فوم فلزی و کاربردهایش ......Metal Foam

فیلترها و جداکنندهها :

دو نوع فیلتر وجود دارد : فیلترهای نگهدارنده و جداکننده ذرات جامد یا رسوبات موجود در مایع و فیلترهای نگه دارنده و جداکننده ذرات جامد یا مایع موجود در یک گاز(دود یا مه.).

مثالهایی از نوع اول فیلترهایی هستند که برای تمیز کردن مذابهای پلیمری، برای جداکردن مخمر از آبجو، یا برای پالایش نفت استفاده می شوند. نوع دوم فیلترها شامل فیلتر کردن دودهای دیزلی یا آبگیری در خطوط هوایی می باشد. مهمترین خواص فیلترها فومی عبارتند از:

جداسازی مناسب ذرات، نگهداری خوب ذرات، قابلیت تمیزکاری، خواص مکانیکی، مقاومت خوردگی، قابلیت بازیافت و هزینه تولید مناسب و اقتصادی.

مبدل های حرارتی و سردکنها :

بسیاری از فومهای رسانای مسی یا آلومینیومی می توانند بعنوان مبادله کننده های حرارتی استفاده شوند. در

این مورد، ساختارهای با تخلخل باز نیاز می باشند. حرارت می تواند در فوم جابه¬جا شده و به گازها یا مایعهایی اضافه شود و فوم را همزمان گرم یا سرد کند. در تخلخلهای باز، فشار درون حفره ها کمترین می شود. یک مثال از چنین کاربردهایی سینک های حرارتی فشرده برای سرد کردن ابزار آلات میکروالکترونیک مثل چیپ های کامپیوتری یا Power وسایل الکترونیکی می باشد.

فومهای فلزی در صورتی که طوری انتخاب شوند که هدایت حرارتیشان تا حد ممکن بالا باشد و مقاومت شاری بدست آمده آنها تا حد ممکن کم باشد، می توانند در این مورد بهتر عمل نمایند. این دو نیاز دارای تناقض می باشند، بنابراین باید یک حد تعادل برای آنها در نظر گرفت.

زمینه کاربردی دیگر برای مواد با تخلخل باز نشر سرمایی می باشد. مساحت سطح زیاد، مقاومت شاری کم و هدایت حرارتی خوب موجب ایجاد شرایط ایده آل برای رسیدن به چنین اهدافی می شود.

کاتالیستها :

موثر بودن کاتالیزورها بهطور عمده به سطح مشترک زیاد بین کاتالیزور و گازها یا مایعات تحت واکنش بستگی دارد. بنابراین، کاتالیزور یا بهصورت ساختار با تخلخل زیاد استفاده می شود یا اگر این امکان وجود نداشته باشد، در یک سیستم متخلخل مثل یک ماده سرامیکی متخلخل استفاده میشود.

از آنجاییکه فلزات حفره دار دارای داکتیلیته بالا و هدایت حرارتی خوبی هستند، می توانند جایگزین این سرامیکها شوند. یک استفاده کاربردی از این فومها، عبارتست از آماده سازی یک ورقه نازک فوم فلزی که در مقابل خوردگی مقاوم باشد و سپس پرکردن این فوم با یک ماده کاتالیزور، بهوسیله نورد و در نهایت عملیات حرارتی در دمای حدود ۲۸۸ درجه سانتیگراد. کاتالیزور بدست آمده دارای خواص مکانیکی خوب، یکپارچه و بی عیب می باشد. حتی بعد از تعداد زیادی سیکل دمایی، کاتالیزور از فوم فلزی خارج نخواهد شد. یک کاربرد دیگر برای چنین کاتالیزورهایی، جداکردن اکسیدهای نیتروژن از دوده اگزوز کارخانجات می باشد.

ذخیره و انتقال مایعات :

یکی از قدیمیترین کاربردهای مواد متخلخل متالورژی پودر، خود روانسازها می باشند که روغن در روزنه های بین ذرات ذخیره شده و کم کم خارج می شود، که این مورد جایگزین استفاده از روغن شده است. این کاربرد محدود به روغن نمی شود مثلاً آب می تواند ذخیره شده و کم کم برای کنترل رطوبت بصورت اتوماتیک آزاد شود یا عطر می تواند ذخیره شده و کم کم بخار شود و یا می توان از غلطک های متخلخل استفاده کرد تا آب یا چسب بر روی سطحشان پخش شود. انتقال مایع می تواند بوسیله واکنش مویینگی به تنهایی و یا با فشار اضافی مثلاً در غلطک ها صورت گیرد. در نهایت، ساختارهای فلزی خیلی باز می توانند برای ذخیره مایعات در دمای ثابت و در شرایطی که نیاز به سرمازایی است، استفاده شوند.

