محقق پژوهشگاه مواد و انرژی به بررسی ترمیم بافت استخوان آسیب دیده در موش صحرایی توسط بیوسرامیک نانوساختاری بر پایه کلسیم منیزیم سیلیکات (مرونیت) و مقایسه آن با پودر هیدروکسی آپاتیت تجاری پرداخت.
به گزارش سرویس علمی ایسنا، از آنجا که در مهندسی بافت، پیش از کاربرد مواد زیستی به عنوان ایمپلنت ارزیابی درون تنی دارای اهمیت بسزایی است، لذا محقق پژوهشگاه مواد و انرژی با همکاری مرکز تحقیقاتی درمانی ناباروری دانشگاه علوم پزشکی یزد به بررسی ترمیم بافت استخوان آسیب دیده در موش صحرایی توسط بیوسرامیک نانوساختاری بر پایه کلسیم منیزیم سیلیکات (مرونیت) و مقایسه آن با پودر هیدروکسی آپاتیت تجاری پرداخت که مهمترین کاربرد این طرح در صنایع پزشکی و مهندسی پزشکی خواهد بود.
محققان نانوسیمهایی از جنس سیلیکون ساختند که بهعنوان سوزن در مطالعه سلولهای ایمنی مورد استفاده قرار میگیرد.
به گزارش سرویس فناوری ایسنا، اخیرا یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه هاروارد، موسسه فناوری ماساچوست، دانشگاه یال، بیمارستان زنان بیرمنگام و موسسه کالرمن سل ابزرواتوری درصدد تحقیق پیرامون چگونگی رشد یک نوع سلول ایمنی موسوم به Th17 برآمدند. آنها به دنبال این موضوع بودند که رشد این سلول چگونه روی توسعه پاسخ ایمنی بدن تاثیر میگذارد. این گروه تحقیقاتی موفق شدند رابطهای میان ایمنی بدن و مصرف نمک پیدا کنند. نتایج این پژوهش در نشریه Nature به چاپ رسیده است.
برگردان: مهندس فاطمه اسلام پناه
دانشمندان مرکز پژوهشی اپتوالکترونیک دانشگاه ساوثهمپتون موفق به تولید قویترین نانوالیاف شیشهای سبک جهان با قدرت 15 برابر فولاد شدند که قابل تولید در طولهای 1000 کیلومتر استدراین مطلب مصاحبه ای را با آقای مهندس سفی الله اكبری افلاكی فارغ التحصیل متالوژی دانشگاه صنعتی امیر كبیرانجام داده ایم.ایشان پس از اتمام تحصیلات کار بر روی پروژه خود در زمینه پلاسما، پوشش دهی و مهندسی سطح را آغاز کردند و مخترع دستگاه PHCVD هستند.
این دستگاه (PHCVD) یا رسوب نشانی شیمیایی از بخار به كمك پلاسما ، برای لایه نشانی نانو لوله های کربنی وهیدروژن دهی پلاسمایی مورد استفاده قرار می گیرد.
(از نانولوله های کربنی در تولید لامپ های کم مصرف، ذخیره کننده در پیل سوختی و همچنین در ساخت نانوماشین ها استفاده می شود.)
ناحیه گرمایی داخل محفظه به سه رآکتور تقسیم می گردد و اپراتور قادر است با برنامه ریزی دما، فشار ودر صورت نیاز قدرت پلاسما، لایه نشانی و ورود گازها به سیستم را برنامه ریزی کند. برای این دستگاه دو کنترل کننده گاز برای استیلین وهیدروژن در نظر گرفته شده است؛ اما این تعداد می تواند به چهار الی پنج گاز شامل گازهای آمونیاک، اکسیژن و آرگون به مجموعه اضافه گردند. درضمن سیستم مجهز به یک لوله رآکتور می باشد؛ اما در صورت درخواست مشتری امکان اضافه کردن دو لوله دیگر بصورت موازی با تیوب اولیه نیز در نظرگرفته شده است که به افزایش قابلیتهای دستگاه منجر خواهد شد.
پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر موفق شدند خواص چسبندگی و خوردگی پوششهای نانو هیدروکسی آپاتیت را به وسیله اصلاح زیرلایه، به روش برسکاری (wire brushing) بهبود بخشند. اين طرح میتواند به صورت مستقيم و غير مستقيم در صنايع مهندسی پزشکی و بیومواد مورد استفاده قرار بگیرد.
پوشش هیدروکسی آپاتیت بر زیرلایه تیتانیومی به دلیل وجود مشکلاتی فاقد استحکام چسبندگی کافی جهت استفاده در مصارف پزشکی است. مشکل اصلی به هنگام سینتر کردن هیدروکسی آپاتیت (HA) به وجود میآید. دمای بالای سینتر (بالاتر از1200oC ) موجب فرسایش فلز زیرلایه و همچنین تجزیه هیدروکسی آپاتیت میشود و از طرفی در اثر سینتر HA در دمای کمتر از 1000oC به سختی چگالش کامل صورت میگیرد. از نقطه نظر دیگر، ضریب انبساط حرارتی زیرلایه تیتانیومی کمتر از پوشش هیدروکسی آپاتیت است و این اختلاف در ضریب انبساط حرارتی منجر به ایجاد ترک در پوشش به هنگام سینتر کردن و سرد شدن از دمای بالا میشود.
روش ارائه شده در این پژوهش تا حدودی باعث بهبود خواص چسبندگی و خوردگی پوششهای نانو هیدروکسی میشود و مشکلات را کاهش میدهد. مهمترین هدف این پژوهش بهبود خواص چسبندگی و خوردگی پوششهای نانو هیدروکسی آپاتیت به وسیله اصلاح زیرلایههای Ti-6Al-4V به روش برسکاری است.
شایان ذکر است که ایجاد زیرلایه اصلاح شده Ti-6Al-4V به روش برسکاری با تعیین پارامترهای بهینه (سرعت و مدت زمان) و مطالعه توپوگرافی سطح، بهبود خواص چسبندگی پوشش الکتروفورتیک نانوذرات هیدروکسی آپاتیت بر زیرلایه اصلاح شده Ti-6Al-4V و بهبود خواص خوردگی در محلول شبیه سازی شده بدن برای پوشش الکتروفورتیک نانوذرات هیدروکسی آپاتیت بر زیرلایه اصلاح شده Ti-6Al-4V از دیگر ويژگيهاي اين طرح است.
حمیدرضا فرنوش، دانشجوی دکترای مهندسی متالورژی و مواد، مراحل انجام این کار تحقیقاتی را این گونه توضیح داد: «در این تحقیق از روش لایه نشانی الکتروفورتیک براي ایجاد پوشش نانو ذرات هیدروکسی آپاتیت بر زیرلایه اصلاح شده Ti-6Al-4V استفاده شده است. طی این پژوهش ابتدا نانوذرات هیدروکسی آپاتیت به روش رسوب دهی شیمیایی سنتز شد. در ادامه براي مشخصهیابی نانوذرات سنتز شده از روشهای FT-IR ،XRD و DLS استفاده شد. همچنین مورفولوژی و اندازه ذرات نانوپودر به دست آمده به وسیله FE-SEM مشاهده شد. سپس به منظور بهبود خواص چسبندگی پوشش، فرآیند برسکاری بر سطح زیرلایههای Ti-6Al-4V در سرعتها و مدت زمانهای مختلف به کار رفت. در این پژوهش بهترین پارامترهای برسکاری (سرعت 16000rpm و زمان 60s ) باتوجه به پروفیل میکروسختی، مطالعه توپوگرافی و زبری سطح انتخاب شد و در پایان نیزخواص چسبندگی و آزمون خوردگی پوششها در محلول شبیه سازی شده محيط بدن، مورد بررسی قرار گرفت.»
حمیدرضا فرنوش با همکاری دکتر جمشید آقازاده مهندسی، دکتر داود حق شناس فتمه سری و دکتر فتح اله مضطرزاده از دانشگاه صنعتی امیرکبیر به منظور رفع مشکلات مذکور برای پوشش هیدروکسی آپاتیت، از نانوذرات HA که زیست فعالی بهتری نسبت به ذرات درشت دارند، استفاده کردند و همچنین با استفاده از نانوذرات مواد پوشش که سطح ویژه بالایی دارند؛ دمای چگالش پوشش را چند صد درجه کاهش دادند و سینترپذیری را بهبود بخشیدند.
حمیدرضا فرنوش در رابطه با نتایج این کار تحقیقاتی افزود: «در این تحقیق نانوذرات هیدروکسی آپاتیت با اندازه ذرات متوسط 65nm به روش رسوب دهی شیمیایی سنتز شد. پارامترهای بهینه برسکاری (سرعت 16000rpm و زمان 60s ) با مطالعه پروفیل میکروسختی، توپوگرافی و زبری سطح به دست آمد. استحکام چسبندگی برای پوشش الکتروفورتیک نانوذرات هیدروکسی آپاتیت بر زیرلایه اصلاح شده Ti-6Al-4V، حدود 24MPa به دست آمد که مقدار آن در مقایسه با نمونه بدون پیش عملیات برسکاری تقریبا دو برابر است. نتایج به دست آمده از آزمون خوردگی نمونه پوشش داده شده بر سطح برسکاری شده، نشان دهنده کاهش محسوس چگالی جریان خوردگی، سرعت خوردگی و افزایش پتانسیل خوردگی و مقاومت پلاریزاسیون است.»
نتایج این کار تحقیقاتی در مجله Ceramics international (جلد 38، شماره 6، آگوست سال 2012) منتشر شده است. علاقمندان میتوانند متن این مقاله را در صفحات 4885 الی 4893 همین شماره مشاهده نمایند.
به گزارش شبکه نیوز، در شیوه منحصر به فرد این پژوهشگر سنگسری که شامل مطالعه بر روی بال پروانه با موضوع ویژگیهای ابرآب گریزی و آنتی باکتریال است در مراحل شکل دهی مواد برای به وجود آوردن عضو، از داربست ۳ بعدی و سپس از سلول های بنیادی بیمار برای این منظور استفاده کرده است.
پروفسور اسکندر سیف علیان استاد نانوتکنولوژی و طب احیاکننده و سرپرست بخش نانوتکنولوزی دانشگاه UCL انگلستان بر پایه جراحی هاست که ابداع کننده روشی بر اساس دو گروه از مواد برپایه نانوتکنولوژی می باشد که توانسته با مطالعه بر روی خصوصیات حشراتی نظیر پروانه در مقیاس نانو در زمینه تکوین مواد ، شبیه سازی انجام دهد.
آلیاژهای حافظه دار تا حدودی الاستیک هستند. یعنی توانایی ذخیره سازی انرژی مکانیکی و آزادسازی آن را دارند. در این دسته از فلزات مولکول ها قابلیت چیدمان مجدد دارند. ساختار مولکولی در هر فاز عاملی است که سبب تغییر شکل فلز و بازگشت آن به حالت اولیه می شود. با توجه به این که این دسته از فلزات زیست سازگار هستند و سیستم ایمنی بدن در برابر آنها عکس العمل نشان نمی دهد و همچنین از ویژگی های فیزیکی قابل توجهی مانند مقاومت در برابر خوردگی برخوردار هستند.در ساخت ایمپلنت ها (کاشتنی ها) در ارتوپدی و درمان شکستگی ها از آن استفاده می شود. در شکستگی های استخوان های صورت از صفحات ویژه ای استفاده می شود تا استخوان های صورت را در مدت زمان درمان شکستگی در کنار هم نگاه دارد.
درواقع آلیاژهای حافظهدار یا SMA(Shape Memory Alloy)ها موادی هستند كه خصوصیات حافظهپذیری دارند. چنانچه یك آلیاژ حافظهدار مقداری تغییر شكل دهد و سپس تا دمایی بالاتر از دمای تغییر شكلش گرم شود، میتواند به شكل اولیه خود باز گردد.
مروری بر تکنیک نشست الکتروفورتیک و پارامترهای موثر بر آن
ar.tayefeh@gmail.com
1. مقدمه
تکنیک نشست الکتروفورتیک (EPD) دارای کاربردهای فراوان و جدیدی در ساخت مواد سرامیکی پیشرفته و پوششها
است، و در صنعت و تحقیقات دانشگاهی مورد توجه قرار گرفته است. دو دلیل
اصلی برای پیشرفت EPD ، قابلیت استفاده از مواد و ترکیبات مختلف و نیز هزینه پایین مورد نیاز برای ساخت تجهیزات و ابزار آن است.
نشست الکتروفورتیک در 1808 توسط دانشمند روسی به نام Ruess با حرکت ذرات رس در آّب در اثر میدان الکتریکی مشاهده شد. اما اولین علمی
از آن در سال 1933 با نشست ذرات توریا بر کاتد پلاتینیم به عنوان گسیلنده
در تیوب الکترونی انجام شد.این پدیده در سالهای 1980 توسط Hamaker [1] در مورد سرامیکها مورد بررسی قرار گرفت و مسیر حرکت آن به سمت شکل دهی سرامیکهای پیشرفته و لایه های نازک تغییر یافت.
2. تعریف نشست الکتروفورتیک
نشت الکتروفورتیک ( EPD )
یکی از فرآیندهای کلوییدی در تولید سرامیکها است که مزایای از قبیل زمان
کوتاه نشست، نیاز به تجهیزات ساده، تنوع در شکل زیرپایه، عدم نیاز به چسب
و... را دارد.
در مقایسه با سایر روشهای شکل دهی پیشرفته، فرآیند EPD
بسیار
گوناگون بوده و به آسانی می توانند برای کاربردهای خاص اصلاح شود. برای
مثال نشست می تواند به صورت مسطح، استوانه ای یا سایر اشکال توسط اندکی
تغییر در محل و طراحی الکترودها حاصل شود، به ویژه در هنگام استفاده از
فرآیند تر در EPD ، به آسانی می توان ضخامت و مورفولوژی فیلم نشست داده شده را از طریق تنظیم زمان نشست و پتانسیل اعمالی کنترل نمود. در EPD ، ذرات پودری باردار شده که در هنگام اعمال میدان الکتریکی DC می نشیند. [2]
دو نوع نشست الکتروفورتیک بسته به تشکیل
نشست بر سطح دو الکترود، کاتد و آند وجود دارد که به ترتیب نشست الکتروفورتیکی کاتدی و آندی نامیده می شود. [3, 4, 5]
شکل 1. تصویر شماتیکی از فرآیند نشست الکتروفورتیک. a ) EPD کاتدی و b ) EPD آندی
برخی
از کاربردهای جدید که باعث توجه و علاقه روزافزون به این تکنیک شده است،
علاوه بر کاربرهای سنتی مانند ساخت مقاومت سیمی وپوشش های سرامیکی ضد
اکسید شدن، عبارتند از : ساخت فیلم های عملگر برای وسایل میکروالکترونیک
پیشرفته [7] ، پیل سوختی اکسید جامد، کامپوزیتهای جدید با پوشش های بیوفعال برای ایمپلنت های پزشکی [9, 10] ، ساخت مواد عملگر در مقیاس نانو [12,13] ، ممبران زئولیت نانو سایز [8] ، فیلم های فوق رسانایی با TC
بالا [14, 15] ، سنسورها [16] ، الکترودهای نفوذ گاز [17, 18] ، کامپوزیت های چندلایه [18] ، کامپوزیت های زمینه سرامیکی و شیشه ای توسط فیلتر شدن ذرات سرامیکی بر پارچه های فیبری [19] ، نانو میله های اکسیدی [20] ، فیلم نانوتیوب کربنی [21, 22] ، سرامیکهای لایه دار [23, 24] ، فوق رساناها [25]، مواد پیزوالکتریک [26] و.....
دوستان عزیز این مجموعه که براتون قرار دادم اصول خوردگی و روش های جلوگیری از خوردگی فلزات هستش که امیدوارم خوشتون بیاد......
دوستان عزیز این مجموعه که براتون قرار دادم هندبوك تست ها و استاندارد هاي خوردگي هستش که
امیدوارم خوشتون بیاد......
دوستان عزیز این مجموعه که براتون قرار دادم اصول و کاربرد های طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی
در پیل سوختی هستش که امیدوارم خوشتون بیاد......
تاريخچه :
در سال 1932 مشاهدات ثبت شده درباره پديده حافظه داري شكلي توسط Change و Read انجام شد. آنها وارون پذيري حافظه شكلي را در AuCd از طريق مطالعات فلز شناسي و تغييرات مقاومت آلياژ ، بررسي كردند.در سال 1956 مشاهدات و نتايج تحقيقات مربوط به تز دكتراي Horbojen در موضوع اثر حافظه دار در آلياژCu-Zn منتشر شد. . در سال 1962 Buhler و همكارانش ،به بررسي پديده حافظه داري شكلي در آلياژ تيتانيم و نيكل كه داراي اتمهاي برابر مي باشند پرداختند. در اين هنگام تحقيق درباره متالورژي و كاربردهاي عملي اوليه آن به طور جدي آغاز شد. در سال 1967 در كنفرانس Nol ،Buhler و همكارانش تحقيقات گسترده خود را بر روي Nitionol و كاربردهاي تجاري فراوان در صنايع ارائه دادند . از جمله كاربردهاي مطرح شده ساخت كوپلينگ توسط شركت Raychem براي اتصال لوله هاي هيدروليكي مي باشد. كه در صنايع هوايي و نيروي دريايي ايالات متحده و همچنين در حوزه هاي نفتي درياي شمال مورد استفاده قرار گرفت. در سال 1980 ميلادي Micheal و Hawt با انتشار مقاله اي از نتايج تحقيقات خودشان بر روي برنج آنرا به عنوان ماده جديد حافظه دار معرفي كردند.
از دلایل توسعه پذیر بودن روش های CVDمی توان به توانایی تولید لایه هایی با تنوع زیاد ،پوشش های فلزات،نیمه رسانا ها و لایه هایی با ترکیبات آلی و غیر آلی در یک شکل بلوری یا شیشه ای و دارای خواص مطلوب اشاره کرد.اصول فرایند CVD تا حدی شبیه فرایند PVD1 است،با این تفاوت که در اینجا فاز گازی که قرار است درون محفظه ،چگالش یافته و به پودر تبدیل شود،از طریق واکنش با مواد و به ویژه گازهای موجود در اتمسفر سیستم و به طریق شیمیایی ایجاد می شود.بر خلاف روش PVD که اتم ها به صورت مستقیم روی سطح رسوب می کنند،در روش CVDاتم ها به طور یکنواخت و در تمام زوایا وقسمت های مختلف زیر لایه،به طور یکسان می نشینند. رسوب گذاری از فاز بخارCVD فرآیندی شیمیایی است که برای تولید مواد جامد با خلوص و کارآیی بالا استفاده می شود.این فرآیند اغلب در صنعت نیمه هادیها برای تهیه فیلم های نازک مورد استفاده قرار می گیرد.در فرآیند رایج رسوب گذاری از فاز بخار، زمینه در معرض یک یا چند پیش ساخت فرار، قرار می گیرد که این مواد بر سطح زمینه واکنش داده و/یا تجزیه می شوند تا رسوب دلخواه به دست آید. اغلب، محصولات جانبی فرار نیز تولید می شوند که با جریان گاز عبوری از داخل اتاقک خارج می شوند. محصولاتی که عموما از طریق این فرآیند تولید می شوند، به قرار زیرند: سیلیکون، الیاف کربنی،نانوالیاف کربنی، نانوتیوپ های کربنی،SiO2،سیلیکون- ژرمانیم،سیلیکون نیترید، سیلیکون کربید، تیتانیوم نیترید و دی الکتریک های گوناگون با ثابت دی الکتریک بالا.از این فرآیند برای سنتز الماس نیز استفاده می شود .
معرفی آلیاژهای حافظه دار
تقسيمبندي سوپرآلياژها برحسب روش توليد
۱) سوپرآلياژهاي كارپذير
۲) سوپرآلياژهاي متالورژي پودر
۳) سوپرآلياژهاي پليكريستال ريختگي
۴) سوپرآلياژهاي تككريستالي انجماد جهتدار
پلاستیک های پاششی با استفاده از اصلاح تجهیزاتی که در ابتدا برای پاشش فلزات طراحی شده بودند ، گسترش یافتند. از آنجا که الزامات مواد متفاوت است، اکنون تفنگ های مورد استفاده به صورت ویژه ای برای کار با پلاستیک طراحی شده اند. تجمع پلاستیک داغ در درون تفنگ باعث ايجاد دمای شعله می شود. از این کار باید با محاصره جهت پاشش پودر توسط هوای خنک کننده جلوگیری کرد.
The cyclic potentiodynamic polarization technique for corrosion studies is an electrochemical technique that was introduced in the 1960’s and refined especially during the 1970’s into the fairly simple, routine technique it is today. This technique is especially suited for screening alloys in terms of their risk of suffering localized corrosion in the form of pitting corrosion or crevice corrosion. While cyclic potentiodynamic polarization scans are fairly easy to generate, their interpretation can be far more complex. The technique is built on the concept that predictions of behavior of a material in an environment can be made by forcing the material from its steady state corrosion rate at a constant voltage scan rate and by observing how the current responds as the voltage force is applied and removed also at a constant voltage scan rate. The material is the alloy under consideration and the environment is that which promotes corrosion. Applied potential is the force. This potential is applied in a controlled manner to an electrode made from the alloy under study. A more complete tutorial on the technique and a web based application for interpreting the results can be found athttp://www.argentumsolutions.com/tutorials/polexpert_tutorialpg3.html.
خوردگی شیاری ( شکافی ) crevice corrosion
پیل های اختلاف دمشی :
اگر درون دو نیم سلول تیغه هایی از جنش یکسان قرار دهیم و الکترولیت هر دو هم از یک جنس باشند در حالت عادی هیچ اتفاقی رخ نمی دهد اما اگر توسط لوله ای درون یکی از نیم سلول ها گاز اکسیژن و درون نیم سلول دیگری گاز نیتروژن یا هر گازی که دارای اکسیژن نباشد بدمیم باعث می شود یکی از سلول ها به عنوان کاتد و دیگری به صورت آند عمل کرده و واکنش دهند . واکنش کاتدی آن به صورت 
واکنش آندی آن بسته به شراط می تواند توسط فلز با آب ( H2O) و ... انجام شود .
به این گونه پیل ها پیل های اختلاف دمشی می گویند .
در خوردگی شیاری عامل اختلاف دمش اکسیژن باعث ایجاد خوردگی شیاری می شود . این نوع خوردگی در شیارها ، شکاف ها ، بین پوسته اکسیدی ، رسوب ها و ... رخ دهد .
مکانیزم :
اساس این نوع خوردگی محبوس شدن الکترولیت در یک شکاف و ایجاد یک پیل اختلاف دمشی است. محلی که فشار اکسیژن کمتری دارد آند می باشد که واکنش 
در آن رخ می دهد و واکنش کاتدی احیاء اکسیژن است .
این خوردگی دو مرحله دارد . مرحله اول زمانی که درون شیار اکسیژن وجود دارد و واکنش های اکسید شدن و احیاء درون شیار اتفاق می افتد . هنگامی که اکسیژن درون شیار تمام شد فشار اکسیژن خارج از شیار از فشار اکسیژن داخل شیار بیشتر است که تولید یک پیل اختلاف دمشی می کند .
مرحله دوم : بر اثر تمام شدن اکسیژن درون شیار ، یون های Mn+ تولید شده در شیار یون های منفی که در خارج از شیار است را به سمت خود می کشد ، در اینجا یون هایی مانند کلر تولید کلرید فلز می دهند و چون کلرید در این محیط ناپایدار است هیدرولیز می شود و تولید آب کرده همچنین PH محیط را کم می کند و در نتیجه محیطی اسیدی خواهیم داشت . این عامل باعث می شود سرعت خوردگی بشدت بالا برود .
روش های جلوگیری :
بهترین راه حل حذف شیار می باشد .
استفاده از جوش به جای میخ و پرچ .
طراحی قطعات به نحوی که از تجمع الکترولیت در جاهای مختلف جلوگیری شود .
