1. ما هي الرغوة المعدنية ورغوة الألومنيوم
على مر التاريخ، شكّل اكتشاف الرغوة المعدنية معلمًا مهمًا في ثورة مجال هندسة المواد بأكمله. الرغوة المعدنية هي مادة تتكون من هيكل معدني يحتوي على عدد كبير من المسام ومليء بالغاز على طول الهيكل [2]. يمكن أن تكون مسام هذه الرغوات المعدنية مترابطة أو مغلقة، وتسمى رغوة الخلايا المفتوحة ورغوة الخلايا المغلقة، على التوالي، كما هو موضح في الشكل 2 (أ) (ب) [3]. من بينها، تُعد مادة الرغوة المصنوعة من الألومنيوم حاليًا أكثر معادن الرغوة الواعدة، نظرًا لمساميتها العالية وكثافتها المنخفضة وخفة وزنها وقوتها العالية وقابليتها الجيدة للضغط وامتصاصها القوي للصدمات وأداء امتصاص الصوت الجيد وأداء الحماية الكهرومغناطيسية الجيد. الأداء الممتاز، والمعروف باسم "النجم المعدني" [4]، يُستخدم على نطاق واسع في طرق المعالجة الأخرى في مجالات هندسة الطيران والتصنيع والعلوم الفيزيائية.
الشكل 2. الخصائص الهيكلية لرغوة الألومنيوم: (أ) رغوة الألومنيوم ذات الخلايا المفتوحة؛ (ب) رغوة الألومنيوم ذات الخلايا المغلقة [3]
2. اكتشاف رغوة الألومنيوم
على مر التاريخ، استُخدمت مواد مثل العظام والخشب والخفاف على نطاق واسع لفترة طويلة. ويتوقع العديد من الباحثين أن فائدة هذه المواد قد عززت إنتاج مواد صناعية مثل رغوة المعادن. على الرغم من أن معظم تقنيات الرغوة المستخدمة حاليًا قد طُرحت منذ خمسينيات القرن الماضي، إلا أن الدراسات أظهرت أن اكتشاف رغوة الألومنيوم يعود إلى عام ١٩٢٦، عندما ذكر ما دي ميلر رغوة المعادن لأول مرة في براءة اختراع فرنسية. اقترح ميلر ذات مرة أن عملية رغوة المعادن يمكن تحقيقها عن طريق إدخال غاز خامل في المعدن المنصهر، أو باستخدام عامل رغوة مثل الكربونات في المعدن المنصهر. على الرغم من أن هذه مجرد براءة اختراع مبنية على الفكرة، إلا أنها تضع الأساس للخطوات التالية اللازمة لتطوير رغوة الألومنيوم. طوّر جون سي. إليوت هذه الفكرة بعد ٢٠ عامًا، حيث صمم نسخة محدثة من براءة اختراع ميلر، وقدم أول رغوة ألومنيوم متاحة، مما ساهم بدوره في تسويق المادة في اليابان في التسعينيات. وقد أرسى هذا الإصدار الأساس [٥].
3. أداء وتطبيق رغوة الألومنيوم
رغوة الألومنيوم معدن ذو مسامية عالية وبنية مسامية، حيث تُشكل المسامات المغلقة حوالي ثلاثة أرباع الحجم الإجمالي للمادة المعدنية، مما يجعلها خفيفة الوزن للغاية [7]. بالإضافة إلى الخصائص المذكورة أعلاه، تتميز رغوة الألومنيوم أيضًا بخصائص امتصاص طاقة رائعة وقابلية ضغط عالية [7]. وفيما يتعلق بالكثافة، وجد الباحثون أن كثافة معظم عينات رغوة الألومنيوم تتراوح بين 0.4 و1.2 جم/سم3 [6]. بالإضافة إلى ذلك، تتميز رغوة الألومنيوم أيضًا بامتصاص الصوت وقابلية إعادة التدوير والتوصيل الحراري المنخفض [7].
