Metalik Köpük Malzemeler ve Uygulama Alanları

Transkript

1 Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) Cilt: 2, No: 1, 2010 (49-58) Electronic Journal of Vehicle Technologies (EJVT) Vol:2, No:1, 2010 (49-58) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: X Teknik Not Metalik Köpük Malzemeler ve Uygulama Alanları İbrahim YAVUZ * Afyon Kocatepe Üniversitesi Tek. Eğt. Fak. Metal Eğt. Böl., Afyonkarahisar/TÜRKİYE iyavuz@aku.edu.tr Özet Metalik köpükler malzemeler, üstün mekanik özellikler ile günümüzdeki önemi giderek artmaktadır. Metalik köpükler; yüksek enerji absorbe kabiliyeti, düşük yoğunluk, ısıl izolasyon, elektrik iletkenliği, titreşim azaltma ve kimyasal süzme gibi özelliklerinden dolayı çok çeşitli mühendislik alanlarında kullanılmaktadırlar. Hücresel metallerin yapısal kullanım alanları arasında otomotiv, demiryolu ve inşaat endüstrileri, uzay araçları, gemi ve spor malzemeleri yapımı ve biyomedikal uygulamalar; işlevsel kullanım alanları arasında ise filtreleme ve ayırma, ısı dönüştürücü, soğutma sistemleri, elektrokimyasal uygulamalar, su arıtma, sıvı muhafaza ve iletimi gibi uygulamalar sayılabilir. Bu çalışmada metalik köpüklerin ayrıntılı olarak kullanım alanları hakkında bilgi verilecektir. Anahtar Kelimeler: Metalik Köpükler, Hücresel Metaller, Metalik Köpük Uygulamaları 1 METALİK KÖPÜKLER Teknolojinin ilerlemesi ile birlikte malzeme bilimin de önemli gelişmeler yaşanmaktadır. Malzeme biliminin son gelişmeleri arasında metalik köpükler önemli bir yer tutmaktadır. Metalik köpükler, süngerler gibi gözenekli yapıya sahiptir. Doğal bir ürün değildir. Gözenekli yapı, bazı işlemler uygulandıktan sonra meydana gelir. Doğal köpük ile hiçbir ilgisi olmamasına rağmen görünüm ve bazı özelliklerinden dolayı "metalik köpük" diye adlandırılırlar. Metalik köpüklerle ilgili çalışmayı ilk defa Sosnik, 1948 yılında alüminyum içerisinde civa buharlaştırarak yapmış daha sonra Elliot 1951 yılında aynı metodu tekrarlayarak metalik köpüğü üretmiştir. Daha sonraki yıllarda metalik köpüklerin veya diğer gözenekli metalik yapıların üretim imkanları yeniden gözden geçirilmiştir [1] Gözenekli yapıların yalıtım, paketleme ve filtreleme gibi uygulamalar için çok uygun olduğu bilinmektedir. Ancak bu tür malzemelerin yapısal amaçlarla kullanılabileceğine inanmak oldukça güçtür. Binlerce bilimsel çalışma dökümle üretilen malzemeleri, toz metalürji ürünlerini, kaynak dikişlerini ve kaplamaları tamamı ile gözeneksiz yapabilmek için yürütülmektedir [2]. Oysa köpükler ve diğer yüksek gözenekliliğe sahip hücreli malzemeler yüksek mekanik enerji emebilme kapasitesi, yüksek rijitlik ve çok düşük özgül ağırlık gibi fiziksel ve mekanik özelliklerin birleşimine sahip oldukları için doğa tarafından da yapısal ve işlevsel amaçlarla sıkça kullanılmaktadır (ör. kemik ve ağaç yapıları) [3]. İnsanoğlu da yüzyıllardır doğal gözenekli malzemeleri yapısal amaçlarla kullanmaktadır. Mısır piramitleri en az 5000 Bu makaleye atıf yapmak için Yavuz İ Metalik Köpük Malzemeler ve Uygulama Alanları, Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 2010, (1)49-58.

