بوريد الألومنيوم والمغنيسيوم

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

بوريد الألومنيوم والمغنيسيوم، أو Al₃Mg₃B₅₆ ، [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] والمعروف اختصارًا بـ BAM ، هو مركب كيميائي يتكون من الألومنيوم والمغنيسيوم والبورون . بينما صيغته الاسمية هي AlMgB₁₄ ، فإن تركيبه الكيميائي أقرب إلى Al₀.₇₅Mg₀.₇₅B₁₄ . وهو سبيكة خزفية تتميز بمقاومة عالية للتآكل ومعامل احتكاك انزلاقي منخفض للغاية، حيث يصل إلى قيمة قياسية تبلغ 0.04 في المركبات غير المُشحّمة [ 4 ] و0.02 في المركبات المُشحّمة من AlMgB₁₄-TiB₂ . تم الإبلاغ عن BAM لأول مرة عام 1970 ، وله بنية معينية قائمة تحتوي على أربع وحدات B₁₂ عشرينية الوجوه لكل خلية وحدة. [ 5 ] تتميز هذه المادة فائقة الصلابة بمعامل تمدد حراري يُضاهي معامل تمدد حراري لمواد أخرى شائعة الاستخدام مثل الفولاذ والخرسانة.

توليف

تُنتَج مساحيق BAM تجاريًا بتسخين خليط شبه متكافئ من البورون النقي (منخفض الجودة لاحتوائه على المغنيسيوم) والألومنيوم لبضع ساعات عند درجة حرارة تتراوح بين 900  و1500  درجة مئوية. ثم تُذاب الشوائب في حمض الهيدروكلوريك الساخن . [ 5 ] [ 6 ] ولتسهيل التفاعل وجعل المنتج أكثر تجانسًا، يمكن معالجة الخليط الأولي في مطحنة كروية عالية الطاقة . تُجرى جميع المعالجات الأولية في جو جاف وخامل لتجنب أكسدة مساحيق المعدن. [ 7 ] [ 8 ]

يمكن طلاء أغشية BAM على السيليكون أو المعادن عن طريق الترسيب بالليزر النبضي ، باستخدام مسحوق AlMgB 14 كهدف، [ 9 ] بينما يتم الحصول على العينات الصلبة عن طريق تلبيد المسحوق. [ 10 ]

تحتوي مادة BAM عادةً على كميات ضئيلة من العناصر الشائبة (مثل الأكسجين والحديد) التي تدخل المادة أثناء التحضير. ويُعتقد أن وجود الحديد (الذي غالبًا ما يدخل على شكل حطام ناتج عن تآكل قوارير الطحن والوسائط) يُساعد على التلبيد . ويمكن خلط مادة BAM مع السيليكون ، والفوسفور ، والكربون ، وثنائي بوريد التيتانيوم (TiB₂ ) ، ونيتريد الألومنيوم (AlN)، وكربيد التيتانيوم (TiC)، أو نيتريد البورون (BN). [ 8 ] [ 10 ]

ملكيات

يتميز BAM بأقل معامل احتكاك معروف في حالة عدم التشحيم (0.04)، ربما بسبب التشحيم الذاتي. [ 4 ]

بناء

التركيب البلوري لمركب BAM عند النظر إليه على طول المحور البلوري a . الأزرق: ألومنيوم، الأخضر: مغنيسيوم، الأحمر: بورون.

معظم المواد فائقة الصلابة لها بنى بلورية بسيطة ذات تناظر عالٍ، مثل المكعب الماسي أو الزنك بليند . مع ذلك، يتميز مركب BAM ببنية بلورية معقدة ذات تناظر منخفض، حيث تحتوي كل وحدة خلية على 64 ذرة. وحدة الخلية معينية قائمة ، وأبرز سماتها أربعة مجسمات عشرينية الوجوه تحتوي على البورون . يحتوي كل مجسم عشريني الوجوه على 12 ذرة بورون. تربط ثماني ذرات بورون أخرى المجسمات العشرينية الوجوه بالعناصر الأخرى في وحدة الخلية. نسبة شغل مواقع المعدن في الشبكة البلورية أقل من واحد، وبالتالي، على الرغم من أن المادة تُعرف عادةً بالصيغة AlMgB₁₄ ، إلا أن تركيبها الكيميائي أقرب إلى Al₀.₇₅Mg₀.₇₅B₁₄ . [ 7 ] [ 8 ] هذا الاختلاف في التركيب الكيميائي شائع في البوريدات (انظر البنية البلورية لبوريدات المعادن الغنية بالبورون وكربيد البورون ). معلمات الخلية الأولية لمركب BAM هي: a = 1.0313 نانومتر، b = 0.8115 نانومتر، c = 0.5848 نانومتر، Z = 4 (أربع وحدات هيكلية لكل خلية أولية)، المجموعة الفراغية Imma ، رمز بيرسون oI68، الكثافة 2.59 غ/سم³ . [5 ] تُقدّر درجة الانصهار تقريبًا بـ 2000 درجة مئوية. [ 11 ]    

