جدول المحتويات
مقدمة
في مجال السيراميك التقني، يلعب التأثير المستهدف لخصائص المواد من خلال أجواء التلبيد المتحكم فيها دورًا محوريًا. ينصب التركيز على “الجسم الأخضر” – الفراغ غير الملبد الذي يتم تجفيفه بعد الصب – حيث يتفاعل بحساسية خاصة مع درجة الحرارة والتركيب الجوي ومعلمات التلبيد. بالنسبة للبحث والتطوير وتحسين العملية، فإن طريقة التحليل الحراري المتزامن (STA) أثبتت نفسها كأداة فعالة بشكل خاص لتوصيف هذه التفاعلات وتفسيرها كمياً [1] [2] [3].
الجسم الأخضر وجو التلبيد
يتكون الجسم الأخضر من مسحوق سيراميك مضغوط ولكن لم يتم تلبيده بعد. وتتأثر الكثافة اللاحقة والبنية المجهرية والجودة الميكانيكية بشكل حاسم بظروف التلبيد. يتحكم جو التلبيد (مثل المؤكسد أو المختزل أو الخامل أو الرطب أو الجاف المحدد) على وجه الخصوص:
- تحلل المواد الرابطة والإضافات
- تفاعلات الأكسدة والاختزال للمكونات الحساسة
- تكوين المسام وإغلاقها
- نمو الحبوب وتطور الأطوار الثانوية [4][5]
التحليل الحراري المتزامن: المنهجية والمزايا
المبدأ الأساسي لـ STA
تجمع STA بين قياس الثقل الحراري (TGA) و مسعر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) في عملية قياس واحدة تحت ظروف متطابقة تمامًا [1][2][3]. قياس الثيرموغرافيات الحرارية (TG) يقيس فقدان الكتلة أو اكتسابها (على سبيل المثال من خلال التبخر أو التحلل أو أو الأكسدة )، بينما يقيس المسعر الحراري بالمسح التفاضلي (DSC) التدفق الحراري المصاحب ( إندو– أو التأثيرات الطاردة للحرارة). يتيح هذا التسجيل المتزامن لكلا تدفقي البيانات في وقت واحد إمكانية تعيين عملية نشطة بوضوح لكل فقدان للكتلة – والعكس صحيح.
المزايا الرئيسية للقياس المتزامن
يوفر التسجيل المتزامن لتغيرات الكتلة والحرارة في وقت واحد العديد من المزايا الحاسمة:
الارتباط المباشر للعمليات الحرارية: يتيح التسجيل المتزامن التسجيل المتزامن للفاقد الكتلي (على سبيل المثال بسبب انبعاث الرطوبة أو تحلل المواد المضافة العضوية أو عمليات التحلل) وقياس التأثيرات الداخلية أو الطاردة للحرارة (مثل التحولات الطورية والتفاعلات الكيميائية وعمليات الذوبان والتبلور) [1] [2] [3].
تجنّب المصنوعات اليدوية: إذا تم إجراء TG وDSC على عينات منفصلة أو في أوقات مختلفة، حتى أصغر الاختلافات في خصائص العينة أو التحكم في الغلاف الجوي أو برنامج درجة الحرارة يمكن أن يؤدي إلى نتائج متناقضة. ويضمن القياس المتزامن ظروفًا متطابقة لكلا الإشارتين وبالتالي إمكانية التكرار الدقيق.
التحكم في الغلاف الجوي: أصبح من الممكن التمييز بين عمليات التفاعل الخاصة بالغلاف الجوي من خلال التحكم المستهدف في الغلاف الجوي (مخاليط N₂، O₂، Ar، H₂، H₂، CO₂). يمكن التحكم في مخاليط الغاز المختلفة والرطوبة والضغط [1] [2] [3].
تأثير أجواء التلبيد المختلفة
يؤثر اختيار جو التلبيد (مؤكسد، خامل، مختزل) بشكل كبير على التفاعلات الكيميائية في الجسم الأخضر، ونوع ووقت التحلل وإطلاق الغازات أو تفاعلها أو ارتباطها.
التأثيرات على تغير الكتلة (إشارة TGA)
جو مؤكسد (مثل الهواء، O₂): وفي ظل ظروف الأكسدة، يحدث فقدان واضح وتدريجي عادةً للكتلة بسبب الاحتراق الكامل للمواد العضوية الرابطة والمواد المضافة. وفي الوقت نفسه، يتم إطلاق المكونات المتبلورة المحتوية على الماء من خلال عمليات الجفاف. وفي بعض الحالات، يمكن ملاحظة زيادة في الكتلة بسبب أكسدة الأسطح أو العناصر الثانوية مثل الجسيمات المعدنية.
