دانشمندان چینی موفق به ایجاد یک ماده سرامیکی قوی و انعطاف پذیر شده اند. یک مطالعه جدید نشان می دهد که سرامیک ها را می توان مانند فلز خم کرد. این یافته می تواند به موتورهای سبک تر و کارآمدتر منجر شود. محققان چینی اولین ماده سرامیکی در جهان را ساخته اند که می تواند مانند فلز خم شود. این پیشرفت، اگر درست باشد، می تواند مفاصل مصنوعی و عملکرد موتور را بهبود بخشد.
قبل از این کشف، عموماً اعتقاد بر این بود که انعطاف پذیری و استحکام سرامیک متضاد هستند و اگر دیگری بهبود یابد، هر یک بدتر می شود. چن، استاد بخش مهندسی و علوم مواد در بنیاد ملی علوم طبیعی چین، گفت: «این سرامیک می‌تواند انقلاب‌های تکنولوژیکی را در بسیاری از صنایع ایجاد کند.
چن و همکارانش از دانشگاه Tsinghua یافته های خود را در مجله Science منتشر کردند. ارکا فرانکبرگ از دانشگاه تامپر در فنلاند در مقاله‌ای در همان شماره مجله Science گفت که این کشف می‌تواند به موادی منجر شود که سبک‌تر و قوی‌تر از بهترین آلیاژهای فلزی امروزی هستند.
دانشمندان چینی موفق به ایجاد یک سرامیک قوی و انعطاف پذیر شده اند. سرامیک های انعطاف پذیر می توانند برای طراحی موتورهای هوافضا در آینده انقلابی باشند. سرامیک جدید از فناوری نانو برای انعطاف پذیری استفاده می شود.
دانشمندان با استفاده از نیترید سیلیکون، نانو ستون هایی با دو شکل کریستالی متفاوت ایجاد کردند. هنگامی که نیروی خارجی بر یک ساختار کریستالی وارد می شود، می تواند به نوع دیگری تبدیل شود. این اجازه می دهد تا مواد قبل از بازگشت به شکل اولیه خود خم شوند.
استفاده از ماده سرامیکی در صنعت هوا و فضا و پزشکی
این ماده سرامیکی ممکن است به ویژه برای ایجاد موتورهای هوانوردی مفید باشد. مواد سرامیکی بادوام، سبک وزن و مقاوم در برابر حرارت هستند. موتورهای سرامیکی انعطاف پذیر ممکن است در دماهای بسیار بالاتر و با راندمان سوخت بسیار بهتر نسبت به موتورهای آلیاژی معمولی کار کنند.
یک موتور سرامیکی می تواند بسیار سریعتر از یک موتور آلیاژی حرکت کند زیرا بسیار سبک تر است. با سبک شدن موتور، فشار وارده به سایر اجزا کاهش می یابد.
این ماده ممکن است برای موتورهای خودرو نیز استفاده شود. به دلیل مقاومت حرارتی برتر مواد سرامیکی نسبت به آلیاژها یک موتور سرامیکی ممکن است مخزن خنک کننده کوچکتری داشته باشد. دمای احتراق بالاتر موتور سرامیکی ممکن است نیروی رانش بیشتر و آلودگی کمتری ایجاد کند.
سرامیک های ساخته شده از نیترید سیلیکون می توانند جایگزین فلز در تعویض مفصل شوند زیرا زیست سازگار، سبک و مقاوم در برابر باکتری هستند. اکثر مفاصل مصنوعی ساخته شده از فلز باید هر ده سال یکبار تعویض شوند که گران است.
“مفاصل مصنوعی ساخته شده با سرامیک می توانند پس از کاشت تا پایان عمر باقی بمانند.”
همچنین از این ماده سرامیکی می‌توان برای ساخت یاتاقان‌ها، بخش ضروری توربین‌های بادی که ژنراتور را به پره‌های فن متصل می‌کند، استفاده کرد. دوام هر یاتاقان، که باید چندین تن فشار را در حین استفاده تحمل کند، بر عمر کلی سیستم تأثیر می گذارد.
«سرامیک‌های انعطاف‌پذیر نیترید سیلیکون می‌توانند برای ساخت یاتاقان‌هایی استفاده شوند که دوام بیشتری داشته باشند، که به طور متوسط هزینه انرژی باد را کاهش می‌دهد. بر اساس آزمایش‌ها می‌توان این ماده سرامیکی انعطاف‌پذیر را در مقیاس بزرگ تولید کرد.همچنین مزیت قیمتی آشکاری در زمینه تجهیزات پیشرفته وجود دارد.
چن نمونه ای از مواد معدنی گران قیمت خاکی کمیاب را که برای ساخت پره های توربین تک کریستالی مورد استفاده در موتورهای جت استفاده می شود، بیان کرد. در همان زمان، گرانترین نیترید سیلیکون تقریباً 200 دلار در هر کیلوگرم فروخته می شود.
سرامیک‌های با پیوند توانا خواص برجسته‌ای از جمله سختی، استحکام، بی اثری شیمیایی و مقاومت در برابر گرما و خوردگی از خود نشان می‌دهند، اما کاربرد وسیع‌تر آنها به دلیل شکنندگی در دمای اتاق چالش برانگیز است. برخلاف اتم‌های فلزات که می‌توانند در امتداد سطوح لغزش برای سازگاری با کرنش‌ها بچرخند، اتم‌ها در سرامیک‌های با پیوند کووالانسی به دلیل ویژگی‌های قوی و جهت‌دار پیوندهای کووالانسی نیاز به شکستن پیوند دارند. این در نهایت منجر به شکست فاجعه بار در بارگذاری می شود.
یک رویکرد برای طراحی ماده سرامیک‌های نیترید سیلیکون با پیوند کووالانسی قابل تغییر شکل ارائه می‌کنیم که دارای ساختار دو فازی با رابط‌های منسجم است. سوئیچینگ پیوند پی در پی در رابط های منسجم انجام می شود، که تبدیل فاز ناشی از تنش را تسهیل می کند و در نهایت تغییر شکل پلاستیک را ایجاد می کند.
