تازهترین پیشرفتها در درک مکانیزمهای فلش زینترینگ
پیشرفت فرآیند فلش زینترینگ در یک لایهی دوتایی لانتانا–زیرکونیا در یک کوره با دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد و با اعمال میدان ۳۰۰ ولت بر سانتیمتر و محدود کردن جریان به ۱۰۰ میلیآمپر بر میلیمترمربع.
عکس از: جلالی و راج، ژورنال انجمن سرامیک آمریکا
بدون شک، فرآیند ساخت سرامیکها باید به منظور کاهش هزینهها و کاهش انتشار کربن، بهینهسازی شود. این بهینهسازی به ویژه برای تولید سرامیکهای با دمای بالا حیاتی است، فرآیندی که در آن دمای زینترینگ ممکن است بیش از ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد باشد. علاوه بر انرژی مورد نیاز برای رسیدن به این دماها، زمان مورد نیاز برای گرم کردن و سرد کردن محصولات سرامیکی طولانی است و میتواند منجر به رشد دانهها شود که میتواند عملکرد را کاهش دهد.
فلش زینترینگ (Flash Sintering) ممکن است برای برخی تولیدکنندگان راهحلی برای این مسائل فراهم کند. در فلش زینترینگ، قطعات همچنان گرم میشوند، اگرچه در دماهای کمتر، و ولتاژهای بالا بر روی قطعه اعمال میشود. جریانی در طول قطعه به وجود میآید که میتوان آن را به وسیلهی الکترولومینسانس (اثر فلش) مشاهده کرد. در این شرایط، زینترینگ در عرض چند ثانیه یا دقیقه اتفاق میافتد، در حالی که روشهای زینترینگ سنتی ممکن است ساعتها طول بکشد.
نه تنها فلش زینترینگ در انرژی و زمان کارآمد است، بلکه میتواند قطعاتی با چگالی بالا (کم تخلخل) تولید کند در حالی که دانههای کوچک را حفظ میکند. به عنوان مثال، تصاویر زیر نشان میدهند که آلومینای با خلوص بالا به وسیله زینترینگ بدون فشار در دمای ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد (سمت چپ)، فلش زینترینگ در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد (وسط)، و زینترینگ با فشار بالا در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد (سمت راست) مورد استفاده قرار گرفتهاند. هرچند ماده زینترشده با فشار بالا چگالی بالاتری نسبت به نمونهای که به روش فلش زینتر شدهاست دارد (٪۹,۹۹ در مقابل %۹,۹۷)، نمونه زینترشده به روش فلش دارای سختی بالاتری است (۲۰ گیگاپاسکال در مقابل ۳,۱۹ گیگاپاسکال).
یانگ و همکاران، مجله انجمن سرامیک آمریکا
اگرچه نتایج فلش زینترینگ شگفتانگیز است، اما مکانیسمها و نیروها هنوز به خوبی درک نشدهاند. چهار مقاله اخیر منتشر شده در ژورنالهای انجمن سرامیک آمریکا، رفتار و پدیدههای سطح اتمی را که به فلش زینترینگ سرامیکهای اکسیدی، به ویژه آلومینا و اکسیدهای زیرکونیا، کمک میکنند، شناسایی و ارزیابی میکنند.
در این مقالات، نویسندگان پنج مرحله از فرآیند فلش را شناسایی میکنند: گرم کردن، القا، فلش، وضعیت پایدار، و سرد شدن.
- در مرحله گرم کردن، بدون اعمال ولتاژ، نمونه به دمای نهایی کوره میرسد.
- القا، دورهی بین اعمال میدان ولتاژ و آغاز جریان فلش است. وقتی نمونه به اندازهی کافی رسانا باشد، جریان فلش آغاز میشود.
- در حین فلش که در مقیاس زمانی کمتر از یک ثانیه تا چند ثانیه رخ میدهد، جریان افزایش مییابد تا زمانی که به یک حد تعیین شده یا فراتر از آن برسد.
- هنگامی که فلش رخ میدهد، ولتاژ اعمالی کاهش مییابد تا جریان را در وضعیت پایدار نگه دارد.
- مرحله نهایی، سرد شدن است. جایی که میدان اعمال شده قطع شده و نمونه از طریق خنککردن کوره یا روشهای سریعتر به دمای اتاق بازمیگردد.Top of Form
اغلب محققان بر روی انجام اندازهگیریها و مدلسازی در طول مراحل فلش و وضعیت پایدار تمرکز میکنند، اگرچه برخی نتایج جالب از مطالعه مراحل گرم کردن، القا و سرد شدن نیز بوجود آمده است.
به عنوان مثال، فرآیندهایی مانند واکنشهای حالت جامد مواد خام و مراحل اولیه زینترینگ در طول مرحله گرمایش مشاهده شده است. اعتقاد بر این است که تغییرات در سطح اتمی در طول مرحله القا رخ میدهد که هدایت سرامیک را بهبود میبخشد. درشت شدن ساختار و ترسیب فازهای ناخواسته همراه با خنک شدن آرام مشاهده شده است.
