طوّر باحثون في جامعة تومسك البوليتكنيكية تقنية رائدة لإنشاء أغلفة ألماسية فائقة الصلابة موجهة لأدوات القطع الصناعية، ويُعتبر هذا الابتكار خطوة مهمة في مجال مواد التقوية المستخدمة في الصناعات الميكانيكية والهندسية.
ووفقاً لما ذكرته وزارة التعليم والعلوم الروسية، فإن هذه التقنية الجديدة ستحظى بأهمية كبيرة في مجال تصنيع ومعالجة المواد ذات القساوة العالية، حيث تتطلب عمليات القطع الخاصة بالمواد شديدة abrasiveness، مثل المواد المركّبة المدعمة، والجرافيت عالي الكثافة، وسبائك الألومنيوم-السيليكون، معدات ذات صلابة استثنائية وقدرة عالية على مقاومة التآكل.
لتحقيق ذلك، غالباً ما تُغطى أدوات القطع بأغلفة ألماسية تمنحها القوة والتحمل المطلوبين، لكن الطلاءات التقليدية أحادية الطبقة، سواء كانت ميكروية أم نانوية، تعاني من قيود واضحة تؤثر على موثوقيتها وقدرتها على تحمل الضغط الشديد، مما يؤدي إلى تدهور أدائها المبكر.
تقنية الطلاء المتدرّج: حل جذري لمشكلات الطلاء التقليدي
اقترح الباحثون في تومسك طريقة جديدة تماماً لترسيب الطلاءات الألماسية تتغلب على العيوب التي تعاني منها التقنيات الحالية، وتعتمد هذه الطريقة على إنشاء انتقال متدرج وسلس بين البنية الميكروكريستالية والنانوكريستالية، من دون وجود حدود واضحة بين الطبقات.
ويهدف هذا التدرج إلى الجمع بين ميزات البنيتين في طلاء واحد:
- البنية الميكروكريستالية تمنح الصلابة العالية ومقاومة التآكل.
- البنية النانوكريستالية تمنح نعومة السطح وتزيد من مقاومة التشققات.
هذا الدمج المتدرّج يعزّز أداء الطلاء، ويزيد من تماسكه، ويقلّل احتمال تشكّل العيوب المحلية أو انهيار الطبقات تحت الأحمال القاسية.
أهمية الانتقال السلس بين الطبقات
يؤكد ألكسندر ميتولينسكي، الباحث المشارك في الدراسة وعضو مختبر “تقنيات الحزم النبضية والتفريغ الكهربائي والبلازما” في الجامعة، أن القيمة الكبرى لهذا التطوير تكمن في نعومة الانتقال بين الطبقات، حيث يؤثر هذا العامل مباشرة على:
- قوة الالتصاق بالسطح الأساسي.
- مقاومة التآكل.
- معامل الاحتكاك.
مما يؤدي إلى تحسين العمر التشغيلي للطلاءات حتى في الظروف الصناعية الأكثر صعوبة.
طريقة التصنيع والاختبارات الأولى
لتحقيق هذا الطلاء المتدرّج، استخدم الباحثون تقنية الترسيب الكيميائي من البخار (CVD)، واستغرق تصنيع كل طبقة حوالي ثماني ساعات، حيث زاد الباحثون تركيز الميثان تدريجياً داخل مزيج الغازات، ما أتاح تشكيل البنية المتدرجة المتكاملة.
وبعد التصنيع، خضعت العينات لاختبارات دقيقة لقياس:
- معامل الاحتكاك.
- مقاومة التآكل.
- قوة الالتصاق.
كما أُجري لأول مرة تقييم مقارن بين الطلاء الجديد والطلاءات التقليدية أحادية الطبقة والثنائية، وتشير النتائج إلى أن التقنية الجديدة قد تمهّد الطريق لإنتاج أدوات قطع أكثر تحملاً وموثوقية، تُستخدم في بيئات تشغيل قاسية تتطلب أعلى مستويات الأداء.
تطبيقات مستقبلية واعدة
من المتوقع أن يحدث هذا الابتكار نقلة حقيقية في صناعات:
- الهندسة الميكانيكية.
- صناعة الأدوات الدقيقة.
- تصنيع المواد المركّبة.
- عمليات تشغيل المعادن الصلبة.
كما قد يقلل من تكاليف الاستبدال والصيانة، ويطيل عمر أدوات القطع المستخدمة في القطاعات الصناعية المتقدمة.