با پیشرفت تكنولوژی بدست آوردن مواد جدید از اهمیت خاصی برای دانشمندان برخورداراست و می تواند اثر بسیار شگرفی بر زندگی بشر داشته باشد . فوم های فلزی یكی از اینمواد هستند كه دانشمندان با بوجود آوردن آنها پای در فضای گسترده و جدید صنعتیگذاشتند .
عموما مابین 75% تا 95% ساختار فوم از منفذ ساخته شده است كه می تواندمتصل به هم یا به هم چسبیده باشد .
فوم های فلزی سخت هستند بر خلاف فوم هایپلاستیكی و تا زمانیكه آنها را برش ندهید مانند فلز جامد به نظر می رسند . ( به یادداشته 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 میگردد . زمانی كه benjamin sosnick برای ارائه پروسه ای در مورد ساختن جرم فلزی فومشكل دارای حق امتیاز شد . روش او بر اساس بكار گرفتن این واقعیت بود كه آلیاژ هایفلزی مركبی كه شامل دامنه بسیار وسیع و متفاوتی از نقاط ذوب و جوش است می توانندمستقیما ذوب شوند یا به جوش آیند . در این فرآیند ، به یك آلیاژ فلزی چند فازی گرماداده می شود در تركیب این آلیاژ انتخاب شده یكی از اجزای آن بخار میشود در حالیكهبقیه اجزا تنها ذوب شدند این آلیاژ ضمن حرارت دادند ، در یك مجرای تحت فشار نگهداریمیشود به همین خاطر جزء گازی آن نمیتواند از مایع فرار كند . برقراری فشار باعثبخار شدن ناگهانی مخلوط می شود كه در نهایت میتوان با سرد كردن آن مخلوط به یك فرمجامد پر از منفذ های نزدیك به هم رسید موارد استفاده پیشنهادی بهبود مقاومت دربرابر 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 . اینفرآیند نسبتا گران تمام میشد و در نهایت هم تنها مقدار نسبتا كمی از فوم غیر معمولرا تولید میكرد و شاید به همین دلیل بود كه هیچگاه به طور وسیع مورد استفاده قرارنگرفت .
فوم های سلول باز :
بعدها در سال 1950 اولین سلول فوم فلزی باز تولیدشد كه شامل پراكندن آلومینیوم مذاب در دانه های خورد توده نمكی فشرده شده می باشدكه بعد از آن نمك را حل كرده تا منفذ هایی در میان آن باقی بماند این فرآیند ساختارفوم قابل اطمینان تری نسبت به متد sosnick تولید میكرد اما در حال حاضر هنوز هم بهآن به عنوان یك چیز كمیاب نگریسته میشود تا یك ابزار مهندسی .
ورود عامل فومی :
در سال 1959 ، تحقیق كاملا متفاوتی انجام شد اعضایاین گروه تحقیقاتی روشی برای ساختن فوم به نام خود ثبت كردند كه اساس آن ساختن فومبا مخلوط كردن فلز پودری با پودر فلز فومی گازی بود . پودر فلز فومی گازی بایدكاملا به دقت انتخاب میشد تا مقدار بسیار زیادی از گاز را در دمای ذوب فلز تجزیه وآزاد كند این مخلوط پودری به صورت سرد فشرده شده و از غالب خارج میشود تا یك مادهجامد فلزی همراه با فوم های منتشر شده در آن تولید شود زمانیكه این جسم جامد حرارتمیبیند تا به نقطه ذوب فلز برسد عامل فومی تجزیه میشود تا گاز را به فلز مذاب تزریقكند و فلز فومی تشكیل شود . فلز هیدروژن دار ( مخصوصا هیدرید تیتانیوم ) كه در دمایپایین به سهولت به فلز و گاز هیدروژن تجزیه میشود و در بسیاری از متد های ساختفومهای 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 سریعمیتواند از بین برود اما فلز همچنان گرم و داغ باقی می ماند و مستعد برای تبدیل بهفلز مذاب است قبل از آنكه به اندازه كافی سرد شود .
