نخستین ثبت در مورد فوم های فلزی به سال ۱۹۸۴ باز می گردد. زمانی کهbenjamin sosnick برای ارائه پروسه ای در مورد ساختن جرم فلزی فوم شکل دارای حق امتیاز شد . روش او بر اساس بکار گرفتن این واقعیت بود که آلیاژ های فلزی مرکبی که 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 یک آلیاژ فلزی چند فازی گرما داده می شود در ترکیب این آلیاژ انتخاب شده یکی از اجزای آن بخار میشود در حالیکه بقیه اجزا تنها ذوب شدند این آلیاژ ضمن حرارت دادند ، در یک مجرای تحت فشار نگهداری میشود به همین خاطر جزء گازی آن نمیتواند از مایع فرار کند . برقراری فشار باعث بخار شدن ناگهانی مخلوط می شود که در نهایت میتوان با سرد کردن آن مخلوط به یک فرم جامد پر از منفذ های نزدیک به هم رسید موارد استفاده پیشنهادی بهبود مقاومت در برابر فشردگی فوم را نشان میدهد که همچنین جاذب گرما و صدا است . به طور واضح ، تنها مقدار کمی از آلیاژهای فلزی مرکب برای این فرآیند واقعا مناسب هستند . این فرآیند نسبتا گران تمام میشد و در نهایت هم تنها مقدار نسبتا کمی از فوم غیر معمول را تولید میکرد و شاید به همین دلیل بود که هیچگاه به طور وسیع مورد استفاده قرار نگرفت
فوم های سلول باز:
بعدها در سال ۱۹۵۰ اولین سلول فوم فلزی باز تولید شد که شامل پراکندن آلومینیوم مذاب در دانه های خورد توده نمکی فشرده شده می باشد که بعد از آن نمک را حل کرده تا منفذ هایی در میان آن باقی بماند این فرآیند ساختار فوم قابل اطمینان تری نسبت به متدsosnick تولید میکرد اما در حال حاضر هنوز هم به آن به عنوان یک چیز کمیاب نگریسته میشود تا یک ابزار مهندسی .
ورود عامل فومی:
در سال ۱۹۵۹ ، تحقیق کاملا متفاوتی انجام شد 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 بود . پودر فلز فومی گازی باید کاملا 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 فشرده شده و از غالب خارج میشود تا یک ماده جامد فلزی همراه با فوم های منتشر شده در آن تولید شود زمانیکه این جسم جامد حرارت میبیند تا به نقطه ذوب فلز برسد عاملفومی تجزیه میشود تا گاز را به فلز مذاب تزریق کند و فلز فومی تشکیل شود . فلز هیدروژن دار ( مخصوصا هیدرید تیتانیوم ) که 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 .
خنک کردن فوم یک مشکل اساسی بود و این به معنی آن است که 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 آنکه به اندازه کافی سرد شود. تحقیقات نشان میدهد که استفاده از آب به عنوان عامل سردکننده و یا گرم کردن تنها بخشی از فوم میتواند به طور کلی مانع از این مشکل گردد.
فوم سازی به صورت مستقیم از طریق ذوب :
چهار سال بعد تحقیقی نسبتا وسیع انجام شد که شامل متدی بود که در آن عامل فوم ساز را مستقیما به فلز نیم گداخته اضافه میکردند سودی که این روش داشت تولید بسیار ارزانتر فوم نسبت به متد پودری بود یک پیشرفت جدید آن بود که مشتقی از فلز سیلیس را به آلومینیوم مذاب اضافه میکردند و از آن برای افزایش چسبناکی و به دام انداختن گاز آزاد شده استفاده میکردند ایده جدید دیگر استفاده از خاک رس به جای فلزات هیدراته برای عامل فوم سازی 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 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 که به روش ذوب تهیه میشوند اصلی ترین مرکز توجه علایق تجاری هستند . دانشگاهها و کارخانجات زیادی مشغول کار بر روی فومها هستند و پروسه های جدید تولید فوم از راه نفوذ دادن ، خلع کردن و… انجام شده است .
اساس فوم :
فوم ها با اساس ذوبی کمکم به روش اولیه تولید فوم چیده شده اند کارخانجات بسیاری تولید فوم فلزی را شروع کردند . تحقیقات جدید در پایگاههای علمی با هدف ارتقاء کیفیت فومها فومهاییست که با روش ذوبی تولید میشوند در حالیکه از هزینه های بالایی که در تولیدات محصولات فوم به روش پودری ایجاد می شود میتوان به این طریق اجتناب کرد .
