الياف فلزي (2)

مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : اختصاصی سایت راسخون

توليد الياف فلزي به روش ريسندگي

روش ريسندگي الياف ازحالت مذاب شايد معمولي ترين تکنيک جهت توليد الياف از مواد پليمري و شيشه هاي بر پايه ي سيليس باشد.به هر حال اين تکنيک را براي توليد الياف فلزي مناسب نيست زيرا فلز مذاب داراي ويسکوزيته ي پاييني است. (مانند آب عمل مي کند) همچنين، داراي انرژي سطحي بالايي است. اين ويژگي هاي فلزات عموماً مانعي در برابر استفاده از روش قالب گيري و يا اکسترود آنها از حالت مذاب جهت توليد الياف فلزي مي باشد. اگر کسي بخواهد از روش ريسندگي مذاب فلزي را به فيبر تبديل کند، با اين مشکل روبرو مي شود که هنگامي که فيلامنت ها از درون روزن ران خارج مي گردند به حالت قطره در مي آيند. شرط لازم جهت ريسندگي يک فيبر از مايع اين است که مايع خارج شده از روزن ران بايد پيش از تبديل شدن به قطره، سرد گردد وبه حالت فيبر درآيد. بنابراين اين گونه به نظر مي رسد که براي توليد الياف فلزي بوسيله ي ريسندگي مذاب بايد از روشي استفاده شود که در آن الياف فلزي سريعاً پس ازخروج از روزنه ها سرد شوند. يک چنين روشي معمولاً در نوشته ها به نام روش ريسندگي مذاب فري فليت ( Free- Flight melt-spinning ) معروف است.
پوند (1961) فلز مذاب را از ميان يک نازل به داخل اتمسفر خنثي فرستاد. او اين کار را با سرعت بالا و کافي براي جلوگيري از تشکيل قطرات انجام داد و پيش از آنکه فلز مذاب وارد شده به محيط خنثي به قطره تبديل گردد، فرآيند انجماد در آن رخ مي دهد. استفاده از هليوم يک انتقال دهنده ي گرمايي با قدرت بالا توانست يک انجماد سريع را در فيبر فلزي ايجاد کرده و باعث گردد جريان پايداري تشکيل گردد. انجلکي ( 1967 engelki ) فلز مذاب را از ميان روزنه اي به داخل يک مايع مناسب فرستاد که بوسيله ي يک جريان مذاب احاطه گشته بود.همچنين مي توان از روش ارائه شده بوسيله ي آلبرو اسميت (1965alber and smith-) استفاد کرد در اين روش از يک آلياژکه تشکيل اکسيد پايدار و نامحلول در فلز مذاب مي دهد، استفاده مي شود. آلياژ مذاب به داخل يک محيط اکسايش دهنده فرستاده در حالي که يک لايه ي اکسيدي بر روي باريکه ي خارج شده تشکيل مي شود. قلع را به وسيله ي اين روش به فيلامنت تبديل مي کنند. مزيت قلع دراين است که قلع دماي ذوب پاييني دارد.در واقع اين مسأله اجازه مي دهد که بتوان از رشته سازهاي متنوعي (از لحاظ ماده ي تشکيل دهنده) استفاده کرد و بتوان عمل اکسيداسيون را به سرعت در هوا انجام داد. تشکيل سريع لايه ي اکسيد قلع بر روي سطح رشته باعث مي شود تا جريان مذاب پايدار گردد و از تبديل شدن رشته به قطره جلوگيري مي شود. مهمترين نياز در تمام فرآيندهاي ريسندگي فيبر تشکيل جريان پايدار (آرام ياتور بولانت) از مايع است.

