Metalik köpüklerin geçmişi 1940’lara kadar uzanmaktadır [13]. Hatta metalik köpükler hakkında 1950’lerin sonlarından 1970’lere kadar birçok patent yayımlanmıştır [14]. 1943 yılında Benjamin Sosnick civa yardımı ile alüminyum köpük üretimi girişiminde bulunmuştur. Bunun için Sosnick [15], ilk olarak alüminyum ve civa karışımını kapalı bir kapta, yüksek basınç altında ergitmiş daha sonra basıncı kaldırılınca civa, alüminyumun ergime sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta buharlaşarak köpük oluşumunu sağlamıştır. 1956 yılında ise J.C. Elliot [16] hidrür, karbonat, sülfat, hidroksit v.b. gibi köpürtücü maddeler sıvı metaller içersinde ayrıştırarak köpük malzeme üretimine katkıda bulunmuştur. Elliot yapmış olduğu çalışmada sıvı alüminyum içersine köpürtücü madde ajanı olarak TiH2 veya ZrH2 ilavesi ile ilk metalik köpük malzeme üretimini sağlamıştır. 1960 yılında ise Pahsak [17] altarnatif bir yol olarak ‘katı köpük hali’ adı altında ilave bir fikir geliştirmiştir.
Pahsak alüminyum veya magnezyum metal tozunu, MgCO3 veya CdCO3 tozları ile ilk olarak karıştırmış daha sonra ise presleyip ekstrüze etmiş ve bu yapıyı ergime noktasının altındaki bir sıcaklıkta ısıtarak hücresel yapılı malzemeyi üretmiştir.
1987 yılında ise ticari olarak Japon Shinko Wire Şirketi tarafından Alporas olarak adlandırılan tescilli ilk alüminyum metalik köpük malzeme üretilmiştir. Bu yöntem basit olarak ergiyik saf Al, viskozitesini artırmak amacıyla Ca karıştırılmış ve daha sonrasında son olarak içersine köpürtücü madde olarak (gaz meydana getiren madde) TiH2 eklenmesinden meydana gelmektedir [18,19].
1980-1990 yılları arasında da Hydro Aluminium (Norveç) ve Alcan firmaları tarafından ilk defa gaz enjeksiyon yöntemi ile alüminyum ve alüminyum alaşımlı metalik köpük malzemeler üretilmiştir [20]. Günümüzde ise metalik köpükler üzerindeki araştırmalar bilim adamları aracılığıyla devam etmektedir.
Metalik köpükleri en basit şekilde içersinde %70 ile %90 oranında gözenek olan gaz ve katı halde bulunan maddelerin bir birleşimi şeklinde tanımlayabiliriz (Resim 2.1).
Resim 2.1. a) AlMgCu alaşımlı metalik köpüğün X-ray tomogrofik görüntüsü b) Her bir gözeneğin bilgisayar destekli bölümleme ile oluşturulan görüntüleri [21]
Metalik köpükler yapısal olarak sahip oldukları gözeneğin; şekline, boyutuna, yoğunluğuna, anizotropik özelliklerine, açıklık ve kapalılık özelliklerine göre karakterize edilir. Bu bağlamda sahip oldukları gözeneğin yapısına göre sınıflandırıldıklarında açık veya kapalı gözenekli olmak üzere ikiye ayrılırlar. [22].
Metalik köpük malzemelerinin içersinde oluşan gözenekler (hücreler) birbirinden izole edilmiş biçimde ise kapalı hücreli metalik köpük malzeme eğer hücreler birbiri ile bağlantılı ise de açık gözenekli metalik köpük malzemeler denir (Resim 2.2).
Resim 2.2. Metalik köpüklerin makro fotografları (a) Kapalı gözenekli köpük (Alporas), (b) Açık gözenekli köpük (ERG) [23]
a) b)
Literatürde ve pratik kullanımda “metalik köpük” terimi ile alakalı bir anlam karışıklığı vardır. Metalik köpüklerin tam manasıyla ne oldugunu daha iyi anlayabilmemiz için aşağıdaki ifadeleri açıklamak daha yol gösterici olacaktır:
Hücresel Metaller: En kapsamlı kullanılan terimdir. Herhangi bir gazın metalik gövde içerisinde dağılarak boşluk oluşturduğu yapıdır.
Gözenekli Metaller: Genel bir terim olmasına rağmen metalik yapı çok sayıda özel gözeneklerden meydana gelmiştir. Gözenekler genellikle küreseldir ve birbiri ile bağlantısı yoktur.
Metalik Köpükler (Katı): Hücresel metallerin özel bir sınıfıdır. Metalik gövde içersindeki hücreler kapalı, küresel veya çokyüzlü (polihedral) ve her biri birbirinden ince bir filmle ayrılmış halde bulunabilir.
Metalik Süngerler: Genellikle birbirine bağlı gözeneklerin oluşturmuş olduğu hücresel metallerin özel bir yapısıdır [3,10,24]
Resim 2.3. Farklı tip hücresel metaller a) alüminyum metalik köpük
b) hücrelerin tek boyutta genleştiği demir esaslı hücresel metal c) metal sünger formu temsil eden sinterlenmiş bronz tozu d) alüminyum sünger
e) nikel sünger [25].