تحقیقات نشان میدهد كهاستفاده از آب به عنوان عامل سردكننده و یا گرم كردن تنها بخشی از فوم میتواند بهطور كلی مانع از این مشكل گردد .
فوم سازی به صورت مستقیم از طریق ذوب :
چهار سال بعد تحقیقی نسبتاوسیع انجام شد كه شامل متدی بود كه در آن عامل فوم ساز را مستقیما به فلز نیمگداخته اضافه میكردند سودی كه این روش داشت تولید بسیار ارزانتر فوم نسبت به متدپودری بود یك پیشرفت جدید آن بود كه مشتقی از فلز سیلیس را به آلومینیوم مذاب اضافهمیكردند و از آن برای افزایش چسبناكی و به دام انداختن گاز آزاد شده استفادهمیكردند ایده جدید دیگر استفاده از خاك رس به جای فلزات هیدراته برای عامل فوم سازیبود كه میتوان مولكولهای آب به دام انداخته شده در ساختار آنها را به هنگام اضافهكردن به ماده مذاب به صورت بخار آب آزاد كرد . تعداد اندكی از موسسات كار بر رویفوم های پودری فلزی را ادامه دادند و به خاطر هزینه آن به تولید در آزمایشگاههامنحصر شد و به تولید تجاری نرسید در مقابل آن فوم هایی كه به روش ذوب تهیه میشونداصلی ترین مركز توجه علایق تجاری هستند . دانشگاهها و كارخانجات زیادی مشغول كار برروی فومها هستند و پروسه های جدید تولید فوم از راه نفوذ دادن ، خلع كردن و… انجامشده است .
اساس فوم :
فوم ها با اساس ذوبی كمكم به روش اولیه تولید فوم چیده شدهاند كارخانجات بسیاری تولید فوم فلزی را شروع كردند . تحقیقات جدید در پایگاههایعلمی با هدف ارتقاء كیفیت فومها فومهاییست كه با روش ذوبی تولید میشوند در حالیكهاز هزینه های بالایی كه در تولیدات محصولات فوم به روش پودری ایجاد می شود میتوانبه این طریق اجتناب كرد .
فوم كردن فلزات دیگر
تا امروز تقریبا تمام تحقیقات متمركز در فومهایآلومینیومی بوده است ( به خاطر چگالی پایین و مقاومت در برابر خوردگی و نقطه ذوبپایین كه كار با آن را آسان میكند ) در هر حال فومهای آهن ، نیكل ، سرب نیز تولیدشده اند .
فومهای نیكل را به عنوان فیلترهای شیمیایی به كار میگیرند . دیگرفومها كیفیت مشكوكی دارند و در حال حاضر موضوع تحقیقات دانشمندان میباشد .
كابردهای فومهای فلزی :
هیچ خاصیتی از فومهای فلزی ویژه و استثنائینیست بیشتر خواص ماده آنها ( از قبیل چگالی ، سختی و دوام و …. ) در هر نوع مادهدیگری نیز یافت میشوند . نكته مهم در بازار فروش فومهای فلزی در كل ( به ویژهفومهای آلومینیوم ) در تركیب بینظیر كیفیت هاییست كه در هیچ ماده دیگری یافت نشدهاست :
مواد ساختاری :
- 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 .
