שדות חשמליים לשיפור תהליך הייצור של חומרים קראמיים

חוקרים מאוניברסיטת צפון קרוליינה מצאו כי הפעלת שדה חשמלי חלש גורמת להכנה מהירה יותר של חומרים קראמיים במהלך ייצור בטמפרטורות נמוכות, ומגדילה את חוזקו של החומר הקראמי עצמו

חוקרים מאוניברסיטת צפון קרוליינה מצאו כי הפעלת שדה חשמלי חלש גורמת להכנה מהירה יותר של חומרים קראמיים במהלך ייצור בטמפרטורות נמוכות, ומגדילה את חוזקו של החומר הקראמי עצמו.

בלב המחקר מצוי תהליך הקרוי דִּבְקוּק (sintering, תהליך חימום חומר במידת חום שהיא קצת מתחת לנקודת ההתכה על מנת ליצור גוש מוצק אחד) שבאמצעותו מיוצרים היום רוב החומרים הקראמיים. התהליך כולל דחיסת אבקת החומר הקראמי לצורה הרצויה של התוצר המוגמר וחימומה. בחום גבוה, אטומי החומר האבקתי נקשרים באמצעות פעפוע – אטומים של גרגירי אבקה שונים נעים ו”מדביקים” את חלקיקי האבקה יחדיו. תהליך הדבקוק מעלים את הנקבוביות של החומר הקראמי, דבר שמחזק באופן משמעותי את החומר הסופי.

“באמצעות הפעלת שדה חשמלי של זרם חילופין ב- 60 הרצים, הצלחנו להעלים את הנקבוביות בטמפרטורה של 1250 מעלות צלזיוס – לעומת טמפרטורה של 1500 מעלות צלזיוס הנדרשת ללא השדה החשמלי,” אמר ד”ר Hans Conrad, פרופסור למדעי החומרים והנדסה באוניברסיטת צפון קרוליינה ואחד מכותבי המאמר. בנוסף, החוקרים הצליחו להקטין את גודל הגרגירים של החומר הקראמי בשישים ושלושה אחוזים – לקבלת גרגירים בעלי קוטר של 134 ננומטרים, לעומת קוטר של 360 ננומטרים המתקבל באמצעות שיטות דבקוק רגילות. גודל גרגירים קטן יותר הופך את החומר הקראמי לחזק יותר, מכיוון שככל שהגרגיר גדול יותר, כך קל יותר לסדקים להיווצר ולהתפשט.

חומרים קראמיים מהווים רכיבים חשובים במגוון מוצרים, בכללם מבודדים, מצתים, תאי-דלק, שכפ”צים, טורבינות גז, מוטות גרעיניים, ומסבים, חומרי-בנייה ומחיצות מגן העמידים כולם בטמ”פ גבוהות.

החוקרים הצליחו להשיג תוצאות דומות, אם כי פחות טובות, באמצעות הפעלת שדה חשמלי שמקורו בזרם ישיר. הנקבוביות נעלמה בטמ”פ של 1400 מעלות צלזיוס באמצעות זרם ישיר, וגודל הגרגירים קטן לקוטר של 217 ננומטרים – שני ערכים שעדיין מהווים שיפור משמעותי לעומת שיטות דבקוק קיימות. השדה שהופעל, הן בעקבות זרם ישיר, והן בעקבות זרם חילופין, היה בערך של 13.9 וולטים/ס”מ.

“מצאנו כי שימוש בשדה חשמלי חלש – עם זרם של רק כשישית-שמינית האמפר לכל סנטימטר – יכול להביא לשיפור בקצב תהליך הדבקוק ולקבלת גודל גרגירים קטן בהרבה,” אמר החוקר. במילים אחרות, יצרני חומרים קראמיים יוכלו להפיק את המוצרים שלהם באופן מהיר וזול יותר באמצעות שימוש בשדה חשמלי לא יקר – ולהפוך את החומרים שלהם לנוקשים יותר.

“בתהליך החדש שלנו אינך משתמש באנרגיה מרובה – כי היא מכוונת ישירות לאתר האטומי בו היא נדרשת – במקום להשתמש באנרגיה רבה יותר להשגת טמפרטורות גבוהות בכבשן, דבר שהינו פחות יעיל,” מסביר החוקר. “אם אתה מעוניין בחומרים קראמיים נוקשים יותר, אתה צריך להעלים את הנקבוביות ולשמור על גודל גרגירים קטן ככל האפשר. ואתה מעוניין להשיג זאת בעלות הנמוכה ביותר האפשרית – כלומר, שימוש בכמות אנרגיה מועטה ככל הניתן, בטמפרטורה נמוכה ובקצב המהיר ביותר האפשרי. השימוש בשדה חשמלי מאפשר השגת כל המטרות הללו.”

ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Scripta Materialia.

הידיעה מהאוניברסיטה