الیاف سرامیکی (3)

الیاف غیر اکسیدی

یک تکنولوژی جدید، تولید الیاف با قطر بسیار کوچک می باشد (این اندازه در حد 50 نانومتر است). این الیاف بوسیله‌ی ریسندگی یک فیبر آلی پیش ماده از پیپت و جمع آوری آن در داخل یک صفحه‌ی جمع آوری، تولید می شوند. یک ولتاژ بالا (در حد چند دخ ده کیلوولت) از میان پیپت عبور می کند و به صفحه می رسد و پلیمر از پیپت به صفحه انتقال می یابد. این الیاف عموماً بر روی صفحه جمع آوری می شوند و به صورت آرایه ای تصادفی قرار می گیرند اگر چه رویه به صورتی است که موجب منظم شدن الیاف می شود. این الیاف بسیار ریز هستند و بررسی آنها با استفاده از روش های معمولی قابل انجام نمی باشد اما می توان یک توده یا بسته از این الیاف را مورد بررسی قرار داد. این الیاف همچنین می توانند تحت سیکل های مشابه پیرولیز قرار گیرند. در حال حاضر، این تکنولوژی هنوز در مرحله‌ی آزمایشگاهی است به نحوی که داده های اندکی در مورد این مسئله وجود دارد و به هر حال، می توان قطر نانومتری را برای این الیاف در نظر گرفت. این قطر احتمالاً می تواند خواص استثنایی قابل توجهی فراهم آورد. این مسئله در اصل به دلیل این اتفاق می افتد که حرکت نابجایی ها باید محدود گردد به نحوی که استحکام بالا و نرخ خزش پایین می تواند مورد انتظار باشد. در مقیاس آزمایشگاهی، الیاف اکسیدی مانند آلومینا، زیرکونیا، اکسید تیتانیوم و الیاف کربنی تولید شده اند اما به خوبی و کامل مورد بررسی قرار نگرفته اند.

خواص

الیاف شیشه

خواص مکانیکی یک گستره از الیاف شیشه ای در جدول 1 نشان داده شده است. به دلیل اینکه استحکام و کرنش های شکست خاصیت های ذاتی یک ماده نیستند، این ممکن است که یک گستره از ارقام را برای این مواد پیدا کنیم. خواص فیزیکی مربوط به الیاف شیشه در جدول 2 آورده شده است.
الیاف شیشه در زمانی که تحت بارهای ثابت و غیر نوسانی واقع می شوند، می شکنند. این شکست به دلیل خزش رخ می دهد اما برخی اوقات، این شکست را خستگی استاتیک نیز می نامند. در این فرایند، عیوب میکروسکوپیک تحت اثر تنش اعمال شده، رشد می کنند. وقتی این عیوب به اندازه‌ی بحرانی برسد، این الیاف می شکنند. رشد ترک در شیشه اولین بار بوسیله‌ی گریفیس مورد بررسی قرار گرفت. این فرد در مورد انرژی مورد نیاز برای اشاعه‌ی یک ترک در محیط الاستیک، صحبت کرده است. انرژی مورد نیاز برای جدا کردن دو سطح شکست می تواند بوسیله‌ی محیطی اصلاح گردد که در آن شیشه واقع شده است. برای مثال، آب می تواند تنش های آستانه‌ی مربوط به اشاعه‌ی ترک را کاهش دهد. جدول 3 جزئیات مربوط به مقاومت شیمیایی الیاف شیشه در محیط های مختلف را مورد ارائه کرده است.

الیاف آلومینوسیلیکات

مدول یانگ این الیاف در مقایسه با الیاف آلومینای خالص، کمتر است و یک چنین الیافی با هزینه های پایین تری تولید می شوند. این الیاف علاوه بر سهولت در استفاده که به دلیل سفتی پایین تر می باشد، مواد جذابی برای استفاده در کاربردهای عایق کاری هستند (در غیاب بار قابل توجه توانایی تحمل را تا دمای ℃ 1500 را دارند). یک چنین الیافی همچنین برای تقویت آلیاژهای آلومینیوم در گستره‌ی دمایی بین 300 تا ℃ 350 مورد استفاده قرار می گیرد. الیاف پیوسته از این نوع می تواند به دلیل مدول یانگ پایین، به خوبی بافته شوند. به هر حال، در صورت اینکه این الیاف در معرض حرارت بالا قرار گیرند، تغییرات ریزساختاری در آنها ایجاد می شود. تمام فازهای انتقالی تغییر می کنند و در دمای ℃ 1100 ، به فاز آلومینا تبدیل می شوند. اگر مقداری سیلیس آمورف در این فیبر وجود داشته باشد، این الیاف در این دماها شروع به نرم شدن می کنند و همچنین در این دما لغزش و خزش در الیاف رخ می دهد. علاوه بر این، مولایت ممکن است در حدود ℃ 1000 شروع به تشکیل کند و در حدود دمای ℃ 1200، کریستوبالیت نیز تشکیل می شود. پیوندهای یونی که در اکسیدها ایجاد می شود موجب پدید آمدن نرخ های خزش سریع تر نسبت به نرخ خزش مشاهده شده در سرامیک های کوالانسی مانند سیلیکون کاربید، می شود.

