زجاج

ضرورة تكنولوجيا النانو

إن قوة/صلابة المادة هي مقياس لمدى قدرتها على امتصاص الطاقة و/أو التشوه دون أن تتكسر. على الرغم من أن الزجاج يتم تقويته حاليًا بمعالجات سطحية مثل الطلاء الكيميائي، إلا أن الهشاشة العامة للزجاج الأساسي نفسه تظل مسألة يجب معالجتها بمزيد من الدقة الجراحية.

ومن ثم، فإن الضرورة تكمن في إنشاء أنظمة زجاجية حيث لا تقتصر الوظيفة المطلوبة (المتعددة) على طلاء السطح الذي يمكن خدشه أو تعرضه للعوامل الجوية مع مرور الوقت عند التعرض للعناصر، بل يحمل المنتج الزجاجي الميزات الوظيفية كجزء لا يتجزأ من مركب الزجاج.

ولتحقيق ذلك مع تعزيز النظام الزجاجي ضد الكسر، تعد المواد النانوية ذات الطور الكمي متناهية الصغر (أي أقل من 20 نانومتر) مفيدة جدًا حيث يمكن دمجها بجرعات دقيقة، مع تقديم الوظائف الضرورية بكفاءة في ظل مجموعة واسعة من الظروف التشغيلية.

السيراميك النانوي الزجاجي

واعتمادًا على حجم البلورات بالنسبة إلى الطول الموجي للضوء، يمكن تصميم السيراميك الزجاجي ليكون إما شفافًا (على سبيل المثال، مع بلورات نانوية) أو معتمًا (على سبيل المثال، مع بلورات متناهية الصغر). 

عندما يتعلق الأمر بتعزيز أي نظام مادي، يجب على المرء أن ينظر إلى الطبيعة للحصول على إشارات التصميم الأساسية.

تسعى الطبيعة دائمًا إلى خفض الطاقة اللازمة لحدوث أي تفاعل أو حدث معين. مع وضع ذلك في الاعتبار، من الممكن اللعب على هذا التأثير، لجعل بدء عملية معينة وانتشارها أكثر صعوبة. في الزجاج، يتمثل ذلك في تكوين الشقوق وانتشارها. عندما يتم تطبيق حمل على مادة ما، فإنه يضفي قدرًا كبيرًا من الطاقة على المادة، مما يخلق حالة تحتاج فيها المادة الآن إلى الاستجابة لهذه الطاقة. وبعد تجاوز الحد المرن، عادةً ما تقوم المادة الهشة مثل الزجاج أو السيراميك بتبديد هذه الطاقة من خلال تكوين أسطح جديدة على سبيل المثال من خلال تكوين الشقوق.

تقدم البلورات النانوية الزجاجية مجموعة متنوعة من الخصائص المفيدة لتعزيز صلابة الزجاج المتصدع. يعمل الوجود الفيزيائي للبلورات النانوية متناهية الصغر والمشتتة جيدًا كموانع لانتشار الشقوق.  ويحدث ذلك لأنه عندما يصادف صدع منتشر واجهة بلورة نانوية، يجب على الصدع إما أن يغير اتجاه انتشاره للتحرك حول البلورة النانوية أو أن يبدأ صدع جديد من خلال مرحلة البلورة نفسها.  

ومع ذلك، عندما تكون البلورة النانوية صغيرة بما يكفي للحد من تكوين حدود الحبيبات داخل شبكتها البلورية، فإن احتمال وجود موقع صدع يكون محدودًا للغاية. ويؤدي مثل هذا الإحباط للعملية الطبيعية للأشياء إلى خلق حاجز طاقة ضخم لدرجة أن تكوين مسار لانتشار الصدع يؤدي إلى سيناريو غير مواتٍ من الناحية الطاقية ويكون الكسر محدودًا أو محظورًا تمامًا. 

قوة عالية بوزن أقل

ولكي يكون انتشار الشق محدودًا بشكل كبير حول بلورة نانوسيراميك نانوسيراميك مملوءة بالزجاج (زجاج نانوسيراميك)، فإن هذه الأساسيات ضرورية:

يُعد التشتت المنتظم والكثيف لبلورات السيراميك النانوية داخل المصفوفة الزجاجية أمرًا بالغ الأهمية

يجب أن يكون بُعد بلورات السيراميك النانوية أقل بكثير من 20 نانومتر، لتقليل أو منع تكوّن حدود الحبيبات داخلها

يجب أن تضفي تركيبة بلورات النانو-سيراميك النانوية وظائف متعددة مثل الخواص الكيميائية والبصرية والكهربائية على الزجاج التي تساعده في الحصول على المتانة والاحتفاظ بها

يتمثل التحدي الرئيسي الذي تتم مواجهته أثناء تحضير المركبات النانوية المصفوفة الزجاجية النانوسيراميكية في القدرة على تحقيق تشتت متجانس للبلورات النانوية فيها.  يميل التكتل المتكتل بحجم الميكرومتر من الجسيمات النانوية الكبيرة على وجه الخصوص (غالبًا ما يكون حجمها > 30 نانومتر) المستخدمة في الأحمال الثقيلة إلى توليد تأثيرات ضارة على الخواص الحرارية والميكانيكية للزجاج، حيث يوجد عدد أقل من جسيمات التسليح في مناطق أخرى وقد تعمل التكتلات كمراكز للعيوب، والتي يمكن أن تعمل كمبادئ للتصدع تؤدي إلى فشل هيكلي للمركب الزجاجي.

