Table of Contents
وتظهر المواد المجهزة بالهياكل المصغرة، والتي تصنف بملامح صغيرة من 100 نانومترات، خصائص ميكانيكية كثيراً ما تتجاوز تلك المواد التقليدية المكسورة، وتزيد قوتها ومقاومتها وآليات التشهير الفريدة من نوعها من حيث أنها تجعلها جذابة في التطبيقات في الفضاء الجوي والأجهزة الطبية الأحيائية ومستودع الجيل القادم، غير أن سلوكها المكسور في إطار دراسة مضللة - نمط إخفاق في مجال الخدمة.
مقدمة للمواد النانوية
وتشمل المواد المجهزة بالهيكل النانوي طبقة واسعة من المواد ذات الأبعاد الهيكلية الدقيقة في أعماق النظام النانووي، وأكثرها شيوعاً هي الفلزات النانوية، حيث تكون الحبوب الفردية أقل من 100 نانو متر في المقاييس، وتشمل أشكالاً أخرى المواد النانوية التي تجمع بين الفلزات النانوية والمرحلة الثانوية والمواد النانوية المسببة لتآكل التربة، التي تحتوي على شبكة من التقنيات البلاستيكية المسببة للضادة.
ويسود الرد الميكانيكي على المواد التي تُشَدَّل بحجم كبير من الحدود الحضارية، وفي هذه الحدود الطويلة، فإن العلاقة التقليدية بين الهال - بيتش التي تتوقّع زيادة القوة مع انخفاض حجم الحبوب إلى حد حرج، وغالباً ما يناهز 10-20 نانو متراً، وبدون هذه العتبة، يمكن أن يحدث التأثير الضار الذي يحدثه تقلص الحدود بين الغلال والتناوب ويغير الإجهاد الحاد في المادة.
ولا يمكن الإفراط في تقدير الأهمية التكنولوجية للمواد التي تُعدّها هياكل النانو، إذ يجري استكشافها بالنسبة للعناصر الهيكلية ذات الوزن الخفيف في صناعات السيارات والفضاء الجوي، حيث تؤدي ارتفاع معدلات القوة إلى الوزن إلى الحد من استهلاك الوقود، وفي الزرع الطبي الأحيائي، فإن التيتانيوم المغنطيسي، والسبائك بالتيتانيوم، إلى تحسين الإحباط والتآكل.
Fracture Mechanics in Nanostructured Materials
ويصف ميكانيكيو الكسور الكلاسيكية الفشل المادي من خلال نشر شق قائم مسبقا تحت الضغط التطبيقي، وفيما يتعلق بالمواد السامة، فإن عامل كثافة الإجهاد K، وقوة التصدعات G يحدد معيار الكسر في المواد ذات الهيكل النقال.
بدء التعقب
وكثيرا ما يحدث بدء الاصطدام في المواد ذات الهيكل النانو في نقاط ضعف الهياكل الدقيقة، ولا سيما الحدود الحادة والمقاطعات الثلاثية، وهذه المواقع تشكل في نهاية المطاف موصلات للإجهاد بسبب التمزق الحاد والتشويش في الخواص الميكانيكية بين الحبوب المتاخمة، وخلافا للمواد التي تنمو فيها الخرافات، حيث تشكل الشقوقات عادة من الشمول أو النطاقات المتداعية المستمرة، وتشويش الجسيمات.
ومن مصادر الاختراق الأخرى تفاعل التشتات مع حدود الحبوب، ففي المواد النانوية، تنبعث الاضطرابات من الحدود الحادة تحت الضغط، ولكن طريقها الحر الحاد قصير للغاية، وهذه التفككات تتراكم عند الحدود المقابلة، وتولد حقول ضغط محلية يمكن أن تؤدي إلى كسر الحدود عندما يتجاوز الضغط قوة الاصطدام، وهذه الآلية نشطة بشكل خاص في المواد ذات الحجم الثنائي للحبوب، حيث توفر مصادر أكبر من حيث تفكك التربة.
Crack Propagation
فعندما يبدأ الشقق، يؤثر انتشاره تأثيرا كبيرا على هيكل النانويك، وفي المواد المكدسة باليوران، كثيرا ما تروج الشقوق عبر طائرات التنظيف، مما يؤدي إلى انخفاض الطاقة، غير أن المواد ذات الهيكل النانوي، التي تظهر في الغالب كسور بين الجزر، مع مسار التشقق الذي يتبع الحدود الحادة، مما يؤدي إلى كسر في الإجهاد السطحي الذي يزيد من حدة الإجهاد.