2 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) Metalik Köpük Malzemeler ve Uygulama Alanları yıllık ahşap malzeme içermektedir. Doğal mantarlar Roma devrinden beri (M.Ö. 27) şarap şişelerinde tıpa olarak kullanılmaktadır [4]. Günlük hayatta en sık karşılaştığımız gözenekli malzemeler, tek kullanımlık sıcak içecek bardaklarından hava araçlarındaki çarpma yastıklarına kadar çeşitli uygulamalarda kullanılan polimerik köpüklerdir [4]. Seramik köpük malzemeler ise katalitik reaktörler, güneş enerjisi jeneratörleri, dizel egzoz ve döküm filtreleri gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır [5]. Ancak yük taşıma amacı ile üretilen köpüğün malzemesi dikkatli seçilmelidir. Yapısal işlev için polimerler yetersiz mukavemette iken seramik malzemeler fazla kırılgan yapıdadır. Dolayısıyla metalik malzemeler yük taşıyıcı köpükler için en uygun özelliklere sahiptirler [2]. Özellikle alüminyum esaslı metalik köpükler, çeşitli mühendislik uygulamalarında kullanım alanı bulabilen malzemeler olarak son yıllarda oldukça ilgi çekmektedir. Alüminyum köpükler, darbe enerjisini plastik enerjiye dönüştürebilirler ve birçok metalden daha fazla enerji absorbe edebilirler. Tüpler içerisine dolgu malzemesi olarak konulduklarında emilen toplam enerji köpük ve tüpün ayrı ayrı emdiği enerjinin toplamından daha büyüktür (6-7). Hücresel metaller birçok üstün özelliklerinden dolayı hemen hemen tüm sektörde kullanım alanı bulmuştur. Metalik köpüklerin enerji absorbe kabiliyetlerinin yüksek olması, düşük yoğunluk, ısıl izolasyon, elektrik iletkenliği, titreşim azaltma ve kimyasal süzme gibi özelliklerinden dolayı çok çeşitli mühendislik alanlarında kullanılmaktadırlar. Gelişen teknoloji paralelinde hassas üretimi ve üretim yöntemlerindeki hızı arttırmış, maliyeti düşürmüştür. Bu gelişim ile birlikte tekrar gündeme gelen köpük malzemeler ilk olarak otomotiv sektöründe darbe sönümleyiciler olarak kullanılmaya başlanmış ve şu anda hali-hazırda birçok otomotiv firmasının standart malzemesi olarak ambar ve stoklarda yerini almıştır. Üç boyutlu gözenek yapısına sahip malzemelerin, diğer bir deyişle köpüklerin, mekanik özellikleri açık veya kapalı gözenek yapısına sahip olmalarına bağlıdır. Gözenekler birbirlerinden izole halde, bir başka deyişle, her bir gözenek hücre duvarı ile birbirinden ayrılmış ise bu tip köpükler kapalı hücreli köpükler olarak adlandırılır [2-4]. Özellikle kapalı hücreli yapılar otomotiv, havacılık ve diğer endüstri uygulamaları için idealdir. Döküm şeklinde kalıplanıp üretilebilirler. Bunun anlamı, açık hücreli yapıda bulunmayan bir dış kabuk ile şekillendirilmiş olmalarıdır. Açık hücreli köpük ise gözenekleri arasında bağlantı olan köpüklere denir. Elbette ki her köpük tamamen açık ya da tamamen kapalı gözenek yapısına sahip değildir. Birçok gözenekli malzeme her iki türden de gözeneği barındırır [2-4]. Açık hücreli ve kapalı hücreli köpük metaller. Açık hücreli metalik köpükler özellikle pil elektrotları, ısı değiştiriciler ve filtrelerde kullanılmaktadır. 2. KÖPÜK METALLERİN KULLANIM ALANLARI ve UYGULAMALARI Köpük metaller birçok iyi özelliğinden dolayı kendilerine değişik endüstri kolunda pek çok kullanım alanı bulmuştur. Köpük metallerin hücre yapısına göre (açık veya kapalı olusu) kullanım alanları değişmektedir. Köpük metallerin kullanım alanlarını, hücre çeşidi ve uygulama alanlarına göre (yapısal ve fonksiyonel) sınıflandırabiliriz (Sekil 1) 50

