Hipersonik etki, elması hızla grafite dönüştürerek enerji emici mekanizmayı ortaya çıkarır

Rice Üniversitesi araştırmacıları, yüksek sıcaklıkta ve düşük basınçta işleme sırasında elması stabilize etmenin bir yolunu geliştirdiler, güçlü bir toplu kompozit oluşturdular ve yüksek hızlı çarpışmaların elması hızla grafite dönüştürebileceğini keşfettiler. Çalışmaları şu adreste yayınlandı: Bugünün Malzemeleri.

Elmas, yüksek ısı iletkenliğine sahip, onu zorlu koşullar altında çalışan teknolojiler için değerli kılan özellikleriyle bilinen en sert malzemelerden biridir. Bulgular, elmasın aşırı kuvvet altında nasıl değiştiğini ve enerjiyi nasıl emdiğini göstererek araştırmacıların havacılık, savunma ve diğer zorlu ortamlar için daha sert malzemeler tasarlamasına yardımcı olabilir.

Araştırmanın baş yazarı ve Benjamin M. ve Mary Greenwood Anderson Mühendislik Profesörü Pulickel Ajayan, “Elması daha düşük basınçlarda sinterlemek neredeyse imkansız olduğundan bu oldukça heyecan verici bir sonuçtu ve geliştirdiğimiz bu yeni süreç, elmas bazlı kompozitlerin büyük ölçekli üretimine yol açabilir” dedi.

Toplu elmas yapmanın zorluğu

Ajayan, küçük elmas parçacıklarının nispeten ucuz ve üretilmesi kolay olduğunu, ancak bunları daha büyük elmas yapılarına dönüştürmenin zor olduğunu söyledi.

Bu parçacıkları daha büyük bir yapıya birleştirmenin bir yolu, katı oluşturmak için ısı ve basıncı kullanan bir işlem olan sinterlemedir. Ancak elmas yüksek sıcaklıklarla grafite dönüşebilir. Yüksek basınçlı, yüksek sıcaklıklı yöntemler çok kristalli elmas üretebilir, ancak bunlar aşırı basınç gerektirir ve üretilen numunelerin boyutunu sınırlar.

İşleme sırasında elması sabit tutmak için araştırmacılar mikroskobik elmas tanelerini, elmasa benzer özelliklere sahip bir malzeme olan kübik bor nitrür ve karışımı bağlamak ve stabilize etmek için kobalt ile karıştırdılar.

Tozları katıya dönüştürmek için ısı ve basınç uygulayan hızlı bir süreç olan kıvılcım plazma sinterlemeyi kullandılar. İşlem, bor nitrür matrisine gömülü elmas parçacıkları ve her tarafa dağılmış kobalt ile son derece güçlü bir kompozit üretti.

Rice’ın malzeme bilimi ve nanomühendislik bölümünde araştırma bilimcisi ve ilk yazar olan Abhijit Biswas, “Bu işlemle elde edilen kompozit, dağınık elmas parçacıklarının varlığı nedeniyle neredeyse işlenemez ve sağlamdır ve araştırmacıların havacılık, savunma ve aşırı koşullarla karşı karşıya kalan diğer teknolojiler için daha sert malzemeler tasarlamasına yardımcı olabilir” dedi.

Elmas saniyenin milyonda biri kadar sürede değişiyor

Araştırmacılar daha sonra kompoziti yüksek hızlı çarpışmalara maruz bırakarak aşırı kuvvet altında nasıl davrandığını incelediler.

Araştırmacılar hipersonik hızlarda kompozite 1-4 milimetre (0,04-0,16 inç) çapındaki küçük metal mermileri ateşlediler ve malzeme, ses hızının yedi katından daha hızlı hareket eden mermilerden biri tarafından vurulduğunda bir arada tutuldu. Daha hızlı hareket eden daha büyük bir mermi, kompozitin parçalanmasına neden oldu.

Çarpışma sırasında, dönüşüme katılan elmasların neredeyse tamamı mikrosaniyeler içinde grafit haline geldi.

Elmas ve grafit karbondan yapılmıştır ancak atomları farklı şekilde düzenlenmiştir. Bu fark elması sert, grafiti ise çok daha yumuşak yapar.

Biswas, “Aşırı etkinin, normalde bu dönüşümle ilişkilendirdiğimiz daha yavaş, ısıya dayalı süreç yerine, mikrosaniyeler içinde elması grafite dönüştürebileceğini bulduk.” dedi. “Bu bize elmasların en zorlu mekanik koşullar altında nasıl davrandığına dair yeni bir bakış açısı sağlıyor.”

Dönüşümün ardından

Araştırmacılar kırılmış kompoziti incelediler ve atomların nasıl hareket ettiğini ve yeniden düzenlendiğini izleyen moleküler dinamik simülasyonları ve bilgisayar modellerini kullandılar. Analizleri, elmas ve grafitin buluştuğu alanları ortaya çıkardı ve dönüşümün nasıl gerçekleştiğine dair ipuçları sağladı.

Çalışma, değişimi, elması grafite dönüştüren şok ve yapısal yeniden düzenlemelerden kaynaklanan enerjiye bağlamaktadır.

Araştırmacılar ayrıca, grafite dönüşümün, elmasın atomik yapısı değiştikçe çarpışmadan kaynaklanan enerjinin bir kısmının emilmesine yardımcı olduğunu da buldu.

Bulgular, iç dönüşümlerin zorlu koşullar altında malzemelerin sertleştirilmesine nasıl yardımcı olabileceğine daha yakından bir bakış sunuyor.

Biswas, “Malzemelerin güç ve sertliklerinin yanı sıra yapılarını ve fazlarını kuvvet altında nasıl değiştirdiğini anlamak, gelecekteki koruyucu malzemelerin tasarımına rehberlik etmeye yardımcı olabilir” dedi.