فومها سختی نسبتا بالا و چگالی پایین را بیش از مادهمولد 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 نقطهقوت فومها زمانی آشكار میشود كه فشارهای منجربه خم شدن را به عنوان یكی از كیفیاتوزن در نظر بگیریم . پخش وسیع ساختارهای سلولی در لحظه ، سكون ماده را افزایشمیبخشد و به آن قدرت خم شدن و مقاومت ویژهبیشتری میبخشد تا آنچه به وزن حجمی فلزمربوط است این مطلب فومها را به عنوان تركیباتی كاربردی در اتومبیل سازی و هوافضامطرح میسازد این مطلب ممكن است به شكل تركیبات حمل وزن مستقیم به چشم بیاید امابیشتر موارد استفاده ساختاری را نشان میدهد كه در آن فوم عنصری مركزی است كه بالایه فلزی بیرونی احاطه شده و مورد استفاده قرار میگیرد . تولید این تركیبات درمقایسه با دیگرمواد كندوشكل آسانتر است و مقاومت بیشتری در برابر شكاف خوردن نشانمیدهد و این بخاطر همگرایی فومهاست . برخی از روشهای تولید همچنین اجازه میدهند كهقالبهایی با اشكال نامنظم از فومها پر شود ، به عنوان مثال برای ساختن شكلهایپیچیده و یا پركردن ساختارهای لوله ای از فومها به جای تركیبات جامد فلزی استفادهمیشود چون وزن بسیار كمتری داشته در حالیكه از مقاومت ساختاری قابل توجهی نیزبرخوردار میباشند .
در اینجا فهرست وار خلاصه ای از كاربردهای بالقوه فومهای فلزی را ذكر میكنیم :
از آنجائیكه توضیح در مورد تك تك این موارد از حیطه این مقاله خارج است تنها بهمهمترین كاربردهای آنها میپردازیم :
- 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
جذب كننده ضربه :
طبقه بندی گسترده ای از كاربردها حول خاصیتجاذب انرژی فومهای فلزی بنا شده است در هنگام فشردگی ، فوم ها تنها دگر دیسیالاستیكی كمی را قبل از حالت پلاستیكی نشان می دهند در بیشتر فومها این حالت شاملدگر دیسی پلاستیكی گسترده ای از دیواره های سلولی در سلولهای شكست خورده می شود كهبتدریج در حلیكه ماده فشار كم و پایداری را تحمل میكند افزایش میابد . حركت تغییرجا در یك فلز به این معنی است كه مقدار زیادی از انرژی بدون افزایش فشار تا مرحلهبحرانی میتواند جذب شود به خاطر رفتار ایزوتوپ فوم جذب انرژی در هر جهتی كه فشاروارد 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 سرنشیناندر هنگام تصادفات افزایش میدهد .
این یكی از بخشهاییست كه فومهای فلزی به صورت تجاری استفاده شده و میتوانند دردربهای ضد ضربه به كار روند . در اصل فومهای فلزی به خاطر مقدار دگردیسی پلاستیكیكه میتواند در واحد حجم خود تحمل كند مورد توجه میباشد . به خاطر اینكه دیوارهسلولی آن طبیعتا از شكست ساختاری پیش از موقع به عنوان واحدهای جاذب انرژی جلوگیریمیكنند و از سرنشینان اتومبیل در هنگام مواجه با مواد سوختنی و انفجاری و تصادفاتمحافظت میكنند و یا به عبارتی دیگر مقاوم در برابر دما و حرارت میباشد .
فیلترهای دمای بالا و مقاوم در برابر خوردگی :
آلومینیوم مقاومت خوبیدر برابر زنگ زدن و بسیاری دیگر از حملات شیمیایی دارد . فومهای سلول باز باسوراخهای ریز میتوانند به عنوان مواد فیلتری مقاوم از نظر شیمیایی و یا در برابرحرارت بالا استفاده شوند . پیش نهاد شده كه ظروف حاوی سوخت مایع تا حدودی با فومهایسلول باز پر شوند تا اینكه در هنگام نشت مواد آتش زا كه كمكم چكه میكنند و بر سدمیریزند را جذب كنند نه اینكه قبل از آتش گرفتن این مواد به سرعت محوطه گسترده ایرا در بر گیرد .