من حيث التطبيق، فإن الحماية الكهرومغناطيسية وخفة الوزن وخصائص الامتصاص لرغوة الألومنيوم تجعلها مرشحًا مثاليًا للمكونات المستخدمة في أجهزة الاندماج النووي المُتحكم بها، والسيارات، وصناعات الفضاء والبناء، نظرًا لمقاومتها للبيئات الفيزيائية القاسية. في جهاز الاندماج النووي المُتحكم به، تُعد رغوة الألومنيوم ذات الخلايا المغلقة مادة حماية كهرومغناطيسية ممتازة. نظرًا لترابط هيكل رغوة الألومنيوم، فإنها تتمتع بمساحة سطح نوعية ضخمة وقدرة جيدة على امتصاص وعكس الموجات الكهرومغناطيسية. تحدث خسائر مختلفة، مثل فقدان الامتصاص وفقدان الانعكاس، وما إلى ذلك، مما يجعل الألومنيوم الرغوي يتمتع بأداء حماية كهرومغناطيسي ممتاز. علاوة على ذلك، وُجد أيضًا أن فعالية الحماية الكهرومغناطيسية للألومنيوم الرغوي أظهرت اتجاهًا للتناقص أولاً ثم التزايد مع زيادة تردد الموجات الكهرومغناطيسية [3]. في صناعة الفضاء، يُستخدم الألومنيوم الرغوي في صنع المخاريط الفضائية أو أجزاء التوربينات. ونظرًا لانخفاض جودة الألومنيوم الرغوي، فإنه مفيد بشكل خاص لتقليل الوزن الإجمالي لمكونات الطائرات [7]. وباعتباره مادة ممتازة لامتصاص الطاقة، يُستخدم الألومنيوم الرغوي في تصنيع عوازل المركبات الفضائية، وممتصات الاهتزازات، وقاع مقصورة العودة، مما يُمكّن المركبة من الهبوط الآمن وحماية سلامة رواد الفضاء ومعداتهم. ومن خلال امتصاصه الفعال للطاقة وامتصاص الصدمات، يضمن الألومنيوم الرغوي سلامة رواد الفضاء عند هبوط المركبة، كما هو موضح في الشكل 3 [8].
الشكل 3. تحسين البنية الجزئية للبطانة المقاومة للصدمات[8]
1-الجلد العلوي؛ 2-أوتار من الألومنيوم الرغوي؛ 3-الجلد السفلي
في صناعة السيارات، يُساعد الألومنيوم الرغوي على تقليل عدد الأجزاء المستخدمة في الهيكل، مما يزيد من كفاءة عملية التجميع، ويساهم في نهاية المطاف في خفض التكاليف وتحسين الأداء [7]. يُستخدم الألومنيوم الرغوي حاليًا في قضبان وعوارض وعوارض الأبواب المقاومة للتصادم في هياكل السيارات المتوفرة في السوق، كما هو موضح في الشكل 4 [9-10].
الشكل 4. (أ) هو رسم تخطيطي لأجزاء امتصاص الطاقة الجزئية في هيكل السيارة؛
(ب) رسم تخطيطي لقضيب مضاد للتصادم مصنوع من الألومنيوم الرغوي
في قطاع البناء، يُستخدم الألومنيوم الرغوي بشكل رئيسي كحاجز واقٍ ومقاوم للحريق لمنع الضوضاء الشديدة. ويُعدّ مبنى شنغهاي سوهو فوشينغ بلازا (Shanghai SOHO Fuxing Plaza) من المباني النموذجية لرغوة الألومنيوم ذات الخلايا المغلقة في الهندسة المعمارية. وقد استخدم المصمم كمية كبيرة من الألومنيوم الرغوي لامتصاص الصوت وعزله، كما هو موضح في الشكل 6 [11].
يُعد اكتشاف رغوة الألومنيوم إنجازًا بارزًا. تجمع مادة الألومنيوم الرغوية بين أداء ممتاز في الحماية الكهرومغناطيسية، وخفة الوزن، وانخفاض الكثافة، وامتصاص الصدمات، وامتصاص الطاقة، مما يجعلها تتمتع بأداء ممتاز في مختلف الصناعات اليوم. كما تتمتع بنطاق واسع من التطبيقات. ومن المثير للاهتمام أن رغوة الألومنيوم منتج صديق للبيئة وقابل لإعادة التدوير، مما يعني أنها مادة مستدامة، ومن المتوقع استخدامها بكميات كبيرة في التطبيقات الصناعية المستقبلية.
وقت النشر: 30 نوفمبر 2021