علاوه بر این، فوم می تواند حرکات ناخواسته مایع درون تانکر یا ظرف را کاهش دهد (ضد تلاطم.(
صداخفه کن ها :

اجزایی که برای کاستن صدای حاصل از پالسهای فشاری و ارتعاشات مکانیکی بکار می روند نیز جزء کاربردهای صنعتی قطعات متالورژی پودر می باشند. مواد متخلخل بادرصد تخلخل خاص می توانند برای کاهش برخی فرکانسهای انتخاب شده بهکار روند. تغییرات ناگهانی فشار که در کمپرسورها یا دیگر ابزارآلات رخ می دهد را می توان با عناصر و اجزاء زینتر شده متخلخل کاهش داد.

الکترودهای باتری :

فومهای سربی می توانند بعنوان ساپورت هایی برای مواد اکتیو در اسید سرب باتریها جایگزین پایه های سربی متداول شده و بنابراین موجب ساخت الکترودهای بسیار سبک خواهند شد. یک ماده فعال از لحاظ الکتروشیمیایی مانند یک چسب شامل پودرهای اکسید سرب بسیار ریز، می تواند در داخل حفرات باز یک فوم سربی پر شود که با الکترولیت (اسید سولفوریک) در تماس خواهد بود. فوم سربی بعنوان یک شبکه رسانای قوی عمل کرده و منجر به کاهش مقاوت داخلی باتری خواهد شد. مواد متخلخل با مساحت سطح بالایشان در سلولهای سوختی استفاده می شوند.

گیراندازهای شعله :

فلزات متخلخل با هدایت حرارتی بالای ماده دیواره سلول، می توانند برای متوقف کردن شعله در گازهای قابل احتراق استفاده شوند. برخی از فومهای با تخلخل باز، قابلیت گیراندازی شعله را حتی زمانی که شعله در سرعتهای بالای (m/s) 550 حرکت می کند، دارا می باشند. در عمل لولههای حامل گازهای قابل احتراق، از منابع احتراق دور نگه داشته شده و محافظت می شوند، ولی در صورتی که احتراق رخ دهد، شعله نمی تواند به سرعت افزایش یابد.

کاربردهای الکتروشیمیایی :

فومهای نیکلی می توانند به عنوان مواد الکترود در راکتورهای الکتروشیمیایی استفاده شوند. در الکترودهای فیلترپرس یک توده صفحات فلزی ایزوله شده استفاده می گردد. صفحات با یک مش پلاستیک متغیر افزایشی مجزا می شوند. اگر این مشها با ورقه های نیکل حفره دار با کانالهای باز جایگزین شوند، افزایش سطح خواهیم داشت در حالی که تغییرات افزایشی نیز نگه داشته می شود و راکتورها می توانند در این روش بسیار فشرده تر ساخته شوند.

تصفیه آب :

مواد فلزی حفره دار می توانند برای کاهش غلظت یونهای حل شده ناخواسته در آب استفاده شوند. در این کاربرد، جریان آب از میان یک فلز حفره دار با تخلخل بالا با ساختار باز عبور می کند. یونها با زمینه فلزی ساختار حفره دار واکنش می دهند و از آب جدا می گردند.

کنترل آگوستیکی :

یک وسیله جهت کنترل موج صوتی زمانی تولید می شود که دارای یک قسمت شکل یافته بهصورت منشور از جنس ماده ای با سلول باز صلب یا فوم فلزی باشد. موجهای ثانوی توسط این منشور هدایت شده و بوسیله این وسیله آگوستیکی در جهت مناسب هدایت می شوند. علاوه بر این، کاربرد فومهای با تخلخل بسته بهخاطر مناسب بودنشان از لحاظ مقاومت ظاهری در آداپتورها و برای منابع فراصوتی مورد مطالعه قرار گرفته است.
کاربرد فوم های فلزی در دکوراسیون :

از زمانی که فومهای فلزی شناخته شده اند، این مواد جدید، تخیل و خلاقیت طراحان و هنرمندان را برانگیخته اند. اولین مورد کاربرد هنری یا دکوراسیونی، در اثر ظاهر متمایز این مواد در مقایسه با مواد معمولی، ایجاد شده است. فومهای بر پایه طلا یا نقره دارای پتانسیل لازم برای جواهر سازی، با ظاهری متفاوت و حجمی بالا و وزنی کم می باشند. فومهای آلومینیومی برای ساخت مبلمان، ساعت، لامپ و غیره استفاده می شوند. اگر صندلی ها یا میزها با فوم آلومینیومی ساخته شوند خواص مکانیکی از اهمیت بالایی برخوردار خواهد بود. در صورتی که برای بسیاری کاربردهای دیگر خواص فیزیکی و مکانیکی طبیعی اهمیت کمتری دارند.

