مادة نانوية بلورية

لا تتضمن عمليات الحالة الصلبة صهر المادة أو تبخيرها، وتُجرى عادةً عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا. ومن أمثلة عمليات الحالة الصلبة: الخلط الميكانيكي باستخدام مطحنة كروية عالية الطاقة، وأنواع معينة من عمليات التشكيل البلاستيكي الشديد .

يمكن إنتاج المعادن النانوية البلورية عن طريق التصلب السريع من الحالة السائلة باستخدام عملية مثل الغزل المصهور . ينتج عن ذلك غالبًا معدن غير متبلور، والذي يمكن تحويله إلى معدن نانوي بلوري عن طريق التلدين فوق درجة حرارة التبلور .

يمكن إنتاج أغشية رقيقة من المواد النانوية البلورية باستخدام عمليات الترسيب بالبخار مثل MOCVD . ^{[ 2 ]}

يمكن تحويل بعض المعادن، وخاصة النيكل وسبائك النيكل ، إلى رقائق نانوية بلورية باستخدام الترسيب الكهربائي . ^{[ 3 ]}

تُعزى قوة الخضوع الاستثنائية للمعادن النانوية البلورية إلى تقوية حدود الحبيبات ، حيث تُعدّ حدود الحبيبات فعّالة للغاية في منع حركة الانخلاعات. ويحدث الخضوع عندما يصبح الإجهاد الناتج عن تراكم الانخلاعات عند حدود الحبيبات كافيًا لتنشيط انزلاق الانخلاعات في الحبيبة المجاورة. ويزداد هذا الإجهاد الحرج مع انخفاض حجم الحبيبات، وتُجسّد هذه الخصائص الفيزيائية تجريبيًا من خلال علاقة هول-بيتتش.

${\displaystyle \sigma _{y}=\sigma _{0}+Kd^{-1/2},}$

أين${\displaystyle \sigma _{y}}$هو إجهاد الخضوع،${\displaystyle \sigma _{0}}$ هو ثابت خاص بالمادة يأخذ في الاعتبار تأثيرات جميع آليات التقوية الأخرى،${\displaystyle K}$هو ثابت خاص بالمادة يصف مقدار استجابة المعدن لتقوية حجم الحبيبات، و${\displaystyle d}$يمثل متوسط ​​حجم الحبيبات. ^{[ 6 ]} بالإضافة إلى ذلك، ولأن الحبيبات النانوية البلورية صغيرة جدًا بحيث لا تحتوي على عدد كبير من الانخلاعات، فإن المعادن النانوية البلورية تخضع لكميات ضئيلة من التصلب الإجهادي ، ^{[ 5 ]} وبالتالي يمكن افتراض أن المواد النانوية البلورية تتصرف بلدونة مثالية.

مع استمرار انخفاض حجم الحبيبات، يتم الوصول إلى حجم حبيبي حرج يصبح عنده التشوه بين الحبيبات، أي انزلاق حدود الحبيبات، أكثر ملاءمة من الناحية الطاقية من حركة الخلع داخل الحبيبات. تحت هذا الحجم الحبيبي الحرج، والذي يُشار إليه غالبًا بنظام هال-بيتتش "العكسي"، فإن أي انخفاض إضافي في حجم الحبيبات يُضعف المادة لأن زيادة مساحة حدود الحبيبات تؤدي إلى زيادة انزلاق حدود الحبيبات. قام تشاندروز وأرجيباي بنمذجة انزلاق حدود الحبيبات كتدفق لزج، وربطا مقاومة الخضوع للمادة في هذا النظام بخصائص المادة.

