نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی؛ روش‌های تولید
یکی از مهم‌ترین تأثیر نانوکامپوزیت‌های زمینه‌ی فلزی، کاهش وزن خودروها و متعاقباً کاهش مصرف سوخت خواهد بود. طبق محاسبات صورت گرفته، جهت کاهش 25 درصدی ِ مصرف سوخت، لازم است که وزن خودرو در حدود 45 درصد کاهش یابد. در این راستا آلومینیوم و منیزیم به همراه آلیاژهای‌شان با چگالی فوق‌العاده پایین، استحکام بالا، قابلیت ریخته‌گری، ماشین کاری و نیز در دسترس بودن فراوان در بازار جهانی، فلزات بسیار مناسبی برای این امر می‌باشند. لذا، محققان برای برطرف کردن برخی از خواص مکانیکی نامطلوب آلومینیوم و منیزم مانند: استحکام نه چندان بالا و مقاومت سایشی کم، آن‌ها را با نانوذرات سرامیکی هم‌چون SiO2، SiC، Al2O3 و... کامپوزیت می‌کنند. این نانوکامپوزیت‌ها کاربردهای مختلف در صنایع حمل و نقل، هوا فضا، ورزش و الکترونیک عمدتاً به عنوان تأمین سبکی دارند.
به طور کلی روش‌های ساخت نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی را می‌توان به سه دسته طبقه‌بندی کرد:
1. روش مایع (ریخته‌گری)
2. روش متالورژی پودر
3. آلیاژسازی مکانیکی
1. روش ریخته‌گری
در روش ریخته‌گری، ذرات تقویت کننده به فلز مذاب اضافه شده و به صورت مکانیکی در داخل فلز توزیع می‌شوند. مهم‌ترین معایب روش ریخته‌گری جدا شدن ذرات از فاز مذاب است. تر نشدن ذرات فاز دوم به وسیله‌ی آلومینیوم مذاب و جدا شدن فاز نانوذره، منجر به ایجاد ساختاری ناهمگن می‌گردد. گاهی نیز انجام واکنش بین نانوذرات و فاز مذاب سبب افت خواص مکانیکی می‌گردد. به طور مثال در تولید نانوکامپوزیت Al/SiC به روش ریخته‌گری، واکنش بین ذرات SiC و فاز مذاب، سبب تشکیل فصل مشترک ترد و نامطلوب Al4C3 و Si شده که منجر به خواص مکانیکی نامطلوب می‌گردد.
یانگ و همکاران‌اش اخیراً روش جدیدی را برای ساخت نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی ابداع کرده‌اند که در آن نانوذرات به فلز مذاب افزده شده و با اعمال امواج مافوق صوت (اولتراسونیک ) به فلز مذاب، از چسبیدن ذرات به یکدیگر جلوگیری می‌گردد. در این روش از طریق امواج مافوق صوت، هزاران میکروحباب در داخل فلز مذاب تشکیل شده که با واپاشی آن‌ها در زمانی بسیار کوتاه، تجمع ذرات نانومتری از بین می‌رود و امکان چسبیدن ذرات به یکدیگر کاهش می‌یابد. لذا، ذرات داخل فلز مذاب پخش شده و توزیع یک‌نواختی از نانوذرات در داخل ساختار به وجود می‌آید.
شکل 1 شماتیکی از این روش را نشان می‌دهد. این روش کاملاً مبتنی بر ریخته‌گری است و محققان در این روش نانوذرات را پس از ذوب زمینه، از بالای بوته اضافه می‌کنند. نکته‌ی قابل توجه افزایش ویسکوزیته‌ی فلز مذاب با افزایش درصد حجمی نانوذرات است که برای حل این مشکل، دمای مذاب را افزایش می‌دهند.
2. روش متالورژی پودر
در این روش، پودرهای آلیاژی یا خالص فلزی با نانوذرات مخلوط می‌گردند و سپس با پرس کردن ذرات پودر در داخل قالب و تف جوشی، ذرات پودری به یکدیگر متصل می‌شوند و با کاهش درصد حفره‌ها، چگالی افزایش می‌یابد. روش متالورژی پودر در مقایسه با روش ریخته‌گری دارای مزایای زیر می‌باشد:
- در حالت جامد- جامد، واکنش بین فاز دوم و زمینه به حداقل مقدار ممکن می‌رسد.
- امکان کنترل دقیق حجم فاز دوم به این روش ممکن است.
- امکان کنترل ضریب انبساط حرارتی و مدول کامپوزیت متناسب با کاربرد آن در این روش وجود دارد.
این روش البته، معایبی هم دارد. از قبیل: احتمال تجمع ذرات فاز تقویت کننده و توزیع غیریک‌نواخت آن‌ها در ساختار کامپوزیت، تفاوت اندازه ذرات فاز زمینه و تقویت کننده. اختلاف چگالی ذرات و باردار شدن آن‌ها مهم‌ترین دلیل توزیع غیریک‌نواخت فاز تقویت کننده و تجمع ذرات است.
یکی از روش‌های مبتنی بر متالورژی پودر، روش پرس با سینتر هم‌زمان است که در طی آن میکروپودرهای زمینه با نانوذرات تقویت کننده در محفظه‌ای به مدت چند ساعت و با سرعت مشخص مخلوط می‌شوند تا در نهایت، تحت فشاری با هم فشرده شوند.
3. آلیاژسازی مکانیکی
شاید بتوان گفت در حال حاضر آلیاژسازی مکانیکی مهم‌ترین روش تولید نانوکامپوزیت‌های زمینه‌ی فلزی است. در این روش، ذرات نانوپودری دو فاز با یکدیگر آسیاب می‌شوند، و با تغییر شکل، جوش خوردن و شکست ذرات به صورت مکرر انتقال مواد صورت می‌پذیرد. در صورتی که ذرات نانوپودر ترکیب شیمیایی یکسانی داشته باشند و با عملیات خردایش فقط اندازه‌ی ذرات کاهش یابد، فرایند آسیای مکانیکی اتفاق می‌افتد، ولی چنانچه آسیای مکانیکی با انجام واکنش شیمیایی در حالت جامد- جامد و یا جامد- گاز همراه باشد، فرایند آسیای واکنشی نامیده می‌شود.
برای ایجاد پودرهای کامپوزیتی می‌توان با اضافه کردن مستقیم ذرات فاز تقویت کننده به ذرات زمینه و آسیای هم‌زمان این ذرات، نانوپودرهای کامپوزیتی تهیه کرد. با افزایش زمان آسیاب کردن تحت انرژی زیاد، می‌توان ابعاد فاز تقویت کننده و حتی اندازه‌ی دانه‌های زمینه را تا حد نانومتر کاهش داد. قابل ذکر است که آسیای هم‌زمان، توزیع یک‌نواختی از ذرات نانومتری تقویت کننده در فاز زمینه را به دست می‌دهد.
گردآوری: مریم ملک دار
