در حال بارگذاری ...
۰۳ شهریور

مقالات نانو : بخش یازدهم : مواد و کامپوزیت های نانو ساختار , تهیه شده با فرایندهای حالت جامد

مواد و کامپوزیت های نانو ساختار , تهیه شده با فرایندهای حالت جامد

۴-۱-معرفی و پیش زمینه

تغییر شکل های مکانیکی تحت شرایط برشی و سرعت های بالای کرنش  (s-1 104-10  )  باعث شکل گیری نانو کریستال هایی در ذرات پودر ,  فویل ها نازک , یا در سطح فلزات و آلیاژها می شود که در معرض اصطکاک و بر خورد ایجاد شده در اثر سایش قرار گرفته اند. برای مثال , سایش(آسیاب) مکانیکی و آلیاژ سازی مکانیکی پودرها به عنوان گزینه های مناسبی برای تهیه مواد نانو محدوده وسیعی از ترکیب شیمیایی و ساختار اتمی نسبت به فرآیندهای دیگر , توسعه یافته اند. در این فرآیند با اعمال انرژی به ذرات پودر (تک کریستال)اولیه با قطر متوسط ذره ۵۰ میکرونی , عیوب شبکه ای در آنها ایجاد می شود. ریز کردن ذرات با کاهش  اندازه متوسط دانه ها به نسبت ۱۰۳-۱۰۴ برابر در نتیجه تشکیل و نظم خود بخودی مرز دانه های با زوایای بزرگ و کوچک در داخل ذرات پودر در حین فرآیند تغییر شکل مکانیکی است. در نتیجه ,خواص ترمودینامیکی , مکانیکی و شیمیایی این مواد تغییر می کند که همراه با آن خواص مواد تشکیل شده از نانو فازها (که با توزیع اندازه دانه و ساختار اتمی ویژه و انرژی اتصال دانه یا مرزهای بین فازی , کنترل می گردد) , نیز تغییر می نماید.

در دهه ۱۹۷۰ میلادی , روش استفاده از سایش مکانیکی (MA) ذرات پودر که توسط زینتر در دمای بالا دنبال می گشت به عنوان یک فرآیند صنعتی برای تولید موفقیت آمیز آلیاژها و مخلوط های فازی جدید , گسترش یافت. برای مثال , با کمک این فرآیند متالورژیکی می توان آلیاژها و کامپوزیت هایی را که توسط روشهای ریخته گری مرسوم قابل تولید نیستند را سنتز کرد. همچنین می توان موارد زیر را به دست آورد :

توزیع همگن ذرات سرامیکی در یک زمینه فلزی (سوپر آلیاژ) برای استفاده در تور بین های گازی.

آلیاژبا ترکیب های شیمیایی متفاوت نسبت به آلیاژهای تهیه شده از فرایند مذاب.

آلیاژهایی از فلزات با نقطه ذوب های کاملا متفاوت با هدف افزایش استحکام و مقاومت به خوردگی.

در دهه ۱۹۸۰ , روش آسیاب با انرژی بالا , به عنوان یک روش حالت جامد غیر تعادلی برای ساخت مواد نانو ساختار , تو جهات زیادی را به خود جلب نمود. تشکیل نانو کریستال ها در نمونه های تهیه شده از پودرهای تک کریستالی اولیه , برای اولین بار در فلزات خالص و نیز ترکیبات بین فلزی مورد مطالعه قرار گرفت. علاوه بر این , آلیاژ سازی (مکانیکی) حالت جامد فراتر اغز میزان حلالیت حالت تعادل ترمودینامیکی , منجر به تشکیل مواد فلزی آمورف می شود که در مورد محدوده گسترده ای از آلیاژها مشاهده شده است. تشکیل فاز آمورف که با مخلوط کردن اجزاء اتمی در مقیاس اتمی اتفاق می افتد , باعث نرم و بی ثبات شدن شبکه کریستالی می گردد که این کار سبب خارج شدن محلول جامد کریستالی از حالت تعادلی و آمورف شدن آن میگردد. این فرآیند در نتیجه آلیاژ سازی مکانیکی و نیز وارد نمودن عیوب شبکه ای به داخل شبکه کریستالی می باشد. تحقیقات اخیر نشان می دهد که تشکیل مواد نانو ساختار در چندین حالت غیر منتظره هم رخ داده است مثلا در مورد سرامیک های ترد ,مخلوط های فازی سرامیکی ,  مخلوط های پلیمری و نانو کامپوزیت های سرامیکی – فزی.

