jump to navigation

การแข่งขันสู่การเป็นวัสดุที่แข็งที่สุดในโลก เพชร อาจไม่แข็งที่สุดอีกต่อไป? September 9, 2009

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , trackback

เราต่างรู้ว่าเพชรคือวัสดุที่แข็งที่สุดในโลก แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าจะไม่มีวัสดุที่แข็งกว่าเพชร (หรือเปล่า?)

diamond

ตั้งแต่ทศวรรตที่ 1950s นักวัสดุศาสตร์ต่างพยายามหาวัสดุที่มีความแข็งใกล้เคียงเพชร หรือมากกว่า เพื่อนำมาใช้ในงานอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอุตสาหกรรมการตัดเฉือนวัสดุ โดยการพัฒนาที่สำคัญมาจาก บริษัท General Electric (GE) ซึ่งสามารถผลิตเพชรสังเคราะห์ synthetic diamond สำหรับงานอุตสาหกรรมขึ้นมาได้ โดยทำการอบวัสดุประเภท carbon-rich ภายใต้ความดันและอุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตาม ความแข็งของเพชรสังเคราะห์ก็ยังถือว่าด้อยกว่าความแข็งของเพชรในธรรมชาติอยู่มาก

หากจะพิจารณากระบวนการตัดเฉือนโลหะกลุ่มเหล็ก มีดตัดที่ทำจากเพชรก็ไม่ถือว่าเป็นตัวเลือกที่ดีเท่าไหร่ แม้ว่าความแข็งจะมีมาก อันเป็นผลให้อัตราการสึกหรอที่เกิดอยู่ในระดับที่ต่ำมาก แต่ข้อจำกัดกลับอยู่ที่ตัววัสดุเอง เนื่องจากว่าการตัดเฉือนวัสดุจะเกิดความร้อนที่หน้าผิวสัมผัสสูงมาก ปริมาณความร้อนนี้มีมากเพียงพอต่อการทำให้ carbon ในเพชรเกิดการแพร่เข้าไปยังเนื้อวัสดุ และทำให้เกิดโครงสร้างของ Fe3C หรือ Iron carbide ที่ผิวงาน

diamond-conventional-unit-cell
Unit cell ของ Diamond structure

เราต่างรู้ว่า เพชร ก็คือ Carbon เช่นเดียวกับก้อนถ่าน ไส้ดินสอ graphite แต่ความแตกต่างอยู่ที่การจัดเรียงตัวของผลึก Carbon ในเพชรที่มีอะตอม carbon อยู่ใกล้กันมาก กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ความแข็งแรงของพันธะ covalent ที่จับกันสั้นๆ มีผลที่เสริมให้วัสดุมีความแข็งที่มากขึ้น นอกจากนี้วัสดุประเภท crystalline สามารถเพิ่มความแข็งให้มากขึ้นได้โดยการควบคุมขนาดของผลึก grain ให้มีขนาดเล็กลง ซึ่งอาจลงไปถึงระดับ nanometers เพื่อหยุดการเคลื่อนที่ของ dislocation หรือความไม่ต่อเนื่องในเนื้อวัสดุ

Boron ถือว่าเป็นวัสดุที่ใกล้เคียงกับ Carbon มากตัวหนึ่ง และได้ถูกนำมาปรุงแต่งให้สามารถนำมาใช้แทน carbon จากเพชรได้ เช่นเครื่องมือตัดชนิด CBN หรือ Cubic-Boron Nitride ซึ่งเป็นที่นิยมนำมาใช้ในการตัดเฉือนวัสดุที่มีความแข็งมากๆ และวัสดุที่ผ่านการอบชุบ อย่างไรก็ตาม ความแข็งของ CBN ก็ยังมีความแข็งเพียงครึ่งหนึ่งของเพชรเท่านั้น นอกจากนี้ ความซับซ้อนของโครงสร้างผลึก Boron และความไวต่อมลทิน Impurity ในเนื้อวัสดุยังส่งผลต่อความแข็ง/ความแข็งแรงของวัสดุที่ได้อีกด้วย

นักวัสดุศาสตร์หลายคนพยายามที่จะสังเคราะห์วัสดุทดแทนเพชรที่ให้ความแข็งในระดับที่ใกล้กัน หรือแข็งกว่า และมีความยืดหยุ่นของตัวเนื้อวัสดุมากกว่าเพชร มาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งโดยมากเกิดจากการพัฒนานำสารประกอบอื่นมาจับกับ Boron โดยความสำเร็จในเบื้องต้นในงานวิจัยงานหนึ่งคือการสังเคราะห์วัสดุชนิด w-BN หรือ wurtzite ขึ้นซึ่งโครงสร้างสามารถเปลี่ยนไปเป็นแบบที่คล้ายกับ CBN เมื่อเกิดแรงมากระทำ มีผลให้เกิดการเพิ่มความสามารถในการต้านการเปลี่ยนรูปมากขึ้น จากหลักการของการเปลี่ยนโครงสร้างนี้เอง จึงมีความเป็นไปได้ที่จะผลิตวัสดุที่มีความแข็งมากกว่าเพชรขึ้นมา อย่างไรก็ตามแนวคิดนี้ยังเป็นเพียงทฤษฎีอยู่

ความท้าทายของการค้นหาวัสดุที่มาใช้ทดแทนเพชรในแง่ของอุตสาหกรรมนั้น ถือเป็นเรื่องที่น่าสนใจ ประเด็นคือ วัสดุต้องมีความแข็งสูง ผลิตได้ง่าย ราคาถูก ซึ่งเป็นหัวใจของอุตสาหกรรมผลิตที่ไม่อาจปฏิเสธได้

สามารถอ่านรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่: http://www.newscientist.com/article/mg20327241.200-diamonds-are-for-softies–boron-is-harder.html


Tags: , , , , , ,

Related posts:

Comments»

no comments yet - be the first?


*