مانع در برابر تغییرات حرارتی ( عایق گرمایی ) :
مقاومت در برابرخوردگی در تركیب با سطح گسترده واینكه دیواره سلولی با رسانایی گرمایی بالایی داردفومهای 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 سلولیآنهاست پس مقاومت بالایی در برابر آتش دارد این قابلیت آنها را محافظ گرمایی خوبیمیسازد .
سطح وسیع :
تركیب رسانایی الكتریكی بالا و سطح وسیع فومهای سلول بازآنها را برای استفاده به جای الكترود مناسب مقدور كرده است . به عنوان مثال : درباطریهای اسید ـ سرب ساختار های سلول باز میتوانند حامی های كاتالیزوری بسیار خوبیباشند .
جذب صدا ( آگوستیك ) :
فركانس ایجاد صدا به نسبت قابلیت الاستیك مادهبه چگالی دارد . چون اینها میتوانند به نحو مستقلی تنوع داشته باشند از فومها برایحذف فركانس های مشخص استفاده می شود . همچنین از فوم ها برای مواد ضد صدا استفادهمیشود . در ساختار های پر محفظ فوم صدا توسط لرزش و اصطكاك همچون گاز مابین سلول هاپخش می شود ، انعكاس مجدد داخل یك ساختار سلولی راهی طولانی و طاقت فرساست كه در آنجذب كامل فركانس ممكن می باشد .
روشهای اصلی تولید :
روش ساختن فلزات فوم شده به چهار دسته مهم تقسیم میشود :
فوم های سلول باز :
- دسته اول : مربوط به فوم هاییست كه در حقیقت تنها تركیباتی از موادیمیباشند كه برای تولید فضاهای خاص استفاده میشوند . به عنوان مثال : پودرهای فلزییا فیبرهای متراكم . فومهایی كه با این روش ساخته میشوند از كیفیت پایینیبرخوردارند نوع قابل اعتماد تر تولید نفوذی می باشد كه در آن اشكال متخلخل ساخته میشوند و فلز های آب شده به داخل آن اشكال در قالب ها ریخته میشود و سپس قالب ها راجدا 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 منفیاین روش گران تمام شدن آن و پیچیده بودنش است و تنها برای ساختن اندازه های كوچكفوم مناسب هستند .
- دسته دوم :روش دیگر بر اساس پودر میباشد . فلز های پودر شده وعوامل فوم ساز ( مواد شیمیایی كه در هنگام واكنش گاز آزاد میكنند ) با هم مخلوط شدهو 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 هستهبا حفره های حدود 80 درصد تا بحال ارزانترین نوع تولید فوم روش آب كردن میباشد دراین روش نوعی گاز به فلز آب شده چسبناك تزریق شده و تولید حفره میكند و فلز بهتدریج خنك میشود و فوم میسازد گرچه این روش ارزان است اما كیفیت بسیار خوبی نداردزیرا نمیتوان فاصله بین سلول ها را كنترل كرد .
- دسته چهارم :روشهای دیگری نیز هستند گرچه فومهایی با حفره هایكمتر یا كیفیت پایین تری تولید میكنند . از جمله این روشها سرد كردن سریع فلز اشباعشده توسط هیدروژن میباشد بدین صورت كه وقتی فلز اشباع میشود هیدروژن آزاد شده وتولید حفره میكند چون سرد شدن در یك جهت ویژه اتفاق می افتد حفره ها معمولا طولانیو موازی در جهت سرد شدن می باشند كه البته این یك نقطه ضعف است زیرا این مواد بیشاز آنكه فوم مانند باشند كندو مانند هستند .
این فومها دارای سه غالب هستند كه به آنها اشاره میكنیم .