فوم کردن فلزات دیگر
تا امروز تقریبا تمام تحقیقات متمرکز در فومهای آلومینیومی بوده است ( به خاطر چگالی پایین و مقاومت در برابر خوردگی و نقطه ذوب پایین که کار با آن را آسان میکند ) در هر حال فومهای آهن ، نیکل ، سرب نیز تولید شده اند. فومهای نیکل را به عنوان فیلترهای شیمیایی به کار میگیرند . دیگر فومها کیفیت مشکوکی دارند و در حال حاضر موضوع تحقیقات دانشمندان میباشد .
کاربردهای فوم های 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 . نکته مهم در بازار فروش فومهای فلزی در کل ( به ویژه فومهای آلومینیوم ) در ترکیب بینظیر کیفیت هاییست که در هیچ ماده دیگری یافت نشده است :
- قدرت بالا (۱۰MPa)و سختی ( ۱gpa)
- چگالی بسیار پایین ( حدودا ۰/۲چگالی 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 که اگر تنها قدرت مستقیم را در نظر بگیریم ، فومها غالبا کاربرد مشابه یا حتی بدتری از مواد جامد هم وزن خود ارائه میدهند نقطه قوت فومها زمانی آشکار میشود که فشارهای منجربه خم شدن را به عنوان یکی از کیفیات وزن در نظر بگیریم . پخش وسیع ساختارهای سلولی در لحظه ، سکون 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 ترکیباتی کاربردی در اتومبیل سازی و هوافضا مطرح میسازد این مطلب ممکن است به شکل ترکیبات حمل وزن مستقیم به چشم بیاید اما بیشتر موارد استفاده ساختاری را نشان میدهد که در آن فوم عنصری مرکزی است که با لایه فلزی بیرونی احاطه شده و مورد استفاده قرار میگیرد . تولید این ترکیبات در مقایسه با دیگرمواد کندوشکل آسانتر است و مقاومت بیشتری در برابر شکاف خوردن نشان میدهد و این بخاطر همگرایی فومهاست. برخی از روشهای تولید همچنین اجازه میدهند که قالبهایی با اشکال نامنظم از فومها پر شود ، به عنوان مثال برای ساختن شکلهای پیچیده و یا پرکردن ساختارهای لوله ای از فومها به جای ترکیبات جامد فلزی استفاده میشود چون وزن بسیار کمتری داشته در حالیکه از مقاومت ساختاری قابل توجهی نیز برخوردار میباشند .
در اینجا فهرست وار خلاصه ای از کاربردهای بالقوه فومهای فلزی را ذکر میکنیم :
- ورقه های خود پشتیبان محکم و بسیار سبک برای ساخت و ساز و حمل و نقل
- جذب انرژی ذره ای در ماشینها ، آسانسورها و سیستم های جابجایی
- کفها و دیواره ها
- ورقه های سقفی و دیواره ای ضد حریق با عایق گرمایی و صوتی
- جداره های کمپرسور
- بدنه و اگزوز موتورسیکلت
- تبادلگر گرمایی ، فیلترها و کاتالیزورها
- مبدلهای صوتی
- محفظه اسپیکر
- باتریها
- محفظه گیربوکس
- بخشهای ساختاری فضاپیما
- محفظه هایی برای ابزار الکترونیکی
- جاذب صوتی برای شرایط سخت
جذب کننده ضربه:
طبقه بندی گسترده ای از کاربردها حول خاصیت جاذب انرژی فومهای فلزی بنا شده است در هنگام فشردگی ، فوم ها تنها دگر دیسی الاستیکی کمی را قبل از حالت پلاستیکی نشان می دهند در بیشتر فومها این حالت شامل دگر دیسی پلاستیکی گسترده ای از دیواره های سلولی در سلولهای شکست خورده می شود که بتدریج در حلیکه ماده فشار کم و پایداری را تحمل میکند افزایش میابد . 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 ماده ای سبک ، ارزان ، جاذب تکانهای ناگهانی در بدنه جلویی اتومبیل ها یا قطارها برای محافظت از سرنشینان در هنگام تصادفات افزایش میدهد .
این یکی از بخشهاییست که فومهای فلزی به صورت تجاری استفاده شده و 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 میباشد . به خاطر اینکه دیواره سلولی آن طبیعتا 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 میباشد .