بازدید مرتب قطعات و تمیز کردن تجهیزات .
عدم استفاده از مواد جاذب رطوبت .
جلوگیری از ورود ناخالصی ها به محیط .
استفاده از واشرهای پلاستیکی برای جلوگیری از ایجاد شیار .
فناوری مرد شش میلیوندلاری (که بخشی از فلز و بخشی از بافتهای انسانی بود) دیگر تنها در اختیار هالیوود نخواهد بود.
در حالی که مرد شش میلیوندلاری از فلزات ساخته شده بود تا توانمندیهای بیشتری را داشته باشد، گروهی از محققان دانشگاههای مختلف به سرپرستی دانشگاه مونترال، فرایندی را برای تولید سطوح فلزی جدید ابداع كردند که منجر به ساخت ایمپلانتهای پزشکی میشود.
این نسل جدید از ایمپلانتها منجر به تسریع روند بهبود میشود و به بدن انسان این امکان را میدهند که پروتزهای فلزی را راحتتر قبول کند.
بر اساس جدیدترین تحقیقات منتشرشده در Nano Letters با عنوان"Nanoscale Oxidative Patterning of Metallic Surfaces to Modulate Cell Activity and Fate" ، دانشمندان از فناورینانو برای تغییر فلزات استفاده كردهاند؛ به نحوی که بتواند در رشد سلولها و نمو بدن انسان تأثیرگذار باشد.
یک از جنبههای مهم این کشف این است که سطوح فلزی فوق میتواند مستقیماً سلول را تحریک کند كه این امر منجر به كاهش نیاز به مصرف دارو شده، از اثرات جانبی داروها نیز میکاهد.
آنتونی نانسی استاد دانشکده دندانپزشکی دانشگاه مونترال میگوید: «ما به کمک تغییرات شیمیایی، توانستیم فلزاتی را بسازیم که سطوحی هوشمند دارند و برهمکنشهای مثبتی بر سلولها داشته، به کنترل پاسخهای زیستی کمک میکنند.»
این کشف میتواند بهعنوان واحد سازندهای برای تولید ایمپلانتهای جدید فلزی محسوب شود که در ساخت انواع پروتزهای ارتوپدی، دندان پزشکی و پروتزهای قلبی تأثیرات بسیار مثبتی را خواهند داشت.
به کمک etching میتوان سطوحی با نانوحفره ایجاد نمود، دکتر Nanci و همکارانش از ترکیبات شیمیایی برای تغییر سطوح فلزات مرسوم در پزشکی مانند تیتان استفاده کردند.
اگر این فلزات را در معرض مخلوطی با نسبت مشخصی از اسیدها و اکسیدانتها قرار دهند، سطوح فلزی حالتی اسفنجی و متخلخل در مقیاس نانو پیدا خواهند کرد.
وی میگوید: «تحقیقات ما ثابت کرد که برخی از سلولها به این سطوح ناصاف در مقایسه با سطح صاف فلزات، بهتر میچسبند.»
این سطوح فلزی متخلخلشده با نانوحفرات، در مقایسه با سطوح فلزی صاف مرسوم، افزایش رشد سلولهای استخوانی، کاهش رشد سلولهای ناخواسته و تحریک سلولهای بنیادی را نشان دادهاند و بیان ژنهای لازم برای چسبندگی سلولی و رشد سلولها در تماس با سطوح فوق، افزایش یافت.
انواع مختلفی از etchant اثرات مختلفی مانند رشد کنترلنشدهی سلولها در یک ایمپلانت نامطلوب دارند؛ برای مثال هنگام استفاده از استنتهای قلبی، نکتهی بسیار مهم این است که رشد سلولها باید محدود شود تا مانع از جریان خون نشوند، همچنین در برخی از موارد ممكن است سلولها کپسولهای ناخواستهای را در اطراف ایمپلانتهای دندانی تشکسل دهند که موجب افتادن آنها خواهد شد.
این محققان نشان دادند که تیمار ایمپلانتها با استفاده از محلولهای etchent مختلف، موجب کاهش رشد سلولهای ناخواسته خواهد شد.
دکتر نانسی میگوید: «با تغییراتی در ترکیب مخلوطهای فوق، میتوان نانوطرحهای متنوعی را در سطح فلز ایجاد نمود كه در نتیجه پاسخهای سلولی قابل کنترل خواهند شد.»
وی میافزاید: «تحقیقات ما مثل شکستن شیشه است. ما یک نمونهی ساده را استفاده کردیم و هنوز تیمارهای شیمیایی بسیاری برای تغییر فلزات مرسوم در ساخت ایمپلانت ها در حال انجام است.»
کشف جدید میتواند کلیدی برای توسعهی مواد هوشمندی باشد که نهتنها بهسادگی بهوسیلهی بدن انسان پذیرفته میشود؛ بلکه میتوان بهطور فعال به محیط زیست اطرافشان نیز پاسخ مناسب بدهند.
دوستان عزیز این مجموعه که براتون قرار دادم نرم افزاری هستش بنام نرم افزار جدول تناوبی
که امیدوارم خوشتون بیاد.....
این نرم افزار یکی از قویترین نرم افزارهای جدول تناوبی عناصرمیباشد که به شما اطلاعات فراوانی دررابطه با عناصرموجود میدهد.امیدوارم واستون مفید باشه.
جذب کننده Absorber
تمییز کردن سطح فلزات با اسید Acid picking
فعال کردن Activation
حالتی که فلز در آن تمایل به خوردگی دارد . Active
فلزی که آماده خورده شدن می باشد . Active metal
فلزاتی که انتقال از حالت فعال به غیر فعال از خود نشان می دهند . Active-Passive metals
محدوده پتانسیل فعال فلز Active potential
دوستان عزیز این مجموعه که براتون قرار دادم کتاب فرایند های مهندسی سطح هستش که امید وارم خوشتون بیاد......
دوستان عزیز این مجموعه که براتون قرار دادم کتاب مقدمه ای بر علم و مهندسی
متالورژی هستش که امیدوارم خوشتون بیاد......
نرم افزار Interactive MSE (ضمیمه کتاب علم مواد کلیستر) به صورت آنلاین
تاريخچه :
در سال 1932 مشاهدات ثبت شده درباره پديده حافظه داري شكلي توسط Change و Read انجام شد. آنها وارون پذيري حافظه شكلي را در AuCd از طريق مطالعات فلز شناسي و تغييرات مقاومت آلياژ ، بررسي كردند
در سال 1956 مشاهدات و نتايج تحقيقات مربوط به تز دكتراي Horbojen در موضوع اثر حافظه دار در آلياژCu-Zn منتشر شد. . در سال 1962 Buhler و همكارانش ،به بررسي پديده حافظه داري شكلي در آلياژ تيتانيم و نيكل كه داراي اتمهاي برابر مي باشند پرداختند. در اين هنگام تحقيق درباره متالورژي و كاربردهاي عملي اوليه آن به طور جدي آغاز شد.
در سال 1967 در كنفرانس Nol ،Buhler و همكارانش تحقيقات گسترده خود را بر روي Nitionol و كاربردهاي تجاري فراوان در صنايع ارائه دادند . از جمله كاربردهاي مطرح شده ساخت كوپلينگ توسط شركت Raychem براي اتصال لوله هاي هيدروليكي مي باشد. كه در صنايع هوايي و نيروي دريايي ايالات متحده و همچنين در حوزه هاي نفتي درياي شمال مورد استفاده قرار گرفت.
در سال 1980 ميلادي Micheal و Hawt با انتشار مقاله اي از نتايج تحقيقات خودشان بر روي برنج آنرا به عنوان ماده جديد حافظه دار معرفي كردند.
مقدمه :
در پديده حافظه داري، نمونه در حالت كاملاً مارتنزيتي به مقدار معيني تغيير فرم داده مي شود سپس با گرم كردن نمونه و برگشت آن به حالت آستيني، شكل نمونه نيز به حالت اول خود بر گردد .
شكل (1) سيكل حرارتي مكانيكي توصيف كننده پديده حافظه داري شكلي
شكل(1) چگونگي پديده حافظه داري شكل را با تبديل دو فاز آستنيت و مارتنزيت به يكديگر نشان مي دهد.
بررسي بر روي تغيير حالت متالورژيكي نمونه جامد ، تغيير آرايش اتم ها بدون هيچگونه تغييري در تركيب شيميايي فاز زمينه را نشان مي دهد. اين تغيير آرايش منجر به ايجاد ساختار كريستالي فاز جديد و پايدار مي شود. پيشرفت تغيير حالت بدون نياز به حركت و جابجايي اتمها به صورت مجزا ، را مي توان مستقل از زمان دانست و به همين دليل مي توان وابستگي دما را به عنوان تنها عامل پيشرفت اين تغيير نشان داد.
1- تغيير حالت هاي مارتنزيتي و پديده حافظه دار شدن:
تغيير حالت متالورژيكي جامدات از دو طريقه زير امكان پذير است .
1) حركت و جابجايي اتم ها وابسته به درجه حرارت و زمان با تغيير در تركيب شيميايي فاز جديد نسبت به زمينه قبلي.
2) تغيير آرايش اتمي به صورت هماهنگ وابسته به دما و بدون وابستگي به زمان و هيچگونه تغييري در تركيب شيميايي فاز جديد نسبت به زمينه قبلي .
تغيير حالت هاي مارتنزيتي به طريقه دوم مرتبط است و داراي مشخصات زير است:
1) تغيير مكان به صورت شبه برشي مي باشد و در آن اتم ها به صورت هماهنگ و گروهي جابجا مي شود.
2) ديفوزيون اتمي در آن اتفاق نمي افتد.
رفتار حافظه دار شدن كاملاً به مشخصه اول مرتبط بوده و نظم اتم هاي آلياژ نبايد به هم بخورد.
2- كريستالوگرافي مارتنزيتي:
تغيير حالت تبديل آستنيت به مارتنزيت از لحاظ كريستالوگرافي در سه مرحله قابل بررسي است .
1- تغيير فرم شبكه اي
2- برش ناهمگن
3- دوران شبكه اي
فرآيند تبديل آستنيت به مارتنزيت در مرحله تغيير فرم شبكه اي در شكل 2 نشان داده شده است . در اين مرحله اتم ها با جابه جايي جزئي و هماهنگ، پيشروي فصل مشترك از هر لايه اتمي را موجب مي شوند.
بايد توجه داشت پديده حافظه داري بدون تغيير حجم و تغيير شكل امكان پذير بوده و برش ناهمگن توجيه كننده اين مطالب مي باشد.
برش ناهمگن در مارتنزيت به دو طريق امكان پذير است :
1) مكانيزيم لغزش يافتن صفحات اتمي
2) مكانيزيم تشكيل دوقلويي ها
تصاوير نشان داده شده چگونگي انطباق فاز مارتنزيت بر فاز آستنيت را در هنگام جابجايي جزيي و گروهي اتمها با حفظ شبكه كريستالي نشان مي دهد.
بايد توجه داشت كه لغزش صفحات اتمي به علت شكسته شدن باند هاي اتمي بعنوان مكانيزيم تغيير فرم پلاستيك دائم محسوب مي شود، در صورتي كه در مكانيزيم دو قلويي به علت انرژي پايين مرز دوقلويي و برخورداري از تحرك و لغزندگي نسبي تغيير فرم غير دائم است. در آلياژهاي حافظه دار ، كرنش هاي ناشي از تغيير حالت در اثر تشكيل يك جفت از دوقلويي هاي دو طرف مرز ذخيره سازي مي شوند و براي برگشت پذيري از آن استفاده مي شود.
شكل 4) مرز دوقلويي را نمايش مي دهد و هر يك از دوقلويي هاي دو طرف مرز دوقلويي يك وا ريانت را شامل مي شود. در صورت وارد كردن تنش برشي به مرز دو قلويي باعث حركت يكي از واريانت ها شده و واريانت ديگري حذف مي شود.(شكل 4 ،B) اين روند مي تواند تا تبديل تمامي واريانت به يك واريانت واحد ادامه يابد(شكل 4، C) .
بررسي پديده حافظه داري در تك كريستال آستنيت در شكل 5 نمايش داده شده است.
مرحله اول همانطور كه از شكل پيداست بعد از سرد كردن كريستال در زير دماي Mf واريانت هاي A و B و C و D تشكيل مي شوند مرحله دوم با وارد كردن تنش به كريستال ، واريانتها شروع به حركت و حذف شدن مي كنند تا واريانت واحد A تشكيل گردد. حين تشكيل واريانت واحد A كرنش هايي در جهت واريانتA ذخيره مي شود. مرحله سوم مربوط به حرارت دادن كريستال نمونه براي تبديل مارتنزيت به آستينت مي باشد از آنجاييكه كرنش ها تنها در جهت واريانت A ذخيره شده اند، پس تنها مسير براي برگشت پذيري، واريانت A مي باشد و نمونه به شكل اوليه خود باز مي گردد.
3- رفتار ترمومكانيكي:
آلياژ هاي حافظه دار در درجه حرارت هاي مختلف داراي خصوصيات مكانيكي بسياري مي باشند در شكل 6 منحني هاي ساده تنش - كرنش براي آلياژ تيتانيم- نيكل مشاهده مي شود. آلياژ در دماهاي پايين ، متوسط و بالاي دماي استحاله مورد آزمايش قرار گرفته است. تغيير شكل در مارتنزيت با چند در صد كرنش و تنش فشاري نسبتاً كم ديده مي شود . در حاليكه آستنيت در درجه حرارت بالا نياز به تنش نسبتا زيادي براي تغيير شكل دارد. خط چين روي منحني مارتنزيت نمايانگر برگشت پذيري آلياژ بعد از برداشتن تنش وارد شده بعد از گرم كردن نمونه و تبديل به فاز آستنيت مي باشد ولي چنانچه كه مشاهده مي شود در منحني مربوط به آستينت با برداشتن تنش و گرم كردن نمونه امكان برگشت پذيري وجود ندارد.
4- خاصيت ارتجاعي كاذب:
خصوصيت جالب توجه درباره منحني تنش - كرنش درقسمت منحني C ديده مي شود.به طوري كه پس از حرارت دادن نمونه كمي بالاتر از درجه حرارت انتقال ، در درجه حرارت بالاي Af به نمونه در فاز مارتنزيت تنش وارد مي شود. با افزايش مقدار تنش ، تغيير شكل نيز به صورت يكنواخت افزايش مي يابد (منحني AB). در اين هنگام رفتار تغيير شكل و تنش پايداري مشاهده مي شود با كاهش تنش( منحني (CD مارتنزيت به آستينت تبديل مي شود بايد توجه داشت كه برگشت پذيري انجام شده به خاطر تغيير حرارت نمونه نمي باشد و دليل آن كاهش فشار است. اين پديده را كه موجب مي شود آلياژ خاصيت كشساني نامحدود پيدا كند به عنوان خاصيت ارتجاعي كاذب ناميده مي شود.
5- اثر حافظه دار يك طرفه و دو طرفه:
الف )اثر حافظه دار يك طرفه :
در صورتيكه اثر حافظه داري فقط بعد از تغيير شكل در حالت مارتنزيتي و سپس در سيكل گرم كردن مشاهده شود به آن اثر حافظه يك طرفه گفته مي شود. اين بدان معني است كه در اين حالت تغيير شكل ايجاد شده ، فقط با گرم كردن به حالت اوليه قبل از تغيير شكل باز مي گردد و چنانچه جسم را دوباره سرد كنيم تغييري در شكل آن حاصل نمي شود اين خصوصيت در شكل شماره 7 نمايش داده شده است.
همانطور كه در تصوير مشاهده مي شود ابتدا فنر در دماي Mf به مقدار معيني تغيير فرم داده مي شود به صورتيكه تغيير فرم دائمي در آن باقي بماند حال اگر فنر تغيير فرم داده شده را تا دماي Af حرارت دهيم مجدداً به شكل اوليه خود بر مي گردد و در سيكل سرد شدن تا دماي Mf هيچگونه تغيير شكلي در فنـــر مشاهده نمي شود. .
ب)اثر حافظه دار دو طرفه :
برگشت پذيري به حالت اوليه خود در اثر سرد و گرم كردن آلياژ هاي حافظه دار دو طرفه در بازه معيني از دما امكان پذير است . در شكل 8 يك فنر با اثر حافظه دار دو طرفه به صورت باز شده در حالت آستيني و شكل جمع شده در حالت مارتنزيتي نشان داده شده است.
همانطور كه مشاهده مي شود اگر فنر گرم شود باز شده و در سيكل سرد شدن مجدداً به شكل جمع شده در مي آيد.
بايد توجه داشت كه آلياژ هاي حافظه دار براي اينكه اثر حافظه دار دو طرفه از خود نشان دهند نياز به انجام عمليات ترمومكانيكي خاصي بر روي آنها مي باشد.
6- ساخت آلياژ هاي حافظه دار :
روش هاي اصلي ساخت آلياژ هاي حافظه دار در دو گروه عمده قابل بررسي است:
الف) ساخت آلياژ به طريقه ذوب و ريخته گري با استفاده از كوره هاي القايي و كوره هاي مقاومتي
ب) ساخت آلياژ به طريقه متالورژي پودر
براي توليد آلياژ هاي حافظه دار درتناژهاي بالا و تجارتي ، از روش ذوب و ريخته گري استفاده مي شود.
7-كاربرد آلياژهاي حافظه دار درمهندسي پزشكي:
كاربرد پزشكي آلياژ هاي حافظه دار به عنوان يك عملگر با اثر باقيمانده در داخل بدن قابل بررسي است آلياژي كه در بدن افراد براي بهبود رفتار باليني اعضاي آنها بكار گرفته شده است نبايد مولد هيچ گونه حساسيتي باشد علاوه بر آن آلياژ بكارگرفته شده نبايد به صورت ذراتي از يون آن ماده وارد خون شخص گيرنده اين گونه آلياژها شود.
جنبه هاي متعددي شامل شاخص هاي مزاجي افراد همچون سن ، قواي بدن و سلامتي و خصوصيات شيميايي مواد همانند خوردگي ، تخلخل پذيري سطح ، تأثيرات سمي و عناصر موجود در مواد به منظور پذيرش مواد مذكور در بدن افراد بايد مورد بررسي قرار گيرند.
تحقيقات متعددي در مورد توليد و بكارگيري آلياژهاي حافظه دار با كاربرد پزشكي با پايه عنصري Ni-Ti انجام پذيرفته است . اين تحقيقات نشان مي دهد كه آلياژNi-Ti در كاربرد و استفاده، نسبت به بقيه آلياژها از موقعيت خوبي برخوردار است.
تحليل خواص آلياژ Ni-Ti با بررسي خواص جداگانه نيكل و تيتانيم امكان پذير است .
نيكل رنگ سفيد نقره اي براق دارد و فلزي است سمي ، شكننده كه از قابليت پوليش خوبي برخوردار است اين فلز جز ء فلزات غير آهني سنگين با جرم مخصوKg/dm3 9/8 و نقطه ذوب 1455 مي باشد و در مقابل خوردگي بسيار مقاوم بوده و به وسيله آهن ربا جذب مي شود. همچنين در مقابل حرارت و ضربه مقاومت خوبي نشان مي دهد موارد استفاده آن شامل پوشش محافظ در آبكاري فلزات ، توليد فولادهاي آلياژي و غيره مي باشد.
تيتانيم فلزي است نقره فام مايل به خاكستري و جزء فلزات غير آهني سبك است و جرم مخصوص آنKg/dm35/4 و نقطه ذوب آن 1670 مي باشد. مقاومت در مقابل خوردگي و سايش و استحكام زياد آن موجب كاربرد در ساخت قطعات هواپيما ، سفينه فضايي ، لوازم نظامي و جراحي شده است. آلياژهاي تيتانيم دار فلز اصلي ساختمان هواپيماي مافوق صوت را تشكيل مي دهد . تيتانيوم بر خلاف نيكل در پزشكي بسيار مؤثر عمل مي كند ، علاوه بر اين با توجه به خواص بسيار خوب مكانيكي براي اصلاح دندان هاي كج و همچنين ترميم استخوان هاي آسيب ديده كاربرد فراوان دارد.
بررسي تحقيقات خواص باليني آلياژ Ni-Ti چگونگي كنترل مقاومت در مقابل خوردگي و عوامل خارجي مؤثر بر اين آلياژ را نشان مي دهد.
8-موارد استفاده پزشكي از آلياژ Ni-Ti:
الف) كاربردهاي مربوط به قلب و عروق
فيلتر سيمون نسل جديدي از وسايل استفاده شده براي جلوگيري از انسداد جريان خون مي باشد افرادي كه قادر به استفاده از داروهاي ضد انعقاد خون نمي باشند، استفاده كننده هاي اصلي اين فيلتر مي باشند. هدف استفاده از اين وسيله تصفيه خون داخل رگ مي باشد و فيلتر سيمون كمك مي كند لخته هاي بوجود آمده در خون حل شود.
اما نصب فيلتر در داخل بدن اشخاص با به كار گيري از تأثيرات آلياژهاي حافظه دار امكان پذير است براي اين منظور فيلتر رابا تغيير شكل برروي سوند قرار مي دهند.جريان محلول نمكي در داخل سوند موجب تثبيت دماي فيلتر با درجه حرارت معمولی مي شود و زماني كه فيلتر در محل تعيين شده قرار گرفت با توقف جريان محلول نمكي در داخل سوند درجه حرارت بالا مي رود و فيلتر تغيير شكل داده شده به شكل اصلي (اوليه) خود بر مي گردد در اين زمان فيلتر از نوك سوند نيز جدا شده است.
مسدودكننده سوراخ ديواره دهليزي: از اين وسيله براي مسدود كردن سوراخ ديواره دهليزي كه بين دو دهليز چپ و راست ايجاد مي شود استفاده مي گردد.
بايد توجه داشت وجود اين سوراخ غير عادي است و اميد ادامه زندگي را براي افراد كاهش مي دهد در روش جراحي معمول ، رفع اين عيب مستلزم شكافتن سينه بيماروسپس عمل بخيه کردن سوراخ صورت مي گيرد ، كه به طور طبيعي خطرات ناشي از عمل جراحي و همچنين امكان بروز حوادث غير منتظره در حين جراحي اجتناب ناپذير بوده و راه حل آن استفاده از اثر آلياژهاي حافظه دار مي باشد. اين وسيله از سيم هايي با خاصيت حافظه داري و فيلم ضد آب كه روي آن نصب شده است، تشكيل مي شود. براي نصب اين وسيله در داخل قلب ابتدا نيمه اول آن وارد بطن چپ شده وبه شكل اوليه خود بر مي گردد و در ادامه نيمه دوم كه در بطن راست قرار مي گيرد تغيير شكل يافته ، به شكل اوليه خود بر مي گردد. در انتها هر دو نيمه به ديواره بطني متصل شده اند . به طوري كه از ورود جريان خون از دو بطن به يكديگر جلوگيري مي شود.
استنت هاي باز شونده خودكار نيز از جمله وسايل مهمي است كه در حفظ قطر داخلي رگ هاي تنگ شده و كاهش قطر و بسته شدن آنها كاربرد دارد . استنت ها به شكل استوانه هاي توري ساخته مي شوند و متناسب بانوع و محل كاربرد داراي اقطار متفاوتي مي باشند(شكل 12) .
از جمله محل هاي مورد استفاده از استنت ها سرخرگ ، سياهرگ، رگ هاي خوني ،مجاري ، صفراوي و مري مي باشد. براي نصب در داخل عروق ابتدا فاز مارتنزيتي از شكل اصلي به حالت متراكم شده تبديل و پس از قرار دادن در محل مورد نظر به شكل خود بر مي گردد.
ب) كاربردهاي ارتوپدي
از آلياژهاي حافظه دار (SMA) به عنوان فضا گير يا spacer بين مهره هاي ستون فقرات در حين عمل جراحي استفاده مي شود كه موجب استحكام ما بين دو مهره در حين بهبودي بعد از تغيير شكل ايجاد شده در جراحي اسكوليدز مي شود .در شكل 13B- سمت چپ مهره تغيير شكل يافته در فاز مارتنزيتي است كه پس از جايگزيني در محل مورد نظر به حالت سمت راستي (شكل اوليه ) بر مي گردد.
