1. מהו קצף מתכת וקצף אלומיניום
במהלך ההיסטוריה, גילוי מתכת מוקצפת מהווה אבן דרך חשובה במהפכה של כל תחום הנדסת החומרים. קצף מתכת הוא חומר המורכב ממבנה מתכת בעל מספר רב של נקבוביות והוא מלא בגז לאורך המבנה [2]. הנקבוביות של קצפי מתכת אלו יכולות להיות מחוברות זו לזו או אטומות, והן נקראות קצף תאים פתוחים וקצף תאים סגורים, בהתאמה, כפי שמוצג באיור 2(א)(ב) [3]. ביניהם, החומר המוקצף מאלומיניום הוא כיום מתכת הקצף המבטיחה ביותר, בשל נקבוביות גבוהה, צפיפות נמוכה, משקל קל, חוזק גבוה, דחיסה טובה, ספיגת פגיעות חזקה, ביצועי ספיגת קול טובים וביצועי מיגון אלקטרומגנטיים טובים. ביצועים מצוינים, המכונה אפוא "כוכב המתכת" [4], בשימוש נרחב בשיטות עיבוד אחרות בתחומי הנדסת תעופה וחלל, ייצור ומדעי הפיזיקה.
איור 2. מאפיינים מבניים של אלומיניום מוקצף: (א) קצף אלומיניום בעל תאים פתוחים; (ב) קצף אלומיניום עם תאים סגורים [3]
2. גילוי אלומיניום מוקצף
לאורך ההיסטוריה, חומרים כמו עצם, עץ וספוג היו בשימוש נרחב במשך זמן רב. חוקרים רבים צופים כי התועלת של חומרים אלה קידמה את הייצור של חומרים מעשה ידי אדם כגון קצף מתכת. למרות שרוב טכנולוגיות ההקצפה הנמצאות כיום בשימוש הוצעו מאז שנות ה-50, מחקרים הראו שניתן לייחס את גילוי אלומיניום מוקצף לשנת 1926, כאשר מא דה מלר הזכיר לראשונה את הקצפת המתכת בפטנט צרפתי. מלר הציע פעם שניתן להשיג את תהליך הקצפת המתכת על ידי הכנסת גז אינרטי למתכת המותכת, או על ידי שימוש בחומר מקציף כמו קרבונט במתכת המותכת. למרות שזהו רק פטנט המבוסס על הרעיון, הוא מניח את הבסיס לשלבים הבאים הנדרשים בפיתוח קצף אלומיניום. ג'ון סי אליוט פיתח את הרעיון הזה 20 שנה מאוחר יותר, עיצב גרסה מעודכנת של הפטנט של מלר והציג את קצף האלומיניום הזמין הראשון, אשר בתורו תרם למסחור החומר ביפן בשנות ה-90. השחרור הניח את היסוד [5].
3. ביצועים ויישום של אלומיניום מוקצף
אלומיניום מוקצף היא מתכת בעלת נקבוביות גבוהה ומבנה נקבובי, שבה הנקבוביות האטומות מהוות כשלושה רבעים מהנפח הכולל של חומר המתכת, מה שהופך את החומר לקל מאוד [7]. בנוסף למאפיינים הנ"ל, אלומיניום מוקצף בעל גם מאפייני ספיגת אנרגיה מרשימים ויכולת דחיסה גבוהה [7]. לגבי הצפיפות, החוקרים מצאו כי הצפיפות של רוב דגימות אלומיניום מוקצף היא בערך 0.4-1.2 g·cm-3 [6]. בנוסף לאלומיניום מוקצף יש גם בליעת קול, יכולת מיחזור ומוליכות תרמית נמוכה [7].
