روش های سنتز نانو ساختارها

ghxzy

کاربر فعال تالار اسلام و قرآن ,
کاربر ممتاز
با توجه به رشد روز افزون مواد نانو در صنایع مختلف و کاربرد های مختلف آنها ، روش های مختلفی برای تهیه این مواد وجود دارد در این تاپیک به روش های مختلف برای سنتز نانو ساختارها اشاره می شود.

1- لیتوگرافی
2- آلیاژسازی مکانیکی
3-آندایزینگ
4-انباشت الکتروشیمیایی
5-روش سُل - ژل
6- رسوب دهی از فاز مایع
7-تغییر شکل پلاستیک شدید
8-روش های حرارتی
9-لایه نشانی تبخیری
هر یک از این روش ها برای سنتز نوع خاصی از ساختار های مورد استفاده قرار میگیرد.که شرح هر کدام را در بخش های بعدی آمده است.

1-لیتوگرافی

روش لیتوگرافی یکی از روش های متداول برای ساخت مدارهای الکترونیک می باشد که با گسترش و ظهور ابزارهایی نظیر میکروسکوپ های الکترونی و میکروسکوپ‌های پروب روبشی توسعه یافته و امروزه ساختارهایی به اندازه 10 نانومتر با دقت و کیفیت بالا، با استفاده از این روش ساخته می شوند. محققان در تلاش هستند تا بتوانند تکنیک های نوظهور لیتوگرافی را به روش‌های صنعتی تبدیل کرده و هزینه تولید قطعات با استفاده از این روش را کاهش دهند.

امروزه با رشد اکثر صنایع از جمله صنعت میکروالکترونیک ( Microelectronic)، ابعاد اجزا در این سیستم‌ها و به خصوص در مدارهای میکروالکترونیک به طور مداوم در حال کوچک شدن است. این پدیده می‌تواند مزایایی از جمله کاهش مصرف مواد اولیه و انرژی،کاهش قیمت تمام شده قطعات و مینیاتوریزه کردن قطعات را شامل شود. همچنین گرایش به کاهش ابعاد، منافع دیگری از جمله افزایش سرعت و راندمان قطعات الکترونیکی را نیز به دنبال دارد .

از زمان ساخت مدار مجتمع، تعداد ترانزیستورهای موجود در واحد سطح تراشه های نیمه هادی هر 18 ماه دو برابر می شود. این پیشگویی توسط مور (Moor) دردهه 80 میلادی بیان گردید که طی دو دهه اخیر رخ داده است. از این رو صنعت، نیازمند استفاده از روش هایی جهت ساخت قطعات در ابعاد نانو می باشد .
امروزه تلاش های گسترده ای برای پیشرفت روش های ساخت نانو ساختارها (Nanofabrication) صورت می گیرد. یکی از استراتژی های بالا به پایین در ساخت ابزار نانو، که از تکنیک لیتوگرافی (Lithography) متداول ایجاد شده است به عنوان نانولیتوگرافی شناخته می شود .

معرفی لیتوگرافی :
لیتوگرافی یک واژه یونانی است که از دو قسمت لیتوس (Lithos) به معنای سنگ و گرافی (Graphia)به معنای نوشتن و حکاکی کردن، تشکیل شده است. با ترجمه کلمه به کلمه این واژه به صورت حکاکی بر روی سنگ معنی می شود . این روش شامل تشکیل یک طرح لیتوگرافی از یک الگو روی یک ماده الکترونیک و انتقال آن طرح به ماده‌ای دیگر جهت تولید یک ابزار الکترونیکی یا نوری می باشد .

تقسیم بندی روش های لیتوگرافی:
تکنیک‌های لیتوگرافی را می‌توان به شیوه‌های گوناگون دسته‌بندی کرد. البته در طول زمان با پیشرفت ابزارها و ظهور تکنولوژی‌های جدید، این تکنیک به صورت روش‌های بسیار پیچیده و دقیق به تحت عنوان نانولیتوگرافی، برای معماری در ابعاد مولکولی و نانو توسعه داده شده‌اند؛ به طوری که در دهه های اخیر از این روش به طور وسیع برای ساخت مدارهای مجتمع، ابزارهای ذخیره اطلاعات، سنسورهای مینیاتوریزه شده، سیستم های میکروالکترومکانیک (MEMS) و نانوالکترومکانیک (NEMS) تراشه های زیستی استفاده می شود .

تکنیک های لیتوگرافی بر اساس ابزار مورد نیاز، روش انتقال تصویر و استراتژی الگوگذاری به دو روش تقسیم می‌شوند، که شامل نوشتن(حکاکی) مستقیم و یا انتقال طرح با استفاده از ماسک نوری با روش های متداول تابش و برخی روش های توسعه یافته می باشد.
روش اول تحت عنوان حکاکی ردیفی (Serial Writing)
و روش دوم به عنوان روش های تکرار موازی (Parallel Replication ) شناخته می شوند
روش های تکرار موازی شامل روش هایی همچون لیتوگرافی نوری، چاپ تماسی و لیتوگرافی مهر نانو می باشد که برای تولید با بازده بالا و در سطح وسیع کاربرد دارند، با این حال در این روش نمی توان طرح ها را به صورت دلخواه اعمال کرد .
به عنوان مثال، روش چاپ میکروتماسی یک روش شناخته شده برای انتقال مولکول ها از ماده مورد نظر برای ایجاد طرح به زیرلایه، در اثر تماس فیزیکی می باشد. مثالی از این روش در شکل 1 نشان داده شده است .



شکل 1 -تصویر شماتیکی از مولکول های alkanethiol از یک مهر الاستومری به زیرلایه .


روش حکاکی ردیفی، مانند لیتوگرافی پروب روبشی، امکان تولید الگوهای دلخواه را با رزولوشن بالا و ثبت دقیق فراهم می کند، ولی بازده و خروجی محدودی دارد .
لیتوگرافی پروب روبشی (SPL= Scanning Probe Lithography) به تکنیک های بر پایه (SPM=Scanning Probe Microscopy) اطلاق می شود که طرح را بر روی زیرلایه با استفاده از روش های مختلف مانند خراش، نوشتن و تابش ایجاد می کنند. ساختار حاصل از این دستکاری (Manipulation) دارای ابعادی بین 100-10 نانومتر می باشد. سه نوع اصلی پروب برای تکنیک SPL وجود دارد که شامل:

(AFM=Atomic Force Microscopy)،
(STM=Scanning Tunneling Microscopy) و
( SNOM(Scanning Nearfield Optical Microscopy می باشند .

با بهبود رزولوشن حاصل از تکنیک لیتوگرافی به حدود چند نانومتر، از این روش برای مشخصه یابی سطوح نیز استفاده می شود. این فرآیند برای ایجاد الگو روی سطوح نیازمند ابزار و فناوری پیشرفته مانند یک نانو قلم به همراه جوهر مولکولی می باشد .
نکته قابل توجه دیگر این است که انتقالات انجام شده با روش های لیتوگرافی سبب افزایش دما تا بالای 100 درجه سانتیگراد می شود. این در حالی است که مواد زیستی در این دما غیرفعال می شوند. تکنیک های SPL نیاز به چنین دمایی ندارند و از این رو برای دستکاری مواد زیستی ونرم مناسب می باشند.

لیتوگرافی نوری:
قدیمی ترین روش برای ایجاد طرح، لیتوگرافی نوری است؛ به طوری که صنعت نیمه هادی‌ها، به لیتوگرافی اشعه ماوراء بنفش وابسته است. در این فرآیند، الگو در یک لایه تصویری که ماده مقاوم (Resist) نامیده می شود، تشکیل میگردد. این لایه مقاوم حساس به نور بر روی زیرلایه ای از جنس نیمه هادی (به عنوان مثال ویفر سیلیکونی) قرار گرفته و سطح آن را می پوشاند. برای پوشش سطح با ماده مقاوم، مقدار کمی از آن به شکل محلول مایع روی سطح زیرلایه توزیع می شود. سپس زیرلایه تحت سرعت بالایی حول محور خودش چرخانده می شود، که در طی آن ماده اضافی از سیستم خارج شده و محلول نیز تبخیر می شود. درنتیجه لایه نازکی از ماده مقاوم جامد (2-0.1 میکرون) روی سطح زیرلایه شکل می گیرد. برای متراکم نمودن ماده مقاوم و همچنین خروج حلال باقیمانده، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم تحت یک عملیات حرارتی به عنوان پخت، قرار می گیرد. پس از این مرحله، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم برای ایجاد طرح آماده است
چندرسانه ای 1 تفاوت این دو روش لیتوگرافی را نشان می دهد.






شکل 2 - پوشش سطح زیرلایه توسط ماده مقاوم

برای ایجاد طرح، مناطقی از ماده مقاوم به صورت انتخابی تحت تابش اشعه قرار می گیرد.
در طی فرآیند تابش، اشعه ماوراءبنفش از میان ماسک نوری (معمولاً از جنس کوارتز) عبور می کند که این ماسک اجازه عبور نور را بر اساس طرح مدار مورد نظر به ماده مقاوم فراهم می کند. واکنش های ایجاد شده در ماده مقاوم در اثر تابش، اتصالات مولکولی را در آن تغییر می دهد. پس از آن، زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم و در معرض تابش قرار گرفته، در یک حلال مناسب شستشو داده شده و طرح مورد نظر در اثر فرآیند اچ ایجاد می گردد. با تکرار این فرآیند امکان تشکیل طرح های پیچیده روی سطح فراهم می شود .

در این روش ماده مقاوم، لایه‌ای از تصویر را تشکیل می دهد که روی سطح زیرلایه قرار می گیرد. در طی فرآیند لیتوگرافی یک تغییر شیمیایی در خلال تابش موضعی در ماده حساس به تابش ایجاد می شود. مقاوم های تجاری موادی پلیمری هستند که به راحتی روی زیرلایه قرار می‌گیرند. همچنین این مواد انعطاف پذیر بوده و حساسیت بالایی دارند. در اثر تابش، وزن مولکولی پلیمر و در نتیجه قابلیت انحلال آن در حلال تغییر می کند. تغییر حلالیت به علت برش زنجیر (مقاوم مثبت) و یا اتصال عرضی (مقاوم منفی) در پلیمر می¬باشد. در مورد مقاوم مثبت، با برش ایجاد شده در اثر تابش، انحلال افزایش می یابد و در مورد مقاوم منفی، قابلیت انحلال در اثر تابش کم می شود(چندرسانه ای 1) . به طور مثال (PMMA(polymethylmethacrylate یکی از انواع مقاوم های مثبت می باشد. به هر حال مقاوم های منفی رزولوشن و کانتراست کمتری نسبت به مقاوم های مثبت دارند. مواد مقاوم غیرآلی نیز مانند نمک های هالید فلزی، اکسیدهای فلزی و اکسیدهای نیمه هادی وجود دارند .



شکل 3 - تصویر شماتیکی از لیتوگرافی نوری .

لیتو گرافی
محدودیت لیتوگرافی نوری:
محدودیت ذاتی تکنیک لیتوگرافی در تولید ابعاد مورد نظر، از محدودیت رزولوشن تکنیک های نوری نشأت می‌گیرد. رزولوشن در یک سیستم متناسب با طول موج اشعه استفاده شده است. به عبارت بهتر طول موج منبع نوری، کوچکترین اندازه قابل دستیابی را برای ابزار تعیین می کند. بر اساس منبع تابش، حداقل اندازه طرح قابل دستیابی (MFS= Minimum Feature Size) از رابطه زیر بدست می آید:






در این رابطه K یک عدد ثابت است که به کانتراست و سایر ویژگی های ماده مقاوم و حساس به نور مورد استفاده وابسته است. λ طول موج تابش و NA سنجش ظرفیت گردآوری نور (Numerical Aperture ) است که به صورت سینوس زاویه گردآوری لنز تعریف می شود و مقیاسی از اندازه لنزهای سیستم می باشد.


توسعه روش های لیتوگرافی:
جهت دستیابی به رزولوشن بالاتر و ابعاد کوچکتر در مقیاس نانو، نیاز است که طول موج نور مورد استفاده کاهش یابد. جهت غلبه بر این مشکل، روش های دیگر لیتوگرافی مانند روش های مبتنی بر استفاده از باریکه ذرات، توسعه پیدا کردند. در این روش‌ها یون ها، الکترون ها یا اتم های خنثی برای جدا کردن بخشی از سطح استفاده می شوند. بنابراین تولید ساختارهایی با ابعاد کوچکتر با استفاده از لیتوگرافی حد نهایی اشعه ماوراء بنفش (EUV= Extreme UltraViolet Lithography )، لیتوگرافی اشعه X، لیتوگرافی باریکه الکترونی (EBL= Electron Beam Lithography) ، لیتوگرافی باریکه یونی متمرکز شده (FIB= Focused Ion Beam Lithography) ، لیتوگرافی میکروسکوپ پروب روبشی و روش های بر پایه مهر (استامپ) امکان پذیر می‌گردد .

لیتوگرافی حد نهایی اشعه ماوراء بنفش و اشعه X، مانند لیتوگرافی نوری از امواج الکترومغناطیس ماوراء بنفش و X با انرژی بالا استفاده می کنند و روند کار مشابه لیتوگرافی نوری است، ولی بدلیل انرژی بالای این دو طیف، نیاز به چیدمانی از مواد مقاوم با قابلیت خاص و اپتیک ویژه می باشد .
لیتوگرافی باریکه الکترونی، از ستونی از الکترون ها با انرژی قابل کنترل و تغییر، با کمک میکروسکوپ الکترونی، برای لیتوگرافی استفاده می کند، که به طور کامل در بخش های بعدی درباره آن بحث خواهیم کرد.

لیتوگرافی باریکه یونی متمرکز شده، از باریکه یونی متمرکزشده گوسین برای حکاکی استفاده می کند. مهمترین مزیت این روش تطبیق پذیری بالای آن است، به نحوی که طرح های لیتوگرافی می توانند با فرآیندهایی شامل تابش یونی به یک ماده مقاوم، آسیاکاری یونی، اچ القا شده یونی یا کاشت یونی در مناطق مورد نظر ایجاد شوند. ابعاد این طرح ها می تواند به زیر 100 نانومتر نیز برسد. چندرسانه ای 3 تفاوت لیتوگرافی اشعه ماوراء بنفش را با لیتوگرافی باریکه یونی متمرکز شده نشان می¬دهد. چندرسانه ای 4 نیز تکنیک کاشت یونی را نشان می دهد .

لیتوگرافی بر اساس مهر یک روش غیرتابشی است، که اصولاً یک روش قالبگیری میکرونی می باشد. ابتدا باید الگویی از طرح ایجاد شود. در مورد لیتوگرافی مهر نانو این الگو از جنس نیکل یا سیلیکون می باشد. برای ایجاد طرح بر روی زیرلایه، مقدار کمی از یک مایع بر روی سطح توزیع می شود و الگو بر روی آن، در اثر اعمال فشار مهر شده و سپس طرح بر روی زیرلایه ثابت می شود


شکل 4 - نمایی شماتیک از فرآیند لیتوگرافی بر پایه مهر . (قابل حذف مشابه به چاپ میکرو تماسی)


لیتوگرافی، روشی با قابلیت تولید نانوساختارها با کیفیت و دقت ابعادی مناسب می باشد. بر اساس ابزار به کار رفته برای ایجاد طرح مورد نظر؛ دقت، رزولوشن طرح و ابعاد قابل دستیابی متفاوت است. برای رسیدن به ابعاد کوچکتر و دقت ابعادی بالاتر، روش هایی همچون لیتوگرافی پروب روبشی و یا لیتوگرافی با اشعه X و باریکه الکترونی توسعه داده شده اند. با این حال، این روش ها نسبت به لیتوگرافی نوری پر هزینه تر بوده و قابلیت تولید انبوه را ندارند، و محققان در تلاش هستند تا بتوانند از این تکنیک ها در تولید انبوه ابزارهای الکترونیک با کیفیت بالا استفاده کنند.

لیتوگرافی باریکه الکترونی
لیتوگرافی نوری به علت استفاده از امواج الکترومغناطیس با طول موج مشخص، رزولوشن محدودی دارد و بنابراین در تولید مواد نانو قابلیت کافی را ندارد. از طرفی با استفاده از باریکه الکترونی با قابلیت تنظیم انرژی و طول موج حرکت الکترون ها، می توان به رزولوشن های بالا دست یافت. در این مقاله، ابتدا روش لیتوگرافی باریکه الکترونی و انواع آن شرح داده شده و در ادامه، برخی از کاربردها و محدودیت های این روش بیان می گردد.
یکی از تکنولوژی‌های جدید در حوزه لیتوگرافی، استفاده از میکروسکوپ‌های الکتریکی جهت تولید باریکه الکترونی می‌باشد .
شاید بتوان اولین تفکر در زمینه کاربرد میکروسکوپ الکترونی در ساخت ابزار نانو مقیاس را به صحبت‌های ریچارد فایمن در سال 1950 ارتباط داد که اظهار کرد "فضای زیادی در پایین وجود دارد" .لیتوگرافی باریکه الکترونی (EBL= Electron Beam Lithography) یک روش بسیار دقیق با رزولوشن بسیار بالا برای ایجاد طرح می باشد. در این روش از یک باریکه الکترونی به خوبی متمرکز شده با انرژی 300-2 کیلوالکترون ولت، تولید شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری، برای ایجاد طرح های خطی ظریف بر روی ماده نیمه هادی پوشش داده شده با ماده مقاوم، استفاده می شود .
با وجود جرم بسیارکم الکترون ها و وجود نسبت بالای بار به جرم آنها، امکان متمرکز کردن و هدایت آنها با استفاده از میدان های نسبتاً کم مغناطیسی و الکتریکی فراهم شده است .هرچه انرژی باریکه افزایش یابد، طول موج آن کاهش پیدا میکند. این موضوع سبب بهبود در میزان رزولوشن نهایی می شود. با این حال رزولوشن یا همان ابعاد ساختار قابل دستیابی با روش باریکه الکترونی، به حدود چند نانومتر محدود می شود، که بیشتر به علت محدودیت ماده مقاوم می باشد. به عنوان مثال اگر امکان متمرکز کردن باریکه الکترونی برای رسیدن به رزولوشنی در حدود 0.5 نانومتر میسر شود، ماده مقاوم به تنهایی رزولوشن نهایی را به حدود 5 نانومتر محدود می کند .
یک خصوصیت مهم ماده مقاوم برای ایجاد طرح با رزولوشن بالا، کنتراست می باشد؛ زیرا امکان ایجاد تغیرات کوچک در ضخامت نواحی تحت تابش، با استفاده از مواد مقاوم با کنتراست بالا (مثبت) فراهم می شود .

انواع لیتوگرافی باریکه الکترونی:
نانولیتوگرافی باریکه الکترونی اغلب به دو صورت روش تابش غیر مستقیم و انتقال طرح؛ و روش حکاکی مستقیم (DWEB= Direct Writing Electron Beam) به کار می رود .
روش حکاکی مستقیم:
حالت حکاکی مستقیم امکان ایجاد طرح را با استفاده از یک فایل داده فراهم می کند و به عنوان روشی برای ساخت ماسک های مورد استفاده در لیتوگرافی به کار می رود .
ولین شکل از روش حکاکی مستقیم با باریکه الکترونی، توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی تحت کنترل کامپیوتر یا پوینده نقطه ای تندرو ( Flying Spot Scanner) برای انتقال اطلاعات طرح انجام گرفت. شکل 1 و چندرسانه ای 2 تصویر شماتیک از این روش را بر پایه میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان می دهد .



شکل 1 - تصویر شماتیکی از سیستم لیتوگرافی باریکه الکترونی بر پایه میکروسکوپ الکترونی روبشی .​


امروزه با پیشرفت میکروسکوپ های الکترونی، باریکه های الکترونی با شعاع کمتر از 10 نانومتر تولید می شوند که به ماده مقاوم حساس به الکترون تابیده می شوند. این سیستم ها، به علت شدت پروفایل باریکه، معمولاً تحت عنوان سیستم های باریکه گوسین شناخته می شوند. الکترون های نشر یافته از منبع، متمرکز می شوند و با استفاده از لنزهای مغناطیسی و دریچه ها، بر اساس پروفایل گوسین، به شکل یک نقطه درمی آیند، که مشخصات آن وابسته به جریان و تعداد دریچه ها و لنزها می باشد. همچنین در این سیستم از صفحات الکترواستاتیک و یا سیم-پیچ های مغناطیسی انکساری برای منحرف کردن باریکه استفاده می شود. معمولاٌ یک منحرف کننده در زمان های مناسب، فاصله ای را به صورت خاموش و روشن کردن باریکه در ستون الکترونی ایجاد می کند، در حالی که سایر منحرف کننده ها برای روبش الکترون در امتداد نمونه استفاده می شوند .