۴-۲- درک نحوه تشکیل نانو ساختارها

آسیاب کردن مواد , در صنایع متالورژی پودر , معدن و نیز سرامیک ها , مورد توجه اصلی است. اهداف کلی فرآیند آسیاب عبارتند از کاهش ابعاد ذرات (خردایش) , آلیاژ سازی در حالت جامد , مخلوط کردن , و تغییر مورفولوژی و شکل ذرات. این فرآیندهای صنعتی اکثرا به مواد سخت و تردی محدود می شوند که درحین عملیات آسیاب , بشکنند , تغییر شکل دهند و به هم دیگر جوش سرد بخورند. اولین کاربرد عملیات آلیاژ سازی مکانیکی , ساختن سوپر آلیاژهای بسیار مستحکمی بود که ذرات اکسیدی بخوبی در زمینه پخش شده باشند , ولی این روش برای ساخت دسته وسیعی از ساختارهای غیر تعادلی شامل نانو کریستال ها , ساختارهای آمورف , و مواد شبه کریستالی گسترش و توسعه یافت.

انواع متفاوتی از آسیاب های گلوله ای جهت اهداف متفاوت ساخته شده اند که از آن جمله می توان به آسیاب دورانی , آسیاب سایشی لرزشی , آسیاب ارتعاشی , آسیاب ماهواره ای و غیره اشاره کرد. در شکل ۱-۴ پایه و اساس فرآیند سایش مکانیکی مشاهده می شود. ذرات پودر با قطر حدود ۵۰ میکرون به همراه تعدادی از گلوله های از جنش فولاد سخت شده یا پوشش یافته با WC در یک محفظه آب بندی (درزگیری) شده قرار گرفته ون به شدت به لرزش یا تلاطم در می آیند.

شکل ۱-۴ : طرح شما تیک از فرایند سایش مکانیکی (mechanical attrition) برای پودرهای فلزی

 

 

با به کاربردن فرکانس های بالا و دامنه های کوچک لرزش , می توان آسیاب با انرژی بالا را اجرا نمود. آسیاب های گلوله ای که برای مقادیر کمی از پودر قابل استفاده هستند (بچ های حدود ۱۰cc که برای کاربردهای پژوهشی کفایت می کنند) , بسیار پر انرژی می باشند , و واکنش های این آسیاب نسبت به دیگر آسیاب ها با سرعت دو برابر انجام می شوند. چون انرژی جنبشی این گلوله ها تابعی از جرم آنها و سرعت شان است معمولا گلوله های چگال تر (فولاد یا کاربید تنگستن) , به گلوله های سرامیکی ترجیح می یابند. در نتیجه تغییر شکل های پلاستیک شدید و مداوم , ریز شدن ساختار داخلی ذرات به ابعاد مانو متری در حین سایش مکانیکی با انرژی بالا , اتفاق می افتد. افزایش دما در این فرآیند نسبتا کم است و معمولا کمتر از ۱۰۰-۲۰۰ درجه سانتی گراد می باشد. زمان بر خورد ذرات حدود ۲۰ میکرو ثانیه است.