جو خامل (مثل N₂، Ar):
- تتحلل المكونات العضوية حراريًا، وغالبًا ما تترك المزيد من البقايا (فحم الكوك الانحلال الحراري) في الجسم الأخضر
- فقدان أبطأ للكتلة، واحتمال حدوث عدة مراحل تحلل متراكبة
الغلاف الجوي المخفض (مثل H₂، CO): في الأجواء المختزلة، يحدث اختزال انتقائي للأكسيدات، حيث يمكن أن يحدث انخفاض كبير في الكتلة في المعادن أو الأنظمة المختلطة بسبب إطلاق الأكسجين. يمكن أن يتحلل أي فحم الكوك الانحلال الحراري الموجود في وجود الهيدروجين ويؤدي إلى تكوين الغاز، بينما يبقى في المادة في ظروف الاختزال الأخرى.
التأثيرات على التغير الحراري (إشارة DSC)
جو مؤكسد: في ظل ظروف الأكسدة، تحدث قمم طاردة للحرارة مميزة بسبب احتراق المواد العضوية المضافة. وفي الوقت نفسه، يمكن ملاحظة تأثيرات ماصة للحرارة بسبب ذوبان المواد المضافة أو إطلاق ماء التبلور. من الممكن أيضًا حدوث تفاعلات أخرى طاردة للحرارة، على سبيل المثال من خلال أكسدة الجسيمات المعدنية أو تحولات طورية محددة في المادة الخزفية.
جو خامل:
- تأثيرات ماصة للحرارة في الغالب بسبب التحلل الحراري (الانحلال الحراري) للمكونات العضوية
- انخفاض القمم الطاردة للحرارة بسبب نقص الاحتراق
تقليل الغلاف الجوي: تُظهر الأجواء المختزلة تأثيرات طاردة للحرارة وماصة للحرارة على حد سواء، والتي تعتمد بشدة على نظام المادة المعنية. السمة المميزة هي حدوث تحول في درجات حرارة التحول النموذجية مقارنةً بالظروف المؤكسدة أو الخاملة، وهو ما يرجع إلى تغير حركية التفاعل في ظل ظروف الاختزال.
مقارنة منحنيات القياس النموذجية
| Sinteratmosphäre | Masseänderung (TGA) | Wärmeänderung (DSC) |
|---|---|---|
| Oxidierend | Deutlicher Masseverlust, schnell | Starke exotherme Peaks |
| Inert | Reduzierter Masseverlust, langsamer | Schwächere, meist endotherme |
| Reduzierend | Chemoselektive Veränderungen | Gemischt exo-/endothermisch |
النتائج والتطبيقات العلمية
توضح المنشورات العلمية الحالية كيف يمكن، على سبيل المثال، اشتقاق حركية التلبيد وسلوك المراحل الثانوية على الجسم الأخضر في الموقع [4]. يمكن أيضًا قياس تأثير الأجواء على تكوين الخواص الانضغاطية أو بنية الحبيبات أو تطور البنية المجهرية بشكل ممتاز باستخدام STA، كما يوضح العمل الأخير على أكسيد الألومنيوم وأكسيد الزركونيوم والخزف المضغوط [4][5].
النتائج النموذجية:
الأجواء المؤكسدة غالبًا ما تعزز التخلص من المجلدات العضوية، حيث يحدث الاحتراق في درجات حرارة أقل وبشكل كامل. ومع ذلك، فإنها يمكن أن تؤدي أيضًا إلى تحولات طورية غير مرغوب فيها، خاصةً إذا كانت المكونات الحساسة للأكسجين موجودة في نظام السيراميك.
الأجواء الخافضة أو الخاملة:
- السماح بالإدارة المستهدفة للمراحل الثانوية من خلال ظروف الأكسدة والاختزال الخاضعة للرقابة
- غالبًا ما يكون لها تأثير حاسم على بنية المسام من خلال حركية التحلل المتغيرة
تغيّر الغلاف الجوي أثناء عملية التلبيد تمثل إمكانية مثيرة للاهتمام بشكل خاص، حيث يمكن استخدامها بشكل فعال للتحكم في البنية المجهرية. يمكن تحسين خطوات العملية المختلفة على وجه التحديد من خلال التغييرات التي يتم التحكم فيها زمنيًا في تكوين الغلاف الجوي [4][5].
