechanism investigation and engineering preparing optimization, Materials, 16, No. 19: 6479 (2023); https://doi.org/10.3390/ma16196479
  6. Tomislav Rodinger, Danko Ćorić, and Jaroslav Kováčik, The effect of foaming agents on the thermal behavior of aluminum precursors, Materials, 17, No. 3: 710 (2024); https://doi.org/10.3390/ma17030710
  7. Yuan Li, Zhe Wang, and Zhancheng Guo, Preparation and compression behavior of high porosity, microporous open-cell al foam using supergravity infiltration method, Materials, 17, No. 2: 337 (2024); https://doi.org/10.3390/ma17020337
  8. Jongmin Kim, Taekyu Ha, Youngki Lee, Byungil Kang, and Youngjig Kim, Mechanical properties and deformation behavior of open-cell type aluminum foams with structural conditions and alloy composition, Metals, 14, No. 8: 877 (2024); https://doi.org/10.3390/met14080877
  9. Razmi Noh Mohd Razali, Bulan Abdullah, Ismail Muhammad Hussain, Umi Kalsom Ahmad, M. F. Idham, and Abdullah Ramli, Mechanical properties of aluminium foam by conventional casting combined with NaCl space holder, Applied Mechanics and Materials, 393: 156 (2013); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.393.156
  10. John Campbell, The consolidation of metals: the origin of biofilms, Journal of Materials Science, 51: 96 (2016); https://doi.org/10.1007/s10853-015-9399-9
  11. John Campbell, Update on bifilms — the fundamental defect in metals. Shape Casting. International Symposium Celebrating Prof. John Campbell’s 80th Birthday. The Minerals, Metals & Materials Series (Eds. Murat Tiryakioğlu, William Griffiths, and Mark Jolly) (Cham: Springer: 2019), pp. 3–15; https://doi.org/10.1007/978-3-030-06034-3_1
  12. M. A. El-Sayed, Hany Hassanin, and Khamis Essa, Bifilm defects and porosity in Al cast alloys, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 86: 1173 (2016); https://doi.org/10.1007/s00170-015-8240-6
  13. Ramesh Gopalan and Narayan Prabhu, Oxide bifilms in aluminium alloy castings — a review, Materials Science and Technology, 27, No. 12: 1757 (2011); https://doi.org/10.1179/1743284711Y.0000000033
  14. D. Dispinar and J. Campbell, Porosity, hydrogen and bifilm content in Al alloy castings, Materials Science and Engineering: A, 528, Nos. 10–11: 3860 (2011); https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.01.084
  15. Heqian Song, Lunyong Zhang, Jianfei Sun, Dan Zhang, Guowei Zhang, Hong Xu, and Fei Xue, Research on the formation mechanism and fracture behavior of bifilm defects, Journal of Materials Research and Technology, 26: 6919 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.09.083
  16. Ghasem Eisaabadi Bozchaloei, Naser Varahram, Parviz Davami, and Shae Kwang Kim, Effect of oxide bifilms on the mechanical properties of cast Al–7Si–0.3Mg alloy and the roll of runner height after filter on their formation, Materials Science and Engineering A, 548: 99 (2012); https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.03.097
  17. Mahmoud Ahmed El-Sayed, Khamis Essa, and Hany Hassanin, Influence of bifilm defects generated during mould filling on the tensile properties of Al–Si–Mg cast alloys, Metals, 12, No. 1: 160 (2022); https://doi.org/10.3390/met12010160
  18. A.H. Amirah, M.S. Nurulakmal, and A.S. Anasyida, The effect of space holder content and decomposition methods in fabrication of aluminum foams by powder metallurgy method using carbamide space holder, AIP Conference Proceedings, 1756: 030003 (2016); https://doi.org/10.1063/1.4958755
  19. Gökhan Ozer, Kerem Altug Güler, and Zeynep Taslicukur, Cellular aluminium foam metal production with space holder particles, Materials Testing, 52, No. 6: 379 (2010); https://doi.org/10.3139/120.110140
  20. R. Goodall, J.F. Despois, and A. Mortensen, Sintering of NaCl powder: Mechanisms and first stage kinetics, Journal of the European Ceramic Society, 26, No. 16: 3487 (2006); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2005.12.020
  21. Klodian Xhanaria and Matjaž Finšgar, Organic corrosion inhibitors for aluminum and its alloys in chloride and alkaline solutions: A review, Arabian Journal of Chemistry, 12, No. 8: 4646 (2016); https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2016.08.009
