دليل شامل للمعادن غير المتبلورة

1. مقدمة عن الفلزات غير المتبلورة

الفلزات غير المتبلورة، والمعروفة أيضًا باسم الزجاجيات الفلزية، هي فئة فريدة من المواد التي تتميز بتركيبها الذري غير المنتظم. على عكس المعادن البلورية، التي لها ترتيب ذري منتظم ومتكرر، تفتقر المعادن غير المتبلورة إلى هذا الترتيب، مما يؤدي إلى خصائص متميزة. ويضفي هذا النقص في التبلور مزيجًا من القوة العالية والمرونة ومقاومة التآكل، مما يجعل هذه المواد مرغوبة للغاية في مختلف التطبيقات المتقدمة.

[1]

2. طرق الإنتاج

عادةً ما يتم إنتاج المعادن غير المتبلورة من خلال عمليات التبريد السريع، والتي تمنع الذرات من الترتيب في بنية بلورية. تشمل الطرق الشائعة ما يلي:

• الغزل الذائب: يتم تبريد المعدن المنصهر بسرعة على عجلة دوّارة لتشكيل شرائط رقيقة. تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع في إنتاج أشرطة معدنية غير متبلورة للمحولات والتطبيقات المغناطيسية الأخرى.
• التبريد بالتبريد المسطح: يتم تبريد قطرة من المعدن المنصهر بسرعة بين سطحين باردين، مما يشكل أقراصًا رقيقة مسطحة من المعدن غير المتبلور. تُستخدم هذه الطريقة في الإعدادات المختبرية لتحليل المواد بسرعة وإنتاجها على نطاق صغير.

[2]

• PVD (الترسيب الفيزيائي للبخار): يتم ترسيب ذرات معدنية على ركيزة في بيئة مفرغة من الهواء، مما يسمح بتكوين أغشية غير متبلورة يتم التحكم فيها. تُستخدم هذه التقنية بشكل شائع في صناعة الإلكترونيات لإنشاء أغشية رقيقة ذات خصائص مغناطيسية أو بصرية محددة.

3. الخصائص والتطبيقات

تتميز المعادن غير المتبلورة بخصائص فريدة من نوعها، بما في ذلك القوة العالية والمرونة ومقاومة التآكل:

• قوة عالية: غالبًا ما تتمتع المعادن غير المتبلورة بقوة شد أعلى مقارنة بنظيراتها البلورية بسبب عدم وجود حدود حبيبية. على سبيل المثال، تُظهر السبائك الزجاجية المعدنية مثل Vitreloy 1 قوة شد تصل إلى 1.9 جيجا باسكال، وهي أعلى بكثير من الفولاذ التقليدي.
• المرونة: يمكن أن تُظهر هذه المعادن إجهادًا مرنًا كبيرًا، مما يجعلها مرنة للغاية. يمكن للمعادن غير المتبلورة أن تخضع لإجهاد مرن يصل إلى 2% مقارنةً بالمعادن البلورية التي تُظهر عادةً إجهاداً مرناً بنسبة 0.2% تقريباً.
• مقاومة التآكل: يؤدي عدم وجود حدود حبيبية وبنية متجانسة إلى مقاومة ممتازة للتآكل. على سبيل المثال، أظهرت النظارات المعدنية القائمة على الزر مقاومة فائقة للتآكل في البيئات المالحة، مما يجعلها مثالية للتطبيقات البحرية.
• الخواص المغناطيسية: تُظهر بعض المعادن غير المتبلورة خواص مغناطيسية ناعمة، مما يجعلها مفيدة في نوى المحولات والدرع المغناطيسي. على سبيل المثال، تتمتع السبائك غير المتبلورة القائمة على الحديد بقابلية إكراه وفقدان لُب أقل من الحديد البلوري، مما يحسن كفاءة الطاقة في المحولات.
• المقاومة الكهربائية: المقاومة الكهربائية العالية هي ميزة بارزة أخرى، والتي يمكن أن تكون مفيدة في تطبيقات محددة مثل المقاومات وأجهزة الاستشعار المغناطيسية.

