کاربرد فوم فولادی در جذب انرژی

کاربرد فوم فولادی در جذب انرژی

فوم فولادی یک ماده “دو کاره” سلسله مراتبی است که دارای نسبت استحکام به وزن فولاد و جذب انرژی ویژه فوم است. نوعی فوم فلزی است و در اصطلاح فوم فلزی به هر نوع فلزی گفته می‌شود که از تعداد زیادی سلول حاوی گاز تشکیل شده باشد. این نوع فوم از فولاد تولید می شود و به همین دلیل به عنوان ماده ای که هم قوی و هم بادوام با چگالی نسبتا کم عرضه می شود. این باعث می شود که فوم فولادی به یک ماده جالب در این خانواده گسترده تر تبدیل شود. این ویژگی آن را برای هر صنعتی که به مقاومت در برابر ضربه، ظرفیت جذب ضربه، کاهش استحکام و وزن‌های سبک‌تر نیاز دارد، مناسب می‌کند. در این مقاله با ویژگی های فوم فولادی، تکنولوژی تولید آن، مزایا و کاربردهای احتمالی آن آشنا می شویم.

فوم فولادی چیست؟

فوم فولادی به ماده‌ای گفته می‌شود که عمداً از فولاد ایجاد شده است و در طول فرآیند تولید آن حاوی گاز محصور شده یا عامل کف‌کننده است. نتیجه ایجاد ساختاری با مساحت سطح قابل مقایسه با مواد یاتاقان فوم معمولی همراه با مزایای خواص فلزی فولاد. در حالی که فوم فولادی می تواند در یک زنجیره چگالی از چگالی کم تا چگالی بالا وجود داشته باشد، علاوه بر خواص ساختاری، به کاربرد خاص و میزان جذب انرژی مورد نیاز تنظیم می شود.

جذب و اتلاف انرژی یکی از ویژگی های فوم فولادی محسوب می شود. به عنوان مثال، تحت ضربه یا ارتعاش، فوم فولادی به گونه‌ای تولید می‌شود که انرژی را هدر می‌دهد و در نتیجه بخش عمده‌ای از نیروی درون سیستم را از بین می‌برد. این ماده آن را به ماده ای عالی برای محافظت از قطعات ظریف دستگاه در برابر آسیب دیدن در هنگام ضربه یا تصادف تبدیل می کند.

I. خواص فوم فولاد

فوم فولادی دارای چندین ویژگی است که آن را منحصر به فرد و برای طیف گسترده ای از کاربردها مناسب می کند:

سبک وزن: فوم فولادی که از فولاد ساخته شده است، به دلیل ساختار لانه زنبوری خود از فولاد جامد سبک تر است. این به نوعی به کاهش وزن مواد کمک می کند و در عین حال چقرمگی و استحکام و دوام را بهبود می بخشد.

جذب انرژی بالا: به طور خاص، قابلیت جذب و اتلاف انرژی فوم فولادی در هنگام ضربه نسبتاً زیاد است. این باعث می شود که برای استفاده در مواد مقاوم در برابر تصادف، سپرهای محافظ و هر کاربرد دیگری که به جذب انرژی بستگی دارد، مناسب باشد.

استحکام و دوام: فولاد همچنین به عنوان قوی و سفت و یا حتی مقاوم تر در برابر فعالیت هایی مانند خوردگی شناخته شده است. هنگامی که با فوم مخلوط می شود، چنین ویژگی هایی را حفظ می کند. از این رو فوم فولادی یک ماده قوی است که می تواند برای محیط های شدید مناسب باشد.

عایق حرارتی و صوتی خوب: ویژگی های عایق حرارتی و صوتی به دلیل ساختار اعلام شده فوم فولادی بسیار مطلوب است. حفره های کوچک هوا در فوم به عایق شدن در برابر گرما یا صدا کمک می کند که آن را به محصولی مناسب برای کاهش صدا یا گرما تبدیل می کند.

قابلیت سفارشی سازی: با توجه به سه ویژگی ذکر شده، یعنی چگالی، اندازه منافذ و ضخامت فوم فولادی به راحتی برای کاربردهای مختلف قابل تغییر است. با توجه به این انعطاف، مواد به طور گسترده در صنایع با نیازهای پیچیده استفاده می شود.