ريزساختار و خواص الياف فلزي

فلزات هنگامي که به شکل سيم درآيند، استحکام بالايي پيدا مي کنند. اين استحکام بالا از پديده ي کار سختي فلز در طي کار مکانيکي نشأت گرفته است. کار سختي يا کرنش سختي يعني اينکه فلز هنگامي که تحت کار سرد قرار گيرد، محکم مي شود. در واقع استحکام يا جريان تنش آنها به عنوان تابعي از کرنش شان افزايش يافته و با توجه به آن نرمي و تافنس کاهش مي يابد. منشأ پديده ي کار سختي، افزايش دانسيته ي نابجايي در طي فرآيند کار سرد فلز است. به هر حال مدول به شکل قابل توجهي با تغيير شکل تغيير نمي کند. مزيت بزرگ ديگر براي فيلامنت هاي فلزي اين است که آنها ارقام استحکام يکنواخت تري نسبت به الياف سراميکي از خود نشان مي دهند. مدول ويبول (weibull modulus) براي الياف فلزي به ميزان قابل توجهي از الياف سراميکي بيشتر است.
برليوم، فولاد، تنگستن مي توانند ترکيبي از مدول، استحکام و ديرگدازي را از خود نشان دهند. مخصوصاً برليوم داراي مدول بالايي (حدود 300gpa) است و داراي دانسيته ي پاييني (108g/cm به توان 3) مي باشد. طبيعت سمي اين ماده ايجاب مي کند تا با احتياط با اين ماده کار کرد. همين امر موجب مي گردد تا اين ماده گران باشد. استحکام اين ماده نسبتاً پايين (1300mpa) باشد. در زيل فرآيند توليد، زيرساختار برخي از فيلامنت هاي فلزي را مورد بررسي قرار مي دهيم.

تنگستن

سيم هاي تنگستني در اصل براي لامپ هاي الکتريکي توسعه يافتند. اين کاربرد هنوز هم يکي از مصرف کننده هاي عمده ي تنگستن است. اين ماده دماي ذوب بالا (3400 درجه سانتيگراد)، مدول بالا (414gpa) و دانسيته ي بسيار بالايي (1903g/cm به توان 3) دارد. ساختار تنگستن مکعب مرکز پر (bcc) است. اين ماده تا حدي از حالت نرمال ايزوتروپيک خارج است. (حتي در حالت تک کريستال). غير از بدي دانسيته ي بالا، تنگستن به آساني اکسيد مي شود و اکسيد آن احتمالاً در دماي کاربرد بخار مي گردد. ويژگي هاي تنگستن عبارتند از دماي ذوب بالا، مدول الاستيکي و استحکام بالا. که با ويژگي هاي مقاومت الکتريکي بالا همراه گشته است.

لامپ هاي الکتريکي امروزي وسايل ساده اي هستند. در اين وسايل يک فيلامنت رساناي جريان الکتريسيته وجود دارد که در داخل يک حباب شيشه اي قرار داد. هنگامي که جريان الکتريسيته از اين فيلامنت عبور کند، فيلامنت تحريک گشته و نور مي تاباند. در سال 1879، اديسون از فيلامنت کربني براي اين منظور استفاده کرد. فيلامنت کربني براي اين هدف مناسب نبود. براي همين با فيلامنت اسميمي و سپس تانتاليومي جايگزين شد. موفقيت الياف تنگستني به کارهاي انجام شده توسط کوليگ (coolidge) نسبت داده مي شود. (کوليگ تلاش هاي خود را بر روي زنيترينگ و کشش فيلامنت هاي تنگستني انجام داد و توانست فيلامنت هاي تنگستني توليد کند). فيلامنت هاي تنگستني در محيط خلأ و يا در محيط يک گاز خنثي و در دماي 2600 درجه سانتيگراد کار مي کند. دماي ذوب بالاي تنگستن اجازه ي کار آن را در دماي کاربري مي دهد. عموماً فيلامنت هاي تنگستني به صورت پيچه اي حلزون شکل توليد مي شود (شکل .a1). شکل .b1 تصويري از بزرگنمايي بالا از فيلامنت تنگستني نشان داده شده در شکل 1.a است. به علامت هاي زير بوجود آمده در روي سطح فيلامنت توجه کنيد. اين علامت ها در طي فرآيند کشش فيلامنت پديد آمده است. ريزساختار فيبري از تنگستن که بسيار کشيده شده است در شکل 2 آمده است. اين ريزساختار بوسيله ي ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) گرفته شده است.

