โลหะชนิดใหม่ที่ทั้งเบาและแข็งแรงมากเป็นพิเศษ

แมกนีเซียมผสมอนุภาคนาโนของซิลิกอนคาร์ไบด์แบบหนาแน่น สามารถนำไปใช้กับเครื่องบิน รถยนต์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่และอื่นๆ

ภาพซ้าย: ตัวอย่างที่ถูกดึงจนเสียรูปของโลหะบริสุทธิ์     ภาพขวา: โลหะชนิดใหม่ที่แข็งแรงมาก ผลิตจากแมกนีเซียมที่ผสมอนุภาคนาโนของซิลิกอนคาร์ไบด์ จากภาคตัดขวางโลหะมีขนาดประมาณ 4 ไมโครเมตร

ที่มาของภาพ UCLA Scifacturing Laboratory

คณะวิจัยจากมหาวิทยาลัย UCLA (University of California in Los Angeles) Henry Samueli School of Engineering and Applied Science ได้ร่วมกันคิดค้นประดิษฐ์โลหะที่ไม่เพียงแต่มีความแข็งแรงเป็นพิเศษ แต่ยังมีน้ำหนักเบา ซึ่งมีค่าความแข็งแรงจำเพาะและโมดุลัสที่สูงมาก (ค่าความต้านทานการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัสดุ เมื่อถูกแรงมากระทำ) หรืออัตราส่วนของความแข็งต่อน้ำหนัก (stiffness-to-weight ratio) โลหะชนิดใหม่นี้ประกอบด้วยแมกนีเซียมผสมอนุภาคนาโนของเซรามิกจากซิลิกอน คาร์ไบด์แบบหนาแน่น และมีการกระจายตัวสม่ำเสมอ มันสามารถนำไปใช้กับเครื่องบิน ยานอวกาศ รถยนต์ ทำให้ยานพาหนะมีน้ำหนักเบาขึ้น ส่งผลต่อการประหยัดและปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานของเครื่องยนตร์ รวมไปถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่และอุปกรณ์ทางการแพทย์ชีวภาพ

เพื่อที่จะสร้างโลหะที่มีความแข็งแรงสูงแต่มีน้ำหนักเบา คณะวิจัยได้ค้นพบแนวทางใหม่ที่จะทำให้อนุภาคนาโนเกิดการกระจายตัวและคงสภาพอยู่ได้ในโลหะภายใต้สภาวะหลอม พวกเขาได้พัฒนากระบวนการที่สามารถขยายระดับการผลิตไปสู่ระดับอุตสาหกรรมได้ ซึ่งมันถือได้ว่าเป็นการปูทางสำหรับโลหะน้ำหนักเบาที่มีคุณสมบัติและประสิทธิภาพสูง งานวิจัยนี้ได้ถูกเผยแพร่ในวารสาร Nature

Xiaochun Li หัวหน้าโครงการวิจัยและกรรมการของ Raytheon Chair จาก Manufacturing Engineering ของ UCLA ได้กล่าวว่า “มันได้ถูกนำเสนอว่าอนุภาคนาโนสามารถช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับโลหะ โดยที่ไม่เข้าไปทำลายสมบัติของโลหะในการถูกดึงยืดได้หรือสภาพคล้ายพลาสติก โดยเฉพาะอย่างยิ่งโลหะแมกนีเซียม แต่อย่างไรก็ตามยังไม่เคยมีกลุ่มใดที่สามารถทำให้อนุภาคนาโนของเซรามิกกระจายตัวได้ดีในโลหะที่กำลังหลอม จนถึง ณ ปัจจุบันนี้พวกเราได้ใช้กระบวนการการแพร่ infusion of physics and materials processing ซึ่งวิธีของพวกเรานี้ถือเป็นหนทางใหม่ที่สามารถนำไปใช้ได้กับโลหะที่หลากหลาย โดยการทำให้อนุภาคนาโนแบหนาแน่น สามารถกระจายตัวได้อย่างสม่ำเสมอ ทำให้สมบัติของโลหะถูกปรับปรุง และเป็นความท้าทายกับโจทย์ของสังคมในทุกวันนี้ทางด้านพลังงานและความยั่งยืนของสิ่งแวดล้อม”

โครงสร้างของโลหะคือโลหะที่สามารถบรรจุสารอื่นได้ ซึ่งมักจะนำไปใช้กับอาคารสิ่งปลูกสร้างและยานพาหนะ แมกนีเซียมเป็นโลหะที่มีน้ำหนักเบาที่สุด และมีความหนาแน่นเป็นสองในสามของอะลูมิเนียม ซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นเซรามิกที่มีความแข็งมากเป็นพิเศษที่มักใช้ในอุตสาหกรรมใบมีดโกน คณะวิจัยได้อาศัยเทคนิคการแพร่ของอนุภาคซิลิกอนจำนวนมากที่มีขนาดเล็กกว่า 100 นาโนเมตรลงในแมกนีเซียม ทำให้แมกนีเซียมมีความแข็งแรง ทนทาน และความสามารถในการดึงยืด เมื่ออยู่ภายใต้อุณหภูมิสูง