حدوده روبش باریکه الکترونی به علت انحراف و اعواج ایجاد شده توسط میدان های انکساری، به فواصل کوچکی محدود می شود. بنابراین برای پوشش دادن کل نمونه، نیاز به ترکیبی از حرکت مکانیکی نمونه و انکسار باریکه الکترونی می باشد. از لنزهای مغناطیسی به عنوان اپتیک های الکترونی، برای متمرکز کردن و شکل دادن باریکه الکترونی جهت لیتوگرافی استفاده می شود. قطر نهایی باریکه تحت تأثیر منبع تولید الکترون، عیوب انکساری لنزها، عیوب هندسی و اثرات بار فضایی ناشی از دفع الکترون ها می باشد .

سیستم های باریکه الکترونی شکل گرفته، در 1970 برای بهبود خروجی DWEB توسعه داده شدند. در این سیستم، جریان از منبع به یک دریچه شکل دهی وارد می شود. سپس از یک منحرف کننده باریکه عبور کرده و بر روی دریچه شکل دهی دوم تصویر می شود و بدون هیچ گونه انحرافی، باریکه شکل گرفته با جریان نسبتاً بالا بر روی ویفر قرار می گیرد. در این روش، طرح های پیچیده تر با قرار دادن ساختارهای بزرگتر در زمان کوتاهتری ایجاد می شوند. با این حال رزولوشن بدست آمده از سیستم باریکه شکل گرفته، کمتر از سیستم گوسین است. بنابراین برای نانولیتوگرافی بیشتر از سیستم گوسین استفاده می شود، ولی برای تولید صنعتی با قیمت کمتر، از سیستم باریکه شکل گرفته استفاده می شود .

وسعه لیتوگرافی باریکه شکل گرفته، منجر به ایجاد سیستم های باریکه تصویری ساختاری یا سلولی گردید. در این مورد، دریچه ها به شکل الگوهای مداری تکرارشونده (سلول) ساخته می شوند. این سیستم برای تولید طرح های پیشرفته با ابعاد بزرگتر از 100 نانومتر و بازده متوسط به کار می رود. در سیستم تک باریکه الکترونی برای حکاکی مستقیم، دقت و توانایی زیادی برای تولید مدار مجتمع و ساختارهایی با اندازه کوچک وجود دارد ولی روشی پر هزینه و زمان بر می باشد .کل 2 و چندرسانه ای 3 و 4 نمایی از این سیستم ها و توسعه آنها را نشان می دهد .






شکل 2 - تصویر شماتیکی از باریکه گوسین، باریکه شکل گرفته و تصویر سلولی در حکاکی مستقیم .



روش غیرمستقیم:
روش دیگر لیتوگرافی باریکه الکترونی، روش غیر مستقیم یا چاپ تصویر (EPL= Electron Projection Lithography) می باشد.

تکنیک های تک باریکه متمرکزشده گوسین و باریکه شکل گرفته، برای تبدیل داده های ساختارهای زیرمیکرونی و نانومتری به ساختارهای دو بعدی، ایده آل هستند. هر دو تکنیک نیاز به زمان مشخصی برای پر کردن سطوح بزرگ با اجزای کوچک دارند. برای رفع مشکل زمان، روش های تابش موازی توسعه داده شدند که از ماسک هایی با طرح های مشخص با ابعاد ساختاری زیرمیکرونی تا نانومتری استفاده می کنند .
با این حال تولید باریکه های چند تایی نیاز به استفاده از ابزار دقیقی دارد و ساخت ماسک های مورد نیاز برای تولید چنین باریکه هایی هزینه بر است .
در تکنیک غیر مستقیم، باریکه الکترونی بر روی زیرلایه پوشش داده شده با ماده مقاوم در یک محیط خلأ (5-10 torr) متمرکز می شود. در این روش از یک ماسک برای انتقال کامل یا بخش اعظم یک طرح استفاده می-شود. این ماسک یک غشای جامد با حفرات مشخص است که طرح مورد نظر را ایجاد می کند (شابلون). باریکه در حالتی که طرح را منتقل می کند از حفرات ماسک عبور می کند. پس از انتقال طرح تعریف شده بر روی ماده مقاوم، این ماده از سیستم خارج شده و مابقی فرآیند مانند لیتوگرافی متداول ادامه می یابد. در این روش، دانسیته جریان کمتری نسبت به باریکه گوسین و باریکه شکل داده شده استفاده می شود. هرچه عمق نفوذ الکترون ها کاهش یابد، کاربر ناگزیر می شود تا از ماسک های غشایی بسیار نازک و یا شابلون هایی به صورت چند تکه، که باریکه می تواند از میان آنها عبور کند، استفاده کند .
روش های متعددی برای تولید باریکه های چندنایی توسط Vistec، IMS و MAPPER پیشنهاد شدند که از تکنیک ماشین کاری میکرونی برای تولید باریکه هایی با اندازه قابل قبول استفاده کردند. در روش های Vistec و IMS از یک تک باریکه الکترونی برای تولید چند باریکه الکترونی 50 کیلوالکترون ولتی استفاده می شود. نمای شماتیکی از این روش در تصویر3 نشان داده شده است. یک دریچه آرایه ای برای جدا کردن باریکه های الکترونی استفاده می شود. برای جلوگیری از گرم شدن بیش از اندازه صفحه دریچه، انرژی الکترون های در حال عبور از دریچه کمتر از انرژی الکترون های متمرکز شده بر روی ویفر می باشد .





شکل 3- نمای شکاتیکی از تولید باریکه های الکترونی چندتایی از یک تک باریکه الکترونی .

در سیستمMAPPER باریکه چند تایی با استفاده از چیدمانی از دریچه ها، از یک تک باریکه الکترونی تشکیل شده و سپس این باریکه ها موازی می شوند. یک آرایه انکساری برای خاموش و روشن کردن باریکه ها و روبش آنها برای ایجاد طرح استفاده می شود. شکل 4 و چند رسانه ای 5 شماتیکی از این روش را نشان می دهند.


شکل 4 - تصویر شماتیکی از سیستم MAPPER

کاربرد:
از تکنیک EBL برای ساخت انواع مدار مجتمع با رزولوشن بالا استفاده می شود. همچنین از این روش در ساخت ابزار فوتونیک نظیر موج برهای نوری با پراکندگی نوری کم، اپتیک اشعه X ، ابزار الکترونیکی با قابلیت کار در فرکانس های بالا، نانولوله ها، نانوفیبرها و نانوسیم ها استفاده می شود .







شکل 5 - گیت کمربندی با عرض 300 نانومتر در تماس با نانوسیم های 28 نانومتری (IBM) .​

یکی از کاربردهای اصلی این تکنیک ساخت ماسک های نوری می باشد. این ماسک ها معمولاً با استفاده از باریکه شکل گرفته و بر روی یک زیرلایه کوارتزی ساخته می شوند که شفافیت خوبی در ناحیه فرابنفش از خود نشان می‌دهد. این همان ناحیه مورد استفاده برای لیتوگرافی نوری می باشد. ماسک ها با قرارگیری یک لایه کروم بر روی صفحه شیشه کوارتزی ساخته می شوند. لایه حساس به باریکه الکترونی پوشش داده شده در معرض تابش باریکه قرار گرفته و طرح مورد نظر روی آن ایجاد می شود. در نهایت لایه کروم به صورت انتخابی، در نواحی طرح گذاری شده برای تولید ماسک، اچ می شود .



شکل 6-ساخت ماسک های لیتوگرافی


از این تکنیک همچنین برای تولید ماسک های مورد نیاز برای لیتوگرافی اشعه X و روش های لیتوگرافی غیر متداول مانند چاپ تماس میکرونی و مهر نانو نیز استفاده می شود .

محدودیت:
پدیده پراکندگی الکترون ها، هنگام ورود آنها به ماده مقاوم و زیرلایه در زوایای کوچک (غیر الاستیک یا پراکنش رو به جلو) و زوایای بزرگ (الاستیک یا پراکنش بازگشتی) و در نزدیکی محل برخورد باریکه به ماده اتفاق می افتد . مهمترین محدودیت لیتوگرافی باریکه الکترونی ناشی از اثر مجاورت ایجاد شده به علت حجم بالای الکترون‌های پراکنده شده با انرژی بالا در ماده مقاوم می باشد. این موضوع سبب می شود طرح محو به نظر رسیده و پروفایل تحت تابش، اندازه بزرگتری از پروب الکترون برخوردی پیدا کند.
این بدان دلیل است که باریکه پراکنده شده با زوایای الاستیک کوچک، در ماده مقاوم پهن می شود. همچنین، ماده مقاوم در معرض تابش الکترون های پراکنده بازگشتی به صورت الاستیک از زیرلایه نیز می باشد. به علاوه الکترون های ایجاد شده بواسطه فرآیندهای غیرالاستیک نیز نقش مهمی را بازی می کنند. الکترون های ناشی از پراکندگی رو به جلو و الکترون های زیرلایه روی ابعاد ساختار و رزولوشن اثر می گذارند. پراکندگی رو به جلو در ماده مقاوم می تواند با به کارگیری لایه نازکی از ماده مقاوم و افزایش ولتاژ الکترون ها به حاقل برسد. در کاربرد عملی، ایجاد طرح روی بالک زیرلایه مطلوبتر از ماده مقاوم نازک می باشد. مینیمم کردن مشکلات ناشی از تابش الکترون های پراکنده شده از زیرلایه به ماده مقاوم، به آسانی صورت نمی پذیرد، که در مورد زیرلایه هایی با وزن اتمی بیشتر این مشکل پیچیده تر می شود
.


و راه کلی جهت حل این مشکل وجود دارد. را حل اول استفاده از باریکه های الکترونی با انرژی بالا (بیشتر از 50 کیلوالکترون ولت) می باشد تا بتواند به عمق زیرلایه نفوذ کند. این در حالی است که در روش دوم باریکه های الکترونی با انرژی بسیار کم استفاده می‌شود. که امکان پراکندگی در مسافت طولانی فراهم نمی شود. نکات کلیدی در زمینه استفاده از باریکه الکترونی با ولتاژ بالا عبارتست از الکترون های پراکنده شده، آسیب وارد شده به زیرلایه نیمه هادی در اثر برخورد الکترون های تابشی، پیچیدگی و قیمت بالای ستون های ولتاژ بالا. در زمینه استفاده از باریکه الکترونی با ولتاژ کم، نکات اصلی عبارتند از اپتیک الکترونی (ساختار لنزهای مغناطیسی و ..)، حساسیت ستون نوری الکترون به نویز و نیاز به لایه های نازک از ماده مقاوم .

با استفاده از روش لیتوگرافی باریکه الکترونی قابلیت تولید طرح ها و ساختارهایی در ابعاد نانو با رزولوشن بالا فراهم می شود. انتخاب نوع ماده مقاوم در کنتراست و کیفیت طرح های تولیدی اهمیت بسزایی دارد. روش حکاکی مستقیم از این تکنیک، کاربردهای زیادی دارد و برای تولید ماسک برای انواع روش های لیتوگرافی استفاده می‌شود. نکته مهم در این روش، استفاده از تک باریکه الکترونی می باشد که در کنار ایجاد رزولوشن بالا، به خصوص درمورد طرح های بزرگ و تولید انبوه ساختارها هزینه بر و زمان بر می باشد. از این رو روش ایجاد طرح با استفاده از باریکه های الکترونی چندتایی گسترش پیدا کرد. این روش رزولوشن پایینتری نسبت به روش مستقیم دارد ولی تولید ماسک های موردنیاز در این روش هزینه بر می باشد. محدودیت اصلی تکنیک لیتوگرافی با باریکه الکترونی ایجاد ناحیه ای اطراف محل برخورد باریکه با ماده مقاوم می باشد که از برهمکنش های مختلف الکترون‌های برخوردی با مقاوم و زیرلایه نشأت می گیرد و طرح تولیدی را مبهم می سازد. برای کاهش این ناحیه و بهبود طرح های تولیدی، استفاده از باریکه هایی با انرژی بالا و یا با ولتاژهای کم پیشنهاد شده است که هر کدام از این روش ها نیز محدودیت هایی را برای سیستم ایجاد می کنند.

لیتو گرافی میکروسکوپ پروب روبشی

با گسترش میکروسکوپ های پروب روبشی با دقت و وضوح تصویر فضایی بسیار بالا، برای آنالیز و تصویربرداری سطحی در ابعاد 1 نانومتر و کمتر، ایده دستکاری و جابجایی اتم ها با استفاده از این امکانات نیز مطرح و بررسی گردید.
امروزه در زمینه نانولیتوگرافی از میکروسکوپ های پروب روبشی نظیر (AFM=Atomic Force Microscopy) و ( STM=Scanning Tunneling Microscopy) برای ایجاد خراش و کندن اتم های سطحی در مناطق خاص، حکاکی و یا جابجایی برخی اتم-های موضعی با اتم های مورد نظر، همزمان با تصویربرداری از سطح، استفاده می شود، که تحت عنوان لیتوگرافی پروب روبشی (SPL= Scanning Probe Lithography) شناخته می شوند. در این مقاله به معرفی روش نانولیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ‌های پروبی روبشی پرداخته خواهد شد و معایب، مزایا و کاربردهای آن ارائه خواهد شد.

میکروسکوپ های پروب روبشی مانند STM و AFM، به عنوان روش هایی قدرتمند برای تجسم سطوح مواد با بالاترین وضوح تصویر فضایی شناخته شده اند. در مورد آنالیز ساختاری، AFM دارای وضوح 0.1 انگسترومی در حالت افقی و 0.05 انگسترومی در حالت عمودی می‌باشد. در حالی که میزان وضوح تصویر STM چند برابر بیشتر از AFM است. این وضوح تصویر ها مربوط به سیستم های کریستالی است، که در مورد سطوح نرم و چسبنده دستیابی به وضوح تصویر های بالا امکان پذیر نمی باشد .

در میان روش های ساخت نانوساختارهای موجود، لیتوگرافی پروب روبشی (SPL) یکی از روش های بسیار نویدبخش برای تولید در مقیاس نانو می باشد. با استفاده از سوزن های تیز و شارپ و همچنین ایجاد برهم کنش های قوی و موضعی بین سوزن-سطح، می توان از(SPM=Scanning Probe Microscopy) به عنوان روشی برای دستکاری اتم ها بر روی سطوح فلزات و تولید نانوالگوها بر روی سطوح فلزات و نیمه هادی ها استفاده نمود، که این موضوع سبب تسریع در ظهور تکنیک‌های جدید SPL گردیده است.

با این حال SPL نمی تواند به سرعت روش هایی همچون لیتوگرافی نوری و لیتوگرافی الکترونی الگوها را تولید کند. اما این روش به علت توانایی در تولید و ایجاد تصویر به طور همزمان و با دقت بسیار بالا، مورد توجه محققان قرار گرفته است .

دستیابی به وضوح تصویر بالا اساس دستکاری مولکولی و نانولیتوگرافی بر اساس SPM می باشد. اصولاً با افزایش برهم کنش های موضعی همچون نیروی اتمی، دانسیته الکترون های تونل زنی و یا استحکام میدان الکتریکی، امکان شکستن انتخابی پیوندهای شیمیایی فراهم می شود که جزئیات روش در کنترل این برهم کنش های موضعی، اساس دستیابی به طرح های شارپ با دقت فضایی بالا می باشد.

نانولیتوگرافی بر مبنای STM :
در این روش، سوزن STM یک پروب کوچک از الکترون های کم ولتاژ را ایجاد می کند که بر ویفر پوشش داده شده با لایه نازک از ماده مقاوم برخورد می کند و در این تکنیک STM بیشتر در حالت نشر میدانی کار می کند. سوزن های STM معمولاً در حد اتمی تیز بوده و از جنس ترکیباتی نظیر سیم های تنگستنی، Pt-Rh و یا Pt-Ir می باشند. فاصله سوزن-سطح با استفاده از فیدبک الکترونیکی برای رسیدن به یک سیگنال فیدبک ثابت (مانند جریان تونل زنی یا ارتفاع سوزن) کنترل می شود.

برای رفتن به آنسوی تصویرسازی و رسیدن به دستکاری یا تولید، پیوند مولکول یا مولکول های انتخاب شده باید شکسته شده و از مابقی مواد سطح جدا شوند. به عبارت بهتر، پیوندهای موضعی باید ضعیف یا شکسته شوند. به صورت عملی تنظیم جدایش سوزن-سطح با استفاده از ولتاژ بایاس یا جریان تونل زنی صورت می گیرد.

جریان تونل زنی به فاصله جدایش وابسته است که یک رابطه نمایی منفی را دنبال می کند.

چهار مکانیسم ممکن برای دستکاری مولکول ها بوسیله STM در شکل 1 آورده شده است. اصولاً دستکاری تک مولکولی، از نیروهای بین اتمی و بین مولکولی بین سوزن و سطح نمونه ها استفاده می کند. روش های تولیدی که شامل شکستن یا تشکیل پیوندهای شیمیایی هستند، از جریان تونلی که به شدت موضعی شده است، حدود 1 نانومتر و کمتر، استفاده می کنند .







تصویر 1 -شماتیکی از چهار مکانیسم لیتوگرافی STM یا دستکاری مولکول¬ها بوسیله سوزن


لیتوگرافی باریکه الکترونی بر مبنای STM، به مانند دیگر روش‌های لیتوگرافی بر روی ماده مقاوم قرار گرفته بر روی یک زیرلایه، انجام می شود. تا زمانی که STM در حالت جریان ثابت کار می کند، جدایش سوزن – نمونه تقریباً متناسب با ولتاژ اعمالی است.

اندازه مؤثر پروب با میزان نزدیکی سوزن و نمونه و همچنین با ولتاژ سوزن – نمونه تعیین می شود. در این روش، لیتوگرافی باریکه الکترونی بدون هیچگونه پراکندگی الکترونی با استفاده از پروب الکترونی با ولتاژ کم انجام می شود .



یکی از محدودیت های این روش، از جریان بین سوزن – نمونه نشأت می گیرد که برای تابش به ماده مقاوم و همچنین برای رسیدن به حالت جریان ثابت بین سوزن – نمونه استفاده می شود. علاوه براین، لیتوگرافی با ضخامت و هدایت ماده مقاوم و سطح زیرلایه محدود می شود. برخی از این محدودیت ها با استفاده از سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی برای لیتوگرافی قابل رفع می باشد. در این حالت وضعیت سوزن با نیروی سوزن – نمونه کنترل می شود که مستقل از جریان و ولتاژ سوزن - نمونه مورد نیاز برای تابش به ماده مقاوم می باشد.

نانولیتوگرافی بر مبنای AFM :


لیتوگرافی بر پایه AFM در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است و تحقیقات فراوانی جهت بررسی حکاکی به صورت نانولیتوگرافی با سوزن جستجوگر تیز با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی انجام گرفته است .

سوزن AFM می تواند برای حمل کاتالیست به نقاط واکنشی فعال سطحی به صورت انتخابی استفاده شود، یا به صورت یک قلم برای اتصال مولکول ها بر روی سطوح، در روشDPN(Dip-Pen Nanolithography) و روش های مشتق شده از آن به کار رود. در روش DPN کشش سطحی آب که به صورت طبیعی بین سوزن و سطح شکل می گیرد، سبب انتقال کنترل شده مولکول ها از سوزن پوشیده شده با مایع به سطح مورد هدف می شود. اگر مایع منتقل شده برای ایجاد طرح با سطح واکنش دهد، در اثر جذب شیمیایی انجام شده، یک نانوساختار پایدار تولید می شود. همچنین از سوزن های AFM به عنوان الکترود برای اکسیداسیون موضعی مستقیم سطوح نیز استفاده می شود .


روش AFM مزایایی دارد که می توان اینگونه بیان نمود: اول اینکه روشی است که تحت شرایط محیطی قابل انجام است و به تجهیزات پیچیده ای نیاز ندارد. دوم اینکه لیتوگرافی AFM به عنوان یکی از روش های ساخت نانوساختارها، قادر به تولید قطعاتی با ابعاد 10 نانومتر و کمتر می باشد. سوم اینکه AFM می تواند تصاویری با وضوح تصویر بالا و به صورت فضای واقعی با دقت هم ترازی نانومتری برای سطوح خارجی تولید کند. در طی سال ها به صورت تجربی ثابت شده که با استفاده از آرایه ای از سوزن های جستجوگر موازی می توان سرعت و بازده را نیز بهبود بخشید .

