รู้จักโฟมโลหะ (metal foam)

เมื่อพูดถึงวัสดุประเภทโฟม เรามักนึกถึงโฟมพลาสติกที่ใช้ทำกระทง ทำกล่องบรรจุอาหาร หรือสินค้าในรูปแบบอื่น แต่ทราบหรือไม่ว่า นอกจากพลาสติกแล้ว วัสดุประเภทโลหะก็สามารถผลิตเป็นโฟมได้เช่นกัน

โฟมโลหะเป็นวัสดุโลหะที่มีรูพรุนจำนวนมาก มีเนื้อโลหะอยู่ประมาณ 5-25% กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ โฟมโลหะประกอบด้วยอากาศร้อยละ 75 – 95 ของปริมาตร ทำให้มันมีน้ำหนักเบา โฟมโลหะบางชนิด เช่น โฟมอะลูมิเนียมสามารถผลิตให้มีความถ่วงจำเพาะน้อยกว่าน้ำ ทำให้สามารถลอยน้ำได้ นอกจากนี้โฟมโลหะยังมีสมบัติโดดเด่นในเรื่องความแข็ง และเหนียว (tough) ซึ่งต่างจากโฟมพลาสติก โดยทั่วไปผลิตภัณฑ์หรือชิ้นงานที่ผลิตจากโฟมโลหะ จะมีลักษณะผิวภายนอกไม่ต่างจากชิ้นงานโลหะทั่วไป เว้นแต่จะผ่าชิ้นงานหรือผลิตภัณฑ์นั้นออกดู โฟมโลหะจึงเป็นวัสดุที่น่าสนใจสำหรับปัจจุบันและอนาคต

การประยุกต์ใช้งาน

1. โฟมโลหะมีจุดเด่นในเรื่องความสามารถในการดูดซับพลังงานจากการกระแทก จึงเหมาะสำหรับการผลิตเป็นกันชนรถยนต์ (bumper) ในอุตสาหกรรมยานยนต์ ตลอดจนอุปกรณ์บันทึกการชนของอากาศยาน (aircraft crash recorder)
2. โฟมโลหะมีความหนาแน่นน้อย แต่มีสมบัติเด่นในเรื่องความแข็งแรงเฉือน (shear strength) และความแข็งแรงแตกหัก (fracture strength) สูง จึงเหมาะกับโครงสร้างแบบแซนด์วิช (sandwich) ที่ต้องการวัสดุน้ำหนักเบา และสามารถดูดซับพลังงานจากการกระแทกได้ดี
3. โครงสร้างของโฟมโลหะประกอบด้วยรูพรุนจำนวนมากทำให้สามารถป้องกันเสียง ได้ดี จึงมีการประยุกต์ใช้งานเป็นวัสดุดูดซับเสียง
4. โครงสร้างที่เป็นรูพรุนของโฟมโลหะทำให้มันมีพื้นที่ผิวมาก สามารถถ่ายเทความร้อนได้ดี เหมาะที่จะประยุกต์ใช้เป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน
5. โฟมโลหะมีโครงสร้างแข็งแรง และมีน้ำหนักเบา จึงเหมาะกับการใช้กับงานด้านสถาปัตยกรรม

