| تاریخ ارسال: 1403/1/27 |
فراتر از اکسیدها: تغییر شکل پلاستیک موفقیت‌آمیز در نیترید سیلیکون به دلیل ساختار دو فازی
بلبرینگ‌های ساخته شده از نیترید سیلیکون. پژوهشگران در چین روشی برای تغییر شکل پلاستیکی نانوپیلارهای سرامیکی از این نیترید را با بهره‌گیری از یک ترکیب ساختار دوفازی کشف کردند. (تصویر: لوکاس بوش، ویکی مدیا، CC BY-SA ۳.۰)
سرامیک‌ها به دلیل تردی‌شان معروف هستند. بااین‌حال، تا دهه ۱۹۵۰ میلادی، علت مقاومت شدید سرامیک‌ها در برابر تغییر شکل به دلیل نابجایی ساختاری آنها تأیید نشده بود. نابجایی یا نقص خطی، مناطقی هستند که اتم‌ها در مقایسه با بقیه ساختار بلوری کامل به طور غیرعادی چیده شده‌اند. هنگامی که تنش اعمال می‌شود، حرکت این نابجایی‌ها به اتم‌ها اجازه می‌دهد تا بر روی یکدیگر بلغزند و منجر به تغییر شکل پلاستیک ماده به‌جای شکست ترد می‌شود. سرامیک‌ها به دلایل ذاتی و مرتبط با فرآیند، نابجایی بسیار کمتر و کمتری نسبت به فلزات دارند. برای مثال، مواد سرامیکی عمدتاً حاوی پیوندهای کووالانسی و یونی هستند که از پیوندهای فلزی قوی تر هستند و بنابراین حرکت نابجایی‌ها را محدود می‌کنند. علاوه بر این، فرآیند پخت معمولی برای سرامیک‌ها باعث درشت‌شدن دانه‌ها می شود که تعداد نابجایی‌ها را در ساختار کاهش می‌دهد.
محققان راه‌های مختلفی را برای بهبود توانایی سرامیک در تغییر شکل پلاستیکی، برای مثال با استفاده از مسیرهای پردازش جایگزین برای حفظ نابجایی یا اعمال فشار مکانیکی برای ایجاد نابجایی، بررسی کرده‌اند. برخی از این پیشرفت‌های اخیر در اپیزود نوامبر ۲۰۲۲ Ceramic Tech Chat پوشش داده شد، که Xufei Fang دانش و تحقیقات خود را در مورد این موضوع به اشتراک گذاشت. فانگ رهبر گروه جوان در گروه تحقیقاتی مواد معدنی غیرفلزی در دانشگاه فنی دارمشتات در آلمان است. در این قسمت، او توضیح داد که بیشتر تحقیقات تا به امروز در مورد تغییر شکل پلاستیک سرامیک‌های اکسیدی بوده است. بااین‌حال، یک مطالعه اخیر به رهبری محققان دانشگاه Tsinghua در چین امکان تغییر شکل پلاستیک را در سرامیک‌های غیراکسیدی نیز به‌ویژه نیترید سیلیکون نشان داد. محققان مطالعه اخیر توضیح می‌دهند که تغییر شکل سرامیک‌های غیراکسیدی به دلیل ساختار پیوندی آنها پیچیده است. در مقایسه با سرامیک‌های اکسیدی که عمدتاً دارای پیوندهای یونی غیر جهت‌دار هستند، سرامیک‌های غیراکسیدی عمدتاً حاوی پیوندهای کووالانسی هستند که ویژگی‌های قوی و جهت‌دار را نشان می‌دهند. آنها می‌نویسند: "به‌این‌ترتیب، درک تغییرشکل پلاستیکی سرامیک‌های کریستالی با پیوند کووالانسی یک چالش طولانی‌مدت و حیاتی بوده است."
از نظر تئوری، تغییر شکل پلاستیک را می‌توان با شکستن پیوندهای کووالانسی در حجم بسیار کم و سپس التیام فوری ناحیه از طریق تشکیل پیوندهای جدید، پدیده‌ای که محققان آن را "تغییر پیوند" می‌نامند، به دست آورد. بااین‌حال، برای دستیابی به سوئیچینگ پیوند، سد انرژی برای بازآرایی‌های اتمی محلی باید کاهش یابد تا انتقال نسبتاً آسان یک پیکربندی پیوند به دیگری امکان‌پذیر شود. به طور هم‌زمان، شبکه‌های دو طرف صفحه لغزش باید تقریباً فاصله اتمی واحد یکسانی داشته باشند تا از ترجمه‌های اتمی متوالی اطمینان حاصل شود. در مقاله خود، محققان پیشنهاد می‌کنند که یک ساختار دوفازی با یک فصل مشترک شبکه منسجم (انطباق خوب) ممکن است این الزامات را برآورده کند. در شرایط عادی، نیترید سیلیکون دارای دو پلی مورف، فاز آلفا و فاز بتا است. این فازها ساختارهای شبکه شش‌ضلعی مشابهی دارند؛ اما ثابت‌های شبکه متفاوت در امتداد، جهت c ثابت آلفا دوبرابر ثابت بتا است.
