Metal Foam

เรื่องโดย ดร.ภัสร์ชาพร จินะ

คำว่า “โฟม” กับ “โลหะ” เป็นคำเรียกถึงวัสดุ 2 อย่างที่เมื่อได้ยินชื่อเรียกก็จะสามารถคิดถึงคุณสมบัติเฉพาะตัวของวัสดุได้ แต่เมื่อนำมารวมกันเป็นวัสดุใหม่ที่เรียกว่า โฟมโลหะ หรือ Metal Foam จึงเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติในด้านความแข็งแรงที่เหมือนโลหะแต่น้ำหนักเบาเหมือนโฟม อีกทั้งยังมีคุณสมบัติการนำความร้อนได้ดี และทนต่อแรงกระแทกได้อีกด้วย โฟมวัสดุนี้จึงได้รับความสนใจในการนำมาประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมได้หลากหลาย เช่น อุตสาหกรรมยานยนต์ อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ อุตสาหกรรมก่อสร้าง และแม้แต่ในงานทางด้านการแพทย์

โฟมโลหะคืออะไร?

โฟมโลหะ หรือ Metal Foam เป็นวัสดุที่มีโครงสร้างคล้ายฟองน้ำ ซึ่งเกิดจากการมีรูพรุนจำนวนมากกระจายอยู่ภายในเนื้อโลหะ วัสดุยิ่งมีความพรุนมากเท่าไร ก็ยิ่งมีพื้นที่ผิวมากขึ้นเท่านั้น โครงสร้างของโฟมโลหะจะขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิตและชนิดของโลหะ เช่น อะลูมิเนียม ไทเทเนียม แมกนีเซียม เหล็ก และทองแดง เป็นต้น โดยทั่วไปสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ

Open-cell Metal Foam: มีโครงสร้างรูพรุนเชื่อมถึงกัน ทำให้สามารถระบายของเหลวหรือแก๊สผ่านได้ดี เหมาะกับนำไปใช้งานที่ต้องการการถ่ายเทพลังงานหรือสาร
Closed-cell Metal Foam: มีโครงสร้างรูพรุนแบบปิดที่ไม่เชื่อมถึงกัน ทำให้มีความสามารถในการลอยน้ำและดูดซับแรงกระแทกสูงกว่า

คุณสมบัติเด่นของโฟมโลหะ

น้ำหนักเบา: การมีรูพรุนกระจายตัวอยู่ภายในเนื้อของโลหะเป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้วัสดุชนิดนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าวัสดุโลหะทั่วไปอย่างมาก จนสามารถลอยน้ำได้

แข็งแรงและทนทาน: แม้จะมีรูพรุนในเนื้อโลหะและน้ำหนักเบากว่าโลหะทั่วไป แต่ก็ยังมีคุณสมบัติความแข็งแรงจำเพาะ (Specific Strength) สูงเมื่อเทียบกับน้ำหนัก ทำให้ความสามารถในการรับแรงกระแทกและแรงกดทับได้ดีเหมือนคุณสมบัติของโลหะ
การคายความร้อนและเย็นตัวอย่างรวดเร็ว: การที่วัสดุมีพื้นที่ผิวสูง (High Surface Area) ทำให้เกิดการคายความร้อนและเย็นตัวลงได้อย่างรวดเร็ว
ความสามารถในการดูดซับ (Absorption): โฟมโลหะมีความสามารถพิเศษในการดูดซับของเหลว เช่น น้ำ น้ำมัน สารเคมี ได้อย่างเฉพาะเจาะจงคล้ายฟองน้ำ และความสามารถในการดูดซับพลังงาน เหมาะสมสำหรับการใช้งานเป็นระบบป้องกันแรงกระแทกหรือเกี่ยวกับความปลอดภัย เช่น โครงสร้างกันกระแทกในรถยนต์

