استراتژیهایی برای مدیریت توسعه نقاط داغ در طول زینترینگ مایکروویو و فلش زینترینگ
برای محققانی که وارد حوزه سرامیک میشوند، یکی از اولین اصطلاحات کلیدی مورد استفاده، تفجوشی/زینترینگ/سینترینگ است.
تفجوشی فرآیند فشردهسازی و تشکیل یک توده جامد از مواد از طریق اعمال گرما و فشار در زیر نقطه ذوب است. این یک مرحله ضروری در ساخت سرامیکها برای دستیابی به چگالی نهایی یک قطعه سرامیکی است.
در حالی که روشهای تفجوشی متعددی وجود دارد، تفجوشی با مایکروویو و روش جدیدتر فلش زینترینگ (flash sintering)، کارایی انرژی را بهبود میبخشد. این روشها به جای گرم کردن کل کوره برای تفجوشی قطعه، گرمایش کامل یا جزئی را در خود سرامیک از طریق جفت شدن بین ماده و میدان الکترومغناطیسی یا الکتریکی ایجاد میکنند.
با این حال، از آنجایی که حرارت در داخل نمونه اتفاق میافتد، سرامیکهایی که با استفاده از مایکروویو یا فلش زینترینگ ساخته میشوند، معمولاً نقاط داغ (hot spots) را تجربه میکنند، به عنوان مثال، ایجاد گرمای بیش از حد موضعی در مناطق خاص.
درک مکانیسمهایی که توسعه نقاط داغ را هدایت میکنند میتواند به محققان در مدیریت این پدیده کمک کند. مقاله اخیر نگاه مفیدی به این عوامل ارائه میکند و راههای ممکن برای مدیریت توسعه نقاط داغ را شرح میدهد.
نویسندگان مقاله از دانشگاه Université Grenoble Alpes و Normandie Universitéفرانسه هستند. آنها قبل از اینکه در مکانیسمهای خاصی که توسعه نقاط داغ را ایجاد میکنند عمیق شوند به توصیف تجهیزات معمولی برای آزمایشهای تفجوشی مایکروویو و فلش زینترینگ میپردازند.
علل ایجاد نقاط داغ
به طور کلی، دلیل ساده ایجاد نقاط داغ در طول تفجوشی مایکروویو و فلش زینترینگ به دلیل ناپایداریهای حرارتی در نمونهها است که توسط قدرت و نرخ گرمایش بالا، ضرایب دمای مثبت بالا و یا هدایت حرارتی کم (یعنی اتلاف حرارت کم) ایجاد میشود.
در مورد تفجوشی مایکروویو، ناپایداریهای حرارتی معمولاً به صورت نقاط داغ روی سطح نمونه ظاهر میشوند، اگرچه نقاط داغ در داخل نمونه نیز امکان پذیر است. نقاط داغ همچنین میتوانند در داخل مواد عایق قرار داده شده در اطراف نمونه ایجاد شوند.
در مورد فلش زینترینگ، ناپایداریهای حرارتی به طور کلی در امتداد یک مسیر جریان ترجیحی ایجاد میشود که به جای یک نقطه داغ منجر به "خط داغ" میشود.
عوامل متعددی تعیین میکنند که ناپایداریهای حرارتی در یک نمونه کجا رخ میدهد.
- گرادیانهای حرارتی معکوس: به گفته نویسندگان، گرمایش انبوه در هر دو روش مایکروویو و فلش زینترینگ به طور طبیعی یک گرادیان حرارتی ایجاد میکند که با توجه به گرادیان معمولی که از گرمایش سطح در یک کوره کلاسیک به دست میآید، «معکوس» میشود. آنها توضیح میدهند که این گرادیان معکوس یک پروفایل دمایی ناهمگن در مقیاس اندازه نمونه را فراهم میکند، "مناسب برای ایجاد ناپایداری در هر نمونه به اندازه کافی بزرگ".
- نقص در توزیع میدان: مقالات مروری اغلب به عدم یکنواختی میدان کنترل نشده در حفرههای مایکروویو چند حالته به عنوان علت ناپایداری حرارتی اشاره میکنند (یعنی حفرههایی که در آنها انرژی مایکروویو به اطراف داخل اپلیکاتور منعکس میشود). میدان و در نتیجه توان تلف شده به شکل و موقعیت نمونه در حفره بستگی دارد. در فلش زینترینگ، میدان حاصل از اعمال ولتاژ در نقاط تماس خاص است. اگر نمونه متقارن نباشد، خارج شدن جزئی از مرکز میتواند منجر به ناپایداری حرارتی شود. علاوه بر این، کیفیت تماسها منبع بالقوه قابل توجهی از نقص است که منجر به محلیسازی میشود.
- ناهمگنی ترکیب: در تفجوشی مایکروویو، وجود ذرات یک ماده با جذب بالا در یک ماتریس با جفت ضعیف دلیل ایجاد نقاط داغ است. در فلش زینترینگ، ناهمگنی ترکیب محلی باعث ایجاد مسیرهای ترجیحی جریان میشود که منجر به ایجاد نقاط یا خطوط داغ میشود.