تجد المعادن غير المتبلورة تطبيقات في مختلف الصناعات بسبب خصائصها الفريدة:

• الإلكترونيات: تستخدم في نوى المحولات والمحثات، خاصة في التطبيقات عالية التردد حيث يكون فقدان الطاقة المنخفض أمرًا بالغ الأهمية. على سبيل المثال، يمكن أن تقلل النوى المعدنية غير المتبلورة من فقد الطاقة بنسبة تصل إلى 70% مقارنةً بالنوى التقليدية المصنوعة من فولاذ السيليكون.
• الأجهزة الطبية الحيوية: إن توافقها الحيوي ومقاومتها للتآكل يجعلها مناسبة للغرسات الطبية والأدوات الجراحية. تُستخدم النظارات المعدنية القائمة على الزر بشكل خاص في الدعامات وزرعات تقويم العظام.
• السلع الرياضية: يُستخدم في المعدات الرياضية عالية الأداء، مثل مضارب الغولف ومضارب التنس، لقوتها ومرونتها. تساعد مرونة الزجاج المعدني في نقل الطاقة بشكل أفضل، مما يعزز أداء المعدات.
• الدفاع والفضاء: يُستخدم في الدروع خفيفة الوزن والمكونات الهيكلية التي تتطلب نسباً عالية من القوة إلى الوزن. كما تُستخدم الطلاءات المعدنية غير المتبلورة لحماية المكونات الفضائية من التآكل والتآكل.
• الإلكترونيات الاستهلاكية: تُستخدم في الأغلفة والمكونات الهيكلية بسبب متانتها ومقاومتها للخدوش. فساعة Apple Watch، على سبيل المثال، تستخدم سبيكة زجاجية معدنية في غلافها نظرًا لقوتها ونعومتها.

4. التحديات والتطورات

ومع ذلك، تواجه المعادن غير المتبلورة العديد من التحديات التي حدّت من اعتمادها وتطبيقاتها على نطاق واسع. ومن بين العقبات الرئيسية تكاليف الإنتاج، ومحدودية الحجم، والهشاشة، وكل منها يشكل عقبات كبيرة في سياقات مختلفة.

ويتمثل التحدي الأبرز في ارتفاع تكلفة الإنتاج. وتتطلب عملية التبريد السريع للمعدن المنصهر لمنع التبلور معدات متخصصة وتحكمًا دقيقًا، مما يجعل عملية التصنيع معقدة ومكلفة في آن واحد. وغالبًا ما تستلزم هذه الحاجة إلى التبريد السريع استخدام آلات متطورة وعالية التكلفة، مما يحد من القدرة على إنتاج المعادن غير المتبلورة على نطاق واسع. وبالتالي، يقتصر استخدامها إلى حد كبير على التطبيقات عالية القيمة حيث تفوق فوائدها نفقات الإنتاج.

ومن القيود المهمة الأخرى صعوبة إنتاج مكونات معدنية غير متبلورة كبيرة الحجم. ويصبح التبريد السريع الضروري للحفاظ على البنية غير المتبلورة صعباً بشكل متزايد مع زيادة حجم المكون. ونتيجة لذلك، لا تتوفر معظم المعادن غير المتبلورة حاليًا إلا في أشكال صغيرة مثل الشرائط أو الأسلاك أو الصفائح الرقيقة. وقد أدى هذا القيد إلى قصر تطبيقها على العناصر الصغيرة والأسواق المتخصصة.

كما تظل الهشاشة مصدر قلق بالغ، لا سيما في التطبيقات الهيكلية حيث من المتوقع أن تتحمل المواد إجهادًا وإجهادًا كبيرين. على الرغم من أن المعادن غير المتبلورة مشهورة بقوتها، إلا أن غياب البنية البلورية يمكن أن يؤدي إلى هشاشتها، مما يجعلها عرضة للكسر في ظل ظروف معينة. وتعتبر هذه الهشاشة إشكالية بشكل خاص في التطبيقات التي تتطلب مواد يمكنها امتصاص الصدمات أو الخضوع للتشوه دون أن تنكسر.

واستجابة لهذه التحديات، تم إحراز تقدم كبير في مجال المعادن غير المتبلورة:

• النظارات المعدنية السائبة (BMGs): تطوير مكونات معدنية غير متبلورة أكبر للاستخدام الصناعي. على سبيل المثال، تم تطوير الزجاجيات المعدنية السائبة (BMGs) مع ليونة محسنة، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات الهيكلية في صناعات السيارات والفضاء.

[3]

• السبائك المتقدمة: ابتكار تركيبات جديدة تعزز خصائص المعادن غير المتبلورة، مثل تحسين الليونة أو مقاومة أعلى للتآكل. ومن الجدير بالذكر أن الزجاج المعدني القائم على البولي بروبيلين والنحاس يتميز بخصائصه الميكانيكية المحسنة.
• التصنيع الإضافي: استكشاف استخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج هياكل معدنية غير متبلورة معقدة. ويمكن لهذا النهج أن يُحدث ثورة في إنتاج مكونات مخصصة ذات خصائص فائقة، مثل غرسات الأسنان والأجزاء الفضائية المعقدة.