   آلودگی های سطحی و نیز آلودگی های بین فصل مشترک ها در مورد تمام مواد نانو کریستال باعث ایجاد مشکلات بزرگی می شود. در حین سایش مکانیکی , آلودگی های ناشی از ابزار آسیاب (Fe) و نیز آلودگی های اتمسفری (مقدار جزیی از عناصر N2 یا O2 موجود در گازهای نادر) می توانند مشکل ساز باشند. با کاهش زمان آسیاب و استفاده از خالص ترین و نرم ترین پودرهای فلزی موجود , پوشش نازکی از پودربر روی قسمت های دیگر آسیاب به وجود می آید که باعث کاهش فوق العاده زیاد در میزان آلودگی Fe می گردد. آلودگی اتمسفری می تواند با آب بندی (درزگیری) قسمت درب با یک اورینگ قابل انعطاف بعد از اینکه پودر در یک محفظه بسته تحت گاز خنثی ریخته شد , حذف یا به حداقل برسد. آسیاب های گلوله ای آزمایشگاهی کوچک را نیز می توان به صورت کامل در یک محفظه بسته از گاز خنثی محصور کرد. در نتیجه این تمهیدات , آلودگی بر اثر براده های سایشی Fe می تواند به کمتر از ۱ تا ۲ درصد اتمی و آلودگی نیتروژن و اکسیژن هم به کمتر از ۳۰۰ ppm  کاهش یابد. بدین وسیله پودر نانو ساختار تولید شده خلوص بیشتری نسبت به مواد سنتز شده به روش های دیگر نظیر فرآیندهای شیمیایی یا تبخیر و چگالش در محیط گاز خنثی دارد. علاوه بر این , می توان از تخلخل های کوچکی که در حین تراکم خوشه های کوچک بروز می نمایند , به صورت مطمئنی صرف نظر نمود.

آسیاب کردن فلزات دیر گداز (مثل تنگستن) در آسیاب سیاره ای یا لرزشی برای مدت زمان طولانی (بیش از ۳۰ ساعت) و با استفاده از فرکانس های بالای لرزش یا چرخش سبب ایجاد آلودگی آهن بیش از ۱۰ درصد اتمی می شود. از طرف دیگر , آلودگی موجود در اتمسفر آسیاب می تواند اثر مثبت بر روی شرایط آسیاب کردن داشته باشد , اگر فرد در صدد باشد که نانو کامپوزیت های فلز/سرامیک را با یکی از عناصر فلزی که از لحاظ شیمیایی بسیار واکنش پذیر با محیط گاز (یا سیال) است , تهیه نماید.

فرایندهای تغییر شکل در نمونه های پودری برای بررسی های بنیادی بر روی تغییر شکل مکانیکی شدید و توسعه موضوع مواد نانو با خواص ویژه فیزیکی , شیمیایی , دارای اهمیت است. فرایند مشابهی , تغییر شکل سطوح مرتبط را کنترل می نمایند. برای مثال , اثرات کار سختی , انتقال ماده , و فرسایش در طی شرایط سایشی , ریز ساختارهایی را برای سطوح سایشی نتیجه می دهد که قابل مقایسه با سطوحی است که در طی سایش مکانیکی , مشاهده می شود. خصوصا در طی سایش لغزنده , کرنش های پلاستیک بزرگ و گرادیان های (شیب های) کرنشی در نزدیک سطح ایجاد می گردند. مشابه با سایش مکانیکی ذرات پودر , این پدیده در نتیجه تشکیل شبکه های سلولی نابجایی , دانه های فرعی , و مرزهای دانه است که دانه های فرعی در نزدیک سطح کوچکتر می شوند.

۴-۳- آسیاب های گلوله ای پر انرژی و سایش مکانیکی

۴-۳-۱- مثال ها

عناصر فلزی و ترکیبات بین فلزی : در حین سایش مکانیکی ذرات پودر فلزی به دلیل بر خوردهایشان با ابزار آسیاب , مجبور به تحمل تغییر شکل های شدید پلاستیکی خواهند بود. در نتیجه در سرعت های بالای کرنشی) S1 104 – ۱۰۳ ) , تغیر شکل پلاستیکی در داخل ذرات رخ می دهد و اندازه متوسط دانه ها , پس از آسیاب کردن طولانی ذرات به چند نانو متر کاهش می یابد. چون ذرات فلزی تغییر شکل پلاستیک پیدا می کنند , قسمت عمده انرژی مکانیکی صرف شده در فرآیند تغییر شکل به صورت حرارت هدر , می رود , اما بقیه انرژی در داخل ذرات فلزی ذخیره شده و باعث بالا رفتن انرژی داخل ذرات می شود. این مهم , اولین بار در مورد تعدادی از فلزات با دمای ذوب بالا و ساختار کریستالی bcc و  hcp مورد مطالعه قرار گرفت. فلزات با ساختار Fcc ذاتا انعطاف پذیرتر هستند و اغلب تمایل زیادی برای چسبیدن به دیواره های ظرف و به صورت اتصال به هم به شکل ذرات بزرگتر دارند که غالبا این ذرات دارای قطر چند میلی متر بعد از آسیاب می گردند. در مطالعات انجام شده , نحوه آماده سازی موفقیت آمیز نانو کریستال های فلزی با ساختار Fcc تشریح شده است.

