 | โลหะแก้ว (Metallic glasses) - Alloying and Mechanical Propertiesสรุปและเรียบเรียงโดย คณาจารย์และนิสิต ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
1.1 บทนำ
โลหะแก้วเป็นโลหะที่มีโครงสร้างแบบไม่เป็นผลึก เนื่องจากเกิดจากกระบวนการขึ้นรูปที่มีการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้การเปลี่ยนรูปร่างของโครงสร้างภายในนั้นไม่สามารถจับตัวเป็นผลึกได้ และจากโครงสร้างที่ไม่เป็นผลึกนี้ ทำให้สมบัติทางกลของโลหะแก้วมีความพิเศษกว่าโลหะปกติทั่วไปจากการจัดเรียงตัวของอะตอมไม่เป็นระเบียบทำให้ไม่มีกลไกการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชั่น (Dislocation) ซึ่งแตกต่างจากโลหะทั่วไปที่มีการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชั่นบนโครงสร้างของอะตอมที่เรียงชิดติดกัน (close pack plane) โดยการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชั่นนั้นทำให้เกิดการแปรรูปแบบถาวรหรือการแปรรูปแบบพลาสติก (plastic deformation) ซึ่งทำให้โลหะปกตินั้นเกิดการแปรรูปได้ง่ายกว่าโลหะแก้ว เนื่องจากโลหะแก้วไม่มีโครงสร้างแบบผลึกจึงไม่มีระนาบของอะตอมที่เรียงชิดติดกัน (close pack plane) จึงไม่มีทิศทางในการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชั่นทำให้เกิดการแปรรูปได้ยากกว่าโลหะปกติทั่วไป ทำให้มีความแข็งแรงมากกว่าโลหะทั่วไป [Greer, 2008]
1.2 ประวัติและการพัฒนา
โดยโลหะแก้วมีการค้นพบเมื่อ 52 ปีที่แล้ว โดยถูกค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ.1960 โดย Klement และ Duwez [Klement, 1960] โดยใช้โลหะผสมระหว่าง Au และ Si ในอัตราส่วน 75:25 ตามลำดับ โดยใช้อัตราการเย็นตัวถึง 105-106 เคลวินต่อวินาที โดยโลหะแก้วต้องขึ้นรูปด้วยอัตราการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว จึงทำให้ยากต่อการผลิตที่จะผลิตโลหะแก้วที่จะมาใช้งานได้จริง ดังนั้นจึงมีนักวิจัยหลายกลุ่มได้ทดลองพัฒนาส่วนผสมของโลหะแก้วให้มีสมบัติในการขึ้นรูปและสมบัติอื่น ๆ ที่เหมาะสมต่อการนำไปใช้จริง [Chen, 1974]
Fig. 1 ตารางแสดงการพัฒนาส่วนผสมของโลหะแก้ว [Wang, 2004]
จากตารางพัฒนาส่วนผสมของโลหะแก้วตั้งแต่ปี 1974 – 2003 ซึ่งมีการปรับเปลี่ยนทั้งธาตุที่เป็นตัวหลักและธาตุที่เป็นธาตุผสมที่แตกต่างกันไปจาก Fig. 1 โลหะแก้วได้ถูกพัฒนาจากการผสมกัน 3 ธาตุเช่น Pd-Cu-Si ในยุคแรกของโลหะแก้ว มาเป็นการผสมกัน 4-5 ธาตุและมีธาตุหลักแตกต่างกันไปเช่น Zr-Nb-Cu-Fe-Be เพื่อทำให้สามารถเพิ่มสมบัติด้านต่างๆ ของโลหะแก้วและในด้านของการผลิตในเชิงอุตสาหกรรม อีกทั้งส่งผลถึงการใช้งานได้หลากหลายมากขึ้น
Fig. 2 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเย็นตัว ผลต่างของอุณหภูมิ และความหนาสูงสุดที่สามารถขึ้นรูปได้ [Nowosielski, 2007]
