نانوکامپوزيت‌هاي زمينه فلزي؛ روش‌هاي توليد
يکي از مهم‌ترين تأثير نانوکامپوزيت‌هاي زمينه‌ي فلزي، کاهش وزن خودروها و متعاقباً کاهش مصرف سوخت خواهد بود. طبق محاسبات صورت گرفته، جهت کاهش 25 درصدي ِ مصرف سوخت، لازم است که وزن خودرو در حدود 45 درصد کاهش يابد. در اين راستا آلومينيوم و منيزيم به همراه آلياژهاي‌شان با چگالي فوق‌العاده پايين، استحکام بالا، قابليت ريخته‌گري، ماشين کاري و نيز در دسترس بودن فراوان در بازار جهاني، فلزات بسيار مناسبي براي اين امر مي‌باشند. لذا، محققان براي برطرف کردن برخي از خواص مکانيکي نامطلوب آلومينيوم و منيزم مانند: استحکام نه چندان بالا و مقاومت سايشي کم، آن‌ها را با نانوذرات سراميکي هم‌چون SiO2، SiC، Al2O3 و... کامپوزيت مي‌کنند. اين نانوکامپوزيت‌ها کاربردهاي مختلف در صنايع حمل و نقل، هوا فضا، ورزش و الکترونيک عمدتاً به عنوان تأمين سبکي دارند.
به طور کلي روش‌هاي ساخت نانوکامپوزيت‌هاي زمينه فلزي را مي‌توان به سه دسته طبقه‌بندي کرد:
1. روش مايع (ريخته‌گري)
2. روش متالورژي پودر
3. آلياژسازي مکانيکي
1. روش ريخته‌گري
در روش ريخته‌گري، ذرات تقويت کننده به فلز مذاب اضافه شده و به صورت مکانيکي در داخل فلز توزيع مي‌شوند. مهم‌ترين معايب روش ريخته‌گري جدا شدن ذرات از فاز مذاب است. تر نشدن ذرات فاز دوم به وسيله‌ي آلومينيوم مذاب و جدا شدن فاز نانوذره، منجر به ايجاد ساختاري ناهمگن مي‌گردد. گاهي نيز انجام واکنش بين نانوذرات و فاز مذاب سبب افت خواص مکانيکي مي‌گردد. به طور مثال در توليد نانوکامپوزيت Al/SiC به روش ريخته‌گري، واکنش بين ذرات SiC و فاز مذاب، سبب تشکيل فصل مشترک ترد و نامطلوب Al4C3 و Si شده که منجر به خواص مکانيکي نامطلوب مي‌گردد.
يانگ و همکاران‌اش اخيراً روش جديدي را براي ساخت نانوکامپوزيت‌هاي زمينه فلزي ابداع کرده‌اند که در آن نانوذرات به فلز مذاب افزده شده و با اعمال امواج مافوق صوت (اولتراسونيک ) به فلز مذاب، از چسبيدن ذرات به يکديگر جلوگيري مي‌گردد. در اين روش از طريق امواج مافوق صوت، هزاران ميکروحباب در داخل فلز مذاب تشکيل شده که با واپاشي آن‌ها در زماني بسيار کوتاه، تجمع ذرات نانومتري از بين مي‌رود و امکان چسبيدن ذرات به يکديگر کاهش مي‌يابد. لذا، ذرات داخل فلز مذاب پخش شده و توزيع يک‌نواختي از نانوذرات در داخل ساختار به وجود مي‌آيد.
شکل 1 شماتيکي از اين روش را نشان مي‌دهد. اين روش کاملاً مبتني بر ريخته‌گري است و محققان در اين روش نانوذرات را پس از ذوب زمينه، از بالاي بوته اضافه مي‌کنند. نکته‌ي قابل توجه افزايش ويسکوزيته‌ي فلز مذاب با افزايش درصد حجمي نانوذرات است که براي حل اين مشکل، دماي مذاب را افزايش مي‌دهند.
2. روش متالورژي پودر
در اين روش، پودرهاي آلياژي يا خالص فلزي با نانوذرات مخلوط مي‌گردند و سپس با پرس کردن ذرات پودر در داخل قالب و تف جوشي، ذرات پودري به يکديگر متصل مي‌شوند و با کاهش درصد حفره‌ها، چگالي افزايش مي‌يابد. روش متالورژي پودر در مقايسه با روش ريخته‌گري داراي مزاياي زير مي‌باشد:
- در حالت جامد- جامد، واکنش بين فاز دوم و زمينه به حداقل مقدار ممکن مي‌رسد.
- امکان کنترل دقيق حجم فاز دوم به اين روش ممکن است.
- امکان کنترل ضريب انبساط حرارتي و مدول کامپوزيت متناسب با کاربرد آن در اين روش وجود دارد.
اين روش البته، معايبي هم دارد. از قبيل: احتمال تجمع ذرات فاز تقويت کننده و توزيع غيريک‌نواخت آن‌ها در ساختار کامپوزيت، تفاوت اندازه ذرات فاز زمينه و تقويت کننده. اختلاف چگالي ذرات و باردار شدن آن‌ها مهم‌ترين دليل توزيع غيريک‌نواخت فاز تقويت کننده و تجمع ذرات است.
يکي از روش‌هاي مبتني بر متالورژي پودر، روش پرس با سينتر هم‌زمان است که در طي آن ميکروپودرهاي زمينه با نانوذرات تقويت کننده در محفظه‌اي به مدت چند ساعت و با سرعت مشخص مخلوط مي‌شوند تا در نهايت، تحت فشاري با هم فشرده شوند.
3. آلياژسازي مکانيکي
شايد بتوان گفت در حال حاضر آلياژسازي مکانيکي مهم‌ترين روش توليد نانوکامپوزيت‌هاي زمينه‌ي فلزي است. در اين روش، ذرات نانوپودري دو فاز با يکديگر آسياب مي‌شوند، و با تغيير شکل، جوش خوردن و شکست ذرات به صورت مکرر انتقال مواد صورت مي‌پذيرد. در صورتي که ذرات نانوپودر ترکيب شيميايي يکساني داشته باشند و با عمليات خردايش فقط اندازه‌ي ذرات کاهش يابد، فرايند آسياي مکانيکي اتفاق مي‌افتد، ولي چنانچه آسياي مکانيکي با انجام واکنش شيميايي در حالت جامد- جامد و يا جامد- گاز همراه باشد، فرايند آسياي واکنشي ناميده مي‌شود.
براي ايجاد پودرهاي کامپوزيتي مي‌توان با اضافه کردن مستقيم ذرات فاز تقويت کننده به ذرات زمينه و آسياي هم‌زمان اين ذرات، نانوپودرهاي کامپوزيتي تهيه کرد. با افزايش زمان آسياب کردن تحت انرژي زياد، مي‌توان ابعاد فاز تقويت کننده و حتي اندازه‌ي دانه‌هاي زمينه را تا حد نانومتر کاهش داد. قابل ذکر است که آسياي هم‌زمان، توزيع يک‌نواختي از ذرات نانومتري تقويت کننده در فاز زمينه را به دست مي‌دهد.
