محققان اتریشی نشان دادند که لایه‌های بسیار نازک سرامیکی برخلاف لایه‌های فلزی، دچار خستگی نمی‌شوند و دوام بالاتری دارند.
نانولایه‌های سرامیکی خسته نمی‌شوند!
پوشش‌های سرامیکی بسیار نازک می‌توانند خواص محصولات را به‌طور کامل تغییر دهند. به‌عنوان مثال از پوشش‌ها برای افزایش مقاومت فلزات در برابر گرما یا خوردگی استفاده می‌شود. فرآیندهای پوشش‌دهی برای تیغه‌های بزرگ توربین و همچنین برای ابزارهای در معرض استرس اهمیت زیادی دارند.
محققان دانشگاه صنعتی وین، به بررسی این موضوع پرداختند که چه چیزی ثبات چنین پوشش‌هایی را تعیین می‌کند. نتایج به دست آمده بسیار حیرت‌آور است. آن‌ها دریافتند که لایه‌های سرامیکی به روشی کاملاً متفاوت نسبت به فلزات تجزیه می‌شوند. خستگی ماده نقش اندکی دراین فرآیند دارد. عامل تعیین‌کننده شدت پیک‌های بار شدید (یا به اصطلاح ضریب شدت استرس) است. این یافته روش مورد استفاده برای اندازه‌گیری و بهبود بیشتر مقاومت فیلم‌های نازک در آینده را تغییر می‌دهد. نتایج این پروژه در نشریه Acta Materialia منتشر شده است.
پروفسور هلموت ریدل، رئیس گروه تحقیقاتی سطح کاربردی و پوشش فناوری پوشش در انستیتوی علوم و فناوری مواد دانشگاه صنعتی وین می‌گوید: «در بسیاری از کاربردها، بارهای دوره‌ای یک مشکل بزرگ است. اگر بارها و بارها اجزای فلزی را در معرض نیروی خاصی قرار دهید، تغییراتی در مقیاس میکروسکوپی رخ می‌دهد. برخی از اتم‌ها ممکن است تغییر مکان دهند، لایه‌هایی تشکیل می‌شوند که می‌توانند روی یکدیگر لیز بخورند، ترک‌های ریز می‌توانند توسعه یافته و در نهایت منجر به شکستگی کل ساختار شوند. چنین اثرات خستگی در مهندسی فراگیر است و به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است.
با این حال، آنچه در پوشش‌های نازک تحت استرس اتفاق می‌افتد، چندان شفاف نیست. لوکاس زونر، که در حال کار بر روی پایان‌نامه خود در گروه تحقیقاتی سطح کاربردی و پوشش فناوری است، می‌گوید: «پوشش‌های سرامیکی اغلب فقط چند نانومتر تا ۱۰ میکرومتر ضخامت دارند، رفتار آن‌ها کاملاً متفاوت از یک قطعه سرامیک جامد توده‌ای است.»
برای به دست آوردن عمیق‌ترین درک از این رفتار، روش‌های اندازه‌گیری کاملاً جدید در این دانشگاه توسعه داده شد. به جای آزمایش روکش فلز و سرامیکی، که معمولاً انجام می‌شود، این تیم نمونه‌های بسیار نازک از مواد سرامیکی مختلف را که معمولاً استفاده می‌شود، تولید کرده و آن‌ها را در معرض بارهای مختلف به روشی دقیق و مشخص قرار می‌دهند.
برای اینکه دقیقاً بدانید که آیا ساختار اتمی تغییر کرده است، این تیم مجموعه آزمایشی خود را به هامبورگ برد. در آنجا، اشعه ایکس بسیار متمرکز در Synchrotron Desy در دسترس بود، که می‌توانست برای بررسی استفاده شود. حتی تغییرات کوچک در ساختار کریستال یا در فاصله بین اتم‌های همسایه باید از این طریق قابل تشخیص باشد.
با کمال تعجب، این اندازه‌گیری‌ها نشان داد، لایه‌های سرامیک در اثر اعمال فشار تغییر نمی‌کند. حتی میلیون‌ها چرخه بار منجر به خستگی ماده نمی‌شوند. هلموت ریدل می‌گوید: «سرامیک‌های استاندارد مطابق با الگوهای خاص، شبیه به نوع خستگی که از فلزات می‌شناسیم، خستگی را تجربه می‌کنند. اما این لایه‌های بسیار نازک این رفتار را نشان نمی‌دهند. ساختار آن‌ها در پایان همانطور بود، که در آغاز بود.»
این بدان معنی است که دوام لایه‌های نازک منحصراً توسط سختی شکستگی آن‌ها تعیین می‌شود. اگر از محدوده بار مشخص مواد فراتر بروید، لایه از بین می‌رود. با این حال، تمام بارهای زیر این حد مشکلی ندارند، این لایه‌های سرامیکی با افزایش سن، عملاً هیچ تغییری نمی‌کنند.
