| تاریخ ارسال: 1402/7/3 |
مدلسازی فراگیر ما را به سمت زیرکونیای حافظه‌دار جدید با خواص همتا با آلیاژهای حافظه‌دار می‌برد
دیاگرام‌ها نمایانگر دو ساختار اتمی متفاوت از یک زیرکونیای حافظه‌دار جدید هستند. یک عامل خارجی مثل تغییر دما می‌تواند باعث انتقال بین دو حالت بالا باشد
با اینکه سرامیک‌ها همواره به‌طور سنتی به‌سختی خود معروف بوده‌اند، این سختی به قیمت چقرمگی شکست پایین آن‌ها تمام‌شده است. همان پیوندهای بین‌اتمی که باعث استحکام سرامیک‌هاست باعث می‌شوند سرامیک‌ها تغییر فرم پلاستیک را مانند فلزات و مواد پلاستیکی تجربه نکنند.
در دهه‌های اخیر محققین به‌صورت فعال روش‌هایی برای غلبه بر تردی سرامیک‌ها و در عین حال حفظ استحکام و مقاومت شیمیایی و حرارت آن‌ها بدست آورده‌اند. توسعه فناوری سرامیک‌های حافظه‌دار هم یکی از نمونه‌های بسیار مفید همین تحقیقات بوده است.
مواد حافظه‌دار موادی هستند که می‌توانند شکل درونی خود را تحت تأثیر شرایط خارجی مثل دما، نور، رطوبت، اسیدیته و یا حتی الکتریسیته بازیابی کنند. آلیاژهای فلزی اولین مواد شناخته‌شده بودند که این خاصیت حافظه‌دار بودن را از خود نشان دادند. محققین تاکنون بسیاری از مواد حافظه‌دار پلیمری و پلیمری کامپوزیتی را نیز شناسایی کرده‌اند. خاصیت حافظه‌دار بودن براساس ماده‌ای تعریف می‌شود که تحت تأثیر یک تغییر فاز با اعمال تغییرات خارجی قرار می‌گیرد. درمورد مواد حافظه‌دار پلیمری، با توجه به شبکه‌های الاستیسیته درونی آن‌ها، تغییر فاز بین حالت سفت و نرم می‌تواند توسط ابزارهای مختلفی ایجاد شود. درمورد آلیاژهای حافظه‌دار این حالت براساس ماده‌ای با دو ساختار کریستالی پایدار تعریف می‌شود. یکی فاز دما بالای آستنیتی و دیگری فاز دما پایین مارتنزیتی.
سرامیک‌ها هم مثل آلیاژها دارای ساختار کریستالی متفاوت در فازهای حالت‌جامد مختلف خود هستند. این شباهت بین آلیاژها و سرامیک‌ها علی‌الخصوص سرامیک‌های پایه زیرکونیا منجر به موفقیت در توسعه سرامیک‌های حافظه‌دار توسط اعمال استراتژی مشابه آلیاژها در آن‌ها شده است.
برای مثال وقتی آلیاژها و سرامیک‌ها تحت تأثیر تغییر فاز از یک‌فاز جامد به فاز دیگر قرار می‌گیرند یک‌لایه میانی دارای تنش که باعث جدا شدن دو فاز می‌شود به وجود می‌آید. این کرنش در شبکه کریستالی می‌تواند باعث شکست پیوند به‌صورت مخرب در شبکه شود. برای کاهش این کرنش محققین تلاش می‌کنند که از طریقی سازگاری هندسی فازهای مختلف را بهبود بخشند مثل دوپ کردن. در نتیجه کرنش بین قسمت تغییر فاز یافته و قسمت تغییر فاز نیافته‌ی زمینه کاهش می یابد. این دستاورد برای بهبود فرایند تغییر فاز در فلزات بسیار مفید بوده است. برخی آلیاژهای حافظه‌دار می‌توانند تحت تأثیر میلیون‌ها چرخه تبدیل فاز قرار گیرند بدون اینکه دچار شکست شوند. با این حال حتی وقتی سازگاری هندسی یک سرامیک حافظه‌دار بهبود پیدا می‌کند بازهم معمولاً پس از تنها چند هزار چرخه تغییر فاز دچار ترک می‌شود و یا حتی در صورت استفاده از عناصر دوپ کننده اشتباه دچار نتایج انفجاری شود.