الیاف آلومینوسیلیکاتی ریسیده شده از مذاب

اشکال غیر منظم و قطر ریز این الیاف، فرایند شناسایی خواص را با مشکل مواجه می کند و بیشتر اطلاعات موجود، خواص محصولات نهایی را بیان کرده اند. به هر حال، جدول 4 برخی داده ها در مورد الیاف نمونه واری را نشان داده است که بوسیله‌ی فرایند ریسندگی از حالت مذاب، تولید شده اند.
برای بیشتر الیاف سرامیکی تولید شده و در تولیدیل انواع مختلفی از محصولات، محصولات با گرید استاندارد مورد استفاده قرار می گیرد. کامپوزیت آنها دارای 47-51 % آلومینا و 49-53 % سیلیس می باشند و این مسئله اجازه‌ی تولید محصولات با قطر کوچک را می دهد. در این گستره از ترکیب شیمیایی، تغییر اندکی در مقاومت گرمایی ایجاد می شود. به هر حال، وقتی اکسیدهای قلیایی مانند اکسید سدیم و اکسید پتاسیم، مورد استفاده قرار گیرد، میزان مقاومت گرمایی مواد تا حد زیادی تغییر می کند. آلودگی های مربوط به کائولن می تواند با سیلیس ترکیب شوند و نقطه‌ی ذوب را کاهش دهد. این مسئله موجب شکسته شدن فیبر می شود. حضور اکسید وانادیوم می تواند همچنین تخریب های ایجاد شده در فیبر را افزایش دهد. این کار با ایجاد نقطه‌ی ذوب پایین به دلیل وجود ناخالصی، بوجود می آید. مقاومت گرمایی افزایش یافته با افزایش میزان فاز آلومینا انجام می شود اگر چه تولید این گرید از الیاف نیز با مشکل مواجه است و موجب می شود تا میزان شات موجود در الیاف افزایش یابد.
هر دو فیبر ذکر شده در بالا، در هنگام برخورد با دمای بالاتر از ℃ 1200، شرینکیج قابل توجهی را متحمل می شوند که علت آن، ایجاد تغییرات فازی به دلیل دمای بالا می باشد. افزودن اکسید کروم موجب جلوگیری کردن از ایجاد این تغییرات فازی و در نتیجه، کاهش شرینکیج می شود. الیاف مقاوم در برابر عوامل بیولوژیک که شامل اکسید کلسیم، اکسید منیزیم و سیلیس است، دارای مقاومت حرارتی پایین تری است و استفاده از آن به دماهای پایین تر از ℃ 1000 محدود است.
تمام این الیاف در دماهای بالا، تحت تغییرات ریزساختاری قرار می گیرند و این مسئله موجب محدود شدن استفاده‌ی آنها می شود. آلومینا و سیلیس، ترکیب می شوند و در دمایی در حدود ℃ 970، مولایت تشکیل می شود و کریستوبالیت که شکل کریستالی سیلیس است، در دمایی در حدود ℃ 1260 تشکیل می شود. این تغییرات در یک دوره‌ی زمانی طولانی و در زمانی که الیاف تحت دماهای بالاتر از این گستره قرار می گیرند، فاجعه آمیز است. RCF استاندارد در دمای ℃ 1100 و بعد از 3000 ساعت، شروع به رسوب دهی کریستوبالیت می کند اما در دمای ℃ 1200، این زمان به 300 ساعت کاهش می یابد و در دمای 1300 درجه، این زمان به 50 ساعت کاسته می شود. گرید 1400 این الیاف دو برابر زمان ذکر شده، مقاوم است. اثرات این تغییرات فازی به دلیل رشد دانه های مولایت از 30 نانومتر در دمای ℃ 1100 و 100 نانومتر در دمای ℃ 1300 می باشد. توسعه‌ی این دانه های مولایت موجب کاهش انعطاف پذیری فیبر می شود و این مسئله در برخی اوقات منجر به فعال شدن فعالیت نفوذی در الیاف و در نهایت، تردی فیبر می شود. شرینکیج ساختار الیاف همچنین در زمانی رخ می دهد که کریستالیزاسیون شروع شود و میزان بالاتری آلومینا موجب افزایش میزان شرینکیج می شود. گرید استاندارد که به مدت 100 ساعت در دمای ℃ 1100 حرارت دهی شده است، 2 % شرینکیج متحمل می شود. این شرینکیج در دمای 1200 درجه، 2.8 % شرینکیج متحمل می شود. گرید 1400 تحت شرایط بالا، 2.1 و 3.6 % شرینکیج متحمل می شود.

