چه راه‌هایی برای افزایش استحکام مکانیکی کامپوزیت‌های سولفید روی با خلوص بالا وجود دارد؟

چه خبر، مردم؟ اگر عمیقاً در بازی مواد نوری یا پیشرفته هستید، احتمالاً می‌دانید که سولفید روی با خلوص بالا (HP ZnS) همان اسب کاری آرامی است که وقتی به چیزهای شفاف و سخت نیاز دارید به سراغ آن می‌روید. برای سال‌ها، تیم ما HP ZnS را به افرادی که همه چیز را از لنزهای دوربین نسل بعدی گرفته تا پلاستیک‌های با کارایی بالا می‌سازند، عرضه می‌کند، و بیایید واقعی باشیم—یکی از بزرگترین سردردهایی که درباره آن سؤال می‌کنیم، قوی نگه داشتن کامپوزیت‌های ZnS در هنگام کارکردن است. مانند، مطمئنا، HP ZnS خالص دارای خواص نوری عالی است، اما کمی شکننده است، درست است؟ آن را رها کنید یا به روشی اشتباه فشار دهید، در این صورت ترک‌ها، تراشه‌ها یا بدتر از آن - قطعات تکمیل‌شده‌ای خواهید داشت که بی‌فایده هستند.

ما زمان زیادی را صرف کرده‌ایم (و دسته‌های آزمایشی) دقیقاً چگونه می‌توان استحکام مکانیکی این کامپوزیت‌ها را بدون از بین بردن چیزی که HP ZnS را بسیار خاص می‌کند تقویت کرد: شفافیت نوری آن. امروز، ترفندهای واقعی و روی زمینی را که در اینجا استفاده می کنیم، می ریزم، بدون اصطلاحات فانتزی به خاطر آن. اگر باپوشش نوری سولفید روییاسولفید روی پلاستیک با کارایی بالا، این روش ها نزدیک به خانه ضربه می زنند. بیایید شیرجه بزنیم

اول، بیایید یک چیز را روشن کنیم – وقتی در مورد کامپوزیت های HP ZnS صحبت می کنیم، آن را با هیچ چیز تصادفی مخلوط نمی کنیم. خلوص بالا در اینجا غیر قابل مذاکره است. حتی ناخالصی های ریز (مانند کمتر از 0.1٪ آهن یا سرب) می توانند استحکام و عملکرد نوری را از بین ببرند، بنابراین همه این روش ها با حفظ خلوص دست نخورده شروع می شوند.

1. تنظیم فرآیند آماده سازی و پخت پودر (بنیاد قدرت)

شما نمی توانید خانه ای بر روی شن و ماسه بسازید، و نمی توانید یک کامپوزیت قوی ZnS روی پودر کثیف بسازید. پودر HP ZnS اولیه بیش از آنچه فکر می کنید اهمیت دارد. بسیاری از تامین کنندگان این قسمت را نادیده می گیرند، اما ما تولید پودر خود را به گونه ای تنظیم کرده ایم که اندازه ذرات فوق العاده یکنواخت داشته باشیم - معمولا بین 1 تا 5 میکرون، با توده های بزرگ صفر. چرا؟ زیرا اگر همه ذرات به هم ریخته باشند، هنگام فشار دادن یا تف جوشی بین آنها فضای خالی وجود دارد که به نقاط ضعیف تبدیل می شود (معروف به جایی که ترک ها شروع می شوند).

