مواد فلزی خود ترمیم شونده چیست و چه کاربردی دارند
مقدمه
مواد خود ترمیم شونده مواد مصنوعی هستند که این توانایی را دارند که به طور خودکار آسیب‌های وارده به خود را بدون هیچ‌گونه تشخیص خارجی مشکل یا مداخله انسانی ترمیم کنند. به‌طورکلی، مواد در طول زمان به دلیل خستگی، شرایط محیطی یا آسیب‌های وارد شده در حین کار تخریب می‌شوند. ثابت شده است که ترک‌ها و انواع دیگر آسیب‌ها در سطح میکروسکوپی خواص حرارتی، الکتریکی و صوتی مواد را تغییر می‌دهند و انتشار ترک ها می تواند منجر به شکست نهایی مواد شود. به طور کلی، ترک ها در مراحل اولیه به سختی قابل تشخیص هستند و برای بازرسی ها و تعمیرات دوره ای نیاز به مداخله دستی است. در مقابل، مواد خود ترمیم شونده از طریق شروع یک مکانیسم تعمیر که به ریز آسیب پاسخ می دهد، با تخریب مقابله می کنند.
اگرچه متداول ترین انواع مواد خود ترمیم شونده پلیمرها یا الاستومرها هستند، خود ترمیم شونده تمام طبقات مواد از جمله فلزات، سرامیک ها و مواد سیمانی را پوشش می دهد. مکانیسم‌های بهبودی از تعمیر ذاتی مواد گرفته تا افزودن یک عامل ترمیم‌کننده موجود در یک ظرف میکروسکوپی متفاوت است. برای اینکه یک ماده به طور دقیق به عنوان خودترمیم کننده مستقل تعریف شود، لازم است که فرآیند درمان بدون دخالت انسان انجام شود. با این حال، پلیمرهای خود ترمیم شونده ممکن است در پاسخ به یک محرک خارجی (نور، تغییر دما و غیره) فعال شوند تا فرآیندهای بهبودی را آغاز کنند.
ماده ای که می تواند ذاتاً آسیب های ناشی از استفاده معمولی را اصلاح کند، می تواند از هزینه های ناشی از خرابی مواد و کاهش هزینه های تعدادی از فرآیندهای صنعتی مختلف در طول عمر قطعه طولانی تر و کاهش ناکارآمدی ناشی از تخریب در طول زمان جلوگیری کند.
کامپوزیت های خود ترمیم شونده
کامپوزیت‌های یوتکتیک ریزساختار دارای استحکام بالاتر، خواص حرارتی بهتر و مقاومت به سایشی مطلوب‌تری نسبت به مواد با دانه‌بندی بزرگ‌تر هستند که موجب شده موردتوجه قرار داشته باشند. اما این مواد معمولاً در تغییر شکل، دارای پلاستیسیته ضعیف و چقرمگی پایینی هستند که کاربرد گستردۀ این آلیاژها را محدود می‌کند و موجب می‌گردد که انجام فرایندهای نورد و تغییر شکل بر روی آن‌ها غیرممکن باشد. به‌منظور تقویت قابلیت شکل‌پذیری این آلیاژها، مطالعات بسیاری انجام شده‌اند تا پلاستیسیته این آلیاژها از طریق اصلاح میکروساختار، بهبود یابد. برای نمونه، ساخت کامپوزیت‌های یوتکتیک همراه با دندریت‌های بزرگ‌تر گزارش شده است که دندریت‌ها به‌عنوان فاز افزایش چقرمگی عمل می‌کنند و می‌توانند در ابتدای تغییر شکل، تنش اعمالی را آزاد کنند و باندهای برشی تشکیل دهند و مانع از انتشار باندهای برشی شوند. اما هنوز کارهای بسیاری باید بر روی این ساختارها انجام شود تا به پلاستیسته مطلوبی برسیم تا بتوان فرایندهایی مانند نورد را بر روی آن‌ها انجام داد.
اخیراً، مواد خود ترمیم شونده به‌عنوان دسته‌ای از مواد هوشمند مطرح شده‌اند که به‌صورت خودکار، آسیب سطحی یا درونی آن‌ها ترمیم می‌شود. مفهوم خود ترمیم شونده به دو دستۀ خودکار و غیرخودکار تقسیم می‌شود. موادی که به‌صورت خودکار قابلیت ترمیم شوندگی دارند عمدتاً از ساختارهای پلیمری ساخته می‌شوند که این فرایند به محرک خارجی نیاز ندارد. در دسته بعدی، یک محرک خارجی مانند نور یا حرارت موردنیاز است تا فرایند خود ترمیم شونده آغاز شود. فرایند خود ترمیم شونده بر روی مواد فلزی مانند آلیاژ Fe-Al، فاز MAX، کامپوزیت پایه قلع، و سیم‌های آلیاژ حافظه‌دار NiTi، مشاهده شده است. در این راستا و به‌منظور ساخت آلیاژی با قابلیت خود ترمیم شونده و نیز پلاستیسیته مناسب، در مقاله بسیار مهمی که در مجله Scientific Reports منتشر شده است، محققین اقدام به ساخت آلیاژ خودترمیم‌شوندة پایه Al-Cu-Si-Sn-Bi نموده‌اند.
