الیاف فلزی

[spow 44,195]

فلز در حالت بالک (توده اي) يک ماده ي کاملاً معمولي است و به طور گسترده در مهندسي و ساير کاربردها مصرف مي شود. فلزات مي توانند آميزه اي از ويژگي هاي فيزيکي و مکانيکي را با قيمتي بسيار پايين فراهم آورند.

يکي از صفات مهم فلزات قابليت تغيير فرم پلاستيک آنهاست. اين قابليت اجازه مي دهد تا با استفاده از تغيير فرم پلاستيک آنها را ماشين کاري کرده و بتوان از آنها اشکال و فرم هاي ساده و پيچيده توليد نمود. از بدنه ي هواپيما گرفته تا لوله هاي بزرگ گاز و نفت و قوطي هاي نوشيدني و فويل هاي مورد استفاده در وسايل منزل از جنس فلز ساخته مي شوند. به هرحال مسئله اي که از اهميت الياف فلزي مي کاهد اين حقيقت است که فلزات در حالت الياف يا سيم از زمان هاي طولاني مورد استفاده قرار مي گرفته اند. مثال هايي از استفاده از فيلامنت هاي فلزي عبارتند از: فيلامنت هاي تنگستن مورد استفاده براي لامپ هاي رشته اي، سيم هاي آلومينيومي و مسي مورد استفاده در کاربردهاي الکتريکي، سيم هاي فولادي مورد استفاده جهت تقويت لاستيک اتومبيل، کابل، پل هاي معلق، ابررساناهاي رشته اي بر پايه ي نيوبيوم و رشته اي مختلف که براي ساخت ادوات موسيقي مانند ويالون، پيانو و... از آنها استفاده مي شود.

فلزات بسيار نرم مانند طلا و نقره را مي توان به رشته هاي بسيار نازک تبديل کرد. رشته هاي چنين فلزات گران بهايي از زمان هاي دور براي توليد لباس هاي سنتي مانند لباس زنان هندي ( ساري : saree ) و لباس زرباف ايراني مصرف و استفاده مي شده است.

بگذاريد ابتدا برخي ازخواص مهم فلزات مخصوصاً آن خواصي که مربوط به ريسندگي آنهاست را بيان کنيم. سپس فرآيند توليد، ساختار و خواص برخي از فيلامنت هاي فلزي مهم را توضيح مي دهيم:

ويژگي هاي عمومي فلزات

 

فلزات عموماً موارد کريستالي هستند. در سرعت هاي سردکردن بالا (بزرگتر از 10 به توان 6 کلوين بر ثانيه) مي توان فلزات آمورف توليد کرد. فلزات کريستالي معمولاً داراي سه ساختار کريستالي زير هستند:

1) مکعب مرکز وجوه پر (fcc)

2) مکعب مرکز پر (bcc)

3) هگزاگونال متراکم (hcp)

در شکل 1 اين سه ساختار را نشان داده شده است.

[spow 44,195]

مثال هايي از فلزاتي که داراي ساختار fcc هستند عبارتند از آلومينيوم ، مس ، طلا ، نقره . همه ي اين فلزات ، فلزات بسيار نرمي هستند و مي توان آنها را در ضخامت کمتر از 100 ميکرون ريسندگي کرد. قابليت فلزات داراي ساختار fcc و bcc به تغيير فرم پلاستيک زياد به علت وجود تعداد زياد سيستم هاي لغزش در اين ساختارهاست. فلزاتي همچون تنگستن موليبدن و نيوبيوم داراي ساختار bcc هستند. فلزاتي مانند برليوم، منيزيم، روي و کادميم داراي ساختار hcp هستند. اين فلزات زياد نرم نيستند و به آساني نمي توان آنها را به صورت فيلامنت درآورد.

