Kullanıcı:Şerife Akkaya/deneme tahtası

Genel köpük tanımına dayanan metal köpük, sıvı metal lameller (sıvı köpük) veya katı metal duvarlar (katı köpük) ile ayrılan gaz kabarcıklarından oluşan iki fazlı sistemlerin bir birleşimi olarak anlaşılır. Metal köpük terimi, yapıları yukarıdaki tanımdan önemli ölçüde farklı olabilen gözenekli metaller için de eşanlamlı olarak kullanılır. Ortak bir özellik, yapıların yüksek gözenekliliği ve hedeflenen yaratımıdır. Sonuncusu, metal bileşenlerde imalatla ilgili ve genellikle istenmeyen (örneğin, döküm parçalardaki kapalı boşluklar, mikro boşluklar ve gaz gözenekliliği) diğer gözenek yapılarından ayırt etmek için kullanılır.^[1]

Metal köpükler tipik olarak baz malzemelerinin bazı fiziksel özelliklerini korur. Yanıcı olmayan metalden yapılan köpük yanıcı değildir ve genellikle ana malzeme olarak geri dönüştürülebilir. Termal iletkenlik muhtemelen azalırken, termal genleşme katsayısı benzerdir.

Metal köpük, hacmin büyük bir bölümünü oluşturan gazla doldurulmuş gözeneklere sahip katı bir metalden (genellikle alüminyum) oluşan hücresel bir yapıdır. Gözenekler sızdırmaz (kapalı hücreli köpük) veya birbirine bağlı (açık hücreli köpük) olabilir. Metal köpüklerin belirleyici özelliği yüksek gözenekliliktir: tipik olarak hacmin sadece %5-25'i ana metaldir. Malzemenin gücü kare-küp kanunundan kaynaklanmaktadır.^[2]

Genel olarak, metal köpükler alüminyumdan yapılma eğilimindedir, ancak titanyum, tantal, bakır, çinko veya kurşun dahil olmak üzere çeşitli diğer metallerden de oluşturulabilirler.^[3]

Metal köpüğün temel özellikleri aşağıdaki gibidir:

Ultra hafif malzeme (hacmin %75-95'i boşluklardan oluşur)
Çok yüksek gözeneklilik
İyi enerji emme özellikleri ile birlikte yüksek sıkıştırma mukavemetleri
Termal iletkenlik düşüktür
Yüksek güç^[4]

Tanımlar

Açık hücreli köpük

Açık hücreli metal köpükler genellikle iskelet olarak açık hücreli poliüretan köpükler kullanılarak üretilen kopyalardır. Bu köpükler, ısı eşanjörlerinde, enerji absorpsiyonunda, akış difüzyonunda ve hafif optiklerde çok çeşitli uygulamalar bulmuştur. Son derece ince ölçekli açık hücreli köpükler, kimya endüstrisinde yüksek sıcaklık filtreleri olarak kullanılır. Kompakt ısı eşanjörlerinde kullanılan metalik köpükler, ek bir basınç düşüşü pahasına ısı transferini arttırır. Bununla birlikte, kullanımları, bir ısı eşanjörünün fiziksel boyutunun ve dolayısıyla imalat maliyetlerinin önemli ölçüde azaltılmasına izin verir.^[5]

Kapalı hücreli köpük

Kapalı hücreli metal köpükler 1950'lerden beri geliştirilmiştir, ancak prototipler mevcut olmasına rağmen, ticari üretim ancak 1990'larda başlamıştır. Yakın hücreli metal köpükler genellikle bir gaz enjekte edilerek veya bir köpürtücü maddenin erimiş metale karıştırılmasıyla yapılır. Malzeme daha sonra yüksek sıcaklıkta bir köpürtücü madde (genellikle nano veya mikrometre boyutunda katı parçacıklar) kullanılarak stabilize edilir. Gözeneklerin veya hücrelerin boyutu genellikle 1 ila 8 mm'dir. Kapalı hücreli metal köpükler öncelikle darbe emici bir malzeme olarak kullanılır. Birçok polimer köpüğün aksine, metal köpükler darbeden sonra deforme kalır ve bu nedenle yalnızca bir kez kullanılabilir.^[5]