سطح وسیع:
ترکیب رسانایی الکتریکی بالا و سطح وسیع فومهای سلول باز آنها را برای استفاده به جای الکترود مناسب مقدور کرده است . به عنوان مثال : در باطریهای اسید ـ سرب ساختار های سلول باز میتوانند حامی های کاتالیزوری بسیار خوبی باشند
حمل و نقل زمینی و ریلی :
آنچه که در سیستم حمل و نقل زمینی مهم است، آلودگی هوا و مسئله ایمنی میباشد. استفاده از فومهای آلومینیومی، باعث آسان شدن ساخت بدنه اتومبیلها و قطارها شده است واین امر هزینه تولید را به مقدار موثری کاهش داده است. از طرفی وزن این وسایل نیز کاهش یافته و در نتیجه مصرف سوخت و انرژی کم شده و مسئله آلودگی محیط زیست نیز تا حدی مرتفع میشود. فومهای آلومینومی به کار رفته در قطعات و بدنه اتومبیلها و قطارها نسبت به قطعات تولید شده فولادی به اندازه ۱۰ برابر محکم‌تر بوده و استحکام بیشتری دارند و از طرفی به اندازه ۵۰ درصد نیز سبک‌تر می باشند. امروزه میتوان ۲۰ درصد بدنه اتومبیل را با استفاده از فومهای آلومینیومی تهیه کرد که در این راستا ۶۰ کیلوگرم از وزن اتومبیل کاهش یافته و در نتیجه میزان مصرف سوخت نیز کاهش می‌یابد، به طوری که میتوان گفت به ازای هر گالن بنزین حدود ۶/۲ مایل مسافت بیشتری را میتوان پیمود.
مسئله قابل توجه دیگری که در سیستم حمل و نقل زمینی مطرح میباشد مسئله ایمنی است. فومهای فلزی به علت قابلیت جذب انرژی مکانیکی در تمام جهات، هنگام تصادف و برخورد با موانع به راحتی تغییر شکل داده و فشرده میشوند. از طرفی چون حرکت ارتجاعی این فومها بسیار محدود و کم می باشد، در حین اعمال ضربه، از حرکت و برگشت فوم به جای اول خود و همچنین از شتاب دادن وسیله نقلیه در جهات دیگر (جهت خلاف اعمال ضربه) و نیز حرکت شلاقی مانند آن جلوگیری میشود. همچنین فومهای فلزی در اثر ضربه‌های شدید و سریع خواص خود را به طور محسوس و زیاد از دست نمی‌دهند و در نتیجه مقاومت بیشتری نسبت به سایر مواد دارا میباشند.
یکی دیگر از مزیت‌های فومهای فلزی عایق بودن آنها در برابر صدا است. با استفاده از این فومها که در ساخت بدنه، موتور، کاپوت و قسمتهای میانی بین موتور و اتاق به کار می‌رود، میتوان از آلودگی صوتی که توسط موتور ایجاد میشود جلوگیری نمود. این فومها همان‌طور که گفته خواهد شد به علت ساختار حفره‌ای خود، صدای موتور اتومبیل را جذب کرده و از ورود آن به اتاق و محل نشستن سرنشینان جلوگیری میکنند.
حمل و نقل دریایی :
فومهای آلومینیومی به علت کاهش بسیار زیاد وزن و از طرفی افزایش مقاومت در برابر خوردگی و همچنین قابلیت جوشکاری و شکل‌پذیری مناسب برای سا خت قسمتهای مختلف کشتیها و دیگر وسایل نقلیه دریایی مورد استفاده قرار گرفته اند. سازه های ساندویچی نسبت به دیگر سازه‌های فلزی، بیش از پنجاه درصد در وزن و حجم سازه صرفه‌جویی میکنند. به کارگیری فوم های فلزی، آلودگی صوتی را تا ۲۰ درصد کاهش میدهد. علاوه بر این، میزان استحکام، مقاومت در برابر آتش‌سوزی و خوردگی افزایش می‌یابد. خصوصیات منحصر به فرد سازه های ساندویچی ، باعث شده که نیروی دریایی آمریکا از سال ۱۹۸۷ مطالعه خود را برای ساخت سازه های ساندویچی فولادی با هسته‌های فومی و جوشکاری شده با لیزر، شروع کرده و از آنها برای ساخت قسمتهای مختلف کشتی استفاده نماید.
از دیگر مصارف فوم های فلزی در صنایع دریایی ساخت دیواره و بدنه سازه کشتی و به خصوص سکوهای موج‌گیری می باشد. موجهای عظیم و پرقدرت هنگامی که وارد ساختار متخلخل این فومها می شوند، در اثر برخورد با دیواره سلولها و ایجاد اصطکاک از سرعت و شدتشان کاسته شده و از آسیب رساندن به کشتیها و حتی اسکله‌ها جلوگیری میکنند.