เนื่องจากมีการพัฒนาสูตรในการสร้างเป็นโลหะแก้วโดยมีการผสมธาตุต่างๆ เพื่อทำให้มีอัตราการเย็นตัวลดลงจากเดิม สังเกตได้จาก Fig. 2 โดยในสูตรที่มี Zr – base นั้นจะสามารถช่วยในด้านของการลดอัตราการเย็นตัวลงได้ซึ่งนั้นแสดงให้เห็นว่าจากการพัฒนาสูตรของโลหะแก้วนั้นส่งผงให้สามารถผลิตโลหะแก้วที่มีขนาดที่หนามากขึ้นและสามารถผลิตออกมาใช้จริงได้ง่ายขึ้น ซึ่งสูตรที่มีอัตราการเย็นตัวที่น้อยคือ Zr-Al-Ni-Pd หรือ Zr-Al-Cu-Pd [Nowosielski, 2007]
Fig. 3 แสดงการเปรียบเทียบพลังงานอิสระกับอัตราส่วนอุณหภูมิต่ออุณหภูมิหลอมเหลว [W.H. Wang: 2004]
จาก Fig. 3 แสดงให้ถึงค่าพลังงานอิสระที่มีค่าแตกต่างกันไปตามแต่ละสูตรของส่วนผสม ซึ่งในส่วนของสูตรที่มี Zr-base เช่น Ti–Zr–Ni–Cu–Be นั้นจะมีค่าพลังงานอิสระที่ต่ำซึ่งแตกต่างจากสูตรอื่นที่มีค่าพลังงานอิสระที่สูงทำให้สามารถเกิดโครงสร้างของโลหะแก้วได้ยากเนื่องมีพลังงานสูงความเสถียรจะต่ำจึงไม่สามารถผลิตโลหะแก้วที่มีความหนามากได้และผลิตได้ยาก หมายความว่าในสูตรที่มี Zr-base มีความสามารถที่ทำให้เกิดโลหะแก้วได้ง่าย และสามารถผลิตโลหะแก้วได้มีขนาดความหนาที่มากกว่าสูตรอื่นอีกทั้งได้มีการพัฒนาโดยมีการเติมธาตุ Nb เพื่อเพิ่มสมบัติให้กับโลหะแก้วทั้งทางด้านความแข็งแรงและด้านการต้านทานการกัดกร่อนอีกด้วย ซึ่งจากที่กล่าวมาข้างต้นเกรดของโลหะแก้วที่มีการนิยมใช้ หรือ สามารถผลิตที่ง่ายและได้ความหนาที่มากนั้นเป็นเกรดที่มี Zr-base เนื่องจากมีอัตราการเย็นตัวที่ต่ำ และให้ค่าพลังงานอิสระที่ต่ำด้วยเช่นกัน อีกทั้งยังมีสมบัติที่เหมาะสมดังที่กล่าวต่อไป [Wang: 2004]
2.1 หลักการผสมธาตุในโลหะแก้ว
โดยหลักการในการทำให้เกิดเป็นโลหะแก้วนั้นจำเป็นต้องมีการเลือกใช้ธาตุที่ผสมกันหลายๆธาตุเพื่อให้เกิดเป็นโลหะที่มีโครงสร้างเป็นอสัณฐาน เนื่องจากธาตุผสมแต่ละชนิดมีสมบัติแตกต่างกันจึงทำให้ส่งผลต่อการเกิดเป็นโลหะแก้วที่ต่างกัน ซึ่งหลักการในการผสมโลหะแก้วนั้นมีดังนี้
• ส่วนประกอบของระบบควรมีมากกว่าสามธาตุ เพื่อเป็นการเพิ่มความยุ่งเหยิงให้กับระบบ ทำให้การจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างผลึกลดลง
• ความแตกต่างของขนาดอะตอมควรมีอัตราส่วนมากกว่า 12% ในสามองค์ประกอบหลัก
• ค่าความร้อนระหว่างการรวมกันของธาตุผสมต่างๆต้องเป็นค่าลบ เนื่องจากค่าความร้อนเป็นลบแสดงว่าเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนซึ่งทำให้อะตอมแม้ขนาดต่างกันแต่ก็จะมาทำปฏิกิริยากันแล้วจะยึดกันแน่นในลักษณะที่โครงสร้างยุ่งเหยิง ทำให้เมื่อเกิดการเย็นตัวอะตอมที่จับตัวกันไม่มีโอกาสที่จะย้ายตำแหน่งเพื่อไปจัดโครงสร้างให้เป็นระเบียบ
• มีส่วนผสมที่ใกล้เคียงกับจุดยูเทคติก เนื่องจากจุดยูเทคติกเป็นจุดที่เมื่ออุณหภูมิของระบบลดลงของเหลวจะเปลี่ยนเป็นของแข็งอย่างรวดเร็ว ทำให้อะตอมไม่มีเวลาจัดเรียงตัวให้ได้โครงสร้างที่เป็นระเบียบ
2.2 การจำแนกโลหะผสม
ซึ่งในการจำแนกโลหะแก้วนั้นสามารถจำแนกได้จากส่วนผสมของธาตุ แบ่งออกเป็น 3 ประเภทคือ โลหะผสมโลหะ, แพลเลเดียมผสมกับธาตุกึ่งโลหะ, และโลหะผสมกับธาตุกึ่งโลหะ
