باستخدام مسبار نانو... علماء يكشفون طريقة منع تمدد الشقوق
© Photo / Unsplash/ Anastasia R
تابعنا عبر
قام فريق بحث دولي، بالتعاون مع معهد سكولتك، بقياس كيفية انتشار الإجهاد الميكانيكي عبر الطلاء، وأظهرت الدراسة أن الطبقات المتناوبة من السيراميك والمعادن قادرة على تبديد طاقة مرنة تزيد بنحو 30% عن الطلاء التقليدي أحادي الطبقة، ما يساعد على كبح الإجهادات المسببة للتشقق.
عندما يتلامس جسمان صلبان، لا تكون أسطحهما ملساء تمامًا، فحتى المواد المصقولة بدقة عالية تتلامس عبر عدد لا يحصى من النتوءات والنتوءات المجهرية، وقد تصل القوة المركزة عند نقاط التلامس الدقيقة هذه إلى عشرات الغيغا باسكال.
وتؤدي هذه الإجهادات الموضعية الشديدة إلى تشوه المواد تدريجيًا، وقد تتسبب في حدوث تشققات، وهو أمر بالغ الخطورة في أدوات القطع وشفرات التوربينات والغرسات الطبية التي يجب أن تتحمل أحمالًا متكررة ودرجات حرارة عالية وبيئات قاسية.
لذا، أصبح فهم ما يحدث بدقة داخل مناطق التلامس المجهرية هذه تحديًا هامًا في هندسة المواد، إلا أن التقنيات التقليدية تُقدم عادةً صورةً مُعدّلةً لمساحاتٍ أكبر بكثير، بينما تعتمد المحاكاة الحاسوبية على افتراضاتٍ لا يُمكن التحقق منها تجريبيًا دائمًا. حتى الآن، كان بإمكان الباحثين قياس الإجهاد إما داخل الطلاء أو داخل الجسم الضاغط عليه، ولكن ليس كليهما في آنٍ واحد بدقةٍ نانوية.
رصد الإجهاد على المستوى النانوي
للتغلب على هذا القيد، ابتكر الباحثون مسبارًا نانوميكانيكيًا متخصصًا باستخدام رأس ضغط من الماس أحادي البلورة مُغطى بطبقةٍ من الماس النانوي البلوري بسمك 3.8 ميكرومتر، ثم فحصوا منطقة التلامس باستخدام حيود الأشعة السينية النانوية السنكروترونية.
يستخدم حيود الأشعة السينية النانوية السنكروترونية حزمةً شديدة الكثافة ومركزةً بدقةٍ عاليةٍ للكشف عن التغيرات الدقيقة في الشبكة البلورية، ولأن الذرات تتحرك قليلًا عند ضغط المادة أو شدها، يُمكن للباحثين استخدام هذه التغيرات لحساب الإجهادات المؤثرة داخل المادة.
من خلال مسح منطقة التلامس بخطوات لا تتجاوز 80 نانومترًا، أنتج الفريق خرائط بالغة الدقة تُظهر كيفية انتقال الإجهاد عبر كلٍّ من أداة الضغط والطبقة الواقية، مما مكّن الباحثين من مراقبة أماكن تراكم الطاقة الميكانيكية ومواقع إطلاقها.
لماذا تُحقق الطبقات المتعددة أداءً أفضل؟
قارن العلماء بين طبقة طلاء متجانسة تقليدية وبنية متعددة الطبقات مصنوعة من سيراميك نيتريد الزركونيوم، (ZrN) الصلب، تفصل بينها طبقات رقيقة من سبيكة الزركونيوم والنحاس غير المتبلورة، (ZrCu).
في طبقة الطلاء المتجانسة، بلغت إجهادات الضغط أسفل أداة الضغط مباشرةً نحو -13.4 غيغا باسكال، بينما ظهرت إجهادات الشد بالقرب من الركيزة الأساسية، وهو تحديدًا نوع الإجهاد الذي يُحفز تشقق السطح وانتشاره.
أظهر الطلاء متعدد الطبقات سلوكًا مختلفًا تمامًا، إذ ظل الإجهاد ضاغطًا على امتداد سمكه، وانخفضت قيم الذروة، واختفت إجهادات الشد الضارة بالقرب من الركيزة تقريبًا، بينما اتسعت المنطقة المعرضة للتشوه، ما يعني توزيع الحمل على حجم أكبر بدلًا من تركيزه في موضع واحد حساس.
يكمن السر في طبقات الزركونيوم والنحاس الأكثر ليونة بين طبقات السيراميك الأكثر صلابة،ولأن هذه الأغشية المعدنية غير المتبلورة أقل صلابة وقابلة للتشوه اللدن، فإنها تعمل كممتصات صدمات ميكانيكية دقيقة، مانعةً انتقال الإجهاد المباشر من طبقة صلبة إلى أخرى.
يقارن الباحثون هذا المبدأ بالصدف الطبيعي، حيث تفصل مادة عضوية أكثر ليونة بين الصفائح المعدنية الصلبة، ما يساعد على منع الشقوق من اختراق البنية مباشرة. في الطلاء المُهندس، سمحت الاستراتيجية الأساسية نفسها بامتصاص جزء من الطاقة الميكانيكية وتبديدها عند الأسطح البينية بدلًا من تخزينها مرنًا حتى يفشل الطلاء.
أظهرت القياسات أن المادة متعددة الطبقات احتفظت بنحو 69% فقط من الطاقة المرنة المخزنة في الطلاء المتجانس، بينما تبددت النسبة المتبقية البالغة 30% تقريبًا من خلال التشوه اللدن عند نقاط التلامس.
من قياسات أدق إلى مواد أكثر متانة
لا تقتصر أهمية هذا العمل على تركيبة طلاء واحدة، لأن طريقة القياس الجديدة تُزوّد المهندسين بمعلومات كمية حول كيفية استجابة المواد الحقيقية عند نقاط التلامس المجهرية الفردية، مما يسمح باختبار نماذج الحاسوب لميكانيكا التلامس مقابل أدلة تجريبية مباشرة بدلاً من الاعتماد على الافتراضات فقط.
قد يُسهم هذا في جعل تصميم الطلاءات الواقية المستقبلية أكثر منهجية، حيث يُمكن للمهندسين ضبط سُمك وصلابة وتركيب الطبقات الفردية للتحكم في أماكن تراكم الإجهادات وكفاءة تبديد الطاقة قبل تشكل الشقوق.
بحسب الباحثين، قد تُطيل هذه الطلاءات عمر أدوات القطع من مرتين إلى ثلاث مرات عن طريق كبح بدء التشققات، بينما تُصبح مكونات التوربينات أكثر مقاومة للأكسدة في درجات الحرارة العالية وللتسخين والتبريد المتكررين، كما يُمكن أن تستفيد الغرسات الطبية من انخفاض التآكل والتلف الناتج عن الاحتكاك عند أسطح التلامس.
المصدر : | بوابة روسيا العلمية |