الیاف بر پایه‌ی آلومینا که از پیش ماده تولید شده است

الیاف آلومینای بحث شده در بخش قبل، دارای یک گستره از ترکیب شیمیایی است. این الیاف می توانند کوتاه یا پیوسته باشند. خواص آنها در دمای اتاق وابسته به میزان آلفا آلومینای مورد استفاده می باشد. در دمای بالا نیز، این مسئله به حضور فازهای ثانویه وابسته است. فیبر سافیل شامل یک مقدار اندک سیلیس می باشد و بقیه‌ی ترکیب آن، آلومیناست. فاز آلومینا در این فیبر یکی از فازهای ناپایدار آلومینا و یا مخلوطی از فازهای ناپایدار و آلفا آلومینا می باشد. جدول 5 تغییرات موجود در فرآوری این نوع از فیبرها را مشاهده می کنید. خواص الیاف بر پایه‌ی آلومینا در جدول 6 نشان داده شده است. شکل 1 نمودارهای مربوط به کشش الیاف آلومینای آلفای خالص، الیاف FP دارای انددازه‌ی دانه‌ی 0.5 میکرون را نشان می دهد.
این را می توان مشاهده کرد نه تنها استحکام افت می کند، بلکه همچنین رفتار ماده از حالت الاستیک خطی در زیر دمای ℃ 1000، به تغییر شکل پلاستیک در دمای ℃ 1100 و بالاتر از آن، تبدیل می شود. در دمای ℃ 1300، فیبر به طور قابل توجهی تغییر شکل می دهد به نحوی که در یک لحظه، ماشین تست کشش به انتهای خود می رسد، بدون آنکه فیبر بشکند. افت استحکام این فیبر به عنوان تابعی از دما در شکل 2 نشان داده شده است.
الیاف FP در دمایی در حدود ℃ 1000، متحمل خزش می شوند و نرخ خزش با افزایش دما، افزایش می یابد (شکل 3). افزودن زیرکونیا به الیاف PRD-166 موجب درشت شدن ساختار آلفا آلومینا و الیاف FP می شود و استحکام دمای اتاق این فیبرها بهبود می یابد اما بهبود ایجاد شده برای الیاف نکستل 610، به دلیل اندازه‌ی دانه‌ی کوچکتر آنها می باشد. به هر حال، مزیت مربوط به استحکام که بوسیله‌ی این دو مکانیزم حاصل شده است، در دمای ℃ 1200 از بین می رود و در این دما حتی نکستل 610 نیز تنها 30 % استحکام خود در دمای محیط را حفظ می کنند. الیاف Almax از جنس آلفا آلومینا که دارای اندازه‌ی دانه‌ی کوچکتر نسبت به الیاف FP است، دارای مدول یانگی کوچکتر نسبت به دو فیبر آلفا آلومینایی است زیرا حدود 9 % تخلخل دارد و این مسئله منجر به افت استحکام کششی آنها می شود (شکل 4).
شکل 5 رفتار خزش مربوط به سه فیبر آلفا آلومینای خالص را نشان می دهد. این را می توان مشاهده کرد که خزش فیبر FP در هر دما، پایین ترین مقدار است. دانه های کوچکتر در نکستل 610 موجب می شود تا این فیبر سریع تر خزش پیدا کندد در حالی که تخلخل و تنش های باقیمانده در الیاف Almax به گونه ای است که موجب شده است این فیبر سریع ترین خزش را داشته باشد.