فلزات داراي پيوند فلزي هستند. در فلزات درياي الکترون وجود دارد. در واقع در فلزات دريايي از الکترون هاي آزاد به همراه هسته هاي مثبت وجود دارند که به خاطر همين پيوند غيرمتمرکز،خواص مغناطيسي، الکتريکي، مکانيکي و گرمايي استثنايي در فلزات پديد آمده است. فلزات مي توانند داراي گستره اي از مدول الاستيک و استحکام متفاوتند. مثلاً مدول يانگ مي تواند از 5,17 گيگاپاسکال براي قلع تا 420 گيگاپاسکال براي تنگستن تغيير کند. ارقام گزارش شده براي استحکام تسليم (yield stnength) و استحکام کششي نهايي (V.T.S) حتي براي يک فلز نيز متفاوت است. اين تفاوت در اعداد استحکام تسليم و استحکام کششي نهايي به علت انجام کار مکانيکي، افزودني هاي آلياژي و عمليات حرارتي انجام شده بر روي فلز پديد مي آيد. ارقام استحکام بالا در فيلامنت هاي تنگستن،فولاد کم کربن عمليات حرارتي شده و فولادهاي وستنيتي تحت تغيير فرم پلاستيکي قرار گرفته، ايجاد مي گردد.

عموماً، فلزات را مي توان در بسياري از جاها استفاده کرد. (هم در دماهاي بالا و هم دماي اتاق). اين مسئله به خاطر آن است که تعداد زيادي سيستم لغزش براي تغيير فرم پلاستيک در فلزات وجود دارد. اين مسئله منجر مي شود تا بتوان فلزات را با تکنيک هاي کشش به فيلامنت تبديل نمود. الياف فلزي عموماً از حالت مذابشان ريسندگي نمي شوند (اگر چه اين کار در برخي موارد قابل انجام است). هنگامي که فلزات تحت کار سرد قرار گيرند (زير دماي تبلور مجدد)، آنها دچار کار سختي مي شوند. پديده ي کار سختي (workhardening) همچنين کرنش سختي (strain hardening) ناميده مي شود. اين پديده باعث افزايش استحکام فلز و کاهش نرمي آن مي گردد. رشد استحکام به علت افزايش دانسيته ي نابجايي در فلز اتفاق مي افتد. (افزايش استحکام با ريشه ي دوم دانسيته ي نابجايي رابطه دارد) فرآيندهاي کار سرد که براي توليد سيم هاي و فيلامنت هاي استفاده مي شوند همواره موجب افزايش دانسيته ي نابجايي و در نتيجه افزايش استحکام مي گردند. اين مسئله بايد يادآوري گردد که اگر الياف فلزي تحت کار سختي قرار گرفته، در معرض دماهاي بالا قرار گيرند (مخصوصاً دماهاي بالاتر از دماي تبلور مجدد)، دانسيته ي نابجايي کاهش مي يابد و استحکام کاهش مي يابد.

[spow 44,195]

توليد فيلامنت هاي فلزي

 

فلزات را مي توان بوسيله ي تکنيک هاي متنوعي به فرم آلياف درآورد. معمولي ترين اين روش ها روش کشش سيم (wire drawing) است. روش کشش سيم براي به دست آوردن فيلامنت هاي تا 100 ميکرون کاربرد دارد. براي به دست آوردن و توليد فيلامنت هاي فلزي کوچک تر از اين اندازه بايد از روش هاي خاص استفاده نمود. در زير برخي از اين روشها را توضيح مي دهيم.

روش کشش سيم

 

اکثر فلزات با ساختار fcc و bcc را مي توان به آساني تحت کشش قرار داد و به حالت سيم يا فيلامنت درآورد. اين فرآيند به کمک قابليت فلزات به تغيير فرم پلاستيک در مقياس بزرگ قابل انجام است.

