فرآیند انجماد سریع چیست؟

اصطلاح انجماد به طور ساده به معنی تشکیل جامد است، از آن‌رو ماده (مواد) اصلی می‌تواند گازی (یا بخار) یا مایع (مثلاً مذاب) باشد. بنابراین انجماد می‌تواند شامل رسوب پیوسته یا ناپیوسته با یا بدون واکنش شیمیایی یا عبور از جبهه انجماد از میان حجمی از مذاب باشد. اصطلاح انجماد سریع معمولاً برای انجماد از مذاب بکار می‌رود. تعریف «سریع» اشاره به فاصله کوتاه زمانی بین شروع و کامل شدن انجماد و سرعت بالای اشاعه جبهه انجماد در حال پیشرفت دارد. این چنین انجماد سریعی به آسانی با تحمیل یک سرعت سرمایش بالا در حین انجماد بدست می‌آید.

فرایند انجماد سریع (RSP) مذاب‌های فلزی اولین بار توسط آقای پل داوز و همکارانش در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا (CalTech) در شهر Pasadena در سال‌های 1960-1959 انجام شد. در این روش یک فلز مذاب یا آلیاژ در سرعت‌های سرمایش حدود  ^1-Ks 10⁶ و حداقل ^1-Ks 10⁴ منجمد می‌شود.

سرعت‌های سرمایش در مدت انجماد می‌توانند به بزرگی Ks^-110¹⁰ برسند که موجب تولید ضخامت‌هایی به کوچکی mm 1/0 می‌شوند. در این حالت فوق‌تبرید‌هایی در حدود 100 ها کلوین و سرعت‌های جبهه انجمادی به بزرگی ms^-1 100 و زمان‌های انجمادی به کوتاهی نانوثانیه خواهیم داشت. 

تکنیک RSP بسیاری از مفاهیم سنتی متالورژی و علم مواد را تغییر اساسی داد. چشمگیرترین آن‌ها، برای مثال، این است که مواد فلزی می‌توانند علاوه بر حالت بلورین متداولشان، در حالت شیشه‌ای (غیر کریستالین یا آمورف) یا در حالت شبه کریستالین (که نمی‌توانند در تقارن‌های کریستالی انتقالی ممنوع سنتی دیده شوند) وجود داشته باشند. علاوه بر این ترکیب کردن تعدادی فاز نیمه پایدار دیگر مثل محلول‌های جامد فوق اشباع شده و فازهای میانی غیر تعادلی نیز امکان پذیر شده است. آلیاژهای انجماد سریع کاربردهای زیادی پیدا کرده‌اند، شامل دامنه‌ای از مواد مغناطیسی سخت و نرم (برای ورق‌های هسته ترانسفورماتور)، آلیاژهای سبک مقاوم به سایش، موادی با کارآیی تحریک کننده پیشرفته (کاتالیستی) و برای کاربردهای پیل سوختی، فولادهای ابزار متالورژی پودر و سوپرآلیاژها و آلیاژهای جدیدی برای کاشت‌های طبی و آمالگام‌های دندانی.

یکی از تجهیزات برای دستیابی به سرعت‌های انجماد بالا در حین RSP و در نتیجه اثرات نیمه‌پایدار در مواد، این است که گرما باید خیلی سریع از مذاب خارج شود. دستیابی به سرعت‌های انجماد به میزان ^1-Ks 10⁶ وقتی تنها یکی از ابعاد نمونه نازک باشد، معمولاً در حدود mm50-20، امکان‌پذیر است. بنابراین محصولات RSP نوار، سیم یا پودر هستند. پیدا کردن کاربردهایی برای این مواد نازک آسان نیست مگر اینکه این پودرها، نوارها (بعد از پودرسازی) و شکل‌های دیگر تا چگالی کامل مانند مواد توده‌ای یکپارچه شوند.

از سوی دیگر، اگر یک آلیاژ شیشه‌ای بتواند در سرعت‌های انجماد پایین تولید شود، مثلاً با کوئنچ با آب که سرعت انجماد فقط در حدود ^1-Ks 10³-10² است، ضخامت مقطع فاز شیشه‌ای انتظار می‌رود که خیلی بزرگتر باشد. از این‌رو دانشمندان به مواد و فرایندهایی آگاهند که بتوانند فلزات شیشه‌ای را در مقاطع نازک‌تر و در سرعت‌های انجماد آهسته‌تر تولید کنند، که مشابه چیزی است که معمولاً برای سیلیکات‌ها یا اکسیدهای شیشه‌ای انجام می‌شود. این تلاش‌ها در اواخر 1980 به موفقیت رسید که بیشتر به دلیل تلاش‌های پروفسور اینوا و ماسوموتو د داشگاه توکیو در سندای ژاپن بود. آنها میله‌هایی به قطر mm2/1 از آلیاژ LaAlNi را در وضعیت کاملاً شیشه‌ای با کوئنچ کردن در آب تولید کردند. اگرچه آلیاژهای شیشه‌ای با ابعاد میلی‌متری سابق بر این تولید شده بودند، این اولین بار بود که تشکیل شیشه در این ابعاد در آلیاژها بدون حضور فلز نجیب اثبات شده بود. این آلیاژشیشه‌ای یک ناحیه مایع فوق‌تبرید عریض (∆T_x=T_x-T_g که T_x و T_g به ترتیب دماهای بلورینگی و شیشه‌ای شدن را نشان می‌دهند) داشت. این شیشه‌ها با مقاطع بزرگ ضخیم در حال حاضر به عنوان فلزات شیشه‌ای توده‌ای بکار برده می‌شوند. بس از آن، پروفسور بیل جانسون از CalTech و گروهش نیز تعدادی فلز شیشه‌ای توده‌ای پایه Zr با ضخامت‌هایی در محدوده سانتی‌متر تولید کردند. در همان حال، فعالیت در این عرصه تحقیق علم مواد جهانی است و انتظار می‌رود که بیشتر از هزار مقاله تحقیقاتی سالانه چاپ شود.

منبع: وبلاگ مهندسی مواد دانشگاه آزاد نیشابور