هنگامي که از يک فيلامنت تنگستني در دماي بالا استفاده مي شود، فيلامنت به خاطر وزنش خزش پيدا مي کند .در واقع بيشتر اين خزش اتفاق افتاده به خاطر لغزش مرز دانه ها اتفاق مي افتد. براي به حداقل رساندن مشکل خزش، ساختار مرز دانه هاي موجود در تنگستن به صورت خاصي در مي آيد. اين حالت خاص بواسطه ي فرآيند کشش بوجود مي آيد. در اين ريزساختار خاص، ما تعداد کمي مرز دانه داريم که در جهت عمود بر محور فيلامنت قرار گرفته اند. زماني توريا (2Tho) به عنوان افزودني به تنگستن اضافه شود، در واقع توريا رشد دانه هاي تنگستن در دماي بالا را کنترل کرده و همچنين باعث پديد آمدن استحکام رسوبي dispersion strengthing در تنگستن مي شود. توريا (2Tho) پيش از کاهش اکسيد تنگستن (بوسيله ي هيدروژن) به تنگستن و در حالت توريم نيترايد اضافه مي شود.
به عنوان يک افزودني جايگزين اکسيژن و به ندرت نيتروژن و کربن مي توانند بر روي انعطاف پذيري سيم تنگستني اثر بگذارند. مقدار بسيار کم اکسيژن (حدود ppm50) کافي است تا تنگستن حالت ترد پيدا کند. اگر چه توريا مي تواند به عنوان يک افزودني آلياژي براي تنگستن استفاده شود اما براي رشته لامپ نئون، اين افزودني با مقادير کم از آلومينيوم (AL)، پتاسيم(K)، سيلسيم(si) جايگزين گشته است. اين نوع از فيلامنت هاي تنگستني به نام فيلامنت هاي تنگستني AKS يا فيلامنت هاي نان ساگ (non-sog) معروف است. در حقيقت، اين پتاسيم است که عمدتاً مسئول کنترل ريزساختار فيلامنت تنگستني است. بياييد از ابتدا شروع کنيم. سنگ معدن تنگستن به آمونيوم پاراتنگستات (5NH4)2,o12wo3, 11h2o) تبديل مي گردد. به اين ماده (ammonium paratungstate) APT مي گويند. اين APT ماده ي ابتدايي براي توليد پودر تنگستن است. APT کاهش يافته و به اکسيد تنگستن (wo3) تبديل مي شود. اين اکسيد بوسيله ي پتاسيم دي سيليکات و آلومينيوم کلرايد پالايش مي يابد. اکسيد تنگستن به صورت پودر نرم تنگستن کاهش مي يابد. (5Mm>)، پرس گشته و به صورت شمش زنيتر مي گردد. زنيترينگ تنگستن دوپ شده، بوسيله ي عبور جريان الکتريسيته (حدود 5000A) از ميان شمش انجام مي شود. اين شمش قبلاً بوسيله ي فرآيند پرس سرد توليد گشته است. دما در لحظه ي زنيترينگ به 3000 درجه سانتيگراد مي رسد. در چنين دماي بالايي، ناخالصي ها تبخير گشته و فشردگي سريع اتفاق مي افتد. و تقريباً 75ppm از پتاسيم عنصري مي رود. فيلامنت تنگستني بوسيله ي کشش اين شمش به وجود مي آيد. شمش غلطک کاري و کشيده شده تا قطر آن کنتر از 100 ميکرون شود. اين کار بوسيله ي يک سري قالب انجام مي شود. يک لامپ 100 وات داراي فيلامنت تنگستين با قطر 50 ميکرون است. قطر دقيق فيلامنت بستگي به ولتاژ و توان لامپ دارد. همانگونه که قبلاً گفته شد، خزش اتفاق افتاده در فيلامنت تنگستني بوسيله ي لغزش مرز دانه ها اتفاق مي افتد.يک چنين تغيير نرمي باعث مي شود تا فيلامنت به خاطر وزنش آويزان گشته و حالت گلويي تشکيل شود. پديده ي گلويي سرانجام منجر به شکست فيلامنت مي گردد. تنگستن خالص و تبلور مجدد يافته هنگامي که تحت شرايط کاري قرار گيرد، مي شکند.دراين ماده مرز دانه ها مي لغزند و شکست اتفاق مي افتد. افزودن پتاسيم به تنگستن باعث مي گردد ساختار دانه ها قفل گردد. که اين مسأله موجب مي شود سرعت لغزش مرز دانه ها کاهش يابد و عمر فيلامنت از حالتي که عمل پالايش در آن اتفاق نيفتاده است بيشتر شود. اثر مفيد پتاسيم به دليل کمک در کنترل شکل دانه است. پس از زنيترينگ شمش تنگستن پالايش يافته، اين قطعه منافذي پيدا مي کند که اين منافذ داراي عنصر پتاسيم هستند. بااعمال عمل کشش، اين منافذ کشيده شده و به صورت لوله اي درمي آيند. کنترل نحوه ي بوجود آمدن اين لوله ها مهم مي باشند. شکل (3)