چون آلودگی هایی از ابزار آسیاب (فولادهای سخت کاری شده) ممکن است وارد پودر شود , در نتایج تجربی به دست آمده که در ادامه به آنها اشاره می شود از آهن به عنوان یک مدل برای فرآیند آسیاب مکانیکی استفاده می شود. تغییرات ریز ساختاری انجام شده آسیاب مکانیکی را می توان با مطالعه پراش اشعه X که با نمونه برداری صحیح انجام گرفته است , بررسی کرد. مطالعه الگوهای پراش اشعه X , پهن شدن پیک های کریستالی را به عنوان تابعی از ذوب زمان آسیاب نشان می دهند.

افزایش پنهای پیک به دلیل اندازه دانه ها و نیز اثرات کرنش داخلی می باشد. اندازه متوسط حوزه پراش کوهرنت (اندازه دانه ها یا اندازه کریستال) و نیز میکرو کرنش ها , تابع زمان آسیاب می باشد که مقدار آن را جمع عرض های پیک گرفته شده با فرض این که پیک به شکل پیک گاوسی باشد به دست آورد (شکل ۲-۴).

شکل ۴-۲ : اندازه دانه متوسط و میکرو کرنش ها به صورت تابعی از زمان آسیاب برای پودر آهن که روی پهن شدن پیک در روش اشعه X تعیین شده اند.

 

بعد از اعمال تصحیحات مربوط به Ka و پهن شدن ناشی از خطای ابزار , پهن شدن پیک در اثر اندازه کریستالی کوچک در فضای K ثابت است و توسط معادله

عموما , همه فلزات و ترکیباتی که تاکنون مورد بررسی قرار گرفته اند , رفتار مشابهی از لحاظ کاهش ابعاد دانه ها و افزایش میزان کرنش اتمی از خود نشان داده اند. مقادیر معمول برای توسط اندازه دانه ها در فلزات با ساختار Fcc , bcc , hcp بین ۱۰-۲۰ نانو متر متغیر است و کرنش های اتمی هم می توانند خداکثر تا  ۱۰  افزایش یابند.

جالب است در ادامه به این نکته اشاره شود که توسط آسیاب مکانیکی , تغییر شکل های پلاستیکی را می توان در مواد به ظاهر ترد و شکننده به وجود آورد. کمترین اندازه ای که برای دانه ها حوزه های (دامین های) ترکیبات بین فلزی با ساختار CsCl تاکنون مشاهده شده است , بین ۱۲ نانو متر برای CuEr و ۲ نانو متر برای NiTi (آمورف) بوده است. علاوه بر این در ترکیبات منظم بین فلزی , در حین آسیاب سایشی مکانیکی بی نظمی در جهت معکوس درون شبکه بوجود می آید که منجر به افزایش کرنش ای اتمی تا ۳۰  می شود. در حالی که برای ترکیبات با ساختار CsCl , کاهش پارامتر نظم شیمیایی پردامنه (با برد بلند) در حدود ۰٫۷ به حداکثر مقدار خود می رسد (اشباع می شود). ترکیبات بین فلزی دیگر همراه با تشکیل یک محلول جامد نانو کریستالی , بی نظمی کاملی را از خود نشان می دهند. برای مثال ترکیبات نوع A-15 مثل V3Ga , Nb3Al و Nb3Au بعد از آسیاب طولانی مدت به یک محلول جامد با ساختار bcc و دانه های نانو اندازه تبدیل می شوند.

