شیشه‌های سرامیکی با استحکام بالا برای خودروهای زره پوش

به گزارش پایگاه خبری سبقت آزاد، این اختراع ثابت می‌کند که استحکام مواد شفاف سرامیکی تا چه اندازه افزایش داشته است. شیشه سرامیکی نانوکریستالین 50% سخت‌تر از شیشه‌های به کار رفته در خودروهای نظامی ‌است که باعث حفاظت بیشتر پرسنل نظامی ‌می‌گردد. تحقیق در خصوص کاهش اندازه متوسط ذرات تشکیل دهنده یک ماده سرامیکی سال‌ها قبل نیز برای افزایش استحکام آن انجام گرفته بود که به عنوان رابطه تجربی Hall-Petch شناخته می‌شود؛ ولی انجام آزمایش‌های متعدد قبلی با ذراتی به اندازه متوسط 130 نانومتر این تئوری را با شکست مواجه نمود. مقاوم سازی مکانیکی توسط فشردن ذرات، روشی است که در آن استحکام و سختی ماده به وسیله کاهش اندازه متوسط ذرات تشکیل دهنده جسم افزایش می‌یابد. رابطه Hall-Petch از نظر ریاضی به معنای استحکام بخشیدن به مرز ذرات است که روشی مستقیم برای ساخت اجسام با مقاومت بالاتر است. هر چند که این پدیده به طور وسیعی در فرآیند ساخت فلزات نانوکریستالین به کار می‌رود، ولی مشکل بودن فرآیند ساخت سرامیک‌های نانوکریستالین متراکم، هنوز سوال حوزه مرتبط با سرامیک را بدون جواب گذاشته است. چرا که در آزمایش‌های قبلی با سرامیک‌های با ذرات زیر 100 نانومتر، رابطه Hall-Petch پاسخ معکوس می‌داد و کاهش مقاومت محصولات را به دنبال داشت.

محققان با کاربرد تکنیکی به نام زینترینگ پیشرفته در فشار بالا موفق شدند که اندازه متوسط ذرات را بدون هیچ گونه تغییری در دانسیته یا مقاومت در برابر شکستگی، تا 28 نانومتر کاهش دهند. استفاده از روش EHPS برای ساخت شیشه‌های سرامیکی شامل عملیاتی با فشار بالا در حدود 6 گیگا پاسکال است که باعث تجمع نانوذرات، انباشتگی مجدد آن‌ها و نزدیکتر شدن این ذرات و در نتیجه به حداقل رساندن فضاهای خالی در محصول نهایی خواهد شد. تلاش‌های قبلی برای ساخت شیشه های سرامیکی نانوکریستالین به کاهش دانسیته، کاهش مقاومت در برابر شکستگی و کاهش شفافیت محصول منجر گردیده بود. کاری که توسط محققان NRL انجام شده، نشان داد که سرامیک‌های نانوکریستالین استحکامی ‌معادل با سرامیک‌های میکروکریستالین دارند.

استفاده از رابطه Hall-Petch به همراه فرآیند زینترینگ در فشار بالا و دمای پایین با پودرهای نانو منجر به محصولات سرامیکی نانوکریستالین شفاف و متراکم با خلوص بالا خواهد شد. کاربرد شیشه سرامیکی آلومینات منیزیوم به عنوان نمونه اولیه برای یک سرامیک سخت باعث شد تا قطر ذرات نانو تا 28 نانومتر کاهش یابد و رسیدن به میزان سختی 20.2 گیگاپاسکال یعنی 50% سخت‌تر از شیشه‌های به کار رفته در خودروهای نظامی ‌را میسر سازد. شیشه‌های سرامیکی نانوکریستالین علاوه بر افزایش امنیت پرسنل، کاهش هزینه ساخت شیشه خودروهای نظامی ‌را به همراه خواهد داشت. در حال حاضر، یاقوت در برخی از عملیات تولید شیشه‌های نظامی ‌به کار می‌رود که هزینه ساخت آن‌ها را بالا می‌برد، ولی گفته می‌شود که اگر محققان و دانشمندان موفق شوند تا سختی این محصول را به اندازه کافی افزایش دهند، می‌توانند شیشه‌های سرامیکی نانوکریستالین را جایگزین شیشه‌های یاقوتی نمایند. علاوه بر کاربردهای نظامی، شیشه‌های نانوکریستالین با سختی مناسب می‌توانند در دفاتر و خودروهای شخصی و همچنین ساخت صفحات مقاوم‌تر برای گوشی تلفن همراه و تبلت نیز استفاده شوند.