فوم های فلزی

 

با پیشرفت تكنولوژی بدست آوردن مواد جدید از اهمیت خاصی برای دانشمندان برخوردار است و می تواند اثر بسیار شگرفی بر زندگی بشر داشته باشد . فوم های فلزی یكی از این مواد هستند كه دانشمندان با بوجود آوردن آنها پای در فضای گسترده و جدید صنعتی گذاشتند .

عموما مابین 75% تا 95% ساختار فوم از منفذ ساخته شده است كه می تواند متصل به هم یا به هم چسبیده باشد .

فوم های فلزی سخت هستند بر خلاف فوم های پلاستیكی و تا زمانیكه آنها را برش ندهید مانند فلز جامد به نظر می رسند . ( به یاد داشته باشید كه به خاطر چگالی پایین آلومینیوم معمولا از این فلز ساخته می شوند ) .

تاریخچه فوم فلزی :

فرآیند اول :

نخستین ثبت در مورد فوم های فلزی به سال 1984 باز می گردد . زمانی كه benjamin sosnick برای ارائه پروسه ای در مورد ساختن جرم فلزی فوم شكل دارای حق امتیاز شد . روش او بر اساس بكار گرفتن این واقعیت بود كه آلیاژ های فلزی مركبی كه شامل دامنه بسیار وسیع و متفاوتی از نقاط ذوب و جوش است می توانند مستقیما ذوب شوند یا به جوش آیند . در این فرآیند ، به یك آلیاژ فلزی چند فازی گرما داده می شود در تركیب این آلیاژ انتخاب شده یكی از اجزای آن بخار میشود در حالیكه بقیه اجزا تنها ذوب شدند این آلیاژ ضمن حرارت دادند ، در یك مجرای تحت فشار نگهداری میشود به همین خاطر جزء گازی آن نمیتواند از مایع فرار كند . برقراری فشار باعث بخار شدن ناگهانی مخلوط می شود كه در نهایت میتوان با سرد كردن آن مخلوط به یك فرم جامد پر از منفذ های نزدیك به هم رسید موارد استفاده پیشنهادی بهبود مقاومت در برابر فشردگی فوم را نشان میدهد كه همچنین جاذب گرما و صدا است . به طور واضح ، تنها مقدار كمی از آلیاژهای فلزی مركب برای این فرآیند واقعا مناسب هستند . این فرآیند نسبتا گران تمام میشد و در نهایت هم تنها مقدار نسبتا كمی از فوم غیر معمول را تولید میكرد و شاید به همین دلیل بود كه هیچگاه به طور وسیع مورد استفاده قرار نگرفت .

فوم های سلول باز : 

بعدها در سال 1950 اولین سلول فوم فلزی باز تولید شد كه شامل پراكندن آلومینیوم مذاب در دانه های خورد توده نمكی فشرده شده می باشد كه بعد از آن نمك را حل كرده تا منفذ هایی در میان آن باقی بماند این فرآیند ساختار فوم قابل اطمینان تری نسبت به متد sosnick تولید میكرد اما در حال حاضر هنوز هم به آن به عنوان یك چیز كمیاب نگریسته میشود تا یك ابزار مهندسی .

ورود عامل فومی : 

در سال 1959 ، تحقیق كاملا متفاوتی انجام شد اعضای این گروه تحقیقاتی روشی برای ساختن فوم به نام خود ثبت كردند كه اساس آن ساختن فوم با مخلوط كردن فلز پودری با پودر فلز فومی گازی بود . پودر فلز فومی گازی باید كاملا به دقت انتخاب میشد تا مقدار بسیار زیادی از گاز را در دمای ذوب فلز تجزیه و آزاد كند این مخلوط پودری به صورت سرد فشرده شده و از غالب خارج میشود تا یك ماده جامد فلزی همراه با فوم های منتشر شده در آن تولید شود زمانیكه این جسم جامد حرارت میبیند تا به نقطه ذوب فلز برسد عامل فومی تجزیه میشود تا گاز را به فلز مذاب تزریق كند و فلز فومی تشكیل شود . فلز هیدروژن دار ( مخصوصا هیدرید تیتانیوم ) كه در دمای پایین به سهولت به فلز و گاز هیدروژن تجزیه میشود و در بسیاری از متد های ساخت فومهای تجارتی متداول است به عنوان اولین ظهور عامل فومی به ثبت رسید .