Üretim yöntemleri

Metalik eriyikler, sıvı içinde gaz kabarcıkları oluşturarak köpürtülebilir. Metalik eriyik içindeki bu gaz kabarcıkları, yüksek yoğunluklu sıvıdaki yüksek kaldırma kuvvetleri nedeniyle yüzeye çıkma eğilimindedir. Bunun olmasını önlemek için erimiş metalin viskozitesinin arttırılması gerekir. Bu, eriyik içinde stabilize edici parçacıklar oluşturmak için ince seramik tozları veya alaşım elementleri eklenerek yapılabilir.

Metalik eriyikleri köpürtmenin üç yolu aşağıda listelenmiştir:

Harici bir kaynaktan sıvı metale gaz enjekte etmek
Sıvıda henüz çözülmüş olan gazın çökelmesine neden olmak
Gaz açığa çıkaran şişirici ajanların eriyiğe karıştırılmasıyla sıvıda yerinde gaz oluşumuna neden olmak

Gaz enjeksiyonu kullanılarak metalik eriyiklerin köpüklenmesi

Köpüklü alüminyum ve alüminyum alaşımları, Kanada'da Cymat Aluminium Corporation ve Norveç'te Hydro Aluminium tarafından kullanılmaktadır. Eriyiğin viskozitesini arttırmak için silisyum karbür, alüminyum oksit veya magnezyum oksit parçacıkları kullanılabilir.

Karıştırma teknikleri, eriyik boyunca parçacıkların eşit dağılımını sağlamak için tutarlı olmalıdır. Eriyik daha sonra dönen çarklar veya titreşimli nozullar kullanılarak içine hava, nitrojen ve argon gibi gazlar enjekte edilerek köpürtülür.

Eriyiklerin üfleme maddeleri ile köpürtülmesi

Eriyikleri doğrudan köpürtmek için ikinci bir yöntem, içine gaz enjekte etmek yerine eriyiğe bir üfleme maddesi eklemektir. Gaz, hidrürler veya karbonatlar gibi bileşikler kullanılarak eriyik içine verilir.

Bileşik, sıvı metal veya yarı katı pelet içinde ısıtıldığında ayrışma ve gaz kabarcıkları oluşturma eğilimindedir. Ortaya çıkan köpük, gözenekli metallerin tek tip gözenek boyutlarına ve yoğunluklarına sahip olması için kararlı olmalıdır.

Shinko Wire Company, Amagasaki, Japonya, bu yöntemi kullanarak köpük üretmektedir. 680°C'de (1256F°) bir alüminyum eriyiğine ağırlıkça yaklaşık %1.5 kalsiyum metali eklenir. Eriyik iyice karıştırılır ve kalsiyum oksit, kalsiyum alüminyum oksit veya Al4Ca intermetaliklerinin oluşumu nedeniyle viskozite artmaya başlar. Bu sıvı metalin kalınlaşmasına yardımcı olur.

Viskozite istenen değere ulaştığında, sıcak viskoz sıvıda hidrojen gazını serbest bırakmaya yarayan bir şişirme maddesi olarak titanyum hidrit eklenir. Eriyik daha sonra yavaş yavaş ve kademeli olarak genişlemeye başlar ve köpürme kabını doldurur. Köpürme sabit basınçta gerçekleşmelidir. Kap alaşımın erime noktasının altına soğutulduğunda, sıvı köpük katı alüminyum köpüğe dönüşür ve daha sonraki işlemler için kalıptan çıkarılabilir.

Katı-gaz ötektik katılaşması

Katı-gaz ötektik katılaşmasıyla oluşan gözenekli malzemelere "gaz takviyeli" anlamına gelen "gasar" denir. Bazı sıvı metallerin hidrojen gazı ile ötektik bir sistem oluşturduğu bilinen bir gerçektir.

