تعد طريقة الطحن الميكانيكي Mechanical Milling باستخدام طواحين الكرات Ball Mills إحدى الطرق الرئيسية المستخدمة بكثرة في عمليات إنتاج مساحيق المواد المختلفة، وكذلك أيضا في عمليات تجهيز الخامات منذ زمن بعيد. وعلى الرغم من أن تاريخ استخدام طواحين الكرات في إنتاج مساحيق حبيبات المواد النانوية يرجع إلى حقبة التسعينيات من القرن الماضي ⁽⁴⁾، فإن سنوات العقد الأول من القرن الحالي تشهد حاليا اهتماما كبيرا بهذه الطريقة وتطويرها ⁽⁵⁾ من أجل زيادة رقعة توظيفها في إنتاج فئات متنوعة من حبيبات المواد النانوية على المستوى الصناعي.

ويعتمد أسلوب الطحن الميكانيكي لسحق كتل جسيمات المواد وتنعيمها والوصول بمقاييس حبيباتها الداخلية إلى مستوى النانومتر، على استخدام طواحين كرات عالية القدرة High–Energy Ball Mill. وتتألف الطاحونة بشكل عام، من أسطوانة (وعاء الطحن مصنوعة) من سبيكة من سبائك الصلب – تستخدم مادة كربيد التنجستن WC في بعض الحالات – تشحن بجسيمات كتل المادة المراد سحقها ⁽⁶⁾. وقبل أن يُشرع في حكم غلق وعاء الطحن المحتوي على جسيمات المادة، يضاف عدد من الكرات إليها، تفوق قيمة صلادتها صلادة المادة المراد طحنها، وتكون مصنوعة من نفس نوع مادة الوعاء ⁽⁷⁾. هذا ويوضح الشكل (6 – 1) رسما تخطيطيا لشكل وعاء الطحن محتويا على الكرات التي تقوم بمهمة «الوسط الطاحن» للمادة.

الشكل (6 – 1) رسم تخطيطي ثلاثي الأبعاد يوضح شكل ومحتويات أسطوانة من الصلب تحتوي على كرات تعمل كوسط لسحق المادة المراد الحصول على مسحوق يباتها النانوية ⁽⁸⁾.

ويتوقف مدى جدوى تفريغ الأسطوانة من الهواء الجوي الموجود بها وإحلاله بأحد الغازات الخاملة على هوية المادة المطلوب الوصول بأحجام حبيبات مساحيقها إلى مستوى النانومتر. فإن كانت المادة من إحدى المواد الفلزية أو سبائكها، فلا بد أن تُسحق في معزل عن الهواء الجوي أو في وجود أحد الغازات الخاملة، وذلك لتجنب تأكسدها بواسطة الأكسجين الموجود بالهواء. أما إذا كانت المادة المراد سحقها من إحدى المواد السيراميكية لأكاسيد الفلزات المستقرة كيميائيا، مثل أكسيد الألمونيوم Al₂O₃ أو أكسيد التيتانيوم TiO₂وغيرهما، فيمكن إجراء عملية الطحن في وجود الهواء الجوي.

وبمجرد الانتهاء من الخطوة السابقة، يثبَّت وعاء الطحن على قرص ماكينة الطحن التي تلف بسرعات عالية جدة، تتراوح بين 250 و800 لفة في الدقيقة، مما يُعجل من عملية تكسير وطحن الحبيبات الكبيرة للمادة والوصول بمقاييسها إلى أبعاد نانوية في فترات زمنية قصيرة. وتتوقف كفاءة عملية الطحن في الحصول على مساحيق ناعمة تتركب من حبيبات نانوية، على عدة عوامل، نذكر من بينها:

– نوع الطاحونة المستخدمة وقدرتها،

– نوع المادة المصنوعة منها أوعية وكرات الطحن.

– نوع المادة المراد سحق جسيماتها وخواصها الفيزيائية والميكانيكية.

– الوسط القائم بعملية الطحن (كور، قضبان) ⁽⁹⁾.

– النسبة الوزنية بين الوسط الطاحن والمادة المراد طحنها ⁽¹⁰⁾.

– السرعة التي يتم عندها إجراء عملية الطحن ⁽¹¹⁾.

– الزمن الكلي المستغرق لعملية طحن المادة ⁽¹²⁾.

هذا وتختلف ميكانيكية سحق المواد باختلاف أنواعها وخواصها، فالحبيبات النانوية لمساحيق أكاسيد المواد السيراميكية القصفة يتم الحصول عليها بميكانيكية تختلف عن تلك الميكانيكية التي يتم بها الحصول على الحبيبات النانوية للمواد الفلزية المطيلة Ductile وسبائكها، وذلك على الرغم من استخدام الطاحونة نفسها وتحت ظروف التشغيل نفسها.

________________________________________

هوامش

(4) M. Sherif El–Eskandarany: Mechanical Alloying for Fabrication of Advanced Engineering Materials, William Andrew Publishing Inc, New York 13815, the U.S.A. (2001) pp. 1–2.

(5) C. Suryanarayana: Mechanical Alloying and Milling, Marcel Dekker Publishing Inc, New York, the U.S.A. (2004) P. 45.

(6) تمتلك طواحين الكرات القدرة على التعامل مع مختلف المواد الصلبة سواء كانت فلزية أو غير فلزية والوصول بمقاييس حبيباتها الداخلية إلى أبعاد نانوية لا تتجاور 5 نانومترات في أغلب الأحيان، وذلك إذا ما تم ضبط العملية والهيمنة على جميع العوامل المؤثرة في عملية فصل الحبيبات بعضها عن بعض وتصغير أبعادها، بصورة مثلى.

(7) تعمل هذه الكرات على تكسير كتل الجسيمات الكبيرة، لذا فهي تُعرف باسم الوسط الطاحن Milling Media ويراعى في اختيار هذه الكور أن تكون بأبعاد مناسبة تتلاءم مع حجم أسطوانة الطحن، وألا تشغل حيزا حجميا يزيد على 40% من الحجم الداخلي للأسطوانة. كما يجب أن تكون تلك الكرات مصنعة من مادة الأسطوانة نفسها، وذلك بهدف تقليل نسبة معدلات البري الناجمة عن احتكاك الكرات مع السطح الداخلي لإناء الطحن.

(8) تم تصميم وتنفيذ الشكل بواسطة مؤلف هذا الكتاب.

(9) M. Sherif El–Eskandarany, K. Aoki and K. Suzuki, J. Less– Common Met., Vol. 167 (1990) pp. 113–118.

(10) M. Sherif El–Eskandarany, K. Aoki, H. Itoh and K. Suzuki. J. Less–Common Met., Vol. 169 (1991) pp. 235–244

(11) M. Sherif El–Eskandarany, K. Aoki, K. Sumiyama and K. Suzuki, Met. Trans. Vol. 30A, (1999) pp. 1877–1880.

(12) M. Sherif El–Eskandarany, Satoru Ishihara, Wei Zhang and A..Inoue, Met. Trans. Vol. 33A (2005) pp. 141–148