در شکل 2 شماتيک فرآيند کشش سيم نشان داده شده است. مواد از داخل يک قالب مخروطي کشيده مي شوند تا قطرشان کاهش يابد. در هنگام اين فرآيند عمل روانسازي بايد پيوسته و براي کاهش نيروهاي اصطکاکي انجام مي شود. ورودي قالب به نحوه اي طراحي شده است که سيم وارد شده به قالب راحت تر خارج مي گردد. در اين فرآيند سطح مقطع هايي با اشکال مدور، شش گوشه، مکعبي و... قابل کشش مي باشند. بخش داخلي قالب که در تماس با فلز در حال کشيده شدن است از جنس مواد سختي مانند کاربيد تنگستن يا الماس است. تقريباً براي تمام فلزات ديرگداز از فرآيند کشش گرم استفاده مي شود. (در اين فرآيند دما تا بالاي دماي تبلور مجدد آنها بالا برده مي شود). اين مسأله باعث مي شود ميزان نرمي فلز نسبت به فرآيند کشش سرد بيشتر گردد. فلزات معمولي (غير ديرگداز) عموماً بوسيله ي کشش سرد به فيبر تبديل مي شوند. (در زير دماي تبلور مجدد شان) اين مسئله واضح است که عمل روانسازي در کليه ي فرآيندهاي کشش مهم مي باشد. گرافيت و موليبدن دي سولفيد هر دو موادي با ساختار ورقه اي هستند که براي روانسازي فرآيند کشش فلزات ديرگداز مانند تنگستن و موليبدن استفاده مي شوند. تنگستن و موليبدن در دماي بين 500-700 درجه ي سانتيگراد مورد کشش قرار مي گيرند. در اين فرآيند گرافيت خشک به عنوان روانساز استفاده مي شود. استفاده از گرافيت در دماي محيط به خاطر مشکلات جدايش عموميت ندارد. موليدن دي سولفيد به عنوان روانساز در دماهاي زير 400 درجه سانتيگراد کاربرد دارد. زيرا در دماي 400 درجه سانتيگراد است که اين ماده شروع به اکسيد شدن مي کند.

[spow 44,195]

فرآيند تيلور

 

روش هاي کشش مرسوم براي توليد سيم هايي از جنس mo, ta,w,ti,cu,al فولاد و... کاملاً مناسبند. (البته تا قطر 100 ميکرون). قيمت هاي توليد براي توليد سيم ها يا فيلامنت هايي با اندازه ي زير 100 ميکرون به طور وحشتناکي بالا مي رود. دونالد (Donald) سيم هاي فلزي با قطر زير 100 ميکرون را به عنوان ميکرو سيم ها (microwire) توصيف کرد. سيم هاي فلزي با قطر 10 ميکرون و يا کمتر از آن را مي توان با فرآيند تيلور توليد کرد. اين فرآيند به نام کسي که اولين بار از آن براي توليد سيم هاي فلزي ريز استفاده کرده است، نامگذاري شده است. (taylor-1924). روش توليد سيم بوسيله ي اين فرآيند رد شکل 3 به طور شماتيک نشان داده شده است.

[spow 44,195]

در اين روش يک سيم فلزي ضخيم به وسيله ي يک ماده ي خلا شونده پوشش داده مي شود. (مانند شيشه) سپس حرارت داده مي شود تا جايي که کاملاً نرم شود و هسته ي فلزي آن ذوب يا کاملاً نرم گردد. در اين حالت فرآيند کشش اعمال مي گردد تا سيم با ضخامت مورد نظر پديد آيد، سپس ماده ي پوشش داده شده بر روي سيم بوسيله ي فرآيند اچينگ (eteching) از بين مي رود. توليد سيم هاي فلزي نازک به خاطر گران بودن قيمت فرآيند کشش سيم تيلور، بسيار گران است. براي مثال در توليد سيم هاي فولادي با قطر زير 25 ميکرون قيمت توليد سيم براساس واحد طول سيم محاسبه مي شود. نه براساس واحد وزن آن. به عبارت ديگر قيمت ماده ي مورد مصرف در اين حالت بالا نيست بلکه مسأله اي که قيمت توليد را بالا مي برد، هزينه ي فرآيند است.