الإلكترونيات الضوئية

يمتلك مركب BAM فجوة طاقة تبلغ حوالي 1.5 إلكترون فولت. ويُلاحظ امتصاص ملحوظ عند طاقات أقل من فجوة الطاقة، ويُعزى ذلك إلى ذرات المعدن. وتعتمد المقاومة الكهربائية على نقاء العينة، وتبلغ حوالي 10⁴ أوم ·سم. أما معامل سيبك فهو مرتفع نسبيًا، ويتراوح بين -5.4 و-8.0 ملي فولت/كلفن. وتنشأ هذه الخاصية من انتقال الإلكترونات من ذرات المعدن إلى هياكل البورون العشرية الوجوه، وهي خاصية مفيدة للتطبيقات الكهروحرارية. [ 11 ]

الصلابة ومقاومة الكسر

تبلغ الصلادة المجهرية لمساحيق BAM من 32 إلى 35 جيجا باسكال. ويمكن زيادتها إلى 45 جيجا باسكال عن طريق مزجها مع بوريد التيتانيوم الغني بالبورون. كما يمكن زيادة مقاومة الكسر بإضافة TiB₂ [ 8 ] أو بترسيب طبقة رقيقة من BAM شبه متبلورة [ 9 ] . وتؤدي إضافة AlN أو TiC إلى BAM إلى تقليل صلادتها [ 10 ] . وبحسب التعريف، تُصنف BAM كمادة فائقة الصلادة إذا تجاوزت صلادتها 40 جيجا باسكال . وفي مركب BAM-TiB₂ ، تُحقق أعلى صلابة ومتانة عند نسبة حجمية تبلغ حوالي 60% من TiB₂ [ 10 ] . ويتحسن معدل التآكل بزيادة محتوى TiB₂ إلى 70-80% على حساب فقدان حوالي 10% من الصلادة [ 12 ] . ويُعد TiB₂ مادة مقاومة للتآكل بحد ذاتها ، حيث تبلغ صلادتها من 28 إلى 35 جيجا باسكال [ 10 ] .

التمدد الحراري

تم قياس معامل التمدد الحراري (TEC، المعروف أيضًا باسم معامل التمدد الحراري، COTE) لمركب AlMgB 14 بقيمة 9 × 10تم قياس معامل التمدد الحراري عند -6 كلفن⁻¹باستخدام قياس التمدد الحراري وحيود الأشعة السينية عند درجات حرارة عالية باستخدام إشعاع السنكروترون. هذه القيمة قريبة جدًا من معامل التمدد الحراري لمواد شائعة الاستخدام مثل الفولاذ والتيتانيوم والخرسانة. بناءً على قيم الصلابة المُسجلة لمركب AlMgB₄ واستخدام هذه المواد نفسها كطلاءات مقاومة للتآكل، يمكن استخدام معامل التمدد الحراري لمركب AlMgB₄ في تحديد طرق تطبيق الطلاء وأداء الأجزاء بعد استخدامها. [ 7 ] [ 8 ]

مادةTEC (10 −6 K −1 ) [ 7 ]
AlMgB 149
فُولاَذ11.7
تي8.6
أسمنت10-13

احتكاك

يتميز مركب من BAM و TiB₂ ( بنسبة 70% حجمًا من TiB₂ ) بأحد أدنى قيم معامل الاحتكاك ، حيث تتراوح قيمته بين 0.04 و0.05 عند الخدش الجاف برأس ماسي [ 9 ] (مقارنةً بـ 0.04 للتفلون)، وتنخفض إلى 0.02 في مواد التشحيم القائمة على الماء والجليكول. [ 13 ] [ 14 ]