3 Yavuz İ. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) Yapısal Bio-medikal Uygulamaları Yük Yatak Parçaları Darbe Emiciler Uygulama Çeşidi Katalizör Destekleyiciler Ses Azaltıcılar Ses Emiciler Filtreler Fonksiyonel Isı Değiştiricisi Rulmanlar Açık Kısmen Açık Kapalı Gözenek Çeşidi Şekil 1. Köpük metallerin kullanım alanları [3]. Birçok uygulamada basta alüminyum olmak üzere magnezyum ve titanyum köpük metaller tercih edilmektedir [3]. 2.1 Köpük Metallerin Yapısal Uygulamaları Otomotiv Endüstrisi Şekil 2 otomotiv endüstrisinde, üç uygulama alanında kullanılan metalik köpükleri (özellikle alüminyum köpükler) özetlemektedir. Burada daireler üç uygulama alanını, dıştaki kutularda o alandan sorumlu köpük özelliklerinin avantajını göstermektedir. İdeal olanı parçanın üç özelliği de içerebilmesidir (hafif yapı, enerji emilimi ve sönüm özellikleri) üç dairenin kesişimi Şekil 2. Otomotiv alanında yapısal uygulamalar [8]. 51

4 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) Metalik Köpük Malzemeler ve Uygulama Alanları Hafif-Ağırlıklı Yapılar Hafif ve sağlam alüminyum sandviç yapılar arabaların ağırlıklarını azaltmak için yapılan çalışmalara oldukça yardımcı olmuştur. 3 boyutlu bu sandviç paneller arabalardaki orijinal çelik panellerden yaklaşık olarak 8 kat daha sağlam olup, %25 daha hafiftir [9]. Alüminyum sandviç paneller alüminyum yüzey plakaların üzerine köpük öncü kütüğü giydirilmesi ile oluşturulur. Daha sonra plaka, köpürtücü ajanın etkin olması için ısıtılır. Bu köpük çekirdek yapı kalınlığının yaklaşık %400 genişlemesine ve %80 gözeneklilikte bir yapıya neden olur [10]. Sekil 3 de alüminyum sandviç yapı görülmektedir Çarpışma Enerjisi Emilimi Sekil 3 Alüminyum hafif-ağırlıklı sandviç panel örneği [8]. Alüminyum köpüklerin otomotiv sanayindeki uygulamalarına bir diğer örnek çarpışma emicilerdir. Birçok şirket yolcuları koruyarak, arabada meydana gelebilecek hasarı azaltıp dolayısıyla tamir masrafını indirgemek için çeşitli çalışmalar yapmıştır. Bunun sonucunda çarpışma kutuları keşfedilmiştir (Sekil 4). Bu çarpışma kutuları darbe tamponuyla ön korkuluk arasında yer almaktadır. Bu kutular 15 km/s hızdaki bir çarpışmada bütün enerjiyi emerek deforme olurlar ve arabanın şasisinde meydana gelebilecek daha pahalı bir hasarı önlerler [8]. Sekil 4 Çarpışma kutusu örnekleri[8]. 52

5 Yavuz İ. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) Enerji emiciler aynı zamanda ray bazlı sistemlerde de kullanılmaktadır. Buna bir örnek olarak otorayları verebiliriz. Tramvaylarda, yayalara çarparak araç altında sürüklenmelerini engellemek için koruma olmalıdır. Aynı zamanda, arabalarla temas gibi hafif çarpışmalardan korunmak için etkili çarpışma koruması gereklidir. Almanya da bulunan 3 şirket (Siemens, Hübner ve Schunk Sintermetalltechnik ) tarafından tasarlanan tramvaylarda kullanılacak çarpışma emici sistemi Sekil 4 de görülmektedir. Sekil 4. Tramvaylar için çarpışma emici yapı [8]. Bu yapı, ekstrüze tozlar tarafından endirekt olarak köpüren alüminyum köpük çekirdek tarafından oluşturulmuştur. Bir başka örnek olarak LKR (Avusturya) ve BMW tarafından alüminyum köpük metali kullanılarak montaj bloğu geliştirilmiştir (Sekil 5). Sekil 5 LKR ve BMW tarafından geliştirilmiş motor blok örneği, soldan sağa; bos döküm, alüminyum köpük çekirdek içeren yekpare parça, kesit görüntü [8] Gürültü Kontrolü Ses emilimi ve yalıtımı otomotiv endüstrisi için çok önemli bir konudur. Alüminyum köpük metaller çok iyi ses yalıtımlarından dolayı bu sektörde kullanılmaktadırlar. Buna örnek bir uygulama sekil 3.9 da görülmektedir [11]. 53