โฟมโลหะมีที่มาอย่างไร

ข้อมูลเกี่ยวกับการพัฒนาโฟมโลหะสามารถย้อนกลับไปได้ถึงปี ค.ศ. 1943 นายเบนจามิน ซอสนิค (Benjamin Sosnick) ได้จดทะเบียนสิทธิบัตรกระบวนการผลิตโฟมโลหะไว้เป็นคนแรก หลักการทำโฟมโลหะที่เบนจามินใช้คือ การเติมไอโลหะชนิดหนึ่งลงในโลหะเหลวอีกชนิดหนึ่งภายใต้ความดันสูง โดยการให้ความร้อนแก่โลหะ 2 ชนิด เช่น ปรอท (Hg) และอะลูมิเนียม (Al) ซึ่งมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่างกันในภาชนะปิดควบคุมความดัน เมื่อให้ความร้อนแก่อะลูมิเนียมจนหลอมเหลว (จุดหลอมเหลวของอะลูมิเนียมคือ 660 ๐C) ปรอทซึ่งมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำกว่าจะกลายเป็นไอ (จุดเดือดของปรอทคือ 356 ๐C) อยู่ในภาชนะปิด และภายใต้สภาวะความดันสูงในภาชนะ ไอปรอทจะสามารถละลายหรือแทรกตัวอยู่ในอะลูมิเนียมเหลวได้ เมื่อลดความดันและหยุดให้ความร้อนแก่ภาชนะ ไอปรอทที่อยู่ในอะลูมิเนียมเหลว จะแยกตัวออกมาและขยายตัวเกิดฟองก๊าซขึ้น เมื่ออะลูมิเนียมเหลวเย็นตัวกลับเป็นของแข็งจะได้โฟมอะลูมิเนียม โฟมโลหะที่ได้จากการผลิตด้วยวิธีนี้จะมีลักษณะแบบเซลล์ปิด (close-cell) คือ มีผนังกั้นระหว่างช่องว่างหรือรูพรุนเหล่านั้นอยู่

กระบวนการผลิตโฟมโลหะของซอสนิคนี้ มีข้อจำกัดหลายอย่าง ได้แก่ ต้นทุนการผลิตสูง วิธีนี้เหมาะกับโลหะบางชนิดเท่านั้น และสามารถผลิตโฟมโลหะได้ในปริมาณน้อย นอกจากนี้โฟมโลหะที่ผลิตได้จะมีขนาดฟองอากาศไม่สม่ำเสมอ กระบวนการผลิตโฟมโลหะวิธีนี้จึงไม่เป็นที่แพร่หลาย

ในช่วงปลายของทศวรรษ 1950 มีการพัฒนากระบวนการผลิตโฟมโลหะแบบเซลล์เปิด (open-cell) ซึ่งเป็นโฟมที่มีลักษณะโครงสร้างผนังเชื่อมทะลุถึงกัน หลักการของกระบวนการผลิตคือ การเทโลหะเหลว เช่น อะลูมิเนียมเหลวลงในภาชนะที่บรรจุเกลือหิน (rock salt) เอาไว้ เมื่ออะลูมิเนียมเย็นตัวและกลายเป็นโลหะแข็ง จึงละลายเอาเกลือออกทำให้เกิดช่องว่างหรือรูพรุนในเนื้อโลหะนั้น กระบวนการนี้ทำให้ได้โฟมโลหะ ที่มีความพรุนสม่ำเสมอกว่ากระบวนการผลิตของซอสนิค และได้รูพรุนที่มีลักษณะเชื่อมโยงต่อกัน

ปัจจุบันในต่างประเทศ หน่วยงานทั้งภาคเอกชน และสถาบันการศึกษาหลายแห่ง ต่างให้ความสนใจในการวิจัย และค้นคว้าเพื่อหาวิธีการผลิตโฟมโลหะแบบใหม่ๆ ออกมา เพื่อให้ได้กระบวนการผลิตที่สามารถผลิตโฟมโลหะ ที่มีขนาดและรูปร่างของรูพรุนใกล้เคียงกัน มีความถ่วงจำเพาะต่ำ หรือสามารถผลิตโฟมโลหะแบบต่อเนื่องได้ ตัวอย่างกระบวนการผลิตโฟมโลหะที่มีการเผยแพร่ออกมาได้แก่

