جدول المحتويات
يضع تطوير المواد الزجاجية الحديثة أعلى المتطلبات على الطرق التحليلية. لا سيما مع النظارات الحساسة عالية التقنية أو الأغشية الرقيقة أو السيراميك الزجاجي ذي البنية المجهرية، فإن طرق القياس التقليدية تصل بسرعة إلى حدودها القصوى. إن قياس التمدد بالليزر نفسها كتقنية رائدة تتغلب على هذه التحديات من خلال القياسات غير التلامسية عالية الدقة.
الأساسيات التكنولوجية ومبدأ القياس
ويستخدم مقياس التمدد بالليزر شعاع ليزر مركّز لتسجيل تغيرات الطول دون تلامس خلال دورات حرارة محددة. ويستخدم النظام التثليث الليزري لتسجيل تغيرات الأبعاد المجهرية بدقة تصل إلى نطاق النانومتر. هذه الطريقة تقضي تماماً على الأخطاء المنهجية الناجمة عن التلامس الميكانيكي وتتيح تحليل حتى أكثر المواد حساسية دون أي ضعف.
وتتضح براعة هذه الطريقة من خلال توافقها مع مجموعة واسعة من الأشكال الهندسية للعينات وأحجامها. فحتى المواد ذات الأشكال غير المنتظمة أو الكتلة المنخفضة أو الخصائص السطحية الخاصة يمكن توصيفها بشكل موثوق (FunGlass، 2024). يعمل التحكم المتغير في الغلاف الجوي تحت الهواء أو الغاز الخامل أو التفريغ على توسيع نطاق التطبيقات لتشمل المواد الزجاجية التفاعلية.
تحديد دقيق للمعايير الزجاجية الحرجة
درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg)
تحديد درجة حرارة الانتقال الزجاجي درجة حرارة الانتقال الزجاجي عن طريق العقدة المميزة في مخطط التمدد. وتتيح خوارزميات التقييم الحديثة مثل طريقة الظل الثنائي، أو التناسب غير الخطي أو الطرق التحليلية التفاضلية إمكانية القياس الدقيق حتى بالنسبة للتحولات المعقدة (لينسيس، 2024ب). تتيح جودة البيانات العالية لمقياس التمدد بالليزر إجراء تحليلات متباينة لا يمكن تحقيقها بالطرق التقليدية.
نقطة التليين والخصائص الحرارية الأخرى
تتجلى نقطة التليين في صورة الحد الأقصى للمشتقة الأولى ل التغير في الطول ويمكن تحديدها بدقة خاصة باستخدام قياس التمدد بالليزر. وتثبت هذه الدقة العالية أنها حاسمة في توصيف التحولات الزجاجية متعددة الأطوار أو التحولات الزجاجية التدريجية في الزجاج الحديث عالي التقنية.
بالإضافة إلى ذلك، تتيح هذه الطريقة إجراء تحقيق مفصّل في ظواهر أخرى مثل درجة الحرارة الوهمية، والاسترخاء الهيكلي، والتمدد متباين الخواص وكذلك التحولات القابلة للانعكاس وغير القابلة للانعكاس (FunGlass، 2024). تدعم خوارزميات التحليل الحديثة التحديد الدقيق لهذه الخواص الحرارية المعقدة (ScienceDirect، 2024).
مجالات التطبيق في الصناعة والبحوث
لقد أثبت قياس التمدد بالليزر بدون تلامس أنه لا غنى عنه في مختلف مجالات التكنولوجيا الفائقة:
تستفيد النظارات البصرية والألياف الزجاجية من القدرة على دراسة عمليات تخفيف الإجهاد والاسترخاء تحت أجواء محددة بدقة دون تأثيرات ميكانيكية (FunGlass، 2024). هذه الدقة ضرورية لضمان جودة المكونات البصرية.
تتطلب النظارات الطبية الحيوية ذات أحجام العينات الصغيرة للغاية والخصائص البصرية المحددة تحليلاً غير تلامسي لتطوير نظارات الزرع والمواد المتوافقة حيويًا.
تستفيد التطبيقات الإلكترونية مثل نظارات المسار الموصلة من تكامل البيانات القابلة للتشغيل الآلي والدقة العالية، مما يسرّع دورات البحث والتطوير بشكل كبير.