با استفاده از نیروهای موضعی، تکنیک های دیگری برای تولید نانوساختارها با روش AFM ایجاد گردیده است.

شکل 2، تصویر شماتیکی را از سه تکنیک از روش های ساخت نانوساختارها بر مبنای AFM نشان می دهد: نانوخراش، نانوپیوند (Nanografting) و نانوقلم خواننده و نگارنده (NPRW= NanoPen Reader and Writer). در این روش ها ابتدا ساختار سطح تحت یک نیرو یا بار کم شناسایی می شود. مواضع تولید، معمولاً در مواضع مسطح و صاف، انتخاب می شوند و سپس نانوطرح تحت یک نیروی بالا ایجاد می شود.










شکل 2 - تصویر شماتیکی از سه روش لیتوگرافی بر پایه AFM ، تصاویر ردیف بالا و پایین به ترتیب تصاویر قبل و بعد از تولید می باشند و تصاویر ردیف وسط فرآیند تولید را نشان می دهد.

کاربرد نانولیتوگرافی بر پایه AFM در زمینه نانوالکترونیک و نانوبیوتکنولوژی بسیار نوید بخش است. کارهای اولیه به صورت موفقیت آمیزی در زمینه تولید نانوطرح های بیوسیستم مانند پروتئین ها و DNA صورت گرفته است .

ایجاد خراش و نانوشیار:
از AFM برای خارج کردن مواد در مقیاس نانو با استفاده از ابزارهای مکانیکی و شیمیایی نیز استفاده می شود. در حالت اول (مکانیکی)، ماده به صورت مستقیم با ایجاد خراش یا شیار توسط سوزن کنده می شود. در حالت دوم، ماده با استفاده از اچ الکتروشیمیایی القایی سوزن خارج می شود. در حالت مکانیکی، با اعمال میزان نسبتاً بالایی از نیرو به سوزن یا با کنترل انحنای کانتیلور در طی روبش، سوزن AFM قادر به ایجاد خراش بر روی سطوحی با سختی های متفاوت مانند فلزات، اکسیدها و نیمه هادی ها می باشد که در نهایت شیارهایی با پهنا و عمق چند نانومتر بر روی سطح تولید می شود .









شکل 3 - تصویر AFM از یک نانوخراش


یکی از محدودیت های اصلی در روش مکانیکی مستقیم، عمق کم شیارهای ایجاد شده می باشد، زیرا نیروهای اعمال شده به سوزن، به علت امکان آسیب سوزن یا کاهش عمر آن، نمی تواند زیاد باشد .

نانو پیوند :
تکنیک نانوپیوند اولین بار در سال 1997 توسط گروه Liu توسعه داده شد. در این گزارش، محققان AFM را با شیمی سطح جذب تیول بر روی سطوح طلا، ترکیب کردند. در این روش با یک تصویرسازی تحت نیروی کم از یک تک لایه خودسامان دهنده (SAM) آلکن تیول در محیطی مایع حاوی نوع دیگری از تیول شروع می-شود. با افزایش نیروی اعمالی در طی روبش، مولکول¬های تیول زمینه توسط سوزن جدا شده و به حلال منتقل می شوند.

مولکول های تیول موجود در محلول نیز سریعاً توسط سطح تازه بی حفاظ طلا جذب می شوند که روبش سوزن AFM را برای ایجاد طرح نانوساختار مطلوب دنبال می کنند. نانوطرح ایجاد شده می تواند به صورت درجا با همان سوزن AFM البته با نیروی کاهش پیدا کرده، بررسی شود .

جنبه های منحصر به فردی، نانوپیوند را تبدیل به یک ابزار جدید و قدرتمند در شیمی فیزیک سطح نموده است. نانوپیوند می تواند در محیط های شیمیایی متنوع کار کند که آن را قادر می سازد تا با وضوح تصویر مولکولی و به صورت مستقیم واکنش های سطح را دنبال کرده و همزمان آن را مانیتور کند. در نتیجه یک روش مستعد برای کشف مکانیسم ها، سینیتیک (سرعت) و محصولات واکنش می باشد. همچنین نانوپیوند امکان تولید نانوساختارهایی با استفاده از مواد کاربردی در علم مواد را فراهم می کند. امکان ایجاد طرح های نانوساختار سه بعدی و انتقال طرح توسط واکنش سطح بیشتر، با استفاده از این روش نیز وجود دارد.

نانوقلم خواننده و نگارنده :

پس از ابداع نانوپیوند، پیشرفت هایی در این زمینه مورد تحقیق قرار گرفت. نانوقلم ها به عنوان خواننده و نگارنده امکان ایجاد نانوپیوند را در شرایط محیطی یا خنثی فراهم کردند. در تکنیک نانوقلم خواننده/نگارنده، ابتدا واکنش دهنده های مطلوب بر روی پروب AFM قرار می گیرند (به صورت پوشش). سپس پروب تحت نیروی کم تصویربرداری کرده و بعد از آن تحت نیروی زیاد، ماده مطلوب را بر روی سطح ماده، جایگزین مولکول های ماده مقاوم می کند.

مانند سایر روش های لیتوگرافی پروب روبشی مانند لیتوگرافی بر پایه STM و روش نانوپیوند، NPRW نیز مزایای زیادی برای استفاده در صنعت علم مواد و نانوتکنولوژی دارد. به عنوان مثال، وضوح تصویر سه بعدی این روش بالاست. بنابراین تولید و تعیین خصوصیات ساختارهای کوچکتر از 100 نانومتر امکان پذیر است. نانوساختارها همزمان با تولید، با وضوح تصویر بالایی آنالیز نیز می شوند.

نرم افزارها و دیجیتالی نمودن، به صورت چشمگیری سبب بهبود اتوماته شدن نانولیتوگرافی برای تولید محصولاتی با بازده بالا و آرایه ها و نانوساختارهای پیچیده شده است. ترکیبات متفاوتی نیز با تغییر محلول یا پوشش سوزن قابل تولید هستند. نهایتاً امکان تغییر یا اصلاح طرح به صورت همزمان بدون نیاز به تغییر ماسک یا تکرار فرآیند تولید، امکان پذیر است.

میکروسکوپ های پروب روبشی همچون STM و AFM ابزار بسیار مناسبی برای دستکاری و لیتوگرافی در مقیاس نانو می باشند. با استفاده از کنترل جریان تونل زنی و فاصله جدایش سوزن و نمونه در STM، می توان پیوندهای سطحی را به صورت موضعی ضعیف یا حذف نموده و طرح مورد نظر را بر روی ماده مقاوم ایجاد نمود. در مورد AFM، با تغییر نیروی سوزن و محیط روبش، می توان حالت های مختلفی را

ایجاد نمود که بر طبق آن طرح های متفاوتی نیز قابل دستیابی است. از جمله آنها می توان به خراش هایی در ابعاد نانو، جابجایی مولکول های سطحی با مولکول های مورد نظر و نگاشتن بر روی سطح اشاره نمود. از مزایای این روش ها می توان به وضوح تصویر بسیار بالای طرح های تولیدی، امکان ایجاد طرح های دو بعدی و سه بعدی با دقت ابعادی بسیار بالا، امکان بررسی و آنالیز سطح همزمان با فرآیند تولید و امکان تولید ساختارهای پیچیده با ترکیبات متفاوت اشاره کرد.






 
آخرین ویرایش:

ghxzy

کاربر فعال تالار اسلام و قرآن ,
کاربر ممتاز
الیاژسازی مکانیکی

الیاژسازی مکانیکی

معرفی آلیاژسازی مکانیکی به عنوان روشی موثر برای فرآوری نانو مواد
آلیاژسازی مکانیکی روشی متداول جهت ساخت گستره وسیعی از نانوذرات است. از جمله مزایای این روش می‌توان به سهولت فرآیند تولید، همراه با تعداد مراحل عملیاتی کم، عدم استفاده از مواد پایدار کننده و حلال‌های گرانقیمت، امکان تولید مقدار زیاد محصول و رعایت مسائل زیست محیطی اشاره نمود. این ویژگی‌ها باعث شده تا آلیاژسازی به عنوان روشی ممتاز مورد توجه قرار گیرد.

تحقیقات و مطالعات علم مواد همواره جهت تولید محصولات با خواص و کارآیی مطلوبتر مواد، در حال انجام است. به همین دلیل است که تقاضای روزافزون، جهت دستیابی به مواد سبک‌تر، مستحکم‌تر، سخت‌تر و دارای خواص ویژه در دمای بالاتر؛ منجر به ارائه و طراحی موادی با قابلیت‌های ویژه شده است. در این بین فرآیند آلیاژسازی مکانیکی، که یکی از روش‌های تولید مواد پیشرفته می‌باشد، توجه تعداد زیادی از محققین را به خود جلب نموده است.
آلیاژسازی مکانیکی یکی از روش‌های فرآوری پودری است که امکان تولید مواد همگن از مخلوط پودری اولیه را فراهم می‌کند. در سال 1966 جان بنجامین (John Benjamin) و همکارانش در آزمایشگاه تحقیقاتی پائول دی مریکا (Paul D.Merica) در کمپانی بین المللی نیکل (INCO= International Nickel Company) این فرآیند را معرفی نمودند. این روش نتیجه تحقیقات طولانی مدتی بود که به منظور تولید سوپر آلیاژ پایه نیکل مورد استفاده در توربین گازی انجام می‌گرفت.

عملیات آسیاب کاری به عنوان فرآیند مقدماتی آلیاژسازی مکانیکی به شکستن و خردایش مواد درشت به ابعاد ریز اطلاق می‌شود.
بیش از چهار دهه است که از آسیای گلوله‌ای به عنوان روشی استاندارد به منظور کاهش ابعاد ذرات در زمینه‌های کانه‌آرایی و متالورژی پودر استفاده ‌شده است. این در حالی است که امروزه از روش آسیابکاری جهت اهداف مهم‌تری یعنی تهیه مواد با خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب‌تر و در واقع مواد جدید مهندسی استفاده می‌شود. بر همین اساس عبارت آلیاژسازی مکانیکی روز به روز در متالورژی و علم مواد رایج‌تر شده است.
به طور کلی آلیاژسازی مکانیکی نوعی فرآیند آسیاکاری است که در آن مخلوط پودری تحت تاثیر برخوردهای پرانرژی بین اجزای آسیا (گلوله‌ها و محفظه) قرار می‌گیرد.

این فرآیند به طور معمول در اتمسفر خنثی انجام شده و برای تهیه پودرهای فلزی و سرامیکی در حالت جامد استفاده می‌شود. جوش سرد و شکست دو پدیده عمده در آلیاژسازی مکانیکی هستند. فرآیند آلیاژسازی تنها تا زمانی ادامه می‌یابد که نرخ جوش خوردن با شکست در تعادل باشد. از آنجا که این فرآیند در حالت جامد انجام می‌شود، امکان تولید آلیاژهای جدید از مخلوط مواد اولیه با نقطه ذوب پایین و بالا را فراهم نموده است. هر چند که معمولا مواد اولیه مورد استفاده در آلیاژسازی مکانیکی بایستی حداقل دارای یک جزء فلزی نرم به عنوان زمینه و یا عامل پیوند دهنده سایر اجزاء با یکدیگر باشد، اما بسیاری از بررسی‌ها نشان داده است که قابلیت تشکیل محلول جامد از فلزات ترد و همچنین ترکیبات بین‌فلزی و آلیاژهای غیر بلوری با آلیاژسازی مکانیکی وجود دارد.

تاریخچه فرآیند آلیاژسازی مکانیکی
شاید بتوان ادعا نمود که منشاء تاریخی استفاده از عملیات مکانیکی به برخی از اثرات بسیار ساده آن در کشف آتش توسط انسان‌های ماقبل تاریخ به کمک اصطکاک و تسهیل انحلال نمک به وسیله ساییدن برمی‌گردد. کری لی (Carey Lea ) در سال‌های 1882 تا 1884 طی مقالاتی که ارائه کرد، نشان داد که میزان تفکیک و تصعید هالیدهای طلا، نقره، پلاتین و جیوه تحت شرایط حرارتی و سایش در هاون متفاوت است. بر اساس نظرات او این تجزیه به سبب افزایش دما نبوده است، زیرا این ترکیبات از پایداری حرارتی بالایی برخوردار هستند. این مطالعه، مکانوشیمی را به عنوان موضوعی متمایز برگزید و نشان داد که گرم شدن موضعی تنها مکانیزم ممکن برای شروع تغییرات شیمیایی به وسیله عملیات مکانیکی نیست. از آن پس اثرات شیمیایی عملیات مکانیکی روی تعداد زیادی از سیستم‌ها بررسی و عبارت مکانوشیمی توسط استوالد (Ostwald ) در سال 1887 ارائه شد.

در سال 1971 تعریف دیگری نیز توسط بنجامین به صورت زیر ارائه شد:
مکانوشیمی علمی مبتنی بر تسریع و آغاز واکنش‌ها در گازها، مایعات و جامدات بر اثر انرژی پلاستیکی است. در همین راستا هینایک (Heinicke) در سال 1984 نشان داد بسیاری از واکنش‌ها که از نظر ترمودینامیک تعادلی امکان‌پذیر نیستند، با تاثیرگذاری انرژی مکانیکی انجام می‌شوند.

هم اکنون نیز تعریف ارائه شده توسط هینایک در سال 1984 به طور گسترده پذیرفته شده است. یعنی مکانوشیمی شاخه‌ای از شیمی است که با استحاله‌های شیمیایی و فیزیکی ـ شیمیایی مواد، ناشی از اثر انرژی مکانیکی مرتبط است.

هر چند که آلیاژسازی مکانیکی را می‌توان به عنوان زیرمجموعه‌ای از مکانوشیمی در نظر گرفت، اما در ابتدای معرفی این فرآیند، تغییرات شیمیایی مدنظر نبوده و تنها هدف آسیاکاری پراکنده نمودن ذرات ریز اکسیدی در زمینه نیکل بوده است.
از لحاظ تاریخی نقاط عطف و پیشرفت فرآیند آلیاژسازی مکانیکی به صورت خلاصه در جدول 1 آورده شده است.




جدول 1- نقاط عطف مهم در پیشرفت و گسترش آلیاژسازی مکانیکی.



در اوایل دهه 1960، کمپانی بین المللی نیکل فرآیندی را به منظور تولید آلیاژهای آلومینیوم ـ گرافیت به روش تزریق ذرات نیکل پوشش داده شده با گرافیت، به درون حمام مذاب آلومینیوم با دمش گاز آرگون طراحی نمود. به دنبال آن فرآیند اصلاح شده مشابه‌ای به منظور تهیه آلیاژهای پایه نیکل با ذرات اکسید دیرگداز پوشش داده شده با نیکل مورد استفاده قرار گرفت. در این روش هدف از پوشش‌دهی با نیکل نیز افزایش ترشوندگی ذرات اکسیدی با آلیاژ نیکل ـ کروم بود. این موضوع به این دلیل بود که ذرات اکسیدی به طور معمول ترشوندگی مناسبی ندارند. در مطالعات اولیه از ذرات اکسید زیرکونیم پوشش داده شده استفاده شدکه نتیجه مطلوبی حاصل نشد. زیرا بر اساس آنالیز‌های صورت گرفته مشخص شد که به جای اکسید زیرکونیم پوشش داده شده با نیکل، پودر نیکل پوشش داده شده با اکسید زیرکونیم ایجاد شده است. پس از آنکه تلاش‌های متعدد صورت گرفته به منظور دست‌یابی به نتیجه مورد نظر، مفید واقع نشد، از آسیاب‌کاری استفاده شد. کاربرد اصلی این فرآیند در آن زمان پوشش‌دهی اکسیدها با فلزات بوده است. این عمل با فرآیندهای معمول شیمیایی به علت واکنش‌پذیری بالای ذرات ممکن نبود. تا اواسط سال 1966 از فرآیند آسیاکاری تنها به منظور پوشش‌دهی پودرهای فلزی تهیه شده به روش مرسوم متالورژی پودر و افزایش ترشوندگی آنها در تهیه آلیاژها استفاده می‌شد.
تا اینکه در سال 1970، بنجامین فرآیندی را با استفاده از آسیای گلوله‌ای معرفی نمود که با کمک آن آلیاژهای پراکنده سختی با ذرات اکسیدی (ODS= Oxide Dispersion Strengthened) برای کاربردهای دما بالا مانند قطعات موتور جت تهیه شدند. این روش منحصر به فرد قابلیت تولید سوپر آلیاژهای پایه نیکل را با پراکندگی یکنواخت از ذرات ریز ThO[SUB]2[/SUB]، Y[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] و Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] داشت. شایان ذکر است که این مواد با روش‌های معمول متالورژی پودر قابل تولید نبودند. طی دهه 1970 اغلب تحقیقات در ارتباط با ماهیت و مکانیزم آلیاژسازی مکانیکی و طراحی تجهیزات ویژه برای انجام فرآیند صورت گرفت. در آن زمان آلیاژسازی مکانیکی به عنوان فرآیندی جهت تهیه برخی از آلیاژهای ODS شناخته می‌شد.

به دنبال این موفقیت، کارهای زیادی به منظور تولید آلیاژ نیکل ـ کروم ـ آلومینیوم ـ تیتانیم حاوی ذرات پراکنده ThO[SUB]2[/SUB] صورت گرفت. این فرآیند ابتدا در آسیای گلوله‌ای ارتعاشی انجام شد و در ادامه استفاده از آسیای گلوله‌ای سایشی به عنوان سرآغاز فرآیند آلیاژسازی مکانیکی برای تولید آلیاژهای ODS در مقیاس صنعتی محسوب مرسوم شد. از این فرآیند در ابتدا به عنوان آسیاکاری ـ اختلاط (Milling-Mixing) یاد می‌‌شد، اما پس از آن توسط ایوان سی مک‌کوئین (Ewan C. MacQueen) به عنوان آلیاژسازی مکانیکی نام‌گذاری تا به امروز نیز به همین نام شناخته می‌شود.

زمینه‌های کاربردی فرآیند آلیاژسازی مکانیکی
در یک تقسیم‌بندی کلی می‌توان کاربرد آلیاژسازی مکانیکی را به صورت شکل1 دسته‌بندی نمود.






شکل 1- شماتیکی از گستردگی مواد پیشرفته تهیه شده به روش آلیاژسازی مکانیکی.



همان‌طور که در این شکل نیز ملاحظه می‌شود تولید آلیاژهای ODS مهمترین کاربرد این روش محسوب می‌شود. این دسته از آلیاژها شامل آلیاژهای پایه تیتانیم و سوپر آلیاژهای پایه نیکل است. همچنین به سبب مصرف ترکیبات بین‌فلزی در کاربردهای دما بالا، تحقیقات زیادی روی تولید آنها با آلیاژسازی مکانیکی صورت گرفته است. به عنوان مثال تشکیل ترکیبات بین‌فلزی در سیستم Ni-Al و Ti-Al به طور بسیار گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است.

از جمله سایر کاربردهای مهم این روش تهیه آلیاژهای جدیدی است که بر اساس دیاگرام تعادلی در یکدیگر انحلال‌ناپذیر بوده و با سایر روش‌ها مانند انجماد سریع قابل تولید نیستند. همچنین با توجه به انجام کامل فرآیند در حالت جامد، محدودیت‌های موجود در دیاگرام‌های فازی در این روش وجود ندارد. البته با توجه به سیستم مورد استفاده، همه آلیاژها با روش آلیاژسازی مکانیکی قابل تهیه نیستند. به عنوان مثال با آسیاکاری Fe و Nd هیچ اتفاقی از نظر آلیاژسازی روی نمی‌دهد. همچنین با آسیاکاری Al و Fe با مقدار کم Fe ترکیب بین‌فلزی جدیدی تشکیل نشده و Fe به طور یکنواخت در زمینه Al توزیع می‌شود. یعنی برای تهیه ترکیب بین‌فلزی Al-Fe نیاز به عملیات حرارتی پودر پس از آلیاژسازی مکانیکی است.