แบบที่หนึ่ง ใช้การเผาผนึก (sinter) ผงโลหะหรือเส้นใยโลหะ (metal fiber) ที่อัดตัวแบบหลวม วิธีนี้จะได้ชิ้นงานหรือผลิตภัณฑ์ที่มีความพรุนประมาณ 30-50% แต่สามารถปรับเพิ่มความพรุนของโลหะ ได้ด้วยการใช้เส้นใยโลหะแทนผงโลหะบางส่วน หรือแทนทั้งหมด ข้อดีของวิธีนี้คือ สามารถประยุกต์ใช้ได้กับโลหะหลายชนิด และชิ้นงานที่ผลิตได้จะมีรูปร่างสุดท้าย (net shape) เหมือนผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ไม่ต้องตัดแต่งหรือตัดแต่งเพียงเล็กน้อย แต่ข้อเสียคือ ชิ้นงานมีความแข็งแรงจำเพาะ (specific strength) ต่ำ เพราะจุดเชื่อมต่อระหว่างผงอนุภาค หรือจุดเชื่อมต่อระหว่างเส้นใยโลหะมีความบางมาก

แบบที่สองคือ ใช้การซึมทะลุ (infiltration) โดยในการผลิตโฟมโลหะโดยใส่สารหรือวัสดุบางชนิด เช่น เม็ดเกลือแกง เป็นต้น ลงในแบบพิมพ์ ให้ความร้อนเพื่อหลอมเกลือแกงให้เชื่อมกัน เติมแท่งอะลูมิเนียมลงไปในแบบพิมพ์และหลอมอะลูมิเนียมให้เหลว อะลูมิเนียมเหลวจะแทรกตัวเข้าไปในช่องว่างระหว่างเม็ดเกลือ จากนั้นลดอุณหภูมิและความดันเพื่อให้อะลูมิเนียมแข็งตัว สุดท้ายขจัดเกลือแกงออกด้วยการละลาย ทำให้เหลือโฟมอะลูมิเนียมเท่านั้น กระบวนการผลิตวิธีนี้มีข้อดีคือ ได้โฟมโลหะที่มีขนาดฟองสม่ำเสมอ ส่วนข้อเสียคือ กระบวนการผลิตมีความซับซ้อน ราคาสูง และผลิตได้จำนวนน้อย

แบบที่สาม คือ ใช้กระบวนการหลอมเหลว (melt route processing) การผลิตโฟมโลหะแบบนี้กระทำโดย เป่าก๊าซบางชนิดลงในโลหะหลอมเหลวโดยตรง ทำให้ฟองก๊าซถูกกักอยู่ในเนื้อโลหะ เมื่อโลหะเย็นตัวและกลายเป็นของแข็งจะได้โฟมโลหะ กระบวนการนี้มีข้อดีคือ เป็นกระบวนการผลิตที่มีราคาถูกที่สุดและไม่ซับซ้อน แต่มีข้อเสียคือ ลักษณะความพรุนตัวไม่สม่ำเสมอ และมักเกิดช่องว่างขนาดใหญ่ ซึ่งมีสาเหตุจากฟองก๊าซมีขนาดไม่สม่ำเสมอ

นอกจากกระบวนการผลิตทั้งสามแบบนี้แล้ว ยังมีกระบวนการผลิตโฟมโลหะอีกหลายวิธี ซึ่งปัจจุบันงานวิจัยเรื่องโฟมโลหะเกือบทั้งหมดที่ดำเนินการอยู่ (ในต่างประเทศ) นิยมใช้โลหะอะลูมิเนียม เนื่องจากเป็นโลหะเบา ทนทานต่อการกัดกร่อน และมีจุดหลอมเหลวไม่สูงมาก อย่างไรก็ตามโลหะอื่น เช่น เหล็ก นิกเกิล และตะกั่วก็มีการวิจัยและผลิตเป็นโฟมโลหะเช่นกัน แต่เกือบทั้งหมดนั้นยังคงเป็นงานวิจัยที่อยู่ในสถาบันการศึกษาต่างๆ

แหล่งข้อมูลอ้างอิง

• http://en.wikipedia.org/wiki/Metal_foam
• http://www.npl.co.uk/materials/metal_foams/applications.html
• http://www.msm.cam.ac.uk/mmc/people/old/dave/dave.html#make