تتمتع مساحيق حبيبات المنتج الناتج عن عملية الطحن الميكانيكي بعدة خواص مورفولوجية متميزة، تتمثل في نعومة أسطحه وفي كروية أشكال حبيباته، ودقة مقاييس أبعاد أقطار حبيباته ونعومتها الفائقة، وارتفاع نسبة قيمة مساحته السطحية مقارنة بحجمه. وتتمتع كذلك حبيبات المنتج النهائي بتجانس تركيبها البنائي والكيميائي.

وتستخدم مساحيق الحبيبات النانوية بحالتها تلك وبالهيئة التي أُنتجت عليها ومن دون معالجة تُذكر، في كثير من التطبيقات التكنولوجية الهامة والرئيسية وتُعد عملية «رش ونفث» الحبيبات Spraying النانوية وترسيبها على سطح المشغولات والمنتجات في صورة طبقات Layers أحادية أو متعددة Multilayer بهدف وقاية أسطح تلك المنتجات من التعرض للتآكل عن طريق الصدأ Corrosion أو التآكل Erosion، أو بهدف تحسين الخواص الميكانيكية لأسطح تلك المعدات وإضافة خواص أخرى متميزة لها من أهم العمليات التكنولوجية التي تجد لها تلك الحبيبات الناعمة استخدامات واسعة وعريضة.

ولعل مجال تغطية Coating الأسطح الخارجية للعدد والمعدات المستخدمة في عمليات استخراج المياه الجوفية من باطن الأرض، والبترول والغاز، وكذلك في تبطين الأسطح الداخلية والخارجية لأنابيب نقل السوائل والغازات بشكل عام، أهم وأبرز المجالات التطبيقية التي توظف بها مساحيق الحبيبات النانوية. هذا بالإضافة إلى أن تلك المساحيق تُستخدم في عمليات تغطية أسطح مكونات الأجهزة المستخدمة بعمليات تحلية المياه المالحة Desalinations، علاوة على توظيفها في تبطين الأسطح الداخلية من الوحدات المستخدمة في عمليات تكرير زيت النفط .Oil Refining

وعلى الرغم من كل هذه الاستخدامات المتنوعة والمثيرة حقا لمساحيق الحبيبات النانوية الناتجة عن عملية الطحن الميكانيكي، فإن هناك العديد من المجالات الصناعية الأخرى تتطلب في تطبيقاتها وجود جسيمات صلبة عالية الكثافة تدخل كأجزاء Parts في مكونات Components المنتج النهائي Final Product. فمثلا، عمليات التشكيل التقليدية لسبائك المواد بغرض تصنيع مكونات بعض الأجزاء الصغيرة جدا للماكينات والآلات مثل التروس Gears، عملية معقدة وصعبة وفي الوقت نفسه باهظة التكلفة، خصوصا إذا ما كانت السبائك والمواد المصنعة منها تلك التروس تتمتع بصلادة عالية.

ومن ثم فإن عملية، دمج الحبيبات وتجميعها Consolidation على صورة جسيمات صلبة، تمثل ضرورة قصوى ومسألة شديدة الأهمية. ومصطلح التجميع أو الدمج هذا يُستخدم للتعبير عن العملية التي تُجرى بواسطة «المكابس الهيدروليكية» Hydraulic Presses للمساحيق بهدف دمجها معا وتشكيلها على هيئة جسيمات هندسية منتظمة متماسكة تلائم الغرض أو التطبيق الصناعي الذي صُنعت من أجله. ويُمكن تلخيص عملية كبس وتجميع المساحيق والحبيبات في عدة نقاط هي:

– يوضع مسحوق الحبيبات داخل قوالب Molds، تُصنع من مواد فائقة الصلادة، عالية المقاومة والتحمل Hard and Tough Materials، تعد من سبائك صلب العدد أو المواد السيراميكية. ويُصنع القالب المستخدم على الشكل الذي يُراد أن تُنتج عليه المساحيق فيمكن أن تكون على هيئة تروس أو مكعبات أو أي أشكال أخرى مهما بلغت صعوبتها وتفاصيل تركيبها. ويعرض الشكل (6 – 6) نموذجا لإحدى هذه القوالب التي قام المؤلف بتصميمها واستخدامها في كبس وتجميع المساحيق النانوية لعدد من المواد المختلفة. وتظهر في الشكل أيضا أداة الكبس المستخدمة والمعروفة باسم «الغطاس»Plunger.