التطبيقات

مادة BAM متوفرة تجاريًا ويجري دراستها لتطبيقاتها المحتملة. على سبيل المثال، يمكن طلاء المكابس، والحلقات المانعة للتسرب، وشفرات المضخات بمادة BAM أو BAM + TiB₂ لتقليل الاحتكاك بين الأجزاء وزيادة مقاومة التآكل. سيؤدي انخفاض الاحتكاك إلى تقليل استهلاك الطاقة. كما يمكن طلاء أدوات القطع بمادة BAM. سيؤدي انخفاض الاحتكاك إلى تقليل القوة اللازمة لقطع الجسم، وإطالة عمر الأداة، وربما زيادة سرعات القطع. وقد وُجد أن الطلاءات التي لا يتجاوز سمكها 2-3 ميكرومترات تُحسّن الكفاءة وتقلل التآكل في أدوات القطع. [ 15 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "الخواص الهيكلية والميكانيكية لأغشية Al―Mg―B: دراسة تجريبية وحسابات من المبادئ الأولى - تحميل مجاني بصيغة PDF" .
  2. ↑ "الأطلس الجيني" .
  3. ↑ إيفاشينكو، في. آي.؛ تورتشي، ب. إي. إيه.؛ فيبريك، إس.؛ شيفتشينكو، في. آي.؛ ليزتشينسكي، جيرزي؛ غورب، ليونيد؛ هيل، فرانسيس (2016). "دراسة مبدئية للمواد البلورية وغير البلورية القائمة على AlMgB14 " . مجلة الفيزياء التطبيقية . 119 (20): 205105. Bibcode : 2016JAP...119t5105I . doi : 10.1063/1.4952391 . OSTI 1458625 . 
  4. تيان ، ي.؛ باستاوروس، أ.ف.؛ لو، س.س.هـ.؛ كونستانت، أ.ب.؛ راسل، أ.م.؛ كوك، ب.أ. (2003). " أغشية AlMgB فائقة الصلابة ذاتية التشحيم للأجهزة الكهروميكانيكية الدقيقة" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 83 (14): 2781. Bibcode : 2003ApPhL..83.2781T . doi : 10.1063/1.1615677 .
  5. 1 2 3 ف. إ. ماتكوفيتش؛ ج. إيكونومي (1970). "بنية MgAlB14 ونقد موجز للعلاقات البنيوية في البوريدات العليا". Acta Crystallogr. B. 26 ( 5): 616–621 . Bibcode : 1970AcCrB..26..616M . doi : 10.1107/S0567740870002868 .
  6. ↑ هيغاشي، إي؛ إيتو، تي (1983). "تحسين بنية MgAlB14". مجلة المعادن الأقل شيوعًا . 92 (2): 239. doi : 10.1016/0022-5088(83)90490-3 .
  7. 1 2 3 4 راسل، أ.م.؛ كوك، ب.أ.؛ هارينغا، ج.ل.؛ لويس، ت.ل. (2002). "معامل التمدد الحراري لـ AlMgB14 " . سكريبت ماتيرياليا . 46 (9): 629-33 . doi : 10.1016/S1359-6462(02)00034-9 .
  8. 1 2 3 4 5 كوك، ب.أ.؛ ج.ل. هارينغا؛ ت.ل. لويس؛ أ.م. راسل (2000). "فئة جديدة من المواد فائقة الصلابة تعتمد على AlMgB14 " . سكريبت ماتيرياليا . 42 (6): 597-602 . doi : 10.1016/S1359-6462(99)00400-5 .
  9. تيان ، ي .؛ باستاوروس، أ.ف.؛ لو، س.س.هـ.؛ كونستانت، أ.ب.؛ راسل، أ.م.؛ كوك، ب.أ. (2003). "أغشية AlMgB14 فائقة الصلابة ذاتية التشحيم للأجهزة الكهروميكانيكية الدقيقة" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 83 (14): 2781. Bibcode : 2003ApPhL..83.2781T . doi : 10.1063 / 1.1615677 .
  10. أحمد، أ؛ بهادر، س ؛ كوك، ب ؛ بيترز، ج (2006). "الخواص الميكانيكية ودراسات اختبار الخدش لمركب AlMgB14 فائق الصلابة المُعدَّل بواسطة TiB2". مجلة علم الاحتكاك الدولية . 39 ( 2 ): 129. doi : 10.1016 /j.triboint.2005.04.012 .
  11. 1 2 Werhcit, Helmut; Kuhlmann, Udo; Krach, Gunnar; Higashi, Iwami; Lundström, Torsten; Yu, Yang (1993). "الخواص البصرية والإلكترونية لمركبات البوريد من نوع MgAIB14 المعينية القائمة". مجلة السبائك والمركبات . 202 ( 1-2 ): 269-281 . doi : 10.1016/0925-8388(93)90549-3 .
  12. ↑ كوك، ب.أ.؛ بيترز، ج.س.؛ هارينغا، ج.ل.؛ راسل، أ.م. (2011). "تحسين مقاومة التآكل في مركبات AlMgB14-TiB2" . مجلة التآكل . 271 ( 5-6 ) : 640. doi : 10.1016/j.wear.2010.11.013 .
  13. ↑ كورت كلاينر (21 نوفمبر 2008). "اكتشاف مادة أكثر انسيابية من التفلون بالصدفة" . مجلة نيو ساينتست . مؤرشف من الأصل في 20 ديسمبر 2008. تم الاطلاع عليه في 25 ديسمبر 2008 .
  14. ↑ هيغدون، سي.؛ كوك، بي.؛ هارينغا، ج.؛ راسل، أ.؛ غولدسميث، ج.؛ كو، ج.؛ بلاو، ب. (2011). "آليات الاحتكاك والتآكل في الطلاءات النانوية AlMgB14 - TiB2 " . مجلة التآكل . 271 ( 9-10 ): 2111. doi : 10.1016/j.wear.2010.11.044 .
  15. ↑ طلاءات نانوية متينة تعزز كفاءة الطاقة الصناعية. مؤرشف بتاريخ ٢٤ مايو ٢٠١٢ في أرشيف الإنترنت . مختبر أميس. بيان صحفي. وزارة الطاقة. ١٨ نوفمبر ٢٠٠٨.