محلول های جامد آمورف و کریستالی غیر تعادلی : آلیاژ سازی مکانیکی مخلوط پودرها عموما سبب تشکیل محلول جامدی با ترکیب شیمیایی فراتر از حد حلالیت تعادلی آن ها (تا حد ۱۰ برابر) می شود و دلیل آن تشدید دیفوزیون داخلی است که در اثر عوامل مکانیکی ایجاد می گردد. پدیده دیفوزیون ناشی از تنش در صورتی رخ می دهد که شیب (گرادیان) بزرگی در ساختار غالب شود که منجر به انجام فرآیندهای دیفوزیونی با سرعت بالا در مجاورت نابجایی ها حتی در دمایی می گردد که امکان دیفوزیون خودی اتم ها نیز وجود ندارد. بنابراین در تغییر شکل های زیاد , ساختارهای لایه ای یا رسوب ها می توانند حذف شوند.

فرآیندهای تغییر شکل (عامل محرکه) مخصوصا با استفاده از فرایندهای برشی , که سبب مخلوط شدن اجزا در مقایس اتمی می شوند , اخیرا با شبیه سازی کامپوتری کاملا روشن شده اند. فرآیند آلیاژ سازی مکانیکی به عنوان یک فرآیند آترمال شناخته شده است که همگنی بالایی در اجزاء اتمی در صورت تغییر شکل اعمالی کافی , فراهم می آید. در واقع شبیه سازی مونت کارلو نشان می دهد که تغییر شکل , در مورد آلیاژهای با آنتالپی اختلاط مثبت , باعث ایجاد محلول جامد می شود در این حالت , عامل محرکه که توسط پارامتر تحمیلی (به صورت نسبتفرکانس بین پرش های تحملی و پرش های ناشی از تحریک حرارتی) مشخص می شود , رفتاری همراه با بهبود در مشخصه نفوذ پذیری در حالت انتروپی زیاد در دمای بالا با گسترش قابلیت انحلال به وجود می آورد.

آنتالپی اختلاط مثبت : به طور شگفت آوری , آلیاژ سازی مکانیکی در مورد مخلوط پودرهایی با آنتالپی اختلاط مثبت نیز جواب داده است. اگر چه در بعضی موارد , مثل Ag-Fe یک مخلوط فازی نانو ساختار ذرات Ag و  Fe ساخته می شود ولی , در بقیه حالات امتزاج  پذیری واقعی در مقایس اتمی را می توان مشاهده کرد. همان طور که در مورد Cu-Fe , Cu-W , Cu-Ta و Cu-V صادق است. این تخلفات آشکار از قوانین تعادلی ترمودینامیکی , مثال های مناسبی برای نشان دادن توانایی روش آلیاژ سازی مکانیکی در سنتز مواد جدید تحت شرایط غیر تعادلی می باشد. برای مثال , آلیاژ سازی مکانیکی می تواند سبب تشکیل محلول های جامد تک فاز و نانو ساختار تا حداکثر ۶۰ در صد اتمی Fe در Cu و ۲۰  اتمی Cu در Fe  گردد. اندازه دانه ها در حالت پایدار از ۲۰ نانو متر برای مس , تا ۸-۱۰ نانو متر در مورد آلیاژ غنی از آهن که توسط پهن شدن خطوط در نمودار اشعه X تعیین شده اند) , تغییر می نماید (شکل ۴-۳).

شکل ۴-۳ : متوسط اندازه دانه برای پودرهای FexCu100-x بعد از ۲۴ ساعت آسیاب که در مقابل میزان Fe رسم شده است.

افزایش حلالیت آلیاژهایی که از خود رفتار اسپینودال را در سیستم های دانه درشت نشان می دهند به فشار موئینگی دانه های نانو و تاثیر آن بر روی انرژی آزاد ناشی از شعاع های انحناء کوچک می باشد. مشخص شده است که در حین آسیاب مکانیکی مخلوط پودری Fe-Cu , حالت آگلومره هایی از چند لایه ای ها تشکیل می شود که منجر به ریز ساختاری بسیار شبیه به انچه است که در نورد سرد دیده می شود.