${\displaystyle \tau ={\bigg (}L{\frac {\rho _{L}}{M}}{\bigg )}{\bigg (}1-{\frac {T}{T_{m}}}{\bigg )}f_{g},}$

أين${\displaystyle L}$هي إنثالبي الانصهار ،${\displaystyle \rho _{L}/M}$يمثل الحجم الذري في الطور غير المتبلور،${\displaystyle T_{m}}$هي درجة حرارة الانصهار، و${\displaystyle f_{g}}$يمثل الكسر الحجمي للمادة داخل الحبيبات مقابل حدود الحبيبات، ويُعطى بواسطة${\displaystyle f_{g}=(1-\delta /d)^{3}}$، أين${\displaystyle \delta }$ يمثل سمك حدود الحبيبات، ويبلغ عادةً حوالي 1  نانومتر. تُحدد أقصى قوة للمعدن بتقاطع هذا الخط مع علاقة هول-بيتتش، والتي تحدث عادةً عند حجم حبيبات يبلغ${\displaystyle d}$= 10  نانومتر للمعادن ذات البنية المكعبة المتمركزة في الجسم (BCC) والمكعبة المتمركزة في الوجه (FCC). ^{[ 4 ]}

نظراً لكمية الطاقة السطحية الكبيرة المرتبطة بنسبة حجمية عالية من حدود الحبيبات، فإن المعادن النانوية البلورية غير مستقرة حرارياً. في عينات نانوية بلورية من معادن ذات درجة انصهار منخفضة (مثل الألومنيوم والقصدير والرصاص ) ، لوحظ أن حجم الحبيبات يتضاعف من 10 إلى 20 نانومتر بعد 24 ساعة من التعرض لدرجات حرارة الغرفة. ^{[ 5 ]} على الرغم من أن المواد ذات درجات الانصهار الأعلى أكثر استقراراً في درجات حرارة الغرفة، إلا أن دمج المواد الخام النانوية البلورية في مكون كبير الحجم غالباً ما يتطلب تعريض المادة لدرجات حرارة مرتفعة لفترات طويلة، مما يؤدي إلى زيادة خشونة البنية المجهرية النانوية البلورية. لذلك، تحظى السبائك النانوية البلورية المستقرة حرارياً باهتمام هندسي كبير. وقد أظهرت التجارب أن تقنيات تثبيت البنية المجهرية التقليدية، مثل تثبيت حدود الحبيبات عن طريق فصل المذاب أو زيادة تركيزات المذاب، أثبتت نجاحها في بعض أنظمة السبائك، مثل Pd-Zr و Ni-W. ^{[ 7 ]} 

على الرغم من أن السلوك الميكانيكي للخزف غالباً ما يهيمن عليه العيوب، أي المسامية، بدلاً من حجم الحبيبات، إلا أنه يُلاحظ أيضاً تقوية حجم الحبيبات في عينات الخزف عالية الكثافة. ^{[ 8 ]} بالإضافة إلى ذلك، فقد ثبت أن الخزف النانوي يتلبد بسرعة أكبر من الخزف الكتلي، مما يؤدي إلى كثافات أعلى وخصائص ميكانيكية محسّنة، ^{[ 5 ]} على الرغم من أن التعرض المطول للضغوط العالية ودرجات الحرارة المرتفعة اللازمة لتلبيد الجزء إلى الكثافة الكاملة يمكن أن يؤدي إلى خشونة البنية النانوية.

يُسبب الحجم الكبير لحدود الحبيبات المرتبطة بالمواد النانوية سلوكًا مثيرًا للاهتمام في الأنظمة الخزفية، مثل اللدونة الفائقة في الخزفيات الهشة. يسمح هذا الحجم الكبير لحدود الحبيبات بتدفق انتشاري كبير للذرات عبر زحف كوبل ، وهو ما يُشابه آلية تشوه انزلاق حدود الحبيبات في المعادن النانوية. ولأن معدل الزحف الانتشارى يتناسب طرديًا مع${\displaystyle d^{-3}}$وبشكل خطي مع معامل انتشار حدود الحبيبات، فإن تقليل حجم الحبيبات من 10 ميكرومتر إلى 10  نانومتر يمكن أن يزيد معدل الزحف الانتشارى بمقدار 11 رتبة تقريبًا. قد تكون هذه اللدونة الفائقة ذات قيمة كبيرة في معالجة المكونات الخزفية، حيث يمكن تحويل المادة مرة أخرى إلى مادة تقليدية ذات حبيبات خشنة من خلال معالجة حرارية إضافية بعد التشكيل. ^{[ 5 ]}