Köpükler ve diğer yüksek gözenekli hücresel yapıdaki malzemelerin çok ilginç mekanik ve fiziksel özellikleri barındırdıkları bilinir. Örneğin çok düşük spesifik ağırlıklı yapı bağlantılarının yüksek dayanıma sahip olması veya yüksek ısıl iletimle beraber yüksek gaz hapsedebilmeleri gibi. Bu nedenlerle hücresel malzemelerin doğada yapısal veya fonksiyonel amaçla bulunduklarını (ağaç veya kemikler gibi) sıklıkla görürüz [11].
Alüminyum köpükler tıpkı ağaç, mercan, kemik ve ekmek gibi hücresel yapıdadır. Köpük yapının göreceli yoğunluğu, köpük yapısının yoğunun metalsel malzeme yoğunluğuna bölünmesi ile elde edilir. Köpük yapının göreceli yoğunluğu değer olarak 0,3 gr/cm3 den küçük olup 0,02—0,1 gr/cm3 aralığındadır. Alüminyum köpük yapısının yoğunluğu 1 gr/cm3
olarak bilinen suyun yoğunluğundan düşük olup <0,81 gr/cm3 değerindedir, bu yüzden suda yüzebilmektedir [11, 15, 16].
Son dönemde insan yapımı hücresel malzemeler, polimer köpükler teknolojinin hemen her dalında geniş uygulama alanına sahip önemli malzeme gruplarından birisidir. Daha az bilineni şudur ki alaşımlar hatta metaller hücresel yapıda veya köpük olarak üretilebilir ve bu malzemeler oldukça ilginç özellikler taşırlar. Yakın gelecekte bu malzemelerin şaşırtıcı yeni uygulamaları beklenmektedir [11].
Metalik köpükler çekme gerilmesi altında kırılgan davrandığından bu malzemelerden mekanik olarak yararlanma alanları basma kuvvetlerinin baskın olduğu alanlardır.
Basma kuvvetlerine maruz kaldığında hücre duvarlarının plastik bükülmeye uğraması nedeniyle metalik köpüklerin enerji emebilme özelliği yüksektir. Uygulanan kuvvetin iletim miktarı gözenek özellikleri ile kontrol edilebildiğinden geniş plastik gerinim potansiyeli metalik köpükleri enerji emilimi gerektiren uygulamalar için ideal malzeme haline getirmektedir [14].
İki çeşit alüminyum köpük hücre yapısı tanımlanmaktadır. Bunlar, kapalı hücre yapısı ve açık hücre yapısıdır. Kapalı hücre yapısı köpük hücreleri, açık hücre yapısı ise sünger hücrelerinde gözlemlenen yapıdadır. Kapalı hücre köpük yapısında hücreler sıkı bir düzende iken açık hücre köpük yapısında hücreler birbiriyle bağlantılı olarak bulunurlar. Açık hücre yapısındaki hücreler arası bağlantılar destek olarak adlandırılırlar. Kapalı köpük hücreleri birbirlerinden hücre kenarları ile ayrılırlar. Metalik köpüklerde hücreler arası sıralı birleşme yüzeyleri ile köpük yapısı oluşmuş durumdadır [8, 18].