شکل 6 رفتار خزش ااز دمای 1100 درجه تا 1300 درجه را برای چندین فیبر نشان می دهد. این الیاف عبارتند از الیاف FP، الیاف نکستل 610 که بیان کننده‌ی الیاف آلومینای خالص هستند، الیاف PRD-166 و نکستل 650 که الیاف زیرکونیا- آلومینا هستند و نکستل 720 که بیان کننده‌ی الیاف آلومینا- مولایت هستند. سه پارامتر مختلف وجود دارد که این الیاف را از هم متمایز می کند: یکی اندازه‌ی دانه، یکی نوع فاز ثانویه و دیگری جدایش بین دانه ای در مرزدانه های آلومینا/ آلومینا. در دمای ℃ 1100، شکل 6a مزیت های افزودن زیرکونیای پایدار شده با ایتریا را به وضوح نشان می دهد. الیاف آلومینای خالص با نام نکستل 610 و الیاف نکستل 650 که دارای زیرکونیا هستند، دارای اندازه‌ی دانه‌ی آلفا آلومینای ایده آل هستند اما فیبر آخری در نرخ های بسیار پایین تر نسبت به سایر فیبرها، متحمل خزش می شود. این اثر به اندازه‌ی کافی بزرگ است تا بوسیله‌ی آن بتوان بر اثرات مربوط به اندازه‌ی کوچک دانه های آلفا آلومینای الیاف نکستل (0.1 میکرون) فایق آییم. تا دمای ℃ 1200، شکل 6b نشان می دهد که بهبود در نرخ های خزش با افزودن زیرکونیا به طور واضح در مقایسه با الیاف نکستل، FP و PRD-166 حفظ م گردد. به هر حال، در دمای ℃ 1200، تفاوت در نرخ خزش مشاهده شده برای نکستل 610 و 650، در مقایسه با این نرخ ها در دمای ℃ 1100، کاهش می یابد. این مسئله بین الیاف FP و PRD-166 نیز مشاهده می شود. در دمای 1300 درجه، شکل 6c این مسئله را آشکار می کند که حضور زیرکونیا اثری بر پدیده‌ی خزش ندارد و تفاوت میان اندازه‌ی دانه می تواند توضیح دهد که چرا الیاف PRD-166 از خود نرخ های خزشی نشان می دهند که یک مرتبه از نرخ های مربوط به الیاف نکستل 650، پایین تر است. اگر چه نکستل 720 (آلومینا- مولایت)، در دمای ℃ 1100، دارای حساسیت بالایی نسبت به محیط خود هستند، این فیبر در دمای 1300 درجه، نرخ خزشی 5000 برابر کمتر از الیاف نکستل 650 از خود بروز می دهد. این خواص خزشی استثنایی به دلیل حضور مولایت است. البته علاوه بر مولایت، تغییر در ریزساختار و ایجاد ساختاری با دانه های آلفا آلومینای کشیده، نیز از جمله موارد مؤثر می باشد.
ترکیب سیلیس با آلومینا می تواند موجب شود تا فازهای گذرای آلومینا حفظ گردد، مشابه الیاف Altex، اما ترکیب شدن سیلیس در نکستل 480 موجب می شود تا ساختار مولایت تشکیل شود در حالی که ترکیب سیلیس در الیاف نکستل 720 موجب می شود تا ساختار مولایت به نحوی تشکیل شود که مولایت در داخل دانه های آلفا مولایت قرار داشته باشند. به هر حال، تمام این الیاف استحکام خود را در بالای دمای ℃ 1100 از دست می دهند (شکل 7). این الیاف دارای رفتار خزشی بسیار متفاوتی هستند. این مسئله در شکل 8 دیده شده است. در این شکل مشاهده می شود که الیاف نکستل 720 دارای پایین ترین نرخ خزش در میان تمام الیاف اکسیدی است.