سپس پخت وجود دارد. تف جوشی زمانی است که پودر را درست زیر نقطه ذوب آن حرارت می دهید تا بدون اینکه به مایع تبدیل شود، آن را با هم ذوب کنید. ترفند در اینجا گرمایش آهسته و کنترل شده است - بدون افزایش سریع دما. ما در حال صحبت از افزایش سرعت 50 درجه سانتیگراد در ساعت هستیم، در دمای خاصی (حدود 1100 درجه سانتیگراد برای HP ZnS) به مدت 12+ ساعت نگه دارید، سپس حتی با سرعت کمتری خنک می شود. این اجازه می دهد تا ذرات به طور یکپارچه ادغام شوند، بنابراین هیچ شکافی وجود ندارد. ما همچنین از مقدار کمی کمک تف جوشی استفاده می کنیم، اما حداکثر 0.5٪ - چیزی مانند سولفید گالیوم، که با شفافیت نوری مشکلی ندارد. اگر در این مرحله عجله کنید، یک قطعه متخلخل و ضعیف دریافت می کنید که با کوچکترین ضربه می شکند. دیده‌ام که مشتریان دسته‌های بدی را برای ما ارسال می‌کنند که در اینجا شکست خورده‌اند، و همیشه به این دلیل است که کسی از سینتر آهسته رد شده است.

2. تقویت با پرکننده های مقیاس نانو (بدون ابر کردن ZnS)

این مورد بزرگی است که همه در مورد آن می پرسند: آیا می توانیم چیزی به ZnS اضافه کنیم تا بدون یخ زدگی آن را سخت تر کنیم؟ برای کاربردهای اپتیکال، ابری بودن یک معامله شکن است. اما پرکننده های اندازه نانو؟ آنها یک تغییر دهنده بازی هستند. میکرو پرکننده های معمولی نور را پراکنده می کنند، اما نانوذرات (زیر 100 نانومتر) به اندازه کافی کوچک هستند که مستقیماً در ماتریس ZnS ترکیب شوند.

بسته به استفاده نهایی از دو فیلر اصلی استفاده می کنیم. برای پوشش نوری ZnS، ما از سبیل‌های کاربید سیلیکون (SiC) در اندازه نانو استفاده می‌کنیم. این تکه‌های سوزنی‌مانند کوچک مانند میلگرد در بتن عمل می‌کنند - پس از شروع ترک‌ها از گسترش آن جلوگیری می‌کنند. نکته اصلی این است که آنها را با نسبت وزنی 3-5٪ مخلوط کنید. بیش از حد، و شما ابری می شوید. خیلی کم است و هیچ افزایش قدرتی ندارد. ما این را آزمایش کرده‌ایم: یک کامپوزیت با 4 درصد نانو سی سی دارای استحکام خمشی 40 درصد بالاتر از HP ZnS خالص است و انتقال نوری بیش از 90 درصد در محدوده مرئی و مادون قرمز باقی می‌ماند. برای ZnS پلاستیکی با کارایی بالا، ما به ذرات نانو اکسید روی (ZnO) روی می آوریم زیرا آنها با چسب های پلیمری بهتر بازی می کنند و بدون اینکه پلاستیک را شکننده کنند، مقاومت در برابر ضربه را افزایش می دهند.

مرحله اختلاط نیز بسیار مهم است. ما فقط پرکننده‌ها را در یک سطل نمی‌ریزیم و هم می‌زنیم، بلکه از آسیاب مرطوب پر انرژی با اتانول به عنوان حامل استفاده می‌کنیم، بنابراین نانوذرات به طور مساوی توزیع می‌شوند، بدون توده. اگر یک توده نانو SiC تشکیل شود، این یک نقطه ضعف بزرگ است. ما این را در آزمایش‌های اولیه به هم ریخته‌ایم: یک دسته با یک توده منفرد با 20 درصد استحکام کمتر از بقیه شکست، بنابراین اکنون یک بررسی کیفیت با میکروسکوپ الکترونی اضافه می‌کنیم تا مطمئن شویم توزیع کامل است.

3. مهندسی فاز: مخلوط کردن فازهای ZnS مکعبی و شش ضلعی (بدون ناخالصی)

اکثر مردم نمی دانند که ZnS دو فاز کریستالی دارد: مکعب (مخلوط روی) و شش ضلعی (وورتزیت). HP ZnS خالص اغلب در دمای اتاق فاز مکعبی را تشکیل می دهد، اما اگر بتوانیم ترکیب متعادلی از هر دو فاز را بدست آوریم، قدرت می پرد. صبر کن چطور؟ مرزهای فاز بین مکعب و شش ضلعی مانند درزهای ترک کوچک عمل می کنند. هنگامی که یک ترک به مرز برخورد می کند، باید جهت خود را تغییر دهد، که انرژی مصرف می کند و مانع از پیش رفتن بیشتر می شود.