خلاصه ای از مزایا و معایب روشهای نفوذ فلز :
- قالب نمكی :اولین فوم های فلزی توسط پركردن یك قالب گرافیت اندود شدهتوسط نمك های زبر صخره ای تولید شد ( نمكی كه در آسیاب ها ریخته میشوند ) با گرمكردن آب دانه های نمك به هم چسبیده و آلومینیوم آب شده در داخل آن ریخته میشود باتكان دادن قالب این اطمینمان حاصل میشود كه آلومینیوم به همه جا رسیده است و سپسقالب نمكی را سرد میكند در این مرحله نمك در آب حل میشود و یك شبكه از آلومینیومباقی میگذارد .
این روش حدودا 35 سال بعد مورد باز بینی قرار گرفت و بهبودهاییحاصل شد به ویژه اینكه حالا فلز آب شده در خلا به قالب نمك اضافه میشود و این بدانمعنی 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 روشزود است .- قالب های گچی : با تغییراتی در این روش میتوان یك نوع فوم دیگر بدستآورد ، معمولترین روش در بوجود آوردن یك فوم پلاستیك سلول باز كه بسیار آسان همساخته میشود این است كه با چیزی كه بعدا حل شدنی باشد تركیب شوند كه در دمای بسیاربالا بهترین نمونه مواد گچ است . در این روش یك توده جامد با نوعی پلاستیك كه در گچاحاطه 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 هنگامفلز آب شده با فشار بالا و مكش به داخل قالب ریخته میشود و گچ حل میگردد نتیجه اینروش 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 استكه با یك فوم سلول باز پلاستیك كار را شروع كنیم با همان روشی كه در قالب های گچیآمده است اما بجای حرارت دادن آن را در معرض نوعی گاز كه با كربن مخلوط شده قرارداده و از آنجائیكه كربن هادی الكتریسیسته است آلومینیوم آب كاری شده را بر روی سدمیریزیم و حرارت میدهیم تا پلاستیك آب شده و به یك فوم سلول باز تبدیل شود .
مزایا :
معایب :
- كنترل بسیار نزدیك اندازه سلولها كه حتی برای دانه های نمك با اندازه های مختلفنیز امكان پذیر است
- هر فلز یا آلیاژی را میتوان استفاده كرد ، تنها بدین شرط كه زیر دمای تجزیه نمكذوب شود .
- قالب ها به شكل نهایی بسیار نزدیك هستند و استفاده از ماشین آلات را به حداقلمی رسانند .
سیر تكاملی گاز در فوم های سلول گازی :
- زمان زیادی طول میكشد تا نمك یا گچ حل شوند .
- مراحل تولید مستمر نیستند و بسیار پیچیده اند و فوم های تولید شده بسیار گرانقیمت هستند .
- فوم های تولید شده به این روش سخت فرم میگیرند .
روش اول :آسان ترین روش برای ساختن یك فوم سلول بسته تولید حباب هوا درانتهای یك حفره آلومینیوم آب شده می باشد سپس گرفتن كف و سرد كردن آن . در این روشپیچیدگی هایی نیز وجود دارد بویژه اینكه فلز باید مواد سرامیكی خوبی در خود داشتهباشد تا آن را چسبنده سازد ، و هوا باید بدون شكل دادن حباب از سطح خارج شود ، فومهایی 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 بهاندازه 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 وهمسان تر . در این روش از عامل فوم ساز جامدی استفاده میكنند كه میتواند قبل آزادسازی گاز به آلومینیوم تركیب شود همین مطلب باعث كنترل بهتر پراكندگی به اندازهحفره ها می شود . ساختار سلولی این فوم ها از كیفیت بالاتری برخوردار است اما تولیداین 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 راتولید 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 كهتحت فشار آزاد می شود به فوم تبدیل میكند . این روش كیفیت بهتری به فوم میبخشدفایده این روش آنست كه زمان طولانی تری برای هم زدن امكان پذیر است . این روشهمچنین 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 قالبهای پیچیده تر هم استفاده كرد .
معایب :
عیب این روش محدودیت در نوع فلز های استفاده شده است
علاقه مندی ها (Bookmarks)