تهیه مواد با ساختار نانومتری از جمله مهم‌ترین کاربردهای فرآیند آسیاکاری و آلیاژسازی مکانیکی محسوب می‌شوند. در حال حاضر تحقیقات و مطالعات بسیار زیادی در ارتباط با صنعتی کردن این شاخه از فرآیند آلیاژسازی مکانیکی در جریان است. شاید نتوان این جنبه کاربردی را تحت مجموعه‌ای جداگانه مجزا نمود، زیرا ممکن است هر یک از کاربردهای ذکر شده در بالا در این حیطه قرار گیرند. این مطلب بیانگر گستردگی و اهمیت نانوتکنولوژی در کاربردهای فرآیند آلیاژسازی مکانیکی به منظور فرآوری مواد نوین و پیشرفته است. به طور کلی به سبب تغییر شکل پلاستیکی شدید انجام شده روی ذرات پودر حین آلیاژسازی مکانیکی بلورها به شدت کرنش‌دار شده و با ادامه آسیاب‌کاری در نهایت ذرات پودر به دانه‌های فرعی (Sub-Grains) با ابعاد نانومتری تبدیل می‌شوند. در مقایسه با پودرهای نانوبلوری تهیه شده با روش‌های معمول، هرگاه این ذرات پودر به روش‌های گرم فشرده شوند، ساختار نهایی قطعه حاوی دانه‌های نانومتری تقریبا عاری از نابجایی‌ها است. به عبارت دیگر نواحی نانوبلور در پودرهای تهیه شده به روش آلیاژسازی مکانیکی توسط مرزهای با دانسیته زیاد نابجایی‌ها جدا شده‌اند و خواص نهایی نانوپودرهای تهیه شده با آلیاژسازی مکانیکی نسبت به نانوپودرهای به دست آمده از روش‌های معمول متفاوت است. زیرا با توجه به اینکه تقریبا 50 درصد اتم‌ها در مرزدانه‌ها واقع شده‌اند، تغییرات زیاد خواص مکانیکی و فیزیکی را به دنبال دارد.
در این راستا مواد نانوبلوری متعددی نظیر عناصر Fe، Cr، Nb، W، Co، Zr، Hf، Ru، Al، Cu، Pd، Ni، Rh و Ir همچنین ترکیباتی با ساختار نانومتری مانند CsCl، NiTi، CuEr، SiRu، AlRu و MoSi[SUB]2[/SUB] به روش آلیاژسازی مکانیکی تهیه شده‌اند.

علاوه بر این تولید نانوپودر در سیستم‌های دوتایی Al-Fe، Ag-Fe، Ni-Al، Ti-Mg، Al-Ti، W-Fe و بسیاری از سیستم‌های دیگر نیز گزارش شده است.

تهیه مواد سخت مانند نیتریدها، کاربیدها، بوریدها و اکسیدها از دیگر زمینه‌های تحقیقاتی فرآیند آلیاژسازی مکانیکی است. مثلا بوریدهای تیتانیم (TiB[SUB]2[/SUB] و TiB)، کاربیدهای تیتانیم و SiC از نمونه‌های مورد بررسی در این زمینه هستند.

از آنجا که نیتریدهای فلزی و شبه‌فلزی دارای سختی زیاد، پایداری در دمای بالا، هدایت حرارتی بالا و مقاومت به خوردگی بالایی هستند، از جمله مواد مهم قابل تولید به روش آلیاژسازی مکانیکی محسوب می‌شوند.

به عنوان مثال می‌توان به TiN، Mg[SUB]3[/SUB]N[SUB]2[/SUB]، Cu[SUB]3[/SUB]N، Si[SUB]3[/SUB]N[SUB]4[/SUB]، Mo[SUB]2[/SUB]N،BN، VN، ZrN و WN اشاره نمود.

این مواد به سادگی با آسیاکاری فلز مناسب در اتمسفر نیتروژن یا آمونیاک قابل تولید هستند.
همچنین این روش در زمینه مکانوشیمی برای احیای برخی از اکسیدها به کمک آسیاکاری پودرهای اکسیدی با عامل احیا کننده در دمای اتاق به کار گرفته می‌شود. در حقیقت، این روش به عنوان روشی منحصر به فرد برای انجام واکنش‌ها در حالت جامد بین سطوح تازه ذرات مواد واکنش دهنده در دمای محیط محسوب می‌گردد، لذا روشی مناسب برای تهیه آلیاژها و ترکیباتی است که دست‌یابی به آنها از روش‌های معمول ذوب و ریخته‌گری غیر ممکن است.

آسیاب‌های مکانیکی

آسیابکاری از روش‌های قدیمی و متداول برای تهیه پودر است که قابلیت استفاده در عملیات آلیاژسازی مکانیکی را نیز دارد. ابزار مورد استفاده در این روش معمولا آسیاب‌های گلوله‌ای هستند. به طور کلی انواع مختلفی از آسیاب‌ها وجود دارند، که از لحاظ ظرفیت، بازدهی و تجهیزات اضافی جهت گرم و سرد کردن با یکدیگر تفاوت دارند. در فرایند تولید مواد با استفاده از این روش، خواص و کیفیت کار، ارتباط مستقیمی با تجهیزات و شرایط آسیاب‌کاری دارد. بنابراین انتخاب نوع آسیاب و آگاهی از ویژگی‌های مربوط به آن از اولین مراحل یک فرآیند آسیاب‌کاری محسوب می‌گردد. این موضوع بیانگر اهمیت مطالعه و شناسایی انواع آسیاب‌ های موجود و قابلیت‌های آنها در فرآوری مواد می‌باشد.

یکی از مهمترین روش‌های فراوری مواد پودری روش آسیاب‌کاری می‌باشد، که کاربردهای فراوانی نیز در صنایع مختلف پیدا کرده است. با استفاده از این دستگاه‌ها می‌توان علاوه بر آسیابکاری فرآیندهای دیگر نظیر آلیاژسازی مکانیکی را نیز انجام داد. در این مقاله روش‌های مختلف آسیابکاری و مزایا، محدودیت ‌ها و کاربردهای آن‌ها بررسی خواهد شد.

آسیاب گلوله‌ای- ارتعاشی (Vibratory Ball Mill)
یکی از انواع آسیاب‌های پرانرژی، آسیاب گلوله‌ای ـ ارتعاشی است. حجم محفظه در این نوع آسیاب بسیار کم (10 میلی‌لیتر) بوده و محتویات آن (پودر و گلوله) در سه جهت عمود بر هم با سرعت بسیار بالا، حدود rpm 1200، نوسان می‌کنند. شکل 2 به صورت شماتیک نحوه کار این نوع آسیا را نشان می‌دهد.





شکل 2- نحوه کار آسیاب گلوله‌ای ـ ارتعاشی و اجزای آن.


نوع دیگری از آسیاب‌های گلوله‌ای- ارتعاشی دارای یک محفظه از جنس فولاد زنگ‌نزن و یک گلوله فولادی سخت شده است. همچنین قسمت تحتانی این محفظه از جنس فولاد سخت شده است (شکل3).
از این نوع آسیاب بیشتر برای آلیاژسازی مکانیکی فلزات فعال مانند عناصر خاکی کمیاب استفاده می‌شود. جهت جلوگیری از آلودگی ذرات پودر با اتمسفر هوا از خلاء [SUP]6-[/SUP]10 تور استفاده می‌گردد.





شکل 3- شماتیک عملکرد آسیاب گلوله‌ای ـ ارتعاشی با یک گلوله.

آسیاب SPEX8000 معروف‌ترین آسیاب گلوله‌ای- ارتعاشی مورد استفاده در تحقیقات آزمایشگاهی است که به طور معمول ظرفیت تا 20 گرم پودر در هر دوره آسیاب‌کاری را دارد. این نوع آسیاب معمولا شامل یک محفظه حاوی نمونه و گلوله است که در یک گیره قرار ‌گرفته و این مجموعه تقریبا 100 بار در دقیقه به جلو و عقب حرکت می‌کند. همزمان با حرکت جلو و عقب این مجموعه، انتهای محفظه نیز دارای حرکت جانبی است. حرکت محفظه سبب برخورد ذرات پودر و گلوله‌ها شده و در نهایت آسیاب‌کاری و مخلوط شدن صورت می‌گیرد. به علت دامنه حرکتی در حدود 5 سانتی‌متر و سرعت چرخشی 1200 دور در دقیقه، سرعت خطی گلوله‌ها بالا (در حدود 5 متر بر ثانیه) و انرژی ناشی از برخورد گلوله‌ها بسیار زیاد است. بنابراین این نوع آسیاب در گروه آسیاب‌های پر انرژی قرار می‌گیرد.
در طراحی‌های جدید، به منظور افزایش ظرفیت این نوع آسیاب، به طور هم زمان از دو محفظه جهت آسیاب‌کاری پودر استفاده می‌شود. محفظه مورد استفاده در این آسیاب از جنس فولادهای سخت شده، اکسید آلومینیم، کاربید تنگستن، اکسید زیرکونیم، فولاد ضد زنگ، نیترید سیلیکون، پلاستیک، عقیق (Agate ) و متاکریلیت (Methacrylate ) است. در شکل 4 نمونه‌ای از آسیاب SPEX8000 و تجهیزات مربوط به آن نشان داده شده است.





شکل 4-a- آسیاب نوع SPEX8000 و b - محفظه کاربید تنگستن به همراه گلوله و واشر جهت آب‌بندی آن.


نشان داده شده است که آسیاب‌کاری با آسیاب SPEX8000 به مدت 20 دقیقه معادل با 20 ساعت آسیاب‌کاری در یک آسیاب کم انرژی است. در نتیجه فرآیندی که در آسیاب SPEX8000 چند دقیقه به طول می‌انجامد در آسیاب ساینده چند ساعت و در آسیاب صنعتی افقی چندین روز به طول می‌انجامد.

آسیاب‌های ساینده (Attritor Ball Mill)

آسیاب ساینده در سال 1922 به منظور دست‌یابی به توزیع همگن از گوگرد برای پخت لاستیک طراحی شد. این نوع آسیاب در شکل 5نشان داده شده است.


شکل 5- آسیاب ساینده به همراه بخش‌های مختلف آن a- شماتیک b- نمونه واقعی.

همان‌طور که در شکل 5 دیده می‌شود، این آسیاب شامل یک محفظه و همزن است. همزن عمودی که تعدادی پره به آن متصل شده است، دارای حرکت دورانی است.

حرکت پره‌ها انرژی لازم را به گلوله‌ها داده و کاهش اندازه ذرات پودر در اثر برخورد بین گلوله‌ها، گلوله و جداره محفظه، محور مرکزی و پره‌ها با گلوله‌ها رخ می‌دهد. سرعت دوران محور مرکزی این آسیاب حدود 250 دور بر دقیقه (4.2 هرتز) است که در برخی موارد سرعت دوران به حدود 500 دور در دقیقه نیز می‌رسد. ظرفیت این نوع آسیاب بین 0.5 تا 40 کیلوگرم و برای فرآوری محدوده وسیعی از مواد از جمله ترکیبات بین‌فلزی، سرامیک‌ها، مواد غیر بلوری و کامپوزیت‌ها کاربرد دارد. جنس محفظه این نوع آسیاب معمولا از فولاد زنگ‌ نزن یا فولاد زنگ‌زنی است که با آلومینا، کاربید سیلیکون، نیترید سیلیکون، زیرکونیا، لاستیک و پلی اورتان پوشش داده شده است. با استفاده از پمپ خلاء و یا وارد کردن جریان مداوم گاز آرگون مقدار آلودگی ناشی از اکسیژن در این نوع آسیاب‌ها کاهش می‌یابد. در ضمن با استفاده از محفظه‌های دو جداره و گردش آب در پوسته خارجی دمای محفظه نیز قابل کنترل است. حداکثر افزایش دما در این آسیاب‌ها در حدود 100 تا 200 درجه سانتی‌گراد است.

نوع دیگری از آسیاب‌های ساینده به صورت افقی طراحی شده‌اند. یک نمونه از این نوع آسیاب در شکل 6 نشان داده شده است. از مزایای این نوع آسیاب می‌توان به حذف منطقه مرده به دلیل نیروی جاذبه، انرژی بالای برخورد و امکان کنترل محیط آسیاب اشاره نمود.



شکل 6- a- شماتیکی از آسیاب ساینده افقی b- شکل واقعی آسیاب ساینده افقی.


آسیاب افقی غلتان (Tumbler Horizontal Mill)
آسیای افقی گلوله‌ای غلتان (Tumbler Horizontal Ball Mill)

در این نوع آسیاب از گلوله‌های فولادی و یا کاربید تنگستن به عنوان اجزای ساینده استفاده می‌شود. ظرفیت این آسیاب‌ها به عوامل مختلفی نظیر نسبت طول به قطر آسیاب، سرعت چرخش آسیاب، اندازه گلوله‌ها و اندازه ذرات بستگی دارد. علی‌رغم اینکه استفاده از این نوع آسیاب‌های کم انرژی مدت زمان آسیاب‌کاری را طولانی می‌کند، اما پودر تهیه شده در این روش از همگنی‌ و یکنواختی بیشتری برخوردار است. علاوه بر این استفاده از این نوع آسیاب نیازمند هزینه کم‌تر، راه ‌اندازی ساده‌تر و هزینه نگهداری کم‌تر می‌باشد.

در این نوع آسیاب پس از قرارگیری پودر و گلوله‌‌ در یک محفظه‌ استوانه‌ای شکل، محفظه حول محور مرکزی خود دوران می‌کند. معمولا قطر محفظه بیشتر از 1 متر است. هم زمان با دوران محفظه، گلوله‌ها به ذرات پودر برخورد کرده و آنها را خرد می‌کنند. با افزایش سرعت دوران نرخ آسیاب‌کاری هم افزایش می‌یابد. اما در سرعت‌های بالا نیروی گریز از مرکز وارده برگلوله‌ها بر نیروی وزن آنها غلبه کرده و لذا گلوله‌ها به جداره محفظه ‌چسبیده و فرآیند آسیابکاری متوقف می‌شود. شماتیک عملکرد این آسیا و نمونه صنعتی آن در شکل7 نشان داده شده است.





شکل7-a- شماتیک عملکرد آسیاب افقی گلوله‌ای غلتان b- نمونه‌ای از این نوع آسیاب در ابعاد صنعتی.


این نوع آسیاب برای آلیاژسازی حجم زیادی از پودر به کار می‌رود. بنابراین برای آسیاب‌کاری در مقیاس آزمایشگاهی مناسب نیست. آسیاب‌های صنعتی مورد استفاده در آلیاژسازی مکانیکی از لحاظ اندازه بسیار بزرگ بوده و در هر نوبت کاری صدها کیلوگرم پودر را آسیاب می‌کنند (شکل 7-b). ظرفیت این نوع آسیاب بالا و در حدود1250 کیلوگرم است.

از اصلاحات صورت گرفته روی این نوع آسیاب، استفاده از میدان‌های مغناطیسی جهت کنترل حرکت گلوله‌ها می‌باشد.

این مورد در شکل 8 به صورت شماتیک نشان داده شده است. بسته به فاصله آهن‌رباها و گلوله‌ها، انرژی ضربه ناشی از برخورد قابل کنترل بوده و برای هر نوع ماده یک انرژی مشخص انتخاب می‌شود. در این صورت با یک میدان مغناطیسی تنظیم شده جرم موثر گلوله‌ها، تا حدود 80 برابر افزایش می‌یابد. بر اساس موقعیت آهنرباها، بزرگی میدان مغناطیسی و در نتیجه میزان انرژی منتقل شده به ذرات پودر تغییر می‌کند. مطابق شکل، انرژی اصطکاکی توسط تغییر شدت میدان آهنربای M1 عوض می‌شود. در حالی که آهنربای M2 جهت افزایش انرژی جنبشی گلوله‌ها به کار می‌رود. حالت پر انرژی برای آسیاب با انتخاب مکان مناسب این آهنرباها حاصل می‌شود. برای ایجاد حالت کم انرژی موقعیت M3 مناسب است.




شکل 8- طراحی جدید اعمال شده روی آسیاب افقی و محل قرارگیری آهنربا‌ها در آسیاب افقی.


به دلیل سرعت پایین این نوع آسیاب، گرمای ناچیزی حین آسیاب‌کاری تولید می‌شود. این مساله در آلیاژسازی مواد غیربلوری و واکنش‌های با گرمازایی بالا دارای اهمیت است. علاوه بر این سرعت پایین اجزا، امکان کنترل فشار (از خلاء تا فشار 500KPa ) و دما (از دمای محیط تا 473 کلوین) را فراهم می‌کند.

آسیابی میله‌ای غلتان (Tumbler Rod Mill)

بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهد که معمولا پودر تهیه شده با آلیاژسازی مکانیکی به وسیله آهن آلوده می‌شود. در سال 1990 الاسکندرانی (El-Eskandarany ) و همکارانش از آسیابی شامل استوانه‌ای از جنس فولاد زنگ‌نزن 304 و10 میله از همین جنس برای آسیاب‌کاری استفاده کردند. به منظور جلوگیری از گیرکردن کردن میله‌ها به یکدیگر، در استوانه‌ای با طول 250 میلی‌متر، از میله‌هایی به طول 200 میلی‌متر و قطر 120 میلی‌متر استفاده شد.


آسیاب سیاره‌ای (Planetary Mill)
یکی دیگر از آسیاب‌های مورد استفاده در فرآیند آلیاژسازی مکانیکی، آسیاب سیاره‌ای است که در آن تنها چند صد گرم پودر در یک مرحله آسیاب می‌شود و برای تحقیقات آزمایشگاهی مناسب است. حجم محفظه این نوع آسیاب بین 45 تا 500 میلی‌لیتر است. در شکل 9-a نمونه‌ای از این نوع آسیاب نشان داده شده است. این آسیاب شامل یک صفحه دوار به همراه چهار، دو و یا یک محفظه است.
در این آسیاب صفحه دوار در یک جهت ‌چرخیده و محفظه بر اساس مکانیزمی در جهت خلاف حرکت صفحه دوار، حرکت دورانی انجام می‌دهد. چرخش محفظه و صفحه دوار به دور یک محور، باعث ایجاد نیروی گریز از مرکز می‌شود که بزرگی این نیرو می‌تواند تا 20 برابر شتاب جاذبه زمین برسد. شماتیک حرکت گلوله‌ها و ذرات پودر در اثر اعمال این نیروی گریز از مرکز در شکل 9-b نشان داده شده است. بر اساس این شکل گلوله و پودر به صورت متناوب روی دیواره داخلی غلتیده و ساییده می‌شوند. سپس با سرعت زیادی (حدود rpm 250) از جداره محفظه جدا و مجددا به جداره روبرویی برخورد می‌کنند. در این حالت ذرات پودر تحت انرژی ضربه بالا به صورت مداوم جوش ‌خورده و می‌شکنند.




شکل 9-a- یک نمونه از آسیاب سیاره‌ای مجهز به چهار محفظه b- شماتیک عملکرد و نحوه حرکت اجزای آسیاب.


مزیت این نوع آسیابی گلوله‌ای تنها انرژی ضربه بالا نیست، بلکه فرکانس بالای ضربه است که می‌تواند زمان فرآیند آلیاژسازی مکانیکی را کاهش دهد. باید توجه داشت که ضربات با فرکانس بالا می‌تواند باعث افزایش دمای محفظه تا دمای 393 درجه کلوین طی مدت زمان 30 تا 60 دقیقه شود.
لازم به ذکر است که در بعضی موارد دمای بالا جهت انجام واکنش ضروری است. در آسیای سیاره‌ای سرعت خطی گلوله‌ها بیشتر از آسیابهای SPEX8000 است، اما به علت بالاتر بودن فرکانس برخورد در آسیابی SPEX8000، آسیابی سیاره‌ای انرژی کم‌تری تولید می‌کند. همچنین انرژی ضربه گلوله‌های آسیاب با تغییر سرعت گردش صفحه دوار، تغییر می‌کند.

از مواد مختلفی برای تهیه محفظه آسیاب استفاده می‌شود که معمول‌ترین آنها فولاد کروم سخت شده، فولاد زنگ نزن، کاربید تنگستن و محفظه‌های سرامیکی از جنس کوراندوم، نیترید سیلیسیم و اکسید زیرکونیوم هستند. در آلیاژسازی مکانیکی با انرژی بالا محفظه‌های فولادی مناسب هستند، زیرا محفظه‌های سرامیکی به علت تردی باعث آلودگی ناشی از ایجاد تراشه‌های ریز یا ذرات شکسته شده با گلوله‌ها می‌شوند. به طور کلی در آلیاژسازی مکانیکی محفظه و گلوله‌ها از یک جنس انتخاب می‌شوند. در جدول 2 خواص سایشی، سختی و چگالی مواد انتخاب شده برای محفظه و گلوله به طور خلاصه آمده است.


جدول 2-خلاصه‌ای از خواص مواد مورد استفاده در تهیه محفظه و گلوله در آسیاب سیاره‌ای.




به علت آنکه انتخاب بهینه تعداد گلوله‌های قابل استفاده بر اساس حجم محفظه صورت می‌گیرد، در جدول 3 تعداد گلوله‌های پیشنهادی نسبت به حجم ظرف آورده شده است.