ترميم و بهبود شكستگي استخوان از ديگر كاربردهاي ارتوپدي آلياژ هاي حافظه دار مي باشد. انواع مختلفي از بست هاي با خاصيت حافظه داري در ترميم شكستگي يا ترك استخوان ساخته شده است. بست ها به صورت باز شده در محل شكستگي يا ترك معمولاً پيچ شوند. با كمك گرما بست ها به گونه اي تغيير شكل مي يابند كه دو طرف شكستگي يا ترك را با هم يكي كرده و مي فشرند. گرماي ايجاد شده را مي توان به كمك يك وسيله خارجي به آلياژ منتقل كرد. نيروي ايجاد شده در اثر تغيير شكل آلياژ به بهبود سريعتر شكستگي يا ترك مي انجامد (شكل 14 و 15) .
عموماً از اين بست ها در مواقعي استفاده مي شود كه محل شكستگي يا ترك را نتوان گچ گرفت، مانند نواحي صورت شامل، بيني ، فك و حفره چشم از جمله محل هاي مورد كاربرد مي باشند.
از ديگر كاربردهاي ارتوپدي اثرات آلياژ هاي حافظه دار در فيزيوتراپي عضلات ضعيف مي باشد . تصوير 16 دستكشي را نشان مي دهد كه سيم هايي باخاصيت حافظه داري بر روي ناحيه انگشتان دستكش واقع شده است. كه موجب تقويت حركت عضلات و برقراري دامنه مناسب حركات مفصلي با استفاده از خاصيت حافظه داري سيم هاي دستكش استفاده مي شود به طوريكه با گرم كردن سيم طول سيم ها كوتاه شده و انگشتان به داخل خم مي شوند و با سردكردن طول سيم ها زياد شده و انگشتان كاملاً كشيده مي شوند . اين پديده براي به كار انداختن مفاصل نيمه ثابت استفاده مي شود.
ج) كاربرد آلياژ هاي حافظه دار در وسايل جراحي
در راستاي توليد وسيع ابزارهاي جراحي در سال هاي اخير ابزارهاي جراحي حافظه دار قابل توجهي توليد شده است كه به شرح تعدادي از آنها پرداخته مي شود.
1- سبد حافظه دار براي خارج كردن سنگ هاي مثانه و صفراوي مورد استفاده قرار مي گيرد. مراحل نصب آن شبيه فيلتر سايمون مـي باشد كه در شكل 17 آورده شده است.
كاربرد پمپ بالوني داخل آئورت شكل 18 براي جلوگيري از مسدود شدن رگ هاي خوني در هنگام آنژيوپلاستي مي شود اين وسيله داري تيوب با اثر حافظه داري است وعملكرد آن با مواد پلي مري كه خاصيت ارتجاعي دارند قابل مقايسه است.
شكل 19 انواع انبرك هاي شامل انبرك هاي قيچي دار و پنس مورد استفاده در لاپاراسكوپي را نشان مي دهد. دقت و نرمي در حركت از جمله خصوصيات اين ابزار مي باشد.
9-نتيجه گيري:
1-تغيير حالت مارتنزيتي به طريقه دوم تغيير حالت متالورژيكي جامدات مربوط بوده و در آن تغيير آرايش اتمي بدون هيچ وابستگي به زمان و تغييري در تركيب شيميايي فاز جديد، به صورت هماهنگ و وابسته به دما انجام مي گيرد.
2-رفتار حافظه دار شدن با تغيير مكان به صورت شبه برشي امكان پذير مي باشد كه در آن اتم ها به صورت هماهنگ و گروهي جابجا مي شوند.
3-مكانيزم دوقلويي در برش ناهمگن توجيه كننده چگونگي حافظه دار شدن آلياژنمونه بدون تغيير درحجم نمونه اوليه است.
4-در رفتار ارتجاعي كاذب، آلياژ خاصيت كشساني نامحدودي پيدا مي كند.
5-اثر حافظه داري به دو صورت يك طرفه و دو طرفه در آلياژهاي حافظه دار قابل بررسي است.
6- آلياژهاي حافظه دار به دو روش 1-روش ذوب و ريخته گري 2- متالورژي پودر ساخته مي شوند.
7-آلياژهاي NiTi به دليل داشتن ويژگي هايي همچون مقاومت در مقابل خوردگي ،سازگاري زيستي بالا، قابليت توليد در اندازه هاي خيلي كوچك ، خاصيت ارتجاعي بالا و توليد نيرو در تجهيزات مهندسي پزشكي كاربرد فراوان دارند.
10- منابع:
1-SHAPE MEMORY ALLOYS, Darel E. Hodgson, Shape Memory Applications, Inc., Ming H. Wu, Memry Technologies, and Robert J. Biermann, Harrison Alloys, Inc
2-. Medical applications of SHAPE MEMORY ALLOYS, L.G. Machado1and M.A. Savi2
3- SMA/MEMS Research Group (2001). http://database.cs.ualberta.ca/MEMS/
4- NMT Medical, Inc. (2001). http://www.nmtmedical.com
5- Duerig TM, Pelton A & Stöckel D (1999). An overview of nitinol medical applications. Materials Science and Engineering A, 273-275:149-160.
6- SMET (2001). http://smet.tomsk.ru/eng/prod.htm
7- Shabalovskaya SA (1995). Biological aspects of TiNi alloys surfaces .Journal de Physique IV, 5: 1199-1204.
8- تحقيقات انجام شده بر آلياژهاي حافظه دار ،دانشگاه سهند تبريز مهندس براني
9- مجموعه مقالات اولين همايش سيستم هاي دفاعي هوشمند آلياژهاي حافظه دار و كاربردهاي آنها در ساختارهاي هوشمند ،صادق بدخشان راز- سيد خطيب الاسلام صدر نژاد
10-مجله فني و مهندسي ساخت و توليد، آلياژهاي حافظه دار
11-پینوشت
1- Martensite
2- Austenite
3- Diffusion
4- Bain Distortion
5- In homogenous shear
6- Lattice rotation
7- Denotes the temperature at which the Martensite phases finishes forming.
8- Denotes the temperature at which the Martensite phase finishes forming.
9- One – way memory
10- Tow – way memory
11- Simon filter
12- Atrial septal occlusion divice.
13- Shape memory self – expanding stents.
14- Shape memory basket
15- Balloon pump
16- Laparoscopy
تریبو لوژی
علم سطوح در تماس با یکدیگر ، که نسبت به هم دارای حرکت هستند را گویند.
تریبو سیستم
به زبان ساده یک سیستم مهندسی است که در آن سایش رخ می دهد .هر تریبوسیستم دارای ورودی ها و خروجی هایی می باشد .
ورودی های تریبوسیستم :
1 – نیرو
2- دمای ورودی
3- شرایط محیطی
4- سرعت
5- جرم
6- روان کار
7- زمان و..................
خروجی های تریبوسیستم
1-اصطکاک
2-دمای خروجی
3-صدا
4-لرزش
5-سایش
6-خوردگی
آلياژهاي حافظه دار به توانايي برگشت به شکل يا اندازه اوليه ي از پيش تعريف شده طي يک چرخه حرارتي اطلاق مي شود . به عبارت ديگر ، چنانچه در دماي پايين تر از دماي خاتمه ي تحول مارتنزيتي يک تغيير شکل پلاستيک در آلياژ حافظه دار ايجاد شود، با افزايش دما تا بالاي دماي خاتمه تحول آستنيتي ، آلياژ قادر به بازيابي شکل اوليه خود خواهد بود.
آلياژهاي حافظه دار شامل گروهي از مواد فلزي است که قابليت بازگشت به شکل اوليه را هنگامي که تحت بار مکانيکي مناسب قرار گيرند را دارا مي باشند. هنگامي که محدوديت در بازيابي شکل وجود دارد، اين آلياژها نيروهاي ارتجاعي بالايي را توليد مي کنند و به خاطر اين خاصيت علاقه تکنولوژيکي زيادي براي استفاده از آلياژ هاي حافظه دار در کاربردهاي پزشکي و غير پزشکي وجود دارد به عبارت ديگر خواص ترموديناميکي استثنايي آلياژهاي حافظه دار ، عامل کاربردهاي بسيار مهمي در زمينه ي مهندسي پزشکي شده است.
آلياژهاي حافظه دار به صورت يكطرفه و دو طرفه ساخته مي شوند. منظور از يك طرفه بودن اين است كه اين فلزات در يك جهت عملي را انجام مي دهند و حالت برگشت پذيري ندارند. قابليت آلياژهاي حافظه دار در بازيابي شكل پيش تعيين شده با حرارت دادن بالاي دماي تغيير حالت و برگشت به شكل مشخص قبلي با سرد كردن بنام اثر حافظه داري دوطرفه خوانده مي شود
خانواده آلیاژهای حافظه دار
آلياژهاي حافظه دار مهم عبارت اند از :
1-سيستم هاي پايه مس
2- سيستم هاي پايه آهن
3- آلياژهاي طلا-کادميم
4- آلياژهاي برنج
5- آلياژهاي نيکل- تيتانيم.
آلياژهاي حافظه دار در پزشکي
آلياژهاي حافظه دار موادي هستند که بعد از اينکه تحت کرنش قرار گرفتند در يک دماي خاص به شکل اصلي خود برمي گردند. در فرايند برگشت به شکل به ياد مانده آلياژ مي تواند نيروي زيادي توليد کند که جهت تحريک مفيد است. اين آلياژها در بيش از 50 سيستم آلياژي توسعه يافته اند. عمده ترين آلياژهاي حافظه دار که در مصارف پزشکي استفاده مي شوند عبارتند از NiTi (نايتينول) TiMo, NiTiMo
کاربردهای پزشکی آلیاژهای حافظه دار نایتینول:
دندانپزشكي (ارتدنسي)
استفاده از آلياژ حافظه دار در ارتدنسي جلوه ديگر از قابليتهاي آن مي باشد. بر خلاف سيمهاي معمول در ارتدنسي كه از جنس فولاد ضد زنگ 8-18 مي باشند و به صورت منقطع قادر به تنظيم و ترتيب دادن دندان ها مي باشند و بيمار را ملزم به مراجعات زياد به دندانپزشك مي سازد؛ سيمهاي ارتدنسي از جنس NiTi بدور از مشكلات فوق، نيروي مداوم و تدريجي به دندان ها وارد مي كند كه اين پديده بر اساس مسطح بودن منحني باربرداري اين آلياژ در دامنه زيادي از كرنشها مي باشد.
سيمهاي ارتدنسي نايتينول با دندان حركت كرده و در يك پهناي زماني درمان و وضعيت دندان، نيروي ثابتي را اعمال مي كنند
كاربردهاي ديگر
1-کاربرد برای درمان بیماری های قلبی – عروقی
2- کاربدهای ارتوپدی نایتینول
3- کاربردهای ارتودنسی نایتینول
4- آندوسکوپ های فعال و انعطاف پذیر
5- دست مصنوعی
6- عقیم سازی لوله ای
ویژگی های آلیاژهای حافظه دار نایتینول
1-الاستیسیته ی بالا(جایگذاری الاستیک)
2-خاصیت حرارتی برتر(جایگذاری حرارتی)
3-دوام زیاد(مقاومت به تاب و گره)
4-تنش ثابت
5-ممانعت دینامیکی
6- هیسترزیس تنش
7- تنش وابسته به دما
سازگاري فيزيولوژيكي
فولاد ضد زنگ، تيتانيم و فلزت ديگر رابطه خوبي با مواد بيولوژيكي ندارند. مقبوليت غير معمول نايتينول آنرا فلزي ساخته است كه از لحاظ مكانيكي مشابهت زيادي با مواد بيولوژيكي دارد. اين مشابهت فيزيولوژيكي، رشد داخلي استخوان و به اشتراك گذاشتن بارها با بافت مجاور را باعث گرديده و سبب استفاده از اين آلياژ در ايمپلنتهاي هيپ، فاصله اندازهاي استخوان بستهاي استخوان و صفحات براي شكستگي جمجمه شده است. كاربرد اخير بيشتر از آن لحاظ جالب است كه از نايتينول متخلخل كه رشد داخلي بيشتر استخوان را سبب مي گردد، استفاده مي شود.
سنتز احتراقي يا استفاده از گرماي گداز براي اشتعال، جهت تشكيل نايتينول از نيكل و تيتانيم - نشان داده است كه راهي موُثر در توليد اسفنج متخلخل نايتينول مي باشد كه دانسيته اي از 40 تا 90% دارد. اسفنجي كه داراي خواص سوپرالاستيك و حافظه داري باشد، رشد داخلي استخوان را شتاب مي بخشد و چسبندگي خوبي را با بافت مجاور ايجاد مي كند
زيست سازگاري
زيست سازگاري توانايي ماده در باقي ماندن به صورت بي ضرر از لحاظ بيولوژيکي در طي دوره عملکرد
خود در درون يک موجود زنده است . اين يک فاکتور مهم براي استفاده وسايل حافظه دار در بدن است يک ماده زيست سازگار نبا يستي واکنش آلرژيک در بدن ميزبان ايجاد نمايد، و همچنين نبايستي در گردش خون يون رها کند. دوره اي که بيومتريال در بدن انسان مي ماند مهمترين وجه مطرح شده در باره کاربردش مي باشد.
عموما زيست سازگاري يک ماده قوي به واکنش آلرژيک بين سطح بيومتريال و پاسخ آماسي ميزبان بستگي دارد. .وجوه مختلفي در اين واکنش ها شرکت دارند مثل خصوصيات بيمار ( سلامتي ،سن ، حالت ايمني بدن و ... ) دارد مثل خصوصيات ماده .آناليز وجوه مربوطه به زيست سازگاري اين آلياژها توسط اندازه گيري و ارزيابي هر کدام از عناصر نيکل و تيتانيم به صورت جداگانه صورت مي گيرد.
نيکل اگر چه براي زندگي لازم است يک عنصر بسيار سمي نيز مي باشد. مطالعات نشان داده اند در افرادي که در تماس سيستميک با نيکل بوده اند مشکلاتي مثل زات الريه، سينوزيت مزمن و ورم غشا مخاط بيني ، سرطان ريه و سوراخ بيني، آماس پوست وجود داشته است.
برعکس نيکل ، Ti و ترکيباتش بسيار زيست سازگار مي باشند . علاوه بر اين به خاطر خواص مکانيکي شان اکثرا در ايمپلنت هاي ارتوپدي استفاده مي شوند.
بخاطر ميزان بالاي نيكل در NiTi، از لحاظ تئوري اين امكان وجود دارد كه به علت خوردگي، نيكل از ماده، حل شده و سبب تاُثيرات نامطلوبي گردد؛ بهمين خاطر، زيست سازگاري NiTi بايد قبل از استفاده مطمئن از آن بعنوان ايمپلنت، بخوبي تاُييد شده باشد .
مرور اين مطلب بيشتر ازاين لحاظ مهم است كه دانش كمي از زيست سازگاري NiTi دردست
مي باشد. مقاومت خوردگي آلياژ وسميت فلزات تنهايي كه سازنده آلياژ هستند عوامل اصلي زيست سازگاري هستند. خواص و زيست سازگاري NiTi شاخص هاي ويژه خود را دارد كه متفاوت از تيتانيم يا نيكل تنها مي باشد. سميت موضعي و سيستميك، اثرات سرطان زايي، پاسخ زينهاري و جنبه هاي ناقص الخلقه سازي نيكل نياز به بررسي بيشتر دارند .
پاسخ موضعي بافت، مهمترين جنبه زيست سازگاري مي باشد .. زيست سازگاري يك ماده در داخل بدن مي تواند با آناليز كردن حضور جمعيت سلولي- با اندازه گيري سلولهاي استخراج شده از محصول متابوليسمي- يا آناليز كردن شاخص هاي مورفولوژيكي بافت در اطراف ايمپلنت بررسي
شود .اگرچه نيكل خالص ايمپلنت شده در داخل ماهيچه، تحريك و نكروز شــديد بافـــت موضـعي را سبب مي شود، زيست سازگاري NiTi در بافت ماهيچه اي، حداقل برابر با آلياژهاي Co-Cr و فولاد ضد زنگ و قابل مقايسه با تيتانيم مي باشد .
چنانچه ديده شد، ايمپلنت آلياژ نايتينول به اندازه كافي با بافت بدن سازگار است و داراي توان بالقوه اي به عنوان يك بيومتريال با قابليتهاي بالاي حافظه داري و ارتجاعي بودن مي باشد.
از دست دادن دندان ها علاوه بر اینکه می تواند به علت بیماری های دهان و دندان مانند پوسیدگی، بیماری های لثه و استخوان و سایش های وسیع در سطح دندان ها باشد، به سبب عوامل دیگری همچون وارد شدن ضربات به دندان ها در نتیجه تصادفات رانندگی یا درمان های نادرست دندان پزشکی نیز اتفاق می افتد. بی دندانی تاثیر قابل توجهی بر وضعیت ظاهری چهره افراد و مهمتر از آن بر روحیه و اعتماد آنها دارد. از این رو استفاده از روش های درمانی نگهدارنده مانند ایپملنت ها مورد استقبال قرار گرفت.
ایمپلنت های دندانی این فرصت را برای همه فراهم کرده است که بتوانند -از یک تا تمام- دندان های از دست رفته را به بهترین شکل ممکن جایگزین کنند. راه های زیادی برای جایگزینی ریشه دندان وجود دارد ولی تنها ایمپلنت دندانی می تواند جایگزین کامل دندان، شامل ریشه و تاج شود.
رایج ترین روش جراحی که روی اغلب انسان ها انجام می شود، کشیدن دندان است اما به چند دلیل نباید این حفره خالی بماند و باید دندان جدیدی جایگزین دندان از دست رفته شود:
1. سلول های استخوانی برای زنده ماندن باید تحت فشار موضعی قرار بگیرند. زمانی که دندانی کشیده می شود این فشار از بین رفته و استخوان نگهدارنده دندان و استخوان فک و لثه پوشاننده آن به مرور زمان تحلیل خواهند رفت.
2. اگر فضای بی دندانی پر نشود، حرکت دندان های طبیعی سعی در پر کردن خلا ایجاد شده دارند و در نتیجه دندان های مجاور و مقابل منحرف شده و زیبایی خود را از دست می دهند.
3. به دلیل کم شدن فشار بر دندان های مجاور فضای بی دندانی، سطوح آنها به سرعت پوسیده می شوند.
پس برای جلوگیری از این اتفاقات ناخوشایند نباید این فضا را خالی نگه داشت و همان طور که گفته شد، بهترین شیوه جایگزینی، ایمپلنت دندانی است-که مزایای آن در ادامه توضیح داده خواهد شد-
ایمپلنت دندانی یک ریشه مصنوعی ساخته شده از موادخالصی مثل تیتانیوم(خالص) می باشد که از طریق جراحی در داخل استخوان فک قرار می گیرد. در واقع ایمپلنت پایه کاشتنی است که دندان مصنوعی روی آن قلاب می شود. پس از کاشتن، ایمپلنت از طریق پدیده ای به نام پيوند استخواني (Osseointegration) –که اولین بار توسط دکتر Branmark سوئدی کشف شد- به استخوان فک متصل می شود. معمولا فرایند اتصال 3تا4 ماه طول می کشد و بعد از آن می توان دندان مصنوعی را بر روی ایمپلنت قرار داد.
ایمپلنت ها معمولا یک دست دندان کامل و یا به صورت قطعه ای و تک دندانی هستند که به هر دو حالت ثابت و متحرک قابل استفاده اند. نوع متحرک آن که مرسوم به دندان مصنوعی است به دلایل اقتصادی و سهولت کاربردی-استفاده بدون نیاز به عمل جراحی- رایج تر است اما ایمپلنت های ثابت، بهتر و با کیفیت تر بوده و زمان بیشتری دوام خواهند داشت. چون ایمپلنت ثابت(که به آن تنها ایمپلنت می گویند و نوع متحرک آن را دندان مصونوعی می نامند) درد و ناراحتی ناشی از دندان های مصنوعی که روی فک و لثه قرار گرفته و اعصاب بافت لثه را تحریک می کنند، حذف خواهد کرد. همچنین تحلیل پیش رونده استخوان فک در زیر دندان های مصنوعی به مرور باعث عدم تطابقِ دست-دندان با استخوان فک شده و تدریجا دست-دندان لق می شود.
ایمپلنت های دندانی در موارد متعددی از جمله فقدان دندان های طبیعی( مثل دندان های عقبی که به عنوان پایه و پشتیبان عمل می کنند) یا همان طور که ذکر شد وجود انحرافات ظاهری ناشی از ضریه و صدمه، انحرافات مادرزادی و یا دلایل متابولیکی کاربرد دارند.
بسته به اینکه چه منطقه ای از کاربرد را برای ابزار در نظر بگیریم و بخواهیم در کدام منطقه دندان جدیدی جایگزین کنیم و یا چه منظور هایی برای استفاده از آنها داشته باشیم، ایمپلنت های دندانی در مواد متفاوت و طرح های گوناگون قابل استفاده اند.
ایپپلنت در 60 سال اخیر به عنوان بهترین راه برای جایگزینی دندان های از دست رفته شناخته شده است و موفق ترین روش آن 25سال است که در اروپا اجرا می شود چرا که:
1. ظاهری کاملا طبیعی دارد.
2. نیازی به تراش دندان های مجاور هنگام کاشت نیست و به دندان های کناری آسیب نمی رساند.
3. دندان های کاشتنی نیرو را مانند دندان های طبیعی به استخوان وارد میکند و از تحلیل رفتن استخوان در ناحیه کشیده شده جلوگیری میکند.
4. باعث جلوگیری از حرکت دندان های مجاور به ناحیه بی دندانی می شود.
5. حس اعتماد به نفس فرد را باز می گرداند و زیبایی صورت را حفظ می کند.
6. همان طور که گفته شد مشکلات دندان مصنوعی(ایمپلنت متحرک) را ندارد.
7. باعث حفظ دندان های باقی مانده می شود، چون نیازی به پایه کردن دندان های دیگر نیست و خود یک پایه به شمار می رود.
8. باعث توانایی جویدن و صحبت کردن به طور عادی و معمول خواهد شد.
در پست بعدی به طور کامل در مورد ایمپلنت ها توضیح خواهیم داد.
منابع:
کتاب Biomaterials Science
و
در ادامه ی این روند Roberts در سال 1967 ابزار ورقه ای شکلی از فولاد ضد زنگ ساخت و آنرا ایمپلنت تیغه ای نامید. این تیغه که در اندازه یک قطع استخوان باریک ساخته شد، برای نازکترین برآمدگی ها نیز قابل پذیرش بود و امیدهای قابل توجهی را برای بشریت ایجاد نمود.
پس از مدتی Linkow با تغییر دادن مواد زیستی این ایمپلنت ها به تیتانیوم غیر آلیاژی باعث گسترش آنها شد که هم از نظر بین المللی قابل قبول بودند و هم در سایز ها و شکل های مختلف به هر نیاز کلینیکی جواب می دادند. این تغییرات در دهه 1970 در کاشت تیغه های فرورونده(Endosteal) مورد قبول عام واقع شد(شکل2).
در همین زمان مفهوم پیوند استخوانی((Osseointegration توسط دکتر Branmark در دانشگاه Gategurge سوئد به دنیا عرضه شد. Osseointegration به مفهوم ایجاد یک ارتباط مستقیم و ساختاری بین استخوان زنده(در اینجا استخوان فک) و سطح ایمپلنت کاشته شده است. در این پدیده که نوعی جوش خوردن است پس از قرار دادن ایمپلنت در استخوان فک، سلول های استخوان ساز به طرف آن مهاجرت می کنند و با استخوان سازی در سطح بدنه ایمپلنت سبب جوش خوردن استخوان فک به ایمپلنت می شوند. این تحقیقات برای اولین بار روی ایمپلنتی از جنس فلز تیتانیوم انجام گرفت.