II. روش های تولید فوم فولادی

در این مقاله چندین روش برای تولید فوم فولادی و مزایا و معایب مربوط به هر یک ارائه شده است. متداول ترین روش ها عبارتند از:

الف روش متالورژی پودر: در این روش، پودر فولاد با یک عامل کف کننده مخلوط می شود و تا دمایی که عامل کف کننده باعث انبساط پودر می شود، پخته می شود. این منجر به ایجاد یک معماری متخلخل می شود. اطلاعات متون نشان می دهد که اندازه و توزیع منافذ را می توان از طریق تغییر دما، فشار و نوع عامل کف کننده تغییر داد. این روش در هنگام تشکیل فوم های فولادی با ویژگی های مشابه استفاده می شود.

ب روش ریخته‌گری: در ریخته‌گری، فولاد مذاب را همراه با تعدادی مواد تخصصی که به مواد کف‌کننده معروف هستند به قالب اضافه می‌کنند. عامل، فولاد مذاب را هنگام سرد شدن می جوشاند و سپس با ساختاری فوم مانند جامد می شود. این فرآیند معمولاً در جایی اعمال می شود که فوم بزرگ و سنگین فولادی برای کاربرد مورد نیاز است.

ج. روش کف کردن مستقیم: این روش با عبور گاز (مانند هیدروژن) به طور مستقیم به فولاد مذاب انجام می شود و هزینه زیادی برای اجرا دارد. حباب‌های گاز با سرد شدن و سخت شدن فولاد، کف ایجاد می‌کنند که گاهی ساختار فولاد حاصل را ضعیف می‌کند. اندازه منافذ را می توان با تنظیم جریان گاز و دما تا حد مشخصی مدیریت کرد.

د روش الکتروشیمیایی: در اینجا، یک عامل کف کننده به صورت الکتروشیمیایی در یک سطح فولادی گنجانده می شود. این منجر به ایجاد یک لایه فوم بر روی سطح فولاد می شود که فعالیت آن به بهینه سازی سرعت انتقال حرارت کمک می کند. اگرچه این روش می‌تواند لایه بسیار نازکی از فوم ایجاد کند، اما در کاربردهای خاص مانند پوشش‌ها و عملیات سطوح کاملاً قابل استفاده است.

III. مزایای فوم فولادی

ویژگی های منحصر به فرد فوم فولادی در انواع مختلف کاربردها بسیار ارزشمند است. برخی از مزایای کلیدی عبارتند از:

۱. بهبود بهره وری انرژی: این مقاله همچنین خواص خوب فوم فولاد را برای مناطق کاربرد اتلاف انرژی از جمله تصادف خودرو، بسته بندی کالاهای شکننده و حفاظت نشان می دهد. بنابراین فوم فولادی انرژی ضربه را روی دیگر مجموعه‌های فرعی مجزا کاهش می‌دهد و در نتیجه بازده انرژی کل را افزایش می‌دهد.

۲. کاهش وزن: در نتیجه فوم فولادی وزن کل سازه ها یا محصولات را کاهش می دهد، هرچند که باعث افزایش اندازه آنها می شود. فوم فولادی می تواند در زمینه های کاربردی حساس به وزن از جمله کاربردهای هوافضا، خودروسازی، ساخت و ساز و غیره ارزش ایجاد کند.

۳. ایمنی افزایش یافته: کاربردهای ایمنی فوم فولادی شامل استفاده از قابلیت جذب انرژی ضربه ای آنها می شود. در صنایع خودروسازی و حمل و نقل، از فوم فولادی در قطعات تصادف، سپرهای خودرو و مواد مدیریت انرژی استفاده می‌شود تا آسیب سرنشینان در خودرو و آسیب اموال در زمان وقوع تصادف به حداقل برسد.

۴. مزایای زیست محیطی: در مقایسه با سایر مواد ساخت، تولید فوم فولادی می تواند سازگار با محیط زیست باشد به این معنا که می توان آن را با استفاده از ضایعات فولاد بازیافت کرد. در همین راستا، ویژگی سبک وزن آن منجر به کاهش قدرت لازم برای حمل و نقل مواد و تولید آن می شود.

۵. مقرون به صرفه بودن: با این حال، هزینه های اولیه مربوط به تولید فوم فولادی ممکن است در مقایسه با مواد سنتی مانند فوم های فلزی بیشتر باشد. با این حال، ویژگی های جذب انرژی، وزن و مزایای ایمنی بیشتر از هزینه های گزینه در دراز مدت است. به عنوان مثال در یک صنعت خودرو، استفاده از فوم فولادی باعث افزایش طول عمر خودرو، صرفه جویی در هزینه سوخت با سبک کردن خودروها می شود.