ซิลิกอนคาร์ไบด์ที่ถูกแพร่เข้าไปในแมกนีเซียมได้แสดงค่าความแข็งแรงจำเพาะที่สูงมาก (น้ำหนักที่วัสดุสามารถทนได้ก่อนการแตกหัก) และค่าโมดุลัสจำเพาะ (อัตราส่วนของความแข็งแกร่งต่อน้ำหนัก) มันชี้ให้เห็นถึงความคงทนของวัสดุได้อย่างยอดเยี่ยม ณ อุณหภูมิสูง

การรวมเอาอนุภาคของเซรามิกเข้าในวัสดุถือว่าเป็นหนทางหนึ่งที่มีศักยภาพที่ทำให้โลหะมีความแข็งแรงมากยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตามกระบวนการแพร่ภายใต้อุณหภูมิสูง อนุภาคเซรามิกที่อยู่ระดับไมครอนจะทำให้โลหะสูญเสียสภาพความเป็นพลาสติกของโลหะลง

ในทางตรงกันข้าม ขนาดของอนุภาคระดับนาโนเมตรสามารถเพิ่มความแข็งแรง และยังสามารถรักษาหรือแม้กระทั่งปรับปรุงสภาพความเป็นพลาสติกของโลหะให้ดียิ่งขึ้น แต่อนุภาคของเซรามิกระดับนาโนเมตรนี้มักจะจับกลุ่มเป็นก้อนมากกว่ากระจายตัวอย่างทั่วถึง เนื่องจากแรงยึดเหนี่ยวของอนุภาคขนาดเล็กให้เกาะติดกัน

เพื่อเอาชนะข้อจำกัดนี้ คณะวิจัยได้ทำให้อนุภาคกระจายตัวในอัลลอยด์หลอมของแมกนีเซียมผสมสังกะสี โดยการกระจายตัวของอนุภาคที่ถูกเปิดเผยใหม่ได้อาศัยพลังงานจลนศาสตร์ในการเคลื่อนที่ของอนุภาค ซึ่งช่วยทำให้อนุภาคกระจายตัวได้ดีและป้องกันการรวมตัวกันเป็นก้อน

สำหรับการเพิ่มความแข็งแรงของโลหะชนิดใหม่นี้ในอนาคต คณะวิจัยได้ใช้เทคนิคที่เรียกว่า การบิดเป็นเกลียวด้วยความดันสูง เพื่อขึ้นรูปโลหะ

Li กล่าวว่า “ผลลัพธ์ที่พวกเราได้ในขณะนี้ได้ไปสะกิดเพียงแค่ผิวของคุณสมบัติของโลหะชนิดใหม่ที่ถูกซ้อนไว้ ถือเป็นการปฏิวัติสมบัติและหน้าที่ในการทำงานของโลหะกลุ่มใหม่นี้”

โลหะใหม่นี้ (หรือจะเรียกให้ถูกคือ โลหะเชิงประกอบระดับนาโนเมตร metal nanocomposite) ประกอบด้วยซิลิกอนคาร์ไบด์ 14% และแมกนีเซียม 86% คณะวิจัยได้เน้นให้เห็นว่าแมกนีเซียมเป็นทรัพยากรที่มีอยู่มากและการขยายระดับการผลิตไปสู่อุตสาหกรรมนั้นจะไม่ก่อให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

วารสารทางวิชาการนี้ ผู้เขียนหลักคือ Lian-Yi Chen ผู้ซึ่งเป็นผู้วิจัยในฐานะนักวิจัยหลังปริญญาเอกของศาสตราจารย์ Li ที่ห้องปฏิบัติการ Scifacturing Laboratory มหาวิทยาลัย UCLA และในขณะนี้ Chen ได้เป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศ ที่มหาวิทยาลัย Missouri University of Science and Technology

ผู้เขียนอื่นในวารสารจากมหาวิทยาลัย UCLA ได้รวมไปถึงJia-Quan Xu นักศึกษาปริญญาในสาขาวิศวกรรมวัสดุ Marta Pozuelo ผู้ช่วยวิศวกรด้านการพัฒนา และ Jenn-Ming Yang ศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมวัสดุ

ผู้เขียนท่านอื่นได้แก่ Hongseok Choi จากมหาวิทยาลัย Clemson, Xiaolong Ma จากมหาวิทยาลัย North Carolina State University, Sanjit Bhowmick จากบริษัท Hysitron, Inc. เมือง Minneapolis และ Suveen Mathaudhu จากUC Riverside

โครงการวิจัยนี้ถูกสนับสนุนบางส่วนจาก National Institute of Standards and Technology