2.2.1 โลหะผสมโลหะ โลหะที่ใช้เป็นเนื้อพื้น ในกลุ่มนี้ ได้แก่ Zr-based, Ti-based, Hf-based, Mg-based, Lanthanide-based, Be-Zr-based ซึ่งการเกิดเป็นโลหะแก้วจากโลหะผสมในกลุ่มนี้พบว่าในการเย็นตัวจะเกิดเฟส Icosahedral [Wang, 2004] ด้วยโครงสร้างที่มี 12 มุม 20 หน้าของ Icosahedral ทำให้การจัดเรียงให้เป็นระเบียบได้เพียงส่วนเล็กๆ แต่เมื่อนำมารวมกันก็จะจัดเรียงตัวในลักษณะที่ยุ่งเหยิง ซึ่งตรงกับหลักการในการเลือกธาตุผสมที่ว่าค่าความร้อนระหว่างการรวมตัวต้องเป็นค่าลบ เนื่องจากพลังงานที่ทำให้เกิดนิวเคลียสของเฟส Icosahedral นั้นน้อยกว่าพลังงานการทำให้เกิดเป็นโครงสร้างผลึกในโลหะผสม ในขณะที่เกิดการเย็นตัวของโลหะหลอมเหลว จะเกิดเป็นเฟส Icosahedral ซึ่งเป็นตัวยับยั้งในการเกิดนิวเคลียสและการโตของผลึก
Fig. 4 โครงสร้างทั่วไปของ Icosahedral [wikipedia, 2012]
สูตรธาตุผสมที่ใช้ในกลุ่มนี้มีมากมาย เช่น สูตร Zr-Al-Cu-Ni Alloy ที่เมื่อเติมธาตุ Ti, Nb หรือ Pd [Inoue, 1995] จะเป็นการยับยั้งปฏิกิริยาการเติบโตของการเกิดเป็นผลึก จึงเป็นการเพิ่มอัตราส่วนพื้นที่ของเฟสแก้ว เนื่องจากการใส่ธาตุพวกนี้ลงไปทำให้ลดค่าความแตกต่างระหว่าง Glass transition temperature (Tg) และ Crystallization temperature (Tx) ซึ่งจะส่งผลต่อการเกิดเฟสแก้ว เพราะการทำให้ค่าผลต่างที่น้อย ทำให้อัตราการเย็นตัวต่ำก็สามารถทำให้เกิดเป็นโลหะแก้วได้
ในกลุ่มนี้ยังมีสูตรZr-Ti-Cu-Ni-Be และ Zr-Ti-Cu-Ni-Al [โรจนนันต์, 2548] ที่ใช้มากในอุตสาหกรรม เป็นโลหะผสม 5 ธาตุ ซึ่งทำให้ขนาดอะตอมมีความแตกต่างกันเป็นการขัดขวางไม่ให้อะตอมเกิดการจัดเรียงตัวเป็นโครงผลึก และเมื่ออยู่ในสภาวะของแข็งจะไม่มีทิศทางที่ดิสโลเคชั่นสามารถเคลื่อนที่ได้ง่ายภายใต้การเปลี่ยนรูป เนื่องจากมีความหนาแน่นมากทำให้วัสดุมีความแข็งแรงสูง และในสูตร Mg-Cu-Tb-based เมื่อเติมAg, Zn และ Be [Qin, 2009] จะทำให้อะตอมจัดเรียงตัวได้ลดลงส่งผลให้ความไม่เป็นระเบียบของโครงสร้างเพิ่มขึ้น ทำให้นอกจากจะเพื่อเพิ่มความสามารถในการกลายโลหะแก้วแล้วยังเพิ่มความแข็งแรงอีกด้วย
2.2.2 Pd (แพลเลเดียม) ผสมกับธาตุกึ่งโลหะ ในกลุ่มนี้จะมี Pd เป็นเนื้อพื้น และจะทำการผสมธาตุอื่นลงไปจำนวน 3-5 ธาตุ เพื่อขัดขวางการเกิดผลึกและรักษาเสถียรภาพของการเกิดเฟสแก้ว โดยแต่ละธาตุจะต้องมีขนาดของอะตอมที่ใหญ่ไม่เท่ากัน และส่วนผสมของแต่ละระบบจะต้องใกล้เคียงกับจุด Eutectic เพื่อป้องกันการเกิดผลึกของโลหะ โดยแต่ละระบบจะมีการจัดเรียงตัวในแบบที่แตกต่างกันตามส่วนผสม เช่น Pd–Cu–Ni–P มีการจัดเรียงแบบปริซึมสามเหลี่ยม Pd–Ni–P มีการจัดเรียงแบบ three half-octahedral และ Pd–Cu–P มีการจัดเรียงแบบ tetragonal dodecahedron และเนื่องจากระบบ Pd–Cu–Ni–P ประกอบด้วย 2 clustered units ขนาดใหญ่ซึ่งสร้างพันธะกัน โดยเป็นพันธะระหว่างโลหะและกึ่งโลหะ (metal–metalloid) ซึ่งมีความแข็งแรงมาก ทำให้เมื่อเย็นตัวอย่างรวดเร็วจนเกิดเฟสของแก้วแล้ว จะยากต่อการขยับหรือสลายตัวของพันธะ ทำให้เฟสแก้วมีเสถียรภาพสูงกว่าและสามารถนำไปขึ้นรูปชิ้นงานที่มีความหนาได้มากกว่าระบบ Pd–Cu–P และ Pd–Ni–P [Wang, 2004] และ [Inoue, 1999]