– بمجرد شحن قالب الكبس بمساحيق الحبيبات، يُدخل الغطاس تدريجيا إلى تجويف القالب، وذلك بواسطة تطبيق الأحمال تختلف قيمتها باختلاف مادة المساحيق المراد كبسها وتجميع حبيباتها،

– للحصول على منتج نهائي صلب يتمتع بكثافة عالية، يُعاد تطبيق حمل الكبس Pressing Load مرات عديدة قد تصل إلى عشرات المرات.

– بعد الانتهاء من الخطوة السابقة، يُترك الحمل على العينة لفترة زمنية تختلف مدتها باختلاف المادة المراد دمج حبيباتها. وبعد ذلك يُخرج المنتج النهائي الذي يكون صلبا ومتماسكا.

الشكل (6 – 6) صورة توضح الشكل الخارجي لقالب الكبس والغطاس المستخدمين في عملية كبس وتجميع مساحيق الحبيبات النانوية فائقة النعومة ⁽¹⁸⁾.

هذا وتصنف عملية الكبس إلى نوعين هما:

– الكبس على البارد Cold Pressing والتي يتم فيها كبس الحبيبات عند درجة حرارة الغرفة.

– الكبس على الساخن Hot Pressing، والتي يتم فيها كبس الحبيبات عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة الغرفة، لكن لا تزيد قيمها على نسبة 75% من نقطة انصهار المادة المراد كبسها.

وقد انبثقت عن النوعين السابقين طرق أخرى متقدمة، من أهمها طريقة التلبيد المنشط باستخدام البلازما Plasma Activated Sintering ⁽¹⁹⁾، التي تتميز بسرعة إتمام عملية الكبس في زمن قياسي قصير لا تتجاوز مدته خمس دقائق ⁽²⁰⁾.

وعلى الرغم من تمتع مساحيق الحبيبات النانوية بالكثير من الخواص المورفولوجية المتميزة والتي تؤهلها لأن تُدمج لتصنيع الأشكال الصعبة بالغة التعقيد، بيد أن عملية كبس الحبيبات النانوية وتحويلها إلى أجسام صلبة متماسكة، تمثل تحديا كبيرا من التحديات التي تواجهها المواد النانوية وتطبيقاتها الصناعية. وهذه الصعوبة تتمثل في عدم تمتع مساحيق الحبيبات النانوية بشكل عام بثبات حراري Thermal Stability، مرتفع وهذا يؤدي إلى تضخم ونمو في مقاييس أبعاد حبيباتها النانوية التي تتميز بها، وذلك عند محاولة كبسها ودمج حبيباتها عند درجات الحرارة العالية ونمو الحبيبات Grain Growth يُمثل خطورة على الخواص الفريدة لمواد النانو، حيث إنه يُعيد هذه الخواص إلى ما كانت عليه قبل عمليات التحضير، ومن ثم فهو يُفقدها خواصها المتميزة التي كانت تتمتع بها المادة قبل خضوعها لهذا النمو في الحبيبات. وإذا كان الأمر هكذا، فلماذا لا تتم عملية كبس ودمج الحبيبات عند درجة حرارة الغرفة باستخدام طريقة الكبس على البارد؟ في الواقع، أن طريقة الكبس على البارد لا تتناسب مع المواصفات المطلوب توافرها في المنتج النهائي لعملية الكبس، حيث إن مساحيق الحبيبات النانوية بما لها من مساحة أسطح ضخمة بالإضافة إلى تمتعها بمقاييس متناهية في الصغر، تُبدي مقاومة كبيرة لأحمال الكبس المطبقة عليها، وهذا يؤدي إلى ضعف في صلابة وتماسك المنتج النهائي بعد عملية الكبس كنتيجة طبيعية لانخفاض قيمة كثافته.

ويتمثل التحدي في الرغبة في الحصول على صفتين متناقضتين يجب توافرهما معا بالمنتج النهائي بعد عملية الكبس، وهما: شرط ارتفاع كثافته لتكون أكبر من 99.5%، والشرط الثاني هو تمتع البنية الداخلية للمنتج النهائي بهوية حبيباتها النانوية متناهية الصغر. وهذا يعني حتمية استخدام طريقة الكبس على الساخن مع تلاشي أي نمو في الحبيبات، أو على الأقل عدم زيادة قيمة مقدار هذا النمو على حد معين.