מבחינת יישום, המיגון האלקטרומגנטי, המשקל הקל ותכונות הספיגה של קצף אלומיניום הופכים אותו למועמד אידיאלי עבור רכיבים המשמשים בהתקני היתוך גרעיני מבוקר, רכב, תעשיות תעופה וחלל ובנייה בגלל עמידותו בפני סביבות פיזיות קיצוניות. במכשיר ההיתוך הגרעיני הניתן לשליטה, קצף אלומיניום בתאים סגורים הוא חומר מיגון אלקטרומגנטי מצוין. בשל החיבור בין שלד קצף האלומיניום, יש לו שטח פנים ספציפי עצום ויכולת טובה לספוג ולהחזיר גלים אלקטרומגנטיים. מתרחשים הפסדים שונים, כגון אובדן ספיגה, אובדן השתקפות וכו', כך שלאלומיניום מוקצף יש ביצועי מיגון אלקטרומגנטיים מצוינים. יתרה מכך, נמצא גם כי יעילות המיגון האלקטרומגנטי של אלומיניום מוקצף הראתה מגמה של תחילה ירידה ולאחר מכן עלייה עם עליית תדר הגל האלקטרומגנטי [3]. בתעשייה האווירית, אלומיניום מוקצף משמש לייצור קונוסים או חלקי טורבינה. בשל האיכות הנמוכה של אלומיניום מוקצף, הוא שימושי במיוחד להפחתת המשקל הכולל של רכיבי מטוס [7]. וכחומר סופג אנרגיה מעולה, נעשה שימוש באלומיניום מוקצף לייצור החוצצים של החללית, בולמי הרטט ותחתית תא החזרה של החללית, כך שהחללית תוכל להגיע לנחיתה בטוחה ולהגן על בטיחות האסטרונאוטים וציוד החלל. באמצעות בלימת אנרגיה יעילה ובלימת זעזועים, אלומיניום מוקצף יכול להבטיח את שלומם של אסטרונאוטים תחת פגיעת נחיתת החללית, כפי שמוצג באיור 3 [8].
איור 3. מבנה חלקי משופר של הגל עמיד בפני פגיעה[8]
עור 1-עליון; מיתרי אלומיניום 2 קצף; עור 3-תחתון
בתעשיית הרכב, אלומיניום מוקצף עוזר להפחית את המספר הכולל של החלקים המשמשים במסגרת, הופך את תהליך ההרכבה ליעיל יותר, ובסופו של דבר עוזר להפחית עלויות ולשפר את הביצועים [7]. כיום, אלומיניום מוקצף משמש בסורגים נגד התנגשות, קורות וקורות דלת במבני מרכבי רכב בשוק, כפי שמוצג באיור 4 [9-10].
איור 4. (א) הוא תרשים של חלקים סופגי אנרגיה חלקית של גוף המכונית;
(ב) תרשים סכמטי של מוט אלומיניום קצף נגד התנגשות
בענף הבנייה, השימוש העיקרי באלומיניום מוקצף הוא כמחסום מגן ועמיד בפני אש למניעת רעשים קשים. היישום האופייני של קצף אלומיניום בתאים סגורים בארכיטקטורה הוא ה- Shanghai SOHO Fuxing Plaza. המעצב משתמש בכמות גדולה של אלומיניום מוקצף כדי לספוג ולבודד קול, כפי שמוצג באיור 6 [11].
הגילוי של אלומיניום מוקצף נחשב להישג יוצא דופן. חומר האלומיניום המוקצף משלב ביצועי מיגון אלקטרומגנטיים מצוינים, משקל קל, צפיפות נמוכה, בלימת זעזועים וספיגת אנרגיה, כך שיש לו ביצועים טובים מאוד בתעשיות שונות כיום. ישימות רחבה. מעניין שאלומיניום מוקצף הוא גם מוצר ידידותי לסביבה שניתן למחזר, מה שאומר שהוא חומר בר קיימא וצפוי לשמש בכמויות גדולות ביישומים תעשייתיים עתידיים.
זמן פרסום: 30 בנובמבר 2021
