Wetting, spreading and interfacial reactions of CaO-MgO-Al2O3-SiO2 melts on yttria-stabilized zirconia
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि यट्रिया-स्टेबलाइज्ड जिरकोनिया पर CMAS पिघल का गीलापन (wetting) और प्रसार (spreading) उन इंटरफेशियल प्रतिक्रियाओं द्वारा संचालित होता है जो यट्रिया को कम करती हैं और जिरकोनिया की घुलनशीलता को घटाती हैं, जिससे Y-डिपलीट ZrO₂ का निर्माण और निरंतर संपर्क कोण (contact angle) में कमी आती है, जबकि एलुमिना सबस्ट्रेट्स पर, इंटरफेस एनोर्थाइट निर्माण द्वारा स्थिर होता है, जिसके परिणामस्वरूप संपर्क कोण स्थिर रहता है।
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एक गैस टरबाइन के गर्जना भरे हृदय के भीतर, जहाँ तापमान अधिकांश धातुओं को पिघलाने के लिए पर्याप्त ऊँचा होता है, एक पतला सिरेमिक कवच मशीनरी और आपदा के बीच खड़ा होता है। यह कवच, जिसे थर्मल बैरियर कोटिंग (thermal barrier coating) के रूप में जाना जाता है, इंजनों को अधिक गर्म और अधिक कुशल रूप से चलने की अनुमति देता है। हालाँकि, इन कोटिंग्स को एक शांत दुश्मन का सामना करना पड़ता है: धूल, रेत और ज्वालामुखी की राख जो इंजन के भीतर बहकर आती है। जब ये कण गर्म सिरेमिक सतह पर गिरते हैं, तो वे एक कांच जैसे तरल में बदल जाते हैं। यह तरल केवल वहीं नहीं रहता; यह फैलता है, सूक्ष्म छिद्रों में रिसता है, और सिरेमिक कवच पर रासायनिक हमला करता है, जिससे अंततः वह बिखर जाता है और विफल हो जाता है। यह तरल कैसे फैलता है और प्रतिक्रिया करता है, इसे ठीक से समझना भविष्य के कठोर वातावरण का सामना करने वाले इंजन बनाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।
इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस टोक्यो और शिबाउरा इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस विनाशकारी प्रक्रिया को धीमी गति में देखने का लक्ष्य रखा। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के सिरेमिक पर ध्यान केंद्रित किया जिसे यिट्रिया-स्टेबलाइज्ड ज़िरकोनिया (yttria-stabilized zirconia) कहा जाता है, जो इन सुरक्षात्मक कवचों के लिए उपयोग की जाने वाली मानक सामग्री है। उन्होंने यह देखने के लिए कि समान परिस्थितियों में एल्युमिनियम ऑक्साइड कैसे व्यवहार करता है, एक अलग सामग्री का भी अध्ययन किया। वैज्ञानिकों ने धूल भरी राख के एक कृत्रिम संस्करण, जिसे CMAS कहा जाता है, को पिघलाया और दोनों सामग्रियों की सपाट सतहों पर इसके छोटे बूंदों को रखा। उन्होंने सेटअप को 1,300 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया, एक ऐसा तापमान जहाँ राख एक बहते हुए तरल में बदल जाती है, और समय के साथ देखा कि क्या हुआ।
उन्होंने जो देखा वह दो बहुत अलग प्रतिक्रियाओं की कहानी थी। एल्युमिनियम ऑक्साइड की सतह पर, तरल बूंद जल्दी ही स्थिर हो गई और हिलना बंद कर दिया। इसने एक स्थिर कोण बनाया, जैसे कि एक पोखर जो फैलने के बाद रुक गया हो। शोधकर्ताओं ने पाया कि तरल और ठोस सतह के बीच के सीमा क्षेत्र (boundary) पर तुरंत एक नई ठोस क्रिस्टल की परत बन गई। इस परत ने एक अवरोध के रूप में कार्य किया, जिससे तरल आगे की प्रतिक्रिया करने से रुक गया और बूंद को उसकी जगह पर बनाए रखा। सिस्टम ने एक शांत संतुलन प्राप्त किया, और फैलाव रुक गया।