5. المعادن غير المتبلورة مقابل الزجاجيات المعدنية

غالبًا ما يستخدم مصطلحا "المعادن غير المتبلورة" و"الزجاج المعدني" بالتبادل. فهما يشيران إلى نفس الفئة من المواد. ومع ذلك، هناك فروق دقيقة في كيفية استخدام هذين المصطلحين، والتي قد يكون من المهم فهمها.

--المعادن غير المتبلورة

الفلزات غير المتبلورة هي فلزات ذات بنية ذرية غير منتظمة، تفتقر إلى النمط المنتظم المتكرر الموجود في الفلزات البلورية. ويتحقق هذا التركيب غير المنتظم عن طريق التبريد السريع للمعدن المنصهر، مما يمنع الذرات من الترتيب في شبكة بلورية.

يؤكد مصطلح "المعدن غير المتبلور" على اضطراب المعدن الذري وغالباً ما يُستخدم عند مناقشة الفئة الأوسع، بما في ذلك طرق التصنيع والتطبيقات المختلفة.

--النظارات الفلزية

النظارات الفلزية هي مجموعة فرعية من المعادن غير المتبلورة التي تُظهر على وجه التحديد بنية تشبه الزجاج. ويسلط هذا المصطلح الضوء على الحالة "الزجاجية" غير البلورية للمادة، والتي تشبه حالة الزجاج التقليدي مثل زجاج السيليكا، ولكنها مصنوعة من سبائك معدنية.

ويُستخدم مصطلح "الزجاج المعدني" بشكل متكرر في السياقات العلمية والأكاديمية، لا سيما عند مناقشة الخواص الفيزيائية والميكانيكية المتعلقة بالحالة الزجاجية، مثل الهشاشة والسلوك المرن.

وباختصار، بينما يشير مصطلحا "المعادن غير المتبلورة" و"الزجاج المعدني" إلى نفس النوع العام من المواد، فإن المصطلح الأول أوسع نطاقًا وأكثر استخدامًا في السياقات الصناعية، في حين أن المصطلح الثاني أكثر تحديدًا وغالبًا ما يستخدم في البحث العلمي لوصف الخصائص الزجاجية لهذه المواد. يمكن أن يساعد فهم هذه الفروق في توصيل خصائص المادة وتطبيقاتها المحتملة بدقة.

6. الخاتمة

تمثلالفلزات غير المتبلورة، بتركيبها الذري الفريد غير المتبلور، تقدمًا كبيرًا في علم المواد. إن الجمع بين قوتها ومرونتها العالية ومقاومتها للتآكل يميزها عن المعادن البلورية التقليدية، مما يجعلها لا غنى عنها في مجال الإلكترونيات والأجهزة الطبية الحيوية والدفاع والفضاء.

وعلى الرغم من التحديات التي تفرضها تكاليف الإنتاج المرتفعة ومحدودية الحجم والهشاشة، تستمر الأبحاث والابتكارات المستمرة في دفع حدود ما هو ممكن باستخدام هذه المواد الرائعة. وبينما تبحث الصناعات عن مواد يمكنها تلبية متطلبات التكنولوجيا الحديثة والابتكار، تستعد المعادن غير المتبلورة لتشكيل مستقبل التطبيقات عالية الأداء. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

مرجع:

[1] أخبار جامعة كاليفورنيا (2021، 31 مارس). تم حل مشكلة عمرها قرن من الزمان من خلال أول تصوير ذري ثلاثي الأبعاد للمادة الصلبة غير المتبلورة. تم الاسترجاع 20 أغسطس 2024، من https://newsroom.ucla.edu/releases/first-ever-3d-atomic-imaging-amorphous-solid

[2] Y.C. Xin، P.K. Chu، 11 - الغرس الأيوني الغاطس بالبلازما (PIII) للسبائك الخفيفة، المحرر (المحررون): هانشان دونغ، في سلسلة Woodhead Publishing في المعادن والهندسة السطحية، الهندسة السطحية للسبائك الخفيفة، Woodhead Publishing، 2010، الصفحات 362-397 ، https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781845695378500117

[3] جامعة فيينا (2024، 20 أغسطس). عدم التجانس الهيكلي في النظارات المعدنية السائبة. تم الاسترجاع 20 أغسطس 2024، من https://sounds-of-matter.univie.ac.at/research-projects/metallic-glass/