6 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) Metalik Köpük Malzemeler ve Uygulama Alanları Sekil 6 Viyadük altında ses emen levha yapı[11]. Viyadükün altına levha halinde konan ALPORAS köpük metal yapısı viyadük altından geçen araçların seslerini emerek gürültü kirliliğini ortadan kaldırmaktadır [11] Hava ve Uzay Endüstrisi Köpük metallerin hafif-ağırlıklı yapılarının kullanımı otomotiv ve hava-uzay endüstrisinde birbirine çok benzemektedir. Uzay ve havacılık endüstrisi de köpük metal sandviç panelleri yüksek performansı daha ucuza sağladıkları için tercih etmektedir. Boeing (A.B.D.) alüminyum köpük çekirdekli alüminyum sandviç panelleri helikopter kuyruk çubuklarında kullanım yolları geliştirmiştir. Helikopter üreticileri alüminyum köpük metalleri bazı baksa parçaların yerine kullanmayı denemektedirler. Şekil 7 Sandviç köpük panelden (AFS) yapılmış Ariane5 roket konis [12] Uzay sanayisi de alüminyum köpüklerin uzay araçları iniş takımlarında, enerji emen çarpımsa malzemesi olarak kullanılmasını geliştirmektedir [8] 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. Alüminyum köpük çekirdekli sandviç paneller bu uygulamalardan bazılarında söz sahibi olacaktır. Eğer yüzey tabakaları çekirdek malzemesiyle oldukça elastik olan poliüretan yapıştırıcılarla bağlanırsa, mükemmel sönüm davranışlı hafif ve sağlam bir yapı elde edilir. Köpük metallerin gemi uygulamaları, ambar platformları, gemi bölmeleri, anten platformları ve fişek ambarları gibi alanları kapsamaktadır [8]. 54

7 Yavuz İ. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) 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, hafifağırlıklı inşa tekniği güvenlik kurallarına uymalıdır. Yangın duvarları ve çıkışları zayıf termal iletkenliği ve yangın direnci olan alüminyum köpük malzemelerle yapılmaktadır [8] Spor Malzemeleri Spor teçhizatları bu sektör için yüksek sayılabilecek maliyetlerine rağmen, uygulamaya değer alan bulmuştur. Spor malzemelerinde, futbolcular için kaval kemiği koruyucuları (tekmelik) yapımında iyi enerji emiliminden dolayı alüminyum köpük kullanımı örnek olarak verilebilir (Banhart, 2001). 2.2 Köpük Metallerin Fonksiyonel Uygulamaları Isı Değiştiriciler (Esanjör) 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 [8]. Sekil 3.10 da metal köpük matrisi içine gömülmüş tüplerden oluşturulan gelişmiş yüksek sıcaklık radyatörü görülmektedir. Sekil 8 Köpük metal ısı değiştirici [2]. Yüksek güç elektronik uygulamasına örnek olarak silisyum mikroçiplerin basınçlı devir daim ile soğutulması gösterilebilir. Silisyum mikroçipler yüksek güç yoğunluğunda çalışırlar (107 W/m2 nin üzerinde) ve sıcaklıklarının düşük seviyede tutulması gerekir. Sekil 3.11 de görülen sistem yardımıyla soğutma başarılabilmektedir. 55

8 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) Metalik Köpük Malzemeler ve Uygulama Alanları Sekil 9 Açık hücreli köpük metal boyunca basınçlı devir daim ile soğutulan çoklu-çip modül dizaynı Sekil 3.11 de görüldüğü gibi çipler açık hücreli köpük metal sandviç yapının üzerinde bulunan iki plakanın üzerine yerleştirilmiştir. Basınçla devir daim edilen soğuk hava çipleri soğutmaktadır Su Arıtıcılar Köpük metaller, suda çözünmüş istenmeyen iyonların konsantrasyonunu azaltmak için kullanılabilir. Bu uygulamada, su açık hücreli köpük metal yapı içerisinden akıtılır. İyonlar ile hücresel matris yapısı redoks reaksiyonuyla tepki gösterir. Hassas döküm ile üretilmiş alüminyum köpük metal yardımıyla, Cr (VI) iyonlarının redüksiyonu literatürde araştırılmıştır [8] Susturucular Gürültüyü azaltmak için (örneğin, kompresörler için pnomatik aletlerde), Sekil10 da örneği görülen uygun susturucular kullanılarak gerçekleştirilebilir [8] Filtreler Sekil 10 Alüminyum köpükten yapılmış susturucular[8]. Katı parçacıkları gaz veya sıvıdan veya iki sıvıyı birbirinden ayırmak için, büyük depo hacminden dolayı açık hücreli alüminyum köpük metaller kullanılabilir [8] Alüminyum Köpük Metallerin Dekorasyon ve Sanatsal Uygulamaları Alüminyum köpükler süslü mobilyalar, saatler, lambalar gibi alanlarda kullanım olanağı bulmuştur. Eğer sandalye ve masalar alüminyum köpüklerden üretilirse, mekanik özellikleri oldukça iyi bir hale 56