Bu metallerden biri, 50 atm'ye kadar yüksek basınç altında bir hidrojen atmosferinde eritildiğinde, elde edilen eriyik homojendir ve hidrojen ile yüklenir. Sıcaklık düşürüldüğünde eriyik, heterojen bir katı+gaz sistemine ötektik bir geçişe sahip olacaktır. Katı+gaz sistemi ötektik bir konsantrasyona sahip olmalıdır ve daha sonra belirli bir sıcaklıkta bir ayrışma reaksiyonu meydana gelecektir.

Eriyik katılaşmaya başlar ve gaz gözeneklerinin çökelmesine ve metal içinde sıkışmasına neden olur. Çoğunlukla katılaşma yönünde yönlendirilmiş uzun gözenekler oluşur.^[4]

Uygulama

Metal köpüklerin yapısal uygulamaları, özellikle düşük yoğunluklarından, deformasyon durumunda enerjiyi emme yeteneklerinden ve akustik ve vücut titreşimlerini sönümleme yeteneklerinden yararlanır. Metalik olmayan gözenekli malzemelerle karşılaştırıldığında,

polimer köpüklere kıyasla iyi sıcaklık kararlılığı,
seramik köpüklere kıyasla iyi süneklik
kaynak veya lehimleme gibi birleştirme işlemlerini kullanma imkanı vurgulamak.

İşlevsel uygulamalar söz konusu olduğunda, aşağıdaki hususlar ön plandadır:

yüksek ısı iletkenliği,
elektrik iletkenliği,
süneklik ve
özel kimyasal reaksiyonlar (pil teknolojisi, katalizörler)^[1]

Metal köpüklerin ve gözenekli metallerin ana uygulamaları aşağıda listelenmiştir:

Kapalı çeşit, yük taşıma özellikleri gerektiren yapısal uygulamalar ve araçlarda ağırlıktan tasarruf sağlayan ve darbe emici yapılar için kullanılır.
Açık çeşitlilik, ısı alışverişi ve tıbbi cihazlarda yüksek sıcaklıklarda titreşim ve ses emilimi, filtrasyon ve kataliz için idealdir.
Açık çeşitlilik, filtreleme ve sönümleme gibi fonksiyonel uygulamalarda da kullanışlıdır.
Köpük metal hayvanlarda deneysel protez olarak kullanılmaktadır.
Yüksek mukavemetli metal köpükler, yüksek kapasiteli darbe enerjisi emiciler olarak işlev görebilir.
Otomotiv endüstrisi - köpükler, araba çerçevesindeki parça sayısını azaltır, montajı kolaylaştırır, böylece maliyetleri düşürür ve performansı artırır.^[4]

Gözenekli metaller için özel uygulama örnekleri:

Bitki mühendisliği, kimya

Basınçlı hava susturucuları ve filtreleri, basınç dalgalanma kıskaçları
Ayırıcılar (sıvı / gaz)
Alev tutucular
Sıvıların havalandırılması için distribütör (örneğin gıda teknolojisi)
Pil teknolojisi için nikel köpükler
Katalizörler (Raney nikeli)

Makine mühendisliği

Mikron HPM 1850'nin evrensel slaydı: U takım tezgahı, alüminyum köpüklü sandviçten (AFS) kaynaklı yapı, %28 kütle azaltma, Niles-Simmons endüstriyel tesislerinin geliştirilmesi, Chemnitz ve Fraunhofer Enstitüsü IWU
ALPORAS alüminyum köpükten yapılmış entegre kalıcı çekirdekli döküm tekstil makine kolu (bileşen uzunluğu yaklaşık 1,6 m). %60 azaltılmış titreşim genliği, von der Au Metallgießerei, Almanya.
Lineer eksenlerin titreşim ayrıştırması için alüminyum köpük sandviç paneller (AFS), Pohl, Parker'dan.

