بخشی از مقاله
چکیده:
با توسعه تکنولوژی، به دست آوردن مواد جدید از اهمیت خاصی برای دانشمندان و صنعتگران برخوردار است و میتواند اثر بسیار شگرفی بر زندگی بشر داشته باشد. فومهای فلزی و مواد سلولی فلزی یکی از این مواد هستند که محققان با به وجود آوردن آنها، پای در فضای گسترده و جدید صنعتی گذاشتند. فومهای فلزیسختی نسبتاً بالا و چگالی بسیار پایین در مقایسه با ماده سازنده خود دارا هستند.
در این مقاله، به بررسی کاربرد فومهای فلزی به ویژه جاذب صوتی برای شرایط سخت، فیلترهای دمای بالا و مقاوم در برابر خوردگی و ... پرداخته شده است و همچنین روشهای تولید متنوع همانند فرایندهای حالت جامد، فرایندهای حالت مایع، تولید از محلول و رسوبدهی بخار فلز بر روی پیشماده پلیمری مورد مطالعه قرار گرفته است. در ادامه، به بررسی روش ساخت فوم کامپوزیتی آلومینیوم تقویت شده با فولاد پرداخته شده است.
.1 مقدمه
با پیشرفت تکنولوژی، به دست آوردن مواد جدید با ویژگیهای منحصر به فرد از اهمیت خاصی برای محققان برخوردار است و میتواند اثر بسیار شگرفی بر زندگی بشر داشته باشد. فومهای فلزی و مواد سلولی فلزی، گونهای از این مواد هستند که دانشمندان با بوجود آوردن آنها، پای در فضای گسترده و جدید صنعتی گذاشتند.عموماً مابین 75% تا 95% ساختار فوم از منفذ - یا همان سلول - ساخته شده است که میتواند متصل به یکدیگر یا به هم چسبیده باشد. فومهای فلزی موادی سخت هستند و برخلاف فومهای پلاستیکی و تا زمانی که آنها را برش ندهید، مانند فلز جامد به نظر میرسند.
باید در نظر داشت که به خاطر چگالی پایین آلومینیوم معمولاً از این فلز ساخته میشوند. همپنین میتوان عنوان کرد که فومهای پلیمری، موادی هستند که داخل آنها سلول - یک سلول فضای تو خالی کوچکی است که در حین ساخت فوم، توسط گاز در داخل پلیمر ایجاد میشود. البته، این سلولها میتوانند باز، نیمه بسته و بسته باشند. - توزیع شده است.
نخستین ثبت در مورد فومهای فلزی به سال 1984 باز میگردد. زمانی که بنجامین سوسنیک برای ارائه فرآیندی در مورد ساختن جرم فلزی فومشکل دارای حق امتیاز شد. روش وی بر اساس به کار گرفتن این واقعیت بود که آلیاژهای فلزی مرکبی که شامل دامنه بسیار وسیع و متفاوتی از نقاط ذوب و جوش هستند میتوانند مستقیماً ذوب شوند یا به جوش آیند. بعدها در سال 1950 اولین سلول فوم فلزی باز تولید شد که شامل پراکندن آلومینیوم مذاب در دانههای خورد توده نمکی فشرده شده میباشد و بعد از آن نمک را حل کرده تا منفذها یا سلولهایی در میان آن باقی بماند. این فرآیند، ساختار فوم قابل اطمینانتری نسبت به روش سوسنیک تولید میکرد..
در سال 1959، تحقیق کاملاً متفاوتی انجام شد و اعضای این گروه تحقیقاتی، روشی برای ساختن فوم به نام خود ثبت کردند که اساس آن ساختن فوم با مخلوط کردن فلز پودری با پودر فلز فومی گازی - گاززا - بود. پودر فلز فومی گازی باید کاملاً به دقت انتخاب میشد تا مقدار بسیار زیادی از گاز را در دمای ذوب فلز تجزیه و آزاد کند . این مخلوط پودری به صورت سرد و فشرده شده از قالب خارج میشود تا یک ماده جامد فلزی همراه با فومهای منتشر شده در آن تولید شود.