وقد شارك المؤلف وفريق عمله في الأنشطة البحثية والتطبيقية المعنية بتصميم مكابس خاصة تلائم مساحيق حبيبات المواد منخفضة الاتزان والثبات الحراري، ومن بينها المواد النانوية ⁽¹⁹⁾. وهذا الاهتمام البحثي ينال الآن المزيد من الاهتمام من قبل العلماء والباحثين في مجال علوم وتكنولوجيا النانو بأرجاء العالم. وقد قادت تلك الاهتمامات البحثية في هذا المضمار إلى كبس ودمج مساحيق الحبيبات عند درجات حرارة عالية وخلال فترة زمنية قصيرة، يتم بعدها تبريد المنتج تبريدا سريعا من خلال تعريضه التيار متدفق ومستمر من غاز الأرغون البارد، مما أدى إلى تجنب النمو والزيادة في مقاييس الحبيبات ^(21.20). كما كُللت تلك المجهودات البحثية المستفيضة والمستمرة طوال عشر سنوات بالنجاح في الحصول على منتجات هندسية متميزة تتمتع بهويتها النانوية من حيث مقاييس أبعاد حبيباتها الداخلية وفي الوقت نفسه فهي تتميز بكثافتها العالية ^(23.22). هذا التحدي والتمتع بصعابه ومخرجاته الواعدة، يتم من خلال هذه المكابس الخاصة.

ويبين الشكل (6 – 7 «أ») صورة فوتوغرافية لمجموعة من التروس مختلفة الأشكال والمقاييس تم تحضيرها من قبل مؤلف الكتاب عن طريق الكبس الخاص الساخن المساحيق حبيبات كربيد التيتانيوم. وبفحص التركيب الداخلي لحبيبات هذه التروس، قد اتضح أنها تتمتع بمقاييس نانوية الأبعاد وبكثافة عالية، كما هو موضح بالشكل (6 – 7 «ب») الذي يعرض صورة مجهرية للب العينة الداخلي، أخذت بواسطة الميكروسكوب النافذ الإلكتروني ⁽¹⁴⁾.

الشكل (6 – 7): (أ) صورة فوتوغرافية تبين نماذج التروس والقطع الهندسية المختلفة المستخدمة في تشغيل بعض الماكينات والآلات التي أنتجت عن طريق كبس ودمج مساحيق الحبيبات النانوية لكربيد التيتانيوم، السابق تحضيره بواسطة الطحن الميكانيكي. وتوضح الصورة (ب) صورة مجهرية أخذت بواسطة الميكروسكوب النافذ الإلكتروني للب عينة من التروس المنتجة توضح احتفاظ الحبيبات بعد عملية الكبس بهويتها النانوية، حيث تبلغ متوسط مقاييس أبعاد أقطار تلك الحبيبات نحو 35 نانومتر. وتبين الصورة (ب) أيضا. مدى تماسك الحبيبات المكونة للهيكل الداخلي للترس المنتج وغياب أي فجوات في هذا التركيب، مما يعني ارتفاعا في قيمة الكثافة النوعية للترس ⁽¹⁴⁾.

____________________________________
هوامش

(14) M. Sherif El–Eskandarany, J. of Alloys Comp., Vol. 305 (2000) Pp. 219–224.

(18) القالب والغطاس الموضحان في الشكل، استخدما من قبل مؤلف الكتاب في كبس ودمج عدد من مساحيق الحبيبات النانوية لمجموعة متنوعة من المواد.

(19) M. Sherif El–Eskandarany, M. Omori, M. Ishikuro, T. J. Konno, K. Takada, K. Sumiyama, T. Hirai and K. Suzuki, Met. Trans., Vol. 27A (1996) pp. 4210–4213.

(20) M. Sherif El–Eskandarany, Satoru Ishihara, and A. Inoue, J. Mater. Res., Vol. 18 (2004) pp. 2435–2445.

(21) M. Sherif El–Eskandarany, M. Omori, K. Sumiyama, T. Hirai and K. Suzuki, J. of Japan Society of Powder and Powder Metallurgy, JSPM, Vol. 44 (1997) pp. 1143–1147.

(22) M. Sherif El–Eskandarany, J. of Alloys Comp., Vol. 279 (1998) pp. 263–271.

(23) M. Sherif El–Eskandarany, Journal of Nanoparticles, Vol. 2 (2009) pp. 14–22.