ความต้านทานความร้อนและไฟ: มีคุณสมบัติไม่ติดไฟ และสามารถต้านทานอุณหภูมิสูงได้ดี
คุณสมบัติแม่เหล็กและการนำไฟฟ้า: โฟมโลหะเป็นวัสดุที่ทำจากโลหะบริสุทธิ์ เช่น เหล็ก ทองแดง หรือ นิกเกิล จึงยังคงคุณสมบัติความเป็นแม่เหล็กหรือการนำไฟฟ้าของโลหะไว้ได้

คุณสมบัติทางเสียงและการสั่นสะเทือน: ด้วยโครงสร้างของรูพรุนจะสามารถช่วยลดเสียงและแรงสั่นสะเทือนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะขึ้นอยู่กับขนาดของรูพรุน ความหนาแน่น และชนิดของโลหะพื้นฐาน (Metal Matrix)
การเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม: โฟมโลหะสามารถนำมารีไซเคิลได้ จึงสามารถใช้ซ้ำได้ ไม่ก่อให้เกิดขยะที่ทำลายสิ่งแวดล้อม

กระบวนการผลิตโฟมโลหะ

โฟมโลหะผลิตขึ้นได้จากการหลอมโลหะ ซึ่งจะทำให้เกิดฟองก๊าซในเนื้อโลหะที่หลอมเหลว แต่ฟองก๊าซเหล่านี้มักจะลอยขึ้นสู่ผิวเนื่องจากแรงลอยตัว เพื่อป้องกันการลอยตัวขึ้นของฟองก๊าซ จึงต้องมีการเพิ่มความหนืดของโลหะหลอมเหลวโดยการเติมผงเซรามิกละเอียดหรือธาตุผสมเข้าไปด้วย โดยวิธีการทำให้โลหะหลอมเหลวเกิดโฟมมีอยู่ 3 วิธีหลัก คือ

Foaming of Metallic Melts using Gas Injection: การทำโฟมโลหะจากการฉีดก๊าซเข้าไปในโลหะเหลวเพื่อให้เกิดฟองก๊าซภายในเนื้อโลหะ ซึ่งทำให้เมื่อโลหะแข็งตัวแล้วจะมีลักษณะเป็นโลหะพรุน (Porous Metal) คล้ายฟองน้ำ โดยมีขั้นตอนดังนี้

หลอมโลหะให้เป็นของเหลว ในเตาหลอมที่อุณหภูมิสูง
เติมผงเซรามิกละเอียด เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) หรือ แมกนีเซียมออกไซด์ (MgO) เพื่อเพิ่มความหนืดของโลหะหลอมเหลว โดยอนุภาคเหล่านี้ช่วย “กักเก็บ” ฟองก๊าซเอาไว้ภายในโลหะเหลวหลอม ไม่ให้ฟองลอยขึ้นสู่ผิวโลหะหรือรวมตัวกันเร็วเกินไป
ฉีดก๊าซเข้าไปในโลหะหลอม โดยใช้ก๊าซเฉื่อย เช่น ไนโตรเจน (N₂) อาร์กอน (Ar) หรือแม้แต่อากาศธรรมดา ซึ่งก๊าซที่ถูกฉีดเข้าไปในโลหะหลอมผ่านอุปกรณ์พิเศษที่อาจเป็นหัวฉีดแบบสั่น (Vibrating Nozzles) หรือ ใบพัดหมุน (Rotating Impellers) โดยก๊าซที่ถูกฉีดเข้าไปจะก่อให้เกิดฟองเล็ก ๆ กระจายทั่วโลหะหลอม ทำให้เกิดลักษณะคล้ายโฟม
ควบคุมการกระจายของฟองก๊าซโดยผสมก๊าซลงไปอย่างคงที่สม่ำเสมอ เพื่อให้ฟองก๊าซกระจายตัวทั่วเนื้อโลหะ และมีรูพรุนสม่ำเสมอทั่วถึง
เย็นตัวและแข็งตัว เมื่อโฟมโลหะหลอมที่มีฟองก๊าซอยู่ภายในเย็นตัวลง มันจะเริ่มแข็งตัว และฟองก๊าซที่กักเก็บไว้จะคงรูปเป็นรูพรุนในเนื้อโลหะ กลายเป็นโฟมโลหะแข็ง