زمانی که این جسم جامد حرارت میبیند تا به نقطه ذوب فلز برسد، عامل فومی تجزیه میشود. تا گاز را به فلز مذاب تزریق کند و فلز فومی تشکیل شود. فلز هیدروژندار - مخصوصاً هیدرید تیتانیوم - که در دمای پایین به سهولت به فلز و گاز هیدروژن تجزیه میشود و در بسیاری از روشهای ساخت فومهای تجارتی متداول است، به عنوان اولین عامل فومی به ثبت رسید.
چهار سال بعد،تحقیقی نسبتاً وسیع انجام شد که شامل روشی بود که در آن عامل فومساز را مستقیماً به فلز نیمه گداخته اضافه میکردند. مزیتی که این روش داشت، تولید بسیار ارزانتر فوم نسبت به روش پودری بود و یک پیشرفت جدید آن بود که ترکیبی از فلز سیلیسیم همانند کاربید سیلیسیم را به آلومینیوم مذاب اضافه میکردند و از آن برای افزایش لزجت و به دام انداختن گاز آزاد شده استفاده میشد. ایده جدید دیگر، استفاده از خاک رس به جای فلزات هیدراته برای عامل فومسازی بود که میتوان مولکولهای آب به دام انداخته شده در ساختار آنها را به هنگام اضافه کردن به ماده مذاب به صورت بخار آب آزاد کرد.
تعداد اندکی از موسسات کار بر روی فومهای پودری فلزی را ادامه دادند و به خاطر هزینه آن به تولید در آزمایشگاهها منحصر شد و به تولید تجاری نرسید. از سوی دیگر، فومهایی که به روش ذوبی تهیه میشوند اصلیترین مرکز توجه علایق تجاری هستند. دانشگاهها و کارخانجات زیادی مشغول کار بر روی روشهای تولید و ارزیابی ویژگیهای فومها هستند و فرآیندهای جدید تولید فوم از راه نفوذ دادن، خلا کردن و غیره انجام شده است.تا امروز تقریباً اغلب تحقیقات متمرکز بر روی فومهای آلومینیومی بوده است - به خاطر چگالی پایین و مقاومت در برابر خوردگی بالا و نقطه ذوبنسبتاً پایین که کار با آن را آسان میکند. - .
در هر حال فومهای آهن و فولاد، نیکل، سرب، مس، تیتانیوم، طلا، نقره و سایر فلزات و آلیاژها نیز تولید شدهاند. قابل ذکر است که فومهای نیکل را به عنوان فیلترهای شیمیایی به کار میگیرند. در دانشگاهها و مراکز علمی ایران نیز در مورد فومهای فلزی تحقیقات گستردهای در حال انجام است که از آن جمله میتوان اشاره کرد به محققان دانشگاه سمنان که موفق به تولید آزمایشی فومهای نانوکامپوزیت آلومینیومی شدهاند . در فومهای تولید شده توسط آنها، قابلیت جذب ضربه به کمک فناوری نانو بهبود داده شده است. این فومها که در شکل 1 نمایش داده شدهاند، در صنایع خودرو و تجهیزات الکترونیک که در معرض بارهای دینامیکی قرار دارند مورد استفاده قرار میگیرند.
شکل -1 تولید فومهای آلومینیومی مقاوم به ضربه در دانشگاه سمنان
. 2 کاربردهای متداول فومهای فلزی فومهای فلزی و مواد سلولی فلزیسختی نسبتاً بالا و چگالی بسیار پایین با ماده سازنده خود دارند. مهم است بدانیم که اگر تنها مقاومت به صورت مستقیم در برابر نیرو را در نظر بگیریم، فومها غالباً کاربرد مشابه یا حتی بدتری از مواد جامد هم وزن خود ارائه میدهند. این در حالی است که نقطه قوت فومها زمانی آشکار میشود که فشارهای منجر به خم شدن را نسبت به وزن در نظر بگیریم.
