آرگون مایع شوک حرارتی شدیدتر اما مخرب‌تر ایجاد می‌کند، در حالی که هلیوم مایع با انتقال حرارت یکنواخت، پایداری ساختار نانومواد را حفظ می‌نماید.سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778
مطالعه‌ی رفتار مواد نانوساختار در برابر شوک‌های حرارتی از اهمیت بالایی در علوم مواد و فناوری‌های نوین برخوردار است. این مواد به دلیل ابعاد بسیار کوچک دانه‌ها، سطح ویژه‌ی بالا و مرزهای بین‌دانه‌ای پیچیده، پاسخ‌های حرارتی و مکانیکی متفاوتی نسبت به مواد توده‌ای نشان می‌دهند. هنگامی که چنین موادی در تماس مستقیم با سیالات بسیار سرد مانند آرگون مایع (LAr) یا هلیوم مایع (LHe) قرار می‌گیرند، گرادیان حرارتی شدید و ناگهانی ایجاد می‌شود که منجر به شوک حرارتی، تغییرات فازی، تنش‌های حرارتی و در مواردی شکست یا دگرریختی ساختار می‌گردد.
در این مقاله، رفتار حرارتی و مکانیکی مواد نانوساختار هنگام شوک حرارتی در حضور آرگون و هلیوم مایع مورد بررسی تطبیقی قرار می‌گیرد. هدف اصلی، تحلیل تفاوت‌های ترمودینامیکی و فیزیکی این دو سیال در انتقال حرارت، تعامل با سطح ماده و اثرات میکروسکوپی بر ساختارهای نانو است.
خواص فیزیکی آرگون مایع و هلیوم مایع
برای درک دقیق‌تر رفتار این دو سیال در شوک حرارتی، ابتدا باید خواص فیزیکی کلیدی آن‌ها در حالت مایع مورد بررسی قرار گیرد. هر دو گاز نجیب هستند و در دماهای بسیار پایین به حالت مایع درمی‌آیند، اما تفاوت‌های چشمگیری در چگالی، رسانایی گرمایی، ویسکوزیته و ظرفیت گرمایی ویژه دارند.
| ویژگی فیزیکی | آرگون مایع (LAr) | هلیوم مایع (LHe) |
|---|---|---|
| دمای جوش در 1 atm | 87.3 K | 4.2 K |
| چگالی در دمای جوش | 1.40 g/cm³ | 0.125 g/cm³ |
| رسانایی گرمایی | پایین | بسیار بالا (در فاز II ابرشاره) |
| ویسکوزیته | نسبتاً زیاد | بسیار کم |
| گرمای نهان تبخیر | زیاد | پایین‌تر |
| واکنش‌پذیری شیمیایی | بی‌اثر | بی‌اثر |
این داده‌ها نشان می‌دهد که هلیوم مایع به دلیل رسانایی گرمایی فوق‌العاده بالا (به‌ویژه در فاز ابرشارگی)، توانایی بیشتری در توزیع و جذب سریع گرمای ناگهانی دارد، در حالی که آرگون مایع با چگالی بالا و نفوذ حرارتی کمتر، گرادیان‌های حرارتی موضعی شدیدتری ایجاد می‌کند. همین تفاوت بنیادین منشأ رفتارهای متفاوت در شوک حرارتی مواد نانوساختار است.
مفهوم شوک حرارتی در مواد نانوساختار
شوک حرارتی زمانی رخ می‌دهد که تغییر ناگهانی دما منجر به ایجاد تنش‌های حرارتی درون ماده شود. در مواد نانوساختار، به علت اندازه کوچک دانه‌ها و سطح زیاد بین‌دانه‌ای، انتقال حرارت بسیار سریع‌تر از مواد درشت‌دانه است. اما همین ویژگی می‌تواند باعث افزایش احتمال تمرکز تنش در مرزهای دانه شود.
وقتی نمونه داغ در تماس با سیال فوق‌سرد قرار می‌گیرد، ناحیه‌ی سطحی بلافاصله سرد می‌شود، در حالی که بخش‌های درونی هنوز دمای بالاتری دارند. این اختلاف دما باعث ایجاد تنش‌های کششی و فشاری متناوب شده و در نهایت می‌تواند منجر به ترک‌های حرارتی، تغییر فاز ناگهانی، و حتی خرد شدن ذرات نانو گردد.
در این فرآیند، ویژگی‌های فیزیکی سیال خنک‌کننده – مانند ظرفیت گرمایی، نرخ انتقال حرارت، و رفتار در مرز تماس – تعیین‌کننده شدت و نوع واکنش حرارتی ماده هستند.
رفتار آرگون مایع در شوک حرارتی مواد نانوساختار
آرگون مایع با دمای جوش نسبتاً بالا (۸۷ کلوین) و چگالی زیاد، انتقال حرارت را عمدتاً از طریق جریان همرفتی محدود انجام می‌دهد. در تماس با سطح ماده‌ی داغ، ابتدا لایه‌ای از بخار آرگون تشکیل می‌شود که به عنوان مانع انتقال حرارت (پدیده‌ی Leidenfrost) عمل می‌کند.پاین پدیده باعث می‌شود سرد شدن ماده به‌صورت غیریکنواخت و با نرخ‌های موضعی متفاوت انجام گیرد.
در مواد نانوساختار، این ناهمگونی حرارتی می‌تواند منجر به ایجاد مناطق دمایی متضاد در مقیاس میکروسکوپی شود. چنین اختلاف‌هایی باعث تمرکز تنش در مرزهای دانه‌ای و افزایش احتمال شکست می‌گردد. علاوه بر این، به دلیل ویسکوزیته بالاتر آرگون مایع، حباب‌های گازی ناشی از تبخیر نمی‌توانند به‌سرعت از سطح جدا شوند، که خود موجب شوک‌های فشار موضعی و تغییرات مکانیکی می‌شود.