جدول 3- تعداد گلوله‌های پیشنهادی به ازای حجم محفظه آسیاب.



مقادیری که در جدول 3 به آنها اشاره شده است در واقع حداقل مقادیر هستند و بسته به خواص ماده تحت آسیاکاری امکان افزایش این مقادیر وجود دارد.

معمولا جنس گلوله و محفظه به صورت یکسان انتخاب می‌شود. برای افزایش انرژی ضربه بدون افزایش سرعت چرخش و کاهش مدت زمان آسیاکاری، استفاده از گلوله‌های بزرگ‌تر و یا با چگالی بالاتر پیشنهاد شده است. در این بین مواد اکسیدی کم‌ترین چگالی و کاربید تنگستن بیش‌ترین چگالی را دارند. از این‌رو، به ازای سرعت چرخش و اندازه گلوله یکسان، گلوله‌های اکسیدی کم‌ترین انرژی برخورد را تولید می‌کنند. به عنوان مثال می‌توان از گلوله کاربید تنگستن در محفظه‌ فولادی و یا گلوله اکسید زیرکونیم در محفظه نیترید سیلیسیم استفاده نمود. علاوه بر این میزان پر کردن محفظه نیز از جمله عوامل موثر بر راندمان آسیاکاری است. مقادیر توصیه شده بر اساس ظرفیت محفظه در جدول 4 ارائه شده است.



جدول 4- مقدار بهینه پر کردن محفظه آسیاب‌کاری.












مشکلات و چالش‌های موجود در آلیاژسازی مکانیکی

آلیاژسازی مکانیکی روشی مناسب به منظور تهیه پودرهای مختلف و به ویژه نانوپودرها محسوب می‌شود. مهم‌ترین مزیت این روش قابلیت تولید پودر در مقیاس صنعتی است. اما علی‌رغم مزایا و کاربردهای آن، این روش با مشکلاتی نیز همراه است. این مشکلات در سه مورد کلی آلودگی پودر، محدودیت‌های علمی و محدودیت‌های کاربردی خلاصه می‌شوند. در این بین آلودگی پودر به عنوان جدی‌ترین مشکل مطرح است. زیرا به علت تاثیرگذاری آلودگی بر خواص محصول پودری، فرآیندهای بعدی و حتی مشخصات محصول نهایی تحت تاثیر قرار می‌گیرند. در حقیقت مساله آلودگی پودر حین آلیاژسازی مکانیکی باعث شده تا تولید برخی از پودرها با این روش ممکن نباشد. از آنجا که ممکن است به سبب این آلودگی‌ها خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی محصول پودری تهیه شده تحت تاثیر قرار گیرد، ارائه راهکارهایی جهت کاهش این پدیده از اهمیت خاصی برخوردار است.
یکی از مسایل مهم در فرآیند تهیه پودر به روش آلیاژسازی مکانیکی، نوع و مقدار ناخالصی‌هایی است که وارد پودر شده و آن را آلوده می‌کنند. از یک طرف اندازه ریز ذرات پودر و بنابراین سطح زیاد آنها و از طرف دیگر تشکیل مداوم سطوح تازه حین آسیاکاری در کنار ناخالصی وارد شده منجر به آلودگی پودر می‌شوند. در مجموع منابع ورود آلودگی شامل ناخالصی موجود در ترکیب پودر اولیه، اجزای در معرض سایش آسیاب (جداره داخلی محفظه و گلوله‌ها)، اتمسفر آسیاکاری و عوامل کنترل‌کننده فرآیند هستند.

معمولا آلودگی ناشی از مواد اولیه به صورت عنصر جانشینی و یا بین‌نشینی است، این در حالی است که آلودگی وارد شده از آسیاب اساسا عنصر بین‌نشینی و آلودگی حاصل از اتمسفر آسیاب‌کاری عمدتا به صورت عنصر جانشینی است. این در حالی است که کربنی که از سایش اجزای فولادی وارد شده به صورت ناخالصی بین‌نشینی است. در نهایت ناخالصی‌های وارد شده از عوامل کنترل‌کننده فرآیند نیز منجر به آلودگی از نوع بین‌نشینی می‌شود. حضور ناخالصی‌هایی از نوع بین‌نشینی مانند کربن، اکسیژن و نیتروژن برای فلزات فعالی مانند تیتانیم و زیرکونیم مضر است. مثلا مقادیر قابل توجهی نیتروژن و اکسیژن (مقدار نیتروژن بیشتر از اکسیژن است) که حین آسیاب آلیاژهای تیتانیم و زیرکونیم وارد سیستم می‌شود، منجر به تغییر ترکیب آلیاژ می‌گردد. به طور کلی حداکثر مقدار ناخالصی مجاز بر اساس میکروساختار و خواص مکانیکی قابل قبول تعیین می‌شود. البته بایستی خاطر نشان شود که شستشوی نامناسب محفظه‌ای که قبلا برای آسیاب‌کاری پودر به کار برده شده است، باعث می‌شود تا حین آسیاب‌کاری پودر جدید، آلودگی ناشی از پودر اولیه حاصل گردد.

آلودگی ناشی از اجزای ساینده آسیاب
عناصر آهن و کروم از جمله آلودگی‌های رایج در پودر تهیه شده به روش آلیاژسازی مکانیکی هستند که از محفظه و گلوله‌ها به سیستم وارد می‌شوند. این موضوع بدین دلیل است که این عناصر در ترکیب شیمیایی اغلب این اجزا حضور دارند. در آلیاژسازی مکانیکی برخورد گلوله‌ها به ذرات پودر، دیواره محفظه و با یکدیگر، از یک طرف باعث جوش خوردن ذرات پودر به همدیگر شده و از طرف دیگر جوش ‌خوردن ذرات با گلوله‌ها و جداره را نیز در پی دارد. طی مراحل بعدی در اثر برخوردهای با انرژی بالا و فرسایش، ذرات جوش خورده از روی سطح گلوله و دیواره شکسته و جدا می‌شوند. تکرار این عمل با انتقال اتم‌های جزء آلوده‌کننده از اجزای آسیاب به ذرات پودر همراه است. به عنوان مثال بررسی پارامتر شبکه پودر آلیاژی Ni-Al طی آلیاژسازی مکانیکی نشان می‌دهد که پس از تشکیل ترکیب Ni[SUB]3[/SUB]Al تغییرات مداوم پارامتر شبکه هم‌زمان با طولانی شدن فرآیند، ناشی از آلودگی وارد شده از اجزای آسیا بوده و پس از 1200 دقیقه آسیاکاری این مساله حادتر می‌شود. آنالیز EDX ذرات پودر نشان می‌دهد که آلودگی‌ها عمدتا عناصر Fe و Cr بوده که از اجزای آسیا وارد سیستم شده‌اند. معمولا در اغلب پودرهای آسیا شده با محیط ساینده فولادی 1 تا 4 درصد وزنی Fe دیده شده است. حتی در جای دیگر گزارش شده که بیش از 20 درصد اتمی Fe در مخلوط W-C آسیا شده به مدت 310 ساعت و 33 درصد اتمی Fe در W خالص آسیا شده به مدت 50 ساعت در آسیای SPEX8000 وارد شده است. به نظر می‌رسد که آلودگی ناشی از این منبع به‌ خصوص در برخوردهای با شدت زیاد و زمان‌های طولانی آسیاکاری اجتناب‌ناپذیر است. روش‌هایی که معمولا برای کاهش این مساله به کار می‌روند عبارتند از:

1- از گلوله و محفظه با سختی بالاتر استفاده شود.
مثلا علت وجود مقادیر زیاد آهن در پودر حاوی تنگستن، نرم‌تر بودن محفظه و گلوله‌های فولادی نسبت به تنگستن می‌باشد. به عنوان راه‌حل، استفاده از گلوله‌ و محفظه با جنس کاربید تنگستن و یا کوراندوم پیشنهاد شده است. البته از آنجا که اجزای سرامیکی عموما رفتار ضعیفی در برابر ضربه از خود نشان می‌دهند، کاربرد آنها بایستی با شدت آسیاکاری کم‌تر همراه باشد.

2- گلوله و محفظه از ترکیب‌ شیمیایی مشابه با مخلوط پودری مورد بررسی انتخاب شوند.
مثلا پیشنهاد شده که برای آسیاکاری مس و آلیاژهای آن از محفظه و گلوله‌های مسی استفاده گردد. علی‌رغم اینکه در این حالت آلودگی وجود ندارد، اما به هر حال احتمال سایش وجود دارد. بنابراین ترکیب شیمیایی پودر نهایی با پودر اولیه متفاوت خواهد بود. اما از یک طرف عدم دسترسی به محفظه و گلوله‌هایی با جنس خاص و از طرف دیگر گستردگی روز افزون مواد مانند فلزات، آلیاژها، سرامیک‌ها، پلیمرها و کامپوزیت‌ها این مساله را جدی‌تر نموده است. زیرا تهیه گلوله و محفظه از جنس‌های مختلف امری غیر ممکن است.

3- فراهم نمودن شرایطی که امکان جوش خوردن پودر با گلوله‌ها و جداره بیشتر شود،
زیرا در این صورت اجزا با مخلوط پودری پوشش داده می‌شوند. بدین منظور در صورت عدم دسترسی به محفظه از جنس مشابه پودری که آسیا می‌شود، ایجاد پوششی نازک روی سطح داخلی محفظه و روی گلوله‌ها نیز به کاهش مساله آلودگی کمک می‌کند. به عنوان نمونه دیده شده است که آهن ورودی به آلیاژ Ta-Al با افزایش هر مرحله از آسیاکاری کاهش می‌یابد. روش پیشنهادی در عمل به این صورت است که در مرحله اول پودر مورد نظر را آسیا نموده تا دیواره داخلی محفظه و گلوله‌ها پوشش داده شوند. سپس پودر بدست آمده را دور ریخته و آسیاکاری از ابتدا شروع شود. با تکرار این عمل آلودگی ناشی از محفظه و گلوله‌ها به حداقل می‌رسد.
به طور کلی افزایش نسبت وزنی گلوله به پودر و سرعت آسیاکاری که معادل با افزایش انرژی آسیا است، باعث افزایش مقدار ناخالصی‌های ناشی از اجزای ساینده می‌شود. افزایش نسبت وزنی گلوله به پودر بایستی تا حدی در نظر گرفته شود که آلودگی به حداقل مقدار برسد.

آلودگی ناشی از اتمسفر آسیاکاری
آلودگی ناشی از اتمسفر آسیاکاری نیز امری جدی بوده و در برخی موارد عامل اصلی آلودگی است. هرچند به طور معمول از اتمسفر گازهای خنثی مانند آرگون، نیتروژن و هلیوم برای جلوگیری از اکسیداسیون استفاده می‌شود، اما امکان واکنش خود آنها با مخلوط پودری وجود دارد. به عنوان مثال مقادیر زیادی از اکسیژن (حدود 44.8 درصد اتمی) پس از آسیاکاری پودر Al-6Ti به مدت 1300 ساعت در آسیای کم انرژی گزارش شده است.

به طور کلی بایستی از کاربرد اتمسفر نیتروژن در آسیاب‌کاری پودرهای با میل زیاد به تشکیل نیترید، اجتناب نمود. به عنوان مثال آسیاکاری مخلوط Ti و Al تحت اتمسفر نیتروژن باعث جذب نیتروژن توسط مخلوط پودری شده است. در این مورد دیده شده که پس از رسیدن مقدار نیتروژن به حدود 50 درصد اتمی یک حالت اشباع پدید می‌آید. اما از طرف دیگر با افزایش Al در ترکیب به بیش از 50 درصد اتمی، جذب نیتروژن به شدت کاهش می‌یابد. این مطلب در شکل 1 نشان داده شده است.



شکل 1- میزان جذب نیتروژن در مخلوط Ti-Al بر حسب زمان آسیاب‌کاری.​

علاوه بر این اگر محفظه به طور کامل آب‌بندی نشده باشد، اتمسفر اطراف محفظه که معمولا هوا است (عمدتا حاوی نیتروژن و اکسیژن)، درون محفظه نفوذ کرده و آلودگی پودر را سبب می‌شود. از موارد معمول در این بخش تشکیل فاز‌هایی با ساختار مکعبی در آلیاژهای تیتانیم پس از زمان‌های طولانی آسیاکاری ناشی از تشکیل نیترید تیتانیم است. در این‌گونه موارد حتی شستشوی با گاز آرگون نیز قادر به حذف اکسیژن و نیتروژن سطوح درونی نیست. عدم آب‌بندی مناسب و در نتیجه تشکیل و افزایش ناخالصی‌ها، منجر به کاهش فشار درون محفظه می‌شود و به دنبال آن نفوذ مداوم اتمسفر بیرون به داخل محفظه صورت می‌گیرد. بنابراین اگر در عمل به سبب خلاء‌ درونی ایجاد شده باز نمودن درب محفظه مشکل باشد، نتیجه منطقی آن است که آلودگی پودر به حداقل رسیده است. آب‌بندی با واشر از جنس تفلون روشی مفید برای ممانعت از نفوذ هوا به داخل محفظه است. از جمله راه‌کارهای دیگر برای کاهش آلودگی اکسیژن، مجهز نمودن آسیاب سایشی به سیستم خلاء مداوم با استفاده از یک پمپ خلاء و ورود مداوم گاز آرگون به سیستم است.

یکی از روش‌های کاهش آلودگی ناشی از اتمسفر محیط اطراف، پر کردن، خالی کردن و نمونه‌برداری از آسیاب در محفظه‌هایی با اتمسفر کنترل شده است. در شکل 2 تصویری از یک نوع محفظه مجهز به دستکش (Glove Box ) دیده می‌شود. قبل از نمونه‌برداری از پودر محفظه‌ چندین مرتبه خلاء و سپس با گاز آرگون پر شده تا از عدم ورود هوا اطمینان حاصل شود.







شکل2- تصویری از یک نمونه محفظه مجهز به دستکش به منظور کاهش آلودگی ناشی از هوای اطراف.



آلودگی ناشی از عوامل کنترل‌کننده فرآیند
ممکن است آلودگی ناشی از عوامل کنترل‌کننده‌ فرآیند شایع‌تر از همه موارد باشد. از آنجا که اغلب این عوامل‌ ترکیبات آلی با نقطه ذوب و جوش پایین هستند، به سبب گرمای ایجاد شده حین آسیاب‌کاری تجزیه می‌شوند. از طرف دیگر شکست و جوش سرد پی‌درپی نیز باعث تشکیل ذرات پودر بسیار ریز می‌شود. به سبب سطح به حجم بالا در این وضعیت، انرژی سطحی ذرات پودر با سپری شدن زمان آسیاب‌کاری افزایش می‌یابد. سطوح جدید ایجاد شده به دنبال فرآیند شکست نفوذ را ترغیب می‌کنند. البته در مقایسه با کربن و اکسیژن نرخ نفوذ هیدروژن بسیار بالاتر است. در جدول 1 مقدار هیدروژن، اکسیژن و کربن پس از تجزیه عوامل مختلف کنترل‌کننده فرآیند آمده است. محصولات ناشی از تجزیه شامل کربن، اکسیژن و هیدروژن بوده که با اتم‌های فلزی تشکیل کاربیدها، اکسیدها، نیتریدها و سایر ترکیبات را می‌دهند. برای مثال تشکیل ترکیب‌های هیدریدی در آلیاژسازی مکانیکی Al-Zn بیانگر تجزیه این عوامل است. از طرفی آلودگی‌هایی مانند Fe[SUB]3[/SUB]O[SUB]4[/SUB] و Fe[SUB]3[/SUB]C حین آسیاکاری پودر Cu-Fe به همراه اتانول به عنوان عامل کنترل‌کننده فرآیند، دلیلی بر تجزیه این عوامل حین آسیاکاری است. بر اساس تحقیقات صورت گرفته در ارتباط با تاثیر چندین عامل کنترل‌کننده فرآیند بر مقدار آهن و سایر آلودگی‌های بین‌نشینی در پودر Ti-48Al-2W، ملاحظه شده است که انتخاب عامل مناسب حتی سبب کاهش آلودگی نیز می‌شود. مثلا انتخاب اتانول در این مورد باعث کاهش آلودگی شده است. زیرا از جوش خوردن ذرات با جداره و گلوله‌ها می‌کاهد.




جدول 1- مقادیر هیدروژن، اکسیژن و کربن حاصل از تجزیه عوامل مختلف کنترل‌کننده فرآیند (به ازای هر گرم).


علاوه براین کربن حاصل از تجزیه عوامل کنترل‌کننده فرآیند نیز در پودر باقی مانده و امکان تشکیل برخی از کاربیدها وجود دارد. در پایان لازم به ذکر است که در صورت امکان عدم استفاده از عوامل کنترل کننده مناسب‌تر است.
از جنبه تاثیر نوع آسیا بر میزان آلودگی تاکنون مطالعه اصولی صورت نگرفته است. اما از آنجا که عامل اصلی در ورود آلودگی ناشی از اجزای آسیاب همان برخوردهای صورت گرفته است، بنابراین نوع آسیاب بر مقدار آلودگی تاثیر دارد. بر اساس بررسی انجام گرفته به منظور تولید پودر غیربلوری Al[SUB]30[/SUB]Ta[SUB]70[/SUB] با استفاده از دو نوع آسیاب میله‌ای و گلوله‌‌ای، در نهایت مشخص شده است که آلودگی آهن ورودی به سیستم در آسیاب میله‌ای کم‌تر از آسیاب گلوله‌ای بوده است. علت نیز به برخورد میله‌ها تنها به صورت طولی در آسیاب میله‌ای بر می‌گردد. همچنین تاثیر تکرار فرآیند نیز نشان داده شده است. به طوری‌که در ابتدای مرحله جداره داخلی محفظه توسط آسیاب‌کاری پوشش داده شده است. اما پس از مرحله اول از محفظه‌ای استفاده می‌شود که در حقیقت پوشش داده شده است. بنابراین کاهش شدیدی در مقدار آلودگی آهن از مرحله اول به سوم دیده می‌شود.



 

ghxzy

کاربر فعال تالار اسلام و قرآن ,
کاربر ممتاز
آندایزینگ

آندایزینگ

فرآیند آندایز و روش‌های مختلف آن
یکی از روش‌های ساخت نانوساختارها تکنیک الکتروشیمیایی است. این تکنیک، از لحاظ هزینه مقرون به صرفه بوده همچنین نسبت به سایر روش‌های تولید نانوساختارها، نسبتاً ساده تر می‌باشد و از دقت خوبی نیز برخوردار است.
آندایز آلومینیم یک فرآیند الکتروشیمیایی آندی است که جهت افزایش ضخامت لایه‌ی اکسیدی که به طور طبیعی روی سطح فلز تشکلیل می‌شود، مورد استفاده قرار می‌گیرد. روش‌های مختلفی برای انجام این فرآیند وجود دارد که در اینجا به روش‌های لیتوگرافی، آندایز با الگوی راهنما و آندایز خود نظم یافته اشاره شد. آندایز خود نظم یافته به دلیل آسانی و کم هزینه‌تر بودن نسبت به سایر روش‌ها و هم چنین دقت بسیار خوب، اخیراً برای تولید نانوحفره‌های اکسید فلزی بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

فناوری نانو به همراه مهندسی سطح، در راستای تولید نانو ساختارهای متنوع و مواد جدید، اخیراً مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است. خصوصاً، تولید ارزان ساختارهای متناوب با تناوب کمتر از 100 نانومتر، بخش وسیعی از پژوهش‌ها را به خود اختصاص داده است.
برای تولید نانوساختارها روش‌های مختلفی، مانند لیتوگرافی، آسیاب مکانیکی، پلیمریزاسیون و ...، وجود دارد. یکی از رایج‌ترین تکنیک‌ها جهت تولید نانوساختارها، روش لیتوگرافی (Lithography) می‌باشد. علیرغم هزینه‌های بسیار بالای این روش، به دلیل دقت بسیار بالا و تنوع در تولید انواع نانوساختارها و هم چنین تنوع در انتخاب زیر لایه، در تولیدات انبوه از آن استفاده می‌شود.

اما به توجه به هزینه‌های بالای استفاده از روش لیتوگرافی، محققان در صدد یافتن روشی با همین دقت اما ارزان‌ تر برآمدند. در این راستا، تکنیک الکتروشیمیایی یکی از گزینه‌هایی است که هم ارزان‌تر بوده و هم از دقت بالایی برخوردار می‌باشد.