تفکر اولیه کشف این پدیده با مطالعات میکروسکوپیکی حیاتی بر روی دندان ها و دیگر بافت ها درگیر با محفظه تیتانیوم کاشته شده حاصل شد. این محفظه دارای یک سیستم نوری برای انتشار نور بود و همین مسئله به محققین کمک می کرد تا متوجه پر شدن منافذ شوند. آنها فهمیدند که محفظه پیچی شکل تیتانیوم پس از مدتی با بافت استخوانی ترکیب شده و در حقیقت با استخوان سازی، شیارهای ناهماهنگ تیتانیوم پر می شود و ایمپلنت بدون حرکت در جای خود مستحکم خواهد شد. درست شبیه ریشه دندان.
این یافته ها پیش زمینه شروع تحقیقات و ساخت ریشه مصنوعی برای جایگزینی ریشه طبیعی دندان گردید.
مطالعه تجربی این آزمایش روی سگ ها انجام گرفت به طوری که پس از کشیدن دندان سگ و قرار دادن ایمپلنت پیچی شکل درون حفره دندان به بررسی پدیده پیوند استخوانی((Osseointegration پرداختند.
در حالتی که کمترین نیرو و فشار به ایمپلنت اعمال شود، بعد از یک دوره 3تا4 ماهه ایمپلنت پیچی شکل ثابت و به استخوان های اطراف متصل می شود(شکل3).
شکل3: کاشت ایمپلنت Noble Biocare) N.B) که به وسیله دکتر Branmark طراحی شد، در حالتی که لبه فوقانی اش با تاج استخوان پائینی جزأ هم سطح می شود کاملا زیر لثه فرو میرود. این کاشت های فرورونده باید دارای یک دوره 3تا6 ماهه در حال فرورفته بمانند که در این مدت کاملا پوشیده نیستند و در تماس با مخاط دهان برای ایمپلنت های دندانی به عنوان پایه هایی عمل خواهد کرد.
مطالعات و بررسی های رادیولوژی نشان داده که این ترکیب برای 10 سال بدون آماس و التهاب در سگها باقی می ماند. به علاوه اینکه ایمپلنت تک قطعه ای در عمل توانایی تحمل بار بیشتری نسبت به ایمپلنت های کامل دارد و مسلما زودتر به فک جوش خورده و می توان عملیات گذاشتن دندان روی آن را سریع تر انجام داد - البته درمان های سریع مستلزم وجود شرایطی خاص برای بیمار است و باید شرایط مناسب برای تسریع دوره درمان وجود داشته باشد- .
بر اساس این مطالعات و یافته ها، مبنای روش پیوند استخوانی((Osseointegration و سیستم ایمپلنت دکتر Branmark در سال 1962 رسما ثبت شد. در سال های بعد، تحقیقات اساسی ادامه پیدا کرد و اولین بیمار در سال 1965 معالجه گردید.
مطالعات و تجارب دراز مدت نشان داده است که روش پیوند استخوانی((Osseointegration یک فرایند قابل اطمینان برای معالجه بی دندانی ست و باعث شده ایمپلنت های ریشه ای مطلوب ترین و با نفوذترین طرح ایمپلنت شناخته شوند. امروزه اکثر ایمپلنت های ریشه ای و شبه ریشه ای بر اساس پیوند استخوانی((Osseointegration ساخته و طراحی میشوند(شکل 4)
شکل4: ایمپلنت های ریشه ای شیار دار در سایزها و طول های متنوع و هر کدام با تعدادی
از بند های اتصال دهنده طراحی می شوند تا بسیاری از شرایط ایمپلنت را تامین کنند.
ایمپلنت های شبه ریشه ای تا امروز نیز در حال توسعه هستند تا جایی که طیف وسیع و گیج کننده ای از ایمپلنت های مختلف به وجود آمده است که مزایا و معایب برخی هنوز به طور کامل مشخص نیست و گزینش آنها بر اساس سلایق و علاقه های فردی انجام می گیرد.
ایمپلنت تک مرحله ای- که از آن در این مقاله یاد شد و ابتدا ریشه نصب و پس از چند ماه دندان بر روی آن قرار می گیرد- طرفداران بیشتری دارد و اولین بار توسط ITIمعرفی گردید. این عملیات معرف فلسفه بارگذاری بلافاصله است که با کلیه کاشت های شیار دار ریشه ای قابل اجراست.
روش دومرحله ای به سادگی با اتصال دندان به بدنه ایمپلنت در زمان فرو رفتن در داخل لثه اجرا می گردد. امتیاز این روش جلوگیری از دوران 3تا6 ماهه انتظار برای روش پیوند استخوانی((Osseointegration و حذف عملیات دوم جراحی برای نصب دندان است.
« ساخت و طراحی»
برای ساخت ایمپلنت ها 4عامل اصلی را باید در نظر گرفت:
عامل اول نوع موادی ست که در ساخت ایمپلنت ها به کار می رود.
مثلا ایمپلنت N.B (Noble Biocare) و اغلب ایمپلنت های دیگر از تیتانیوم خالص تجاری ساخته شده اند. همان طور که می دانیم میزان خوردگی به جنس و طرح ایمپلنت بستگی دارد. پس باید نوع موادی که انتخاب می شوند طوری باشند که کمتر خوردگی رخ دهد. علاوه بر آن فلزاتی باید برای امیپلنت به کار روند که میزان حساسیت کمتری نسبت به بقیه ایجاد کنند.
تیتانیوم در حین برخورد با آب یا مواد اکسیدی دیگر(در دمای اتاق)، فورا روی سطح خود یک لایه اکسیدی به قطر nm 8-10 تشکیل می دهد(این لایه اکسیدی با قطر ها و در دماهای متفاوت برای برخی از فلزات دیگر نیز تشکیل می شود). این لایه اکسیدی باعث می شود تیتانیوم به ویژه در محیط های بیولوژیکی در مقابل خوردگی مقاومت نشان دهد. فرم آلیاژی تیتانیوم نیز به طور وسیعی برای ساختن این نوع ابزار به کار می رود. تجربه نشان داده است اگر آلیاژ تیتانیوم خالص باشد کاملا زیست سازگار است و هچنین دارای خواص مکانیکی قابل توجهی است.
عامل دوم طراحی ایمپلنت کاشتنی ست...
طراحی باید طوری باشد که در برش استخوانی محکم شده و یک ثبات ایجاد کند. حرکت های کوچک و جابجایی ایمپلنت که به موقعیت دندان پذیرنده در طی معالجات اولیه بستگی دارد، می تواند شبکه بافت های کلاژنی (تغذیه کننده از کلاژن) که در عمل چارچوب استحکام بخش بافت دندانی تلقی می شود را از بین ببرد. در چنین حالتی، پیچ اتصال دهنده(ایمپلنت) به جای استخوان سازی باعث تغییرات رشته ای بافت و کم کردن استحکام خواهد شد. همان طور که گفته شد در این سیستم های شبه ریشه ای ثبات اولیه به وسیله ایمپلنت های پیچی شکل(حلزونی) که به داخل برش شیار دار استخوان فک می رود، ایجاد می شود(اگر استخوان زیاد متراکم نباشد، از خود ایمپلنت برای ایجاد شیار درخلال فرو کردن می توان استفاده کرد).
طرح های دیگر فرورونده شامل طرح های استوانه ای و بی شیار، شکل های مارپیچی(فنری)، استوانه ای نازک شده، توپ های رسوب یافته و استوانه هایی که تا حدودی خالی هستند می باشد.
گاهی اوقات کاشت های استوانه ای با "پلاسمای تیتانیوم" یا "فسفات کلسیم" پوشیده می شوند(هیدروکسی آپاتایت). این پوشش سطحی با بالابردن استحکام سطح در نگهداری های اولیه:
1. باعث محکم شدن دقیق ایمپلنت ها در برش استخوانی می شود.
2. از حرکات کوچک در خلال معالجات اولیه جلوگیر می کند.
3. باعث پیش بینی های بهتری برای ادامه درمان خواهد شد. به ویژه در دندان هایی که تراکم کمتری داردند.
هیدروکسی آپاتایت به دلیل شباهتش به بافت تغذیه کننده (از کلاژن) باعث ایجاد اتصالاتی به استخوان می شود. این اتصلات زیستی هستند و فاقد هر گونه دخالت(چفت و بست) مکانیکی می باشند. این مفهوم به اصطلاح اتصال زیستی(Biointegration) تعریف شده است.
عامل سوم لزوم استفاده از تکنیک های خاص جراحی است که در حین جراحی و آمادگی مکان میزبان(لثه و بافت فک) برای دریافت ایمپلنت، از تولید گرمای بیش از حد جلوگیری کند. مطالعات نشان می دهد گرمای 47 درجه سانتی گراد و بالاتر برای مدت بیشتر از 30ثانیه به بافت ها و رگ ها آسیب زده و زنگ خطری برای حیات سول هاست. پس باید در حین جراحی به اندازه کافی دقت شود تا استئو بلاست ها (سلول هاي استخواني) در اثر گرماي زياد آسيب نبینند. همچینین با اسپري خنک کننده "سالين" می توان دماي استخوان را زير 47 درجه سلسيوس (تقريبا 117 درجة فارنهايت) نگه داشت.
سرانجام عامل آخر برای ایجاد یک ارتباط مستقیم بین استخوان و ایمپلنت استفاده از تکنیکی برای حفاظت مکان جدید ایمپلنتِ داخل استخوان، از فشار یا بار اضافی الزامی ست. پيچ ايمپلنت اگر self-tapping باشد با وارد کردن یک نيروي درست، از اعمال بار اضافي به استخوان در مکان مربوطه در حین پیچ شدن جلوگیری می کند (بار اضافي مي تواند استخوان را از بين ببرد که به اين شرايط استئونکروزيس مي گویند و اغلب به نقصي در پيوند ايمپلنت با استخوان فک منجر می شود.)
با توجه به عامل سوم و چهارم استفاده از ابزار دقیق و مناسب برای جراحی الزامی ست.(شکل 5)
« روند کاشت »
جراحی معمولا در داخل مطب پزشک و با بی حسی موضعی انجام می شود و برای تسکین درد و عوارض پس از جراحی ممکن است نیاز به مصرف دارو های مسکن و آنتی بیوتیک ها باشد.
بهتر است جراحی توسط یک جراح فک و صورت، یک جراح لثه و یک متخصص پروتز های دندانی انجام گیرد. همچنین به یک متخصص رادیولوژی برای ارزیابی مقدار، حجم و کیفیت استخوان قبل از عمل جراحی و برسی سلامت ایمپلنت پس از جراحی نیاز است.
بعد از گذشت 6تا12 ماه از کاشت ایمپلنت، سلامت بیمار توسط این 4 متخصص مجددا ارزیابی می شود. درصد موفقیت عمل ایمپلنت در بیماران مختلف، متفاوت است اما به طور متوسط این عمل در فک پایین 98% و در فک بالا 95% موفق بوده است.
« موارد منع استفاده از ایمپلنت»
1. سالم نبودن استخوان های فک و لثه و مبتلا بودن به بیماری های مزمن دهان و ندان
2. ابتلا به براکسیسم(سایش دندانها)
3. قند خونی که قابل کنترل نباشد
4. استفاده از مشروبات الکلی
5. کشیدن بیش از 6نخ سیگار در روز
افرادی که سیگار یا مواد الکلی مصرف می کنند باید مدت ها قبل از عمل، مصرف این مواد را ترک کرده باشند. همچنین برخی بیماران قلبی که داروهای خاصی مصرف می کنند باید قبل از عمل، مصرف داروها را با مشورت پرشک قطع کنند.
اسپری حرارتی
به مجموعه ای از فرآیند های پوشش دهی گویند که در آنه ماده پوشان توسط گرمای یک منبع حرارتی به صورت ذوب یا خمیری در آمده و سپس توسط یک گاز با فشار زیاد به شکل قطرات ریز بر روی زمینه قرار می گیرد در این فرآیندها در واقع گرمای موجود برای ذوب کردن ماده پوشان صرف گرم نمودن گاز نیز می شود که با گرم شدن آن فشار گاز نیز افزایش می یابد و با سرعت زیادی ماده پوشان را به صورت اتمیزه بر روی قطعه می نشاند
تمام فرآیند های اسپری حرارتی دارا اجزائی از جمله منبع تغذیه ماده پوشان –مخازن گاز –تفنگ اسپری و سیستم کنترل می باشد
این فرآیند در سال 1910 در سوئیس ابداع شد نوع تغذیه مواد پوشش در این روش به دو صورت سیمی و پودری می باشد در نوع سیمی که ماده پوشان به صورت سیم یا مفتول می باشد از پشت تفنگ وارد شده و با گرم شدن به صورت قطرات مذاب در آمده و در اثر فشار و سرعت زیاد گاز به سمت قطعه پاشیده می شود در روش اسپری حرارتی با تغذیه پودری ماده پوشان به صورت پودر همرا با یک گاز حامل وارد شعله تفنگ می شود در واقع با حرکت سریع گازهای داغ شعله از جلوی دهانه تغذیه کننده پودر حالت خلا در این قسمت ایجاد می گردد و پودر همرا با گاز حامل به درون شعله کشیده می شود این ذرات نیز پس از ذوب شدن یا خمیری شدن به سطح قطع برخورد می نماید و به آن می چسبد
یکی دیگر از روش های تغذیه روش پیستوله ای می باشد در این روش ماده پوشان به صورت مذاب درآمده و در مخزنی نگه داری می شود و با عبور سریع جریان هوا از جلوی روزنه مخزن مذاب به بیرون کشیده شده و به صورت پودر بر روی زیر لایه قرار می گیرد البته این روش امروزه کمتر استفاده می شود
در اسپری حرارتی امکان استفاده از دو یا چند مده نیز وجود دارد بنابراین در مواردی که نیاز به پاشش مواد مرکب و یا مخلوط وجود داشته باشد می توان از دو یا چند مخزن و یا چند سیم از مواد پوشان استفاده می شود و یا می توان پودر مواد را با هم مخلوط کرد و پاشش را انجام داد در پاشش مواد مخلوط نیز امکان ترکیب آنها با یکدیگر وجود دارد به عنوان مثال تولید پوشش NiAL می توان با اسپری پودر نیکل و AL در شرایط مخصوص انتظار داشت که پوشش NiAL بدست آید در عین حال امکان اپری پودر ترکیب NiAL نیز به صورت مستقیم وجود دارد به این روش که در حین پاشش مواد پوشان دو ماده با هم ترکیب شوند و پوشش جدیدی را ایجاد ماید ترمو اسپری گفته می شود در این فرآیند اغلب ترکیب شدن دو ماده پوشان همراه با آاد سازی حرارت می باشد و این حرارت اضافی موجب بهتر شدن خواص پوشش و کیفیت آن می گردد امروزه از این روش در صنایع پیشرفته هوافضا استفاده می شود
انواع اتصال پوشش به زیرلایه
در اثر برخورد ذرات ریز ماده پوشان به سطح قطعه این ذرات اتصال هایی را با زیر لایه بر قرار می کنند و در واقع می توان نوع اتصال پوشش به زیر لایه را در تمام انواع اسپری حرارتی به س نوع تقسم کرد
1- اتصال مکانیکی : یعنی درگیر کردن ذرات در بین مشخصه های سطحی زیرلایه.
2- ایجاد ترکیب بین زیر لایه و پوشش که در واقع به علت نفوذ و تشکیل آلیاژ ایجاد می گردد.
3- اتصال ضعیف واندوالس بین ذرات و سطح که حاصل از جاذبه اتمی می باشد
انواع اسپری حرارتی
1 - اسپری شعله ای : FLAME SPRAY
در این روش که ساده ترین فرآیند اسپری حرارتی می باشد حرارت لازم برای ذوب نمودن مواد پوشان توسط سوختن یک گاز (استیلن ) تامین می گردد این روش یرای پوشش دهی فلزات و بعضی از موادی که نقطه ذوب بالایی ندارند استفاده می گردد در عین حال مقداری اکسید در پوشش های فلزی و تخلخل در همه پوشش های تولید شده به این روش زیاد می باشد و در نتیجه از این روش برای ایجاد پوشش های با کیفیت متوسط و پوشش هایی که نیاز به تخلخل دارند مانند یاتاقان ها استفاده می شود ولی در واقع بهترین مزیت آنها ارزان بودن است و نیاز به کنترل زیادی ندارد.
در این روش گاز استیلن و اکسیژن از درون مجاری مخصوص به سر تفنگ رسیده و در این محل شعله ور می گردد مواد پوشان نیز به درون شعله تغذیه شده و پس از ذوب شدن بر روی زیر لایه قرار می گیرد .
2- روش اسپری با تفنگ انفجاری DETONATION GUN (DG)
این روش از روش های جدید است که جهت ایجاد پوشش هایی با کیفیت بسیار بالا به کار می رود در این روش مخلوط اکسیژن و استیلن با نسبت خاصی وارد لوله تفنگ می گردد که پس از انفجار حجم گاز زیاد شده و با سرعت زیادی از تفنگ خارج می شود در این حال با تغذیه مواد پوشان می توان پوششی بسیار متراکم و با کیفیت را به دست آورد در این روش انفجار به طور مداوم وجود ندارد بلکه توسط جرقه هایی و در زمان های خاصی احتراق صورت می گیرد این روش سرعت پوشش دهی پایینی دارد و صدای آن بسیار زیاد است به همین دلیل از این روش در موارد خاصی که نیاز به پوشش هایی باکیفیت بالا باشد استفاده می شود از این روش به طور معمول برای ایجاد پوشش های سرامیکی جهت کار در دمای بالا استفاده می شود .
3 – روش پوشش دهی با قوس الکتریکی
در این روش منبع حرارتی با ایجاد قوس الکتریکی بین دو سیم از جنس ماده پوشان تامین می گردد و به عبارت دیگر این روش مخصوص پوشش دادن مواد رسانا می باشد قوس بین دو سیم از جنس ماده پوشان ایجاد می گردد و آنه را ذوب اتمیزه می کند سپس با استفاده از یک جریان گاز ذرات بر روی زیر لایه قرار می گیرند این روش سرعت پوشش ذهی بالایی دارد و نسبتا ارزان می باشد و نیاز به گازهای گران قیمت ندارد این پوشش ها دارای چسبندگی و پیوستگی خوبی هستند
4 – روش اسپری سوخت و اکسیژن با سرعت زیاد (HVOF)
این روش یکی از پیشرفته ترین روش های اسپری است که در آن سوخت واکسیژن با نسبت خاصی باهم مخلوط شده و پس از احتراق با فشار و سرعت زیادی از دهانه تفنگ خارج می شوند ، سرعت گاز به بالای سرعت صوت می رسد در این روش دمای ماده پوشش بالا نمی رود و ذرات نیمه مذاب ماده پوشان در اثر برخورد شدید با سطح زیر لایه انرژی لازم برای ذوب شدن را بدست می آورند که در نتیجه پس از برخورد بر روی سطح به صورت مذاب در آمده و به زیر لایه می چسبند . این روش کیفیت بسیار خوبی دارد و مقدار اکسید وتخلخل کمتری نیز دارد
گازهای مورد استفاده این روش پروپن – پروپیلن یا هیدروژن می باشند و این روش در تولید قطعات توربین های جت کاربرد زیادی دارد.
5 – روش اسپری پلاسمایی:
این روش از پر استفاده ترین روش ها در صنعت می باشد که علت آن ارزان بودن سرعت بالای پوششمی باشد در واقع پلاسما اسپری روش مناسب برای ایجاد پوشش های دیر گداز و مقاوم به سایش و خوردگی با کیفیتی مناسب می باشد و به عنوان مثال از آن برای پوشش دهی انواع سرامیک ها بر روی غلطک ها استفاده می گردد و عملکرد آن به این صورت است که تفنگ پلاسمایی متشکل از یک آند مسی به صورت آبگرد و یک کاتد تنگستنی و نازل مواد پوشان می باشد طرز کار به این صورت است که ابتدا اختلاف پتانسیلی بین آند و کاتد برقرار شده و سپس گاز بین آند و کاتد یونیزه شده و با برقراری جریان برق گاز به شذت گرم می گردد و حجم آن اضافه می شود در این حال گاز با فشار از دهانه تفنگ خارج شده که اگر ماده پوشان به صورت پودر باشد ذرات ماده پوشان در دهانه خروجی تفنگ به درون شعله تغذیه می گردد و اگر به صورت سیم باشد از عقب تفنگ و به کمک چند غلطک وارد قسمت پلاسما می گردد پی از ورود ذرات به درون شعله پلاسما این ذرات بر حسب اندازه ای که دارند ذوب و یا نیمه مذاب می شوند و با سرعت بر روی سطح زیر لایه برخورد می کنند تا پوشش تشکیل شود .
شرایط ایده آل شرایطی است که دمای ذرات بر روی سطح برابر نقطه ذوب آنها باشد
6 – اسپری حرارتی تحت خلا و گاز خنثی
در اسپری حرارتی عاملی که در افت کیفیت پوشش دهی بسیار نقش دارد اتمسفر محیط است به طوری که پس از خروج ذرات همراه با شعله از دهانه تفنگ گازها نحیطی وارد شعله گردیده و علاوه بر کم کردن دما و سرعت شعله و ذرات باعث ایجاد ترکیب با ذرات مذاب پوشش می گردد در چنین شرایطی حذف گاز های محیط بسیار مفید خواهد بود و در عین حال کیفیت پوشش بالا می رود که جهت این کار از دو روش استفاده می کنند
الف – پوشش دهی تحت اتمسفر گاز خنثی
ب – پوشش دهی در فشار پایین (خلاء)
در هر دو این روش ها پوشش دهی در محفظه بسته انجام می شود بنابراین در اندازه قطعات محدودیت داریم
انواع سایش ومکانیزم های آن
1-سایش خراشان
در این سایش خراش روی سطح ایجاد می شود و هنگامی اتفاق می افتد که یک سطح سخت و زبر در برابر یک سطح نرم تر حرکت لغزشی داشته باشد و درآن فرورفتگی و شیار ایجاد نماید ودر نمونه نرم کاهش وزن داریم . این سایش دو نوع است
الف– دوجسمی (تعریف بالا)
ب – سه جسمی : هنگامی که به عنوان مثال یک ذره ساینده در فصل مشترک دو سطح در حال لغزش قرار گیرد و از هر دو سطح ذراتی را جدا سازد
2-سایش چسبان
سطوح قطعات که توسط فرآیندهای مختلف تولید می شوند کاملا صاف نبوده بنابر این درگیری قطعات با یکدیگر در نقاط خاصی صورت می گیرد که تنش های زیادی در آن قسمت ها ایجاد می کند که موجب تغییر شکل پلاستیکی و ایجاد اتصالات موضعی می شود این سایش موقعی رخ می دهد که لغزش موضعی بین دو سطح درگیر موجب گسیختگی اتصال و نهایتا انتقال ماده از یک سطح به سطح دیگر شود
گسیختگی اتصالات در فصل مشترک و یا در حالت حاد تر در عمقی از محل اتصال به طور مداوم صورت می گیرد
نکته :
اگر گسیختگی در سطح تماس اولیه باشد استحکام برشی محل اتصال کمنر از استحکام هر دو ماده درگیر می باشد
چنانچه گسیختگی در لایه زیرین صورت گیرد استحکام برشی محل اتصال بیشتر است و در این حالت انتقال ماده از یک سطح به سطح دیگر وجود دارد
هرچه گسیختگی در لایه زیرین صورت گیرد استحکام برشی محل اتصال بیشتر است و در این حالت انتقال ماده از یک سطح به سطح دیگر وجود دارد که در حالت دوم به سایش چسبان می رسیم.