علاوه بر این , اگر یک فلز ترد و یک فلز نرمتر با هم آسیاب شوند , می توان با فرآیند سایش مکانیکی , مخلوط فازی فوق العاده ریزی را تشکیل داد. برای مثال ذرات ۱۰ نانو متری Ge را می توان در زمینه انعطاف پذیر Sn یا Pd قرار داد. مشابه همین حالت در ساختارهایی چون TiNi-C و Ag-Fe وجود دارد که میتوان ذرات بسیار ریز در مقیاس نانو متری پخش شده در ساختار را یافت. با بررسی های تکمیلی مازباور مشخص شده است که حلالیت متقابل Ag در حوزه های (دامین های) Fe (و متقابلا Fe در دامین های Ag) وجود دارد. بنابراین ریز ساختار و نظم شیمیایی حاصله بسیار به مخلوط فازی نانو کریستالی حاصل از روش چگالش گازی , شبیه است.

آنتالپی اختلاط منفی / تشکیل شیشه : محلول های جامد گسترش یافته در آن سوی محدوده های تعادل ترمودینامیکی را نیز می توان توسط آلیاژ سازی مکانیکی پودرهای دارای آنتالپی اختلاط منفی تولید کرد. برای مخلوط های فازی با تفاوت زیاد در شعاع های اتمی (بیش از ۱۵ )  , تشکیل یک ساختار آمورف اغلب مشاهده شده است. در طی این فرایند , دیفوزیون پر دامنه (بلند برد) اتم های حل شده به وقوع می پیوندد و بنابراین تمایز جزء حل شده , امکان پذیر نیست.

برای مثال , در حین آلیاژ سازی مکانیکی  Zr atom  ۷۵  وatom AI     ۲۵  , محلول جامد )  فوق اشباع با ساختار hcp قبل از شروع واکنش های آمورف شدن حالت مشاهده می شود. هر چند در مورد آلیاژهای دوتایی , این که یک شیشه فلز تشکیل شده است یا تنها ساختازر آمورف وجود دارد , نامشخص است. اخیرا تغییر فاز مشابهی در مخلوط پودری چند عنصره آلیاژ سازی مکانیکی شده

Zr60  AI10  Ni9  Cu18  Co3 همراه با ترکیب شیشه ساز بالک , مشاهده شده است (شکل ۴-۴). در مطالعه طیف اشعه X در مراحل مختلف فرآیند آسیاب , مشهود است که پیک های مربوط به عناصر Cu , Co , AI و Ni حذف شده و تغییر مکان پیک Zr به زوایای پراش بالاتر اتفاق می افتد , که متناظر با کاهش در ثابت شبکه Zr با ساختار hcp در نتیجه حل شدن سریع اتم های مثل Co , Ni , Cu و AI در زمینه  است.

شکل ۴-۴ : طیف های اشعه X برای نمونه های پودری آلیاژ سازی مکانیکی شده

AI10  Ni9  Cu18  Co3  Zr60 که تبدیل از حالت مخلوط پودری کریستالی اولیه را به ساختار آمورف شبکه شیشه ای را نشان می دهد.

در مطالعات کالریمتری مشخص شده است که با حرارت دادن ماده امورف و تیدیل آن به مایع فوق تبرید قبل از کریستاله شدن , تبدیل شیشه رخ می دهد. در شکل ۴-۵ می توان افزایش ظرفیت گرمایی ویژه ماده را هنگامی که نمونه شیشه فلزی تهیه شده توسط فرآیند حالت جامد از میان نقطه تبدیل شیشه , حرارت داده شده را مشاهده کرد. نتایج مشابهی در مورد استحاله کریستال به شیشه توسط آسیاب مکانیکی سایشی در مورد مخلوط های فازی تعادلی هم مشاهده شده است. این نتایج نسبتا شگفت آور تایید می کنند که با فراآیندهای حالت جامد می توان ساختار شیشه فلزی به دست آورد (بدون سرد کردن از حالت مایع). که این کار با نا پایدار کردن کریستال به کمک ایجاد بی نظمی استاتیکی که منجر به تنش های الاستیک بالا می شود , انجام می گردد.

شکل ۴-۵ : آنالیز حرارتی که تفاوت در ظرفیت گرمایی نمونه Zr60 Co3 Cu18 Ni9 AI10 را در مقایسه با وضعیت کریستالی پایدار از لحاظ ترمودینامیکی برای پودر آلیاژ سازی مکانیکی شده آمورف , شیشه فلزی بالک , و فویل بر روی هم انباشته شده , نشانمی دهد.