در سال‌های اخیر، محققان الکتروشیمی به سمت علم مواد متمایل شده‌اند و در نتیجه موفق به گسترش روش‌های الکتروشیمیایی در راستای تولید مواد الکترونیکی مانند نیمه‌هادی ‌ها ، اکسیدهای فلزی ، نیترات‌های فلزی و ... گردیدند.
برای آماده‌سازی مواد به روش‌های الکتروشیمیایی، دو رویکرد اصلی کاتدی (Cathodic approach) و آندی (Anodic approach) وجود دارد؛ در رویکرد کاتدی، ماده‌ی مورد نظر به عنوان کاتد قرار می‌گیرد، مانند فرآیند حفاظت کاتدی که برای جلوگیری از خوردگی در سازه‌های فلزی استفاده می‌شود. در رویکرد آندی، نمونه‌ی مورد نظر نقش آند را بازی می‌کند. با استفاده از هرکدام از این دو روش، امکان تولید مواد نانوساختار وجود دارد.یکی از روش‌های الکتروشیمیایی آندی، فرآیند آندایز (Anodizatoin process) می‌باشد.

آندایز برای اولین بار، در سال 1923، در مقیاس صنعتی و برای جلوگیری از خوردگی هواپیماهای دریایی، با استفاده از اسید کرومیک، مورد استفاده قرار گرفت. این فرآیند به سرعت گسترش یافت و برای اولین بار در سال 1927، توسط گوور (Gower) و اوبرین (O'Brien)، در الکترولیت اسید سولفوریک انجام شد.
آندایز با اسید اکسالیک برای اولین بار در ژاپن و پس از آن، به صورت گسترده، در آلمان ، خصوصاً در کاربردهای معماری، مورد استفاده قرار گرفت.

فرآیند آندایز
آندایز یک فرآیند الکتروشیمیایی (Electrochemical process) است که برای افزایش ضخامت لایه‌ی اکسیدی که به صورت طبیعی روی سطح فلزات تشکیل می‌شود، مورد استفاده قرار می‌گیرد.این فرآیند بر روی فلزاتی مانند تیتانیوم، روی، تنگستن و خصوصاً آلومینیوم انجام می‌گیرد. اما برای آهن و استیل کربن مفید نیست؛ زیرا این فلزات در حین آندایز، ورقه ورقه می‌شوند.
آندایز کردن باعث تغییر بافت میکروسکوپی سطح و ساختار کریستالی فلز در نزدیکی سطح می‌شود. لایه‌های آندی عموماً سخت‌تر و چسبنده‌تر از انواع رنگ‌ها و روکش‌های فلزی می‌باشند و هم چنین مقاومت بیشتری در برابر خوردگی و ساییدگی دارند.
فرآیند آندایز در یک سلول الکتروشیمیایی انجام می‌شود،
در شکل 1، تصویر شماتیک یک سلول الکتروشیمیایی نمایش داده شده است. همانطور که می‌دانید، سلول الکتروشیمیایی متشکل از سه بخش اصلی کاتد، آند و محلول الکترولیت می‌باشد.




شکل 1- تصویری شماتیک از یک سلول الکتروشیمیایی



در آندایز، فلز مورد نظر، با درصد خلوص بسیار بالا، به عنوان آند و فلز دیگری، از جمله آلومینیوم، تینانتوم، پلاتین، پلادیم، نیکل، تنگستن و ...، در جایگاه کاتد می‌نشیند و ماهیت الکترولیت نیز، بسته به نوع لایه‌ی اکسیدی و خصوصیات آن (مانند قطر حفره‌ ها، فاصله ‌ی بین حفره‌ ها و ...)، تغییر می‌کند.
لایه‌ی اکسید فلز آندایز شده، به وسیله‌ی عبور جریان مستقیم از محلول الکترولیت، رشد می‌کند. قطعه‌ی فلز مورد آزمایش، به عنوان آند عمل می‌کند. جریان، هیدروژن را در کاتد (الکترود منفی) و اکسیژن را در سطح آند (الکترود مثبت) آزاد نموده و منجر به رشد لایه‌ی اکسیدی می‌گردد (شکل 1).
جریان متناوب و جریان پالسی را نیز می‌توان به کار برد، اما به ندرت از آن‌ها استفاده می‌ شود. با توجه به جنس فلز و الکترولیت مورد استفاده و هم چنین هندسه‌ی ساختار، آندایز در ولتاژ‌های متفاوتی در محدوده‌ی 15 تا 195 ولت انجام می‌گیرد .

انواع لایه‌های اکسیدی
در حالت کلی، فرآیند آندایز منجر به تولید دو نوع لایه‌ی اکسیدی می‌شود؛ لایه‌ی اکسید سدی و لایه‌ی اکسید متخلخل. در واقع نوع و ماهیت الکترولیت مورد استفاده در این فرآیند، تعیین کننده‌ی نوع رشد لایه‌ی اکسید، روی سطح فلز است.

لایه‌ی اکسید سدی
اگر آندایز در الکترولیت خنثی (یعنی 7-5=pH) انجام شود، یک لایه‌ی اکسید آندی از نوع سدی، که نامتخلخل و نارسانا و به شدت چسبنده است، روی سطح فلز تشکیل می‌گردد. شکل 2 تصویر شماتیکی از این نوع لایه‌ی اکسیدی را نشان میدهد. این لایه‌ی اکسیدی از نظر شیمیایی بی اثر بوده و بسیار نازک و به صورت دی الکتریک فشرده می‌باشد. الکترولیت‌هایی که در تشکیل این نوع لایه‌ی اکسیدی استفاده می‌شوند عبارتند از: اسید بوریک، آمونیوم بورات، آمونیوم تارتریت، محلول فسفات آبی، پرکلریک اسید و برخی الکترولیت‌های آلی مانند اسید سیتریک، اسید مالیک، اسید ساسینک و اسید گلیکولیک.




شکل2- نمای شماتیک لایه‌ی اکسید سدی




لایه‌ی اکسید متخلخل
زمانی که فرآیند آندایز در حضور اسیدهای قوی انجام شود، لایه‌ی اکسید حاصل متخلخل خواهد بود. برای آندایز آلومینیوم اسید سولفوریک، اسید اکسالیک و اسید فسفریک بیشترین کاربرد را دارند ؛ و الکترولیت‌هایی که برای آندایز تیتانیوم گزارش شده‌اند
عبارتند از:
آمونیوم فلوراید، اتیلن گلیکول، اسید سولفوریک، اسید هیدروفلوئوریک، اسید نیتریک و آمونیوم سولفات و الکترولیت‌هایی که در آندایز تنگستن مورد استفاده قرار می‌گیرند، سدیم فلوراید، سدیم هیدروکسید، اسید اکسالیک و اسید فسفریک می‌باشند .





شکل 3- نمای شماتیک لایه‌ی اکسید متخلخل




روش‌های تولید لایه‌ی اکسید متخلخل
اکسید فلزی آندی متخلخل را می‌توان به دو روش آندایز به وسیله‌ی پیش الگوی راهنما

(Pre patterned-guided anodization process)
و آندایز خود نظم یافته (Self-organized anodization process) تولید کرد.

آندایز به وسیله ی پیش الگوی راهنما (شابلون)
در این روش، الگو روی سطح صیقلی شده‌ی فلز مورد آزمایش تشکیل می‌گردد و نانو حفره‌های حاصل از آن نظم ایده آلی دارند. تشکیل الگو روی سطح فلز به روش‌های مختلفی انجام می‌گیرد. یکی از این روش‌ها، دندانه گذاری مستقیم سطح فلز به کمک نوک تیز پروب میکروسکوپ روبشی
(Scanning probe microscope) می‌باشد که در آن، هر نمونه باید به صورت جداگانه دندانه گذاری شود. با توجه به اینکه زمان زیادی صرف این کار می‌شود، روش ذکر شده تنها در کاربردهای آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
شیوه ی دیگر الگو گذاری، لیتوگرافی است. در این روش، سطح فلز به وسیله‌ی مهر یا شابلون حکاکی می‌شود. این مهر تشکیل شده از آرایه‌ی چیده شده‌ی برآمده‌ای (Convex) که می تواند چندین بار برای منقوش کردن سطح فلز استفاده شود. پس از منقوش کردن، آرایه‌ی تو رفته‌ی سطح فلز، ناشی از برآمدگی‌های شابلون می‌باشد. عمق این تو رفتگی‌ها، در حدود 20 نانومتر است .





شکل 4- تصاویر SEM از سلول های تولید شده در آلومینا به روش آندایز به وسیله ی پیش الگوی راهنما


شکل‌ها و چیدمان‌های مختلف برجسته‌ی روی شابلون، منجر به تشکیل آرایه‌های مختلف نانوحفره‌ها، از جمله آرایه‌ی مثلثی، مربعی و شش گوشی می‌گردد .
در شکل 4 تصاویری از نانوحفره‌های ساخته شده به این روش، مشاهده می‌شود. استفاده از این روش به دلیل هزینه‌ی بسیار بالا مقرون به صرفه نیست و به جای آن از آندایز خود نظم یافته، که از نظم بسیار خوبی برخوردار می‌باشد، استفاده می‌شود.

آندایز خود نظم یافته (Self-organized anodization)
در آندایز خود نظم یافته، بدون استفاده از شابلون، حفره‌ها به صورت خود انگیخته
(Self-assembled) و با اعمال ولتاژ به سلول الکتروشیمیایی، شکل می‌گیرند و به همین دلیل به این نام شناخته می‌شود. ساختاری که در این روش شکل می‌گیرد، به صورت آرایه‌ای از نانوحفره‌های استوانه‌ای شکل است که هرکدام در مرکز یک سلول شش گوشی قرار دارد. پارامترهای هندسی مهم در این ساختار، قطر حفره‌ها، فاصله‌ی بین حفره‌ها و عمق حفره‌ها می‌باشد، در مورد جزئیات ساختاری حفره‌ها در مقاله‌ی «نانوحفره‌های آلومینا» توضیح داده خواهد شد.
شکل 5، تصویر شماتیکی از ساختار نانوحفره‌های تشکیل شده در اکسید آلومینیوم را نمایش می‌دهد.





شکل 5- نانوحفره‌های تولید شده در آلومینا، به روش آندایز خود نظم یافته



در توضیح خود نظم یافته بودن این فرآیند، یک حالت پایا برای رشد حفره‌ها در نظر گرفته می‌شود. در آندایز خود نظم یافته، حفره‌ها به صورت عمود بر سطح زیر لایه‌ی فلزی رشد می‌کنند. این امر در حالت تعادل بین دو فرآیند رقابتی زیر رخ می‌دهد:

1- حل شدن لایه‌ی اکسید در سطح مشترک لایه‌ی اکسید و الکترولیت، که ناشی از حضور میدان الکتریکی می‌باشد.
2- رشد لایه‌ی اکسید در سطح مشترک فلز و لایه‌ی اکسید.
رخداد دوم به دلیل مهاجرت یون‌های حامل اکسیژن (O[SUP]-2[/SUP] و [SUP]-[/SUP]OH) از محلول الکترولیت به درون لایه‌ی اکسید، در ته حفره‌ها اتفاق می‌افتد. از طرف دیگر، یون‌های فلزی، که در لایه‌ی اکسید در حال پیشروی هستند، در سطح مشترک لایه‌ی اکسید و الکترولیت، به درون محلول الکترولیت رانده می‌شوند (شکل 6).
در واقع مهاجرت یون‌های فلزی به دورن محلول الکترولیت، شرط لازم برای رشد لایه‌ی اکسید متخلخل می‌باشد؛ زیرا زمانی که این یون‌ها به سطح مشترک لایه‌ی اکسید و الکترولیت می‌رسند، موجب رشد لایه‌ی سدی می‌شوند و به این ترتیب در شکل گیری لایه‌ی اکسید ایفای نقش می‌نمایند .
جزئیات بیشتر در مورد نحوه‌ی شکل گیری حفره طی فرآیند آندایز خود نظم یافته، در مقاله‌ی «نانوحفره‌های آلومینا» آورده شده است.




شکل 6- نحوه‌ی مهاجرت یون‌ها و شکل گیری نانوحفره‌ها طی فرآیند آندایز آلومینیوم
 

ghxzy

کاربر فعال تالار اسلام و قرآن ,
کاربر ممتاز
شرح مراحل فرآیند آندایزینگ

شرح مراحل فرآیند آندایزینگ


آندایز خود نظم یافته یک فرآیند چند مرحله‌ای است که شامل عملیات قبل از آندایز، آندایز و عملیت بعد از آندایز می‌باشد.
مهم‌ترین گام در آماده سازی نمونه، قبل از انجام آندایز، پالیش کردن سطح فلز مورد نظر می‌باشد. در حالت کلی آندایز خود نظم یافته به دو روش آندایز تحت چگالی جریان ثابت و آندایز تحت ولتاژ ثابت انجام می‌گیرد.
روش آندایز در پتانسیل ثابت، با توجه به شرایط کلی آزمایش، به دو صورت آندایز نرم و آندایز سخت انجام می‌شود. پس از انجام آندایز، با توجه به مصارف بعدی نانوحفره‌های آلومینا، عملیاتی مانند جداسازی بستر فلزی، جداسازی لایه‌ی سدی و .... روی نمونه اعمال می‌شود.

همانطور که قبلا گفته شد فرآیند آندایز بر روی فلزات مختلفی از جمله آلومینیوم، تیتانیوم، پالادیم، تنگستن و ... انجام پذیر است، اما در این مقاله تنها به توضیح چگونگی انجام آن روی فلز آلومینیوم می‌پردازیم.
آندایز خود نظم یافته، یک فرآیند چند مرحله‌ای شامل عملیات پیش از آندایز (Pre treatment)، آندایز و عملیات پس از آندایز (Post treatment) می‌باشد، که در ادامه شرح داده می شود.

1- عملیات قبل از آندایز

خلوص فلز مورد استفاده و هم چنین پیش عملیات آندایز، تأثیر بسزایی روی نظم حفره‌های تشکیل شده به روش آندایز خود نظم یافته دارند. پیش عملیات آندایز جهت از بین رفتن نواقص سطح، عبارتند از
آنیل کردن (Annealing)، چربی زدایی (Degreasing) و پالیش (Polishing).

آنیل کردن
در این مرحله، فشار روی سطح نمونه را کم کرده و آن را به مدت 4 الی 5 ساعت در دمایی حدود 400 درجه سانتیگراد حرارت می‌دهیم. این کار باعث افزایش اندازه‌ی متوسط دانه‌ها (Grain) می‌شود، که معمولاً بیشتر از 100 میکرومتر است
و هم چنین موجب از بین رفتن فشارهای مکانیکی (Mechanical stress) می‌گردد.
مطلوب‌ترین زیر لایه جهت تولید آرایه‌ی نانو حفره‌های خود نظم یافته، فویل آلومینیوم با درصد خلوص بالا (99.999 %) می‌باشد.

چربی زدایی
یکی دیگر از عملیات قبل از آندایز، چربی زدایی است. در این گام، نمونه در حلال‌های مختلفی مانند استون و اتانول با استفاده از امواج فراصوتی شست و شو داده می‌شود. بدین ترتیب تمام چربی‌ها از روی سطح نمونه برداشته می‌شود.

پالیش
مهم ترین گام در عملیات قبل از آندایز، پالیش کردن می‌باشد که می‌تواند به صورت مکانیکی، شیمیایی و الکتروشیمیایی انجام شود. به عنوان مثال برای آلومینیوم، عموماً از الکتروپالیش استفاده می‌شود ، در حالی که برای تیتانیوم و تنگستن معمولاً این عمل به صورت مکانیکی انجام می‌گیرد .

شکل 1 پالیش الکتروشیمیایی سطح آلومینیوم را نشان می دهد که با گذشت زمان، جریان به صورت نمایی کاهش پیدا می‌کند؛
دلیل این امر این است که برآمدگی‌های میکروسکوپیک باعث عبور جریان بیشتری از نمونه است که با کنده شدن این برآمدگی‌ها جریان‌های اضافه حذف خواهند شد و چگالی جریان نهایی در حالت بهینه خود در محدوده‌ی 15-30 میلی آمپر بر سانتی متر مربع قرار می‌گیرد. این فرآیند در محلولی از اتانول (C[SUB]2[/SUB]H[SUB]5[/SUB]OH) و پرکلریک (HClO[SUB]4[/SUB]) انجام می‌گیرد . دمای آزمایش، پارامتر مهمی است که در صیقلی شدن سطح تاثیر دارد که این دما معمولا بین 5 تا 15 درجه‌ی سانتیگراد انتخاب می شود.





شکل 1- نمودار چگالی جریان-زمان پالیش الکتروشیمیایی فلز آلومینیوم



2- فرآیند آندایز خود نظم یافته
در حالت کلی، فرآیند آندایز به دو صورت آندایز تحت جریان ثابت و آندایز تحت ولتاژ ثابت انجام می‌گیرد. لایه‌ی اکسیدی متخلخل آلومینا متشکل از سلول‌های شش گوشه، تحت آندایز جریان ثابت یا ولتاژ ثابت، تشکیل می شود.
شکل 2الف، نمودار چگالی جریان-زمان را برای فرایند آندایز پتانسیل ثابت
و شکل 2ب، نمودار پتانسیل-زمان را برای فرآیند آندایز جریان ثابت نشان می‌دهد. هرچند این نمودار مربوط به فرآیند آندایز آلومینیوم است، اما در حالت کلی برای آندایز فلزات دیگر، که قبلاً نام برده شد، نیز همین رفتار مشاهده می‌شود.



شکل 2- مراحل شماتیک رشد لایه‌ی اکسید متخلخل (الف) تحت آندایز با جریان ثابت (ب) تحت آندایز با ولتاژ ثابت (ج) گام‌های تشکیل اکسید آندی حفره‌ای



آندایز تحت چگالی جریان ثابت
زمانی که جریان ثابت برای رشد لایه‌ی اکسید متخلخل اعمال می‌شود، در ابتدا، پتانسیل به صورت خطی افزایش پیدا می‌کند تا زمانی که به یک مقدار بیشینه‌ی موضعی می‌رسد و پس از آن به تدریج کاهش می‌یابد و به حالت پایا می‌رسد
(شکل 2الف).
در طول اولین دوره‌ی زمانی (یعنی گام a در شکل 2ج) افزایش خطی پتانسیل مربوط به رشد خطی لایه‌ی اکسیدی با مقاومت بالا (لایه‌ی سدی) روی فلز می‌باشد.
در گام b، با ادامه‌ی آندایز، سوراخهایی (مقدمه‌ی حفره‌ها) روی لایه‌ سدی شروع به شکل گیری می‌کنند. سپس در گام c، لایه‌ی سدی، شکسته شده و ساختار حفره‌ای شروع به رشد می‌کند. نهایتاً رشد حالت پایای حفره‌ها در لایه‌ی اکسید، در گام d، ادامه می‌یابد و پتانسیل آندایز در حین تشکیل حفره‌ها در حالت پایا، تقریباً ثابت باقی می‌ماند.

آندایز تحت پتانسیل ثابت
در ابتدای فرآیند آندایز در پتانسیل ثابت، چگالی جریان با گذشت زمان به سرعت کاهش پیدا می‌کند و سریعاً به مقدار کمینه‌ی خود می‌رسد. پس از آن، افزایش چگالی جریان به طور خطی صورت می‌گیرد تا جایی که به یک مقدار بیشینه‌ی موضعی برسد؛ سپس چگالی جریان به آرامی کاهش می‌یابد و نهایتاً به حالت پایای خود می‌رسد. در این حالت نیز تغییرات درون لایه‌ی اکسیدی مانند حالت قبل می‌باشد با این تفاوت که این بار رفتار چگالی جریان باعث این تغییرات می‌گردد.

نرخ کاهش اولیه‌ی چگالی جریان، نقطه‌ای که در آن مینیمم چگالی جریان رخ می‌دهد و هم چنین چگالی جریان حالت پایا، مستقیماً به شرایط آندایز از جمله پتانسیل آندایز، دما و غلظت اسیدی، وابسته می‌باشد. مینیمم چگالی جریان نیز با افزایش توانایی میدان الکتریکی، افزایش پتانسیل آندایز، افزایش دما و افزایش غلظت اسیدهای بکار رفته، کاهش می‌یابد.
ضمن آنکه این مقدار مینیمم در پتانسیل‌های بالاتر و pH پایین‌تر الکترولیت، زودتر اتفاق می‌افتد.