در مقاله جدید محققین از مرکز تکنولوژی ماساچوست با کمک مدلسازی چندحالته توانسته‌اند پایداری سرامیک‌های حافظه‌دار را بهبود ببخشند. آن‌طور که در این مقاله توضیح داده‌شده است سازگاری ساختار شبکه به‌تنهایی بیانگر موفقیت در تغییر فاز نیست بلکه عوامل دیگری مثل اصطکاک در قسمت متحرک نیز نقش بسیار اساسی دارد.
درنتیجه آن‌ها مهندسی شبکه‌ی قدیمی و سنتی را توسط ابزارهای مدرن متعددی بهبود و گسترش دادند. ابزارهایی مثل محاسبات ترمودینامیکی، فیزیک تغییر فاز، محاسبات کریستالوگرافی و استفاده از ماشین لرنینگ. این مدلسازی چند حالته باعث شد ترکیب جدید زیرکونیایی (ZrO۲–TiO۲–[AlO۱.۵– CrO۱.۵]) بدست آید که خواصی همپا با برخی از آلیاژهای حافظه‌دار را به نمایش گذاشت.
به‌عنوان مثال این زیرکونیای حافظه‌دار مقادیر هیسترزیس پایین در حد k۱۵ (هیسترزیس به اختلاف دمای بین گرم کردن و سرد کردن مربوط می‌شود) را ثبت کرد. این یعنی ده برابر کمتر از هیسترزیس حالت عادی و تقریباً ۵ برابر کمتر از بهترین رکوردهای ثبت‌شده تا الان. ثبت این مقدار هیسترزیس پایین در نمونه‌ای که به‌طور کامل از حالت مونوکلینیک و تتراگونال خود عبور کرد نیز مشاهده‌شده بود که بیانگر موفقیت در کاهش عدم انطباق حجمی در ساختار بوده است.
بعلاوه اندازه‌گیری‌های مربوط به پارامتر شبکه نشان می‌دهد که زیرکونیا حین تغییر فاز تحت تأثیر کرنش‌هایی در حد ۱۰ درصد با هیسترزیس پایین بوده است. این نشان می‌دهد که هیسترزیس بهبودیافته تنها با کاهش کرنش تغییر فاز بدست نمی‌آید بلکه توسط ایجاد سازگاری و هماهنگی هندسی بیشتر قابل حصول است.
در مقاله یادآوری شده است که کشف زیرکونیای جدید حافظه‌دار تنها با ایجاد تغییرات شیمیایی صورت گرفته و با حفظ ثبات در شرایط فرایند همراه بوده است و با توجه به اینکه هیسترزیس می‌تواند متأثر از شرایط فرایند هم باشد، ترکیب بهینه‌ی بدست آمده در صورت بهینه‌سازی شرایط فرایند می‌تواند کاهش شدیدتر مقادیر هیسترزیس را هم به دنبال داشته باشد.
این یک پتانسیل خیلی خوب برای کاربردهای سرامیک‌های حافظه‌دار می‌تواند باشد. کاربردهایی مثل محرک‌هایی که جریان هوا را به‌طور مستقیم به داخل موتور جت می‌فرستند. همانطور که MIT گزارش می‌کند: وقتی محیط بسیار داغ است کانال‌های متعدد جریان هوا توسط یک سرامیک حافظه‌دار هوای داغ یا سرد را به داخل دستگاه هدایت می‌کنند.
محققین تصمیم دارند با پیدا کردن روش‌های نوین برای تولید این سرامیک‌ها با مقیاس بالاتر و اشکال پیچیده‌تر و درعین‌حال ارزیابی آن‌ها از نظر پایداری تحمل چرخه‌های متعدد تغییر فاز به کشف و توسعه این مواد جدید ادامه دهند.
The paper, published in Nature, is “Low-hysteresis shape-memory ceramics designed by multimode modelling” (DOI: ۱۰.۱۰۳۸/s۴۱۵۸۶-۰۲۲-۰۵۲۱۰-۱).
منبع:
ترجمه: مهندس نازنین فرمانی، دانشگاه علم و صنعت ایران