سیستم های بلندگو از فومهای آلومینیومی ساخته می شوند. فوم نه تنها دارای چقرمگی خوبی است، همچنین ظاهر متخلخل و حجم بالای آن بسیار جذابتر از مواد متداول می باشد. برای یک محقق در زمینه مواد، چنین کاربردهایی ممکن است زیاد مهم نباشد زیرا آنها کمتر بر اساس این حقیقت که ماده دارای ظاهری زیبا میباشد نگاه می کنند. با این وجود، قیمت مواد برای کاربردهای طراحی زیاد مهم نیست، این موضوع می تواند یک مورد خوب برای پایه گذاری روشهای ساخت جدید باشد.

کاربرد به عنوان عایق صوتی

با توجه به خاصیت خوب امواج صوتی در فوم های فلزی، از آنها میتوان برای ساخت عایقهای صوتی در بیمارستانها، ساختمانهای مسکونی، سالنهای سینما و تئاتر، سالنهای محل برگزاری کنسرتهای موسیقی و … استفاده کرد.

v مصرف دیگر فومهای فلزی ساخت بستر پلها، اتوبان¬های هوایی و نیز ریلهای ترنهای هوایی است.

روشهای اصلی تولید :

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

1. دسته اول : مربوط به فوم هاییست که در حقیقت تنها ترکیباتی از موادی میباشند که برای تولید فضاهای خاص استفاده میشوند . به عنوان مثال : پودرهای فلزی یا فیبرهای متراکم . فومهایی که با این روش ساخته میشوند از کیفیت پایینی برخوردارند نوع قابل اعتماد تر تولید نفوذی می باشد که در آن اشکال متخلخل ساخته می شوند و فلز های آب شده به داخل آن اشکال در قالب ها ریخته میشود و سپس قالب ها را جدا میکنند چون میتوان هر چه قدر خواست زمان صرف ساختن یک قالب عالی و بی نقص نمود . این روش برای ساختارهای کیفیت بالای فومهای سلول باز استفاده میشود و نکته منفی این روش گران تمام شدن آن و پیچیده بودنش است و تنها برای ساختن اندازه های کوچک فوم مناسب هستند .
2. دسته دوم :روش دیگر بر اساس پودر میباشد . فلز های پودر شده و عوامل فوم ساز ( مواد شیمیایی که در هنگام واکنش گاز آزاد میکنند ) با هم مخلوط شده و فشرده میگردند با حرارت دادن مخلوط بالا در دمای ذوب فلز ، فوم تولید میشود .
3. دسته سوم :یک نوع سلول بسته در حدود ۳ میلیمتر فوم سلول هسته با حفره های حدود ۸۰ درصد تا بحال ارزانترین نوع تولید فوم روش آب کردن میباشد در این روش نوعی گاز به فلز آب شده چسبناک تزریق شده و تولید حفره میکند و فلز به تدریج خنک میشود و فوم میسازد گرچه این روش ارزان است اما کیفیت بسیار خوبی ندارد زیرا نمیتوان فاصله بین سلول ها را کنترل کرد .
4. دسته چهارم :روشهای دیگری نیز هستند گرچه فومهایی با حفره های کمتر یا کیفیت پایین تری تولید میکنند . از جمله این روشها سرد کردن سریع فلز اشباع شده توسط هیدروژن میباشد بدین صورت که وقتی فلز اشباع میشود هیدروژن آزاد شده و تولید حفره میکند چون سرد شدن در یک جهت ویژه اتفاق می افتد حفره ها معمولا طولانی و موازی در جهت سرد شدن می باشند که البته این یک نقطه ضعف است زیرا این مواد بیش از آنکه فوم مانند باشند کندو مانند هستند .

فوم های سلول باز :

این فومها دارای سه غالب هستند که به آنها اشاره میکنیم .