Fig. 5 Pd-Ni-P มีการจัดเรียงโครงสร้างแบบ three half-octahedral และ Pd-Cu-P มีการจัดเรียงโครงสร้างแบบ tetragonal dodecahedron [Inoue, 1999]
2.2.3 โลหะ-โลหะกึ่งผสม ในกลุ่มนี้จะมี Fe ,Co ,Ni เป็นโลหะฐาน สูตรธาตุผสมที่ใช้ในกลุ่มนี้มีมากมายเช่น มีการใส่ Nb และ Ga ในระบบโลหะผสม Fe–B–Si และ Fe–P–C–B–Si ตามลำดับ จะช่วยเพิ่ม glass forming ability (GFA) เพราะ เป็นการลด melting temperatures (Tm) และ liquidus temperatures (Tl) นั่นคือ เป็นการเพิ่มค่า reduced glass transformation temperature (Trg = Tg/Tl) จึงไม่ต้องทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วมากนักก็สามารถสร้างโลหะแก้วที่มีความหนาเพิ่มขึ้นได้ จึงทำให้สามารถผลิตโลหะแก้วที่มีความหนาอย่างน้อย 5 มิลลิเมตรได้ ในระบบโลหะผสม Fe–Co–B–Si–Nb มีการเติม Ni แทน Co บางส่วน เพื่อเป็นการเพิ่มสมบัติการยืดตัวอย่างถาวร 0.5% (เนื่องจาก Ni มีสมบัติที่ใกล้เคียงกับ Co) นอกจากนี้ในระบบโลหะผสม Co–Fe–Ta–B ได้มีการพัฒนาเป็น Co–Fe–Ta–B–Mo คือมีการเติมธาตุ Mo เพื่อเพิ่ม fracture strength และ Co–Fe–Ta–B–Mo–Si โดยการใส่ธาตุ Si เพื่อเพิ่ม GFA เนื่องจากเป็นการเพิ่มค่า Trg แต่ส่งผลทำให้ fracture strength ลดลง [Inoue, 2006] หรือการใส่ธาตุ Hf (Hafnium) ทดแทนธาตุ Zr บางส่วนในระบบโลหะผสม FeCoZrMoBAlY เพราะ มีองค์ประกอบทางเคมีคล้ายกัน และธาตุ Hf เป็นอะตอมขนาดใหญ่ ซึ่งจะช่วยเพิ่มค่า Trg [Guo, 2007]
โดยอัตราการเย็นตัวของโลหะผสมดังกล่าวมีความสำคัญมากซึ่งหากมีการเย็นตัวอย่างรวดเร็วจะทำ ให้เกิดการยับยั้งการเกิด ผลึกและการเจริญเติบโตของผลึกซึ่งจากการผสมธาตุที่ต่างกัน ในโลหะผสมทั้งสามรูปแบบทำให้ได้รูปแบบการจัดเรียงกันของอะตอมที่แตกต่างกัน [Wang, 2004]
2.3 สมบัติทางกล
Fig. 6 กราฟแสดงค่า modulus และค่า tensile strength ของ Zr-based และ Ni-based ของโลหะแก้ว [Nishiyama: 2007]
โลหะแก้วนั้นมีส่วนผสมของธาตุหลักที่แตกต่างกันไป ซึ่งธาตุหลักแต่ละธาตุนั้นก็จะส่งผลต่อสมบัติที่จะแสดงออกมาแตกต่างกันไปจากตาราง Fig. 6 เช่น Zr-based มีค่ามอดูลัสที่สูงกว่า Ni – based แต่ในส่วนของ Ni – based นั้นสมบัติในด้านของ tensile strength ที่สูงกว่า Zr – based ซึ่งส่งผลต่อการนำไปใช้งานต่อไปของโลหะแก้วแต่ละประเภท [Nishiyama, 2007] นอกจากนั้นคุณสมบัติการดึงยืดแบบไม่เสียรูป (Elastic Limit) ของโลหะแก้วมีความสามารถในการดึงยืดแบบไม่เสียรูปมากถึง ประมาณ 2 % ซึ่งเทียบเท่าโพลิเมอร์เลยทีเดียว ในขณะเดียวกันสามารถรับแรงได้มากกว่ากลุ่มเหล็กกล้าทั่วไปอีกด้วย [จตุพล, 2011]
Fig. 7 ตารางเปรียบเทียบสมบัติทางกลระหว่างโครสร้างอสัณฐานกับโครงสร้างกึ่งผลึกที่อุณหภูมิแตกต่างกัน a) อุณหภูมิห้อง b) อุณหภูมิ 573K [Y.C. Choi, S.I. Hong: 2006]