3- سایش ورقه ای
در این سایش سطح ماده به صورت لایه لایه در نظر گرفته می شود که در فرآیند سایش به صورت پوسته پوسته جدا خواهد شد
4-سایش نوسانی
هنگامی اتفاق می افتد که دو سطح در حال تماس تحت بارهای اعمالی ، حرکت نوسانی با دامنه کم داشته باشند و لغزش بواسطه تنش های ارتعاشی یا سیکلی ایجاد گردد ( دامنه نوسان بین 2 الی 20 میکرون می باشد)
5-سایش تریبوشیمی
این سایش از شاخص های دو سطح در تماس با یکدیگر می باشد که با محیط مجاور خود واکنش انجام می دهد فرآیند سایش با تشکیل لایه های محصول واکنش و جداسازی مداوم لایه های واکنش در سطح تماس ادامه می یابد معمولا این لایه ها می توانند اکسیدی باشند
6- سایش خستگی سطحی
این سایش را می توان با تشکیل ترک و جدا شدن ماده از سطح به علت اعمال نیروهای متناوب تکراری ایجاد کرد
عملیات حرارتی فولادها
(دکترگلعذار)
این کتاب شامل هشت فصل از کتاب عملیات حرارتی فولادها دکتر گلعذار میباشد که بصورت pdf تهیه شده امیدوارم واستون مفید باشه.
برای دانلود فایل pdf بر روی لینک های زیر کلیک نمایید.
فصل اول: فازها و ساختارهای بلوری ====> حجم :3.84mb دانلود
فصل دوم: فازها و ساختارهای تعادلی ====> حجم :2.84mb دانلود
فصل سوم: مارتنزیت و بینیت====> حجم :3.29mb دانلود
فصل چهارم: نمودارهای دما،زمان،دگرگونی ====> حجم :2.58mb دانلود
فصل پنجم: تشکیل ساختارهای تعادلی ====> حجم :2.47mb دانلود
فصل ششم: سختی و سختی پذیری ====> حجم :1.80mb دانلود
فصل هفتم: بازپخت (تمپرینگ) ====> حجم :1.76mb دانلود
فصل هشتم: سایر روشهای عملیات حرارتی ====> حجم :1.82mb دانلود
عملیات پیش از فشردن
1- همگن کردن و اختلاط
عوامل موثر در همگن و مخلوط کردن مواد پودری مشتمل اند بر جنس و اندازه دانه ها ، نوع و اندازه مخلوط کن ، حجم نسبی پودر در مقایسه با حجم مخلوط کن و همچنین سرعت و زمان مخلوط سازی . بعلاوه فاکتوهای محیطی از قبیل رطوبت نیز بر سهولت مخلوط سازی تاثیر مگذارند.
2- روانسازی پودر :
روانسازی پودر های فلزی عمدتا بوسیله استیاراتهای با مبنای آلومینیوم ، روی ، لیتیم ، منیزیم و کلسیم انجام می گیرد طول زنجیره مولکولی این مواد حدود 12 تا 22 اتم کربن بوده ، فعالیت سطحی آنها زیاد است و در دماهای نسبتا کم ذوب می شوند .
3- خشک کردن پاششی :
پودر ریز و سخت موادی از قبیل تنگستن ، مولیبدن ، کربور تنگستن و اکسید آلومینیوم از جمله پودرهای کند جریان و دارای چگالی ظاهری کم می باشد با کلوخه سازی این پودرهای ریز می توان سیالیت آنها را افزایش داد بدین منظور پودر را با یک ماده آلی و عاملی فرار مخلوط شده و دوغابی می سازد که بدرون محفظه گرم شده ای پاشیده شده و در اثر نیروی کشش سطحی بصورت دانه های کلوخه شده کروی در می آید .
فشردن پودر :
هدف اصلی فشردن پودر عبارت است از تولید خشته باویژگیهای مورد نظر با ایجاد حداقل اصطکاک بین پودر و جداره قالب . برای این منظور باید نسبت نیروهای محوری به شعاعی درحد امکان کاهش یابد تا سایش قالب به میزان کمینه آن رسده و راندمان فشردن بهبود یابد . نسبت ارتفاع به قطر خشته نیز به منظور همگن کردن ویژگیهای قطعه کوچک انتخاب می شود.
فشردن پودر و افزایش چگالی انباشتی آن نیاز به اعمال نیروی خارجی دارد . فشردن پودر چند مرحله دارد که در مرحله نخست فشردن در اثر تغییر آرایش دانه ها و سر خوردن آنها بر روی یکدیگر تعداد نقاط تماس زیاد می شود فشردن بیشتر چگالی پودر را از طریق بزرگ شدن سطوح تماس در اثر تغییر شکل موم سان افزایش داده و باعث ایجاد کار سختی و در همان حال بوجود آمدن سطوح تماس تازه بین دانه ای می شود . در این مرحله سطوح تماس حالت تخت بخود می گیرد .
در خلال فشردن ، جوش سرد ایجادشده در سطوح تماس دانه ها باعث ایجاد استحکام خشته پودر می شود . استحکام پس از فشرده شدن ، و پیش از تف جوشی خشته ، استحکام خام نامیده می شود . با افزایش بیشتر فشار میزان تغییر شکل موم سان دانه های پودر نیز بیشتر شده و از سطوح تماس بین آنها به درون دانه ها و بطن خشته گسترش می یابد . در این حالت با کاهش میزان تخلخل دانه کاملا کار سخت می شود . روشن است که هر گونه افزایش چگالی خشته پودر مستلزم وارد شدن فشار بیشتر از طرف عامل خارجی ، بر آن است
فشردن پودراغلب موارد ، به کمک دوسمبه که یکی در بالا و دیگری در پایین قالب قرار گرفته انجام می شود سمبه بالایی پیش از مرحله پر کردن قالب از دهانه محفظه آن فاصله می گیرد .
موقعیت سمبه پایینی در هنگام تغذیه پودر به قالب اصطلاحا وضعیت پر شدن نامیده می شود و ورود میزان معین و از پیش تعین شده پودر به درون محفظه قالب را امکان پذیر می سازد . ریزش پودر بدرون قالب بوسیله یک کفشک خوراک دهنده لرزان صورت گرفته و سمبه پایینی در وضعیت فشردن پودر در موقعیتی قرار می گیرد که پودر بخش مرکزی محفظه فالب را پر نماید ، بدین وسیله پس از پر شدن قالب ، سمبه پایینی قدری پاییین تر رفته و سمبه بالایی نیز بدرون قالب وارد می شود .
فشردن پودر با اعمال فشار از طرف هر دو سمبه انجام می شود و پس از پایان کار سمبه بالایی از محفظه قالب خارج شده و سمبه پایینی خشته را بیرون می اندازد .
پیوند هایی که در اثر فشردن پودر بین دانه های آن بوجود می آید تامین کننده استحکام قطعه خام حاصل از شکل دهی می باشد . بالا بودن چگالی انباشتی پودر به ایجاد پیوند های بین دانه ای کمک کرده و تمیز بودن سطح دانه ها استحکام پیوند ها را افزایش می دهد . بعلاوه اگر نیروی فشردن پودر زیاد باشد ٬ بیروهای برشی باعث خرد شدن لایه های نازک سطحی روی دانه ها خواهد شد .
هر چه دانه های پودر ریزتر باشند فشردن آنها مشکر تر خواهد بود زیرا منفذهای درشت ٬ در مقایسه بامنافذ ریز ٬ ساده تر فرو می ریزند ٬ از این رو است که آهنگ چگالش ٬ در اثر فشردن ٬ برای پودرهای درشت دانه تند تر است . پودرهای دارای تخلخل درونی مشکل فشرده شده و چگالش آنها در مرحله نخست شکل دهی تنها دراثر فروپاشی منافذ بزرگتر بین دانه ها صورت می گیرد ٬ بهمین لحاظ تراکم پذیری این گونه پودرها در مراحل آغازین فشردن بالا است ولی دربرابر چگالش زیاد مقاوم می باشد.
(ادامه مطالب در مورد فشردن پودر در پست بعدی )
با زیاد شدن فشار شکل دهی ،چگالی خشته افزایش یافته ، که طبعا بهبود ویژگیهای قطعه تف جوش را نیز به دنبال خواهد داشت . البته هر چه فشار زیادتر شود قطعه در قالب جفت تر شده و لذا نیروی بیرون اندازی نیز زیادتر خواهد شد . روانسازی دیواره قالب ویا پودر اصطکاک جداره قالب رادر خلال بیرون اندازی کاهش می دهد. دراین حال نیز در اثر بیرون اندازی خشته ، تنش آن آزاد و نتیجتا ابعادش از ابعاد محفظه قالب بزرگتر خواهد شد. این رجعت کش سان معمولا کمتر از 0.3 درصد ابعاد قالب بوده، ولی وجود تنش وکرنش دیفرانسیلی دردرون قطعه خام ممکن است باعث شکست آن گردد.
فشردن ، پودر را به توده ای شکل گرفته ودارای اسحکام کافی برای جابجایی و انجام فرایندها بعدی تبدیل می کند. متداولترین روش فشردن پودر ، شکل دهی آن در قالب سخت و در اثر اعمال فشار در یک راستا (هم محور) است . نخستین مساله مورد نظر در فرایند شکل دهی دستیابی به قطعه خام دارای چگالی و استحکام مطلوب است. نیروی فشارنده پودر بطور یکنواخت به بطن آن منتقل نشده و لذا خشته پودری چگالی همگنی نخواهد داشت . ویژگیهای پودر واکنش آن در مقابل تنش های فشردن را تحت تاثیر قرار داده و بسته به نوع پود ر، اندازه و شکل آن و همچنین شکل قطعه می توان از شقوق مختلف فشردن استفاده کرد .
فشار را می توان بطور پیوسته و ناپیوسته اعمال کرد . سرعت انتقال نیروبه پودر نیز باعث تفاوت بین روشهایی از قبیل فشردن انفجاری و فشردن متعارف شده است ، بعلاوه دما متغیر دیگری است که بسته به روش انتخابی از دمای اتاق تا 2000 درجه سانتی گراد تغییر می کند .
در روش ایزواستاتیک ، به عکس روش متعارف ، قالب قابلیت انعطاف داشته و فشار اعمال شده نیز به عکس فشار یک امتدادی در قالب سخت ، از همه طرف وارد می شود.
پس از کنترل مناسب مخلوط ریخته شده در قالب آن را می فشارند تا چگالی آن بالا رود که محصول حاصل از این فشار قطعه خام نامیده می شود.
عمل فشردن پودر در قالب توسط یکی ار انواع قالب های پرس(با ساختر کلی سمبه ماتریسی به همراه یک قطعه بیرون انداز) : پرس مکانیکی و ابزار صلب فشاری (به صورت دستی و ربای تولید قطعات کوچک)صورت می گیرد اما امروزه برای تولید انبوه و قطعات بزرکتر از پرس های هیدرولیکی و یا هیدرولیک_مکانیک و حتی پنوماتیک استفاده می گردد ,در دهه ی اخیر از روش های دیگری نظیر نورد آهنگری ویا حتی فشار ناشی از موج انفجار نیز در PMبهره گرفته اند.
این فرایند همانند کار ایزو استاتیک سرد است چرا که در این فرایند عمل تبلور مجدد صورت نمی گیرد بلکه تنها در اثر فشار چگالی قطعه افزایش می یابد و مواد پودر به هم فشرده شده و بین مواد پیوند های ثانویه ای ایجاد می گیرد.
جدول مربوط به میزان فشار متعارف برای کاربرد های مختلف :
کاربرد فشار فشردن (مگا پاسکال)
----------------------------------------------------------
فلزات متخلخل و فیلتر ها 70_40
فلزات دیر گداز و کاربید ها 200_10
قطعات ماشین 350_150
یاتاقان ها و قطعات آهنی 1650_700
گاهی اوقات قالب گیری قطعات کوچک به صورت تزریقی صورت می پذیرد یعنی پودر مورد نظر به حالت خمیری در می آید(دمای مواد پایین تر از مذاب است )و با سیالیت مناسب در داخل قالب پرس قرار می گیرد در این حالت فشار مورد نیاز بسیار پایین واین عمل با پرس های ساده تری صورت می گیرد.که از مزایای دیگر تزریق می توان به یکنواختی کامل تر دانه بندی محصول اشاره کرد.
متالوژی پودر
تاریخچه متالوژی پودر
تولید قطعات با پودربه بیش از پنج هزار سال پیش می رسد ، هم اکنون ستون آهنی با وزنی حدود شش تن در شهر دهلی هندوستان وجود دارد که در هزار و ششصد سال پیش به همین طریقه (متالورژی پودر) تهیه شده است .
متالوژی پودر
تاریخچه متالوژی پودر
تولید قطعات با پودربه بیش از پنج هزار سال پیش می رسد ، هم اکنون ستون آهنی با وزنی حدود شش تن در شهر دهلی هندوستان وجود دارد که در هزار و ششصد سال پیش به همین طریقه (متالورژی پودر) تهیه شده است .
در اواخر قرن هیجدهم ولاستون کشف کرد که می توان پودر فلز پلاتین را (که در طبیعت به صورت آزاد شناخته شده بود) پس از تراکم و حرارت دادن ، در حالت گرم با چکش کاری به بلوک تبدیل کرد . ولاستون جزییات متد خود رادر سال 1829 ، منتشر کرد و اهمیت فاکتورهایی نظیر اندازه دانه ها ، متراکم کردن پودر باوزن مخصوص بالا و اکتیویته سطحی و غیره ... را توضیح داد.
همزمان با ولاستون و به طور جداگانه متالورژیست برجسته روسی پیوتر زابولفسکی در سال 1826 ، از این روش برای ساختن سکه ها و نشان ها از جنس پلاتین ، استفاده کرد.
در نیمه قرن نوزدهم ، متخصصین متالورژی به روش های ذوب فلزات با نقطه ذوب بالا دست یافتند و همین مساله باعث شد که مجددا استفاده از متالورژی پودر محدود شود هر چند تقاضا برای تولید قطعاتی مانند تنگستن از طریق متالورژی پودر ادامه یافت .
یکی از دلایل توسعه متالوژی پودر این است که در روش متالورژی پودرفلز تلف شده به مراتب کمتر از سایر روش ها است و حتی می توان گفت وجود ندارد . در این مورد هر یک کیلوگرم محصول ساخته شده با متالورژی پودر ، معادل است با سایر روشهای شکل دادن نظیر برش و تراشکاری ، چون در روش هایی نظیر تراشکاری مقادیر متنابهی از فلز به صورت براده در می آید که تقریبا غیر قابل استفاده است . به علاوه یک کیلو گرم از بعضی از مواد ساخته شده با روش های متالورژی پودر می تواند کار ده ها کیلو گرم فولاد آلیاژی ابزار را انجام دهد.
متالوژی پودر چیست ؟
در حال حاضر ، متالورژی پودر بیشتر در مواردی مورد استفاده قرارمی گیرد که در ساختن محصولاتی با کیفیت عالی از مواد مناسب ، تقریبا کلیه روشهای دیگر غیر ممکن باشند .البته در مواردی مثل ساختن رشته های مقاومت خیلی کوچک لامپ که باید از تنگستن خیلی سخت (نقطه ذوب 3400 درجه سانتیگراد) درست شوند روشهایی نظیر تراشکاری ، کشیدن سیم و یا نورد غیر قابل استفاده اند و منحصرا باید از روش متالورژی پودر استفاده کرد . به علاوه ، برای تهیه آلیاژ هایی از دو فلز که نقطه ذوبشان با یکدیگر تفاوت زیاد دارند (مثل مس و تنگستن) ، بهترین راه عملی روش متالورژی پودر است. همین طور از این روش زیاد برای موادی که از یک فلز و یک غیر فلزنظیر الماس تهیه می شوند استفاده می شود . به طورکلی با توجه به موارد فوق بر حسب هزینه و سختی کار ، تکنیک متالورژی پودر به طور موفقیت آمیزی با روش های دیگر تولید ، می تواند رقابت کند . مثلا ، برای ساختن یک چرخ دنده فولادی از طریق تراشکاری ، یک کارگر ماهر باید در حدود 30 ساعت کار کند در صورتی که یک کارگر نیمه ماهر می تواند این چرخ دنده را باروش متالورژی پودر ، در کمتر از 10 ساعت تهیه کند . همچنین دقت ابعاد و سطح قطعات ساخته شده با این روش آن قدر عالی و بدون نقص است که هیچ گونه کار اضافی دیگر روی قطعه ضرورت پیدا نمی کند و بالاخره ، سرمایه گذاری برای صنعت متالورژی پود ر به مراتب کمتر از سرمایه گذاری برای روشهای کلاسیک ساخت قطعات است زیرا برای درهم جوشی درجه حرارت لازم بسیار کمتر از درجه حرارت ذوب فلزا ت است و در نتیجه کوره های مورد احتیاج به مراتب ارزانتراند.
متالورژی پودر رابطه نزدیکی با مهندسی برق نیز دارد ، مثلا ، رشته های نازک مقاومت و الکترودهایی که در لامپ دیده می شوند و نیز لوله های تولید اشعه X که تماما از جنس فلزاتی نظیر تنگستن ، مولیبدن و یا تانتال اند با این تکنیک تولید می شوند . در سالهای اخیر ، ابزارهای ساخته شده از سرمت (فلز- سرامیک) هم توسعه زیادی پیدا کرده اند و در کارهای ماشینی تغییرات اساسی داده اند به طوری که سرعت برش ده برابر قبل افزایش یافته است و همچنین مته ها و ابزارهای حفاری که از جنس فلزات سخت اند و به طریق متالورژی پودر تهیه می شوند میزان حفاری چاهها را در معادن فوق العاده افزایش داده اند . البته باید توجه داشت که بدون این تکنیک تقریبا جدید ، امکان ندارد که ابزار هایی را که از جنس سرمت ویا فلزات سخت ( از کاربیدهایی با نقطه ذوب بالا) ساخت ، چون کاربید تیتانیوم که جزء تشکیل دهنده معمول در اغلب ابزار های برشی است ، نقطه ذوبی حدود 3150 درجه سانتی گراد دارد و اجزای تشکیل دهنده دیگر هم ، نظیر کاربید زیر کونیم و نیوبیوم در 3500 درجه سانتیگراد و بالاخره کاربید تانتا در 3380 درجه سانتیگراد ذوب می شوند .
علاوه بر ابزارهای برش ، تکنیک متالوژی پودر قادر است ابزارهای سوراخ کننده ، حدیده های کشش سیم و وسایل مشابه دیگر را نیز تولید کند . و در کلیه این موارد هم ، این گونه ابزارها کار خود را به خوبی انجام می دهند . به عنوان مثال یک قالب از جنس سرمت که برای ساختن تیغ به کار می رود در حدود دو هزار میلیون دفعه مورد استفاده قرار می گیرد ، در حالی که برای همین منظور یک قالب فولادی معمولی بعد از پانزده میلیون دفعه پرس باید تعویض شود. به همین ترتیب عمر غلطک های نوردی که از فلزات سخت ساخته می شوند ، در حدود صد مرتبه بیش از غلطک ایی است که از فولادهای نرم ساخته می شوند . بالاخره ، با یک حدیده کشش سیم از جنس فولاد، تا فرسودگی کامل ، به طور متوسط می توان هشتاد کیلو گرم سیم آهن تولید کرد ٬ در حالی که همین حدیده اگر از جنس کاربید های زینتر شده ٬ باشد قدرت تولیدی را معادل با 50 تن سیم می یابد که در حدود شش صد مرتبه بیش ازاول است .
باز برای مثال یک موتور جت را (که حال حاضر رکن اصل هواپیماهای مدرن است)در نظر بگیریم ٬ اولین چیزی که جلب توجه می کند این است که باظهور آن ٬ سرعت هوانوردی به دو برابر افزایش یافته است . نحوه کار این موتورها بر اساس مکش هوا از جلو و احتراق آ ن با سوخت در محفظه احتراق و خروج سریع محصولات احتراق از عقب است . درجه حرارت سوخت کامل گازها درحدود 1500الی 2000 درجه سانتیگراد است که فلزات و آلیاژهای معمولی نمی توانند درجه حرارت مزبور را تحمل کنند . در حال حاضر ٬ آلیاژهای ریختگی بااضافاتی نظیر کرم ٬ نیکل و یا کبالت ساخته می شوند که درجه حرارت های بیش از 850-900 درجه سانتیگراد را نمی توانند تحمل کنند ٬ به طور کلی بالاتر ازاین درجه حرارت را قلمروی فلزات بانقطه ذوب بالا کاربید ها و نیترید هایشان می دانند که باستفاده از تکنیک ها ی متالورژی پودر تولید می شوند .
در این مرحله ٬ یکی از مطلوب ترین مواد کاربید تیتان است که به خوبی قادراست در مقابل ضربه های حرارتی (در حین سریع سرد شدن و سریع گرم شدن ) مقاومت کند . با افزودن 20 درصد کبالت به این ماده ٬ قدرتش در 900 درجه سانتیگراد دو برابر بیش از بهترین فولاد مقاوم گرما میشود یکی از راه های مطلوب دیگر دستیابی به روش هاو وسایلی است که به نحوی درجه حرارت شیپوره جلوبرنده موتورهای جت را پایین بیاورند . یکی از این روشها تعرق و یاپس دادن بخار به سطح دیواره دهانه خروجی است بهمین ترتیب که مواد بخصوصی را در میان منافذ دیواره دهانه خروجی جت که از جنس مواد خلل و فرج دار است تزریق می کنند. این مواد به صورت بخار به سطح دیواره ٬ پس داده می شوند و به شکل دانه های عرق در می آیند و همین مساله درجه حرارت را در دهانه خروجی پایین می آورد .در این جا ٬ باید متذکر شد که این گونه مواد خلل و فرجدار نیز از طریق تکنیک های متالورژی پودر ساخته می شوند.
روش های مشابه دیگری هم برای ساختن یاتاقانهای بدون روغن ( یاتاقانهایی که خوشان عمل روغنکاری رانیز انجام می دهند) به کار می روند . در این روش ها نیز پودر فلزات و گرافیت را با فشار زیاد فشرده کرده و مجموعه فشرده شده را زینتر می کنند و معمولا چنین مجموعه ای میتواند تا حدود 35% از حجم خود ٬ ماده روغنی جذب کند و داشته باشد . وقتی در حین کار ٬ این گونه یاتاقان ها گرم می شوند ٬ روغن موجود درآن انبساط می یابد و به سطح یاتاقان پس داده می شود که به صورت فیلمی روغن د رسطح یاتاقان شکل می گیرد ٬ ولی مجددا درحین سرد شدن ٬ مواد مزبور مانند اسفنجی ٬ روغن راجذب می کند.
علی رغم مثالهای مذکور در فوق ٬ کلا با دیدی وسیع تر می توان دریافت که تکنیک متالورژی پودرروشی کاملا جدید نیست ٬ بلکه به طرق دیگر ٬ از زمان های خیلی قدیم وجود داشته است و به طوری که در مقبره های شاهان قدیم مصر نظیر توتاناخامن که د ر14 قرن قبل از میلاد می زیسته شواهدی دیده شده است . در حفاریهایی که در سال 1922 درکارنک انجام شد ٬ باستان شناسان ذخایر قابل ملاحظه ای در انجا به دست آوردند که حاکی از تمایل شدید این پادشاه به انواع فنون و هنر ها بوده است زیرا مقبره وی مملو از شاهکار های فنی بود و درمیان این شاهکار ها خنجر هایی مزین با پودرطلا مشاهده می شد که در واقع می توان گفت این نشانه ای از ابتدایی ترین طریقه استفاده از تکنیک متالورژی پودر است .
همچنین از روش مزبور قبایل قدیمی اینکاها در پرو استفاده می کرده اند چون آنها می دانستند که چگونه جواهرات را از زینتر کردن پودر فلزات گرانبها به دست آورند. ولی بعد از اضمحلال این قبایل این روش هم به بوته فراموشی سپرده شد و علم متالورژی پودر برای توسعه خود راههای دیگری در پیش گرفت .