  22. Yang Li, Hailong Shang, Bingyang Ma, Xuqiang Guo, Rongbin Li, and Geyang Li, The effect of temperature and sputtered particles on the wettability of Al/Al2O3, Materials, 14, No. 9: 2110 (2021); https://doi.org/10.3390/ma14092110
  23. Raja R. Roy and Yogeshwar Sahai, Wetting behavior in aluminum–alumina-salt systems, Materials Transactions, JIM, 38, No. 6: 671 (1997); https://doi.org/10.2320/matertrans1989.38.571
  24. G. Kaptay and T. Bárczy, On the asymmetrical dependence of the threshold pressure of infiltration on the wettability of the porous solid by the infiltrating liquid, Journal of Materials Science, 40: 2531 (2005); https://doi.org/10.1007/s10853-005-1987-7
  25. Ivaldo Leão Ferreira, Jose Adilson De Castro, and Amauri Garcia, Dependence of surface tension and viscosity on temperature in multicomponent alloys, Wettability and Interfacial Phenomena — Implications for Material Processing (Ed. Rita Khanna) (2019); https://doi.org/10.5772/intechopen.82307
  26. A.T. Dinsdale and P.N. Quested, The viscosity of aluminium and its alloys — A review of data and models, Journal of Materials Science, 39: 7221 (2004); https://doi.org/10.1023/B:JMSC.0000048735.50256.96
  27. Bai Liu, Xiujuan Liu, Mingjun Liu, and Zhenyu Zhao, Infiltration Mechanism in SiCp/Aluminum-Matrix Composite Prepared by Nonpressure, Materials and Manufacturing Processes, 26, No. 11: 1339 (2011); https://doi.org/10.1080/10426914.2010.537420
  28. Eugeny L. Furman, Arcady B. Finkelstein, and Maxim L. Cherny, Permeability of aluminium foams produced by replication casting, Metals, 3, No. 1: 49 (2013); https://doi.org/10.3390/met3010049
  29. Toshio Haga, Shinjiro Imamura, and Hiroshi Fuse, Fluidity investigation of pure Al and Al–Si alloys, Materials, 14, No. 18: 5372 (2021); https://doi.org/10.3390/ma14185372
  30. Marisa Di Sabatino and Lars Arnberg, Castability of aluminium alloys, Transactions of the Indian Institute of Metals, 62: 321 (2009); https://doi.org/10.1007/s12666-009-0049-2
  31. Pengfei Zhou, Dongtao Wang, Hiromi Nagaumi, Rui Wang, Xiaozu Zhang, Xinzhong Li, Haitao Zhang, and Bo Zhang, Microstructural evolution and mechanical properties of Al–Si–Mg–Cu cast alloys with different Cu contents, Metals, 13, No. 1: 98 (2023); https://doi.org/10.3390/met13010098
  32. Youjie Guo, Liang Zhang, Guohua Wu, Yixiao Wang, Fangzhou Qi, Xuanxi Xu, and Xin Tong, Influence of Cu addition on hot tearing susceptibility and fluidity of Al–Li–Cu alloys: Experimental investigation, criterion prediction and simulation assessment, Journal of Alloys and Compounds, 969: 172301 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.172301
  33. Behzad Niroumand and Amir Jazini Dorcheh, Influence of melt infiltration parameters on structural and mechanical properties of Al–4.3 wt.% Cu–EP syntactic foam, Metals, 13, No. 8: 1345 (2023); https://doi.org/10.3390/met13081345
  34. Vanya Dyakova, Yoanna Kostova, Boriana Tzaneva, Hristina Spasova, and Daniela Kovacheva, Effect of Cu as a minority alloying element on the corrosion behaviour of amorphous, and crystalline Al–Ni–Si alloy, Materials, 16, No. 15: 5446 (2023); https://doi.org/10.3390/ma16155446
  35. Guorui Sun, Wenbo Du, Shiwei Ci, Jiaqi Hu, Xiaohui Zhao, and Chao Chen, Multi scale performance breakthrough of Sc/Zr/Mn microalloying controlled wire arc additive manufacturing of high-strength light alloys, Virtual and Physical Prototyping, 20, No. 1: 1 (2025); https://doi.org/10.1080/17452759.2025.2567397
  36. Nikhil Gupta, Dung D. Luong, and Kyu Cho, Magnesium matrix composite foams — density, mechanical properties, and applications, Metals, 2, No. 3: 238 (2012); https://doi.org/10.3390/met2030238
  37. Karel Lietaert, Ludger Weber, Jan Van Humbeeck, Andreas Mortensen, Jan Luyten, and Jan Schrooten, Open cellular magnesium alloys for biodegradable orthopaedic implants, Journal of Magnesium and Alloys, 1, No. 4: 303 (2013); https://doi.org/10.1016/j.jma.2013.11.004
  38. Florian Deißenbeck, Sudarsan Surendralal, Mira Todorova, Stefan Wippermann, and Jörg Neugebauer, Revealing the reaction pathway of anodic hydrogen evolution at magnesium surfaces in aqueous electrolytes, Journal of the American Chemical Society, 146, No. 44: 30314 (2024); https://doi.org/10.1021/jacs.4c10086