การผลิตโฟมโลหะด้วยวิธี Foaming of Metallic Melts using Gas Injection มีข้อดีที่สามารถควบคุมขนาดรูพรุนได้ดี ใช้ได้กับโลหะหลายประเภท และเหมาะสำหรับผลิตในระดับอุตสาหกรรม ซึ่งปัจจุบันวิธีนี้ถูกใช้ผลิตโฟมจากอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียม โดยบริษัท Cymat Aluminium Corporation ในประเทศแคนาดา และ บริษัท Hydro Aluminium ในประเทศนอร์เวย์

Foaming of Melts with Blowing Agents: เป็นวิธีการทำโฟมโลหะโดยไม่ต้องฉีดก๊าซจากภายนอก แต่เติมสารซึ่งมีคุณสมบัติเป็น Blowing Agent ที่สามารถปล่อยก๊าซได้เองเมื่อถูกความร้อนลงในโลหะหลอมเหลว ซึ่งจะทำให้เกิดฟองก๊าซภายในเนื้อโลหะในขณะที่ยังอยู่ในสภาพหลอมเหลวหรือกึ่งแข็ง โดยมีขั้นตอนดังนี้
1. หลอมโลหะให้เป็นของเหลว ในเตาหลอมที่อุณหภูมิสูง
2. เติมโลหะหรือสารเพิ่มความหนืด เพื่อปรับความหนืดให้เหมาะสมกับการกักเก็บฟองก๊าซ
3. เติม Blowing Agent เมื่อสารนี้ถูกความร้อนจะสลายและปล่อยก๊าซออกมาในโลหะหลอม ฟองก๊าซที่เกิดขึ้นจะกระจายตัวภายในโลหะหลอมทำให้เกิดโครงสร้างโฟม จากนั้นโลหะจะเริ่มพองตัวช้า ๆ และขยายขนาดขึ้นในภาชนะที่เป็นแม่พิมพ์ (Foaming Vessel) โดยขั้นตอนนี้จะต้องควบคุมให้กระบวนการเกิดขึ้นภายใต้ความดันคงที่ เพื่อให้ฟองก๊าซมีขนาดสม่ำเสมอ
4. การทำให้แข็งตัว (Solidify) เมื่อโลหะหลอมที่กลายเป็นโฟมเย็นลงต่ำกว่าจุดหลอมเหลว โครงสร้างโฟมจะ “แข็งตัว” กลายเป็น โฟมโลหะแข็ง จากนั้นสามารถนำออกจากแม่พิมพ์เพื่อนำไปใช้งานหรือแปรรูปต่อได้

การผลิตโฟมโลหะด้วยวิธี Foaming of Melts with Blowing Agents มีข้อดีที่ไม่ต้องใช้อุปกรณ์ฉีดก๊าซที่ซับซ้อน ควบคุมได้ง่ายในระดับห้องปฏิบัติการหรือโรงงานขนาดกลาง และเหมาะกับการผลิตโฟมที่ต้องการโครงสร้างละเอียด และรูพรุนสม่ำเสมอ ซึ่งปัจจุบันบริษัท Shinko Wire เมืองอามากาซากิ ประเทศญี่ปุ่น ใช้วิธีนี้ในการผลิตโฟมอะลูมิเนียมที่มีรูพรุนสม่ำเสมอ เหมาะสำหรับงานที่ต้องการวัสดุเบาแต่แข็งแรง