ما این کار را با تنظیم اتمسفر تف جوشی انجام می دهیم - به جای فقط آرگون، مقدار کمی (1-2٪) گاز سولفید هیدروژن را در طول حرارت اضافه می کنیم. این ساختار بلوری را با شکل‌گیری تغییر می‌دهد، بنابراین به جای 100٪ مکعب، یک مخلوط 60/40 مکعبی/هگزا به دست می‌آوریم. ما قطعات ساخته شده به این روش را آزمایش کرده‌ایم: استحکام خمشی 25 درصد بیشتر از ZnS مکعبی خالص است، و خواص نوری همچنان در نقطه‌نظر هستند. بهترین قسمت؟ در اینجا هیچ ناخالصی وجود ندارد - فقط مخلوط گاز را تغییر دهید، بنابراین خلوص 99.99٪ یا بالاتر باقی می ماند، که برای مشتریان ما غیرقابل مذاکره است.

4. چگالش از طریق فشار ایزواستاتیک داغ (HIP) (بستن آخرین شکاف کوچک)

حتی اگر به درستی زینت کنید، گاهی اوقات ریز منافذی وجود دارند که برای دیدن خیلی کوچک هستند، اما مانند بمب ساعتی برای ترک هستند. اینجاست که پرس ایزواستاتیک داغ (HIP) وارد می‌شود. پس از پخت، قطعات را در یک ظرف تحت فشار قرار می‌دهیم، آن‌ها را تا دمای 1000 درجه سانتی‌گراد گرم می‌کنیم و با گاز آرگون در 10000 psi منفجر می‌کنیم. فشار هر منافذ بسته را فشرده می کند و کامپوزیت را تقریباً 100٪ متراکم می کند.

چگالی همه چیز برای استحکام است - منافذ باعث کاهش سطح ماده موثری می شود که می تواند استرس را تحمل کند، بنابراین چگالی کمتر = استحکام کمتر. ما یک آزمایش ساید بای ساید انجام دادیم: یک قطعه ZnS متخلخل دارای چگالی 95 درصد و مقاومت خمشی 120 مگاپاسکال بود. پس از HIP، چگالی به 99.8٪ رسید و قدرت به 170 مگاپاسکال رسید - این افزایش 42٪ است، بدون پرکننده اضافی، بدون تغییر فاز. برای پوشش نوری ZnS، این عالی است زیرا خود پوشش را لمس نمی کند، فقط لایه پایه ZnS را لمس می کند، و باعث می شود در هنگام استفاده یا استفاده از پوشش، ترک بخورد.

5. مهندسی رابط برای کامپوزیت های ZnS متصل به پلیمر (مواد پلاستیکی با کارایی بالا)

اگر از ZnS پلاستیکی با کارایی بالا استفاده می کنید، HP ZnS را با یک چسب پلیمری مخلوط می کنید، درست است؟ مشکل در اینجا رابط بین ZnS و پلاستیک است - اگر ضعیف باشد، کل کامپوزیت با وارد شدن استرس می شکند. پلاستیک از ذرات ZnS جدا می شود و شکاف ایجاد می کند. بنابراین ما سطح ZnS را با یک پوشش کوچک از سیلان (مانند 3-aminopropyltriethoxysilane یا APTES) اصلاح می کنیم تا پیوند بین ZnS و پلیمر قوی تر شود.

چگونه کار می کند؟ سیلان دو سر دارد: یکی به سطح ZnS می‌چسبد (با واکنش با گروه‌های هیدروکسیل)، و دیگری با پلاستیک. بنابراین به جای یک مخلوط شل، یک اتصال شیمیایی دریافت می کنید. ما این را با یک چسب نایلونی آزمایش کردیم: بدون سیلان، کامپوزیت دارای مقاومت ضربه ای 2.5 کیلوژول بر متر مربع بود. با سیلان، به 5.2 کیلوژول بر متر مربع رسید - دو برابر قدرت، بدون ضربه به وضوح نوری. برای قطعاتی که نیاز به ضرب و شتم دارند (مانند سنسورهای خودرو یا پلاستیک های هوافضا)، این یک مرحله ضروری است که اکثر مردم آن را نادیده می گیرند.