در نتیجه، تماس با آرگون مایع غالباً منجر به شوک حرارتی شدیدتر و تخریب بیشتر ساختار سطحی در مقایسه با هلیوم مایع می‌شود.
رفتار هلیوم مایع در شوک حرارتی مواد نانوساختار
در مقابل، هلیوم مایع به‌ویژه در فاز دوم خود (ابرشارگی) ویژگی‌های بی‌نظیری دارد. رسانایی گرمایی بسیار بالا و ویسکوزیته نزدیک به صفر، آن را به بهترین انتقال‌دهنده‌ی حرارت در میان تمام مایعات تبدیل کرده است. در شوک حرارتی، هلیوم مایع می‌تواند گرمای آزادشده از سطح ماده را تقریباً بلافاصله در سراسر حجم خود پخش کند و از شکل‌گیری گرادیان حرارتی شدید جلوگیری نماید.
این رفتار منجر به خنک‌سازی نرم‌تر و یکنواخت‌تر سطح می‌شود و احتمال ترک حرارتی یا دگرریختی ساختار کاهش می‌یابد. افزون بر آن، خاصیت نفوذپذیری بالای هلیوم مایع در نانوحفره‌ها باعث تماس مؤثرتر بین سیال و سطح ماده می‌شود.
با این حال، در مواردی که اختلاف دما بسیار زیاد باشد (مانند تماس مواد با دمای بالاتر از ۷۰۰°C با هلیوم مایع)، حتی رسانایی فوق‌العاده‌ی آن نیز نمی‌تواند از تشکیل حباب‌های میکروسکوپی جلوگیری کند، که در نتیجه ممکن است شوک‌های موضعی محدود ایجاد شود. ولی به‌طور کلی، اثرات مکانیکی و تخریبی هلیوم مایع بسیار کمتر از آرگون مایع است.
مقایسه اثرات ساختاری و میکروسکوپی
در مطالعات میکروسکوپی با میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و پراش پرتو ایکس (XRD)، تفاوت قابل‌توجهی در الگوهای تغییر ساختار نانومواد پس از شوک حرارتی در دو سیال مشاهده شده است. نمونه‌های سردشده با آرگون مایع معمولاً دارای ترک‌های سطحی ریز، جدایش دانه‌ها و تخلخل موضعی هستند، در حالی که نمونه‌های مشابه در هلیوم مایع تنها دچار تغییر شکل‌های جزئی در مرز دانه‌ها می‌شوند.
در مورد نانوساختارهای فلزی (مانند آلومینیوم یا نیکل)، تماس با آرگون مایع باعث افزایش ناپیوستگی شبکه و تنش‌های باقی‌مانده شده است. در مقابل، هلیوم مایع به‌دلیل توزیع سریع گرما، بازآرایی شبکه‌ای را بدون شکست آشکار ممکن می‌سازد.
در نانوساختارهای سرامیکی نیز، رفتار مشابهی دیده می‌شود: شکست حرارتی در تماس با آرگون مایع بیشتر و در هلیوم مایع کمتر است. دلیل اصلی آن، تفاوت شدید در ضریب نفوذ حرارتی و هدایت گرمایی دو سیال است.
نقش انتقال فاز و بخارسازی در پایداری حرارتی
یکی از پارامترهای کلیدی در شوک حرارتی، انرژی نهان تبخیر سیال است. آرگون مایع برای تبخیر نیاز به جذب انرژی نسبتاً زیادی دارد، که در فرآیند شوک، منجر به افزایش ناگهانی فشار در مرز تماس می‌شود. این فشار باعث اعمال نیروی برگشتی به سطح ماده و در نهایت ایجاد ترک‌های موضعی می‌شود.
در حالی که هلیوم مایع با انرژی تبخیر پایین‌تر، چنین فشاری تولید نمی‌کند و فرآیند تبخیر در آن ملایم‌تر است.
همچنین در فاز ابرشارگی هلیوم (زیر ۲.۱۷ کلوین)، بخارسازی به‌صورت کوانتومی انجام شده و گرما به‌طور پیوسته در سراسر حجم مایع پخش می‌گردد. این ویژگی باعث می‌شود که شوک حرارتی به‌جای متمرکز شدن در نقاط محدود، به‌صورت همگن در سطح ماده جذب شود.
تأثیر نوع ماده نانوساختار بر شدت شوک حرارتی
اثر شوک حرارتی همچنین به ماهیت ماده بستگی دارد. برای مثال، نانوساختارهای فلزی به دلیل رسانایی بالای الکتریکی و گرمایی خود، توانایی توزیع گرما را دارند و نسبت به شوک‌های سریع در هلیوم مایع پایدارترند.
در مقابل، نانوساختارهای سرامیکی و نیمه‌هادی‌ها (مانند SiO₂ یا Al₂O₃ نانوساختار) که ضریب انبساط حرارتی پایین و شکنندگی بالا دارند، به‌ویژه در تماس با آرگون مایع دچار شکست موضعی می‌شوند.
به‌طورکلی، ترکیب اثرات فیزیکی سیال و خصوصیات حرارتی ماده تعیین می‌کند که آیا شوک حرارتی به تغییر فاز ساختار منجر می‌شود یا تنها بازآرایی شبکه‌ای جزئی رخ می‌دهد.
بدون دیدگاه