1. قالب نمکی : اولین فوم های فلزی توسط پرکردن یک قالب گرافیت اندود شده توسط نمک های زبر صخره ای تولید شد ( نمکی که در آسیاب ها ریخته میشوند ) با گرم کردن آب دانه های نمک به هم چسبیده و آلومینیوم آب شده در داخل آن ریخته میشود با تکان دادن قالب این اطمینمان حاصل میشود که آلومینیوم به همه جا رسیده است و سپس قالب نمکی را سرد میکند در این مرحله نمک در آب حل میشود و یک شبکه از آلومینیوم باقی میگذارد.
2. این روش حدودا ۳۵ سال بعد مورد باز بینی قرار گرفت و بهبودهایی حاصل شد به ویژه اینکه حالا فلز آب شده در خلا به قالب نمک اضافه میشود و این بدان معنی است که فلز با اطمینان بیشتری پخش شده و دانه های نمک کوچکتری استفاده میشود ، کیفیت فومهایی که به این روش تولید میشوند بسیار بالاست اما هنوز برای پخش این روش زود است .
3. قالب های گچی : با تغییراتی در این روش میتوان یک نوع فوم دیگر بدست آورد ، معمولترین روش در بوجود آوردن یک فوم پلاستیک سلول باز که بسیار آسان هم ساخته میشود این است که با چیزی که بعدا حل شدنی باشد ترکیب شوند که در دمای بسیار بالا بهترین نمونه مواد گچ است . در این روش یک توده جامد با نوعی پلاستیک که در گچ احاطه شده تولید میکنند گرم کردن آن در دمای بالا موجب تجزیه شدن پلاستیک میشود ، در نتیجه شبکه ای از کانالهای خالی را در سرتاسر توده گچی ایجاد میکند در این هنگام فلز آب شده با فشار بالا و مکش به داخل قالب ریخته میشود و گچ حل میگردد نتیجه این روش داشتن یک فوم سلول باز است که دقیقا ساختار سلولی فوم پلیمری اصلی را دارد .
4. وضعیت الکترودی : یک روش بسیار دقیق برای ساختن فوم های سلول باز آن است که با یک فوم سلول باز پلاستیک کار را شروع کنیم با همان روشی که در قالب های گچی آمده است اما بجای حرارت دادن آن را در معرض نوعی گاز که با کربن مخلوط شده قرار داده و از آنجائیکه کربن هادی الکتریسیسته است آلومینیوم آب کاری شده را بر روی سد میریزیم و حرارت میدهیم تا پلاستیک آب شده و به یک فوم سلول باز تبدیل شود .

خلاصه ای از مزایا و معایب روشهای نفوذ فلز :

مزایا :

1. کنترل بسیار نزدیک اندازه سلولها که حتی برای دانه های نمک با اندازه های مختلف نیز امکان پذیر است
2. هر فلز یا آلیاژی را میتوان استفاده کرد ، تنها بدین شرط که زیر دمای تجزیه نمک ذوب شود .
3. قالب ها به شکل نهایی بسیار نزدیک هستند و استفاده از ماشین آلات را به حداقل می رسانند .

معایب :

1. زمان زیادی طول میکشد تا نمک یا گچ حل شوند .
2. مراحل تولید مستمر نیستند و بسیار پیچیده اند و فوم های تولید شده بسیار گران قیمت هستند .
3. فوم های تولید شده به این روش سخت فرم میگیرند .

سیر تکاملی گاز در فوم های سلول گازی :

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

مزایا :

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

ب ) تولید آن آسان و نسبتا ارزان است .

معایب :

الف ) پراکندگی گاز قابل کنترل نیست و حفره ها نیز بزرگ میباشند.

ب ) کنترل کمی برای تعیین اندازه حفره ها وجود دارند.

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

د ) باید قبل از شروع کار با سرامیک ترکیب شوند و از آنجائیکه برخی از آلیاژ ها به اندازه کافی چسبنده نیستند استفاده از هر نوع آن امکان پذیر نیست .

روش دوم : این روش فوم های پیچیده تری تولید میکنند با حفره های بهتر و همسان تر . در این روش از عامل فوم ساز جامدی استفاده میکنند که میتواند قبل آزاد سازی گاز به آلومینیوم ترکیب شود همین مطلب باعث کنترل بهتر پراکندگی به اندازه حفره ها می شود . ساختار سلولی این فوم ها از کیفیت بالاتری برخوردار است اما تولید این فوم گران تر تمام میشود

مزایا :

الف ) اندازه های سلولی این فوم شکل یکنواخت تری دارند.

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

معایب :

الف ) به علت نوع افزودنی ها گرانتر است.

ب ) شکل نهایی را تولید نمیکنند . چون پودر را نمیتوان در داخل قالب های پیچیده تکان داد .

روش سوم : روش چسباندن ورقه ای

این روش فلزات مرکب را توسط گازی که تحت فشار آزاد می شود به فوم تبدیل میکند . این روش کیفیت بهتری به فوم میبخشد فایده این روش آنست که زمان طولانی تری برای هم زدن امکان پذیر است . این روش همچنین این قابلیت را دارد که در شکل گیری نهایی محصولات استفاده شود .

مزایا :

الف ) کنترل خوبی در یکنواختی و اندازه سلولها وجود دارد.

ب ) تولید قالب های نهایی.

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

معایب :

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

برچسبها: فوم فلزی و کاربردهایش, فوم فلزی, Metal Foam