Hücresel malzemelerin özelliklerini üç temel faktör etkiler. Bunlar; üretilmiş olan köpük yapının esas malzemesinin özelliği, köpük hücre topolojisi ve şeklidir. Köpük yapının bağıl yoğunluğu ρ/ρ
s, ρ köpük yapının yoğunluğu, ρs köpük yapının esas malzemesinin yoğunluğudur [11]. Metalik köpük malzemelerin yapısal ve işlevsel özelliklerini belirleyen en önemli parametre gözenek özellikleridir. Bu nedenle gözenek dağılımı, miktarı ve yapısının belirlenmesi metalik köpük malzemelerin karakterizasyonunun ilk adımını oluşturur [3]. Metal köpükler deformasyon bantlarının sağladığı özel deformasyon mekanizmaları sayesinde mükemmel enerji emebilme kapasitesine sahiptir ve bu nedenle kara taşıtlarında tampon olarak kullanılır [20, 59, 60]. 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 [20]. Metalik köpükler darbe emme özellikleri sayesinde son yıllarda zırh sistemlerinde de kullanılmaktadır. Yu ve arkadaşları geliştirdikleri zırh sisteminde en önde darbeyi karşılayacak seramik veya kompozit malzemeden yapılmış çarpma plakası, arkasında darbe ile gelen şok dalgalarını hücre duvarları sayesinde farklı yönlere dağıtma özelliğindeki metalik köpük, en arkada ise deforme olarak darbe enerjisini emen ve genellikle polimerden yapılan destek plakası
kullanarak zırhın performansını iyileştirmişlerdir [61]. İçyapının köpük şeklinde olması darbe yönüne bağlı olmaksızın yüksek darbe enerjilerini sönümleme kabiliyetini ve aynı zamanda hafifliği sağlamaktadır. Yüksek sıcaklıklarda iç yapısını daha iyi koruyabilmesi (stabil), bunun yanında kuvvet yönünden bağımsız olarak darbe ve titreşim sönümleyebilmesi, elektromanyetik kalkan özelliği bu tür yapıların olumlu özelliklerinden başlıcalarıdır. Köpük yapıların ergime noktaları aşağı yukarı üretimde kullanılan ana alaşımınkiyle aynıdır. Bununla birlikte malzeme yüzeyi çoğunlukla bir oksit tabaka ile kaplıdır. Bu tabaka sayesinde ergime noktası oldukça yüksektir. Bu tabaka yüzeydeki gözenek boyutlarını (çaplarını) düşürürken gözenek sayısının artmasına neden olur. Tabakanın kalınlaşması gözenekli yapıyı destekler ve ergime sıcaklığını yükseltir. Eğer köpük yapı yeterli bir zaman süresince havada ya da bir oksit banyosu içerisinde ısıtılırsa tabaka daha fazla kalınlaşır ve daha stabil bir hal alır [11].
İçyapının köpük şeklinde olması darbe yönünü dikkate almadan yüksek darbe enerjisini sönümlemesini ve aynı zamanda hafifliği sağlamaktadır. Şekil 1.38’de dizayn değişkenleri verilmiştir.
Şekil 1.38. Dizayn değişkenleri [13]
Gözenekli malzemelerin en önemli özellikleri yapısal ve işlevsel özelliklerini belirleyen gözenek miktarı (göreceli yoğunluk), şekli ve dağılımıdır. Yoğunluk ve
Köpük yapının esas malzemesi Hücre topolojisi ve şekli Bağıl yoğunluk - ρ /ρ s Katı özellikleri: mekanik, termal, elektriksel Maxwell kriteri: eğilme hakim gerilme hakim davranış Hücre kenar uzunluğu, Hücre duvarı kalınlığı Süperpozisyon: model, bağ, limit Hücresel katıların özellikleri
hücre yapısından başka matris metalinin alaşım kompozisyonu ve metalurjik durumu köpük yapının mekanik özelliklerini belirleyen temel değişkenlerdir [8, 57]. Göreceli yoğunlukla basma mukavemeti ve elastik modülü arasında açık bir ilişki bulunmaktadır [16]. Gözenek boyutu da önemli bir parametre olmakla birlikte birçok mekanik ve ısıl özelliği nispeten az miktarda etkiler. Gözenek şekli ise malzeme özellikleri üzerinde oldukça etkilidir. Eşeksenli gözenek yapısına sahip malzeme izotropik özellik gösterirken az miktarda uzamış veya düzleşmiş gözeneğe sahip malzemede dahi yöne bağlı özellik değişimi gözlemlenir [3]. Yapısal malzemelerin en önemli özelliklerinden biri doğrusal elastik davranışlarıdır. Metalik köpükler birçok yapısal işlev gerektiren uygulamalarda kullanıldığından performanslarını belirleyen en önemli parametreleri elastik modülü ve basma mukavemetidir [60].