شرايط زير براي توليد سيم هاي فلزي نازک بوسيله ي روش تيلور بايد برآورده شود:

1) شيشه ي پوشش داده شده بر روي فلز نبايد در دماي کشش با فلز واکنش دهد.

2) دماي کارکرد، شيشه بايد بزرگتر از نقطه ذوب فلز و زيردمايي باشد که در آن فشار بخار فلز بسيار بالاست.

3) ويسکوزيته ي شيشه در گستره ي دماي کاربرد به گونه اي باشد که فلز به آساني کشيده شود.

4) ضريب انبساط حرارتي شيشه بايد برابر يا کمي کوچکتر از ضريب انبساط حرارتي فلز باشد. اگر چنين شرايطي برقرار نباشد، تنش هاي حرارتي به وجود آمده مي توانند در شيشه پديد آيند و شيشه بشکند. که اين امر موجب مي شود فيبر يکنواخت به دست نيايد.

5) شيشه بايد پيش از آنکه فلز جامد شود، بسيار ويسکوز گشته. اگر اين پديده رخ ندهد، هسته ي فلزي جامد مي گردد در حالي که پوشش شيشه اي به کشيده شدن ادامه مي دهد و در نتيجه، فلز مي شکند.

در عمل، محدوديت هاي اشاره شده در بالا باعث مي گردد که ما مجبور شويم از شيشه هاي با ضريب انبساط پايين مانند شيشه هاي بروسيليکاتي (پيرکس) يا فيوزد سيليکا استفاده کنيم.

[spow 44,195]

توليد الياف فلزي به روش ريسندگي

 

روش ريسندگي الياف ازحالت مذاب شايد معمولي ترين تکنيک جهت توليد الياف از مواد پليمري و شيشه هاي بر پايه ي سيليس باشد.به هر حال اين تکنيک را براي توليد الياف فلزي مناسب نيست زيرا فلز مذاب داراي ويسکوزيته ي پاييني است. (مانند آب عمل مي کند) همچنين، داراي انرژي سطحي بالايي است. اين ويژگي هاي فلزات عموماً مانعي در برابر استفاده از روش قالب گيري و يا اکسترود آنها از حالت مذاب جهت توليد الياف فلزي مي باشد. اگر کسي بخواهد از روش ريسندگي مذاب فلزي را به فيبر تبديل کند، با اين مشکل روبرو مي شود که هنگامي که فيلامنت ها از درون روزن ران خارج مي گردند به حالت قطره در مي آيند. شرط لازم جهت ريسندگي يک فيبر از مايع اين است که مايع خارج شده از روزن ران بايد پيش از تبديل شدن به قطره، سرد گردد وبه حالت فيبر درآيد. بنابراين اين گونه به نظر مي رسد که براي توليد الياف فلزي بوسيله ي ريسندگي مذاب بايد از روشي استفاده شود که در آن الياف فلزي سريعاً پس ازخروج از روزنه ها سرد شوند. يک چنين روشي معمولاً در نوشته ها به نام روش ريسندگي مذاب فري فليت ( Free- Flight melt-spinning ) معروف است.