شکل 3- نمودار رویهم افتادن فرآیندهای رخ داده در طول رشد اکسید متخلخل، تحت رژیم آندایز پتانسیل ثابت


با توجه به گزارش آور (Hoar) و یاهالوم (Yahalom) [8]، رابطه‌ی چگالی جریان با زمان، که در فرآیند آندایز پتانسیل ثابت مشاهده می‌شود، برآیند دو فرآیند جفت شده می‌باشد و ترکیب این دو فرآیند،
نمودار شکل 2ب را نتیجه می‌دهد. با توجه به شکل 3، اولین فرایند مربوط به تشکیل لایه‌ی سدی است که منجر به کاهش نمایی جریان و دومین فرآیند مربوط به تشکیل حفره‌هاست، که افزایش جریان را به دنبال دارد.
روش آندایز با پتانیسل ثابت، بسته به شرایط کلی آزمایش مانند ولتاژ اعمالی، الکترولیت مورد استفاده و مقدار چگالی جریان به دو نوع آندایز نرم (Mild anodization) و آندایز سخت (Hard anodization) تقسیم بندی می‌شود.

آندایز نرم
در سال 1995، ماسودا (Masuda) و فوکادا (Fukuda) طی یک فرآیند آندایز طولانی (در حدود 16 ساعت)، تحت پتانسیل ثابت و در اسید اکسالیک به عنوان الکترولیت، به آرایه‌ی خود نظم یافته‌ای از نانوحفره‌های آلومینا دست یافتند. آن‌ها گزارش کردند که عمق این حفره‌ها، که با دقت بسیار خوبی به صورت کندوی عسل تشکیل می‌شوند، با افزایش زمان آندایز، افزایش می‌یابد .
به این روش آندایز، که روش آهسته‌ای است و چگالی جریان در آن بسیار کم ( کمتر از 10 میلی آمپر بر سانتی متر مربع) می‌باشد، آندایز نرم (Mild Anodization)گفته می‌شود . آنها برای رسیدن به نظم بسیار بالا، بعد از انجام آزمایش در مرحله اول، نمونه‌ی شامل نانوحفره‌های آلومینای را در اسید مناسب حل کرده و آزمایش مرحله اول را دوباره روی نمونه تکرار نمودند. هرچند در این فرآیند، حفره‌های تولید شده از نظم بسیار خوبی برخوردار هستند؛ اما به دلیل سرعت کم رشد لایه‌ی اکسیدی و همچنین شرایط خاصی که در آن حالت‌ها، آرایه‌ی منظمی از نانو حفره‌ها قابل دستیابی است، این فرآیند جهت استفاده در تولیدات صنعتی، زیاد مطلوب نیست. به همین دلیل، محققان علاقه مند به پیدا کردن روش سریع‌تر و بهینه‌تری به نام آندایز سخت (Hard Anodization) شدند.

در روش معمول آندایز، یعنی آندایز نرم، آرایه‌های منظم نانوحفره‌های اکسید آلومینیوم فقط در سه رژیم زیر شکل می‌گیرند:

i) الکترولیت اسید سولفوریک در ولتاژ 25 ولت و با فاصله‌ی بین حفره‌‌ای در حدود 63 نانومتر
ii) الکترولیت اسید اکسالیک در ولتاژ 40 ولت و با فاصله‌ی بین حفره‌‌ای در حدود 100 نانومتر
iii) الکترولیت اسید فسفریک در ولتاژ 195 ولت و با فاصله‌ی بین حفره‌‌ای در حدود 500 نانومتر
زمانی‌که فرآیند آندایز در خارج از رژیم‌های فوق انجام شود، نظم فضایی حفره‌ها به شدت کاهش پیدا می‌کند.

آندایز سخت
اخیراً، آندایز سخت برای تشکیل اکسید متخلخل خود سازمان یافته مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این فرآیند، محدوده‌ی پتانسیل آندایز و مقادیر آن، برخلاف آندایز نرم، بسیار گسترده است. لی و همکارانش نشان دادند که رژیم‌های خود نظم یافته‌ی جدیدی تحت فرآیند آندایز سخت قابل دسترسی است .
آن‌ها با ایجاد یک لایه‌ی نازک از اکسید آلومینیوم روی نمونه‌ی اولیه‌ی آلومینیوم، به‌عنوان لایه‌ی محافظ و با کنترل واکنش‌های گرمایی در طول آندایز سخت توانستند از سوختن نمونه جلوگیری کنند. آن‌ها موفق شدند با استفاده از اسید اکسالیک و در ولتاژ بیشتر از 100 ولت، آرایه‌ای منظم از نانو حفره‌های آلومینای آندایز شده تولید کرده و یک رژیم خود نظم یافته‌ی جدید با فاصله‌ی بین حفره‌ای در حدود 200 تا 300 نانومتر معرفی نمایند.

مطالعات انجام گرفته در آندایز سخت نشان داده است که چگالی جریان(یا به عبارت دیگر، توان میدان الکتریکی در طول لایه‌ی سدی) در یک پتانسیل آندایز مشخص، یکی از پارامترهای اصلی برای کنترل نظم نانوحفره‌های تولید شده در لایه‌ی اکسید آلومینیوم می‌باشد . مشخصه‌ی آندایز سخت، چگالی جریان بسیار بالا است، که معمولاً 10 تا 100 برابر چگالی جریان در روش نرم می‌باشد .
همچنین نرخ رشد لایه‌ی اکسید در آندایز سخت 25 تا 35 برابر سریع‌تر از نرخ رشد لایه اکسید در آندایز نرم است .
بررسی‌های میکروسکوپی نشان می‌دهد که نرخ تغییر قطر حفره‌ها در آندایز سخت تقریباً 55 درصد کوچک‌تر از مقدار آن در آندایز نرم می‌باشد. به بیان دیگر، برای یک پتانسیل مشخص، نانوحفره‌های آلومینای تولید شده در آندایز سخت، قطر کوچک‌تری نسبت به نانوحفره‌های تولید شده تحت آندایز نرم دارند. درصد تخلخل با نسبت سطح اشغال شده توسط حفره‌ها به کل سطح، تعریف می‌شود:




برای یک لایه‌ی اکسید آلومینیوم آندایز شده‌ی منظم که تحت آندایز سخت تولید شده است، این مقدار حدود یک سوم مقداری است که برای نانوحفره‌های آلومینای تولید شده در آندایز نرم محاسبه می‌شود.
فاصله‌ی بین حفره‌ها در لایه‌ی آلومینای متخلخل، به صورت خطی با پتانسیل آندایز در ارتباط است:







در این رابطه، [SUB].[/SUB]D[SUB]int[/SUB] معرف فاصله‌ی بین حفره‌ها و U معرف پتانسیل آندایز می‌باشد. مقدار ثابت تناسب این رابطه برای آندایز نرم و سخت، متفاوت است.




ξ[SUB]MA[/SUB] ثابت تناسب رابطه‌ی بین فاصله‌ی بین حفره‌ها و پتانسیل آندایز، مربوط به آندایز نرم [14 و 2] وξ[SUB]HA[/SUB] ثابت تناسب مربوط به آندایز سخت می‌باشد . به این ترتیب، مشاهده می‌شود که آهنگ تغییر فاصله‌ی بین حفره‌ها در اثر تغییرات ولتاژ، در آندایز نرم سریع‌تر است .


3- عملیات پس از آندایز
همانطور که قبلاً اشاره شد، نانوحفره‌های اکسید آلومینیوم آندایز شده، به عنوان قالب برای تولید دیگر نانوساختارها استفاده می‌شوند. بنابراین لایه‌ی اکسید ساخته شده با توجه به مقاصد بعدی، باید در معرض عملیاتی از جمله جدا کردن بستر فلزی، جدا کردن لایه‌ی سدی و ... قرار بگیرد.

جدا کردن بستر فلزی
اکسید آلومینیوم را می‌توان به روش شیمیایی از زیر لایه‌ی آلومینیوم باقیمانده، که آندایز نشده است، جدا کرد. به این منظور، نمونه‌ی آندایز شده، برای مدت زمان معینی، در محلول کلرید مس (CuCl[SUB]2[/SUB]) قرار داده می‌شود تا زیر لایه‌ی آلومینیوم غیر اکسیدی حل شود .

جدا کردن لایه‌ی سدی
این عمل به روش شیمیایی انجام می‌گیرد. پس از جدا کردن اکسید آلومینیوم از بستر آلومینیومی آندایز نشده، لایه‌ی اکسید متخلخل را، برای مدت زمان مشخصی، در اسید فسفریک (H[SUB]3[/SUB]PO4) غوطه‌ور می‌نماییم؛ و به این ترتیب لایه‌ی سدی برداشته می‌شود یا به عبارت دیگر، ته حفره‌ها باز می‌شود.
زمان لازم برای باز شدن حفره‌ها، به طور مستقیم، به ضخامت لایه‌ی سدی بستگی دارد و این مقدار نیز وابسته به شرایط آندایز می‌باشد.
اگر زمان انحلال لایه‌ی سدی را افزایش دهیم، گشاد شدن حفره‌ها نیز به طور همزمان اتفاق می‌افتد. میزان گشاد شدن قطر حفره‌ها با تغییر مدت زمانی که نمونه در اسید فسفریک قرار می‌گیرد، قابل کنترل است.
 

ghxzy

کاربر فعال تالار اسلام و قرآن ,
کاربر ممتاز
تفجوشی؛ تولید قطعه نانوساختار از ماده اولیه پودری

در این مقاله به بررسی روش حرارتی تفجوشی به عنوان روشی جهت تولید مواد نانوساختار، از ماده اولیه پودری پرداخته خواهد شد. تف‌جوشی یا سینتر یکی از مهمترین روش‌های شکل‌دهی مواد فلزی و سرامیکی می‌باشد. در این روش ابتدا ماده اولیه، که به صورت پودر است، را پرس کرده و در کوره می‌گذارند و در نتیجه قطعه حجیم با استحکام مناسب از ذرات پودر بدست می‌آید. در مبحث حاضر به بررسی انواع تفجوشی، فاکتورهای موثر بر فرآیند تفجوشی، نیروی محرکه تفجوشی و فرآیند‌های چگالش در دمای بالا و با اعمال فشار پرداخته خواهد شد.


1- مقدمه
تف‌جوشی یا سینتر یکی از روش‌های شکل‌دهی مواد فلزی و سرامیکی است. در این روش ابتدا ماده اولیه، که به صورت پودر است، را پرس کرده و در کوره می‌گذارند. در دماهای بالای کوره، نفوذ اتمی تشدید شده و اتمهای ذرات مجاور در یکدیگر نفوذ کرده و ذرات را به هم می‌چسبانند. در نتیجه قطعه حجیم با استحکام مناسب از ذرات پودر بدست می‌آید.

جهت ایجاد پیوند بین ذرات پودری و تهیه یک نمونه یکپارچه و رساندن دانسیته آنها به بالاترین میزان خود و بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی، انجام عملیات تفجوشی در دما و زمان بهینه از اهمیت فوق العاده‌ای برخوردارست. نیروی محرکه برای تفجوشی و نفوذ جهت پرکردن خلل وفرج موجود در ساختار، کاهش انرژی سطحی است.

ایجاد پیوند بین ذرات پودری، تغییر ابعاد قطعه در اثر انقباض های ناشی از کاهش اندازه و تعداد حفرات، آزاد شدن تنشهای داخلی، تغییر فاز (مانند تفجوشی حالت مایع) و همچنین انجام واکنشهای شیمیایی وقایعی است که در حین تفجوشی رخ خواهد داد. بطور کلی تفجوشی را می توان به دو صورت انجام داد:





شکل 1- a) تفجوشی حالت مایع b) تفجوشی حالت جامد.​



2- فاکتورهای مؤثر در تفجوشی فاز جامد

عوامل مؤثر بر تفجوشی در فاز جامد عبارتند از:

1-2- دما :
عامل اصلی انجام فرآیند تفجوشی دماست، بالا رفتن دما موجب تسریع فرآیندهای نفوذی می گردد. اما از طرف دیگر هزینه تولید را نیز بالاتر خواهد برد. میزان فشردگی نمونه خام و همچنین مقدار و نحوه توزیع حفرات، در انتخاب بهترین دمای تفجوشی تأثیر بسزایی دارد.

2-2- زمان : زمان تفجوشی در ساختار نهایی تأثیر شدیدی دارد. کوتاه کردن زمان تفجوشی در یک حد بهینه علاوه بر پایین آوردن هزینه های تولید، همانطور که در قسمت قبل نیز توضیح داده شد، از رشد دانه جلوگیری می کند و مانع از جدا شدن حفرات از مرزدانه ها می شود.

3-2- دانسیته خام :
هرچه دانسیته خام قطعات اولیه بالاتر باشد، تفجوشی نیز در دما و زمان کمتری منجر به ایجاد قطعاتی با بهترین دانسیته نهایی می گردد. بطور کلی روش تولید در رسیدن به یک دانسیته خام بالا بسیار مؤثر است.

4-2- همگنی ساختار خام اولیه :
هرچه حفرات موجود در سیستم و همچنین افزودنیهایی که به عنوان کمک سینتر به سیستم افزوده می شوند بصورت یکنواخت تر در ساختار پراکنده شوند، نتایج بهتری حاصل خواهد شد. حضور اگلومره ها می تواند یکنواختی سیستم را به شدت تحت تأثیر قرار داده و موجب بجا ماندن حفرات درشت در ساختار گردد.

5-2- اتمسفر تفجوشی:
اتمسفر تفجوشی را از دو جنبه فشار و ترکیب می توان مورد بررسی قرار داد. انتخاب مناسب اتمسفر کوره علاوه بر اینکه از انجام واکنشهای شیمیایی نامطلوب جلوگیری می کند و در بعضی موارد موجب خروج بعضی ناخالصیها از سیستم می شود، می تواند از لحاظ فشاری نیز فرآیند تبخیر و چگالش را درحین تفجوشی تحت تأثیرمثبت قرار داده و موجب بهبود خواص قطعه نهایی گردد. اما اتمسفرهای شامل گازهای غیر قابل حل نظیر نیتروژن (یا هوا)، آرگون و یا هلیوم می تواند با ایجاد فشار داخلی در حفرات و بالا بردن فشار درونی، از نیروی محرکه انقباض آن کاسته موجب عدم توانایی در رسیدن به دانسیته های بالا شود.

6-2- ناخالصی :
درصد مناسب ناخالصی جهت جلوگیری از رشد دانه و همچنین جدایش حفرات از مرزدانه ها می تواند سودمند باشد. بسیاری از ناخالصی ها از درشت شدن حفرات نیز در مرحله آخر جلوگیری می نمایند.

7-2- نحوه انجام تفجوشی :

از نظر اعمال یا عدم اعمال نیرو به یک قطعه جهت تولید قطعاتی با دانسیته بالا می توان روش های تفجوشی را به دو نوع تقسیم نمود :


1-7-2- تفجوشی بدون فشار :
در این روش که بسیار ارزانقیمت نیز می باشد، هیچگونه فشار مکانیکی در حین
تفجوشی به نمونه اعمال نمی شود. در این حالت نیروی محرکه جهت کاهش حفرات تنها همان کاهش انرژی سطحی است.

2-7-2- تفجوشی تحت فشار:
در این حالت در حین تفجوشی به نمونه فشاری اعمال می شود، تا فشار اعمالی نیز بعنوان نیرو محرکه، فرآیند چگالش را بهبود بخشد.
امروزه روشهای غیر مرسومی نظیرتفجوشی بکمک امواج مایکروویوو تفجوشی به کمک جرقه پلاسمایی نیز وارد عرصه تفجوشی شده اند.

3- نیروی محرکه تف جوشی
همانند بسیاری از فرآیند های برگشت ناپذیر، تف جوشی نیز با کاهش انرژی آزاد سیستم همراه است. منابعی که باعث کاهش انرژی آزاد می شود را غالبا نیروی محرکه فرایند تف جوشی می نامند. سه نوع متفاوت از نیروهای محرکه موجودند که عبارتند از تقعر سطحی، فشار اعمالی و واکنش شیمیایی

1-3- تقعر سطحی
در غیاب نیروهای محرکه دیگر تقعر سطحی ذرات به عنوان نیروی محرکه تف جوشی شناخته می شود. برای درک بهتر مطلب یک مول از ماده که شامل ذرات کروی به شعاع a می باشد را در نظر می گیریم. تعداد ذرات عبارتند از :



در اینجا ρ دانسیته ذرات، M وزن مولکولی و V[SUB]m[/SUB] حجم مولی می باشد. مساحت سطحی سیستمی از ذرات عبارتند از :



اگر γ[SUB]sv[/SUB] انرژی مخصوص سطحی ذرات بر واحد سطح باشد، بنابراین انرژی آزاد سطحی ذرات عبارتند از:




در حقیقت E[SUB]s[/SUB] نشان دهنده میزان کاهش انرزی آزاد سطحی سیستم، هنگامی که یک جسم با دانسیته تئوری از یک مول از ذرات تشکیل می شود و نیروی محرکه ای برای تف جوشی خواهد بود. البته این محاسبات با عدم در نظر گرفتن انرژی مربوط به مرزدانه انجام شده است و در مواد چندبلور مرزدانه نیز باید در نظر گرفته شود.

2-3- فشار اعمالی
در غیاب واکنش های شیمیایی، فشار خارجی اعمالی عموما بزرگترین سهم را در نیروی محرکه تف جوشی، هنگامی که فشار به قسمت اعظمی از نمونه هنگامی که در دمای لازم برای تف جوشی است اعمال می شود، فراهم می کند. تقعر سطحی را نیز در این مورد می توان به عنوان نیروی محرکه حساب کرد ولی در بسیاری موارد مقدار آن بسیار کم است. برای یک مول از ذرات کار انجام شده روی سیستم با رابطه زیر تقریب زده می شود.







در این رابطه Pa فشار اعمالی و V[SUB]m[/SUB] حجم مولی می باشد. W نیز به عنوان نیروی محرکه برای چگالش به دلیل اعمال نیروی خارجی مطرح می باشد.

3-3- واکنش شیمیایی
واکنش شیمیایی نیز می تواند به عنوان نیروی محرکه فرآیند تف جوشی به حساب آید اگر بتواند به چگالش پودر کمک کند. تغییرات انرژی آزاد هنگام انجام واکنش شیمیایی عبارتند از:











در واکنش بالا R ثابت گازها ( 8.314JK[SUP]-1[/SUP]mol[SUP]-1[/SUP]) و T دمای مطلق و K[SUB]eq[/SUB] ثابت تعادلی واکنش می باشد. این کاهش در انرزی آزاد به مراتب بزرگتراز حالت اعمال فشار می باشد. در عمل واکنش شیمیایی به ندرت در فرآیند چگالش پودر سرامیک های مدرن مورد استفاده قرار می گیرد و این به دلیل عدم کنترل ساختاری سرامیک ها، هنگامی که واکنش شیمیایی همراه تف جوشی اتفاق می افتد، می باشد.
در شکل 2 شماتیکی از نیروهای محرکه فرآیند تف جوشی نشان داده شده است.







شکل 2- شماتیکی از نیروهای محرکه فرآیند تف جوشی .




4- چگالش در دمای بالا و با اعمال فشار
اگر چه در متراکم سازی پودرهای سرامیکی به روش های مختلف و سپس تف جوشی آنها بدون اعمال فشار حین حرارت دهی ازجمله متداولترین روشهای شکل دهی و چگالش سرامیک ها محسوب می شوند، اما در مواردی به منظور بهبود خصوصیات مکانیکی قطعات تولید شده و یا دستیابی به ریز ساختارهای خاص، مثلاً ساختارهای نانومتری، لازم است از اعمال فشار حین فرآیند تف جوشی به منظور تسهیل نمودن مکانیزم های چگالش و کاهش دما و یا زمان این فرآیند استفاده نمود. اعمال فشار حین عملیات حرارت دهی و تف جوشی قطعات متراکم شده از ذرات پودر به منظور تسهیل و کمک به مکانیزمهای چگالش و در نتیجه کاهش دمای تف جوشی و یا زمان آن برای رسیدن به ساختارهایی کاملاً چگال با اندازه دانه های کوچک صورت می پذیرد.
فرآیندهایی که در آنها تف جوشی قطعات درحضور فشار خارجی صورت می گیرد، عمدتاً به سه دسته مستقل تقسیم می شوند که عبارتند از فشردن گرم (Hot Pressing یا HP)؛ فشردن هم جانبه در دمای بالا (Hot Isostatic Pressing یا HIP)؛ و فشردن خارج از قالب و در دمای بالا (Sinter Forging یا SF). در ادامه هر یک از روشهای مذکور مورد بررسی و ارزیابی قرار خواهند گرفت.