เมื่อทำการเปรียบเทียบจาก Fig. 7 ที่ปรากฏ a) จะให้เห็นถึงค่าความแข็งแรงของโลหะที่มีโครงสร้างแบบไม่เป็นผลึก (Amorphous) ที่มีความแข็งแรงที่มากกว่าโลหะที่มีโครงสร้างกึ่งผลึก (Crystalized Amorphous) ในส่วนของอุณหภูมิห้องซึ่งโลหะแก้วมีค่าความเค้นและเปอร์เซนต์ความเครียดที่สูงกว่าโลหะทั่วไป และ b) แสดงให้เห็นที่อุณหภูมิสูงคือ 573 เคลวิน ค่าความเค้นและเปอร์เซนต์ความเครียดจะมีค่าที่ต่ำกว่าที่อุณหภูมิห้อง แต่โลหะที่มีโครงสร้างแบบไม่เป็นผลึก (Amorphous) จะมีค่าวิน ค่าความเค้นและเปอร์เซนต์ความเครียด ที่สูงกว่าโลหะมีโครงสร้างกึ่งผลึก (Crystalized Amorphous) อีกเช่นกัน นั่นแสดงว่าโลหะแก้วมีความแข็งแรงที่ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ เป็นลักษณะที่โดดเด่นของโลหะแก้วด้วยเช่นกัน [Choi, 2006]
3 กระบวนการขึ้นรูปและการใช้งาน
กระบวนการในการผลิตโลหะแก้วนั้นต้องอาศัยความรวดเร็วในการทำให้โลหะหลอมเหลวเย็นตัว ซึ่งทำให้อะตอมของโลหะหลอมเหลวนั้นไม่สามารถจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างผลึกได้ จึงเกิดโครงสร้างแบบไม่เป็นผลึกขึ้น กระบวนการผลิตดั้งเดิมของโลหะแก้วคือ การหลอมละลายแล้วปั่น (Melt spinning) แต่มีข้อเสียคือทำได้แค่รูปร่างวงกลมหรือวงรีเท่านั้น และยังมีความหนาของชิ้นงานต่ำอีกด้วย จึงมีการพัฒนากระบวนการในการขึ้นรูปโลหะแก้วเพิ่มขึ้น 3 กระบวนการ คือ กระบวนการ superplastic forming กระบวนการ centrifugal casting และ กระบวนการ microwave processing [Slattery, 2000], [Li, 2011] และ [Nowosielski, 2007]
ซึ่งการนำไปใช้งานนั้น ในปัจจุบันมีการเริ่มนำไปใช้กันอย่างกว้างขวางมากขึ้นตามลำดับ ซึ่งจะมีการใช้งานและกระบวนการขึ้นรูปดังนี้
3.1 Metallic glass iPhone gets closer
การผลิตโลหะแก้ว ซึ่งเป็นวัสดุที่แข็งแรงกว่า เหล็ก และไทเทเนียม อาจจะนำไปสู่การพัฒนาใหม่ สู่สิ่งที่เรียกว่า super-tough cell-phone cases แต่เดิมนั้นการผลิตโลหะแก้วสำหรับพวก cell phone cases ยังคงเป็นกระบวนการผลิตที่มีราคาแพง แต่ปัจจุบันได้มีการพัฒนาเทคนิคใหม่ที่มีราคาไม่แพงโดยใช้กระบวนการผลิตเช่นเดียว กับการฉีดชิ้นส่วนพลาสติก แต่ก่อนนั้นการผลิตชิ้นส่วนโลหะแก้วจะต้องผลิตโดยใช้ความร้อนประมาณ 1,000 องศาเซลเซียส ซึ่งอยู่เหนือจุดหลอมละลายของเฟสผลึก จากนั้นโลหะหลอมเหลวจะถูกโยนลงไปในแม่พิมพ์เหล็กและทำให้เย็นตัวก่อนที่มันจะตกผลึก ปัญหาคือ แม่พิมพ์เหล็กโดยทั่วไปจะทนต่ออุณหภูมิประมาณ 600 องศาเซลเซียส การได้รับอุณหภูมิสูงและเย็นตัวอย่างรวดเร็วเป็นผลให้ mold แตกและต้องเปลี่ยนอยู่บ่อยครั้งทำให้กระบวนการผลิตมีราคาแพง [cosmiclog, 2012]
จึงได้มีการพัฒนากระบวนการใหม่ที่เกี่ยวข้องกับความร้อนและการแปรรูปแก้วโลหะอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิระหว่างประมาณ 500 - 600 องศาเซลเซียส ที่สามารถมีการไหลได้เช่นเดียวกับพลาสติกเหลว ให้โลหะมีความหนืดพอที่จะฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์ได้ และ fre