وعلاوة على ذلك، فإن العدد المحدود من مصادر التشت داخل كل حبة يعني أن التشوهات البلاستيكية في منطقة الإكراميات كثيرا ما تستوعبها تناوب الحبوب والهجرة من الحدود الحزينة، ويمكن أن تؤدي هذه العمليات إلى تقطيع الحبوب أو الزخرفة التي تفصل بين الكراكين، ونقل الحمولة، وخفض قوة الضغط التي تعمل بها.
إن دور نزعة الشقوق مهم بنفس القدر، فعندما يصادف الشقوق حدوداً للحبوب، قد يغير الاتجاه، خاصة إذا كان الحد مضللاً بالمقارنة بالمحور المتوتر، ويخلق الانحطاط المكرر مساراً للكسر يزيد من طاقة الكسور الفعالة، وتشير النماذج النظرية إلى أن نطاقات الصعاب الغرامية تحدث مع الجذور العكسية للحجم الجليدي للغطاء.
العوامل التي تؤثر على المخلفات
إن سلوك كسر المواد المجهزة بالنانو هو سلوك غير متأصل ولكنه حساس لمجموعة من الهياكل الأساسية المجهرية والبارامترات الخارجية، ويلي ذلك ندرس العوامل الرئيسية التي يجب على المهندسين أن ينظروا فيها عند تصميم مقاومة الكسور.
حجم الحبوب
ويظل حجم الجاذبية هو أكثر البارامترات تأثيرا، حيث أن حجم الحبوب ينخفض من الميكرومتر إلى نظام النانومترات، فإن القوة تزداد بشكل كبير، غير أن الصلاة الكسورية كثيرا ما تنجم عن اتجاه غير ملاحي، فبالنسبة لأحجام الحبوب التي تتجاوز 50 نانو مترا، فإن القوة تتحسن مع تناقص حجم الحبوب بسبب زيادة مساحة الحدة التي تعوق انتشارها.
الرسم البياني
إن طبيعة الحدود بين الحبوب - أي ذات زاوية منخفضة أو ذات زاوية عالية أو حدود خاصة )مثلاً، الحدود الإجمالية( - تؤدي دوراً حاسماً، وتعطي الحدود العالية الزاوية عموماً مقاومة أفضل للكسر المتقطع لأنها تظهر طاقة متماسكة أعلى ويمكن أن تستوعب قدراً أكبر من التشوهات البلاستيكية من خلال الانهيار، وعلى النقيض من ذلك، فإن الحدود المنخفضة النطاق أكثر عرضة للكسر في النواة بسبب زيادة التمزق في مواقع الإجهاد المحلية.
Porosity and Second Phases
فالقدرات هي عيب شائع في المواد التي يتم إعدادها عن طريق دمج المسحوق، إذ أن الصوت يعمل كمركّز للإجهاد ويمكن أن يكون مواقع تفضيلية للتخدير، كما أن التقليل من السخرية من خلال تقنيات متداخلة متقدمة مثل قطع البلازما من أجل زيادة مقاومة الكسور إلى أقصى حد، أما المراحل الثانية، مثل أكسيد النانويكات أو جسيمات الكبريت، فيمكن أن تؤدي إلى تحسين أو تدهور
معدل الإقامة والدرجة
وقد تؤدي هذه المواد إلى زيادة الحساسية من حيث معدل الضغط، كما أن ارتفاع معدلات الضغط، مثل تلك التي تصادف في التأثير أو تحميل المتفجرات، وعدم وجود وقت للبلاستيك المخفف من التحلل، إلى تغيير طريقة الكسور من النواة إلى الرشوة، كما أن الكسر الدينامي في المعادن النانوية يمكن أن يؤدي إلى دراسة مكثفة، مع وجود بعض المواد التي تدل على انخفاض كبير في درجة الحرارة عند ارتفاع معدلات الإصابة بالقمع.
المراقبة التجريبية
وتقتضي التمييز التجريبي للكسر في المواد المحتوية على هياكل نانوية تقنيات ذات حل مكاني إلى مستوى النانومترات. In situ transmission electron microscopy) كانت قوية بوجه خاص، مما يتيح المراقبة المباشرة للتفكك والتفريغ بينما تخضع العينة للمسح الدقيق للانبعاثات.
وكثيرا ما تجرى قياسات الصعاب على المواد ذات البنية النانوية السائبة باستخدام توترات مدمجة أو عينات من ثلاث نقاط، رغم أن هذه الاختبارات تحد من حجم العينات الصغيرة اللازمة للحفاظ على الهيكل النانووي، ومع ذلك، فإن الاختبار الموحد للنيكل النانوي الكهربي المجهز بالكهرباء قد أظهر قيما قوية للكسر أعلى من النيكل المكسور بحجمين قياسين إلى ثلاثة أضعاف.