پوند (1961) فلز مذاب را از ميان يک نازل به داخل اتمسفر خنثي فرستاد. او اين کار را با سرعت بالا و کافي براي جلوگيري از تشکيل قطرات انجام داد و پيش از آنکه فلز مذاب وارد شده به محيط خنثي به قطره تبديل گردد، فرآيند انجماد در آن رخ مي دهد. استفاده از هليوم يک انتقال دهنده ي گرمايي با قدرت بالا توانست يک انجماد سريع را در فيبر فلزي ايجاد کرده و باعث گردد جريان پايداري تشکيل گردد. انجلکي ( 1967 engelki ) فلز مذاب را از ميان روزنه اي به داخل يک مايع مناسب فرستاد که بوسيله ي يک جريان مذاب احاطه گشته بود.همچنين مي توان از روش ارائه شده بوسيله ي آلبرو اسميت (1965alber and smith-) استفاد کرد در اين روش از يک آلياژکه تشکيل اکسيد پايدار و نامحلول در فلز مذاب مي دهد، استفاده مي شود. آلياژ مذاب به داخل يک محيط اکسايش دهنده فرستاده در حالي که يک لايه ي اکسيدي بر روي باريکه ي خارج شده تشکيل مي شود. قلع را به وسيله ي اين روش به فيلامنت تبديل مي کنند. مزيت قلع دراين است که قلع دماي ذوب پاييني دارد.در واقع اين مسأله اجازه مي دهد که بتوان از رشته سازهاي متنوعي (از لحاظ ماده ي تشکيل دهنده) استفاده کرد و بتوان عمل اکسيداسيون را به سرعت در هوا انجام داد. تشکيل سريع لايه ي اکسيد قلع بر روي سطح رشته باعث مي شود تا جريان مذاب پايدار گردد و از تبديل شدن رشته به قطره جلوگيري مي شود. مهمترين نياز در تمام فرآيندهاي ريسندگي فيبر تشکيل جريان پايدار (آرام ياتور بولانت) از مايع است.

[spow 44,195]

ريزساختار و خواص الياف فلزي

 

فلزات هنگامي که به شکل سيم درآيند، استحکام بالايي پيدا مي کنند. اين استحکام بالا از پديده ي کار سختي فلز در طي کار مکانيکي نشأت گرفته است. کار سختي يا کرنش سختي يعني اينکه فلز هنگامي که تحت کار سرد قرار گيرد، محکم مي شود. در واقع استحکام يا جريان تنش آنها به عنوان تابعي از کرنش شان افزايش يافته و با توجه به آن نرمي و تافنس کاهش مي يابد. منشأ پديده ي کار سختي، افزايش دانسيته ي نابجايي در طي فرآيند کار سرد فلز است. به هر حال مدول به شکل قابل توجهي با تغيير شکل تغيير نمي کند. مزيت بزرگ ديگر براي فيلامنت هاي فلزي اين است که آنها ارقام استحکام يکنواخت تري نسبت به الياف سراميکي از خود نشان مي دهند. مدول ويبول (weibull modulus) براي الياف فلزي به ميزان قابل توجهي از الياف سراميکي بيشتر است.

برليوم، فولاد، تنگستن مي توانند ترکيبي از مدول، استحکام و ديرگدازي را از خود نشان دهند. مخصوصاً برليوم داراي مدول بالايي (حدود 300gpa) است و داراي دانسيته ي پاييني (108g/cm به توان 3) مي باشد. طبيعت سمي اين ماده ايجاب مي کند تا با احتياط با اين ماده کار کرد. همين امر موجب مي گردد تا اين ماده گران باشد. استحکام اين ماده نسبتاً پايين (1300mpa) باشد. در زيل فرآيند توليد، زيرساختار برخي از فيلامنت هاي فلزي را مورد بررسي قرار مي دهيم.

[spow 44,195]

تنگستن

 

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

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

[spow 44,195]

هنگامي که از يک فيلامنت تنگستني در دماي بالا استفاده مي شود، فيلامنت به خاطر وزنش خزش پيدا مي کند .در واقع بيشتر اين خزش اتفاق افتاده به خاطر لغزش مرز دانه ها اتفاق مي افتد. براي به حداقل رساندن مشکل خزش، ساختار مرز دانه هاي موجود در تنگستن به صورت خاصي در مي آيد. اين حالت خاص بواسطه ي فرآيند کشش بوجود مي آيد. در اين ريزساختار خاص، ما تعداد کمي مرز دانه داريم که در جهت عمود بر محور فيلامنت قرار گرفته اند. زماني توريا (2Tho) به عنوان افزودني به تنگستن اضافه شود، در واقع توريا رشد دانه هاي تنگستن در دماي بالا را کنترل کرده و همچنين باعث پديد آمدن استحکام رسوبي dispersion strengthing در تنگستن مي شود. توريا (2Tho) پيش از کاهش اکسيد تنگستن (بوسيله ي هيدروژن) به تنگستن و در حالت توريم نيترايد اضافه مي شود.