الیاف تک کریستالی اکسیدی و پیوسته

شکل 9 نتایج تنش کششی شکست بدست آمده در آزمایشگاه را نشان می دهد که در مورد الیاف آلفا آلومینای تک کریستال می باشد. در این الیاف محور C کریستالوگرافی با محور فیبر موازی است. این الیاف دارای قطر 125 میکرون هستند. افت مشاهده شده در مورد استحکام که در حدود 300 درجه مشاهده می شود، سپس با افزایش این استحکام در دمای 500 درجه، همراه است. این افت احتمالاً به دلیل خوردگی تنشی و گسترش ترک ها حاصل می شود. این فیبر بدون عیب است و الگوهای جبابی موجود در آن، در اندازه‌ی 1 میکرون است. این الگوها احتمالاً به دلیل وجود جریان های همرفتی است که در طی رشد الیاف در نقطه‌ی هلالی میان جامد و مذاب حاصل شده است.
مورفولوژی شکست الیاف سافیکون آلفا آلومینا به طور واضح صفحات کلیواژ در ساختار کریستالی را نشان می دهد. آلفا آلومینا دارای ساختار کریستالوگرافی رومبوهدرال است که به طور قابل توجهی ایزوتروپیک است به نحوی که خواص کششی و خزشی دما بالا، به طور قابل توجهی وابسته به جهت گیری کریستالوگرافی فیبر و بار اعمال شده است. در جدول 7 مقادیر استحکام کششی الیاف آلومینای YAG را نشان می دهد.
یک مقایسه در مورد نرخ خزش الیاف آلفا آلومینای تک کریستال و الیاف آلومینای YAG در دمای ℃1400 ، این مسئله را آشکار ساخته است که فیبر اول هیچ خزشی را از خود نشان نمی دهد در حالی که فیبر دوم در نرخ های 〖10〗^(-9) S^(-1) متحمل خزش می شود. این ساختار تا دمای ℃ 1400، پایدار است. عملیات حرارتی طولانی الیاف آلومینایی YAG در دمای ℃ 1500، موجب ایجاد تطابق در ریزساختار می شود.
سایر یوتکتیک هایی که به صورت جهت دار رشد داده شده اند و خواص آنها مورد بررسی قرار گرفته است اما به دلیل هزینه های تولید بالای آنها، به صورت گسترده مورد بررسی قرار نگرفته اند.
در جدول 8 داده های مربوط به ویسکرهای اکسیدی اورده شده است.

نتیجه گیری

اکسیدها مشابه تمام سرامیک ها، موادی ترد هستند و این مواد در گستره‌ی ترکیب مختلف برای تولید الیاف استفاده شده اند. این الیاف اغلب انعطاف پذیر می باشند و از آنها در صنایع مختلف استفاده می شود. انعطاف پذیری تابعی از قطر فیلمان تولیدی است به نحوی که بیشتر فیلمان ها دارای قطری کمتر از 20 میکرون هستند. الیاف شیشه مهم ترین تقویت کننده‌ی مواد کامپوزیتی است و به هر حال، دارای مقادیر قابل توجهی سیلیس می باشد و همچنین دارای سفتی نسبتاً پایینی است. سایر الیاف دارای مقادیر آلومینای بالا، استفاده هایی در عایق کاری دیرگدازها و به عنوان بخش های تقویت کننده، دارد. الیاف اکسیدی با روش های مختلفی تولید می شوند؛ برخی از این الیاف از مذاب تولید می شوند مانند الیاف شیشه و الیاف کوتاه آلومینوسیلیکاتی. الیاف کوتاه آلومینوسیلیکاتی برای عایق کاری در دماهای بالاتر از ℃ 1600 مورد استفاده قرار می گیرد. قرارگیری در معرض دماهای بالاتر از 1200 برای مدت های طولانی موجب تغییر در ریزساختار می شود و به هر حال موجب تخریب این الیاف می شود. الیاف اکسیدی تولید شده از روش سل ژل برای استفاده در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرند (اغلب به صورت تقویت کننده). این الیاف خواص خود را تا دمای 1000 درجه حفظ می کنند اما در بالای این دما، خزش و افت استحکام بواسطه‌ی فرایندهای مختلف، رخ می دهد. تلاش ها برای بهبود خواص این الیاف در بالاتر از دمای 1000 درجه، موجب کنترل بهتر خزش شده است اما کاهش استحکام هنوز هم مسئله‌ی اصلی است.
الیاف اکسیدی با قطر بزرگتر تولید شده اند اما هزینه های تولید آنها بالاتر است و خم کردن آنها نیز با مشکل مواجه است. این مسئله به طور مستقیم به قطر آنها وابسته است و موجب محدود شدن کاربردهای آنها می شود. فرایندهای تولید جدید که در حال حاضر در مرحله‌ی تحقیق می باشند، می توانند هزینه های مربوط به تولید را کاهش دهند و می توانند آینده‌ی روشنی برای این فیلمان ها ترسیم کنند.
اشکال دیگر مربوط به الیاف اکسیدی بسیار باریک نیز در حال توسعه می باشند. ویسکرهای تک کریستال دارای ریسک سلامت هستند و همچنین در زمینه‌ی استفاده از آنها مشکل وجود دارد. علت این مسئله، این است که ابعاد آنها بسیار نازک است و استفاده از آنها به همین دلیل، محدود است. الیاف اکسیدی نانومتری که در حال توسعه می باشد، ممکن است به اندازه‌ی کافی نازک باشند به نحوی که بتوان از آنها در تکنولوژی کریستال مایع استفاده شود. این مسئله و بررسی آنها باید در آینده انجام شود.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.