فشرده کردن نانوپودرها در دمای پائین

امروزه علاقه بسیاری به ساخت مواد سرامیکی با استفاده از نانوپودرهای با ابعاد ۱ تا ۱۰۰ نانومتر بوجود آمده است. تئوری‌ها نشان می‌دهد که نرخ چگال‌شدن به‌شدت به اندازه ذرات بستگی دارد. بنابراین، با توجه به این موضوع با کاهش اندازه ذرات از میکرومتر به سمت نانومتر، زمان زینترکردن در یک دمای مشخص کاهش خواهد یافت. در حقیقت بسیاری از آزمایشات این تئوری را حمایت می‌کنند. به عنوان مثال آقای رودز (Rhodes) قطعات فشرده‌شده از نانوپودرهای زیرکونیا را تولید کرد که چگالی آنها در حدود چگالی تئوری بود اما دمای زینترکردن، بسیار کمتر از دمای زینترکردن پودرهای درشت بود. اخیراً آقای کاندان (Skandan) و همکارانش، نانوپودرهای تیتانیا را در دمای ۸۰۰ درجه سلسیوس زینتر کردند. این دما بسیار کمتر از دمای زینترکردن پودرهای معمولی تیتانیا می‌باشد.
نتایج فوق نشان می‌دهد که نانوذرات می‌توانند مزیت‌های قابل توجهی را در ساخت قطعات سرامیکی داشته باشند و علاوه بر این کاهش زمان و دمای زینترکردن می‌تواند جلوی رشد دانه‌ها را بگیرد زیرا اندازه دانه‌ها یکی از پارامترهای بسیار مهم در خواص قطعه می‌باشد. اثبات شده است که با کاهش اندازه دانه، استحکام تسلیم مواد بالا می‌رود. با کاهش اندازه دانه‌ها به سمت ابعاد نانومتری، مرز دانه‌ها در قطعات افزایش خواهد یافت. بنابراین تعداد اتم‌های موجود در فصل مشترک دانه‌ها نسبت به اتم‌های موجود در شبکه کریستالی قابل توجه خواهد بود. بنابراین خواص کلی ماده از اتم‌های موجود در مرز دانه‌ها تأثیر خواهد پذیرفت. بنابراین خواص فیزیکی بهبودیافته‌ای را از قطعات سرامیکی ساخته‌شده از نانوپودرها انتظار خواهیم داشت.
یکی از مسائل بسیار مهم در ساخت مواد نانوساختاری رسیدن به ماکزیمم چگالش پودرها و در عین حال حفظ‌شدن ساختار دانه‌ها در ابعاد نانومتری می‌باشد. در حال حاضر چگالی در حدود ۹۵% چگالی واقعی با نانوذرات در حدود ۱۰ تا ۲۰ نانومتر قابل حصول است. اما چگالی‌های بالاتر با افزایش اندازه دانه بالاتر از ۵۰ نانومتر قابل حصول می‌باشد. برای کاهش رشد دانه‌ در حین زینترشدن، باید چگالی خام قطعه فشرده‌شده بالا باشد و اندازه حفرات آن کوچک باشد. زیرا برای حذف حفرات بزرگ نیاز به رشد دانه می‌باشد. بنابراین قبل از فرآیند زینترکردن نانوپودرهای فشرده‌شده، باید به چگالی بالایی دست پیدا کنیم.
یکی از روش‌های رسیدن به این هدف استفاده از فشار بالا می‌باشد. با این حال می‌دانیم که رسیدن به چگالی خام بالا با استفاده از نانوپودرهای سرامیکی بسیار مشکل می‌باشد. علت این مسئله وجود نیروهای متعددی مثل نیروهای واندروالس می‌باشد. بنابراین قطعات خام فشرده‌شده در دمای اتاق بعد از فرآیند فشرده‌سازی چگالی بالایی نخواهد داشت. چگالی خام پائین قطعات فشرده‌شده از نانوپودرها به خاطر دو مسأله می‌باشد:
۱- وجود حفرات برزگ به علت مجتمع ‌شدن نانوپودرها، زیرا شکستن آنها در تکنیک‌های رایج فشرده‌سازی به علت پدیده پل‌زنی ممکن نمی‌باشد.
۲- فشرده‌شدن غیرهمگن ذرات به خاطر وجود نیروهای اصطکاکی.
برای بدست‌آوردن ساختار مطلوب و در ابعاد نانو در قطعه خام، آگلومره‌شدن ذرات در حین ساخت باید حداقل باشد. اخیراً پودر ZrO۲ –Y۲O۳ %mol۳ را با چگالی کامل و در دمای پائین پخت کرده‌اند. این محققین تأکید کرده‌اند که شیب چگالی در قطعه خام، غیرهمگنی و مجتمع ذرات در قطعه قبل از پخت‌شدن نباید وجود داشته باشد. زیرا منجر به تولید عیوبی در قطعه پخت‌شده خواهد شد.
نتایج آنها همچنین نشان می‌دهد که تغییر دما در حدود ?۷۰ تأثیر مهمی را در سرعت افزایش چگالی خواهد داشت. با توجه به این نتایج مشخص می‌شود که شرایط فرآوری نانوپودها باید به دقت رعایت شود.
در تحقیقی دیگر از فشار بالا برای بدست‌آوردن حداکثر چگالی خام و ساختار در ابعاد نانو استفاده شده است. به عنوان مثال فشار اعمالی در حدود GPa۱ بوده است که این فشار نیاز به تجهیزات خاصی دارد. برای مثال به منظور بدست‌آوردن حداکثر چگالی در یک نانوپودر از پیستون‌هایی از جنس کاربید تنگستن و کبالت استفاده شده است. همچنین برای فشارهای بالاتر از الماس‌ استفاده شده است. اخیراً بررسی شده است که چگالش نانوپودرها در قطعه خام با استفاده از مواد روانساز که به ذرات اجازه لغزیدن روی هم را می‌دهد، بهبود خواهد یافت. یک روانساز مناسب فشرده‌شدن پودرها را به مقدار زیادی بهبود خواهد بخشید. البته نکته مهم در انتخاب روانساز می‌باشد. زیرا نانوپودرها فعالیت شیمیایی بسیار بالایی دارند. از طرفی روانساز باید توانایی نفوذ به داخل حفرات بین نانوپودرها را داشته باشد. بنابراین روانساز باید ماده‌ای با جرم مولکولی بسیار پائین باشد.
محققین بررسی کرده‌اند که بهبود چگالش نانوپودرها توسط روانسازهایی که مایع تک‌مولکولی ساده هستند عملی می‌باشد. آنها نانوذرات نیترید سیلیکون را در دمای نیتروژن مایع توسط روانساز LN۲ فشردند.

منبع : ستاد ویژه توسعه فناوری نانو