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

به دليل پيچيدگي تأثير اين لوله مانندها از بيان آن خودداري مي کنيم.

[spow 44,195]

فیلامنت های ابررسانای بر پایه ی نیوبیوم

 

فیلامنت های ابررسانای بر پایه ی نیوبیوم مانند Nb-Ti, S_n 〖Nb〗_(3 ) هستند هر دوی این ابررسانها دریک زمینه ی مسی قرار داده می شوند. وبرای تولید آهنرباهای ابر رسانا استفاده می شوند سیستم آلیاژی Nb-Ti ( 50% وزنی) یک آلیاژ فلزی نرم ویژه است که می تواند اکسترود وکشیده شوند این آلیاژها با ساختار bcc وقتی در یک زمینه ی مسی قرار گیرد می تواند برای تولید فیلامنت های بسیار نازک استفاده شود. یکی از استفاده های عمده ی این مواد در سیستم های تصویر برداری رزونانس مغناطیسی (MRI) است.

یک سوال مناسب دراین جا این است که : چرا نیاز داریم یک ابر رسانا را به شکل فیلامنت در آوریم؟ جواب این سوال در پدیده ای به نام فرار گرمایی (Thermal runaway) نهفته است . اتلاف انرژی به حرکت سیلانی مربوط می شود که این حرکت سیلانی درابر رسانا موجب فرار گرمایی می شود فرار گرمایی به هر گونه بالا رفتن سریع گرما در ابر رسانا نسبت داده می شود. این مسئله باعث تبدیل شدن انرژی ذخیره شده در سیم به گرما می شود .برای جلوگیری از چنین مصیبتی ، سیم بگونه ای ساخته می شود که جریان حرارت به اطراف همواره بزرگ تر از نرخ اتلاف گرمایی باشد .این نیاز بدین معناست که سیم باید قطر بسیار کوچکی داشته باشد وباید این جریان الکتریسته در ماده ای با رسانایی گرمایی بالا مانند مس با خلوص بالا برقرار گردد. این مسئله همچنین نیازمند یک ویژگی کلیدی دیگر برای این ابر رساناهاست. این نیازمندی پینیگ جریان مغناطیسی (magneticflux Pinning) نامیده می شود.

این ویژگی بوسیله ی عملیات های متالوژی مناسب بدست می آید. (این عملیات های متالوژی عبارت اند از : کارهای سردی همچون اکستروژن وکشش سیم) که پس از عملیات آنیلینگ انجام می شوند. این عملیات ها موجب پدید آمدن ساختار سلولی مناسب وته نشین شدن : ∝-Ti می شود . که هر دوی این موارد موجب بهبود خاصیت پنینگ جریان مغناطیسی می گردد .یک آلیاژ Nb-50%Ti دارای ریز ساختار β به همراه رسوب فاز ∝ است که این ساختار یک ابر رسانا نیست . انجام یک عملیات آنیلینگ به مدت 48 ساعت ودر دمای c°375 باعث بوجود آمدن ذرات ∝ (11%) می شود بوجود آمدن ذرات ∝ بیشتر ، انعطاف پذیری آلیاژ را کاهش می دهد. همچنین دمای آنیلینگ بیشتر از c°375 باعث نرم شدن آلیاژ به دلیل کم شدن نابجایی ها می شود. کار سرد بعد از فرایند آنیلینگ باعث ریز شدن ساختار می گردد. توجه مهمی که باید در طی فرآیند کشش بدان توجه کرد این است که باید از تشکیل خش بر روی آلیاژ جلوگیری گردد. هر خش بوجود آمده بر روی سطح سیم NbTi می تواند باعث پدید آمدن یک گلوله ی سخت اکسید Nb-Ti به قطر یک میکرون شود. در طی فرایند اکستروژن یک اثر شبیه به گلوله ی برفی باعث تشکیل مخلوطی از مس وTiNb می شود عملیات آنیلینگ می تواند باعث پدید آمدن ترکیبات اینتر متالیک مانند C_U (〖NbTi)〗_2 ، 〖CU〗_2 (〖NbTi)〗_ گردد.