مسائل التحكم في حجم جسيمات النانو سيراميك النانو سيراميك

من خلال تقليل حجم جسيمات السيراميك النانوي إلى أقل من 20 نانومتر، يمكن للمرء التأثير على عدد الاضطرابات المتراكمة عند حدود الحبيبات وتعزيز قوة الخضوع للسيراميك النانوي، أي الحد الأقصى للإجهاد الذي تتحمله بلورة السيراميك النانوي قبل أن يبدأ التشوه. 

توزيع كمية كبيرة منها داخل مصفوفة زجاجية والحصول على كثافة عالية من مواقع التعزيز، داخل مصفوفة زجاجية. وهذا أمر سهل مع جسيمات السيراميك النانوية متناهية الصغر لأن متوسط عدد هذه الجسيمات الموجودة داخل وحدة حجم المادة يزداد أضعافًا مضاعفة، مع انخفاض حجم الجسيمات، على سبيل المثال يمكن استبدال جسيم سيراميك بحجم 1 ميكرومتر بحوالي ألف جسيم نانو سيراميك بحجم 1 نانومتر. وهذا يعني أنه مع انخفاض الحجم والكتلة، يمكن تحقيق توزيع أعلى كثافة لجسيمات السيراميك النانوية داخل مصفوفة زجاجية، بجرعة أقل بكثير من تلك التي يتم الحصول عليها مع الجسيمات الدقيقة أو حتى الأكبر (> 20 نانومتر).

زجاج مقوى بالنانو كيميائياً

ينشأ الكسر الزجاجي حتمًا من المقياس النانوي (أي كسر الرابطة). ويُعد التقسية الكيميائية طريقة فعالة للغاية لتحسين القوة من خلال دمج إجهاد انضغاطي عالٍ في أسطح الزجاج. يمكن تحقيق التصميم الأمثل طوبولوجيًا للزجاج على مستوى المقياس النانوي، باستخدام بلورات السيراميك النانوية ذات التركيب المتغير، بالإضافة إلى مزايا الأبعاد النانوية البلورية النانوية، لتمكين تبديد الطاقة المطبقة على سطح الزجاج من خلال التكثيف الموضعي حول القشرة البادئة، بدلاً من تكوين الشقوق داخل الزجاج نفسه.

وبفضل خبرتنا الأساسية في تصميم وتصنيع بلورات السيراميك النانوية بحجم أقل من 20 نانومتر، فإن شركة NANOARC في وضع جيد لمساعدة صناعة الزجاج على دفع أداء الزجاج من حيث المتانة الكيميائية والهيكلية. ونظرًا لكوننا نعمل في مجال تعدد الأشكال النانوية كجزء من عملية تصميم المواد النانوية لدينا، فإننا نتيح للمصنعين إمكانية اعتماد منتجاتنا بسلاسة، دون مخاوف من التوافق الكيميائي.

QG-M (كيو جي-إم)

مقاومة الحرارة: حتى 2852 درجة مئوية (5166 درجة فهرنهايت)

اللون: مسحوق نانوي أبيض

مساحة السطح (BET): 35930 متر مربع/كجم

مؤشر الانكسار: 1.71

الجرعة: 0.005 - 0.007% وزناً من مزيج الزجاج (أو حسب الحاجة للتطبيقات المحددة)

التطبيقات: يساعد على خفض درجة حرارة التبلور ويسهل التحول الطوري من β-quartz إلى β-spodumene في سيراميك زجاج الليثيوم والألومينوسيليكات. مضاد فعال للبكتيريا والخميرة والأغشية الحيوية.

QG-C (كيو جي-سي)

البنية النانوية: جسيمات نانوية كروية مجوفة (قطرها < 25 نانومتر)

مساحة السطح (BET): 38800 متر مربع/كجم

اللون: مسحوق نانوي أبيض

مؤشر الانكسار: 1.59

مقاومة الحرارة: حتى 1339 درجة مئوية (2442 درجة فهرنهايت)

الجرعة: 0.003 - 0.005% وزناً من مزيج الزجاج (أو حسب الحاجة للتطبيقات المحددة)

التطبيقات: مثبت، حشو نانوي، قوة الانحناء، صلابة الكسر، مقاومة انتشار الشقوق الدقيقة، يساعد على تحسين القوة الميكانيكية والكيميائية لجسم الزجاج، وتقليل الانكماش الناتج عن الحرق.

QG-I  FLEX ( كيو جي-اي فليكس) 

الهندسة المعمارية النانوية: صفائح/رقائق رقيقة ذريًا (سمك < 1 نانومتر)

مساحة السطح (BET): 63520 متر مربع/كجم

اللون: مسحوق نانوي أبيض لامع

مؤشر الانكسار: 2.029

مقاومة الحرارة: حتى 1975 درجة مئوية (3587 درجة فهرنهايت)

الجرعة: 0.001 - 0.003% وزني من مزيج الزجاج (أو حسب الحاجة للتطبيقات المحددة)

التطبيقات: ترشيح محسن للأشعة فوق البنفسجية، مضاد للبكتيريا، مضاد للتلوث، مضاد للتآكل، تقليل المسامية، تمدد حراري منخفض وإدارة قوة ميكانيكية محسنة (ضغطية وانثناءية)، حشو نانوي للشقوق.

QG-THERM (كيو جي-ثيرم)

بنية النانو: صفائح/رقائق رقيقة ذريًا (سمك < 1 نانومتر)

مساحة السطح (BET): 49550 متر مربع/كجم

مقاومة الحرارة: حتى 1597 درجة مئوية (2907 درجة فهرنهايت)

اللون: مسحوق نانوي أسود/بني مائل إلى السواد

مؤشر الانكسار: 2.42

الجرعة: حسب الحاجة للتطبيقات المحددة

التطبيقات: نقل حراري فعال، وحجب أشعة جاما، وامتصاص الزرنيخ والمعادن الثقيلة وبقايا المضادات الحيوية.