مخلوط كردن پودر
پس از آماده شدن پودر ،لازم است مواد افزودنی به آن اضافه گردد.مواد افزودنی می تواند پودر های آلیاژی برای آلیاژ سازی ،روغنكاری برای تسهیل عملیات پرس كردن ،اضافه شونده های تبخیری برای رسیدن به تخلخل مورد نظر و مواد چسبنده برای افزایش استحكام قطعه در حالت خام باشد.میزان مواد اضافه شده بیشتر تجربی است.
اضافه شونده های تبخیری یا به عبارت دیگر تولید كنندگان حفره ،موادی مثل اكسالات آمونیوم است كه در اثر حرارت به چند گاز تجزیه می شوند.زمانی كه قطعه پخته شد ،حفره هایی متناسب با ابعاد ذره ایجاد می شود.پودر های فعال معمولا حفره كمتری ایجاد می نمایند و پودر های غیر فعال برای پر دانسیته شده محتاج درجه حرارت زیادتر یا زمان بیشتری برای تفجوشی است.
پس از افزودن مواد به پودر باید مخلوط توسط همزن ،همگن شود.زمان اختلاط بسته به پودر مورد استفاده ،متفاوت است و معمولا زمان و سایر شرایط مخلوط كننده با آزمایش بهینه می شود .در بسیاری از موارد برای پیشگیری از كاهش اندازه دانه ،بروز كار سختی و جداسازی پودر ها باید از زمان های طولانی اختلاط خودداری نمود .
عوامل موثر روی اندازه ذرات حین اتمیزه کردن :
دمای مذاب : با افزایش دمای مذاب به علت کاهش ویسکوزیته دانه ها ریزتر می گردند.
قطر نازل : هر چه قطر کمتر باشد دانه ها ریزتر می گردند.
فشار انژکتور : هر چه این فشار زیاد باشد دانه ها ریزتر می گردند . در اتمیزاسیون گازی اگر زاویه برخورد گاز و مذاب خیلی کم یابد دانه ها درشت میگردند و اگر خیلی زیاد باشد ممکن است نازل را بند آورد. در اتمیزاسیون گازی حالت دانه ها کروی تر است .
آزمایش و ارزیابی پودر:
پودرمورد استفاده باید ابتدایا از سیلان خوبی برخوردار باشد تا به صورت یکنواخت در قالب تغذیه شود ,علاوه بر این باید چکالی ظاهری بالایی داشته باشد چرا که چگالی کم به معنای پر نشدن فضای خالی بین دانه های ریز حتی تحت فشار است یعنی باید تراکم پذیری به خوبی مشخص گردد ویا اینکه باید درصد خلوص پودر تهییه شده نیز امتحان شود, علاوه بر این رطوبت و میزان ناخالصی موجود نیز به درستی تعیین گردند.
مخلوط کردن (امتزاج) :
مخلوط ایده ال ، مخلوطی است که همه ذرات هر ماده آن بطور یکنواخت پخش(توزیع) شده باشد . پودر های فلزات مختلف دیگر ماده ممکن است به منظور دستیابی به خواص فیزیکی و مکانیکی خاصی مخلوط گردند روانسازها ممکن است برای بهبود ویژگی جریان یافتن (روان شدن) پودر با پودر مخلوط گردند مخلوط کردن زیاد ممکن است باعث کار سختی و سایش ذرات گردد نسبت بالای مساحت رویه (ناحیه سطحی) به حجم پودر باعث حساس شدن به اکسیداسیون می گردد و ممکن است احتراق ایجاد نماید.
فرایند فشردن دو طرفه (compaction with doubleacting pressure )
در این حالت بر خلاف فرایند یكطرفه ،اعمال فشار حداقل به وسیله دو سمبه از بالا و پایین همزمان انجام می شود.قطعه به دست آمده ،توزیع چگالی بهتری دارد و حال آن كه مقدار آن در وسط قطعه كمتر است.
فرایند فشردن ایزواستاتیك( isostatic press):
این فرایند بیشتر برای تولید قطعات با شكل های پیچیده و دستیابی به قطعات با دانسیته بسیار زیاد (نزدیك به تئوری ) استفاده می شود.در واقع ،در روش های فشردن معمولی ،اعمال فشار در دو جهت است كه این امر سبب عدم دسترسی به توزیع یكسان چگالی می گردد.با استفاده از پرس های ایزواستاتیك می توان قطعه را از تمام جهات به طور یكسان تحت فشار قرار داد و قطعه ای با خواص مكانیكی بهتر تولید كرد.
الف ) پرس های ایزواستاتیك سرد (cold isostatic press)
پرس های ایزواستاتیك سرد كه در آن ،تنها از فشار استفاده می گردد.بدین ترتیب كه پودر مورد نظر درون قالب های انعطاف پذیر ریخته شده،بعد از تخلیه هوای قالب و درزگیری ،توسط یك محیط سیال،قالب تحت فشار قرار می گیرد.پس از شكل گیری پودر قطعه از قالب خارج می گردد.
ب ) پرس ایزواستاتیك گرم (warm isostatic press)
انجام کار مکانیکی در دمای بالا تر از دمای تبلور مجدد را کار مکانیکی گرم می گویند گاهی درPM دوعمل فشردن و زینتر کردن را با هم انجام می دهند(در دمای بالای تبلور مجدد) که به آن عمل فشردن گرم می گویند که این کاردر اثر نیروی فشاری ایزواستاتیک (فشار پایستار و در همه جهات کاملا مساوی را ایزو استاتیک می نامند.) انجام می گیرد.
مسلما سرعت عمل در این روش زیاد و هزینه تمام شده کمتر است اما علاوه بر این حصول برخی خواص از قبیل کا هش پدیده نفوذ علل الخصوص در ساخت اینسرت های برشی جایی که چسبنده بودن براده به ابزار مطرح می گردد بهتر از مراحل قبلی ذکر شده است و همین امر زمینه را برای گسترش کاربردهای این فرایند فراهم ساخته است .
پرس های ایزواستاتیك گرم كه برای افزایش تفجوشی درمراحل بعدی و كنترل دقیق خروج مواد افزودنی پودر می توان هنگام اعمال فشار از دمای نسبتا" پایینی نیز استفاده كرد (دما در حدود 200 درجه سانتی گراد). دو فرایند فوق شبیه به یكدیگر و فقط وجود دمای پایین در روش اول مورد اختلاف است.
ج )پرس های ایزواستاتیك داغ (hotisostatic press)
پرس های ایزواستاتیك داغ كه علاوه بر فشردن پودر در قالب،عمل تفجوشی نیز اتفاق می افتد. این روش بیشتر برای شكل گیری پودر هایی است كه خاصیت تراكم پذیری تراكم پذیری آن ها كم است. پودر فلزاتی نظیر برلیم ،اورانیم ،زیركونیم و تیتانیم از این گروه هستند.
فرایند آهنگری پودر (powder forging)
این روش تقریبا" همانند روش آهنگری معمول است با این تفاوت كه بلوك اولیه آن از طریق فرایند های متالورژی پودر تهیه می شود.بلوك اولیه را بر حسب شكل قطعه نهایی طراحی نموده،توسط پرس های معمولی شكل می دهند و تفجوشی می نمایند.سپس آن را در قالب نهایی قرار داده،آهنگری می كنند.این عمل علاوه بر از بین رفتن تخلخل بلوك اولیه سبب دستیابی به شكل هندسی دقیق قطعه و بهبود خواص مكانیكی خواهد شد.از روش آهنگری پودر برای تولید قطعاتی استفاده می شود كه بایستی تخلخل آن های حداقل باشد و بتواند در محیط های با تنش زیاد كار كند.بیشتر قطعات آهنگری پودر از خانواده های آلیاژ آهنی است كه از پودر اتمیزه شده و گرافیت استفاده می شود.
پودر گرافیت به دو منظور استفاده می شود اول احیای اكسیدها در همگام تفجوشی و دوم تامین كربن لازم برای آلیاژ سازی البته نقش روانكاوی گرافیت را نیز نباید از یاد برد.بلوك اولیه برای جلوگیری از اكسیداسیون هنگام آهنگری و روانكاوی با مواد مخصوص در قالب پوشش داده می شود.
تف جوشی (زینترینگ)
عبارتست از حرارت دادن پودر دردمای زیر دمای ذوب فلز طوریکه در این دما پودرهای فلزی بتوانند پیوند ایجاد کنند .(70تا 80%نقطه ذوب)یکی از مشخصه های مهم تف جوشی حساسیت شدید پیشرفت آن نسبت به دما است .
نیروی محرکه و مکانیزم تف جوشی دو مقوله متفاوتند . عامل نخستین که معمولاانرژی سطحی است ، نیروی لازم برای انتقال جرم را فراهم می سازد ، انرژی سطحی در واحد حجم با قطر دانه پودرتناسب معکوس دارد و از این رو ریز شدن دانه ها باعث افزایش نیروی محرکه فرایند خواهد شد و البته باید توجه داشت که تمام انرژی سطحی بصورت نیروی محرکه ظهور نکرده بلکه مقداری از آن صرف ایجاد مرزدانه ها می گردد که این مرزها نیز دارای انرژی مرزدانه ای می باشند . بنابراین نیروی محرکه موثر ممکن است بسیار کم و نتیجتا آهنگ تف جوشی هم کند باشد.
در عملیات تف جوش قطعه ی خام مرحله ی قبل در یک محیط با جو کنترل شده تا دمایی در حدود 70تا80% دمای ذوب ماده حرارت داده می شود وبه مدت کافی در این دما باقی می ماند وبعد به حالت کنترل شده سرد می گردد,در حالی که در مورد موادی که اختلاف نقطه ی ذوب بالا دارند دمای زینتر کردن می تواند بالای نقطه ذوب یک یا چند ماده تشکیل دهنده باشد .
خود عمل زینتر کردن از 3 مرحله ی زیر تشکیل می شود:
1- سوزاندن و پاک کردن مواد روانساز و چسب
2- افزایش و نگه داشتن دمای بالا برای جوش خوردن بافت
3- سرد کردن کنترل شده محصول نهایی برای حصول خواص نهایی
مراحل تف جوشی(زینترینگ) :
1- مرحله نخست تف جوشی :
تماس نقطه ای بین دانه های پودرمنجر به رشد گلوگاههایی می شود که آهنگ گسترش آنها بستگی به مکانیزم انتقال جرم داشته ، و هر چه سرعت رسیدن ماده از مجاری و مسیرها ی مختلف به منطقه تماس تندتر باشد تف جوشی نیز آهنگ بالاتری خواهد داشت .
در مرحله اول در یک محیط احیا کننده (محیطی که تا حدودی بازی است و مانعی برای اکسیداسیون مواد قطعه ی خام) قطعه ی خام حرارت می بیند تا چسب ویا مواد روان ساز از آن تبخیر گردند,در این مرحله ماده ی حاصل متخلخل می شود که خود همین مسئله در ساخت صافی ها و فیلتر ها چاره ساز است (به دلیل خلل و فرج ناشی از تبخیر چسب).
با تغییر اندازه دانه ها می توان مکانیزم غالب فرایند را نیز تغییر داد ، معمولا تف جوشی دانه های ریز تر بامکانیزم نفوذ سطحی انجام می شود و آهنگ میانگین تف جوشی نیز تندتر می باشد
بطور کلی ، رشد گلوگاه دانه های پودر ریزتر از آهنگ تند تری برخوردار بوده و با انتخاب زمان تف جوشی کوتاهتر و یا دماها ی کمتر می توان به نتایج مطلوب دست یافت . در مقابل دانه های درشت تر کند تر تف جوش شده و برای دستیابی به نتایج مشابه با مورد پیشین نیاز به زمان تف جوشی طولانی تر یا دمای بالاتری می باشد.
2- مرحله دوم تف جوشی :
این مرحله از تف جوشی از نظر شکل گیری ویژگیهای قطعه از بیشترین اهمیت برخوردار بوده و مشخصه اصلی آن چگالش همراه با رشد دانه ها است . ساختار منافذ در مرحله میانی صاف شده ولی تا مرحله نهایی بصورت بهم پیوسته باقی می مانند . تغییرات ابعادی ناشی از تف جوشی در بسیاری از موارد مطلوب نبوده ، و در اینگونه موارد بمنظور کاهش میزان چگالش شکل دهی در فشار بالا انجام شده و زمان ودمای تف جوشی کاهش داده می شود . بعکس د رمورد فلزات دیرگداز تاکید بیشتر ، بر چگالش قطعه است. لذاست که مرحله دوم تف جوشی را باید از زوایای متفاوت مورد توجه قرار داد .
در مرحله ی دوم باز هم دما افزایش می یابد(گاهی تا 90%نقطه ذوب مخلوط) تا مواد به خوبی به هم جوش بخورند و بعد تا مدتی دما ثابت می ماند تا موقعیت ساختاری مجموعه ثابت گردد.
در آغاز مرحله دوم جدایش منفذها از مرزدانه ها ناچیز می باشد . ولی با پیشرفت فرایند چگالش ، کمتر بودن تحرک منافذ باضافه کاهش نیروی پیوند دهنده آنها باعث جداشدنشان می گردد . جداشدن منافذ از مرز دانه ها عامل محدود کنده چگالی نهایی ناشی از تف جوشی می باشد .
برای دستیابی به چگالی های تف جوشی بالا ، لازم است دشد دانه در خلال تف جوشی محدود شود ، آهنگ این رشد بهتحرک مرزدانه ، نیروی وارد برآنو نیروهای بازدارنده بستگی دارد .
طولانی بودن زمان تف جوشی برای دستیابی به ویژگیهای مطلوب و چگالش قطعه ضروری است . از طرف دیگر دما برفرایند تف جوشی تاثیری پیچیده دارد و آهنگ نفوذ ، رشد دانه و جابجایی منافذ ، جملگی فرایندهای فعال شونده با گرما می باشند . در بسیاری از مواد این اتفاقات بستگی به مورفولوژی قطعه دارد ، بعلاوه چون ریز ساختار قطعه دائما در حال تغییر می باشد . بیشترین تاثیر دما بر آهنگ نفوذ و رشد دانه می باشد وآهنگ چگالش با افزایش ضریب نفوذ و کاهش اندازه دانه ها شدت می یابد.
3- مرحله سوم تف جوشی :
مرحله پایانی تف جوشی فرایندی کند است که در آن منافذ کروی مجزا ازهم بامکانیزم نفوذ حجمی منقبض می گردد. منفذی که بر روی مرز دانه قرار گرفته است بوسیله نیروی قابل ملاحظه ای که از زاویه دو وجهی کوچک ناشی می شود ، به مرز دانه وصل شده است. پس از گسسته شدن پیوند بین منفذ و مرز دانه ، لازمست منفذ آزاد شده تهیجاها رابه سمت مرزدانه های اطراف هدایت نماید تا انقباض که فرایندی کند نیز هست ، ادامه یابد .
همچنین در اثر طولانی شدن دوره گرمایش ، فرایند درشت شدن منافذ باعث خواهد شد که اندازه میانگین آنها افزایش یافته ولی از تعداد آنها کاسته شود. تفاوت بین انحنا منافذ منجر به رشد منافذ بزرگتر در قبال از بین رفتن کوچکترها، که ناپایدارند ، خواهد شد.
فشردن پودر باعث کاهش میزان تخلخل آن و در عین حال افزایش تعداد نابجایی درپودرمی شود با توجه به کاهش تخلخل انقباض حاصل از تف جوشی نیز کم شده و زیادتر شدن نابجایی تند شدن آهنگ اولیه فرایند تف جوشی رابه دنبال خواهد داشت . بنابراین فشردن پودردر افزایش استحکام مکانیکی ، چگالی ، ثابت ماندن هندسه قطعه و کنترل ابعادی آن تاثیر مثبت بر جای می گذارد .
دلیل عمده استفاده از فرایند تف جوشی ، تاثیر آن بر ویژگیهای خشته پودراست و هر چه دامنه پیشروی آن بیشتر باشد ، معمولا قطعه از کیفیت های بالاتری برخودار می باشد.
از نقطه نظر تف جوشی کوچک بودن دانه های پودر یک مزیت بحساب می آید و هر چه دانه ها ریز تر باشند آهنگ فرایند تندتر خواهد شد ، البته این ریزی پرس کردن (فشردن) دانه ها رامشکل تر می کند. طولانی کردن زمان هر چند میزان تف جوشی قطعه راافزایش می دهد ولی هزینه رابالا برده و بعلاوه رشد دانه ها رابهمراه دارد.
دمای تف جوشی یکی از متغیرهای بسیار موثر بر تف جوشی است ، و هرچه افزایش یابد آهنگ فرایند نیز تند تر می شود ، لیکن هزینه های طراحی کوره و انرژی مصرفی در اثر بیشتر شدن دما فزونی می یابد.
تف جوشی مخلوط های پودری بامشکلات زیادی مواجه است و برای همگن شدن قطعه و حذف گرادیان ترکیب شیمیایی باید دما و زمان کنترل شود. تف جوشی مخلوط پودرهای ریز دانه ، بخاطر کوتاه بودن مسیر های نفوذ با سهولت بیشتری انجام می شود واگر ضریب نفوذ دو مولفه پودر با هم اختلاف زیادی داشته باشد ممکن است . در قطعه منفذ ایجاد شود . این مساله ، بخصوص درحالیکه نقطه ذوب عنصر آلیاژی پایین تر باشد ، باعث متورم شدن قطعه می گردد. مثالی از این مورد افزایش آلومینیوم به آهن است ، که ذوب ّآلومینیوم درخلال تف جوشی باعث تورم قطعه می گردد. عدم کنترل چرخه تف جوشی نیز می تواند به تشکیل فازهای مخرب از قبیل ترکیبات بین فلزی شکننده بیانجامد .
تمام فلزات ، باستثناء چند مورد ، درخلال تف جوشی نیاز به نوعی حفاظت از اکسایش دارند ، زیرا اکسید سطح پودر اتصال دانه ها از طریق نفوذ رابااشکال مواجه ساخته و از گسترش ویژگیهای مکانیکی جلوگیری می کند . اتمسفر تف جوشی همچنین می تواند به زدایش ماده روانساز وملات استفاده شده در فرایند فشردن پودر نیز کمک نماید.
با توجه به اینکه سطح دانه ها همیشه از قشر نازکی از اکسید پوشیده می باشد ، وجود اتمسفر احیاکننده نه تنها از اکسایش بیشتر آنها جلوگیری می کند بلکه هر گونه اکسید قبلی رانیز احیاء می نماید.
تف جوشی اغلب ویژگیهای مهندسی مواد را بهبود می بخشد حرکات اتمی باعث ایجاد پیوند بین ذرات شده و در نتیجه استحکام مکانیکی و دیگر ویژگیهای قطعه ارتقاء می یابد . به منظور تشدید فرایند تف جوشی می توان از فشار خارجی و یاافزودنیها ی شیمیایی بهره گیری کرد ، اینگونه عملیات می تواند چگالی قطعه را به مقدار نظری آن برساندو از همین رو مورد توجه خاص محققین قرار گرفته است .
متالورژی پودر در انبوه سازی قطعات از کارایی چشمیگیری برخوردار بوده و می توان از بهره وری ذاتی آن بنحو اتحسن استفاده کرد . از جمله مزایای انکار ناپذیر این تکنولوژی که تولید اقتصادی بسیاری از فراورده ها را میسر کرده است ، می توان به کنترل ابعادی وامکان ساخت قطعات دارای اشکال پیچیده اشاره کرد .
طیف سنجی نوری بر اساس نشر نور و برانگیختگی به کمک پلاسما (ICP)
این روش طیف سنجی که جهت بررسی های عناصر و غلظت آن ها مورد استفاده دارد ، بر اندازه گیری شدت امواج تابیده از اتم ها ، به هنگام برگشت از حالت برانگیخته طبق شکل زیر استوار است. برای برانگیختگی ابتدایی از یک مشعل پلاسما معروف به پلاسمای جفت شده ی القایی استفاده می شود. این پلاسما از القای یک میدان مغناطیسی با بسامد بالا پدید می آید.
شکل مشعل پلاسما در صفحه بعد دیده می شود. پلاسما ، گازی است که قسمتی از آن یونیزه می شود. این پلاسما به کمک القای الکترومغناطیسی یک گاز ، مانند گاز آرگون پدید می آید. همانطور که در این شکل دیده می شود، دو لوله از جنس کوارتز در داخل لوله ی سومی جاسازی شده و سیم های جریان بسامد بالا در قسمت بالایی لوله خارجی قرار دارند. نمونه ی مجهول از لوله مرکزی، به شکل ریز مایع (ایروسل= Aeorosol) توسط گاز آرگون به قسمت بالایی رانده می شود.
برای تشکیل پلاسما ، گاز آرگون از لوله دیگر جریان می یابد و از لوله ی سوم ، آرگون فقط برای پدیدآوردن سرمایش به صورت مارپیچ به بالا جریان دارد. برای روشن کردن مشعل ، نخست گاز آرگون از طریق لوله ی مرکزی به طرف بالا فرستاده شده و در محوطه سیم ها ، به خاطر وجود میدان مغناطیسی ، یونیزه می شود. از آنجا که در پلاسمای آرگون ، چگالی الکترون های آزاد زیاد است ، هدایت الکتریکی مناسبی وجود دارد و بی درنگ پس از برقراری جریان در سیم ها ، با میدان مغناطیسی بر هم کنش می نماید. در آغاز کار ، پس از برقراری جریان آرگون ابتدایی ، به وسیله ی تخلیه ی الکتریکی ، مقداری الکترون در محوطه ی پلاسما تخلیه می شود و این الکترون ها که به عنوان تخمک عمل می کنند ، در میدان مغناطیسی وارد یک جریان گردابی گردیده و برخورد آن ها به مولکول های گاز باعث یونش آن ها می شود. جریان پیوسته ی الکترون های آزاد در مسیر و شکل ویژه ، شعله ی پلاسمای پایدار پدید می آورد که دمای مرکز آن حدود 6000 در جه ی کلوین است. مشعل مذکور در حین عملیات به شکل زیر است :
سرعت عبور گاز آرگون از دو لوله وسط، حدود lit/min 1 و از لوله ی بیرونی که برای پدیدآوردن سرمایش است حدود lit/min 15 می باشد. طراحی مسیر جریان گاز آرگون به گونه ای است که شکل ویژه ای به مجموعه ی پلاسما و شعله می دهد ، به طوریکه تزریق نمونه را در مرکز پلاسما امکانپذیر می کند. نمونه ی مورد نظر مسیر زیر را به طور معمول تا اینکه گسیل نور انجام دهد طی می کند :
برای نمایش واضحتر مسئله می توان به تصویر بالای صفحه ی بعد توجه نمود. از آنجا که برای تشکیل پلاسما ، از الکترود استفاده نمی شود، مناطق برانگیخته و نشر از نظر فضایی از یکدیگر جدا هستند. این نکته از پدید آمدن زمینه ی مزاحم که در بسیاری از روش های طیف سنجی مشکل ساز است جلوگیری می کند. بنابراین امکان آنالیز در مقیاس ppb که خیلی بهتر و دقیق تر از دستگاه های طیف سنجی جذب اتمی یا طیف سنجی نشر شعله است فراهم خواهد شد . به دلیل بالا بودن دمای مشعل ،ترکیبات جانبی که در روش طیف سنجی جذب اتمی به عنوان ترکیب های مزاحم(مانند کاربیدها و اکسیدها) پدید می آیند، در این روش راحتی تجزیه می شوند. همچنین چون در این روش ، طیف نشری عنصر مطالعه می شود و در مشعل ، تمام عنصرها به طور کامل یونیزه می شوند، بنابراین هر عنصر با مقدار ناچیز نیز قابل تشخیص خواهند بود.
