باعتباره أحد أقدم أعضاء عائلة السيراميك المتقدمة، يتميز سيراميك Al₂O₃ (سيراميك الألومينا) بمجموعة من الخصائص المتميزة التي لا تُضاهى في المواد السيراميكية الأخرى. وتشمل هذه الخصائص انخفاض التكلفة، والقوة والصلابة العاليتين، ومقاومة ممتازة للحرارة، ومقاومة للتآكل والتآكل. ويُستخدم سيراميك الألومينا على نطاق واسع في مجالات الدفاع الوطني، والفضاء، والطب الحيوي.
ومع ذلك، وكما هو الحال مع العديد من السيراميك أحادي الطور، فإن الترتيب الذري في البنية البلورية لـ Al₂O₃ يمنعه من الخضوع للتشوه اللدن مثل المعادن. ونتيجةً لذلك، أثناء الكسر، باستثناء تكوين أسطح شقوق جديدة لزيادة طاقة السطح، يكون هناك تبديد ضئيل للطاقة. وهذا يؤدي إلى نقطة ضعف حرجة في سيراميك الألومينا، ألا وهي الهشاشة.
على الرغم من صعوبة تغيير طبيعة سيراميك الألومينا الهشة، إلا أن هناك طرقًا لتحسينها. بعد سنوات من التطوير، ظهرت عدة طرق لتعزيز متانته، لا سيما عن طريق إضافة مراحل تقوية إلى مصفوفة السيراميك.
1 تقوية الجسيمات
تقوية الجسيمات هي إحدى أبسط الطرق لتعزيز متانة السيراميك. بالنسبة لـ Al₂O₃
في السيراميك، تكون جزيئات التقوية عادةً إما جزيئات معدنية مطاوعة أو جزيئات غير معدنية ذات معامل مرونة مرتفع.
في مراحل التصلب، تُعزز جسيمات المعدن المتانة بشكل رئيسي من خلال آليات مثل سحب الجسيمات والتشوه البلاستيكي، مما يُسبب انحراف الشقوق في مصفوفة أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃). بالإضافة إلى ذلك، يُمكن لجسيمات المعدن تثبيط نمو حبيبات أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) أثناء عملية التلبيد، مما يُحسّن خصائص التلبيد. تشمل جسيمات المعدن الشائعة الألومنيوم (Al)، والنيكل (Ni)، والتيتانيوم (Ti)، والنحاس (Cu)، والحديد (Fe).
ومع ذلك، نظرًا لأن معامل مرونة الجسيمات المعدنية أقل عمومًا من معامل مرونة أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃)، فإن المركبات الناتجة تميل إلى أن تكون أقل صلابة وقوة. من ناحية أخرى، يمكن للجسيمات غير المعدنية ذات معامل المرونة العالي - مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتروجين السيليكون (Si₃N₄) وكربيد التنجستن (TiC) - أن تُحسّن أيضًا من المتانة من خلال آليات مثل سحب الجسيمات، وتثبيت الشقوق، وانحراف الشقوق، وسد الشقوق.
2 تقوية التحويل
يخضع أكسيد الزركونيوم النقي (الزركونيا) لتحول طوري في الحالة الصلبة عند درجة حرارة قريبة من 1000 درجة مئوية: من طور رباعي الزوايا (t) إلى طور أحادي الميل (m). يُسبب هذا التحول المارتنسيتي تمددًا حجميًا يتراوح بين 3% و5% تقريبًا.
عندما تصل الشقوق إلى منطقة t-ZrO₂، فإن مجال الإجهاد في طرف الشق يحفز منطقة التحول.
داخل هذه المنطقة، يتحول أكسيد الزركونيوم-t إلى أكسيد الزركونيوم-m، ممتصًا الطاقة الناتجة عن تكوين السطح وتمدد الحجم. يُنتج هذا التحول الطوري إجهادًا ضاغطًا عند طرف الشق، مما يُساعد على منع انتشاره.
هذا يُخفِّض معامل شدة إجهاد طرف الشق، مما يُحسِّن مقاومة المادة لنمو الشقوق بفعالية. بمعنى آخر، يُبدِّد هذا التحويل الطاقة الخارجية، مما يُعزِّز متانة الكسر.
يؤدي الجمع بين هذه الآلية مع التشققات الدقيقة وتعزيز الإجهاد المتبقي في مصفوفة Al₂O₃ إلى تكوين سيراميك ZTA. يُظهر سيراميك ZTA (ألومينا مقواة بالزركونيا) صلابة محسنة بشكل ملحوظ مقارنةً بسيراميك Al₂O₃ النقي.