9 Yavuz İ. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) gelecektir. Yüksek fiyatlı hoparlör sistemleri alüminyum köpük metallerden yapılabilir. Alüminyum köpük kullanımım sadece yüksek sağlamlık ve mekanik özellikler sağlamaz aynı zamanda geleneksel eşyalara göre daha çekicidir [8]. 3. SONUÇLAR Metal köpükle doldurulmuş boru profiller burkulma süresince düzgün şekilde deforme olması ve çok yüksek enerji absorbe etme özellikleri nedeniyle otomotiv endüstrisinde şase aksamında kullanılabilir. Aynı zamanda metalik köpüklerin yapısının gözenekli olması sebebiyle darbe absorbe etme özelliğinin yanı sıra ses absorbesi, filtreleme ve ısı yalıtımı gibi birçok önemli özellikleri vardır. Metal köpüklerin bahsedilen bu özelliklerinden dolayı otomotiv endüstrisinde tercih edilebilirler. Metalik köpüklerin üstün mekanik özelliklerinden dolayı taşıtlarda; kapı direkleri, tampon gibi darbeye maruz kalan bölgelerde, ayrıca hafilikleri sebebiyle kapı, panel gibi parçalarda kullanımı üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Metalik köpük malzemelerin üretim maliyetinin fazla olması sebebiyle çalışmalar bu alanda yoğunlaşmaktadır. Farklı üretim metotları ve katkı maddeleri katılarak üretim maliyetleri en aza düşürülmeye çalışılmaktadır. Metalik köpük malzemelerin yakın zamanda güncel hayatımızda oldukça fazla yer alacağı ve hatta çok daha geliştirilerek savunma sanayisinde kullanılması üzerine çalışmalar devam etmektedir. Yapılan araştırmalar ve bunların sonucunda elde edilen sonuçlar metalik köpüklerin geleceğin en önemli malzemelerinden bir olacağını göstermektedir. 4. KAYNAKLAR 1. Alulight International Gmbh 2006, Alinium Foam Products, Product Technical Datasheet 2. DEGISCHER, H.-P. ve KRISZT, B., 2002, Handbook of Cellular Metals, roduction, Processing and Applications, Wiley-VCH, ISBN BANHART, J., 2001, Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams, Progress in Materials Science, 46, GIBSON, L. J. ve ASHBY, M.F., 1997, Cellular Solids, Second Edition, Cambridge Solid State Science Series, ISBN HARAFAT, S., GHONIEM, N., YING, A., SAWAN, M., WILLIAMS ve B., BABCOCK, J., 2004, Ceramic Foams: Inspiring new solid breeder materials, 12. International Workshop on Ceramic Breeder Blanket Interactions, Forschungszentrum Karlsruhe, Germany, September Hanssen A.G., Langseth, M., Happerstad, O.S., 2000, "Static and dynamic crushing of circuiar aluminium extrusions with aluminium foam fitler", lnt J. Of ImpactEng, 24 (5): Elbir, S., Yılmaz, S., Güden, M., 1999,"Kapah hücre alüminyum köpük metallerin üretim metotları ve mekanik özellikleri", TMMO Metalürji Dergisi, 23 (120):

10 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (1) Metalik Köpük Malzemeler ve Uygulama Alanları 8. Banhart, J., 2003, Aluminium Foams for Lighter Vehicles, International Journal of Vehicle Design, Yu, C. J., Eifert, H., Banhart, J., ve Baumeister, J., 1998, Metal Foams, Advanced Materials&Processes, Patrick, K., 2000, Ultra-Light Aluminium Foam Materials Offer Advantages in Automotive Applications, Idustrial Heating, Miyoshi, T., Itoh, M., Akiyama, S., ve Kitahara, A., (2000), ALPORAS Aluminium Foam: Production process,prpperties, and Applications, Advanced Engineering Materials (4): Banhart J., Seelinger H.W., Aluminium Foam Sandwich Panels: Metallurgy, Manufacture and Applications, 2008, 58