نور تابیده از عنصرها در مشعل پلاسما ، پس از تفکیک طول موج در تک رنگ کننده ، به آشکارساز فوتون افزا فرستاده می شود تا شدت آن اندازه گیری شود. ممکن است که به جای تک رنگ کننده، از سیستم چندرنگ کنندهکه به طور هم زمان چند عنصر را آنالیز می کند استفاده کرد. اجزای اصلی تولید پلاسما ، مانند پدیدآورنده ی بسامد رادیویی ، سیستم گاز رسانی و نیز سیستم نمونه سازی ، به عمرا قسمت چندرنگ کننده و واحدهای کنترل کننده ی رایانه ای ، در مجموع بخش های اصلی یک دستگاه نوین پلاسمای جفت شده ی القایی را تشکیل می دهند. نور بدست آمده از مشعل پلاسما ، توسط دریچه ای بر روی یک گراتینگ مقعر هدایت می شود و بازتاب امواج با طول موج های گوناگون در زاویه های مختلف ، به فوتون افزاهای ثابت می رسد. برای هر عنصر ، یک آشکارساز در موقعیت مشخصی قرار دارد و بنابراین به جای حرکت یک فوتون افزا و ثبت پرتوهای مختلف در مواضع گوناگون ، پرتو مربوط به همه عنصرها به طور همزمان اندازه گیری می شود. بدیهی است که در این حالت ، سرعت آنالیز بسیار بیشتر است و این نوع دستگاه برای کاربردهایی که با تعداد عنصر مشخص سروکار دارد و در اصطلاح شناسایی روزمره عنصر، مورد نظر است بسیار مناسب می باشد ولی برای مراکز پژوهشی نوع تک رنگ کننده مفیدتر بوده، اگر چه سرعت آنالیز در آن کندتر است.
در روش پلاسمای جفت شده ی القایی ،ممکن است مشعل به همراه یک طیف سنج جرمی (ICP-MASS) که مشخصات آن در بخش بعدی معرفی می شود ، به کار گرفته شود که در آن به جای پرتو پدید آمده در مشعل ، یون های پدیدآمده در آن ، با عبور از میدان مغناطیسی ، بر حسب نسبت جرم به بار الکتریکی ، تفکیک و شناسایی شوند. این دستگاه در مقایسه با دستگاه قبلی ، حساستر و دقیق تر می باشد ولی بسیار گرانتر بوده و در عمل نتوانسته است بازار زیادی را به خود اختصاص دهد. استفاده از روش پلاسمای جفت شده ی القایی ، به همراه طیف سنجی جرمی برتری های زیر را نسبت به روش های دیگر طیف سنجی دارد :
- با یک دستگاه می توان همه ی عنصرها را آنالیز و شناسایی کرد و مانند دستگاه های جذب اتمی ، جذب نوری و یا نشر شعله به قسمت های تکمیلی احتیاج نیست.
- در این دستگاه تداخل شیمیایی عنصرها از جانب محیط کمتر از روش های دیگر است.
- کاربری دستگاه آسانتر از روش های دیگر می باشد
- حساسیت روش بسیار بالا و در گستره ppb است
- تهیه ی نمونه ساده تر از روش های دیگر طیف سنجی بوده و به رقیق کردن زیاد نمونه (مانند روش جذب اتمی) احتیاج نیست
- بنابر برتری های برشمرده ، طیف سنجی نوری با برانگیختگی پلاسمای جفت شده ی القایی ، کاربردهای زیادی را در علم مواد، محیط زیست و صنایع گوناگون پیدا کرده به گونه ای که این دستگاه به تدریج جایگزین روش های دیگر آنالیز ، مانند طیف سنجی جذب اتمی (AAS) و طیف سنجی نشر شعله (FES) شده است.
به عنوان نمونه ای شماتیک از اجزای دستگاه ICP که هم مجهز به تجهیزات طیف سنجی نوری و هم طیف سنجی جرمی است ، شکل زیر را می توان ملاحظه نمود.
جهت ملاحظه ی نمونه ای
از نمودار های مطرح در این آزمایش
به شکل روبرو توجه کنید. نمودار بالایی طیف تابش نوری بوسیله ی روش ICP از محلولی شامل ppm 100 سریم Ce است. نمودار پایینی طیفی از محلول دارای ppm 10 سریم از روش ICP-MASS (ICP به همرا هی طیف سنجی جرمی) است.
به طور خلاصه روش ICP-MASS دارای مشخصات زیر است :
ICPMS از پلاسمایی که به صورت القایی کوپل شده برای تولید یون هایی که بلافاصله با طیف نگار جرمی آنالیز می گردند ، استفاده می شود. پلاسما به عنوان منبع یونی با بازدهی بالا که محدوده های اندازه گیری ای زیر 1 PPB را برای اکثر عناصر امکانپذیر می کند. روش اجازه ی آنالیز های کاملا کمی و شبه-کمی را می دهد. نمونه های معمولا به صورت مایع وارد می شوند اما پیشرفت های اخیر اجازه ی نمونه ی برداری مستقیم از جامدات را به واسطه ی کندوسوز لیزری (Laser abalation) ، و نیز از گازها و بخارات را با یک طراحی مناسب می دهند. لایه های نازک و یا جامدات معمولا درون محلولی قبل از آنالیز حل می شوند.
محدوده ی عناصر مورد اندازه گیری : لیتیم تا اورانیوم ، تمام ایزوتوپ ها – بعضی عناصر مجزا شده اند
اطلاعات از پیوندهای شیمیایی موجود : خیر
مخرب بودن آزمون : این آزمون مخرب است
قدرت تفکیک عرضی : 20 تا 50 میکرومتر با کندوسوز لیزری
محدوده ی آشکارسازی : زیر ppb برای اکثر عناصر
عمقی که آنالیز می شود : 1 تا 10 میکرومتر برای هر پالس لیزر در جامدات
قابلیت ارائه ی کمی اندازه گیری ها : بله ، هم کمی و هم نیمه کمی
دقت : 0.2 درصد ایزوتوپ ها ، 5 درصد یا بهتر آنالیز های کمی ، 20 درصد یا بیشتر آنالیز های نیمه کمی
تصویر برداری و نقشه برداری سطحی : خیر ، اما برای کندوسوز لیزری امکان دارد
لازمه های نمونه : محلول ها ، جامدات حل شده در محلولی مشخص ، جامدات ، گازها ، و بخارات
استفاده های اصلی : آنالیز ایزوتوپی و عنصری با حساسیت بالای مواد شیمیایی خلوص بالا و آب
خوردگی خستگی Fatigue corrosion
خوردگی خستگی در اثر شکست قطعه در اثر اعمال تنش های متناوب است که دامنه این تنش ها کمتر از تنش شکست قطعه است .
اگر نموداری بر اساس تعداد سیکل های وارده به قطعه در زمان را رسم کنیم متوجه می شویم که دو نوع رفتار داریم :
 |
آلیاژهای اهن دارای یک حد تحمل هستند که اگر تنش اعمالی در زیر آن مقدار باشد قطعه شکسته نمی شود آلیاژهای غیر آهنی هیچ حد تحملی ندارند .
راه های جلوگیری :
کاهش استحکام فلز ، فلزات سخت در مرحلة شروع ترک مقاومند ولی بعد از ترک خوردن سریع می شکنند .
کاهش تنش های اعمالی بر قطعه .
استفاده از پوشش ها برای جلوگیری از تأثیرات خوردگی . البته خود پوشش نباید بر قطعه اعمال تنش کند .
راههاي جلوگيري ازخوردگي:
1-انتخاب مواد:
الف - انتخاب ماده مورد نظر اولين قدم است و باعث مي شود با انتخاب صحيح حداقل هزينه اضافي را داشته باشيم.براي اين كار بايد بدانيم چه فلزي را در چه محيطي انتخاب كنيم.معمولا فلزات مورد استفاده ما دو دسته اند:
1-فلزات خالص كه از نظر اقتصادي گران قيمت اند .
2-الياژهاي فلزات (مثلابراي نگهداري اب اكسيژنه مي توان ازAl خاص كه گران است استفاده كرد)
ب - استفاده از غير فلزات مانند چوب ،پلاستيك،سراميكها و... . مثلا دراستهكام هاي پايين از چوب استفاده كرد
قانون كلي انتخاب ماده:
1-درمحيطهاي احيا كننده يا غير اكسيد كننده ازCu و الياژهاي ان- شرط استفاده محيط بدون (اكسيژن) مي باشد.
2-در محيط هاي اكسيد كننده داراي هوا كه بدون (Cl)است از Crو الياژهاي ان.
3-در محيط اكسيد كننده قوي از Ti .
4-درمحيطهاي خنثي از Al والياژهاي ان.
5-در محيطهاي ويژه كه مقاومت به خوردگي بالا بحواهيم الياژهاي Ti-Ta
6-محيطهايي كه استحكام پايين و نيرو كم باشد از چوب،پلاستيك و...
2-تغيير شرايط محيط:
الف - تغيير دادن دماوبا كاهش دما تا حدامكان.
ب-تغيير در سرعت محيط: بسته به نوع خوردگي سرعت را كم يا زياد كنيم.
ج -خارج كردن اكسيژن محيط:اكسيژن عامل واكنش كاتدي مهمي است واز اكسيد كنندههاي قوي كه با حذف ان واكنش كاتدي حذف مي شود.اگر فلز مورد استفاده از نوع اكتيو باشد اكسيژن كاملا حذف مي شود بعضي اوقات مقدار كمي اكسيژن موجب ايجاد لايه سطحي مي شود .
د-تغيير غلظت محيط:كه بسته به شرايط خوردگي، سرعت خوردگي را كاهش و يا افزايش مي دهد .
3-ممانعت كننده ها:
موادي هستندئ كه در مقياس كم به محيط اضافه مي شوند وسرعت خوردگي را كم يا متوقف مي كنند.
اين مواد معمولا سمي هستند و درمحيط هاي بسته استفاده مي شوند و به صورت زير عمل مي كنند:
1-تاثير بر روي واكنش كاتدي.
2-تاثير بر روي واكنش اندي.
3-تاثير بر روي واكنش هاي اندي-كاتدي.
چگونگي تاثير ممانعت كننده ها به صورت:
1-تغيير دادن سينتيك واكنش خوردگي با تاثير بر روي(K)سرعت واكنش .
2-خارج كردن عوامل موثر بر خوردگي.
3-ايجاد لايه هاي عايق روي فلز و جلوگيري از انجام واكنش كاتدي و اندي.
انواع ممانعت كننده ها:
1-ممانعت كننده هاي اكسيژن زدا : كار ان حذف اكسيژن محيط است.
2- ممانعت كننده هاي محيطهاي اسيدي : معمولا از تركيبات فسفردار مي باشند كه واكنش احيائ(H)را به عقب مي اندازند.
3- ممانعت كننده هاي اكسيد كننده كه مخصوص فلزاتي كه قابليت توليد فيلم سطحي دارند همانند فولاد كه توليد فيلم(Cr2O3)ميكند،كرماتها،نيتراتها و... است .
4ممانعت كننده هاي فاز بخار:كه به صورت بخار درامده و بر روي تجهيزات رسوب ميكندومحيط را ازتجهيزات جدا ميكند.
مشخصات ومحدوديتهاي ممانعت كننده ها:
موادي سمي اند.
به دلايل اقتصادي وزيست محيطي در محيطهاي بسته (همانند اسيد توالي فلزات – بويلر نيروگاه و...)
اثر ممانعت كننده با گذشت زمان كاهش مي يابد پس هر چندوقت بايد به محيط اظافه شوند.
اثر ممانعت كننده با افزايش دماي محيط كاهش مي يابد.
4-طراحي هاي صحيح :
1- استفاده از جوشكاري به جاي پرچ وپيچ.
2- طراحي مخازن به نحوي كه تخليه به طور كامل صورت گيرد.
3- طراحي به نهوي كه تعويض قطعات خورده شده سريعتر امكان پذير باشد.
4-اجتناب از تنشهاي اعمالي يا باقي مانده.
5-اجتناب ازشيبهاي حرارتي.
6-اجتناب از اتصالهاي نامناسب فلزات.
7-اجتناب از تغيير شيبهاي ناگهاني مسير.
8-اجتناب از ورود ناخالصيها به محيط (فيلتراسيون).
9-اجتناب از ايجاد زوج گالوانيكي.
5-پوششهاورنگ ها :
اعمال پوشش به دو صورت فلزي وغير فلزي(رنگ)انجام مي شود كه اين عمل با دو هدف انجام مي شود:
1-به عنوان اند فداشونده همانند پوشش اهن گالوانيزه.
2-به عنوان جدا كننده فلز از محيط همانند حلبي .
در روش پایین به بالا که اغلب مورد توجه شیمیدانان و زیست شناسان است تلاش می شود ساختار مولکولی از یک ساختار زیرین رشد داده شود و به مقیاس نانومتری (نانو ساختاری) انتقال یابد . در روش بالا به پایین که بیشتر مورد توجه فیزیکدانان است , تلاش می شود که مواد از ساختار کنونی خود (ماکرو ساختار) به ساختار ریز نانومتری متحول شوند . البته روش بالا به پایین از عمومیت و رواج بیشتری برخوردار است . در روش پایین به بالا نیاز به آن داریم که مواد به فاز بخار یا محلول های شیمیایی تبدیل شوند . بر اساس یک طبقه بندی دیگر , سنتز نانو مواد می تواند به روش های لایه نشانی فاز بخار فیزیکی PVD یا فاز بخار شیمیایی CVD صورت پذیرد .
لایه نشانی از یک فاز این مفهوم را دارد که ماده اولیه ابتدا به حالت بخار یا محلول تبدیل و سپس به روی یک زیرلایه (بستر) روکش می شود . برای این کار به روش های الکتریکی , حرارتی (دمای بالا) , واکنش های شیمیایی یا تبخیری نیاز است . در ادامه این بحث به معرفی چند نمونه از فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی مورد استفاده در سنتز نانو مواد خواهیم پرداخت .
مقدمه:
از دلایل توسعه پذیر بودن روش های CVDمی توان به توانایی تولید لایه هایی با تنوع زیاد ،پوشش های فلزات،نیمه رسانا ها و لایه هایی با ترکیبات آلی و غیر آلی در یک شکل بلوری یا شیشه ای و دارای خواص مطلوب اشاره کرد.اصول فرایند CVD تا حدی شبیه فرایند PVD1 است،با این تفاوت که در اینجا فاز گازی که قرار است درون محفظه ،چگالش یافته و به پودر تبدیل شود،از طریق واکنش با مواد و به ویژه گازهای موجود در اتمسفر سیستم و به طریق شیمیایی ایجاد می شود.بر خلاف روش PVD که اتم ها به صورت مستقیم روی سطح رسوب می کنند،در روش CVDاتم ها به طور یکنواخت و در تمام زوایا وقسمت های مختلف زیر لایه،به طور یکسان می نشینند. رسوب گذاری از فاز بخارCVD فرآیندی شیمیایی است که برای تولید مواد جامد با خلوص و کارآیی بالا استفاده می شود.این فرآیند اغلب در صنعت نیمه هادیها برای تهیه فیلم های نازک مورد استفاده قرار می گیرد.در فرآیند رایج رسوب گذاری از فاز بخار، زمینه در معرض یک یا چند پیش ساخت فرار، قرار می گیرد که این مواد بر سطح زمینه واکنش داده و/یا تجزیه می شوند تا رسوب دلخواه به دست آید. اغلب، محصولات جانبی فرار نیز تولید می شوند که با جریان گاز عبوری از داخل اتاقک خارج می شوند. محصولاتی که عموما از طریق این فرآیند تولید می شوند، به قرار زیرند: سیلیکون، الیاف کربنی،نانوالیاف کربنی، نانوتیوپ های کربنی،SiO2،سیلیکون- ژرمانیم،سیلیکون نیترید، سیلیکون کربید، تیتانیوم نیترید و دی الکتریک های گوناگون با ثابت دی الکتریک بالا.از این فرآیند برای سنتز الماس نیز استفاده می شود .
مروری بر منابع:
رسوب شیمیایی فاز بخار (CVD)
روش رسوب شیمیایی فاز بخار مستلزم رسوبگذاری مادهی شامل نانوذرات از فاز گازی است. ماده آنقدر گرم میشود تا به صورت گاز درآید و سپس به صورت یک ماده جامد بر روی سطح، معمولاً تحت خلأ رسوبگذاری میگردد. ممکن است رسوبگذاری مستقیم یا رسوبگذاری از طریق واکنش شیمیایی، محصول تازهای را به وجود آورد که با مادهی تبخیر شده تفاوت زیادی داشته باشد. این فرآیند به آسانی نانوپودرهایی از اکسیدها و کاربیدهای فلزات را پدید میآورد، مشروط بر اینکه بخارات کربن یا اکسیژن همراه با فلز در محیط وجود داشته باشد. رسوبگذاری شیمیایی فاز بخار را، همچنین میتوان برای رشد سطوح مورد استفاده قرار داد. جسمی که قرار است پوشش داده شود در مجاورت با بخار شیمیایی قرار داده میشود. نخستین لایه از مولکولها یا اتمها ممکن است با سطح واکنش دهد یا واکنش ندهد. در هر صورت، این گونههای در حال رسوبگذاری که برای اولین بار تشکیل شدهاند، به عنوان بستری که ماده بر روی آن میتواند رشد کند، عمل میکنند. ساختارهای پدید آمده از این مواد، اغلب در یک ردیف در کنار هم به خط میشوند، زیرا مسیری که اتمها و مولکولها در طی آن رسوبگذاری گردیدهاند، تحت تأثیر مولکولها یا اتمهای همسایهی آنها قرار میگیرد. اگر بستر یا سطح پایهی میزبان که رسوبگذاری بر روی آن انجام شده است، فوقالعاده مسطح باشد، رشد سطحی به بهترین وجه انجام میشود. در حین رسوبگذاری، مکانی برای بلوری شدن در امتداد محور رسوبگذاری ممکن است تشکیل شود، به طوری که ساختار منظم شده و به خط شده به شکل عمودی رشد میکند. این موضوع به صورت طرحی در شکل (2-2 - 1) نشان داده شده است و با یک ساختار واقعی تشکیل شده از نانولولههای کربنی در شکل (2-2 - 2) مقایسه شده است. از شکل های (1- الف و ب) میتوان دید که خواص سطح در طول محور Z نسبت به صفحه X و Y بسیار متفاوت خواهد بود. این باعث میشود که ویژگیهای سطح، منحصر به فرد و بی نظیر باشد.
نانو لوله های کربنی به خط شده که در کنار هم هستند
مدل فرضی
مراحل اساسی که در فرایند های CVD اتفاق می افتد شامل :
1- انتقال گرمایی نفوذی واکنش گرما از مخزن گاز به سمت منطقه واکنش
2- انجام واکنش های شیمیایی در فاز گاز برای تولید نمومه های واکنش پذیر جدید و فراورده های فرعی
3- انتقال واکنش گرمای اولیه و فراورده هایشان به سمت سطح زیر لایه
4- جذب فیزیکی یا شیمیایی ونفوذ این نمونه ها روی سطح زیر لایه
5- واکنش های غیر همگن به وسیله سطح که منجر به شکل گیری لایه می شود
6- دفع فراورده های فرعی از واکنش های سطح
7-انتقال گرمایی ونفوذی واکنش فراورده های فرعی
انواع واکنش ها
1- پیرزلیز
2-کاهش
3-اکسایش
4-تشکیل ترکیبات
5-تسهیم نا مناسب
6-انتقال برگشت پذیر
کاربرد های فرایند CVD
در يك فرآيند CVD يك لايه از ماده در معرض يك يا چند ماده تبخير شده قرار مي گيرد، و طي آن مواد اوليه با لايه ی مذكور واكنش داده و تجزيه شده، محصول رسوبي مورد نظر را به وجود مي آورند . البته محصولات جانبي نيز به وجود مي آيند كه به وسيله گاز خارج مي شوند.رسوب دهي شيميايي بخار به طور وسيع درتوليد نيمه هادي ها ( به عنوان يك بخش از فرآيند توليد نانوساختارهاي نيمه هادي) و براي رسوب فيلم هاي گوناگون نظير سيليكون هاي پلي كريستال ، آمورف، اپي تكسيال، سيليكون ، ژرمانيوم، تنگستن، سيليكون نيتريد، سيليكون اكسي نيتريد و تيتانيم نيتريد استفاده مي شود ، فرآيند CVD براي توليد الماس سنتزي نيزكاربرد دارد. اين فرآيند براي پوشش دهي قطعات مختلف و رسيدن به خواص نوري، الكتريكي ، گرمايي، مكانيكي و مقاومت خوردگي ماده به كار مي رود. اين روش همچنين براي تشكيل فيلم ها و اليافي كه براي فيلتر كردن مواد كامپوزيت مصرف مي شوند، كاربرد دارد.
مزایای استفاده از فرایند CVD
1- توزیع یکنواخت رسوب در سطح وسیع و مطلوب
2- ایجاد نشدن گرادیان ترکیبی در لایه
3- نیاز نداشتن به شکست خلا برای رسوب لایه های مختلف
4 - رسوب فلزات دیر گداز،در دمایی بسیار پایین تر از نقطه ذوب آنها
5 - امکان رشد هم محور دانه ها
مهم ترین مزیت استفاده از فرایند CVD رسوب انتخابی لایه هاست.با این روش می توان لایه های نازک را به طور انتخابی در ناحیه های مطلوب رسوب داد.انتخاب بر اساس تفاوت در واکنش های شیمیایی بین مواد سطح و واکنش گرهاست.
معایب استفاده از فرایند CVD
1- این روش بدون ایمنی و آلوده است
2- هیدرات ها و کربونیل ها سمی هستند
3-مواد آلی فلزی در تماس با هوا آتشگیر هستند
4- تولید لایه هایی با خلوص بالا ،نیازمند هزینه بالایی است
انواع فرایند CVD
1- رسوب دهي شيميايي در فشار اتمسفري(APCVD)
2- رسوب دهي شيميايي بخار لايه اتمي(ALCVD)
3- رسوب دهي شيميايي بخار در فشار پايين(LPCVD)
4- رسوب دهي شيميايي بخارآلي فلزي(MOCVD)
5- رسوب دهي شيميايي بخار پلاسمايي ميكروويو (MPCVD)
6- رسوب دهي شيميايي بخار پلاسمايي (PECVD)
7- رسوب دهي شيميايي بخار گرمايي سريع(RTCVD)
8- رسوب دهي شيميايي بخار پلاسمايي دور(RPCVD)
9- رسوب دهي شيميايي بخار با خلاء خيلي بالا(UHVCVD)
10- رسوب دهي شيميايي بخار مجهز به لیزر(LECVD)
نتیجه گیری :
Chemical vapour deposition of coatings, Received 1 October 2000; received in revised form November 2001; accepted 1 December 2001
. NANOSTRUCTURED FUNCTIONAL CERAMIC COATINGS BY MOLECULE-BASED VAPOR DEPOSITION , 2Department of Chemistry, Wuerzburg University, Wuerzburg,2007
Analysis of the California Nanoindustry Focused on Carbon Nanotubes and TiO2 Nanomaterials, Prepared by Hai-Yong Kang, Ph.D,2010
SYNTHETIC DIAMONDS AND IDENTIFICATION,MRS SHARON FERBER,2008 INTRODUCTION TO CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (CVD),J.R.CREGHTON
P.HO,2009 METALLORGANISCHE CHEMISCHE GASPHASENABSCHEIDUNG (MOCVD) VON UBERGANGSMETALLEN AM BEISPIEL VON EISEN ,RUTHEIUM UND WOLFRAM,DER TECHNISCHEN FAKULTAT DER UNIVERSITATA ERLANGEN-NURNBERG,2006
1- آهن
تولید آهن از سنگ معدن صورت میگیرد. آهن به شكل طبیعی بصورت تركیب شیمیایی با اكسیژن، گوگرد و سیلسیم (سنگ آهن) وجود دارد. این تركیب را باید احیای شیمیایی كرد تا آهن عنصری تولید شود.
فرآیند احیا شیمیایی یا پالایش، در كوره های بلند انجام می شود. در آنجا سنگ آهن خرد شده با كك و آهك مخلوط شده و هوای گرم را با فشار درون كوره عبور می دهند تا واكنش شیمیایی سریعتر انجام شود.
