Behaviors of non-stoichiometric TiCx (x=0.5, 0.7, 0.9, 1.0) under acid and high temperature environments

في عالم علم المواد، تُصنع بعض المواد لتتحمل أقسى الظروف التي يمكن تخيلها. ويعد كربيد التيتانيوم أحد هذه المواد، وهو سيراميك معروف بصلابته الشديدة وقدرته على تحمل درجات حرارة قد تذيب معظم المعادن. إنه مفضل لدى المهندسين عند تصميم أدوات القطع، والطلاءات الواقية، والمكونات المستخدمة في تطبيقات الفضاء والطيران والتطبيقات النووية. من الناحية المثالية، تكون هذه المادة توازناً مثالياً بين ذرات التيتانيوم والكربون، المرتبطة معاً في شبكة صلبة ومنظمة. ومع ذلك، في عالم التصنيع الواقعي، نادراً ما يتحقق هذا التوازن المثالي. فغالباً ما تكون هناك ذرات كربون مفقودة، مما يترك مساحات فارغة أو "فجوات" داخل البنية البلورية. وهذه الفجوات ليست مجرد عيوب بسيطة؛ بل يمكنها أن تغير بشكل جذري كيفية سلوك المادة، وتغير قوتها، وطريقة توصيلها للكهرباء، وتفاعلها مع البيئة. والسؤال الذي يواجه الباحثين هو ما إذا كانت هذه الذرات المفقودة تجعل المادة أضعف عند مواجهة المواد الكيميائية القاسية أو الحرارة العالية، أم أنها تغير بطريقة ما طبيعة المادة بما قد يظل مفيداً.

لقد شرع فريق من الباحثين في الإجابة على هذا السؤال من خلال إنشاء سلسلة من عينات كربيد التيتانيوم ذات درجات متفاوتة من نقص الكربون. لم يعتمدوا على النظرية وحدها، بل صنعوا عينات مادية لاختبارها مباشرة. باستخدام مسحوق التيتانيوم وشكل دقيق من الكربون يسمى "أسود الأسيتيلين"، قاموا بخلط المكونات في أربعة نسب مختلفة لإنشاء مواد تتراوح من فقيرة جداً في الكربون إلى شبه مثالية. جُرشت هذه المخاليط ثم خُبزت في فرن مفرغ عند درجة حرارة 1,500 درجة مئوية لدمجها في كتل سيراميك صلبة. وبمجرد تبريدها، سُحقت الكتل ونُخلت لتصبح مساحيق ناعمة، مما نتج عنه أربعة أنواع متميزة من المواد، لكل منها مستوى محدد ومقاس من فجوات الكربون. ثم أخضع الباحثون هذه المساحيق لاختبارين قاسيين: النقع في محلول حمضي قوي، والتعرض الطويل للحرارة العالية في الهواء.

تضمن الاختبار الأول غمر المساحيق في خليط من حمض الهيدروفلوريك والإيثانول، وهو سائل معروف بقدرته على تآكل العديد من المواد. وكشفت النتائج عن خط فاصل حاد في سلوك المادة. أظهرت العينات ذات المحتوى المنخفض من الكربون، حيث كانت نسبة الكربون أقل من حد معين، علامات على عدم الاستقرار. وتحت المجهر، بدت هذه الحبيبات متضررة، مع ظهور مسام وفجوات مع مهاجمة الحمض للبنية. بدا أن ذرات الكربون المفقودة تجعل المادة عرضة للخطر، مما يسمح للحمض بإذابة الروابط التي تمسك الحبيبات ببعضها البعض. وفي المقابل، ظلت العينات ذات المحتوى الأعلى من الكربون، تلك الأقرب إلى التوازن المثالي، سليمة إلى حد كبير. فقد حافظت حبيباتها على شكلها، مما أظهر مقاومة أقوى بكما في السائل المسبب للتآكل. لاحظ الباحثون أنه كلما زاد وجود الكربون في الخليط، أصبحت البنية البلورية أكثر استقراراً، مما يحمي المادة بفعالية من هجوم الحمض.

أما الاختبار الثاني فقد دفع المواد إلى حدودها الحرارية. سُخنت المساحيق إلى 600 درجة مئوية في تيار مستمر من الهواء لمدة ثلاثين ساعة لمعرفة مدى تأكسدها، أو صدئها تحت تأثير الحرارة الشديدة. ومع تفاعل المواد مع الأكسجين، اكتسبت وزناً مع تكون طبقات أكسيد جديدة على أسطحها. واختلف الوزن المكتسب بشكل كبير اعتماداً على محتوى الكربون. فقد اكتسبت العينات الفقيرة بالكربون أقل وزن، بينما اكتسبت العينات التي تحتوي على المزيد من الكربون الوزن الأكبر. وعندما فحص الباحثون أسطح هذه المساحيق المتأكسدة تحت المجهر، كان الاختلاف في المظهر صارخاً. فقد طورت العينات الفقيرة بالكربون سطحاً مغطى بهياكل رقيقة تشبه بتلات الزهور، بينما شكلت العينات الغنية بالكربون صفائح مسطحة وطبقات متراكمة فوق بعضها البعض. ومن المثير للاهتمام أن سلوك العينات ذات المحتوى الأعلى من الكربون طابق تماماً سلوك كربيد التيتانيوم المتوفر تجارياً والمتوازن تماماً، مما يشير إلى أنه بمجرد وصول محتوى الكربون إلى مستوى معين، تسلك المادة السلوك المتوقع.

توفر هذه النتائج خارطة طريق واضحة لفهم كيفية استخدام هذه المادة في البيئات القاسية. وتوضح الدراسة أن استقرار كربيد التيتانيوم ليس سمة ثابتة، بل يعتمد بشدة على الكمية الدقيقة من الكربون الذي تحتويه. فإذا كانت المادة فقيرة جداً في الكربون، تصبح غير مستقرة وعرضة للذوبان في الحمض أو تكوين هياكل هشة عند التسخين. ومع ذلك، بمجرد أن يتجاوز محتوى الكربون حداً معيناً، تصبح المادة قوية ومقاومة للهجمات الكيميائية والحرارية على حد سواء. توفر هذه المعرفة دليلاً عملياً للمهندسين والعلماء الذين يحتاجون إلى تصميم مكونات للظروف القاسية، حيث توضح أنه من خلال التحكم الدقيق في نسبة المكونات أثناء التصنيع، يمكنهم تطويع المادة لتنجو من التحديات المحددة التي ستواجهها. ويؤكد هذا العمل أنه بينما يمكن أن تكون الذرات المفقودة نقطة ضعف، فإن الوصول إلى التوازن الصحيح يحول المادة إلى حارس موثوق ضد أقسى البيئات.