مقدمه

مواد فومی از مواد نو و پیشرفته به شمار می آیند که با توجه به ویژگی های منحصر به فرد آن امکان زیادی برای توسعه در سال های آینده خواهند داشت.

بر اساس دسته‌ بندی‌های اخیر مواد توسط مهندسین مواد گروهی جدید به‌ شمار می‌رود.

خانواده ی مواد فومی، به سه دسته ی۱- فوم های فلزی ۲- فوم های سرامیکی ۳- فوم های پلیمری تقسیم بندی می شوند.

فوم های فلزی در مقایسه با فوم های سرامیکی و پلیمری جدیدتر بوده و خواص و کاربررد آن ها در حال توسعه می باشد به طوری که به نظر می رسد آینده ی درخشانی در انتظار این مواد باشد.

حال سؤال اینجاست که چرا این مواد به به این حد اهمیت یافتند که به عنوان خانواده جدید شناخته می‌شود؟

دانشمندان در سال‌های اخیر در تلاش برای ایجاد انفکاک اجزا  در فلزات بودند که این تلاش‌ها منجر به تولید فوم‌های فلزی شد.

تاریخچه

اولین تلاش برای رسیدن به فوم‌های فلزی در  سال ۱۹۸۴ توسط بنجامین سوسنیک  انجام شد.

روشی که این فرد به کار برد این بود که یک آلیاژ فلزی چند فازی را گرما داده تا یکی از اجزا بخار شده و بقیه اجزا فقط ذوب شدند و با برقراری فشار، گاز به وجود آمده از مایع خارج نمی‌شود و باسرد کردن ناگهانی، فومی جامد پر از منافذ به دست می‌آید؛ که در نهایت این فرایند به علت گران تمام شدن به ‌طور وسیعی مورد استفاده قرار نگرفت.

در سال ۱۹۵۰ اولین سلول فوم فلزی باز تولید شد که شامل پراکندن آلومینیوم مذاب دردانه‌های توده نمکی فشرده شده می‌باشد که بعد از آن با روش‌های مختلفی نمک را حل کرده تا منفذهایی باقی بماند.

این روش  از روش قبلی قابل اطمینان تر بوده اما همانند روش  قبلی استفاده گسترده از آن امکان‌پذیر نبود.

استفاده از عامل فومی به سال ۱۹۵۹ برمی گردد. در آن زمان گروهی تصمیم گرفتند برای تولید فوم فلزی، فلز پودری را با پودر فلز فومی مخلوط کنند.

بر این اساس که در دمای ذوب عامل فومی تجزیه شده و به صورت گازدرآمده و باعث ایجاد فوم فلزی می‌شود.

فلز هیدروژن دار (مخصوصاً هیدرات تیتانیوم) که در دمای پایین به سهولت به فلز و گاز هیدروژن تجزیه می‌شود در این روش بسیار کاربرد دارد.

چهار سال بعد تحقیقاتی نسبتاً وسیعی انجام شد که روشی بود که در آن عامل فوم ساز را مستقیماً به فلز نیم گداخته اضافه می‌کردند. سود این روش تولید بسیار ارزانتربود.

فوم فلزی سلول باز

شبیه‌سازی انتقال گرما سیال گرم عبوری با فوم فلزی سلول باز

فوم های فلزی دارای خواص منحصر به فردی از جمله

• خواص مکانیکی عالی
• خواص حرارتی مناسب
• خواص صوتی
• مقاومت در برابر خوردگی عالی

در ادامه با تعریف اقسام مختلف این مواد و تمایز آنها آشنا می شویم.

فلز سلولی: فضا به سلول های مجزایی تقسیم شده است که مرز این سلول ها از فلز جامد و داخل آنها فضا هایی خالی هستند.

در حالت ایده آل این سلول های منفرد تماما بوسیله غشای فلزی از یکدیگر جدا شده اند ولی گاهی ادغام سلول ها اتفاق می افتد.

فلز متخلخل: در این نمونه، فلز مدل های مختلفی از حفرات را دارا است، به طور مثال سلولهای بسته،  سلولهای منحنی با داشتن غشاء صاف و یکدست و حباب های گاز.