در فاز فلش، فرآیندها با سرعت بسیار بالا اتفاق میافتند. به عنوان مثال، یانگ و همکارانش میزان تغییر چگالشدن از حدود ٪۶۰ به بیش از ٪۹۰ در حدود ۰/۵ ثانیه مشاهده کردند. در حالی که جلالی و راج ضرایب نفوذ را نزدیک به چندین مرتبه بزرگتر از آنچه مقدار اندازهگیری شده در حین زینترینگ در دماهای مشابه، اندازهگیری کردند. علاوه بر این، انرژیهای فعالسازی محاسبه شده برای تغییرات در طول فلش زینترینگ به طور قابل توجهی کمتر از تغییرات مشابه برای روشهای زینترینگ سنتی بودند.
این مطالعات سعی بر توضیح دلایل اساسی این مشاهدات و اندازهگیریها را داشتند. یک امکان آشکار، تشکیل مواد مایع در داخل منطقه فلش است. از این گذشته، گرمایش ژول منجر به افزایش چشمگیر دما میشود. اگرچه حداکثر دماهای اندازهگیری شده توسط پایرومتر یا محاسبه شده از مدلهای تابش جسم سیاه زیر نقاط ذوب آلومینای خالص یا زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا (YSZ) تعیین شد، با این حال، یک مطالعهی دسترسی آزاد انجام شده توسط آئوکی و همکارانش نشان داد که دماهای بالاتر از نقطه یوتکتیک برای ترکیبهای آلومینا-آلومینات گالیوم وجود دارد.
با این حال که تبدیل کامل سرامیک به مایع بعید است، جلالی و راج اشاره میکنند که افزایش در حجم آزاد به میزان ۳ تا ۴ درصد میتواند مشابه نرخ نفوذ بالا در فلزات را توجیه کند. آنها به تجربیات خود و دیگر آزمایشها اشاره کردند که نشان میدهد گسترش مشابه حجم به میزان ۳ تا ۴ درصد در حین فلش زینترینگ اتفاق میافتد. آنها یک "پلاسمای فلش" را با افزایش پراکندگی فضایی در آنتروپی ثابت میکنند.
یانگ و همکارانش، سهمهایی که جایخالیهای اکسیژن و دیگر عیوب نقطهای در نرخهای بالای چگالش دارند را مطرح کردند. با استفاده از طیفسنجی پراکنده انرژی، آنها مشخص کردند که آلومینا در حین فلش زینترینگ اتمهای اکسیژن خود را از دست میدهد، که فرضیه آنها را تأیید میکند. آنها علاوه بر این انرژیهای فعالسازی را در طول مراحل فلش و در طول فاز پایدار بررسی کردند تا مکانیسمهای نفوذ را توضیح دهند. تجزیه و تحلیل آنها به این احتمال اشاره میکنند که در طول فاز فلش، اثرات کولومب در طول دماهای بسیار بالا منجر به نفوذ از طریق مرز دانهها و در ادامه منجر به زینترینگ میشود، در حالی که در حین فاز پایدار، نفوذ در شبکه منجر به چگالش میشود.
هر چند فلش زینترینگ نویدبخش بهبود خواص و فرآیندهای سرامیکهای زینتر شده میباشد، در مطالعاتی مانند این موارد به محققان سرامیک کمک میکند تا مکانیزمهای پایهای و اساسی را درک کنند. با این اطلاعات، مهندسان سرامیک میتوانند مواد و رویکردهای تولیدی را برای ساخت محصولاتی با ساختارهای مهندسیشده، به منظور برآورده کردن الزامات عملکردی برای برنامههای کاربردی تنظیم و طراحی کنند.
برای اطلاعات بیشتر، لینک دسترسی به چهار مقالهی منتشر شده در ژورنالهای انجمن سرامیک آمریکا در زیر قرار میگیرد.
- Jalali and Raj, “Reactive flash sintering in a bilayer of zirconia and lanthana: Measurement of the diffusion coefficient in real time,” Journal of the American Ceramic Society. https://doi.org/۱۰.۱۱۱۱/jace.۱۸۸۰۴
- Yang et al., “Flash sintering of ultra-high pure alumina ceramics with fine microstructure.” Journal of the American Ceramic Society. https://doi.org/۱۰.۱۱۱۱/jace.۱۸۵۵۴
- Aoki, Masuda, and Yoshida, “Formation of Al۲O۳–GdAlO۳ eutectic ceramics with a fine anisotropic structure in a flash event,” Journal of the American Ceramic Society. https://doi.org/۱۰.۱۱۱۱/jace.۱۹۰۱۲
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/basic-science/done-in-a-flash-advancements-in-the-understanding-of-flash-sintering-mechanisms
ترجمه: مهندس مهدی عرب، دانشگاه صنعتی شریف
|