حمل و نقل هوایی :
در بخش حمل و نقل هوایی نیز مانند بخش حمل و نقل دریایی و زمینی، کاهش وزن بسیار مهم است. به طوری که میتوان گفت این امر از اصلی‌ترین اهداف طراحان هواپیما باشد. با استفاده از فومهای آلومینومی علاوه بر دسترسی به استحکام لازم، کاهش وزن و در نتیجه کاهش میزان مصرف سوخت نیز حاصل میشود. با کاهش مصرف سوخت از طرفی هزینه استفاده از هواپیما کاهش یافته و جاذبه آن بیشتر میشود، به طوری که مسافر، کالا و مرسولات پستی بیشتری برای جا به جایی به آن مراجعه میکنند و از طرف دیگر میزان آلودگی محیط زیست کم میشود. امروزه، استفاده از ورقهای فوم آلومینیومی و یا تختال¬های فومی به جای ساختارهای لانه زنبوری در ساخت بدنه هواپیما باعث شده که هزینه ساخت بدنه کاهش یافته و از طرفی استحکام سازه به خصوص مقاومت خزشی آن به شدت افزایش پیدا کند.
کاربرد در صنایع ساختمانی :
فومهای فلزی اغلب برای ساخت عایقهای صوتی در ساختمانها استفاده میشوند. استفاده از این فومها علاوه بر استحکام، باعث سبکی ساختمان نیز میشود. همچنین فوم¬های فلزی در برابر آتش‌سوزی مقاوم بوده و گازهای سمی خطر ناک نیز تولید نمی‌کنند.
کاربرد به عنوان سازه های ساندویچی :
ساندویچ پنل یک سازه یا ساختار چند ماده ای است. این سازه شامل دو صفحه بوده که یک هسته مرکزی را احاطه کرده اند و اصطلاحاً به صورت ساندویچ در آمده است.
مهمترین ویژگی های ساندویچ پنل‌ها که باعث شده به شدت مورد توجه قرار گیرند عبارتند است از:
وزن کم، استحکام، سفتی و سختی بالا، خواص حرارتی مناسب برای عایقهای
حرارتی، قابلیت جذب امواج صوتی، قابلیت جذب امواج الکترومغناطیس، خاصیت جذب
انرژی و…
سازه های ساندویچی که به وسیله هسته‌هایی از فومهای فلزی پر شده‌اند، برای ساخت بدنه اتومبیلها، وسایل نقلیه ریلی و کشتیها کاربرد فراوانی دارند.
صنعت هوافضا :
کاربرد فومهای فلزی کم وزن در صنعت هوا فضا شبیه به بخش اتومبیل می باشد. در هواپیماها جانشین کردن ساختارهای لانه زنبوری گران بوسیله ورقههای آلومینیومی فومی یا تختالهای فومی می تواند منجر به کاهش مطلوب قیمت شود. از یک طرف، مقاومت خزشی بهتر می شود و از طرف دیگر، مزیت مهم این فومها در ایزوتروپی خواص مکانیکی آن ها می باشد. در کاربردهای فضایی استفاده از فومهای بسیار فعال اما خیلی کم وزن مثل Li و Mg در نظر گرفته شده است. این آلیاژها، معمولاً بخاطر فعل و انفعالات بالایی که دارند، قابل استفاده نیستند ولی می توانند در شرایط خلأ مفید باشند.
صنعت بیو دارویی :
آلیاژهای تیتانیوم یا کبالت–کروم بخاطر بیوسازگاریشان در ساخت دندانهای مصنوعی یا اعضای مصنوعی استفاده می شوند. معمولاً برای چنین کاربردهایی ماده ای که می توان استفاده کرد تیتانیوم متخلخل یا فوم تیتانیومی می باشد. هیچ اتفاق نظری وجود ندارد که اعضای مصنوعی چگونه باید طراحی شوند تا ماکزیمم پایداری و تابعیت از عضو مورد نظر وجود داشته باشد.
بطور مثال بر طبق یک نظر، مدول دندانهای مصنوعی باید با مدول استخوان فک تطابق داشته باشد. همچنین دانستن ارتباط بین مدول و دانسیته فومهای فلزی یکی از راههایی است که ساخت اعضای مصنوعی را با مدولهای سازگار و اطمینان از بیوسازگاری و انگیزش استخوان در رشد در داخل تخلخل باز، آسانتر می کند.