eze ก่อนที่มันจะตกผลึก เคล็ดลับในการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วกับโลหะแก้วคือ การใช้กระบวนการผลิตที่เรียกว่า ohmic heating ซึ่งเป็นกระบวนการให้ความร้อนที่เกิดจากความต้านทานไฟฟ้า โดยการผ่านกระแสไฟฟ้าไปยังชิ้นงานที่เป็น Metallic glass rod ทำให้เกิดความร้อนในเวลาที่สั้นไม่กี่ millisecond ในอัตราล้านองศาต่อวินาที ดังเช่น Fig. 8 ซึ่งเป็นวิธีที่ให้ความร้อนอย่างสม่ำเสมอและเร็วที่สุด [มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลล้านนา ลำปาง]
Fig.8 แสดงความเร็วในการให้ความร้อนของ metallic glass rod ในหน่วยเคลวิน
ที่มา http://phys.org/news/2011-05-strong-tough-cheap-metallic-glass.html (24/08/2012)
เนื่องจากเป็นกระบวนการที่ใช้เวลาเพียงครึ่งเสี้ยววินาทีที่ Metallic glass จะเข้าสู่สภาวะ Moldable liquid จึงทำให้สามารถนำมาฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์และเย็นทั้งหมดก่อนที่จะเกิดเป็นผลึกได้ เทคโนโลยีนี้ ถูกเรียกว่า “rapid discharge forming”
สำหรับงานวิจัยสำหรับ iPhone cases นักวิจัยได้ทำการให้ความร้อนกับ rod ที่ประมาณ 550 องศาเซลเซียส และ ฉีดเข้าสู้ mold ที่มีรูปร่าง donut-shaped ในเวลาน้อยกว่า 40 มิลลิวินาที พบว่ารูปร่างใหม่ยังคงเป็นแก้วโลหะเหมือนเดิม
Fig.9 metallic-glass rod ก่อนที่จะให้ความร้อน (ซ้าย); ส่วน metallic-glass ขึ้นรูป (กลาง); ผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่ตัดส่วนเกินออก (ขวา)
ที่มา http://cosmiclog.nbcnews.com/_news/2011/05/16/6653833-metallic-glass-iphone-gets-closer?lite (26/08/2012)
วัสดุที่ใช้สำหรับการผลิตในตอนแรกได้มีการใช้ alloy ที่มีส่วนผสมของ zirconium/ copper/ nickel/ beryllium แต่ภายหลังพบว่าฝุ่นของ beryllium ก่อให้เกิดมะเร็งปอด เช่นเดียวกับ แร่ใยหินจึงได้มีการเปลี่ยนมาใช้ alloy ที่มีส่วนผสมของ zirconium/ copper/ nickel/ niobium ในท้ายที่สุดพบว่า กระบวนการนี้มีราคาไม่แพงและมีประสิทธิภาพสูง รวมทั้งมีรูปร่างที่แม่นยำเช่นเดียวกับการฉีดพลาสติก [forbes, 2012]
3.2 Screws (ตัวยึดกระดูก)
จากการศึกษาข้อมูลด้านการแพทย์พบว่าหากกระดูกของคนเราเมื่อเกิดการร้าวหรือแตกหัก แพทย์จะทำการรักษาให้โดยผ่าตัดใช้ตัวยึดเกาะกับกระดูก โดยจะนำตัวยึดที่ทำจากโลหะหรือสกรูยึดจากโลหะผ่าตัดและฝังเข้าไปในส่วนกระดูกที่ได้รับความเสียหาย ทำให้ในบางครั้งต้องทำการผ่าตัดนำโลหะนั้นออกเมื่อกระดูกเชื่อมประสานกันดีแล้ว แต่การผ่าตัดจะส่งผลให้เกิดการบาดเจ็บจากแผลผ่าตัดไปอีกระยะหนึ่ง
Fig. 10 รูปซ้ายมือลักษณะการผ่าตัวและใช้ตัวยึด, รูปขวามือเป็นลักษณะรูปร่างวัสดุโลหะที่ใช้ในการยึดกระดูก ที่มา รูปซ้าย [Masadeh, et al., 2009]
รูปขวา http://www.indiamart.com (19/08/2012)]
