ساخت آلیاژهای دارای هردو فاز کریستالی-شیشه از طریق جدایش شیمیایی فعال
Symbiotic crystal-glass alloys via dynamic chemical partitioning
عبارت “کوچکتر مستحکم تر است”، مشخصۀ مهم مواد به شمار می رود که از احتمال پایین وجود عیوب یا منابع عیوب در نمونه های در نمونه های کوچک منتج می شود. با این وجود، کاهش اندازه مواد (یا واحدهای ساختاری مواد) ناگریز هسته زایی غیرهمگن را در سطح و فصل مشترک در دمای بالا تقویت می کند، که موجب می شود از نظر ترمودینامیکی ناپایدار شوند که منجر به رابطه معکوس بین اسحکام و پایداری حرارتی می گردد. مواد نانوکریستالی استحکام بالاتری نسبت به مواد با دانه بندی درشت دارند، اما در دمای بالا دچار رشد سریع دانه و از دست دادن یکنواختی مکانیکی می شوند. جدایش یا آزاد شدن مرزدانه می تواند انرژی مرزدانۀ مواد نانوکریستالی را کاهش دهد و در نتیجه باعث افزایش پایداری حرارتی شود. در مواد آمورف با استحکام بسیار بالا، بحث بسیار زیادی در مورد رابطه بین پایداری حرارتی و خواص مکانیکی شیشه های فلزی، از منظر اندازۀ نمونه، وجود داشته است. گزارش شده است که استحکام و شکل پذیری شیشه های فلزی را با کاهش اندازه نمونه می توان بهبود داد، اما پایداری حرارتی ساختارهای آمورف، به دلیل هسته زایی غیرهمگن از سطح، تضعیف می شود. به همین ترتیب، پایداری حرارتی آلیاژهای کامپوزیت شیشه-کریستال توسط هسته زایی غیرهمگن در فصل مشترک فازهای شیشه و کریستالی، محدود می شود. در مقاله فوق العاده ای که در مجله معتبر Materials Today منتشر شده است، یک روش نوین برای طراحی کامپوزیت های شیشه-کریستال ارائه می شود که از طریق آنیل کردن، جدایش دینامیک عناصر از فاز کریستالی به فاز شیشه ای را میسر می کند که در نتیجه موجب افزایش دمای کریستالیزاسیون فاز شیشه ای می شود و شکل پذیری فاز کریستالی را تقویت می کند، و در نهایت منجر به پایدارسازی تمام کامپوزیت شیشه-کریستالی به صورت همزیستی این دو فاز می شود.
گرچه آلیاژهای کامپوزیت شیشه-کریستال چقرمگی بهتری نسبت به آلیاژهای کاملا آمورف دارند، به دلیل هسته زایی غیرهمگن در فصل مشترک فازهای کریستال و شیشه، پایداری حرارتی آن ها ضعیف است. در این مقاله یک روش جدید برای توسعه نانوکامپوزیت های شیشه-کریستال با پایداری حرارتی، استحکام بسیار بالا، و قابلیت شکل پذیری، ارائه شده است که از ایدۀ آن از اصل پایدارسازی دوگانه که در اکوسیستم های همزیستی وجود دارد، برگرفته شده است. این روش نوین بر روی آلیاژ کامپوزیت لایه ای Cr-Co-Ni (کریستالی)/Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni (آمورف) انجام شده است. آلیاژ دارای هردو فاز استحکام کشش بسیار بالای 3.6 گیگاپاسکال، تغییر شکل همگن 15% کرنش در دمای محیط، را داشته است که بسیار بالاتر از آلیاژهای شیشه ای متداول و نانولایه ای است. علاوه بر آن، دمای کریستالیزاسیون این آلیاژ تقریبا 200 درجه بالاتر از آلیاژ آمورف پایه TiZrNbHf بوده است. جدایش عنصری در دمای فازهای کریستالی و آمورف منجر به پایدارسازی مکانیکی و ترمودینامیکی شده است که یک مسیر بسیار جدید را برای توسعه مواد با استحکام و چقرمگی بالا، باز می کند. جهت ساخت این نمونه، از روش مگنترون اسپاترینگ استفاده شده است و به صورت متناوب نانولایه های اشاره شده با ضخامت های 18 و 12 نانومتر رسوب داده شده اند. این طراحی مبتنی بر محدودیت (confinement) هندسی فاز آمورف است که در نتیجه امکان تغییرشکل غیرالاستیک را فراهم می کند.
این مقاله که به نوعی شاهکار مهندسی مواد است، آخرین پست سال 1400 است. در سال گذشته نیز، سعی شد طبق اهدافمان، با معرفی مقالات شاخص در زمینه مهندسی و علم مواد، انتقال دانش را انجام دهیم و نقشی در افزایش آگاهی داشته باشیم. ضمن تبریک سال نو، برای شما، آرزوی سلامتی، افزایش آگاهی، و سازندگی، و برای کشورمان، آرزوی توسعه پایدار، صلح، و آزادی، داریم.