التحقق العلمي والتوحيد القياسي
وقد تم الاعتراف بقياس التمدد بالليزر في المعايير الدولية مثل ASTM E228 و DIN/ISO 7884 كطريقة مرجعية ل الزجاج والسيراميك والمركبات. المعايير التكميلية مثل ASTM E1356 ل DSC-المستندة إلى ASTM E1545 للميكانيكية الحرارية الميكانيكية الحرارية تحديد Tg (ASTM International، 2023؛ ASTM International، 2022) و ISO 11359-2 ل القياسات التوسعية (ISO، 2019) الأساس المعياري لتوصيف الزجاج الحديث. يتيح عدم وجود أخطاء تلامس منهجية إمكانية المقارنة الدولية للنتائج ويجعل هذه الطريقة المعيار الذهبي لتوصيف المواد المتطورة.
يدعم التكامل في البيئات المعملية الذكية الحديثة من خلال تحليل البيانات الرقمية وخيارات الربط الشبكي عمليات المختبر والإنتاج الحديثة.
مقارنة مع طرق قياس التمدد التقليدية
أجهزة قياس التمدد التقليدية التقليدية لمقاييس توسع قضيب الدفع أو الطرق البصرية تصل بسرعة إلى حدودها القصوى مع المواد الزجاجية الحساسة. يمكن أن تؤدي طرق التلامس الميكانيكية إلى إدخال ضغوط في العينة تشوه نتيجة القياس أو حتى تؤدي إلى تلف في حالة الطبقات الرقيقة. توضح المقارنة التالية مزايا قياس التمدد بالليزر:
قياس توسع قضيب الدفع:
- يمكن أن يؤثر التلامس الميكانيكي على العينة
- دقة محدودة (عادةً 10-50 نانومتر)
- مشكلة مع المواد اللينة أو الهشة
- هندسة العينة المقيدة
قياس التمدد البصري (الكلاسيكي):
- حسب سطح العينة وشفافيتها
- أقل دقة مع العينات الصغيرة
- تحكم محدود في درجة الحرارة
- دقة وضوح محدودة (0.1 – 0.5 ميكرومتر)
قياس التمدد بالليزر:
- لا تلامسية بالكامل
- الدقة النانومترية
- عينات هندسية متعددة الاستخدامات ممكنة
- تحكم دقيق في الغلاف الجوي
نصائح عملية للقياس وتحضير العينات
للحصول على أفضل نتائج قياس، يجب أخذ بعض الجوانب العملية في الاعتبار:
إعداد العينة: يجب أن يكون سطح العينة مناسبًا للتركيز الليزري المستقر. في حالة الأسطح الملساء أو الشفافة للغاية، يمكن أن يؤدي الحد الأدنى من المعالجة السطحية (مثل التخشين الطفيف للسطح) إلى تحسين جودة الإشارة.
التحكم في درجة الحرارة: يؤثر معدل التسخين بشكل كبير على دقة التحولات الحرارية. وتتيح معدلات التسخين الأبطأ (1-5 كلفن/الدقيقة) تحديدات أكثر دقة لدرجات الحرارة بينما المعدلات الأسرع مناسبة لتطبيقات الفحص.
اختيار الغلاف الجوي: يعد اختيار الغلاف الجوي للقياس أمرًا بالغ الأهمية بشكل خاص للنظارات الحساسة للأكسدة أو السيراميك الزجاجي. تمنع أجواء الغازات الخاملة التفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها أثناء القياس.
تقييم البيانات: تتيح البرمجيات الحديثة إمكانية إجراء التحليلات الآلية، ولكن يجب التحقق من صحة التحولات الحرجة يدويًا، خاصةً بالنسبة للأنظمة الزجاجية المعقدة ذات التحولات المتعددة.
الاعتبارات الاقتصادية والعائد على الاستثمار
يتم إطفاء الاستثمار في مقياس التمدد بالليزر بعوامل مختلفة:
توفير الوقت: تقلل تسلسلات القياس المؤتمتة والنتائج الدقيقة في الاختبار الأول من تكرار القياسات وتسرّع دورات التطوير.
فقدان العينة: نظرًا لعدم حدوث أي تلف ميكانيكي، يمكن قياس العينات القيمة أو التي يصعب إنتاجها عدة مرات.
ضمان الجودة: يقلل المستوى العالي من قابلية التكرار من الشكاوى ويحسن جودة المنتج على المدى الطويل.
الكفاءة البحثية: تفتح القدرة على توصيف المواد التي لم تكن قابلة للقياس في السابق مجالات جديدة للبحث وتطوير المنتجات. وتستخدم المؤسسات البحثية الجامعية مثل مختبر تشكيل البلازما في جامعة فلوريدا الدولية هذه التكنولوجيا للتحقيق في التحولات الطورية ومعاملات التمدد الحراري (FIU، 2023).