فوم فلزی: فوم ها از موارد خاص فلزات متخلخل اند. حباب های گاز پخش شده در فوم مایع [باعث تشکیل فضاهایی خالی] و نهایتا تشکیل فوم جامد می شوند.

اسفنج فلزی: فضا با تکه هایی از فلز جامد که تشکیل شبکه ای ممتد را می دهند پر شده است و همراه با آن شبکه ای از فضا های خالی که آنها نیز به هم مرتبط اند، شکل آن راتکمیل می کند.

روش تولید

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

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 می‌باشد که در آن اشکال متخلخل ساخته می‌شوند و فلزهای آب شده به داخل آن اشکال در قالب‌ها ریخته می‌شود و سپس قالب‌ها 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 اندازه‌های کوچک فوم مناسب هستند.

دسته دوم :روش دیگر بر اساس  پودر می‌باشد. فلزهای 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.

دسته سوم :یک نوع سلول بسته در حدود ۳ میلی‌متر فوم سلول هسته با حفره‌های 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 سلول‌ها را کنترل کرد.

دسته چهارم :روش‌های دیگری نیز هستند گرچه فومهایی با حفره‌های کمتر یا کیفیت پایین‌تری 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 می‌افتد حفره‌ها معمولاً طولانی و موازی در جهت سرد شدن می‌باشند که البته این یک نقطه ضعف است زیرا این مواد بیش از آنکه فوم مانند باشند کندو مانند هستند

ویژگی‌ها و خصوصیات فوم‌های فلزی

خاصیت ویژه‌ای و استثنایی در مورد فوم‌های فلزی قدرت بالا، سختی، چگالی بسیار پایین، توانایی جذب مقادیر بالای انرژی با تحمل فشار در هرجهت و… می باشد.

همچنین در مورد فوم های سلول باز سطح دسترسی سطحی بسیار بالا در کنار استحکام مکانیکی قابلیت های طراحی بسیاری را به مهندسین می دهد.

کاربرد

این مواد به دلیل استحکام بالا و وزن کم در صنعت حمل و نقل بسیار مورد توجه هستند و به دلیل قابلیت جذب انرژِی بالا به عنوان عایق صوت مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فوم‌های فلزی به دلیل جاذب انرژی بودن در ساخت سپر اتومبیل مورد استفاده قرار می‌گیرند که علاوه بر کاربردهای اشاره شده، در صنایع هوافضا و سایر صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فوم‌های آلومینیمی ساختار متخلخلی دارند. از این رو، ترکیب‌هایی بسیار مناسب در جذب صدا، ضربه و نوسان به‌شمار می‌روند. طبیعت فلزی این مواد سبب می‌شود که به عنوان پوشش‌های الکترومغناطیسی که در دماهای بالا پایدارند، مورد استفاده قرار گیرند.

افزون بر خواص مناسب مکانیکی، گرمایی، فیزیکی و صوتی این مواد، غیر آلاینده بودن بازیافت آن‌ها را نیز می‌توان بر برتری‌های دیگر این ترکیب‌ها افزود.

همهٔ این ویژگی‌ها سبب شده‌است که این ماده برای استفاده در بخش های گوناگون صنعتی بسیار مناسب باشد.

فوم آلومنیوم

آلومینیوم شاید اولین و اصلی‌ترین ماده‌ای باشد که فوم آن ساخته شده‌است. فوم آلومینیومی امروزه کاربرد بسیاری در صنایع مختلف از جمله اتومبیل، هوا فضا و … دارد.

فوم کردن فلزات دیگر

تا امروز تقریباً تمام تحقیقات متمرکز در فوم‌های آلومینیومی بوده‌است (به خاطر چگالی پایین و مقاومت در برابر خوردگی و نقطه ذوب پایین که کار با آن را آسان می‌کند) این فوم‌ها عمدتاً از آلومینیوم تولید می‌شوند و به تدریج فوم‌های دیگر فلزات مانند فولاد، مس، نیکل، سرب، روی، منیزیوم، تیتانیوم و… ساخته شد. در هر حال فوم‌های آهن، نیکل، سرب نیز تولید شده‌اند.

فوم‌های نیکل را به عنوان فیلترهای شیمیایی به کار می‌گیرند. دیگر فوم‌ها کیفیت مشکوکی دارند و در حال حاضر موضوع تحقیقات دانشمندان می‌باشد.