خنك كردن فوم یك مشكل اساسی بود و این به معنی آن است كه گرمای منبع نسبتا سریع میتواند از بین برود اما فلز همچنان گرم و داغ باقی می ماند و مستعد برای تبدیل به فلز مذاب است قبل از آنكه به اندازه كافی سرد شود .

تحقیقات نشان میدهد كه استفاده از آب به عنوان عامل سردكننده و یا گرم كردن تنها بخشی از فوم میتواند به طور كلی مانع از این مشكل گردد .

فوم سازی به صورت مستقیم از طریق ذوب :

چهار سال بعد تحقیقی نسبتا وسیع انجام شد كه شامل متدی بود كه در آن عامل فوم ساز را مستقیما به فلز نیم گداخته اضافه میكردند سودی كه این روش داشت تولید بسیار ارزانتر فوم نسبت به متد پودری بود یك پیشرفت جدید آن بود كه مشتقی از فلز سیلیس را به آلومینیوم مذاب اضافه میكردند و از آن برای افزایش چسبناكی و به دام انداختن گاز آزاد شده استفاده میكردند ایده جدید دیگر استفاده از خاك رس به جای فلزات هیدراته برای عامل فوم سازی بود كه میتوان مولكولهای آب به دام انداخته شده در ساختار آنها را به هنگام اضافه كردن به ماده مذاب به صورت بخار آب آزاد كرد . تعداد اندكی از موسسات كار بر روی فوم های پودری فلزی را ادامه دادند و به خاطر هزینه آن به تولید در آزمایشگاهها منحصر شد و به تولید تجاری نرسید در مقابل آن فوم هایی كه به روش ذوب تهیه میشوند اصلی ترین مركز توجه علایق تجاری هستند . دانشگاهها و كارخانجات زیادی مشغول كار بر روی فومها هستند و پروسه های جدید تولید فوم از راه نفوذ دادن ، خلع كردن و… انجام شده است .

اساس فوم :

فوم ها با اساس ذوبی كمكم به روش اولیه تولید فوم چیده شده اند كارخانجات بسیاری تولید فوم فلزی را شروع كردند . تحقیقات جدید در پایگاههای علمی با هدف ارتقاء كیفیت فومها فومهاییست كه با روش ذوبی تولید میشوند در حالیكه از هزینه های بالایی كه در تولیدات محصولات فوم به روش پودری ایجاد می شود میتوان به این طریق اجتناب كرد .

فوم كردن فلزات دیگر 

تا امروز تقریبا تمام تحقیقات متمركز در فومهای آلومینیومی بوده است ( به خاطر چگالی پایین و مقاومت در برابر خوردگی و نقطه ذوب پایین كه كار با آن را آسان میكند ) در هر حال فومهای آهن ، نیكل ، سرب نیز تولید شده اند .

فومهای نیكل را به عنوان فیلترهای شیمیایی به كار میگیرند . دیگر فومها كیفیت مشكوكی دارند و در حال حاضر موضوع تحقیقات دانشمندان میباشد .

كابردهای فومهای فلزی : 

هیچ خاصیتی از فومهای فلزی ویژه و استثنائی نیست بیشتر خواص ماده آنها ( از قبیل چگالی ، سختی و دوام و …. ) در هر نوع ماده دیگری نیز یافت میشوند . نكته مهم در بازار فروش فومهای فلزی در كل ( به ویژه فومهای آلومینیوم ) در تركیب بینظیر كیفیت هاییست كه در هیچ ماده دیگری یافت نشده است :

قدرت بالا ( 10mpa ) و سختی ( 1gpa)

چگالی بسیار پایین ( حدودا 2/0چگالی آلومینیوم جامد )

توانایی جذب مقادیر بالای انرژی با تحمل فشار در زمان فشرده شدن در هر جهت .