ومن الملاحظات البارزة وجود سمات كسر الخلايا ] في النانويكات، وكثيرا ما تُنظر إلى الهياكل الشبيهة بالدين على أسطح الكسور من المعادن النانوية، ولكن الأحجام المتردية لا تتطابق مع أحجام الغبار بل مع مجموعات من الحبوب، مما يدل على أن الكسور في شكل سماء ناظري
وقد أظهرت الدراسات المعتمدة على المعدلات باستخدام منابر اختبار النظم الميكانيكية الدقيقة أن الألومنيوم يُظهر تحولاً من كسور النخيل إلى كسر الرشوة مع ارتفاع معدل الإصابة من 10 إلى 4 s-1 إلى 102 s-1 إلى 1، وبمعدلات مرتفعة، تفشل المواد من جراء سرعة انتشار التكسير على طول الحدود دون تشوه بلاستيكي كبير.
الآثار المترتبة على تصميم المواد
فهم سلوك الكسور يُسترشد به مباشرة في وضع استراتيجيات لتصميم المواد المُعدّة بأكبر أداء، والهدف هو زيادة صعوبة الكسور إلى أقصى حد دون التضحية بالقوة، والمبادلات التقليدية في مجال هندسة المواد.
ومن بين النهج الناجح تطوير هياكل الحبوب الثنائية أو المتعددة الوسائط، حيث إن إنتاج الحبوب الكبيرة الحجم (جزر الخلايا) في مصفوفة نانوية، والفوائد المادية من القوة العالية للمرحلة التي تُهيكل فيها الأنانوية، وقابلية الخلايا في أحواض الكبريت، حيث يمكن أن تؤدي الحبوب الأكبر إلى إزالة النسيج البلاستيكي وقوام الخيوط، في حين أن المصابون بالنيون.
وثمة استراتيجية أخرى تتمثل في إدماج المراحل الثانوية في النانويك، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي إضافة نسبة قليلة من وزن نانووب الكربون أو الغرافيين إلى مصفوفة معدنية ناوكريستال إلى زيادة حدة الكسور عن طريق توفير آليات لشقق الشقوق والسحب، كما أن تعزيزات الجسيمات الخزفية في ألومينا البحرية قد أظهرت لتعزيز القوة من خلال تحديد الحدود بين الحبوب وشقها.
كما أن هندسة الحدود الخماسية، من خلال إدخال حدود توأم منخفضة الطاقة أو من خلال التلاعب بعناصر مقسمة إلى حدود الحبوب، يمكن أن تحسن مقاومة الكسور، فعلى سبيل المثال، فإن الفصل الخالص في السواحل النانوية - الحديدية يعزز حدود الحبوب ويعزز الكسور عبر الحدود، مما يزيد من حدة الاضطرابات، بل إن المعالجة الحرارية التي تثبط الحدود بين الهجرة يمكن أن تحافظ على النواحي.
وأخيراً، فإن النموذج المحوسب، بما في ذلك الديناميات الجزيئية والمحاكاة الميدانية للمرحلة، أصبح أداة قيمة للتنبؤ بسلوك الكسور وتوجيه الجهود التجريبية، ويمكن لهذه النماذج أن تحفيز عمليات الوصل في إطار ظروف مختلفة، مما يتيح للباحثين فحص الهياكل الدقيقة المحتملة قبل التوليف الغالي، وعلى سبيل المثال، [تعمل على إزالة التلوث من الكسور]، حيث تتنبأ هياكل زراعية متفاوتة.
الخلاصة والاتجاهات المستقبلية
إن سلوك كسر المواد المجهزة بالنانو ببنات تحت التحميل المكشوف يختلف اختلافاً جوهرياً عن سلوك المواد المحتوية على أفران زراعية، حيث أن الكثافة العالية للحدود تحكم عملية التصدع، التي تحدث عادة في فترات ثلاثية، ووصلات خطية ضعيفة، والتكاثر، التي تدور عبر مسارات مشتركة بين القراصنة مع كسور مشهدي واسع النطاق وكسر في درجات الحرارة.
وبالإضافة إلى ذلك، لا تزال هناك تحديات عديدة، فالأثر العكسي للهال - الصيد لا يزال يحد من الحد الأدنى من حجم الحبوب بالنسبة للقسوة المثلى، كما أن الكسور الدينامي في معدلات الضغط العالية لم يتم بعد وصفه بشكل كامل، ومن المرجح أن تركز البحوث المقبلة على الهياكل الأساسية للنانو التي تجمع بين مستويات متعددة، مثل الكسور النانوي في الأعمدة الدقيقة، لتسخير مختلف آليات التفكك في آن واحد.