در شکل بالا تصاویر (A, C, E) پس از و (B, D, F) در حین فلش زینترینگ نمونههای اکسید مس با چگالی توان اعمالی متفاوت را نشان میدهد. نمونه با کمترین چگالی توان اعمال شده (A, B) دارای درخشش نارنجی همگن است، در حالی که دو نمونه با چگالی توان اعمالی بالاتر (C-F) در طول رویداد فلاش به دلیل ایجاد نقاط داغ شکسته میشوند.
Credit: Murray et al., Journal of the American Ceramic Society, https://doi.org/۱۰.۱۱۱۱/jace.۱۷۴۴۵
استراتژیهایی برای مدیریت توسعه نقاط داغ
از آنجایی که ناپایداری حرارتی از هر منبع محلیسازی (خواه نایکنواختی میدان یا ناهمگنی نمونه، همانطور که در بالا توضیح داده شد) ایجاد میشود، اولین استراتژی برای مدیریت نقاط داغ شامل سرکوب، محدود کردن یا جبران منابع هستهزایی است.
عایق حرارتی یکی از گزینههای کاهش تبادلات حرارتی است. در مورد فلش زینترینگ، یک مطالعه با استفاده از انواع مختلف عایق بر روی مقطع کوچکی از نمونههای استخوانی شکل به موفقیت دست یافت. با این حال، عایق حرارتی از محلیسازی در تفجوشی مایکروویو جلوگیری نمیکند (همانطور که در بالا ذکر شد، نقاط داغ میتوانند در داخل این ماده ایجاد شوند).
تطبیق اعمال جریان راه دیگری برای متعادل کردن گرادیان حرارتی طبیعی است. برای فلش زینترینگ، یک مطالعه رویکرد «مدیریت مسیر فعلی» را روی مدلهای عددی و آزمایشها در مورد یک نمونه استخوانی سگ تخت آزمایش کرد.
با توجه به انطباق جریان در تفجوشی مایکروویو، یکی از روشهای رایج مورد استفاده، گرمایش مایکروویو هیبریدی است. در این فرآیند، موادی با قابلیت جفت شدن قابل توجه با امواج مایکروویو و تکامل ضعیف گذردهی با دما در نزدیک یا اطراف نمونه قرار میگیرند. این مواد بهعنوان «گیرندههایی» عمل میکنند که هم انرژی مگاوات را به گرما تبدیل میکنند (که سپس به طور کلاسیک به نمونه منتقل میشود) و هم میدان اعمال شده به خود نمونه را محدود میکنند.
در حالی که استراتژی اول با هدف جلوگیری از نقاط داغ است، استراتژی دوم برای مدیریت نقاط داغ با هدف محدود کردن یا به تاخیر انداختن توسعه آنها به اندازه کافی برای دستیابی به تراکم رضایتبخش است.
اولین گزینه استفاده از نرخ گرمایش کنترل شده است، زیرا نرخ گرمایش بسیار بالا میتواند باعث ناپایداری حرارتی شود. روش گرمایش هیبریدی که در بالا توضیح داده شد این گزینه را به اندازه کافی برای تفجوشی در مایکروویو به دست میآورد. برای فلش زینترینگ، یک مرحله جریان ثابت، توان تلف شده در نمونه را محدود میکند اما به خودی خود محلیسازی را متوقف نمیکند. چندین مطالعه، تصویر زیر، "نقشه های ساخت" را ایجاد کردند که حداکثر چگالی جریان ثابت را نشان میدهد که میتواند قبل از شروع گرمایش موضعی استفاده شود.
بر اساس نتایج بهدستآمده با این استراتژیها تاکنون، محققان نتیجه میگیرند که «هر دو نوع رویکرد به دستیابی به شرایط قابل قبول برای چگالش قطعات سرامیکی همگن کمک میکنند و در عین حال مزایای مورد انتظار تکنیکهای کمک میدانی، یعنی ثبات و صرفه جویی در انرژی را حفظ میکنند.»
در نهایت، امکان استفاده از نقاط داغ برای دستیابی به نتایج مفید وجود دارد. در مقالات دیگری مفهوم تشدید گرمایش مایکروویو موضعی را توسعه دادند و کاربردهایی مانند حفاری شیشه، اشتعال واکنش ترمیت، و تفجوشی موضعی پودر فلز را شناسایی کردند.
نمونهای از "نقشه ساخت" برای فلش زینترینگ سریای دوپ شده با گادولینیوم با ولتاژ به جریان کنترل شده.
Credit: Prasad Mishra et al., Journal of the American Ceramic Society (CC BY-NC ۴.۰), https://doi.org/۱۰.۱۱۱۱/jace.۱۷۸۴۷
مقاله مرجع:
“A viewpoint on hot spots in microwave sintering and flash sintering”, Advanced Engineering Materials, (DOI: ۱۰.۱۰۰۲/adem.۲۰۲۲۰۱۷۴۲).
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/manufacturing/strategies-for-managing-hot-spot-development-during-microwave-and-flash-sintering/
ترجمه: مهندس فاطمه شریفآبادی، دانشگاه صنعتی شریف
|