ضبابية مستقرة ولكن نفاذية متناقصة: استخدام جسيمات HIFULL® النانوية من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) في السيراميك

مواد خزفية تُستخدم المواد الخزفية على نطاق واسع في العديد من الصناعات، مثل المعدات الإلكترونية والفضاء والطيران والطب الحيوي، نظرًا لمقاومتها الممتازة للحرارة والتآكل وخصائصها الميكانيكية. تُصنع هذه المواد من مساحيق خام من خلال التشكيل والتلبيد في درجات حرارة عالية. وتتميز المواد الخزفية التقليدية بنفاذية ضوئية ضعيفة نتيجةً لكثرة حدود الحبيبات الداخلية والمسام والشوائب. 

لزيادة التحقق من تأثير إضافة أكسيد الألومنيوم النانوي HIFULL® على نفاذية وعتامة السيراميك، استخدم باحثون في شركة هوبي هويفو للمواد النانوية عينات سيراميك خالية من أكسيد الألومنيوم النانوي كعينات مرجعية، وعينات أخرى مضاف إليها أكسيد الألومنيوم النانوي بنسب كتلية 0.5%، 1%، 3%، و5% كعينات تجريبية. ومن خلال مقارنة النفاذية والعتامة عند إضافة كميات مختلفة، هدفوا إلى الكشف عن التأثيرات البصرية للمواد النانوية في تطبيقات السيراميك.

وقام فنيو HIFULL® باختبار النفاذية. وأظهرت البيانات أن شفافية المواد الخزفية تتناقص مع زيادة محتوى أكسيد الألومنيوم النانوي. فبدون إضافة أكسيد الألومنيوم النانوي، كانت نفاذية المواد الخزفية حوالي 10%. وبعد إضافة 0.5% من أكسيد الألومنيوم النانوي، انخفضت النفاذية إلى أقل من 10%. ومع زيادة كمية الإضافة، انخفضت النفاذية النهائية باستمرار إلى 6%.

من الواضح أنه بدون إضافة جزيئات أكسيد الألومنيوم النانوية HIFULL®، تكون البنية المجهرية الداخلية للسيراميك متجانسة نسبيًا، مع وجود مصادر تشتت أقل مثل المسام والشوائب، مما يؤدي إلى أدنى حد من فقدان تشتت الضوء، ويعكس الخصائص البصرية في الظروف الأساسية. عند إضافة جزيئات أكسيد الألومنيوم النانوية، من المفترض نظريًا أن تعزز التلبيد، ولكن عمليًا، غالبًا ما تُشكّل تجمعات صغيرة بسبب التوزيع غير المتجانس، لتصبح مراكز لتشتت الضوء، مما يقلل النفاذية بشكل طفيف. لا تؤثر الكمية المضافة الصغيرة بشكل كبير على البنية المجهرية والشفافية. مع ذلك، عند زيادة الكمية المضافة، تعيق الجسيمات الزائدة تكثيف التلبيد، مما يؤدي إلى زيادة المسامية، وبالتالي تفاقم التشتت، وتقليل النفاذية.

ثم قام الفنيون باختبار عتامة السيراميك، ووجدوا أنها ظلت مستقرة إلى حد كبير (95-96%) مع اختلاف كميات الإضافة. ويعود ذلك إلى أن الاستقرار الكيميائي لجزيئات أكسيد الألومنيوم النانوية لا يُدخل شوائب تشتت قوية ذات تأثير كبير (مثل المواد ذات فروق معامل الانكسار العالية) عند السطح الفاصل مع مصفوفة السيراميك. علاوة على ذلك، فإن حجم وتوزيع التجمعات لا يُغيران نمط التشتت بشكل جذري، لذا تظل خصائص تشتت الضوء ثابتة نسبيًا، مما ينتج عنه عدم وجود تقلبات ملحوظة في العتامة. وهذا يُشير إلى أن كمية أكسيد الألومنيوم النانوية المضافة لها تأثير ضئيل على العتامة، التي تبقى مستقرة.

تؤثر إضافة جزيئات أكسيد الألومنيوم النانوية HIFULL® بشكل ملحوظ على نفاذية السيراميك. فكلما زادت كمية الإضافة، انخفضت النفاذية، ويعود ذلك أساسًا إلى تشتت الجزيئات وإعاقة عملية التكثيف. أما العتامة، فهي أقل تأثرًا بكمية الإضافة، إذ تبقى مستقرة نسبيًا بفضل خصائص البنية المجهرية وخصائص الجسيمات. وهذا يدل على أن التحكم في كمية الإضافة وقابلية تشتت جزيئات أكسيد الألومنيوم النانوية أمر أساسي لتحسين شفافية السيراميك.

مزيد من المعلومات: تأثير السيليكا المدخنة على تحسين شفافية السيراميك

يكشف بحث HIFULL® عن قواعد تأثير جزيئات الألومينا النانوية على الشفافية، مما يوفر أساسًا لتحسين عمليات تحضير السيراميك. ويمكن أن تركز الجهود المستقبلية على تقنيات تشتيت الجسيمات النانوية (مثل تعديل السطح والتشتيت بمساعدة الموجات فوق الصوتية) للحد من تأثيرات التكتل. بالإضافة إلى ذلك، فإن استكشاف التأثيرات التآزرية لمواد مضافة متعددة من شأنه أن يعزز أداء السيراميك الشفاف.

من منظور التحديث الصناعي، يمكن للسيراميك الشفاف عالي الأداء أن يعزز تصغير وكفاءة الأجهزة البصرية، مما يساعد على الابتكار في صناعات الطاقة الجديدة (مثل السيراميك الموصل الشفاف للخلايا الكهروضوئية) والصناعات الطبية الحيوية (أجهزة السيراميك البصرية).

باعتبارها مادة مضافة أساسية، فإن تحسين استخدام أكسيد الألومنيوم النانوي HIFULL® سيسهل عملية تصنيع السيراميك الشفاف على نطاق صناعي، مما يُعيد إحياء مواد السيراميك التقليدية في مجالات التكنولوجيا المتقدمة الحديثة. كما يوفر هذا المنتج دعماً مادياً لتجاوز العقبات التقنية وتحقيق ترقيات تصنيعية عالية المستوى، مُجسداً القيمة التكنولوجية لـ "الابتكار على المستوى الميكروي والنانوي لتحقيق قفزات نوعية في مجال المواد".