سرامیک ها :  مواد انعطاف پذیر , به صورتی که در بالا توضیح داده شد , تغییر شکل می دهند , اما جالب است که مواد ظاهرا شکننده و ترد مثل سرامیک ها نیز پس از آسیاب مکانیکی سایشی , طولانی مدت , ریز ساختار شده ای پیدا می کنند. برای مثال با آسیاب کردن ZrO2 برای مدت زمان نزدیک به ۴۰ ساعت , اندازه دانه ها به چند نانو متر کاهش می یابد. در اندازه دانه های کمتر از ۱۲ نانو متر , تبدیل ساختار مونو کلینیک پایدار به ارتورومبیک شبه پایدار مشاهده شده است. یک تخمین ساده نشان می دهد که در ریز اندازه دانه بحرانی حدود ۳۰nm , فاز دما بالا پایدارتر از فاز دما پائین می شود که به خاطر عیوب موجود می باشد. آلیاژ سازی مکانیکی را می توان به خوبی در مورد مخلوط پودرهای سرامیکی هم اجرا کرد. برای مثال , محلول جامد (Fe , Cr)2O3 را از مخلوط پودرهای Fe2O3 / Cr2O3 با اندازه دانه های در حدود ۲۰ نانو متر می توان به دست آورد. همین مشاهدات در مورد مخلوط پودر ZrO2 / Y2O3 نیز گزارش شده است. حتی فرآیندهای شیمیایی را می توان با آسیاب مواد سرامیکی ایجاد نمود. برای مثال اگر مواد مناسبی به مخلوط اضافه شوندآسیاب مکانیکی طولانی مدت اکسیدها سبب احیاء مخلوط می گردد. واکنش های مکانیکی در مورد مخلوط هایی چون  Ag2O/C ,  و Cu/Ca گزارش شده است.

مخلوط های پلیمری : آلیاژ سازی مکانیکی مواد پلیمری در دهه گذشته توسعه یافته است. مشابه مواد فلزی , آسیاب مکانیکی پلیمرها هم سبب افزایش انرژی داخلی می گردد. برای مثال ترکیبات پلی آمید (PA) , پلی اتیلین (PE) آکریلونیتریل – استایرن (ABS) به صورت مشروح مورد مطالعه قرار گرفته اند. جهت شکستن زنجیره های پلیمری ,فرآیند آسیاب کردن در زیر دمای تبدیل شیشه انجام می شود. در نتیجه , حالت کریستالی ماده پودری طی آسیاب مکانیکی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. انرژی ذخیره شده در ساختار در این حالت سبب دمای پخت کمتر نمونه بالک نسبت به پودرهای مرسوم می گردد. در ضمن خواص مکانیکی به دست آمده به شکل قابل ملاحظه ای بهبود پیدا می کند.

فرآیند آسیاب را می توان برای آلیاژ سازی مکانیکی مخلوط های پلیمری (PA/PE,PA/ABS) همچنین آلیاژ سازی مکانیکی پلیمر با سرامیک (PP/SiC) و پلیمر با فلز (PS/Sn,PP/AI,PE/Cu) به کار برد. با آسیاب مکانیکی محدودیت های معمول در مورد ساز گاری تشکیل پلیمر بر اساس قوانین موجود در علم پلیمر مرتغع گردیده است. این روش فرصت بی نظیری برای سنتز مواد جدید و نیز ساخت موادی با خواص پیشرفته ایجاد می کند که با هیچ روش دیگری مقدور نیست.

نانو کامپوزیت ها : آسیاب مکانیکی یک فرایند بسیار متنوع برای ساخت نانو کامپوزیت ها است. چون این فرایند به آلودگی های ناشی از محیط آسیاب بسیار حساس است , می توان برای ایجاد واکنش های شیمیایی مورد نظر بین پودر آسیاب شده و محیط آسیاب از اتمسفر کنترل شده در آسیاب استفاده کرد. با انتخاب یک گاز واکنشی (N2 , O2 و غیره) یا مایع مخصوص آسیاب (مایعات آلی) می توان پودر فلزی را به کمک آسیاب واکنشی به صورت کامپوزیت فلز – سرامیک نانو کریستاله عمدا تغییر داد , یا حتی فلز را کامکلا به شکل سرامیک نانو کریستالی (مثل یک نیترید فلزی) در آورد.