Metalik köpük araştırmalarını genel olarak iki ana katogoride sınıflandırabiliriz. İlk olarak köpürmenin fiziği, ikinci olarak ise yapı ve özelliklerin karektirezasyonu gelmektedir. Daha iyi metalik köpük üretmek maksadıyla metal köpük oluşumu ve kararlılık ilkesinin temelini anlamak için köpürebilmenin fiziğini çalışmak gereklidir.
Diğer taraftan özelliklerin karekterizasyonu köpük niteliklerinin değerlendirilmesine olanak sağlar ve uygulama alanları açılmış olur. Köpüklerin özelliklerinin araştırılması hususunda Şekil 2.1’de genel bir şablon oluşturulmuştur [26].
Şekil 2.1. Metalik köpüklerin araştırılma alanları [26]
Metalik köpüklerin birbirinden farklı üretim yöntemleri vardır ve farklı şekillerde sunıflandırma yapılabilir. Bu incelemenin amacı doğrultusunda Çizelge 2.1’de verilen sınıflandırma özellikleri yararlı olacaktır. Gözenek oluşumu kullanılan gaz kaynağının çeşidine göre dâhili veya harici olabilir [27].
Çizelge 2.1. Olası sekiz kategoride toplanmış ve her biri şirket, ticaret veya işlem adı ile yazılmış metal köpük yapım işlemlerinin sınıflandırılması [27]
Gaz enjeksiyon ile toz ergitme, h) Pd-esaslı amorf metalik köpük
Köpürebilir terimi bir ergiyikten ne kadar iyi köpük edilebilirliğinin karşılığıdır.
Köpüğün oluşumundan çökene kadar olan zamana köpük oluşumu zamanı denir.
Köpüğün oluşum aşamasında çeşitli stratejiler (örneğin dahili veya harici gaz enjeksiyonu) seçilebilir. Köpükleşme esnasındaki sıcaklık, ısıtma, tutma soğuma aşaması içerir. Temel aşamaları Şekil 2.3’te gösterilmiştir.
(a)
(b)
Şekil 2.3. Köpüğün oluşumunun sistematiği, a) dahili gaz enjeksiyonu ile üretilen metalik köpük b) harici gaz kaynağı yardımı ile oluşan köpük [27]
Metalik köpüklerin oluşum safhasındaki değişimler için Şekil 2.4’te belirtilen terimler daha açoklayıcı olacaktır.
Şekil 2.4. Köpük kararlılığını sınırlayıcı bazı etkenler [14]
Gözenek hareketleri: Köpürme esnasında dış kuvvetlerin etkisi veya iç gaz basıncının değişimi gibi faktörlerden dolayı gözeneklerin birbirine doğru hareketleri ile meydana gelir.
Drenaj: Ergiyik metalin kapilar ve yerçekimi kuvvetlerinden dolayı üç gözeneğin birleştiği plato sınırlarına doğru akmasıdır
Kırılma veya birleşme: Bir köpük duvarının kaybolmasına yol açan ani bir kararsızlıktır.
Gözenek irileşmesi: Oluşan gazın küçük gözenekten büyüğüne doğru basınç farkı ile yavaşça difüzyonu ile gerçekleşir.
Şekil 2.5’de Al esaslı metalik köpüğün X-ray radyoskopide çekilen köpürme oluşumları verilmektedir. Burada fırında tutma süresine bağlı olarak gözeneklerin oluşum morfolojisi gözükmektedir. İlk başta TiH2 ayrışmaya başlar ve ince ufak gözenekler oluşur daha sonra ise daha fazla TiH2 ayrışmasına bağlı olarak gözenekler büyüyerek daha fazla lineer genleşme sergilerler belli bir süre sonra ise maksimum lineer genleşmeye ulaşınca gözenekler kırılır veya birleşerek büzülüler ki biz bu olaya metalik köpüklerde çökme olayı denilmektedir.
Şekil 2.5. Saf Al köpürebilir numune ergime noktasının üzerindeki bir sıcaklığa ısıtılmış ve orada beklenmiştir. Isıtma başladıktan sonra (a) 0 S, (b) 48 S, (c) 60 S, (d) 72 S, (e) 92 S and (f) 200 S köpürme süresinde oluşan yapılar [28]
Ön Madde
Metalik köpüklerin birbirinden farklı üretim yöntemleri vardır. Bu üretim yöntemlerini çeşitli şekillerde sınıflandırmak mümkündür. Bu sınıflandırmalardan bir tanesi Şekil 3.1’de verilmiştir.
Şekil 3.1. Metalik köpüklerin üretim yöntemleri ve aldığı ticari isimler [13]
Şekil 3.1 metal köpük üretim yöntemlerine genel bir bakış sağlamaktadır. Sıvı ve toz metalurjisi ile metalik köpük üretiminde birinci farklılık ön maddenin ergimiş metal veya metal tozu olup olmadığıdır. İkinci farklılık ise gözeneği oluşturmak için kullanılan gaz kaynağıdır. Bu gaz kaynağı harici bir gaz üfleme kaynağı veya yapı içersinde gaz kaynağı çıkartabilecek köpürtücü madde olabilir. Son olarak çeşitli üretim yöntemlerine bağlı olarak köpüğün stabilizasyon mekanizması da farklılık arz eder. Köpük üretim yöntemlerine bağlı olarak almış olduğu ticari isimler de Şekil