مثال عملي على تحديد العملية
| Prozess im Grünkörper | TG (Masse) | DSC (Wärmefluss) | Interpretation |
|---|---|---|---|
| Entbindern organischer Anteile | Masseverlust (Stufen) | exothermer Peak | Verbrennung/Abbau der Bindemittel |
| Phasenumwandlung | keine Masseänderung | endo-/exothermer Effekt | Kristallstrukturänderung ohne Substanzverlust |
| Reduktion eines Oxids | Masseverlust | exotherm/endotherm je nach Reaktion | Sauerstoffaustritt, Energetik der Reduktion |
مزايا أبحاث الغلاف الجوي الملبد
تقدم STA مزايا حاسمة لتوصيف الأجسام الخضراء تحت أجواء التلبيد المختلفة:
- توفير الوقت والعينة: بما أنه يتم الحصول على كلتا الإشارتين في وقت واحد من نفس العينة، فإن الأمر يتطلب عينة أقل من المواد المطلوبة وتقليل الجهد التجريبي
- المقارنة والتحسين: يمكن دراسة أجواء التلبيد المختلفة بشكل مباشر للمقارنة، على سبيل المثال لتحسين حساسية الأكسدة أو التخلص من المواد العضوية الرابطة [1] [2] [3] [6]
- فهم العمليات المعقدة: يعد التداخل بين العديد من العمليات أمرًا معتادًا في السيراميك التقني. ويمكن التمييز بين هذه العمليات والربط بينها على نحو أفضل باستخدام تقنية STA
- قابلية أفضل للمقارنة: خاصةً عند فحص التأثيرات الجوية أو دفعات المواد بسبب ظروف القياس المتطابقة
نقل التكنولوجيا والأهمية العملية
إن التطبيق المستهدف للتحليل الحراري المتزامن هو تقنية رئيسية لإنتاج سيراميك تقني عالي الأداء خالٍ من المشاكل وقابل للتكرار. وهو يتيح التطوير الفعال لعمليات التلبيد وتحسينها، وتكييفها مع المتطلبات الفردية وأنظمة المواد [1] [2] [3].
تستخدم المختبرات والمؤسسات البحثية هذه البيانات من أجل:
- تحديد عمليات التلبيد المثلى (الخلو من العيوب والتجانس)
- تمكين تعديل المواد الموجهة للغلاف الجوي (مثل تصميم المسام المستهدفة، وإدارة الكربون المتبقي)
- التحقق من صحة تحجيم العملية
الخاتمة
يتيح الجمع بين التحكم المبتكر في جو التلبيد المبتكر والقوة التحليلية للتحليل الحراري المتزامن إمكانية إجراء عملية متعمقة وتوصيف المواد استنادًا إلى بيانات الانتقال والتفاعل الحقيقي للجسم الأخضر. يوفر القياس المتزامن لـ TG و DSC قيمة مضافة حاسمة: فهو يتيح تفسيرًا شاملاً وموثوقًا للعمليات الحرارية، ويحسن من قابلية التكرار ويوفر الوقت والموارد – وهي ميزة لا تقدر بثمن للبحث والتطوير وضمان الجودة في مجال السيراميك التقني.
يوضح STA مدى قوة تأثير الغلاف الجوي للتلبيد على الخواص الحرارية وعمليات التفاعل للأجسام الخضراء وبالتالي يوفر الأساس للتطوير الفعال والآمن للمواد الخزفية. إن استخدام STA يفتح الإمكانات الكاملة لتطوير السيراميك الحديث في ظل الظروف الجوية المتغيرة – بشكل فعال ودقيق وسليم علميًا.
المراجع
- [1] https://www.linseis.com/messgeraete/thermische-analyse/sta-simultane-thermische-analyse/
- [2] https://www.linseis.com/methoden/simultane-thermische-analyse-tga-dsc/
- [3] https://linseis.co.kr/wp-content/uploads/2018/07/LINSEIS_Produktbroschüre_DEU_v4.compressed.pdf
- [4] أ. كليميرا، Festigkeitssteigerung von Aluminiumnitrid-Keramiken، أطروحة جامعة فورتسبورغ, https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/2243/Festigkeitssteigerung_von_Aluminiumnitrid_Keramiken_A_Klimera.pdf
- [5] https://www.db-thueringen.de/servlets/MCRFileNodeServlet/dbt_derivate_00012010/ilm1-2007000122.pdf
- [6] https://www.epe.ed.tum.de/es/forschung/messtechnik/thermogravimetrische-analyse/