مواد ساختاری : 

فومها سختی نسبتا بالا و چگالی پایین را بیش از ماده مولد خود دارا می باشند مهم است بدانیم كه اگر تنها قدرت مستقیم را در نظر بگیریم ، فومها غالبا كاربرد مشابه یا حتی بدتری از مواد جامد هم وزن خود ارائه میدهند نقطه قوت فومها زمانی آشكار میشود كه فشارهای منجربه خم شدن را به عنوان یكی از كیفیات وزن در نظر بگیریم . پخش وسیع ساختارهای سلولی در لحظه ، سكون ماده را افزایش میبخشد و به آن قدرت خم شدن و مقاومت ویژه بیشتری میبخشد تا آنچه به وزن حجمی فلز مربوط است این مطلب فومها را به عنوان تركیباتی كاربردی در اتومبیل سازی و هوافضا مطرح میسازد این مطلب ممكن است به شكل تركیبات حمل وزن مستقیم به چشم بیاید اما بیشتر موارد استفاده ساختاری را نشان میدهد كه در آن فوم عنصری مركزی است كه با لایه فلزی بیرونی احاطه شده و مورد استفاده قرار میگیرد . تولید این تركیبات در مقایسه با دیگرمواد كندوشكل آسانتر است و مقاومت بیشتری در برابر شكاف خوردن نشان میدهد و این بخاطر همگرایی فومهاست . برخی از روشهای تولید همچنین اجازه میدهند كه قالبهایی با اشكال نامنظم از فومها پر شود ، به عنوان مثال برای ساختن شكلهای پیچیده و یا پركردن ساختارهای لوله ای از فومها به جای تركیبات جامد فلزی استفاده میشود چون وزن بسیار كمتری داشته در حالیكه از مقاومت ساختاری قابل توجهی نیز برخوردار میباشند .

در اینجا فهرست وار خلاصه ای از كاربردهای بالقوه فومهای فلزی را ذكر میكنیم :

ورقه های خود پشتیبان محكم و بسیار سبك برای ساخت و ساز و حمل و نقل

جذب انرژی ذره ای در ماشینها ، آسانسورها و سیستم های جابجایی

كفها و دیواره ها

ورقه های سقفی و دیواره ای ضد حریق با عایق گرمایی و صوتی

جداره های كمپرسور

بدنه و اگزوز موتورسیكلت

تبادلگر گرمایی ، فیلترها و كاتالیزورها

مبدلهای صوتی

محفظه اسپیكر

باتریها

محفظه گیربوكس

بخشهای ساختاری فضاپیما

محفظه هایی برای ابزار الكترونیكی

جاذب صوتی برای شرایط سخت

از آنجائیكه توضیح در مورد تك تك این موارد از حیطه این مقاله خارج است تنها به مهمترین كاربردهای آنها میپردازیم :

جذب كننده ضربه :

طبقه بندی گسترده ای از كاربردها حول خاصیت جاذب انرژی فومهای فلزی بنا شده است در هنگام فشردگی ، فوم ها تنها دگر دیسی الاستیكی كمی را قبل از حالت پلاستیكی نشان می دهند در بیشتر فومها این حالت شامل دگر دیسی پلاستیكی گسترده ای از دیواره های سلولی در سلولهای شكست خورده می شود كه بتدریج در حلیكه ماده فشار كم و پایداری را تحمل میكند افزایش میابد . حركت تغییر جا در یك فلز به این معنی است كه مقدار زیادی از انرژی بدون افزایش فشار تا مرحله بحرانی میتواند جذب شود به خاطر رفتار ایزوتوپ فوم جذب انرژی در هر جهتی كه فشار وارد میشود ممكن میكند این خاصیت كارآیی فوم را به عنوان ماده ای سبك ، ارزان ، جاذب تكانهای ناگهانی در بدنه جلویی اتومبیل ها یا قطارها برای محافظت از سرنشینان در هنگام تصادفات افزایش میدهد .