به کمک آسیاب گلوله ای پر انرژی تحت جریان گاز نیتروژن می توان پودر فلزات (Ti,Fe,V,Zr,W,HF, Ta,  Mo) را به ترکیب نیتریدی نانو ساختار تبدیل کرد. واکنش های نفوذی بین دانه ای در حالت جامد در حین آسیاب گلوله ای واکنشی با خرد شدن ذرات پودر اولیه و ایجاد سطوح جدید آغاز می شود. این سطوح تازه و جدید با واکنش با گاز نیتروژن , لایه های سطحی نیتریدی را بر روی هسته واکنش نداده , ایجاد می نمایند. با ادامه فرآیند آسیاب این واکنش ها ادامه می یابند و فاز نیتریدی همگنی شکل می گیرد و هسته واکنش نداده فلزی حذف شده ,  و نیترید فلزی نانو ساختار (اغلب نیمه پایدار) با اندازه دانه در حدود ۵ نانو متر تشکیل می شود. با آسیاب گلوله ای در مایع آلی (مثل مواد فعال کننده سطحی) که در بعضی موارد از آنها برای جلوگیری از ورود آلودگی ناشی از ابزار آسیاب استفاده می شود , می توان واکنش های شیمیایی را انجام داد که منجر به تشکیل ذرات بسیار ریز کاربیدی گردد. برای مثال با آسیاب آلیاژهای AI-Ti , AI-Zr یا AI-HF در هگزان , می توان اندازه دانه ۹ نانو متری را به دست آورد که کربن در زمینه ذرات حل شده است. در طی فشرده سازی دینامیکی پودر در حدود ۱۳۰۰ درجه کلوین , دانه ها تا ۴۰ نانو متر رشد می کنندو رسوب ذرات ۷ نانو متری از ذرات ZrC اتفاق می افتد. انتظار می رود که چنین کامپوزیت های فوق العاده ریز دانه ای دارای استحکام و انعطاف پذیری بالایی باشند.

اخیرا کامپوزیت های شیشه فلزی / سرامیک با آلیاژ سازی مکانیکی مخلوط برپایه Zr از پودرهای فلزی چند جزئی (به صورت عنصری) به همراه ذرات SiC تولید شده است. توسط میکروسکوپ SEM تصاویری از این کامپوزیت شیشه فلز / سرامیک با ترکیب Zr65AI7.5Cu17.5Ni10 + 10 vol  (شکل ۴-۶) بعد از ۳۰ ساعت آسیاب گرفته شده است که این تصاویر مشخص می کند که ذرات بسیار ریز SiC بصورت همگن در زمینه پودر شیشه فلز پخش شده اند. این امر توسط پراش اشعه X و آنالیز EDX هم اثبات شده است. اندازه ذرات SiC از ۱ میکرون تا کمتر از ۵۰ نانو متر می باشد. جالب است اشاره شود که ذرات SiC به عنوان مکان های مناسب برای جوانه زنی غیر همگن در هنگام حرارت دادن کامپوزیت تا دمای کریستاله شدن آن یعنی دمایی بالاتر از دمای استحاله شیشه ای عمل نمی کنند. این پدیده باعث می شود تا آلیاژ سازی مکانیکی به عنوان یک روش مناسب برای دستیابی به آلیاژهای آمورف مستحکم شده توسط پخش ذرات با بهبود قابل توجه در استحکام و مقاومت به سایش با استفاده از تکنیک متالورژی پودر مطرح باشد.

 

شکل ۴-۶ : تصویر SEM از کامپوزیت فلز/سرامیک حاوی  ۱۰  حجمی از ذرات SiC در یک زمینه آمورف Zr65AI7.5Cu17.5Ni10 تهیه شده توسط آلیاژ سازی مکانیکی

پیام بگذارید

4 × 3 =