كك علاوه بر تامین گرمای احتراق فرآیند پالایش، با اكسیژن سنگ معدن تركیب شده و اكسیدهای كربنی ایجاد می كند تا اكسید آهن را به شكل آهن عنصری احیا كند.
فلز مذاب كوره بلند در درون قالبهایی ریختهشده تا منجمد شود. این فرآورده چدن خام نام دارد.
2- چدن
خانوادهای از فلزات كه بطور معمول 2تا 4 درصد وزنی كربن و قدری سیلسیم دارد. تفاوت انواع چدن در كربن آنهاست. انواع آن عبارتند از:
- چدن خاكستری، دارای پولك های گرافیتی است.
کاربردها، مزایا و معایب آن،
ریخته گری پوسته موتور خودرو
ماشینكاری راحت
عدم كاربرد در خمكاری
- چدن سفید
- چدن چکشخار، دارای گویهای گرافیتی است.
- چدن داکتیل، دارای گرههای گرافیتی است.
- چدن با گرافیت فشرده
3- فولاد
فولادها نیز آلیاژ آهن و كربن هستند ولی میزان كربن آنها كمتر از چدن است.
معمولا فولادها را در كوره اجاق گاز یا كانورتور اكسیژن قلیایی تولید می كنند.
در هر دو فرآیند كربن موجود در آلیاژ در اثر سوختن با اكسیژن كاهش مییابد.
مبنای ساخت فولاد سیستم دوتایی آهن - كاربید آهن است.
4- فریت و آستنیت
آهن خالص به دو شکل وجود دارد:
- در دمای اتاق فریت یا آهن آلفا، شكل پایدار آهن است. ساختار بلوری فریت مكعبی مركزپر است.
- در دمای بالاتر آستنیت یا آهن گاما با ساختار بلوری مكعبی با وجوه مركزپر، شكل پایدار آهن است.
5- فولادهای میانکربن
فولاد حاوی 4 درصد وزنی كربن را در نظر بگیرید كه تا دمای 1000 درجه سانتیگراد گرم و سپس تا دمای اتاق سرد شود. در دمای حدود 727 درجه سانتیگراد، مقدار فریت و آستنیت تقریبا برابر است. بعد از 727 درجه سانتیگراد آستنیت به سمنتیت و فریت تجزیه می شود. اگر فولاد مذكور كاملا سرد شود شامل مناطقی از فریت و چدن سفید میشود.
6- فولادهای کمکربن یا پرکربن
فولادهای کمکربن با کمتر از 0.2 درصد وزنی کربن برای ساخت فرآوردههایی مانند ورقهای نوردشده مورد مصرف در بدنه اتومبیل استفاده میشود. این فولادها را میتوان خم کرد.
فولادهای پر کربن که حدود 0.8 درصد وزنی کربن دارند حاوی مقادیر زیادی کاربیل هستند، در نتیجه بسیار سخت و بادوام هستند. برای ساخت فرآوردههایی مانند ریل راهآهن از این فولادها استفاده میشود.
7- مارتنزیت
با سرد كردن سریع آستنیت حاوی كربن، فرصت تشكیل چدن سفید وجود ندارد و نوعی ساختار مركزپر تغییر یافته ایجاد میشود كه در آن اتم كربن بصورت محلول باقی میماند. این حالت همان مارتنزیت است.
مارتنزیت بسیار سخت و ترد است و مقاومت به ضربه بسیار پایینی دارد.
سخت كردن قطعات یا همان سرد كردن سریع را میتوان بصورت موضعی انجام داد. مثلا برای سخت كردن ابزارهایی مانند قلم و گوه كه لبه كار باید بسیار سخت باشد ولی مقاومت ابزار در برابر ضربه حفظ شود، میتوان از سخت كردن موضعی نوك ابزار استفاده كرد.
8- فولادهای آلیاژی
برای تولید فولادهای زنگ نزن كه به سبب مقاومت زیاد در مقابل خوردگی شهرت دارند مقدار زیادی (10 تا 20 درصد وزنی) كرم و نیكل بكار میرود.
مقادیر زیاد عناصر آلیاژی میتوانند فاز آستنیت را پایدار كنند، بطوری كه حتی در حرارت اتاق نیز پایدارباشد.
9- آلومینیوم
انرژی مورد نیاز برای تبدیل اكسید آلومینیوم به آلومینیوم فلزی (احیاء كردن) آنقدر بالاست كه از اكسایش ایجاد نمیشود. بنابراین باید از روشهای الكتروشیمیایی استفاده كرد.
در این فرآیند، جریان برق را از نمكهای مذاب آلومینیوم با دمای حدود 1000 درجه سانتیگراد عبور میدهند و آلومینیوم خالص روی یكی از الكترودها مینشیند.
آلومینیوم مقاومت بالایی در مقابل خوردگی دارد.
آلومینیوم نسبت به فلزات دیگر سبك تر است.
از نظر شیمیایی بسیار فعال است.
اكسید آن كه به سرعت در هوا تشكیل میشود ئ باعث محافظت از خوردگی بقیه زیر لایهها میگردد. این رفتار نقطه مقابل رفتار آهن است كه اكسید آن بصورت لایهای یا ورقهای از روی آن جدا شده و زیر لایهها همواره در معرض خوردگی هستند.
آلیاژهای آلومینیوم به دلیل سبكی در صنایع هواپیمایی كاربرد فراوانی دارد. این آلیاژها مقادیری سیلسیم، منیزیم و مس دارند.
10- مس
یك فلز غیر آهنی كه بسادگی پالایش میشود.
این فلز در طی یك فرآیند گرماشیمیایی پالایش میشود.
گرم كردن (كانه) اكسیژن و مقداری از اكسیدهای گوگرد را دفع كرده كه برای جلوگیری از آلودگی هوا باید آنرا توسط دستگاه تصفیه جذب كرد.
با ادامه گرم كردن توسط حضور اكسیژن بقیه گوگرد موجود در كانه دفع می شود و مس حبابدار با خلوص 98% بدست می آید.
مس بدلیل نرم بودن و رسانایی بالای الكتریكی وگرمایی و مقاومت بسیار بالا در مقابل خوردگی در صنایع سیمكشی برق و دستگاههای انتقال حرارت و ساخت لوله های انعطاف پذیر بكار می رود.
مس جزء اصلی آلیاژهای برنج و برنز است.
هر دو آلیاژ كاملا سخت و در مقابل خوردگی مقاوم هستند و بنابراین برای ساخت قطعاتی از قبیل یاتاقان یا قطعات در معرض سایش زیاد و محیط های خرنده بسیار مفیداند. (مثل پوستهی بلبرینگ)
کربوره کردن (کربن دهی) carburizing
دراین روش فولادکم کربن را به منطقه دمایی آستنیت برده و با افزایش پتانسیل کربن کوره یک شیب غلظتی بین محیط و سطح قطعه ایجاد می کنیم در این حالت کربن طی دو مرحله
الف- جذب سطحی
ب- نفوذ کربن به داخل سطح
به داخل سطح نفوذ کرده و پس از آن با سریع سرد کردن ساختار مارتنزیتی در سطح بوجود می آوریم با توجه به اینکه جهت کربوره کردن ازفولادهای کم کربن استفاده می کنیم پس از سریع سرد کردن مغز یا عمق قطعه سخت نمی شود
به طورکلی سه روش کربوره کردن داریم
1-جامد
2-مایع
3-گازی
که می توان گفت در هر سه روش واکنش زیر حتما وجود دارد
2Co→Co2+c
در اثر جذب سطحی یک شیب غلظتی بین سطح وزیرسطح اتفاق می افتد ، میزان جذب کربن در یک سطح عمدتا توسط دو پارامتر کنترل می شود
1-واکنشی که بین اجزا تشکیل دهنده محیط ((Co,Co2 و محلول جامد آستنیت انجام می گیرد
2- سرعت نفوذ کربن از سطح به داخل آستنیت
روش های کربوره کردن
1-کربوره جامد (کربن دهی مایع)
در این روش قطات در داخل بک جعبه فولادی قرار داده شده و هوا وکربن به علاوه عامل انرژی زا در کنار قطعات قرار می گیر و سپس جعبه توسط آزبست از بیرون ایزوله می شود سپس جعبه را در کوره قرار داده و به منطقه آستنیت برده تا عملیات کربوره اتفاق بافتد ،عامل کربن ده شامل کک و عامل کربن زا نظیر ذغال و حدود 6 تا 20 درصد مواد انرژی زا و یکی از نمک های کربنات مانند کربنات سدیم ،کربنات باریم یا کربنات پتاسیم در این فرآیند استفاده می شود در ابتدای کار اکسیژن حبس شده در جهبه با زغال ترکیب شده و co2 تولید می کند سپس co2 در دمای بالاتر با ذغال ترکیب شده و گاز co تولید می کند به طور کلی این روش از لحاظ ظرف-آزبست . کار گرم مقرون به صرفه نیست
2-کربوره مایع (کربن دهی مایع)
در این روش از حمامهای سیانوری که مخلوطی از مذاب نمک ها شامل 10 تا 50 درصد سیانور فلزات قلیایی نظیر سیانور سدیم یا سیانور پتاسیم و حداکثر 40 درصد کربنات سدیم و مقادیر متفاوتی از کلرید سدیم،کلرید پتاسیم ویا کلرید باریم در محدوده دمایی 850 تا 950 انجام می گیرد در این حمامها عامل کربن زا نمک های سیانور می باشد قابل ذکر است این روش بسیار سمی می باشد
3- کربوره گازی (کربن دهی گازی)
در تولید انبوه قطعات این روش اقتصادی ترین روش می باشد از طرفی مکانیزه کردن این روش نسبت به دو روش قبل امکان پذیرتر می باشد .این روش ار نظر اقتصادی مقرون به صرفه و سرعت بالایی دارد و نیاز به نیروی انسانی کمتری نیز دارد
معمول ترین منبع تولید کربن در اینروش گاز طبیعی (CH4)می باشد ولی به این دلیل که این گاز غنی از هیدرو کربن می باشد در صورتی که به تنهایی استفاده شود بر روی قطعه دوده ایجاد می شود که مانع جذب کربن می شود بنابراین یک گاز حامل بنام گاز اندوترمیک (مخلوط هوای فشرده و گاز طبیعی را به نسبت 2 به 1 و در دامنه حرارتی 1040 تا 1200د درجه از یک بستر نیکل عبور می دهند که نیکل به عنوان کاتالیزور واکنش می باشد و در نتیجه واکنش زیر اتفاق می افتد
2CH4+O2+3/8N2→2C0+4H2+3/8N2
برای جلوگیری از تشکیل دوده این گاز را سریعا تا دمای 315 درجه سانتیگراد سرد می کنند بنابراین اتمسفر کوره ای که برای کربن دهی به روش گازی استفاده می شود شامل یک گاز اندوترمیک به عنوان حامل و یک هیدرو کربن نظیر متان یا پروپان به عنوان یک عامل کربن زا می باشد برای جلوگیری از نفوذ هوا به داخل کوره باید فشار گاز داخل کوره باید فشار گاز داخل کوره در حین کربن دهی بیشتر از فشار اتمسفر باشد
کربن دهی موضعی یا انتخابی
الف-استفاده از پوشش مسی به ضخامت 30 الی 40 میکرون
ب-استفاده از خمیر های محافظ
ج-استفاده از ضخامت اضافه در قسمت هایی که نباید کربوره شوند
عملیات حرارتی قطعات کربن دهی شده
الف-سخت کردن مستقیم : در این رو قطعه پس از کربن دهی و از همان دما مستقیم و بلافاصله به محیط سرد کننده که معمولا روغن می باشد انتقال داده می شود این روش برای شکل های ساده استفاده می شود به علاوه در جاهایی که درصد کربن وضخامت لایه کربوره زیاد نباشد می توان از این روش استفاده کرد بایستی دقت شود که دما وزمان کربن دهی باید در حدی باشد که از درشت شدن دانه ها جلوگیری شود
ب- سخت کردن یک مرحله ای : در این روش بعد از کربن دهی قطعه به آرامی تا دمای اتاق سرد می شود پس با توجه به درصد کربن سطح آن را در دمای ماسب آستنیته کرده و در محیط مناسب سرد می کنیم (روغن به علت شوک حرارتیی پایین)
ج-سخت کردن دومرحله ایی : قطعه را پس از کربن دهی به آهستگی تا دمای اتاق سرد می کنیم سپس آن را در درجه حرارتی در حدود 850 تا 900 درجه سانتیگراد آستنیته کرده و سریعا سرد می کنیم پس از آن قطعه را در دمای پایین تر حدود 780 تا 820 مجدد آستنیته کرده و سریع سرد می کنیم
پس از عملیات کربن دهی قطعه حتما باید تمپر شود که معمولا در دمای زیر 200 درجه انجام می شود
باتوجه به اینکه فرآیند کربوره یک عملیات سطحی می باشد و کربن به داخل شبکه نفوذ کرده و شبکه دچار انبساط می شود و سطح قطعه دچار تنش های فشاری می شود بنابر این مقاومت خستگی بالا می رود
تعریف پتانسیل کربن
درصد کربن یک صفحه بیار نازک از فولاد کم کربن وقتی که بین کربن محیط و کربن نمونه تعادل برقرار باشد
2CO→CO2+C
در صورتی که این واکن به سمت راست حرکت کند عمل کربوره شدن اتفاق می افتد و کربوره شدن تا زمانی که واکنش به تعادل برسد ادامه می یابد که این واکنش پایه واساس فرآیندهای کربن دهی می باشد پس از رسیدن به پتانسیل مشخص کربن درصد مشخصی از کربن توسط فولاد جذب سطحی می شود و در ادامه عمق نفوذ آن توسط سرعت نفوذ آن به داخل آستنیت که خود تابع دما و زمان می باشد مشخص می شود
فولادهای مناسب برای کربن دهی
به طور کلی فولادهای کم کربن مناسبند که در این صورت استحکام به ضربه وانعطاف پذیری را نیز داریم ولی در صورتی که نیاز به استحکام بالاتر باشد از عناصر آلیاژی نظیر کرم-مولیبدن-منگنز و نیکل نیز استفاده می شود
نحوه سنجش ضخات لایه کربن داده شده
دو روش داریم
1-روش متالوگرافی :قطعه کربن داده شده را مقطع زده و زیر میکروسکوپ نوری و یا توسط یک ذره بین لایه کربوره را اندازه می گیریم
2-روش سختی سنجی میکرو: قطعه را مقطع زده و مقطع نمونه را از سطح به مغز با نیروی بسیار کم 1Kpb=100 gr توسط روش ویکرز سختی سنجی می شود و نمودار پروفیل سختی را بر حسب فاصله از سطح قطعه رسم می کنیم تاجایی که سختی 550 ویکرز باشد را می توان ضخامت لایه کربوره در نظر گرفت
کربن دهی دو اشکال اساسی دارد
1- دمای بالا که باعث تغییرات ابعادی قطعات می شود
2- شوک حرارتی
که به طور کلی هر دو باعث تاب بر داشتن قطعه می شود
خوردگی سایشی : Erosion corrosion
در بررسی های قبلی انواع خوردگی اثرات عوامل مکانیکی را نادید گرفتيم ، در این نوع خوردگی علاوه بر عوامل خورنده ، عوامل مکانیکی هم تأثیر دارند .
خوردگی سایشی اثر همزمان خوردگی ( شیمیایی ) و سایش ( مکانیکی ) است نقش هر یک از آنها به این صورت است که خوردگی باعث انحلال آندی فلز و ایجاد لایه های محافظ بر روی سطح فلز می شود و سایش موجب از بین رفتن مکانیکی سطح با ایجاد خسارت روی لایه های سطحی و همچنین بردن لایه های سطحی ایجاد شده به محل های دیگر می باشد .
تأثیر عوامل مختلف بر خوردگی سایشی :
1- دو نوع لایه محافظ سطحی داریم :
الف) لایه سطحی چسبنده که مقاومت به خوردگی را افزایش می دهد .
ب) لایه سطحی سست که به سطوح نمی چسبد ولی حضور آن موجب می شود تا محیط از سطح جدا شود مثل سولفات سرب .
سایش موجب می شود که لایه های چسبنده ترک خورده یا بشکند و موجب تأثیر بیشتر خوردگی شود و در لایه های سطحی سست موجب می شود که محصولات خوردگی از محل دور شده و به خوردگی سرعت بخشد .
2- دما : در حالت کلی افزایش درجه حرارت باعث می شود سرعت واکنش های خوردگی افزایش یابد .
3-طراحی : طراحی صحیح نقش مهمی در کاهش یا افزایش خوردگی سایشی دارد به عنوان مثال طراحی به گونه ای که موجب تغییر جهت ناگهانی مسیر شود موجب ایجاد خوردگی سایشی می شود .
4- وجود ذرات معلق و یا ناخالصی در محیط :
5- اتصالات گالوانیکی که موجب تشدید خوردگی در الکتروشیمیایی می شود .
6- ماهیت فلز یا آلیاژ : هرچه فلز یا آلیاژ نرم تر باشد در اثر خوردگی سایشی سریعتر از بین می رود .
راه های جلوگیری :
انتخاب مواد سخت
انتخاب مواد مقاوم در برابر خوردگی
طراحی صحیح
حذف مواد ناخالص و ذرات معلق به وسیله فیلتر و ...
پوشش دادن سطوح
خوردگی فرسایشی :
یکی از انواع خوردگی سایشی خوردگی فرساشی است .
در این نوع خوردگی دو فلز که بر روی یکدیگر حرکت می کنند موجب فرسایش می شود همانند بولبرینگ ها . این نوع خوردگی در اجزاء اتومبیل ها و ماشین آلات دیگر قابل مشاهده است و موجب از بین رفتن سریع قطعات و تولید ذرات می شود .
برای جلوگیری از این نوع خوردگی استفاده از روغن در بین سطوح در حال تماس و استفاده از آلیاژهای سقف همچنین جلوگیری از لغزش سطوح بر روی یکدیگر در جهت کاهش خوردگی موثر است .
خسارات حبابی یا هیدروژنی : Cavitations Damage
یکی دیگر از نمونه های خوردگی سایشی خسارات حبابی یا هیدروژنی است . در بعضی از سیستم ها حرکت سیال بگونه ای است که به صورت لحظه ای افت ناگهانی فشار در سیال بوجود می آید که است اتفاق موجب می شود جباب هایی درون سیال ایجاد شود . این حباب ها در جهت کاهش انرژی خود به هم متصل می شوند که نتیجه مبانی بزرگتر است تا حدیکه حبا به صورت ناگهانی منفجر می شود . چون نیروی حاصل شده در سطح مقطع کمی اثر می کند فشار زیادی تولید می کند ( معادل60000 PSI )كه موجب می شود لایه یا خود سطح ازبین برود . در سیستم هایی که جلوی افت فشار را نمی توان گرفت تنها یک راه برای جلوگیری از این نوع خوردگی وجود دارد به طوریکه توسط حفاظت کاتدی واکنش : 2H+ + 2e- = H2 .
حباب های ریزی که بر روی سطح ایجاد می کنند که اندازة آن به اختلاف پتانسیل اعمال بستگی دارد ، این حباب ها در زیر حباب های تولید شده توسط افت فشار قرا رمیگیرند و نيروی وارد شده هنگام ترکیدن آنها را تا حدامکان خنثی می کنند . اگر هیدروژن تولید شده از حد معمولی بالاتر باشد درون فلز نفوذ کرده و موجب ازبین رفتن قطعه می شود . این روش در پرة کشتی ها کاربرد دارد .
تکنیکهای رشد اپی تاکسیال
اپی تاکسی باریکه مولکولی
دیاگرام شماتیک دستگاه AB/E در شکل 3 نشان داده شده است در کل این دستگاهها از سه بخش خلاء تشکیل میشود محفظه رشد مهمترین بخش میباشد و بخش بافر در تهیه و ذخیره قرصها یا مواد قبل از ورود به محفظه رشد دخالت دارد در حالیکه قفل باز برای وارد کردن و جدا کردن نمونه با حفظ انسجام خلاء استفاده میشود نمونهها روی پایه مغناطیسی چرخش با علامت CAR چرخش آزیموث پیوسته باردار میشوند کریوپانلها در کنار سیستم خلاء برای حفظ فشار نسبی گازهای ناخواسته چون Co2 و H2O در حدود Torr 11-10 استفاده میشوند اصل عمل بر این اساس استوار میباشد که مواد گازی به سطوح سرد داخل پمپ بوسیله تراکم، جذب یا به دام انداختن مواد میچسبند رشد اپی تاکسیال با بسیاری از سلولهای گرم شده بنام سلولهای تراوشی یا Knudsen شروع میشود که حاوی مخلوط لازم برای اضافه کردن نمونههای خاص اتم محفظه خلاء میباشد هر منبع بطور مستقل گرم میشود تا اینکه اتمهای مواد منبع با گسیل ترمویونیک آزاد میشوند با افزایش MBE، MBE منبع گازی (GSMBE) از گازهای با درجه حرارت اتاق برای مواد منبع استفاده میشود که از مسایل آلودگی قابل توجه و درجه حرارت لایههای بالایی لازم جلوگیری میکند که باعث جداسازی اتمهای ناخالص سازی شود.
در خلاء اتمهای آزاد دارای مسیر آزاد کلولان بوده و اتمها چندان با یکدیگر تصادم نمیکنند.
اتمهای سایر منابع میتوانند تا برخورد با مواد لایه بنیادی در خط مستقیم حرکت کنند کامپیوتر کنترل دیافراگم را در اختیار داشته و اجازه گسیل نمونههای مختلف اتم را در لایه میدهد. اندازه معمول رشد با MBE حدود یک لایه در ثانیه میباشد که باعث تغییرات ناگهانی ترکیب مواد میشود تحت شرایط مطلوب باریکه اتم به مواد لایه بنیادی پیوسته و لایه اپی تاکسیال تشکیل میگردد.
شکل 2- دیاگرام شماتیک دستگاه MBE
کنترل ضخامت با استفاده از وسیله مدرج نصب شده در مقابل منابع پرتو یا باریکه تعیین میشود فشار معادل باریکه پا پرتو (BEP) منابع مواد را میتوان برای اندازهگیری اندازه رشد لایه استفاده کرد تجزیه الکترون با انرژی بالای انعکاسی (RHEED) دیگر تکنیک اندازهگیری میباشد که الکترونها از فلز پالش الکترونی به CAR گسیل میشوند الکترونهای پراکنده شده و انعکاس یافته نور را با الگوی متفاوتی روی لا یه ای ازصفحه فسفری را ساطع میکنند شکل 3 فرایند ساده شده را نشان میدهد با شروع از سطح مسطح الکترونها چندان ساطع نشده و بصورت پرتو گسترده ثبت میشود با رسوب مواد روی سطح اتمها جزیرهای را با رشد اپیتاکسیال تشکیل میدهند که با آلوده شدن انعکاس سطح مواد با پراکنده شدن الکترون کاهش مییابد در ادامه فرایند مواد روی سطح جزیرهای را ایجاد کرده و سطح جدید و مسطحی را با خالی شدن لایه اصلی در مواد و جدید فراهم میآورند با تشکیل مواد بیشتر این خلاءها تا شده و انعکاس پذیری یکبار دیگر افزایش مییابد اگر در واقع انعکاس به میزان بالا نمیرسد زیرا فرایند رسوب گیری تصادفی بوده و سطح مرکز پروفایل مسطح را بطور کامل مثل لایه جلادار اولیه بدست میآورد با مونتیورینگ نوسانات در انعکاس میتوان ضخامت و میزان رشد مواد اپی تاکسیال را تخمین زد.
شکل 3- سیستم اندازه گیری انحراف الکترون با انرژی بالای انعکاس الکترونها زمانی که یک لایه از اتم تشکیل میشود بیشتر پراکنده شده و شدت نوسان سیال RHEED بعنوان لایه جدید ادامه مییابد.
این وبلاگ شامل مطالب پراکنده علمی و دل نوشته هایه ادبی، اجتماعی است.