Bir köpük metal, hacminin büyük bir bölümü gazla dolu gözenekleri içeren katı metalden (sıklıkla alüminyum) oluşan bir hücresel yapıdır. Gözenekler kapatılabilir (kapalı hücreli köpük) veya birbirine bağlı (açık hücreli köpük) olabilir. Köpük metallerin en belirgin tanımlayıcı özelliği yüksek gözenekli yapısıdır: tipik olarak hacminin sadece % 5-25’i temel metaldir ve bunlar ultra hafif malzemelerdir. Malzemenin mukavemeti kare küp yasasına bağlı. (1)

Köpük metaller tipik olarak ana metalin bazı fiziksel özelliklerini korurlar. Yanmaz niteliktedir ve genellikle ana malzemeye geri dönüştürülebilir. Termal iletkenlik katsayısı düşerken termal genleşme katsayısı benzer kalır.

Açık Hücreli Köpük

Metal sünger olarak da adlandırılan açık hücreli köpük metal, ısı eşanjörlerinde (kompakt elektronik soğutma, kriyojen tankları, PCM ısı değiştiriciler), enerji emilimi, akış difüzyonu ve hafif optiklerde kullanılabilir. Malzemenin yüksek maliyeti genellikle kullanımını ileri teknoloji, havacılık ve üretim ile sınırlar. İnce ölçekli açık hücreli köpükler, tek başına olarak görülebilen küçük hücrelerle, kimya endüstrisinde yüksek sıcaklık filtreleri olarak kullanılır.

Metal sünger, birim ağırlık başına çok geniş bir yüzey alanına sahiptir ve çoğunlukla paladyum siyahı, platin süngeri ve süngerimsi nikel gibi metal sünger içinde katalizörler oluşur. Osmiyum ve paladyum hidrit gibi metaller metaforik olarak “metal süngerler” olarak adlandırılırlar, fakat bu terim, fiziksel yapıdan ziyade hidrojen bağlama özelliklerine değinmektedir.

Üretimi: Açık hücreli köpükler, döküm veya toz metalurjisi ile üretilir. Toz yönteminde “boşluk tutucular” kullanılır; Adından da anlaşılacağı gibi, gözenek boşlukları ve kanalları işgal ediyorlar. Döküm işlemlerinde, köpük açık hücreli bir poliüretan köpük iskeletiyle dökülür.

Kapalı Hücreli Köpük

Kapalı hücreli metal köpüğün ilk olarak 1926 yılında Meller tarafından, hafif metallerin, inert gaz enjeksiyonu veya şişirici madde ile köpükleştirildiği bir Fransız patentinde bildirilmiştir. Sünger benzeri metal üzerine iki patent, 1948 ve 1951’de sıvı alüminyum üflemek için cıva buharı uygulayan Benjamin Sosnik’e verilmiştir. Kapalı hücreli metal köpükler 1956’da Bjorksten Araştırma Laboratuvarlarında John C. Elliott tarafından geliştirildi. İlk prototipler 1950’lerde mevcut olmasına rağmen, 1990’larda Japonya’daki Shinko Wire şirketi tarafından ticari üretim başladı.

Kapalı hücreli metal köpükler, esas olarak, bir bisiklet kaskı içindeki polimer köpüklere benzer, ancak daha yüksek darbe yükleri için, darbe emici bir malzeme olarak kullanılır.

Birçok polimer köpüğünden farklı olarak, metal köpükler darbe sonrası deforme olur ve bu nedenle sadece bir kez deforme olabilir. Hafiftirler (tipik olarak gözenekli olmayan bir alaşım yoğunluğunun% 10-25’i, genellikle alüminyum), serttirler ve sıklıkla hafif bir yapısal malzeme olarak önerilmektedirler. Ancak, bu amaç için yaygın olarak kullanılmamıştır. Kapalı hücreli köpükler, diğer metalik köpüklerin yangına karşı dayanıklılığını ve geri dönüşüm potansiyelini korurlar ayrıca sudaki yüzdürme özelliğini de eklerler.

Üretimi: Köpükler genellikle bir gazı enjekte ederek veya bir köpürtme maddesini erimiş metale karıştırarak yapılır. Eriyikler, malzemede gaz kabarcıkları oluşturarak köpüklenebilir. Normal olarak, erimiş metaldeki kabarcıklar, yüksek yoğunluklu sıvıda oldukça canlıdır ve yüzeye hızla yükselir. Bu artış, erimiş halde stabilize edici parçacıklar oluşturmak için seramik tozlar veya alaşım elementleri ekleyerek veya başka yollarla erimiş metalin viskozitesini arttırarak yavaşlatılabilir. Metalik eriyikler üç yoldan biriyle köpüklenebilir:

• bir harici kaynaktan sıvı metale gaz enjekte ederek;
• sıvıyı serbest bırakan şişirici etkenleri erimiş metal ile karıştırarak sıvı içinde gaz oluşumuna neden olarak;
• daha önce erimiş metalde çözünmüş olan gazın çökelmesine neden olarak.

Erimiş metal kabarcıkları stabilize etmek için yüksek sıcaklıkta köpürtücü etmenler (nano veya mikrometre boyutlu katı parçacıklar) gereklidir. Gözeneklerin veya hücrelerin büyüklüğü genellikle 1 ile 8 mm’dir. Köpük ya da üfleme maddeleri kullanıldığında, bunlar erimeden önce toz metal ile karıştırılır. Bu, köpürme denilen “tozlu yol” dır ve muhtemelen endüstriyel açıdan en belirgin olanıdır.