این یكی از بخشهاییست كه فومهای فلزی به صورت تجاری استفاده شده و میتوانند در دربهای ضد ضربه به كار روند . در اصل فومهای فلزی به خاطر مقدار دگردیسی پلاستیكی كه میتواند در واحد حجم خود تحمل كند مورد توجه میباشد . به خاطر اینكه دیواره سلولی آن طبیعتا از شكست ساختاری پیش از موقع به عنوان واحدهای جاذب انرژی جلوگیری میكنند و از سرنشینان اتومبیل در هنگام مواجه با مواد سوختنی و انفجاری و تصادفات محافظت میكنند و یا به عبارتی دیگر مقاوم در برابر دما و حرارت میباشد .

فیلترهای دمای بالا و مقاوم در برابر خوردگی :

آلومینیوم مقاومت خوبی در برابر زنگ زدن و بسیاری دیگر از حملات شیمیایی دارد . فومهای سلول باز با سوراخهای ریز میتوانند به عنوان مواد فیلتری مقاوم از نظر شیمیایی و یا در برابر حرارت بالا استفاده شوند . پیش نهاد شده كه ظروف حاوی سوخت مایع تا حدودی با فومهای سلول باز پر شوند تا اینكه در هنگام نشت مواد آتش زا كه كمكم چكه میكنند و بر سد میریزند را جذب كنند نه اینكه قبل از آتش گرفتن این مواد به سرعت محوطه گسترده ای را در بر گیرد .

مانع در برابر تغییرات حرارتی ( عایق گرمایی ) :

مقاومت در برابر خوردگی در تركیب با سطح گسترده واینكه دیواره سلولی با رسانایی گرمایی بالایی دارد فومهای سلول باز را ماده ای ایده آل برای استفاده در مواد عایق گرما میسازد . فومهای سلول بسته از طرف دیگر رسانایی گرمایی كمی دارد و این بخاطر ساختار سلولی آنهاست پس مقاومت بالایی در برابر آتش دارد این قابلیت آنها را محافظ گرمایی خوبی میسازد .

سطح وسیع :

تركیب رسانایی الكتریكی بالا و سطح وسیع فومهای سلول باز آنها را برای استفاده به جای الكترود مناسب مقدور كرده است . به عنوان مثال : در باطریهای اسید ـ سرب ساختار های سلول باز میتوانند حامی های كاتالیزوری بسیار خوبی باشند .

جذب صدا ( آگوستیك ) :

فركانس ایجاد صدا به نسبت قابلیت الاستیك ماده به چگالی دارد . چون اینها میتوانند به نحو مستقلی تنوع داشته باشند از فومها برای حذف فركانس های مشخص استفاده می شود . همچنین از فوم ها برای مواد ضد صدا استفاده میشود . در ساختار های پر محفظ فوم صدا توسط لرزش و اصطكاك همچون گاز مابین سلول ها پخش می شود ، انعكاس مجدد داخل یك ساختار سلولی راهی طولانی و طاقت فرساست كه در آن جذب كامل فركانس ممكن می باشد .

روشهای اصلی تولید :

روش ساختن فلزات فوم شده به چهار دسته مهم تقسیم میشود :

دسته اول : مربوط به فوم هاییست كه در حقیقت تنها تركیباتی از موادی میباشند كه برای تولید فضاهای خاص استفاده میشوند . به عنوان مثال : پودرهای فلزی یا فیبرهای متراكم . فومهایی كه با این روش ساخته میشوند از كیفیت پایینی برخوردارند نوع قابل اعتماد تر تولید نفوذی می باشد كه در آن اشكال متخلخل ساخته می شوند و فلز های آب شده به داخل آن اشكال در قالب ها ریخته میشود و سپس قالب ها را جدا میكنند چون میتوان هر چه قدر خواست زمان صرف ساختن یك قالب عالی و بی نقص نمود . این روش برای ساختارهای كیفیت بالای فومهای سلول باز استفاده میشود و نكته منفی این روش گران تمام شدن آن و پیچیده بودنش است و تنها برای ساختن اندازه های كوچك فوم مناسب هستند .