یکی دیگر از ابر رسانه های بر پایه های نیوبیوم 〖 S〗_( 3) Nb_3 است این ماده یک ترکیب اینتر متالیک بسیار ترد است و دارای کرنش شکست 0.2% است .از این رو به آسانی نمی توان آن را شکل دهی کرد. این ماده تغییر فرمی درحد صفر دارد . راه کاری که برای حل این مشکل اتخاذ گشته است این است که ابتدا سیم نیوبیوم در داخل زمینه ای از برونز (آلیاژ مس و قلع) کشیده می شود. دراین روش، فیلامنت های نیوبیوم در داخل زمینه ای از برنز ( C_U-13%wtS_n قرار داده می شوند. سپس از میان یک سری قالب خاص کشیده می شوند هنگامی که ضخامت مطلوب از سیم بدست آمده یک عملیات حرارتی در دمایی بین 700 تا 650 درجه سانتیگراد انجام می شود تا قلع از زمینه نفوذ کرده وبا Nb واکنش دهد و Nb_(3 ) S_n پدید آید دراین مرحلهS_n Nb_3 در زمینه ی مسی بوجود آمده است.

[spow 44,195]

کاربردها

 

فیلامنت های فلزی داری گستره ی کار بردی زیادی در زندگی روزانه ی ما هستند اگر چه این مساله محسوس نمی باشد. در ادامه خلاصه ای از مهمترین استفاده ها از الیاف فلزی را بیان می کنیم.

مس

 

پس از طلا ونقره مس بهترین رسانهای الکتریسیته است. سیم های مسی معمولاً در رساناهای الکتریسته کاربرد دارند. این سیم ها دربخش مغناطیسی موتورهای الکتریکی ، ترانسفورماتورها ، ژنراتورها ، آهنرباهای الکتریکی و.... کار برد دارند.

مس وآلومینیوم عموماً به دلیل رسانایی الکتریکی خوبشان در سیم های آهنربا کاربرد دارند. سیم های آهنربا خیلی اوقات بوسیله ی انواع متنوعی از پلیمرها مانند نایلون ، آرامید ، پلی استر ، پلی تترافلئورو اتیلین و... پوشش داده می شوند.

آلومینیوم

 

سیم های آلومینیومی در رساناهای الکتریکی کار برد دارند. اگر چه رسانایی الکتریکی آلومینیوم به خوبی مس نیست ولی از مس سبک تر است. و بنابراین به عنوان رسانای الکتریکی مصرف می شود. این مسئله باید ذکر شود که رسانای الکتریکی آلومینیوم 60% مس است .واین بدان معناست که جایگزینی سیم های مسی با آلومینیومی نیازمند افزایش سطح مقطع سیم ودر نتیجه بزرگتر شدن وسیله ای ساخته شده می شود برخی اوقاف سیم های دو فلزی متشکل از آلومینیوم و مس هستند ، بوسیله ی فرآیند کواکستروژن (Coextrusion) ساخته می شوند و به عنوان رسانا مصرف می شوند.