วัสดุที่เป็นที่นิยมใช้จะเป็นโลหะที่ไม่เกิดสนิม เช่นจำพวก Stainless steel ซึ่งเพียงแต่ไม่ทำปฏิกิริยากับเนื้อเยื่อข้างเคียงก็เพียงพอที่จะนำมาใช้ได้แต่ในปัจจุบันความก้าวหน้าได้พัฒนามากขึ้น ทำให้การเลือกใช้วัสดุทางการแพทย์มีการพัฒนาตามไปด้วย เพื่อลดการบาดเจ็บและทดแทนหรือทำหน้าที่แทนอวัยวะส่วนที่เสียหายไปได้ หากยังต้องมีความคงทนเมื่ออยู่ในร่างกายอีกด้วย จึงมีการนำโลหะแก้วมาใช้กับการรักษาโดยการศึกษาของ [Zberg et al., 2009]ได้มีการคิดค้นตัวประสานกระดูกจากโลหะแก้วขึ้นมา โดยโลหะแก้วจะมีความเข้ากันกับเนื้อเยื่อได้ดีและไม่เป็นพิษต่อร่างกายโดยโลหะแก้วที่ใช้จะเป็นกลุ่ม magnesium-based alloys ซึ่งมีความเสถียรและสามารถย่อยสลายได้จากการให้ไอออนของไฮโดรเจนเข้าไปสลายตัวยึดเมื่อกระดูกยึดติดกันดีแล้ว แต่จะพบปัญหาจากการที่ไอออนของไฮโดรเจนเข้าไปยับยั้งการยึดเกาะของกระดูกด้วย จึงได้มีการหาสูตรของโลหะแก้วใหม่เพื่อแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้นโดยการเพิ่ม สังกะสี และแคลเซียมเข้าไปจนเป็นกลุ่ม magnesium-zinc-calcium glass โดยมีสัดส่วน Mg60+xZn35-xCa5 (0x7) ผสมเข้าด้วยกันแล้วนำไปหลอมเหลวแล้วทำให้เกิดอัตราการเย็นตัวที่สูงทำให้เฟสไม่เป็นผลึกเพราะไม่มีเวลาในการจัดเรียงตัว ทำให้ได้โครงสร้างแบบ Amorphous ที่มีความแข็งแรงสูงและมีความยืดหยุ่นสูง และไม่เป็นอันตรายต่อกระดูกและผลงานนี้ได้การเผยแพร่และยอมรับว่าเป็น วัสดุใหม่ที่เป็นวัสดุธรรมชาติเนื่องจากไม่เป็นพิษต่อร่างกายและเนื้อเยื่อยังสามารถยึดเกาะวัสดุได้อีกด้วย
ซึ่งนอกจากสองตัวอย่างที่กล่าวมาแล้ว ก็ยังมีการนำโลหะแก้วไปใช้กันอย่างกว้างขวางในอีกหลายๆด้าน เช่น การใช้งานด้านการแพทย์และศัลยกรรม การใช้งานด้านอุปกรณ์กีฬา เช่น หัวไม้กอล์ฟ เนื่องจากมีความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง หรือทางด้านเครื่องกลและอิเล็กทรอนิกส์เนื่องจากมีสมบัติทางไฟฟ้าที่ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ
สรุป
โลหะแก้วในปัจจุบันได้มีการนำมาใช้มากขึ้นเนื่องจากสมบัติที่ดีในด้านต่างๆรวมถึงมีการผลิตที่ง่ายขึ้นและมีต้นทุนถูกลงจึงได้มีการนำมาใช้อย่างกว้างขวาง เนื่องจากโลหะแก้วมีสมบัติต่างๆที่เหนือกว่าโลหะธรรมดาทั่วไป ทั้งด้านความแข็งแรง ความยืดหยุ่น และ การทนต่อการกัดกร่อน จึงมีงานวิจัยมากมายที่มีการวิจัยและพัฒนาโลหะแก้วเพื่อประยุกต์ให้เข้ากับอุตสาหกรรมต่างๆมากมาย เนื่องจากโลหะแล้วมีส่วนผสมของธาตุต่างๆอยู่มาก(มากกว่า 3 ธาตุขึ้นไป)ทำให้สามารถเติมสมบัติที่ต้องการเพื่อนำไปใช่ให้เหมาะสมในด้านเฉพาะทางได้อีกมากมาย ในปัจจุบันจึงมีการพัฒนาและผลิตโลหะแก้วเพื่อนำมาใช้งาน เช่น Metallic glass iPhone gets closer และ Screws (ตัวยึดกระดูก) ซึ่งใช้ในทางด้านการแพทย์เป็นต้น แต่ด้วยข้อจำกัดของโลหะแก้วที่ไม่สามารถผลิตชิ้นงานที่มีความหนามากๆได้เนื่องจากยังต้องอาศัยการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว ปัจจุบันจึงมีงานวิจัยมากมายที่มุ่งพัฒนาโลหะแก้วเพื่อให้สามารถใช้ได้กับอุตสาหกรรมต่างๆได้ในอนาคต
เอกสารอ้างอิง
[โรจนนันต์, 2548]: ดร.สิริพร โรจนนันต์. “มารู้จัก Bulk Metallic Glass กันเถอะ.” วารสารเพื่อการพัฒนา-เทคโนโลยีวัสดุประจำเดือนเมษายน-กันยายน 39-40 (2548).