دسته دوم :روش دیگر بر اساس پودر میباشد . فلز های پودر شده و عوامل فوم ساز ( مواد شیمیایی كه در هنگام واكنش گاز آزاد میكنند ) با هم مخلوط شده و فشرده میگردند با حرارت دادن مخلوط بالا در دمای ذوب فلز ، فوم تولید میشود .

دسته سوم :یک نوع سلول بسته در حدود 3 میلیمتر فوم سلول هسته با حفره های حدود 80 درصد تا بحال ارزانترین نوع تولید فوم روش آب كردن میباشد در این روش نوعی گاز به فلز آب شده چسبناك تزریق شده و تولید حفره میكند و فلز به تدریج خنك میشود و فوم میسازد گرچه این روش ارزان است اما كیفیت بسیار خوبی ندارد زیرا نمیتوان فاصله بین سلول ها را كنترل كرد .

دسته چهارم :روشهای دیگری نیز هستند گرچه فومهایی با حفره های كمتر یا كیفیت پایین تری تولید میكنند . از جمله این روشها سرد كردن سریع فلز اشباع شده توسط هیدروژن میباشد بدین صورت كه وقتی فلز اشباع میشود هیدروژن آزاد شده و تولید حفره میكند چون سرد شدن در یك جهت ویژه اتفاق می افتد حفره ها معمولا طولانی و موازی در جهت سرد شدن می باشند كه البته این یك نقطه ضعف است زیرا این مواد بیش از آنكه فوم مانند باشند كندو مانند هستند .

فوم های سلول باز :

این فومها دارای سه غالب هستند كه به آنها اشاره میكنیم .

قالب نمكی : اولین فوم های فلزی توسط پركردن یك قالب گرافیت اندود شده توسط نمك های زبر صخره ای تولید شد ( نمكی كه در آسیاب ها ریخته میشوند ) با گرم كردن آب دانه های نمك به هم چسبیده و آلومینیوم آب شده در داخل آن ریخته میشود با تكان دادن قالب این اطمینمان حاصل میشود كه آلومینیوم به همه جا رسیده است و سپس قالب نمكی را سرد میكند در این مرحله نمك در آب حل میشود و یك شبكه از آلومینیوم باقی میگذارد .

این روش حدودا 35 سال بعد مورد باز بینی قرار گرفت و بهبودهایی حاصل شد به ویژه اینكه حالا فلز آب شده در خلا به قالب نمك اضافه میشود و این بدان معنی است كه فلز با اطمینان بیشتری پخش شده و دانه های نمك كوچكتری استفاده میشود ، كیفیت فومهایی كه به این روش تولید میشوند بسیار بالاست اما هنوز برای پخش این روش زود است .

قالب های گچی : با تغییراتی در این روش میتوان یك نوع فوم دیگر بدست آورد ، معمولترین روش در بوجود آوردن یك فوم پلاستیك سلول باز كه بسیار آسان هم ساخته میشود این است كه با چیزی كه بعدا حل شدنی باشد تركیب شوند كه در دمای بسیار بالا بهترین نمونه مواد گچ است . در این روش یك توده جامد با نوعی پلاستیك كه در گچ احاطه شده تولید میكنند گرم كردن آن در دمای بالا موجب تجزیه شدن پلاستیك میشود ، در نتیجه شبكه ای از كانالهای خالی را در سرتاسر توده گچی ایجاد میكند در این هنگام فلز آب شده با فشار بالا و مكش به داخل قالب ریخته میشود و گچ حل میگردد نتیجه این روش داشتن یك فوم سلول باز است كه دقیقا ساختار سلولی فوم پلیمری اصلی را دارد .

وضعیت الكترودی : یك روش بسیار دقیق برای ساختن فوم های سلول باز آن است كه با یك فوم سلول باز پلاستیك كار را شروع كنیم با همان روشی كه در قالب های گچی آمده است اما بجای حرارت دادن آن را در معرض نوعی گاز كه با كربن مخلوط شده قرار داده و از آنجائیكه كربن هادی الكتریسیسته است آلومینیوم آب كاری شده را بر روی سد میریزیم و حرارت میدهیم تا پلاستیك آب شده و به یك فوم سلول باز تبدیل شود .