فولاد

 

فولاد در حالت سیم وفیلامنت به عنوان تقویت کننده ی لاستیک اتومبیل وشلنگ های فشار استفاده می شوند. همچنین از سیم های فولادی جهت تقویت بتن نیز استفاده می شود. (البته معمولاً برای تقویت بتن از میله های فولادی با قطر بیش از یک سانتیمتر به جای سیم استفاده می شود) سیم فولادی با%o.9-o.8 وزنی کربن (فولاد یوتکتیک درساخت پیانو و طناب های فولادی به عنوان کابل در پل های معلق استفاده می شود. همچنین با تأکید کرد که از سیم های فولادی نازک برای ساخت سازه های مهندسی بزرگ مانند پل های معلق تک دهانه استفاده می شود. دراین کاربرد ها نیاز به کابل های فولادی است که استحکام نهایی آنها به استحکام تک تک فیلامنت های تشکیل دهنده ی کابل بستگی دارد. این چنین کابل هایی می توانند یک متر یا بیشتر قطر داشته وشامل 37000 تار باشند.

یک کاربرد جالب از فیلامنت های فولادی استفاده ی آنها در روکش های الکترومغناطیسی ( Shield electromagnetic) است. فیلامنت های فولادی مورد استفاده دراین وسایل دارای ضخامت بسیار نازک ( 15μm ) هستند. که آنها را دررزین ترموپلاست قرار می دهند. (فیلامنت های فولادی نقش پرکننده ی رسانا را بر عهده دارند)

[spow 44,195]

تنگستن

 

فیلامنت های تنگستن در لامپ های الکتریکی کار برد دارند. بیش از 90 درصد از تنگستن غیر شمش برای لامپ های روشنایی کاربرد دارند. درصد کمی از تنگستن تولیدی درگرم کن شیشه ی اتومبیل استفاده می شوند. کاربرد دیگر تنگستن ، استفاده از آن در المنت های گرمکننده ی بخار آلومینوم درکاربرد های پوششی است.الیاف تنگستن همچنین برای تقویت مس و برخی سوپر آلیاژهای پایه نیکل وکبالت کاربرد دارند.

سرب

 

فلزات سنگین اما نرم مانند سرب امواج صدا را به خوبی منعکس می کنند. به خاطر دانسیته ی بالا ومدول پایین، سرب یک عایق اکوستیک عالی است. صفحات سربی به طور فراوان برای این منظور کاربرد دارند. اما نه تنها. زیرا قلع به آسانی وتحت وزنش ، خزش پیدا می کند یک صفحه ی سربی معمولاً ما بین تخته ی سرلایی یا سایر مواد قرار می گیرد.

کمپانی توری ( Toray co) نوعی صفحه ی تولید شده از الیاف سرب را به بازار عرضه کرده است این الیاف سربی که در داخل زمینه ای پلی وینیل کلرایدی قرار می گیرد، خاصیت عایق صدای خوبی دارد. الیاف سربی یافته نشده را می توان به عنوان پوسته ی محافظ اشعه درعایق کاری هسته ای استفاده کرد. آمیزه ای که از الیاف کوتاه سرب به همراه زمینه ای رزینی ساخته شده است می تواند به عنوان عایقی خوب در برابر اشعه ی X استفاده شود.

فیلامنت های تولیدی از ابر رسانه های نیوبیومی

 

آهنررباهای ابر رسانا مهمترین وگران ترین بخش یک دستگاه عکس برداری MRI است پیچه ی یک MRI شامل الیاف NbT_i که در زمینه ای مسی قرار داده شده اند.

ابررسانه های فیبری دارای Nb_(3 ) S_n درکاربردهایی مانند شتاب دهنده ها (accelerators) کاربرد دارند. در واقع در شتابدهنده ها ما نیاز به یک میدان مغناطیسی بزرگ داریم که تنها با ابررسانها قابل دستیابی هستند.

[هما 66 11]

سلام اطلاعات بیشتری دارید که دراختیارم بگذارید یا منبع معرفی کنید.برا امروز واجبه .مرسی.