1-4- فشردن گرم (Hot Pressing یا HP)
در فرآیند فشردن گرم HP، فشار بصورت تک محوری بر مجموعه ذرات پودری که قبلاً به روشی شکل دهی شده اند یا در حال شکل دهی هستند، در درون قالب و حین عملیات حرارت دهی و تف جوشی اعمال می گردد. با انجام این عملیات دمای تف جوشی قطعات سرامیکی حداقل 200-100 درجه سانتی گراد کاهش یافته و دسترسی به دانسیته هایی کاملاً نزدیک به دانسیته تئوری در زمان کوتاه میسر می گردد. بدین ترتیب قطعاتی تولید می گردند که به مراتب دارای خصوصیات مکانیکی و فیزیکی (گذردهی نور و هدایت الکتریکی) برتری بوده و بخصوص برای قطعات سرامیکی درصد اطمینان به عملکرد قطعه و تواناییهای آن (که در مورد سرامیکها بسیار حائز اهمیت می باشد) شدیداً افزایش می یابد. در هر حال این فرآیند نیز مانند اکثر فرآیندهای صنعتی دارای معایبی نیز می باشد که از آن جمله می توان به هزینه بالای آن و محدودیت در اشکال قابل کاربرد در این فرآیند اشاره نمود.

دستگاهی که با استفاده از آن عملیات فشردن در دمای بالا انجام می پذیرد، بطور کلی شامل یک پرس اصلی و کوره ای می باشد که بازوهای پرس و قالب را احاطه کرده و بطور کامل عایق بندی و از محیط اطراف ایزوله شده است. شکل 3 شماتیکی از دستگاه پرس گرم را نشان می‌دهد.







شکل 3- شماتیکی از دستگاه پرس گرم.



2-4- فشردن هم جانبه در دمای بالا (Hot Isostatic Pressing یا HIP)
در فرآیند فشردن هم جانبه در دمای بالا، نمونه خام که از قبل تحت عملیات فشرده سازی سرد، و یا حتی تحت عملیات تف‌جوشی اولیه بدون حضور فشار، قرار گرفته است را محکم درون یک ظرف شیشه‌ای یا فلزی و در حضور خلا قرار داده و سپس این ظرف را وارد محفظه فشار همه جانبه کرده تا تحت فشار برابر از هر سوی قرار گیرد. در حین اعمال فشار، نمونه نیز باید در دمای مناسب قرار گرفته تا همزمان با اعمال فشار نمونه تحت فرآیند تف‌جوشی نیز قرار گیرد.

3-4- فشردن خارج از قالب و در دمای بالا (Sinter Forging یا SF)
سینتر فورج یا فورج گرم مانند فرآیند فشردن گرم است با این تفاوت که نمونه خام درون هیچ قالبی قرار ندارد. مطابق انتظار باید نمونه قبلا تحت عملیات فشرده سازی سرد قرار گرفته باشد ویا حتی تحت تف‌جوشی اولیه قرار گرفته باشد و دارای استحکام خام مناسبی باشد تا در حین انجام فرایند، شکل خود راحفظ کند. در این روش کرنش های بزرگتری نسبت به پروسه فشردن گرم به نمونه وارد می‌شود و بنابراین جهت ایجاد ساختارهای جهت دار روش بسیار مناسبی می باشد.


5- نتیجه‌گیری


  • تف‌جوشی یا سینتر یکی از مهمترین روش‌های شکل‌دهی مواد فلزی و سرامیکی می‌باشد و در این روش ابتدا ماده اولیه، که به صورت پودر است، را پرس کرده و در کوره می‌گذارند و در نتیجه قطعه حجیم با استحکام مناسب از ذرات پودر بدست می‌آید.

  • بطور کلی تفجوشی را می توان به دو دسته تفجوشی در حالت جامد و تفجوشی در حضور فاز مایع تقسیم‌بندی کرد.

  • مهمترین پارامترهای موثر بر روی تفجوشی شامل دما، زمان، اتمسفر، حضور فشار و ... می‌باشند.

  • نیروی محرکه تف جوشی شامل تقعر سطحی، فشار اعمالی و واکنش شیمیایی می‌باشند.

  • به منظور بهبود خصوصیات مکانیکی قطعات تولید شده و یا دستیابی به ریز ساختارهای خاص، مثلاً ساختارهای نانومتری، لازم است از اعمال فشار حین فرآیند تف جوشی به منظور تسهیل نمودن مکانیزم های چگالش و کاهش دما و یا زمان این فرآیند استفاده نمود. این فرآیندها شامل از فشردن گرم؛ فشردن هم جانبه در دمای بالا؛ و فشردن خارج از قالب و در دمای بالا است.


مکانیزم ها و مراحل تفجوشی


همانطور که در مقاله گذشته اشاره شد، تفجوشی به عنوان یک روش حرارتی فرایندی جهت تولید مواد نانوساختار، از ماده اولیه پودری می‌باشد. در این روش ابتدا ماده اولیه، که به صورت پودر است، را پرس کرده و در کوره می‌گذارند و در نتیجه قطعه حجیم با استحکام مناسب از ذرات پودر بدست می‌آید. در حین تولید قطعه چگال با قرار دادن نمونه خام در دمای بالا مکانیزم ها و مراحل مختلفی رخ می دهد که در مبحث حاضر به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت.


مقدمه
همانطور که اشاره شد تف‌جوشی یا سینتر یکی از مهمترین روش‌های شکل‌دهی مواد فلزی و سرامیکی است که در آن ماده اولیه پودری، را پرس کرده و در کوره می‌گذارند. در دماهای بالای کوره، نفوذ اتمی تشدید شده و اتمهای ذرات مجاور در یکدیگر نفوذ کرده و ذرات را به هم می‌چسبانند. در نتیجه قطعه حجیم با استحکام مناسب از ذرات پودر بدست می‌آید. همچنین نیروی محرکه برای تفجوشی و نفوذ جهت پرکردن خلل وفرج موجود در ساختار، کاهش انرژی سطحی بیان گردید.
جهت تبدیل نمونه پودری به یک قطعه با استحکام مناسب و خواص مورد نطر، مکانیزم‌هایی در دمای بالای کوره اتفاق می‌افتد و این باعث بروز مراحلی در حین پروسه تف‌جوشی می‌شود که در این مقاله به آن ها خواهیم پرداخت.

2- مکانیزم‌های تف‌جوشی
فرایند تفجوشی مواد پلی کریستال توسط انتقال ماده از طریق مسیرهای مختلف انجام می‌شود که مکانیزم های تف‌جوشی را شامل می‌شود. مسیر انتقال ماده از نواحی با پتانسیل شیمیایی بالاتر به نواحی با پتانسیل شیمیایی خواهد بود. به طور کلی حداقل شش مکانیزم در تف‌جوشی مواد پلی کریستال وجود دارد که در شکل 1 آورده شده است.
این مکانیزم‌ها شامل نفوذ سطحی (Surface Diffusion)، نفوذ شبکه‌ای (Lattice Diffusion) از مرز دانه و از سطح، انتقال گاز (Vapor Transport)، نفوذ مرزدانه ای (Grain Boundary Diffusion) و تغییر شکل پلاستیک (Plastic Flow) می‌باشند. مکانیزم های تف جوشی باعث تشکیل اتصالات شیمیایی بین ذرات پودری شده و بنابراین استحکام نمونه خام، پودرهایی که تحت فشرده سازی سرد قرار گرفته است، در حین پروسه تف‌جوشی افزایش می‌یابد. با این وجود تنها تعدادی از این مکانیزم‌ها باعث انقباض یا چگالش ترکیب پودری می‌گردد. بنابراین می‌توان مکانیزم‌های تف‌جوشی را به دو دسته مکانیزم‌های چگالشی و مکانیز‌های غیر چگالشی تقسیم‌بندی کرد. بر این اساس مکانیزم هایی مانند نفوذ سطحی، نفوذ شبکه‌ای از سطح و انتقال گاز که باعث اتصالات شیمیایی شده ولی نقشی در چگالش پودر ایفا نمی‌کنند در دسته مکانیزم های غیر چگالشی؛ و مکانیزم‌هایی مانند نفوذ مرزدانه ای، نفوذ شبکه ای از مرزدانه و تغییر شکل پلاستیک که هم باعث اتصالات شیمیایی شده و هم چگالش پودرها را باعث می‌شوند، در دسته مکانیزم‌های چگالشی قرار می‌گیرند.








شکل1- مکانیزم های فرآیند تف‌جوشی مواد پلی کریستال


3- مراحل تف‌جوشی
جهت تهیه یک قطعه چگال در حین فرایند تف جوشی در دمای بالا مراحلی رخ می‌دهد. مراحل تفجوشی را می توان بصورت خلاصه چنین بیان نمود:

1-3- ایجاد پیوند اولیه بین ذرات پودر(Initial Bonding among Particles)
بیشترین تغییر در میزان استحکام، نه بیشترین استحکام، در این مرحله رخ می دهد، ولی انقباضی در ساختار اتفاق نمی افتد. قطعاتی که نیاز باشد دارای خلل وفرج بالا باشند فرایند تف جوشی آن ها در همین مرحله متوقف می شود. پیوند بین ذرات در این حالت در نقاطی که در تماس کامل با یکدیگر می باشند اتفاق می افتد.

2-3-رشد گلوگاه (Neck Growth)
در این مرحله شعاع انحنای گلوگاه، اتصال شیمیایی بین ذرات که به صورت گلوگاه است، تشکیل شده بین ذرات شروع به افزایش می کند . شکل 2 مراحل 1 و 2 تفجوشی را بصورت شماتیک نشان می دهد. در این شکل در مرحله ابتدا پیوند بین دو ذره ابتدا ایجاد می گردد، و در مرحله دوم این اتصال رشد می‌کند.







شکل 2– شبیه سازی مرحله اول و دوم تفجوشی به کمک دو گلوله شیشه ای در دمای 1000 درجه سانتیگراد​


مکانیزمهای مختلفی درمورد انتقال ماده در این مرحله مورد توجه قرار گرفته است. این مکانیزم ها به صورت خلاصه در جدول 1 آورده شده است.






جدول1 – مکانیزم های حاکم بر تفجوشی در مرحله رشد گلوگاه​





3-3- بسته شدن شبکه حفره ها(Pore Channel Closure)
بطور کلی حفرات درون ساختار را می توان به دو دسته تقسیم نمود:
حفرات مرتبط(Interconnected Pores): در این حالت هنوز ارتباط بین حفرات باقیمانده در سیستم از بین نرفته است و این حفرات کماکان در ارتباط هستند.
حفرات منفرد(Isolated Pores): در این حالت حفرات بصورت نقاط مجزا در ساختار وجود دارد و ارتباط آن ها از بین رفته است.
در این مرحله در اثر انجام مکانیزم های نفوذی حفرات از حالت مرتبط به منفرد تبدیل می شوند.

4-3- مدور شدن حفرات (Pore Rounding)
همانطور که مشخص است حفرات با شکل های مختلف دارای انرژی های متفاوتی هستند که این موضوع به دلیل سطح ویژه متفاوت آن ها می باشد. در این میان حفرات کروی به دلیل سطح حداقلی خود دارای کمترین انرژی می باشند. در این مرحله در اثر کاهش انرژی سطحی، شکل حفرات از حالت غیر منظم به حالت گرد تبدیل می شود.

5-3- چگالش یا انقباض حفره ای (Densification or Pore Shrinkage )
در این مرحله حفرات شروع به از بین رفتن می کنند. مسئله ای که در اینجا بسیار حایز اهمیت است، محل قرار گرفتن حفره جهت انجام فرآیند انقباض است. از سوی دیگر مرزدانه بعنوان یک مسیر مناسب جهت انجام فرآیند نفوذ مطرح می باشد و از بین رفتن حفرات در اثر فرآیند نفوذ وقتی بخوبی انجام می گیرد، که حفرات در مرزدانه حضور داشته باشند. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، وقتی حفره ای در مرزدانه قرار دارد، انتقال ماده جهت انقباض آن نه تنها از طریق مرزدانه بلکه از درون دانه نیز انجام می پذیرد. از طرف دیگر انقباض و انتقال ماده یک فرآیند هم جانبه خواهد بود. این در حالیست که در صورت حضور حفره در درون دانه، انقباض آن از هم طرف یکسان نخواهد بود. جدا شدن حفرات از مرزدانه در اثر تحرک بالای آن نه تنها موجب باقیماندن حفرات در ساختار می شود، بلکه موجب عدم رسیدن به دانسیته های بالا در پایان تفجوشی خواهد شد.







شکل 3– تأثیر جدا شدن یک حفره از مرزدانه و تفاوت مسیر نفوذی در انقباض آن (شکل a : حفره جدا از مرزدانه و نفوذ از درون دانه، شکل b : حفره متصل به مرزدانه و نفوذ از درون دانه و خود مرزدانه).​


همانطور که می دانیم یکی از پدیده های مرسوم که هنگام بالا رفتن دما برای تمام مواد پلی کریستال رخ می دهد پدیده رشد دانه است. بزرگ شدن دانه ها خواص مکانیکی مواد را تضعیف می نماید. بنابراین در تمام فرآیندهای تولید جلوگیری از رشد دانه از اهمیت بسیار بالایی برخوردارست. بنابراین هر عاملی که بتواند تحرک مرز دانه یا Mobility آنرا کمتر نماید، می تواند با جلوگیری از رشد دانه در بهبود خواص مکانیکی سودمند باشد. وجود حفرات و همچنین ناخالصی ها با نیروی بازدارنده ای که به مرز وارد می نمایند تحرک آنرا تا حد زیادی کاهش می دهند.

اگر میزان تحرک مرزدانه را با Mb نمایش دهیم و نیروی محرکه حرکت آنرا برابر F در نظر بگیریم آنگاه سرعت حرکت مرزدانه از رابطه زیر تبعیت می نماید.




هنگامیکه تعداد N عدد حفره در واحد سطح مرزدانه به آن متصل باشند و نیرویی که به مرزدانه وارد می کنند برابر F[SUB]p[/SUB] باشد، آنگاه می توان در مورد سرعت حرکت مرزدانه چنین بیان نمود:




از آنجا که اتصال حفره و مرزدانه به معنی برابر بودن سرعت حرکت ایندو است ، بنابراین داریم:




بر این اساس میزان تحرک مرزدانه بر اساس رابطه زیر کاهش می یابد:




در مورد این رابطه می توان چنین اظهار نمود که اگر NM[SUB]b[/SUB]>>M[SUB]p[/SUB] باشد، آنگاه میزان تحرک مرزدانه از رابطه M[SUB]NET[/SUB]=M[SUB]p[/SUB]/N تبعیت می نماید، که تابع تعداد حفرات متصل به مرز است. در حالت دیگر اگر NM[SUB]b[/SUB]<<M[SUB]p[/SUB] نیروی اعمالی از سوی حفرات بر مرزدانه قابل صرفنظر بوده و M[SUB]NET[/SUB]=M[SUB]b[/SUB] خواهد بود. در این حالت حفرات، دیگر نقشی در تحرک مرزدانه ندارند. عامل تعیین کننده در این حالت نیروی بازدارنده ای است که از سوی اتمهای حل شده و ناخالصی ها به مرزدانه وارد می شود. حالت دیگری نیز وجود دارد که تحرک مرزدانه از حفره آنقدر بیشتر است، که مرزدانه براحتی از حفره جدا می شود و حفره بدرون دانه می رود. بر اساس مطالب گفته شده نقشه مربوط به اتصال یا عدم اتصال حفره به مرزدانه در شکل 4 آمده است.






شکل 4– نقشه حفره- مرزدانه جهت پیش بینی جدایش یا عدم جدایش حفره از مرزدانه


این نقشه شدیداً تابعی از میزان حفرات و همچنین درصد ناخالصی موجود در سیستم می باشد. بر طبق این نقشه، اساس جدایش حفرات از مرزدانه، اندازه دانه و اندازه حفره می باشد. هنگامی که اندازه حفرات به نسبت اندازه دانه بزرگ باشد، حفرات بصورت متصل به مرز باقی می مانند و می توان اظهار نمود که عامل مؤثر در کند شدن حرکت مرزدانه همان حفرات می باشد(Pores attached, Pore drag). اما اگر حفرات به نسبت دانه کوچک باشند، آنگاه وجود یا عدم وجود این حفرات تأثیری در تحرک مرزدانه ندارد و تنها ناخالصیهای موجود درسیستم حرکت مرز دانه را کند می کنند. در این حالت نیز حفرات بصورت متصل باقی خواهند ماند(Pores attached, Solute drag). درحالت سوم اگر اندازه حفرات و دانه ها به یک نسبت بزرگ باشند، جدایش بین حفره و مرزدانه رخ خواهد داد، که مطلوب نیست(Pores Separate, Solute drag). اندازه حفرات و اندازه دانه نباید به این منطقه بحرانی برسد، در غیر اینصورت چگالش در حین تفجوشی بخوبی انجام نمی گیرد.

با افزایش دانسیته ماده در حین تفجوشی و افزایش اندازه دانه ها در سیستم امکان تحرک آنها افزایش یافته و امکان جدایش جدایش حفرات از دانه ها بیشتر می شود. نقشه شکل5 رسیدن به مرز جدایش بین حفرات و مرزدانه را نشان می دهد. مسیر نشان داده شده در شکل مسیر افزایش اندازه دانه ها برحسب دانسیته می باشد.







شکل5- جدا شدن حفرات از مرزدانه با زیاد شدن دانسیته و افزایش اندازه دانه ها در سیستم آلومینا با مقادیر اندکی منیزیم (مسیر نشان داده شده مسیر انجام فرآیند تفجوشی است) خطوط نقطه چین مربوط به عدم حضور ناخالصی در سیستم است​


برای جلوگیری از عدم جدایش حفرات از مرزدانه دو راه وجود دارد:
1- در بسیاری از موارد برای کم کردن سرعت حرکت مرزدانه و جلوگیری از رشد دانه، ناخالصیهایی در حد ppm به سیستم افزوده می شود تا با کم کردن تحرک مرزدانه از جدایش حفرات از مرزدانه جلوگیری کنند. بعنوان مثال در مورد سیستم آلفا- آلومینا اضافه کردن مقادیر جزئی MgO ، SiO[SUB]2[/SUB] ، Y[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] و یا ZrO[SUB]2[/SUB] می تواند علاوه بر ریز کردن دانه بندی نهایی در رسیدن به دانسیته های بالا نیز مؤثر باشد.

2- با افزایش سرعت گرم کردن، پیش از افزایش نرخ رشد دانه، چگالش را در قطعات ایجاد نماییم. شکل 6 این تأثیر را بخوبی نشان می دهد.







شکل6 – تأثیر افزایش سرعت گرم کردن در حین تفجوشی و رسیدن به دانسیته های بالا با دانه بندی ریز در سیستم آلومینا



6-3- بزرگ شدن حفرات (Pore Coarsening)
در این مرحله حفرات بزرگ به قیمت از بین رفتن حفرات کوچکتر بزرگتر شده و تعداد زیاد حفرات ریز و پراکنده به تعداد کم حفرات درشت بدل می شوند. این موضوع به دلیل تمایل ماده به کم کردن انرژی خود از طریق کاهش سطح حفرات باقی مانده می باشد.

شکل 7 تصویر میکروسکوپی یک نمونه در مراحل اولیه، مراحل میانی و مراحل پایانی تف‌جوشی نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود با پیشرفت فرایند تف‌جوشی، میزان تخلخل در ساختار کاهش یافته و اتصال شیمیایی بین ذرات ایجاد می‌گردد.







شکل 7- تصویر میکروسکوپی یک نمونه در: (a) مراحل اولیه، (b) مراحل میانی و (c) مراحل پایانی تف‌جوشی


4- نتیجه گیری


  • مکانیزم‌ها شامل نفوذ سطحی (Surface Diffusion)، نفوذ شبکه‌ای (Lattice Diffusion) از مرز دانه و از سطح، انتقال گاز (Vapor Transport)، نفوذ مرزدانه ای (Grain Boundary Diffusion) و تغییر شکل پلاستیک (Plastic Flow) می‌باشند که برخی از آنها مکانیزم‌های چگالشی و برخی دیگر مکانیزم‌های غیر چگالشی می‌باشند.


  • [*=left]مراحل تف‌جوشی شامل ایجاد پیوند اولیه بین ذرات پودر، رشد گلوگاه، بسته شدن شبکه حفره ها، مدور شدن حفرات، چگالش یا انقباض حفره ای و بزرگ شدن حفرات می‌باشد.
 
  • Like
واکنش ها: quan
Similar threads
Thread starter عنوان تالار پاسخ ها تاریخ
9 نانو شیمی فیزیک 1
ghxzy نانو ذرات شیمی فیزیک 12

Similar threads

بالا