خلاصه ای از مزایا و معایب روشهای نفوذ فلز :

مزایا :

كنترل بسیار نزدیك اندازه سلولها كه حتی برای دانه های نمك با اندازه های مختلف نیز امكان پذیر است

هر فلز یا آلیاژی را میتوان استفاده كرد ، تنها بدین شرط كه زیر دمای تجزیه نمك ذوب شود .

قالب ها به شكل نهایی بسیار نزدیك هستند و استفاده از ماشین آلات را به حداقل می رسانند .

معایب :

زمان زیادی طول میكشد تا نمك یا گچ حل شوند .

مراحل تولید مستمر نیستند و بسیار پیچیده اند و فوم های تولید شده بسیار گران قیمت هستند .

فوم های تولید شده به این روش سخت فرم میگیرند .

سیر تكاملی گاز در فوم های سلول گازی :

روش اول : آسان ترین روش برای ساختن یك فوم سلول بسته تولید حباب هوا در انتهای یك حفره آلومینیوم آب شده می باشد سپس گرفتن كف و سرد كردن آن . در این روش پیچیدگی هایی نیز وجود دارد بویژه اینكه فلز باید مواد سرامیكی خوبی در خود داشته باشد تا آن را چسبنده سازد ، و هوا باید بدون شكل دادن حباب از سطح خارج شود ، فوم هایی به این روش اساسا ارزان و بی كیفیت اند .

مزایا :

الف ) در ساختن فوم ها با اندازه بالا ساخته میشوند .

ب ) تولید آن آسان و نسبتا ارزان است .

معایب :

الف ) پراكندگی گاز قابل كنترل نیست و حفره ها نیز بزرگ میباشند .

ب ) كنترل كمی برای تعیین اندازه حفره ها وجود دارند .

ج ) تنها تكه ای از آنها قابل تولید است و سطح فوم نیز نا صاف می باشد . 

د ) باید قبل از شروع كار با سرامیك تركیب شوند و از آنجائیكه برخی از آلیاژ ها به اندازه كافی چسبنده نیستند استفاده از هر نوع آن امكان پذیر نیست .

روش دوم : این روش فوم های پیچیده تری تولید میكنند با حفره های بهتر و همسان تر . در این روش از عامل فوم ساز جامدی استفاده میكنند كه میتواند قبل آزاد سازی گاز به آلومینیوم تركیب شود همین مطلب باعث كنترل بهتر پراكندگی به اندازه حفره ها می شود . ساختار سلولی این فوم ها از كیفیت بالاتری برخوردار است اما تولید این فوم گران تر تمام میشود .

مزایا :

الف ) اندازه های سلولی این فوم شكل یكنواخت تری دارند .

ب ) سلولهای كوچكتر با حفره های كوچكتر در ساختار دارد .

معایب :

الف ) به علت نوع افزودنی ها گرانتر است .

ب ) شكل نهایی را تولید نمیكنند . چون پودر را نمیتوان در داخل قالب های پیچیده تكان داد .

روش سوم : روش چسباندن ورقه ای :

این روش فلزات مركب را توسط گازی كه تحت فشار آزاد می شود به فوم تبدیل میكند . این روش كیفیت بهتری به فوم میبخشد فایده این روش آنست كه زمان طولانی تری برای هم زدن امكان پذیر است . این روش همچنین این قابلیت را دارد كه در شكل گیری نهایی محصولات استفاده شود .

مزایا :

الف ) كنترل خوبی در یكنواختی و اندازه سلولها وجود دارد . 

ب ) تولید قالب های نهایی 

ج ) این روش را می توان برای پر كردن قالب های پیچیده تر هم استفاده كرد .

معایب :

عیب این روش محدودیت در نوع فلز های استفاده شده است .

 

منابع:

www.cambridgeuniversity.com 

www.sciencedirect.com 

refrence of Benjamin sosnick,paitent2.1948

akbar dadkhah:sanati noushirvani university