Metal (örneğin alüminyum) tozları ve köpürtme etmeni (örn: TiH2) karıştırıldıktan sonra, kütük veya tel şeklinde olabilen kompakt, katı bir prekürsör halinde sıkıştırılır. Prekürsörlerin üretimi, toz presleme, ekstrüzyon (doğrudan veya uygun) ve yassı haddeleme gibi materyal oluşturma işlemlerinin bir kombinasyonu ile yapılabilir.

Kompozitler

Kompozit metal köpük (CMF), bir metalin içi boş boncuklarından, bir alüminyumun içindeki bir katı matriks içindeki, örneğin alüminyum içindeki çelikten, yoğunluk oranına 5 ila 6 kat daha fazla kuvvet ve önceki metal köpüklere göre 7 kat daha fazla enerji emilimi göstermesiyle oluşturulmuştur.

Uygulamaları

 Otomotiv Endüstrisi: Alüminyum metal köpükler hafif ve sağlam olmalarından dolayı otomotiv sektöründe arabaların ağırlıklarının azaltılmasında oldukça kullanışlıdır. 3 boyutlu sandviç paneller arabalardaki orijinal çelik panellerden yaklaşık olarak 8 kat daha sağlam olup, %25 daha hafiftir. Ayrıca Alüminyum köpükler otomotiv sanayisinde araçlardaki çarpışma emicilerde kullanılmaktadır. Bunun sonucunda çarpışma kutuları geliştirilmiştir. Bu çarpışma kutuları darbe tamponuyla ön korkuluk arasında yer almaktadır.

 

Gürültü Kontrolü: Ses emilimi ve yalıtımı otomotiv endüstrisi için önemli bir konudur. Alüminyum metal köpükler çok iyi ses yalıtımlarından dolayı bu sektörde kullanılmaktadır. Örnek olarak viyadük altına levha halinde konan ALPORAS köpük metal yapısı viyadük altından geçen araçların seslerini emerek gürültü kirliliğini ortadan kaldırmaktadırlar.

 

Hava ve Uzay Endüstrisi: Uzay sanayisi de alüminyum köpüklerin uzay araçları iniş takımlarında, enerji emen çarpışma malzemesi olarak kullanılmasını geliştirmektedir. Şekil 5’te sandviç köpük panelden yapılmış bir roket konisinin resmi gösterilmiştir. Alüminyum köpükler, uçak gövde ve helikopter kuyruk elemanlarında kullanılmaktadır.

Gemi İnşa Endüstrisi: Hafif-ağırlıklı yapılar gemi inşa sektöründe dev bir yere sahiptir. Modern yolcu gemileri bütünüyle alüminyum ekstrüzyon, alüminyum levha ve alüminyum bal peteği yapılarından oluşmaktadır. Köpük metallerin gemi uygulamaları, ambar platformları, gemi bölmeleri, anten platformları ve fişek ambarları gibi alanları kapsamaktadır

Yapı Endüstrisi: Alüminyum köpük ve köpük paneller asansörlerin enerji tüketimlerini azaltmak için oldukça yardımcı olmaktadır. Çok hızlı modern asansörlerde hafif-ağırlıklı inşa çok önemlidir. Bununla beraber, hafif ağırlıklı inşa tekniği güvenlik kurallarına uymalıdır. Yangın duvarları ve çıkışları zayıf termal iletkenliği ve yangın direnci olan alüminyum köpük malzemelerle yapılmaktadır

Spor Malzemeleri: Spor teçhizatları bu sektör için yüksek sayılabilecek maliyetlerine rağmen, uygulamaya değer alanlar bulmuştur. Spor malzemelerinde, futbolcular için kaval kemiği koruyucuları (tekmelik) yapımında iyi enerji emiliminden dolayı alüminyum köpük kullanımı örnek olarak verilebilir.

Isı Değiştiriciler (Eşanjör): Korozyon direnci, yüksek termal iletkenliği gibi özelliklerinden dolayı açık hücreli alüminyum ve bakır bazlı köpük metaller ısı değiştirici olarak kullanılabilirler. Kapalı hücreli köpük metaller ise düşük termal iletkenliklerinden dolayı termal kalkan olarak kullanılırlar. Bu uygulamaya örnek olarak, yekpare soğutma radyatörleri ve bilgisayar çipleri ile güç elektroniği için mikro elektronik cihazlar verilebilir. Şekil 6’da metal köpük matrisi içine gömülmüş tüplerden oluşturulan gelişmiş yüksek sıcaklık radyatörü görülmektedir.

 

Filtreler: Katı parçacıkları gaz veya sıvıdan veya iki sıvıyı birbirinden ayırmak için, büyük depo hacminden dolayı açık hücreli alüminyum köpük metaller kullanılabilir.

(1) için bkz:https://everipedia.org/wiki/Square-cube_law/

Kaynaklar: https://everipedia.org/wiki/Metal_foam/

http://www1.mmo.org.tr/resimler/dosya_ekler/986c3c8cff7aca5_ek.pdf

http://omd.org.tr/teknik-yazilar

Ayrıca bkz: https://youtu.be/8FHTK2LZNTY