  39. Alan H. Brothers and David C. Dunand, Mechanical properties of a density-graded replicated aluminum foam, Materials Science and Engineering: A, 489, Nos. 1–2: 439 (2008); https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.11.076
  40. Zhang Yue, Jin Tao, Li Shiqiang, Ruan Dong, Wang Zhihua, and Lu Guoxing, Sample size effect on the mechanical behavior of aluminum foam, International Journal of Mechanical Sciences, 151: 622 (2019); https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2018.12.019
  41. Fusheng Han, Gary Seiffert, Yuyuan Zhao, and Barry Gibbs, Acoustic absorption behaviour of an open-celled aluminium foam, Journal of Physics D: Applied Physics, 36, No. 3: 294 (2003); https://doi.org/10.1088/0022-3727/36/3/312
  42. Ahmed F. Abuserwal, Erardo Mario Elizondo Luna, Russell Goodall, and Robert Woolley, The effective thermal conductivity of open cell replicated aluminium metal sponges, International Journal of Heat and Mass Transfer, 108, Part B: 1439 (2017); https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.01.023
  43. Jongmin Kim, Taekyu Ha, Youngki Lee, Byungil Kang, and Youngjig Kim, Heat dissipation of open-cell-type aluminum foams manufactured by replication-casting process, Metals, 14, No. 2: 206 (2024); https://doi.org/10.3390/met14020206
  44. Łukasz Mika, Ewelina Radomska, Karol Sztekle, Andrzej Gołdasz, and Wiesław Zima, Review of selected PCMs and their applications in the industry and energy sector, Energies, 18, No. 5: 1233 (2025); https://doi.org/10.3390/en18051233
  45. Minghan Xu, Saad Akhtar, Ahmad F. Zueter, Mohammaderfan Mohit, and Agus P. Sasmito, Analytical modeling of metal foam composite phase change materials (PCM) in thermal energy storage using asymptotic analysis, ASME 2023 International Mechanical Engineering Congress and Exposition (October 29–November 2, 2023) (New Orleans, Louisiana, USA: 2024); https://doi.org/10.1115/IMECE2023-114094
  46. Yuzhen Zhao, Chaonian Li, Tingting Lang, Jianjing Gao, Huimin Zhang, Yang Zhao, Zhun Guo, and Zongcheng Miao, Research progress on intrinsically conductive polymers and conductive polymer-based composites for electromagnetic shielding, Molecules, 28, No. 22: 7647 (2023); https://doi.org/10.3390/molecules28227647
  47. Chahid Benaqqa, Moussa Gomina, Arnaud Beurotte, Michel Boussuge, Benoît Delattre, Karine Pajot, Edouard Pawlak, and Fabiano Rodrigues, Morphology, physical, thermal and mechanical properties of the constitutive materials of diesel particulate filters, Applied Thermal Engineering, 62, No. 2: 599 (2014); https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.10.024
  48. Akiyoshi Nemoto, Kentaro Iwasaki, Osamu Yamanishi, Kazuya Tsuchimoto, Kousuke Uoe, Tetsuro Toma, and Hajime Yoshino, Development of innovative diesel particulate filters based on aluminum titanate: design and validation. R&D Report, ‘SUMITOMO KAGAKU’, 2011-II, No. 2011.11.30: (2011): https://www.sumitomo-chem.co.jp/english/rd/report/files/docs/01_2011-2e.pdf
  49. Leonardo Giani, Cinzia Cristiani, Gianpiero Groppi, and Enrico Tronconi, Washcoating method for Pd/-Al2O3 deposition on metallic foams, Applied Catalysis B: Environmental, 62, Nos. 1–2: 121 (2006); https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2005.07.003
  50. Yuliu Li, Riccardo Narducci, Alessandra Varone, Saulius Kaciulis, Eleonora Bolli, and Roberto Pizzoferrato, Zn–Al layered double hydroxides synthesized on aluminum foams for fluoride removal from water, Processes, 9, No. 12: 2109 (2021); https://doi.org/10.3390/pr9122109
  51. S. Kaciulis, E. Bolli, A. Varone, M. Richetta, R. Narducci, M.L. Di Vona, E. Ciotta, and R. Pizzoferrato, Adsorption of heavy metals by layered double hydroxides grown in situ on Al foam, Surface and Interface Analysis, 52, No. 12: 996 (2020); https://doi.org/10.1002/sia.6856
  52. Bazle A. Gama, Travis A. Bogetti, Bruce K. Fink, Chin-Jye Yu, T. Dennis Claar, Harald H. Eifert, and John W. Gillespie Jr., Aluminum foam integral armor: a new dimension in armor design, Composite Structures, 52, Nos. 3–4: 381 (2001); https://doi.org/10.1016/S0263-8223(01)00029-0
  53. Shu Yang and Chang Qi, Blast-resistant improvement of sandwich armor structure with aluminum foam composite, Advances in Materials Science and Engineering (2013); https://doi.org/10.1155/2013/947571

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,