Ulaşım

Ferrari 360 ve 430 Spider Alulight araç tiplerinin yan eteklerinde yandan çarpma durumunda çarpışma davranışını iyileştirmek ve gövdenin sertliğini artırmak için köpük dolgu, Alcoa ve Alulight, 1999'dan 2009'a kadar üretim, yaklaşık 5000 adet / bir.
Yolcu bölmesi ve bagaj alanı arasındaki güvenlik ağı çerçevesine entegre edilmiş, alüminyum köpükten yapılmış çarpma sönümleyici eleman, Audi Q7 SUV. Alulight,> 250.000 bileşen.
Mobil çalışma platformu için vinç kolu için alüminyum köpük sandviçten (AFS) yapılmış kaynaklı destek yapısı. Aracın (3500kg ehliyet sınıfı), Pohl ve Teupen Maschinenbau'nun maksimum hedef ağırlığını korurken menzili artırmak.
Raylı araçlar için köpük köpük darbe emiciler (Siemens Combino tramvay, Sprinter Hafif Tren SLT).
EWE E3-Elektroauto'nun (GLEICH Aluminiumwerk GmbH & Co. KG, Volkswagen Osnabrück GmbH) zemin yapısında alüminyum köpük sandviç, çekiş aküsü için destek yapısı (300kg)
Zincopor kol parçaları, HZD-Druckguss Havelland GmbH
Pohl kaynaklı alüminyum köpük sandviç (AFS) panellerden yapılmış küçük denizaltı
Alüminyum köpük sandviçten (AFS) yapılmış alçak yükleyiciler için destek yapıları, orijinal çözüme kıyasla %45 ağırlık azalması. Scheuerle ve Pohl
Robotlar için AFS taşıma cihazları, Pohl, Kuka

Tıbbi teknoloji

İmplantlar için gözenekli malzemelerin veya kaplamaların kullanılması, örn. B. kalça implantları için. Gözenekli metal yapılar genellikle eklemeli işlemler kullanılarak üretilir.

Savunma

Zırhlı araçları mayınlara ve el yapımı patlayıcı cihazlara (IED'ler) karşı korumak için Cymat'tan alüminyum köpük

Mimarlık, sanat ve tasarım

Prada Müzesi Milano, İtalya, cephede, iç duvarlarda ve tavanlarda ALUSION alüminyum köpük
Kongre Merkezi Mallorca, İspanya, cephede ALUSION alüminyum köpük
Anenhütte cephe: özel yüzey optiklerine sahip alüminyum köpük sandviç (AFS) cephe elemanları, büyük sıcaklık değişimlerine ve zorlu hava koşullarına dayanıklılıkla ilgili özel gereksinimler, Pohl, Almanya şirketi.
Heykeller: z. B. 9/11 Memorial of Service Staff International Union (Tasarım: Furnstahl & Simon Montclair, CA, ABD)
Çeşitli sergi standları
Alporas alüminyum köpüğünden yapılmış ses emici elemanlar, örn. B. tünellerde, yükseltilmiş yolların altında ve kamu binalarında (spor salonları, kiliseler), Foamtech, Shinko Wire^[1]

Kaynakça

^ ^a ^b ^c "Metallschaum".
^ "Metal foam".
^ "Inspired by Nature but as Tough as Iron: What Is Metal Foam Used For?". interestingengineering.com (İngilizce). 2020-12-12. Erişim tarihi: 2021-07-25.
^ ^a ^b ^c "Metal Foams – Properties, Production and Applications". AZoM.com (İngilizce). 2013-01-29. Erişim tarihi: 2021-07-25.
^ ^a ^b "Metallic & Ceramic Foams | American Elements | Products | Applications". American Elements (İngilizce). Erişim tarihi: 2021-07-25.

[:0-1] "Metallschaum".

[2] "Metal foam".

[3] "Inspired by Nature but as Tough as Iron: What Is Metal Foam Used For?". interestingengineering.com (İngilizce). 2020-12-12. Erişim tarihi: 2021-07-25.

[:1-4] "Metal Foams – Properties, Production and Applications". AZoM.com (İngilizce). 2013-01-29. Erişim tarihi: 2021-07-25.

[:2-5] "Metallic & Ceramic Foams | American Elements | Products | Applications". American Elements (İngilizce). Erişim tarihi: 2021-07-25.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]