کاربردهای فوم فولادی

ویژگی های فوم فولادی توضیح می دهد که چرا می توان از آن در عملکردهای متعدد در بخش های مختلف استفاده کرد. برخی از کاربردهای قابل توجه عبارتند از:

صنعت خودرو: کاربردهای خودرویی با استفاده از فوم فولادی ایمنی و حفظ انرژی است. آنها را می توان در گلگیرها، اعضای تصادف و اتلاف انرژی ضربه ای استفاده کرد. از این رو، از طریق انقباض انرژی در برخورد، فوم فولادی باعث کاهش تلفات ساختار خودرو و تعداد تلفات در بین مسافران می شود. همچنین باعث کاهش وزن کل خودرو می شود و در نتیجه مصرف سوخت خودرو را بهبود می بخشد.

صنعت هوافضا: معمولاً کاربردهای هوافضا به کاهش وزن نیاز دارند و اجزای آن برای استحکام و دوام بالا مورد نیاز هستند. ویژگی های سبک وزن و استحکام بالا فوم فولادی به این معنی است که می توان از آن در ساخت هواپیما به عنوان بال، بدنه، قطعات داخلی و موارد دیگر استفاده کرد. همچنین در برنامه هایی که نیاز به کاهش نویز موتور و صدای بدنه هواپیما دارند مفید است.

ساخت و ساز و مصالح ساختمانی: در ساختمان سازی از فوم فولادی به عنوان دیوارها، کف ها و به عنوان عایق های ضد ضربه استفاده می شود. ویژگی های مورد علاقه انرژی این ماده تا حد زیادی آسیب را در هنگام وقوع زلزله و همچنین اثرات غیرعمدی که آن را در توسعه سازه های مقاوم در برابر زلزله مرتبط می کند، به حداقل می رساند. همچنین فوم فولادی دارای خواص عایق حرارتی و صوتی است و در نتیجه باعث افزایش بهره وری انرژی در سازه های ساخته شده می شود.

بسته بندی محافظ: به این دلیل است که فوم فولادی در بسته بندی اعمال می شود. مواردی که ظریف هستند در طول زمان حمل و نقل محافظت می شوند. این باعث شده است که هنگام محافظت از وسایل الکترونیکی، ماشین آلات و سایر تجهیزات ظریف در برابر ضربه و ضربه ایده آل باشد. حمل و نقل سازه های پیش ساخته ساخته شده از فوم فولادی نیز به دلیل چگالی نسبتا کم مواد هزینه کمتری دارد.

تجهیزات ورزشی: فوم فولادی در کلاه ایمنی، تجهیزات بالشتکی و تجهیزات حفاظتی که در فعالیت های ورزشی استفاده می شود کاربرد دارد.

استفاده از این ماده در ساخت چرخ‌دنده‌های محافظ، آن را قادر می‌سازد تا در صورت ضربه، انرژی را جذب کند و در نتیجه ورزشکاران را از آسیب‌های شدید به‌ویژه در حین ورزش‌های ناهموار محافظت کند.

نتیجه گیری:

فوم فولاد ماده جدیدی است که در خودروسازی، هوانوردی، ساخت و ساز و بسیاری از زمینه های دیگر استفاده می شود. با به دست آوردن انرژی و ظرفیت جذب ضربه و حفظ توانایی کاهش وزن، راه حلی برای بسیاری از مشکلات در طراحی و مهندسی محصول است. در درازمدت با توجه به پیشرفت تکنولوژی، بسیاری از مردم بر این باور بودند که فوم فولادی چشم‌انداز خوبی در آینده دارد زیرا راه‌حل‌های جدیدی در جذب انرژی و کاهش وزن در زمینه‌های مختلف ارائه می‌کند. از اصلاح خودروها برای ایمن‌تر کردن آن‌ها، بهینه‌سازی عملکرد ساختمان‌ها یا حتی محافظت از ابزارهای شکننده‌ای که نیاز به حمل و نقل ایمن دارند را شامل می‌شود. به نظر می رسد فوم فولادی یک ماده سبک وزن ایده آل برای بازارهای جهانی فعلی است.