ساخت شیشه با استحکام و چقرمگی بسیار بالا با استفاده از نانوذرات خود-توزیع شونده از طریق فرایند انجماد
Strong and Tough Glass with Self-Dispersed Nanoparticles via Solidifcation
هر جسم آمورف را به طور کلی میتوان به عنوان مادهای شیشهای تعریف کرد که بسیار مهم هستند و از ارزش بالایی در زندگی روزمره و صنعت برخوردار هستند. گرچه روشهای فراوانی به کار رفته اند تا چقرمگی شیشهها بهبود پیدا کند، مانند روش حرارتی، شیمیایی، و پوشش دهی، اما کماکان چقرمگی شیشههای سنتی بسیار پایین بوده است و دلیل آن تردی ذاتی شیشه عنوان شده است که کاربردهای ساختاری شیشهها را محدود میکند. درحالی که عناصر نانومقیاس میتوانند به شیشهها و سرامیکها اضافه شوند تا نانوکامپوزیتهایی با عملکرد بهتر ساخته شود، بسیار دشوار است که از طریق فرایندهای متدلول، نانوذرات را در درون زمینۀ مذاب شیشه/سرامیک توزیع کرده و پراکنش نمود. اخیراً، نانوذرات به صورت موفقیت آمیز در فلزات مذاب توزیع شدهاند تا نانوکامپوزیتهای منیزیمی بسیار مستحکم ساخته شود. اما تحقیقات بسیار کمی به توزیع نانوذرات جامد در درون شیشههای مذاب در طول فرایند انجماد، پرداختهاند. در مقاله بسیار مهمی که در مجله معتبر Advanced Materials منتشر شده است، با استفاده از نانوذرات خود-توزیع شونده (SiC) و از طریق فرایند انجماد، یک شیشه با استحکام و چقرمگی بسیار بالا ساخته شده است.
در این پژوهش، برای نخستین بار یک شیشه حجیم (با ترکیب Al2O3-MgO-SiO2-B2O3) با استحکام نزدیک به استحکام ایده آل و چقرمگی بالا، ساخته شده است. در این نمونهها، نانوذرات SiC نیز به صورت یکنواخت در ذوب شیشه با ترکیب اشاره شده، توزیع و پراکنش شده است. ماده اولیۀ این مقاله، پودرهای کوردیریت (Al2O3-MgO-SiO2) و نانوذرات SiC بودهاند. نمونهها با درصدهای مختلف از نانوذرات SiC آماده شدند. برای کاهش ویسکوزیستۀ مذاب در دمای بالا، 10 درصد وزنی B2O3 نیز به هر نمونه اضافه شد. پودرهای کوردیریت ترکیب شده با نانوذرات SiC و B2O3 هم زده شده و در در حمام التراسونیک در اتانول حل شدند. خمیر بدست آمده بر روی یک صفحۀ داغ سرد شد و پودرهای بدست آمده در غالب آلومینا با استفاده از کوره القایی و تحت اتمسفر آرگون در 1650 ذوب شدند. انتظار میرود که در طول این فرایند، بیشتر B2O3 تبخیر شده باشد. این نمونه شیشۀ ساخته شده خواص مکانیکی فوق العادهای از خود نشان داد و حد کرنش 6.1% و استحکام تا E/14 برای آن بدست آمد (E مدول الاستیک است و مقدار تئوری استحکام E/10 است) که به عنوان یکی از مقاومترین مواد ساخته شده در نظر گرفته میشود. چقرمگی شکست نمونه شیشهای که با 30% حجمی SiC ساخته شده است بسیار بالاتر از تمام دیگر شیشههای غیرآلی بوده است که تا کنون گزارش شدهاند. این روش جدید، فرصتهایی قابل توجهی را برای پژوهش در زمینه شیشه و سرامیک، تولید و کاربردهای آنها ایجاد میکند.
گروه علمی و پژوهشی مهندسی و علم مواد (مترس – MatRes)