[จตุพล, 2011]: จตุพล โอภาไพบูลย์, โลหะแก้ว(Metallic Glass). (2011).
[AO, 2012]: AO Foundation, https://www2.aofoundation.org/wps/portal/!ut/p/c0/04_SB8K8xLLM9MSSzPy8xBz9C , last visit: 22/07/2012
[Axinite, 2011]: Eugen Axinte, Present and future of design processing and applications of glassy metals by the microalloying of Nb Novel applications of bulk metallic glass for industrial products. (2011).
[Chen, 1974]: H. S. Chen, Acta Metall. 22, 1505 (1974).[Choi, 2006]: Y.C. Choi, S.I. Hong, Mechanical properties and microstructure of commercial amorphous golf club heads made of Zr–Ti–Cu–Ni–Be bulk metallic glass. Materials Science and Engineering A 449–451 (2007) 126–129
[Chula, 2012]: Faculty of Medicine Chulalongkorn University,”วัสดุชีวภาพการแพทย์ออร์โธปิดิกส์” , http://ortho.md.chula.ac.th/thai/index.php?option=com_content&view=article&id=80:2010-10-29-08-20-19&catid=43:2010-10-29-08-15-48 , last visit: 22/07/2012 [cosmiclog, 2012]: Cosmic Log, ” Metallic glass iPhone gets closer”, http://cosmiclog.nbcnews.com/_news/2011/05/16/6653833-metallic-glass-iphone-gets-closer?lite, last visit: 22/07/2012
[ETH, 2012]: ETH Zurich,” Metallic glass for bone surgery”, http://www.ethz.ch/media/pressreleases/2009/detail_EN?pr_id=923, last visit: 22/07/2012 [Klement, 1960]: W. Klement, R.H. Willens and P. Duwez, Nature. 187, 869 (1960).
[Li, 2011]: Song Li, Dmitri V Louzguine-Lugzin, Guoqiang Xie, Motoyasu Sato and Akihisa Inoue (2011). Microwave Processing of Metallic Glass/Polymer Composite in a Separated H-Field, Advances in Induction and Microwave Heating of Mineral and Organic Materials, Stanislaw Grundas (Ed.), ISBN: 978-953-307-522-8
[Liu, 2006]: Liu, Improvements in the plasticity and biocompatibility of Zr–Cu–Ni–Al bulk metallic glass, (2006).
[Nature, 2012]: Nature materials ,” MgZnCa glasses without clinically observable hydrogen evolution for biodegradable implants”, http://www.nature.com/nmat/journal/v8/n11/full/nmat2542.html , last visit: 22/07/2012
[Nishiyama, 2007]: Nobuyuki Nishiyama, Novel applications of bulk metallic glass for industrial products. (2007).[Nowosielski, 2007]: R. Nowosielski, R. Babilas, Fabrication of bulk metallic glasses by centrifugal casting method. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, VOLUME 20 ISSUES 1-2 January-February 2007
[ORNL 2011]: ORNL, http://www.ornl.gov,(2011)., เข้าชมล่าสุด 20/8/2012
[Qin, 2009]: Weidong Qin , Jinshan Li , Hongchao Kou , Xiaofeng Gu , Xiangyi Xue , Lian Zhou "Effects of Alloy Addition on the Improvement of Glass Forming Ability and Plasticity of Mg–Cu–Tb Bulk Metallic Glass." Intermetallics 17 (2009): 253–55.
[Slattery, 2000]: Slattery, J.C. and S. Lee, Analysis of melt spinning. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, (2000). 89(3): p. 273-286.
[Wang, 2004]: W.H. Wang, C. Dong, C.H. Shek. "Bulk Metallic Glasses." Materials Science and Engineering 44 (2004): 45-89.
[wikipedia, 2012]: http://en.wikipedia.org/wiki/Icosahedral, last visit : 22/07/2012
Zberg, B., P. J. Uggowitzer, et al. (2009). "MgZnCa glasses without clinically observable hydrogen evolution for biodegradable implants." Nat Mater 8(11): 887-891.
|