در این پژوهش، آلیاژهای ((Al81Cu13Si6)100−x(Sn57Bi43)x) برای ساخت کامپوزیت‌های یوتکتیک و مطالعه ریزساختار و خواص خود ترمیم شونده، مورد بررسی قرار گرفته‌اند. خواص خودترمیم‌شوندگی در این کامپوزیت‌ها، از طریق قابلیت پرکردن ترک مورد بررسی قرار گرفته است. عناصر قلع و بیسموت باتوجه‌به توانایی‌شان در جدایش فاز مایع در هنگامی که با Al، Cu، و Si ترکیب می‌شوند، به کار رفته‌اند. به دلیل جدایش فاز مایع، فازهای غنی از Al-Cu-Si و غنی از Sn-Bi به‌صورت جداگانه در دماهای متفاوت منجمد شدند که موجب تشکیل ساختار یوتکتیک با سه‌فاز شده است. باتوجه‌به فصل مشترک بزرگ میکروساختار یوتکتیک، عناصر قلع و بیسموت تحرک‌پذیری بالایی دارند و در طول انجام عملیات حرارتی، به سمت ناحیه کرنش یافته نفوذ می‌کنند. در نتیجه، عناصر تحرک‌پذیر قلع و بیسموت در ساختار یوتکتیک دوتایی پایه Al-Cu-Si، هنگام نورد گرم در ۴۲۳ کلوین، ترک‌ها را پر می‌کنند و به‌این‌ترتیب ساختار به حالت اولیه خود بازمی‌گردد و فرایند خودترمیم‌شوندگی از طریق ازبین‌بردن ترک‌ها و حفرات، صورت می‌پذیرد. این نتایج نشان می‌دهد که سیستم آلیاژی توسعه‌یافته، دارای مشخصات خود ترمیم شونده هم‌زمان است. همچنین بر پایه این نتایج، یک روش نوین برای ساخت مواد فلزی با قابلیت خودترمیم‌شوندگی از طریق پرشدن ترک‌ها، ارائه می‌شود که می‌تواند در پژوهش‌های آتی مورداستفاده قرار گیرد.
یک نمونه مقاله
در صورت علاقه به این موضوع شما میتوانید مقاله با عنوان “کامپوزیت فلزی مایع خود ترمیم شونده برای وسایل الکترونیکی نرم قابل تنظیم و بازیافت” را از طریق این لینک مطالعه فرمایید، همچنین ما ترجمه خلاصه این مقاله را برای شما آماده کرده ایم.
خلاصه مقاله “کامپوزیت فلزی مایع خود ترمیم شونده برای وسایل الکترونیکی نرم قابل تنظیم و بازیافت”.
الکترونیک و روباتیک تقاضای زیادی برای کاربردهای متنوع دارند. با این حال، دستگاه‌های نرم الکتریکی و رباتیکی معمولاً فاقد محفظه‌های سفت و سخت هستند که می‌تواند حساسیت آن‌ها به آسیب را افزایش دهد و منجر به خرابی و منحل شدن زودهنگام شود. این امر نیاز به مواد کاربردی نرم و قابل کشش با خواص ارتجاعی و احیا کننده را ایجاد می کند. در اینجا ما یک کامپوزیت مایع فلز-الاستومر- روان کننده را برای الکترونیک نرم با مدارهای قوی نشان می دهیم که خود ترمیم شونده، قابل تنظیم مجدد و در نهایت قابل بازیافت است. این امر از طریق یک تکنیک برجسته سازی برای تشکیل شبکه های فلزی مایع رسانا بر اساس تقاضا به دست می آید که می توانند برای سیم کشی مجدد یا بازیافت کامپوزیت الکترونیکی نرم مجدداً پردازش شوند. این لوازم الکترونیکی پوست مانند تا 1200 درصد با کمترین تغییر در مقاومت الکتریکی کشش دارند، آسیب های متعددی را تحت بار بدون از دست دادن رسانایی الکتریکی تحمل می کنند و برای تولید دستگاه های جدید در پایان عمر بازیافت می شوند. این کامپوزیت های نرم با ریزساختارهای فلزی مایع تطبیقی می توانند کاربرد گسترده ای برای الکترونیک نرم و روباتیک با طول عمر و قابلیت بازیافت بهبود یافته پیدا کنند.
منابع:
https://www.nature.com/articles/s43246-021-00169-4
دیدگاهتان را بنویسید