تولید فوم فلزی آلومینیومی کامپوزیتی

محسن سیفی، دانش آموخته مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه صنعتی امیرکبیر و از مجریان طرح در گفت‌وگو با ایسنا با اشاره به این که فوم های فلزی یکی از موادی هستند که دانشمندان با به وجود آوردن آن پای در فضای گسترده و جدید صنعتی گذاشتند، گفت: یکی از تکنیک‌هایی که برای ساخت چنین فوم هایی مورد توجه قرار گرفته، فرآیند تولید فوم با استفاده از مواد اولیه پودری است که از جمله مزایای این روش امکان تولید قـطعه با شکل نهایـی net shape است که چنین سـازه هایی دارای قابلیـت بالایـی در جـذب انـرژی هستند.

وی ادامه داد: شاخص‌ترین کاربرد این دسته از مواد مهندسی سازه‌های جاذب انرژی در اتومبیل‌ها و جلوگیری از انتقال شدت آن به سرنشینان خودرو است.

سیفی تصریح کرد: نخستین فاز طرح از فرآیند فوم سازی، ساخت پیش ماده‌ای است که قابلیت فوم شوندگی داشته باشد. برای دستیابی به این هدف، با انتخاب ترکیب‌های اولیه یی مناسبی از پودر آلومینیوم، عامل حباب‌زا( گونه ای از کربنات‌ها) و ذرات افزودنی( سیلیسیم، کاربید سیلیسیم) و جست‌وجوی گسترده در منابع و مطالعه تحقیقات انجام شده بر روی اثر هر یک از اجزای سازنده ترکیب پودری وهمچنین مشاوره با محققانی که در این زمینه تجربیات ارزشمندی داشتند، با انتخاب درصدهای هریک از عناصر سازنده و دما و زمان، فوم سازی طرح به نحو مطلوبی انجام شد.

وی افزود: برای رسیدن به توزیعی یکنواخت از پودرها، هر یک از ترکیبات به صورت کاملا مجزا در دستگاه مخلوط کن دورانی ریخته شد و به مدت دو ساعت، مخلوط شدند. پس از این مرحله فشرده سازی ترکیبات پودری برای رسیدن به پیش ماده ای فوم شونده، به روش پرس سرد انجام شد. پس از اتمام عملیات پرس، پیش فوم آماده شده به روش خاصی از قالب خارج شده تا از هرگونه آسیب به پیش ماده، جلوگیری بعمل آید. سپس پیش ماده حاصل با نیرویKN 500 اکسترود شد تا به پیش فومی با چگالی معادل با چگالی آلومینیوم جامد برسیم.

سیفی با بیان این که در مرحله بعد کار، پیش فوم آماده شده در قالب‌های استوانه‌ای از جنس فولاد قرار داده شد، خاطر نشان کرد: برای جلوگیری از چسبیدن فوم به قالب، سطح داخلی این قالب‌ها را به کمک اسپری کربن و با لایه ای از گرافیت پوشش دهی کردیم. همچنین قالب داخل کوره‌ای الکتریکی (با حداکثر دمای 1200C) گذاشته شده و دمای کوره در 750 درجه سانتی گراد، تنظیم شد. پس از گذشت مدت زمان چهار دقیقه قالب را به سرعت از کوره خارج کرده و در آب سرد قرار دادیم.

وی ادامه داد: مزیت این طرح استفاده از نوعی کربنات ویژه به عنوان عامل فضاساز است که نسبت به نمونه‌های مشابه که از پودر گران قیمت هیدرید تیتانیوم (TiH2) استفاده می شود، هزینه کمتری برای تولید محصول نهایی دارد.

رضا تافته، دانش آموخته مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه صنعتی امیرکبیر و دیگر مجری طرح نیز گفت: تا امروز تقریبا تمام تحقیقات بر روی فوم‌های آلومینیومی به علت چگالی پایین و مقاومت در برابر خوردگی و نقطه ذوب پایین متمرکز بوده است. همچنین نقطه قوت فوم‌ها زمانی آشکار می‌شود که مقاومت در برابر فشارهای منجر به خم شدن را به عنوان یکی از کیفیات قطعه در حین سرویس در نظر بگیریم و پخش وسیع ساختارهای سلولی در لحظه، سکون ماده را افزایش داده و به آن قدرت خم شدن و مقاومت ویژه بیشتری می بخشد که این موضوع فوم‌ها را به عنوان ترکیباتی کاربردی در صنایع خودروسازی و صنایع هوا فضا مطرح می سازد.

وی با بیان این که از قطعات ساندویچی ساخته شده از فوم آلومینیم در قسمت‌های مختلف خودرو به خصوص محل‌هایی که دارای سطح زیادی است، استفاده می‌شود، اظهار کرد: بنابراین با استفاده از این قطعات استحکام افزایش یافته و وزن خودرو نیز کاهش می‌یابد؛ به عنوان مثال، شرکتBMW نیز به منظور مطالعه و بررسی کارایی فوم‌های آلومینیمی و قابلیت جذب انرژی آنها آزمایشات متعددی را انجام داده و درخودروهای جدید خود از فوم آلومینیومی در بدنه‌ خودرو استفاده کرده است.

تافته با اشاره به استحکام کم فوم‌های پلیمری نسبت به فوم‌های آلومینیمی گفت: از این رو فوم‌های پلیمری در درجه حرارت‌های بالا کاربرد ندارند. همچنین برخلاف فوم‌های آلومینیمی، پایداری خواص آنها کمتر بوده و در محل‌های مرطوب و در معرض نور آفتاب نمی‌توان از آنها استفاده کرد. علاوه بر این در اثر آتش سوزی تجزیه شده و دود و بخارهای سمی و خطرناک تولید می‌کنند. بنابراین به دلیل قابلیت جذب انرژی بالا، نسبت استحکام به وزن مناسب، استحکام خمی خوب و افزایش ایمنی وسایل نقلیه از قطعات یا ساندویچ پنل‌های فوم فلزی برای ساخت قسمت‌های مختلف خودروها مانند سپرها، ستونها، پوشش کف اتاق، ادوات میانی در و پنجره ها و نیز ساخت دیواره و بدنه ی واگن قطارها می توان استفاده کرد.

وی تصریح کرد: همچنین فوم‌های آلومینیمی علاوه بر قابلیت جذب انرژی مناسب به علت پایداری و مقاومت خوب در درجه حرارت‌های بالا که توسط موتور خودرو ایجاد می‌شود، قابلیت استفاده به عنوان در موتور خودرو، کاپوت را نیز دارند.

کاربردهای دیگر فوم‌های فلزی به عنوان جاذب انرژی، ساخت سپرها و قسمت‌های مختلف خودروهای ورزشی است زیرا در مسابقات ورزشی به علت حرکت بسیار سریع و نزدیک به هم خودروها و افزایش احتمال برخورد آن‌ها به یکدیگر و نیاز به پرش از روی موانع، لزوم استفاده از تجهیزات ایمنی بیشتر می‌شود. همچنین به دلیل خواص فوق العادی‌ای که این فوم ها از خود نشان داده‌اند، از آن‌ها می توان در ساختارهای سبک و برای جذب انرژی، دمپ مکانیکی، جذب صوت و مدیریت انرژی (جلوگیری از اتلاف حرارتی) استفاده کرد.

به گفته مجریان این طرح که با راهنمایی دکتر میرباقری، عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام شده است، از این طرح یک مقاله داخلی و یک مقاله درکنفرانس‌های خارجی به ثبت رسیده و یک مقاله دیگر برای ارائه در مجلات ISI در حال آماده سازی است.