التحديات التقنية والحلول المبتكرة
تقلل الخوارزميات الخاصة وبصريات الليزر المكيّفة من الانعكاسات حتى مع الزجاج شديد الشفافية أو المصقول للغاية. إن التصغير التدريجي يجعل أجهزة قياس التمدد بالليزر مثالية لتحليل المكونات الدقيقة والألياف والمكونات الزجاجية القائمة على الزجاج.
تحدي الشفافية: يعكس الزجاج الضوئي عالي النقاء شعاع الليزر بالحد الأدنى فقط. تعوض الأنظمة الحديثة ذلك باستخدام طاقة الليزر التكيفية وخوارزميات تحسين الإشارة.
التصغير: مع التصغير المتزايد للمكونات، يتزايد الطلب على دقة القياس. وتحقق أجهزة قياس التمدد بالليزر الحالية بالفعل دقة دقة أقل من 1 نانومتر، وبالتالي يمكنها اكتشاف حتى أصغر التأثيرات الحرارية.
الآفاق المستقبلية واتجاهات التنمية
يتطور قياس التمدد بالليزر باستمرار. تشمل الاتجاهات الحالية ما يلي
الذكاء الاصطناعي: تدعم خوارزميات التعلم الآلي بشكل متزايد الكشف التلقائي عن التحولات الحرارية وتصنيفها، خاصة في الأنظمة المعقدة متعددة المكونات.
التكامل متعدد أجهزة الاستشعار: الدمج مع طرق التحليل الأخرى مثل DSC أو TMA في نظام جهاز واحد لتوصيف شامل للمواد. تُظهر الأبحاث الحالية التي تجريها جمعية السيراميك الأمريكية أساليب واعدة للجمع بين طرق التحليل الحراري المختلفة (جمعية السيراميك الأمريكية، 2024).
التوائم الرقمية: دمج بيانات القياس في نماذج المواد الرقمية لتطوير المواد التنبؤية وتحسين العمليات.
اتصال الصناعة 4.0: التكامل الكامل في مفاهيم المصنع الذكي مع نقل البيانات في الوقت الفعلي وتقييم الجودة التلقائي.
الخاتمة
يثبت قياس التمدد بالليزر نفسه بشكل متزايد كإجراء قياسي في توصيف المواد الزجاجية الحساسة. إن الجمع بين القياس بدون تلامس والدقة المتناهية والتنوع يجعله أداة لا غنى عنها لتطوير وضمان جودة الزجاج الحديث عالي التقنية. يؤكد التوحيد القياسي الدولي والاعتراف العلمي على أهمية تقنية التحليل المبتكرة هذه لمستقبل البحث والتطوير في مجال الزجاج.
المراجع
- الجمعية الأمريكية للسيراميك. (2024). النمذجة تعلّم الكلاب القديمة حيلًا جديدة: تنبؤات اللزوجة من قياس التمدد وDSC. سيراميك تيك توداي. تم الاسترجاع من https://ceramics.org/ceramic-tech-today/viscosity-predictions-from-dilatometry-and-dsc/
- ASTM الدولية. (2022). ASTM E1545 طريقة الاختبار القياسية ASTM E1545 لتعيين درجة حرارة الانتقال الزجاجي بواسطة التحليل الميكانيكي الحراري. مأخوذة من https://store.astm.org/e1545-22.html
- ASTM الدولية. (2023). ASTM E1356 طريقة الاختبار القياسية ASTM E1356 لتعيين درجات حرارة انتقال الزجاج بواسطة المسح التفاضلي للمسعرات الحرارية. مأخوذة من https://www.astm.org/e1356-23.html
- FIU – جامعة فلوريدا الدولية، مختبر تشكيل البلازما. (2023). تحليل قياس التمدد للمواد. مأخوذة من https://pfl.fiu.edu/dilatometry-analysis-of-materials
- FunGlass – مركز الزجاج الوظيفي والوظيفي السطحي. (2024). مشروع أبحاث FunGlass. تم الاسترجاع من https://www.funglass.eu
- ISO – المنظمة الدولية للتوحيد القياسي. (2019). ISO 6721-11:2019 – البلاستيك – تحديد الخواص الميكانيكية الديناميكية – الجزء 11: درجة حرارة انتقال الزجاج. مأخوذة من https://www.iso.org/standard/74988.html
- ساينس دايركت. (2024). قياس التمدد – نظرة عامة. ScienceDirect Topics. تم الاسترجاع من https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/dilatometry