پخش وسیع ساختارهای سلولی درون فوم، سکون ماده را افزایش میبخشد و به آن قدرت خم شدن و استحکام ویژه بیشتری میبخشد. این مطلب فومها را به عنوان موادی کاربردی در اتومبیلسازی، کشتیسازی، هوافضا، صنایع نظامی، صنایع شیمیای و غیره مطرح میسازد.
این مطلب ممکن است به شکل ترکیبات حمل وزن مستقیم به چشم بیاید. اما بیشتر موارد، کاربردهای ساختاری را نشان میدهد که در آن فوم ماده اصلی است که با لایه فلزی بیرونی احاطه شده و مورد استفاده قرار میگیرد. برخی از روشهای تولید همچنین اجازه میدهند که قالبهایی با اشکال نامنظم از فومها پُر شود. به عنوان مثال؛ برای ساختن شکلهای پیچیدهو یا پُر کردن ساختارهای لولهای از فومها به جای ترکیبات جامد فلزی استفاده میشود. چون وزن بسیار کمتری داشته در حالی که از مقاومت ساختاری قابل توجهی نیز برخوردار میباشند.
فومهای فلزی کاربردهای متنوعی دارند که در ادامه به برخی از آن ها اشاره میشود. ورقههای خود پشتیبان محکم و بسیار سبک برای ساخت و ساز و حمل و نقل، جذب انرژی در ماشینها، آسانسورها و سیستمهای جابجایی، کفها و دیوارهها، ورقههای سقفی و دیوارهای ضد حریق با عایق گرمایی و صوتی، جدارههای کمپرسور، بدنه و اگزوز موتورسیکلت، تبادلگر گرمایی، فیلترها و کاتالیزورها، مبدلهای صوتی، محفظه اسپیکر، باتریها، محفظه گیربوکس، بخشهای ساختاری فضاپیما، محفظههایی برای ابزار الکترونیکی، جاذب صوتی برای شرایط سخت نمونههایی از کاربردهای فومهای فلزی است. در زیر به برخی از این کاربردها پرداخته میشود.
.1 .2 جذبکننده ضربه طبقهبندی گستردهای از کاربردها حول ویژگی جاذب انرژی فومهای فلزی بنا شده است. در هنگام فشردگی، فومها تنها دگر دیسی الاستیکی کمی را قبل از حالت پلاستیکی نشان میدهند. در بیشتر فومها، این حالت شامل دگر دیسی پلاستیکی گستردهای از دیوارههای سلولی در سلولهای شکست خورده میشود که بتدریج در حالی که ماده فشار کم و پایداری را تحمل میکند، افزایش مییابد.
حرکت تغییر جا در یک فلز به این معنی است که مقدار زیادی از انرژی بدون افزایش فشار تا مرحله بحرانی میتواند جذب شود. به خاطر رفتار ایزوتوپ فوم جذب انرژی در هر جهتی که فشار وارد میشود ممکن میکند. این خاصیت کارآیی فوم را به عنوان مادهای سبک، ارزان، جاذب تکانهای ناگهانی در بدنه جلویی اتومبیلها یا قطارها برای محافظت از سرنشینان در هنگام تصادفات افزایش میدهد.
این یکی از بخشهایی است که فومهای فلزی به صورت تجاری استفاده شده و علاوه بر این، میتوانند در دربهای ضد ضربه به کار روند . در اصل فومهای فلزی به خاطر مقدار دگردیسی پلاستیکی که میتواند در واحد حجم خود تحمل کند مورد توجه هستند. به خاطر اینکه دیواره سلولی آن طبیعتاً از شکست ساختاری پیش از موقع به عنوان واحدهای جاذب انرژی جلوگیری میکنند و از سرنشینان اتومبیل در هنگام مواجه با مواد سوختنی و انفجاری و تصادفات محافظت میکنند و یا به عبارتی دیگر، مقاوم در برابر دما و حرارت نیز میباشد.
.2 .2 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 حفرات ریز میتوانند به عنوان مواد فیلتری مقاوم از نظر شیمیایی و یا در برابر حرارت بالا استفاده شوند.