تقوية الألياف والشوارب 3
يمكن إدخال الألياف أو الشعيرات في المصفوفة الخزفية بطريقة مُتحكّم بها. تؤدي هذه الألياف وظيفتين:
تُساعد على توزيع الحمل الخارجي، مستفيدةً من قوة الألياف أو الشعيرات العالية. تُشكّل هذه الألياف واجهةً ضعيفة الترابط مع المصفوفة الخزفية، مُنشئةً نظامًا يمتص الطاقة الخارجية ويُخفّف من الهشاشة.
منذ اكتشافهما، تُعدّ أنابيب الكربون النانوية والجرافين من المواضيع البحثية الرائدة في علوم المواد. وقد أدرجت دراسات حديثة هذه المواد النانوية في سيراميك الألومينا، ووجدت أنها تُساهم بشكل كبير في تقوية مصفوفة السيراميك.
4 تقوية هجينة
مع تقدم الأبحاث حول تقوية سيراميك الألومينا، تم تطوير نهج تقوية متعدد الآليات - التقوية الهجينة - للجمع بين مزايا الطرق الفردية المختلفة والتعويض عن أوجه القصور فيها.
تتضمن هذه الاستراتيجية التآزرية استخدام آليتي تقوية أو أكثر في آنٍ واحد لتعزيز المتانة الكلية. وقد جذبت اهتمامًا واسعًا من الباحثين. تشمل تركيبات التقوية الهجينة الشائعة ما يلي:
• تقوية الجسيمات/الشعيرات
• تقوية الجسيمات/التحويل
• تحويل/تقوية الشارب
• الجرافين (أو الأنابيب النانوية الكربونية)/الجسيمات (أو التحول، الشعيرات)
على سبيل المثال، ثبت أن الجمع بين تقوية تحويل ZrO₂ مع التعزيز الشعيري في سيراميك Al₂O₃ يؤدي إلى إحداث تأثير تقوية معزز بشكل كبير.
5 تقوية النانوتكنولوجي
في عام ١٩٨٧، أفاد الباحث الألماني كارش وزملاؤه لأول مرة بأن السيراميك النانوي يتميز بمتانة عالية ومرونة فائقة في درجات الحرارة المنخفضة. وكشفت نتائجهم عن الإمكانات الاستثنائية للسيراميك النانوي، وقدّمت مسارًا جديدًا للتغلب على مشكلة هشاشة السيراميك المزمنة.
في عام 1990، صرح العالم الشهير جون كاهن: "إن النانو سيراميك هو الحل الاستراتيجي لمشكلة هشاشة السيراميك".
من ناحية أخرى، تتميز السيراميك النانوية بحبيبات دقيقة وزيادة ملحوظة في حدود الحبيبات. علاوة على ذلك، بمجرد تقليل أحجام المسام والعيوب إلى ما دون الحد الحرج، فإنها لا تؤثر على قوة المادة العيانية. ونتيجة لذلك، يمكن تحسين كل من القوة والمتانة بشكل كبير.
ومن ناحية أخرى، فإن دمج المراحل النانوية المنتشرة في المصفوفة الخزفية لا يعزز القوة والمتانة فحسب، بل يحسن أيضًا مقاومة درجات الحرارة العالية، والصلابة، ومعامل المرونة، ومقاومة الزحف في درجات الحرارة العالية.
لذلك، أصبحت أساليب البناء النانوي والمركبات النانوية من بين الاستراتيجيات الأكثر أهمية وواعدة لتحسين صلابة الكسر في سيراميك الألومينا.
6 تقوية ذاتية
تُطوَّر سيراميكات Al₂O₃ ذاتية التقوية بإضافة مواد مضافة أو بلورات بذرية لتحفيز نمو متباين الخواص لحبيبات Al₂O₃ متساوية المحاور إلى أشكال تشبه الصفائح أو القضبان أو الأعمدة الطويلة. وتتشابه آليات التقوية المستخدمة مع آليات تقوية الشعيرات، وتشمل سد الشقوق، وانحراف الشقوق، وسحب الحبيبات، مع كون سد الشقوق الآلية السائدة.
لقد تمت دراسة هذا النهج على نطاق واسع ويظهر وعدًا كبيرًا في تعزيز صلابة سيراميك الألومينا من خلال الاستفادة من التطور البنيوي الدقيق للمادة نفسها.
آلات مسحوق ملحمة
آلات مسحوق ملحمة توفر المعدات اللازمة لإنتاج مساحيق السيراميك عالية النقاء مثل الألومينا والزركونيا مع التحكم الدقيق في الجسيمات.
تدعم تقنيتنا السيراميك المقوى من خلال ضمان الجودة المستقرة، مما يساعد الصناعات مثل أشباه الموصلات، والفضاء، والطب الحيوي على تحقيق أداء أفضل.