Solid-Gas Eutectic Solidification: เป็นกระบวนการผลิตโลหะโฟมที่เกิดปฏิกิริยายูเทคติก (Eutectic Reaction) ระหว่างโลหะเหลวกับก๊าซไฮโดรเจนภายใต้ความดันสูง กระบวนการนี้จะทำให้เกิดรูพรุนที่มีทิศทางแน่นอนและต่อเนื่องตามทิศทางการแข็งตัวของโลหะ โดยเรียกวัสดุรูพรุนที่ผลิตจากกระบวนการนี้ว่า “กาซาร์” (Gasar) ที่มาจากคำว่า “Gas-reinforced” โดยมีขั้นตอนดังนี้
1. หลอมโลหะภายใต้บรรยากาศของก๊าซไฮโดรเจนแรงดันสูง ซึ่งโลหะหลอมจะดูดซับก๊าซไฮโดรเจนเข้าไปจนได้สารละลายที่มีสารผสมระหว่างไฮโดรเจนอยู่ในโลหะเหลว วิธีการนี้ใช้ได้เฉพาะก๊าซที่สามารถเกิดระบบยูเทคติกกับก๊าซไฮโดรเจนได้ เช่น นิกเกิล (Ni) ทองแดง (Cu) เป็นต้น
2. เมื่อได้สารละลายแล้ว ควบคุมการลดอุณหภูมิลงอย่างช้า ๆ จนถึงอุณหภูมิที่เป็นจุดยูเทคติก โลหะหลอมจะเปลี่ยนผ่านแบบยูเทคติกไปเป็นระบบของแข็งและก๊าซ และเกิดการแยกตัวหรือแยกเฟส (Segregation) ที่อุณหภูมิเฉพาะ
3. ไฮโดรเจนที่ละลายอยู่จะเริ่มเกิดเป็นฟองก๊าซในขณะที่โลหะเริ่มแข็งตัว โดยโลหะจะเกิดการแข็งตัวจากด้านล่างขึ้นบนหรือทิศทางใดทิศทางหนึ่งโดยฟองก๊าซจะตกผลึกและติดอยู่ภายในเนื้อโลหะในทิศทางเดียวกัน ทำให้เกิดรูพรุนที่เรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ
4. เมื่อโลหะแข็งตัวเต็มที่จะได้โลหะที่มีรูพรุนภายใน ซึ่งรูพรุนจะมีลักษณะยาว เรียงตัวตามทิศทางการแข็งตัว โดยสามารถควบคุมขนาดและความถี่ของรูพรุนได้ด้วยการปรับอุณหภูมิ ความดัน และความเร็วในการแข็งตัว

การผลิตโฟมโลหะด้วยวิธี Solid-Gas Eutectic Solidification มีข้อดีที่สามารถได้โฟมโลหะที่มีรูพรุนเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ สามารถควบคุมขนาดของรูพรุนได้ เหมาะกับงานที่ต้องการการถ่ายเทของของไหลหรือผ่านอากาศ แต่ทว่าข้อจำกัดของวิธีนี้ คือ ต้องใช้ระบบที่ทนต่อแรงดันสูง ใช้ได้กับโลหะบางชนิดเท่านั้น และกระบวนการควบคุมยากกว่าแบบอื่น

การประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรม

อุตสาหกรรมยานยนต์และการบิน: ใช้ในชิ้นส่วนกันกระแทก เบาะนิรภัย โครงสร้างภายในที่ต้องการน้ำหนักเบา
อุตสาหกรรมการแพทย์: โฟมไทเทเนียมสามารถนำมาใช้เป็นกระดูกเทียมและอวัยวะเทียม เพราะมีโครงสร้างที่คล้ายกับกระดูกธรรมชาติ
อุตสาหกรรมก่อสร้าง: ใช้ในผนังกันเสียง วัสดุกันไฟ หรืออาคารที่ต้องการควบคุมเสียงหรืออุณหภูมิ
อุตสาหกรรมป้องกันภัย: ใช้เป็นวัสดุในแผ่นเกราะที่สามารถดูดซับแรงระเบิดได้ดี
อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน: โครงสร้าง Open-cell ช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวในการถ่ายเทความร้อน
อุปกรณ์ทางการแพทย์: โฟมไทเทเนียมสามารถใช้ในการผลิตกระดูกเทียมที่มีรูพรุนคล้ายกระดูกจริง
งานศิลปะและตกแต่ง: ด้วยรูปลักษณ์ที่แปลกตา ทำให้โฟมโลหะได้รับความนิยมในงานออกแบบ