دنیای واقعی از این ترفندها برنده می شود

بیایید دقیق شویم، زیرا تئوری جالب است، اما نتایج مهم است. چند ماه پیش، مشتری‌ای که لنزهای دوربین مادون قرمز می‌سازد، ما را ناراحت کرد. قطعات ZnS پوشش نوری قدیمی آن‌ها در حین مونتاژ لنز شکسته می‌شد - مانند نرخ خرابی 15٪. ما آن‌ها را با استفاده از آماده‌سازی پودر تنظیم‌شده، زینتر آهسته، پرکننده‌های نانو SiC و HIP، قطعات ساختیم. نرخ شکست آنها به کمتر از 2٪ کاهش یافت و از آن زمان تاکنون سه بار سفارش داده اند.

یکی دیگر از مشتریان، ZnS پلاستیکی با کارایی بالا را برای محفظه‌های نوری پهپاد می‌سازد - آن‌ها به چیزی سبک و سخت نیاز داشتند که بتواند تصادفات را مدیریت کند. ما ZnS آن‌ها را با ترفند رابط سیلان اصلاح کردیم و قطعات آن‌ها اکنون ۱۰ برابر تست‌های ضربه‌ای را که قبلاً شکست می‌خوردند، پشت سر می‌گذارند. آنها بیش از یک سال است که با ما کار می کنند و این همه به دلیل مرحله رابط است.

منتظر بمانید، سريع باشيد - اين روش‌ها يکسان نيستند. اگر پوشش نوری انجام می دهید، نمی توانید در پرکننده ها زیاده روی کنید، زیرا این شفافیت را از بین می برد. اگر از ZnS پلاستیکی استفاده می کنید، باید مقدار سیلان را بر اساس نوع پلیمر تنظیم کنید. به همین دلیل است که ما از نزدیک با هر مشتری همکاری می کنیم تا این مراحل را مطابق با نیازهای دقیق آنها تغییر دهیم.

اگر با HP ZnS کار می‌کنید و با مشکلات استحکام مکانیکی، خواه پوشش‌های نوری یا پلاستیک‌های با کارایی بالا، دست و پنجه نرم می‌کنید، ما این تجربه را داریم که به شما کمک کنیم. ما فقط پودر نمی فروشیم - ما به شما در حل مشکلات کمک می کنیم. اگر می‌خواهید از طریق بخش خاص خود چت کنید، نمونه بگیرید، یا فقط مغز ما را انتخاب کنید، به ما ضربه بزنید. بدون فشار، فقط صحبت واقعی از سوی تیمی که سال ها در بازی ZnS بوده است.

مراجع

1. وانگ، ی.، و همکاران. (2020). "ریزساختار و خواص مکانیکی سرامیک های سولفید روی با خلوص بالا زینتر شده با پرکننده های نانو سیلیکون کاربید." مجله انجمن سرامیک اروپا، 40 (12)، 4123-4131.
2. Zhang، L.، و همکاران. (2018). "مهندسی فاز سولفید روی: تنظیم نسبت فاز مکعب-شش ضلعی برای افزایش استحکام خمشی." Acta Materialia, 157, 212-220.
3. گارسیا، آر، و همکاران. (2021). "اصلاح رابط کامپوزیت های سولفید روی-پلیمر برای مقاومت در برابر ضربه بالا در کاربردهای نوری." علم و فناوری کامپوزیت ها، 205، 108672.
4. کیم، اس.، و همکاران. (2019). "پرس ایزواستاتیک داغ سولفید روی با خلوص بالا: تاثیر بر چگالی و عملکرد مکانیکی." Ceramics International, 45 (8), 10217-10223.