यिट्रिया-स्टेबलाइज्ड ज़िरकोनिया की सतह पर दृश्य नाटकीय रूप से भिन्न था। यहाँ, तरल बूंद रुकी नहीं। इसके बजाय, यह लंबे समय तक चपटी होती रही और फैलती रही, और लगातार अपना आकार बदलती रही। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह फैलाव इंटरफेस (interface) पर एक रासायनिक युद्ध द्वारा संचालित था। जैसे ही गर्म तरल सिरेमिक के संपर्क में आया, उसने सिरेमिक के सुरक्षात्मक तत्वों को घोलना शुरू कर दिया। विशेष रूप से, तरल ने यिट्रिया नामक घटक को बाहर निकाला, जिससे पीछे एक कमजोर ज़िरकोनिया बचा जो अब अपनी संरचना को बनाए रखने में सक्षम नहीं था। इस रासायनिक परिवर्तन ने तरल और ठोस के बीच के प्रतिरोध को कम कर दिया, जिससे बूंद और अधिक दूर तक और तेजी से फैल सकी। इस प्रक्रिया ने सेलुलर संरचनाओं और छोटे गोलाकार कणों का एक विशिष्ट पैटर्न बनाया, जो इस बात का प्रमाण था कि तरल सक्रिय रूप से सिरेमिक को खा रहा था और इस प्रक्रिया में नई सामग्रियां बना रहा था।
यह समझने के लिए कि इस रासायनिक हमले ने फैलाव को क्यों प्रेरित किया, टीम ने मापा कि कितनी सिरेमिक सामग्री तरल राख में घुल सकती है। उन्होंने पाया कि तरल की सिरेमिक को अपने विलय (solution) में रखने की क्षमता काफी हद तक उसकी अपनी रासायनिक संरचना पर निर्भर करती है। जब तरल ने कुछ घटकों, विशेष रूप से कैल्शियम और मैग्नीशियम को खो दिया, या उस यिट्रिया को बहुत अधिक प्राप्त कर लिया जिसे उसने सिरेमिक से लिया था, तो ज़िरकोनिया को धारण करने की उसकी क्षमता तेजी से गिर गई। यह ऐसा था मानो तरल बहुत जल्दी संतृप्त (saturated) हो गया हो। एक बार जब यह विलेय सामग्री को और अधिक धारण करने में असमर्थ हो गया, तो ज़िरकोनिया को समाधान से बाहर निकलने और ठोस कणों के रूप में पुन: गठित होने के लिए मजबूर होना पड़ा। इंटरफेस पर ठोस सामग्री का यह पुन: अवक्षेपण (re-precipitation) ही निरंतर फैलाव और कोटिंग की अंतिम विफलता का कारण बना।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि इन थर्मल बैरियर्स का विनाश केवल गर्मी या साधारण क्षरण का मामला नहीं है, बल्कि एक जटिल रासायनिक नृत्य है जहाँ तरल अपनी संरचना को बदलता है जैसे-जैसे वह ठोस पर हमला करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि जब तरल सिरेमिक के साथ प्रतिक्रिया करता है, तो यह अपनी रसायन विज्ञान को इस तरह से बदल देता है जो इसे और भी आक्रामक बनाता है, जिससे सीमा पर सामग्रियों का निरंतर विघटन और पुनर्गठन होता है। इसके विपरीत, जब एक अलग सिरेमिक का उपयोग किया गया, तो एक सुरक्षात्मक परत बनी जिसने इस चक्र को रोक दिया। ये निष्कर्ष एक स्पष्ट थर्मोडायनामिक स्पष्टीकरण प्रदान करते हैं कि क्यों कुछ कोटिंग्स विफल हो जाती हैं जबकि अन्य जीवित रह सकती हैं, जो दुनिया के सबसे कठिन इंजनों में पिघली हुई धूल के संक्षारक प्रभाव का सामना करने के लिए सामग्रियों को डिजाइन करने हेतु एक मार्गदर्शिका प्रदान करते हैं।
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