نیترید سیلیکون معمولاً از طریق تف‌جوشی در فاز مایع سنتز می‌شود که منجر به تولید نمونه‌ای می‌شود که فقط حاوی فاز بتا است. برای تولید نیترید سیلیکون حاوی هر دو فاز، محققان تحت رهبری Tsinghua از فرآیند تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای استفاده کردند که شامل پخت مخلوط پودری Si۳N۴: Al۲O۳: Y۲O۳ (نسبت وزن ۹۰:۶:۴) در دمای ۱۵۵۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۵ دقیقه با فشار ۳۰ مگاپاسکال و نرخ گرمایش ۱۵۰ درجه در دقیقه بود. پنج نمونه با درصدهای مختلف رابط‌های همدوس آلفا-بتا با تنظیم محتوای آلفا فاز در مخلوط پودر اولیه تهیه شد. تجزیه و تحلیل با میکروسکوپ الکترونی روبشی میدان تاریک حلقوی با زاویه بالا نشان داد که عدم تطابق زاویه بین ریزدانه‌های آلفا و بتا کمتر از ۱.۸ درجه است، که نشان دهنده درجه بالایی از تطابق شبکه است. خواص مکانیکی از طریق تست فشار نانوپیلارها مورد ارزیابی قرار گرفت. این رویکرد برای به حداقل رساندن ابهامات ناشی از عیوب ساختاری ناشی از دمای پخت کمتر و زمان نگهداری کوتاه‌تر انتخاب شد .نمونه‌های نانوپیلاری استحکام و مقادیر تغییر شکل پلاستیکی بالاتری نسبت به نیترید سیلیکون تک‌فاز معمولی نشان دادند. نمونه با نسبت فصل مشترک منسجم ۳۲ درصد بهترین عملکرد را با مقاومت شکست حدود ۱۱ گیگاپاسکال و کرنش پلاستیک حدود ۲۰ درصد نشان داد. این قدرت بیش از دوبرابر نیترید سیلیکون تک‌فاز معمولی (۴.۷ GPA) است که هیچ تغییر شکل پلاستیکی را نشان نمی‌دهد.
بازرسی دقیق‌تر در طول تست فشار تأیید کرد که یک تبدیل فاز بتا به آلفا ناشی از تنش باعث تغییر شکل پلاستیک بود. این مشاهدات شگفت‌انگیز بود، زیرا تاکنون، محققان تنها شاهد تبدیل فاز آلفا به بتا در نیترید سیلیکون به دلیل پایداری بالاتر فاز بتا بوده‌اند. محققان تبدیل فاز بتا به آلفا را به حرکت فصل مشترک‌های منسجم در طول تست فشار نسبت دادند. به طور خاص، تحول درگیر موارد زیر است:
۱- لغزش در فصل مشترک بتا / آلفا
۲- تبدیل درون لایه‌ای از فاز بتا به آلفا
۳- دومین تبدیل درون لایه‌ای از فاز بتا به آلفا
۴- لغزش در فصل مشترک بتا / آلفا، و در نتیجه یک‌لایه انباشته از فاز آلفا
در نهایت، این فرایند منجر به تبدیل هر سه‌لایه همسایه در فاز بتا به فاز آلفا می‌شود. در نهایت، با ادامه فرایند چهارمرحله‌ای، لایه فاز بتا باقی‌مانده نیز به فاز آلفا تبدیل می‌شود.
جالب اینجاست که این تبدیل بتا به آلفا یک فرایند حالت جامد بدون انتشار است که بدون مشارکت مایع انجام می‌شود. در مقابل، تبدیل شناخته شده آلفا به بتا یک فرایند انحلال - رسوب مجدد حرارتی با حضور یک فاز مایع است.
تبدیل فاز بتا به آلفا مشاهده‌شده به طور سطحی شبیه تبدیل فاز مارتنزیتی در اکسید سرامیکی ZrO۲ است که هر دو یک فرایند بدون انتشار هستند که منجر به تغییر شکل پلاستیک می‌شود. اما محققان تأکید می‌کنند که تفاوت‌های کلیدی بین این تحولات وجود دارد. به طور خاص، درحالی‌که تبدیل ZrO۲ با پیوند یونی یک فرایند جابه‌جایی است که توسط برش شبکه محقق می‌شود، تبدیل نیترید سیلیکون با پیوند کووالانسی در عوض یک فرایند بازسازی است که از طریق چرخش اضافی واحدهای [NSi۳] تحقق می‌یابد. در نتیجه، محققان بیان می‌کنند که این راه‌حل دوفازی برای تغییر شکل پلاستیک احتمالاً می‌تواند به سایر سرامیک‌های غیراکسیدی بسط داده شود، برای مثال، با مهار فازهای مکعبی و شش‌ضلعی کاربید سیلیکون. ارکا فرانک برگ، محقق فوق دکتری آکادمی دانشگاه دامپر، در مقاله‌ای این تحقیق را که در Science منتشر شده است، تحسین می‌کند و خاطرنشان می‌کند که چگونه فرصتی برای گسترش درک تغییر شکل پلاستیک در سرامیک‌ها در دماهای پایین فراهم می‌کند. او نتیجه می‌گیرد: «مطالعات آینده باید بررسی کنند که آیا Si۳N۴ حجیم مزایای مشابهی از تحولات ریزساختاری ناشی از تنش مانند ZrO۲ به دست می‌آورد و آیا فصل مشترک‌های منسجم مورد نیاز در دماها و شرایط فرآیندی که برای کاربردهای عملی مرتبط هستند، پایدار می‌مانند یا خیر».
مقاله مرجع:
The paper, published in Science, is “Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces” (DOI: ۱۰.۱۱۲۶/science.abq۷۴۹۰).
منبع:
ترجمه: مهندس فاطمه قاسم‌زاده، دانشگاه صنعتی شریف