รศ.ดร.สุธรรม นิยมวาส
กลุ่มวิจัยวิศวกรรมเซรามิกส์และวัสดุผสม สถานวิจัยวิศวกรรมวัสดุ และ ภาควิชาวิศวกรรมเหมืองแร่และวัสดุ
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์
Email :This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
ปฏิกิริยาก้าวหน้าด้วยตัวเองที่อุณหภูมิสูง (Self-Propagating High-Temperature Synthesis: SHS) เป็นกระบวนการที่ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อสังเคราะห์วัสดุเซรามิกขั้นสูงทางด้านวิศวกรรมอาทิเช่น วัสดุทนไฟ (Refractory) วัสดุผสมเนื้อพื้นเซรามิก (Ceramic matrix composites) และสารประกอบเชิงโลหะ (Intermetallic compounds) รวมไปถึงวัสดุจำเพาะฟังก์ชัน (Functional grade materials) เนื่องจากมีข้อดีทางด้านการประหยัดพลังงานและต้นทุนการผลิตต่ำกว่ากระบวนการผลิตวัสดุด้วยวิธีการดั้งเดิม ด้วยเหตุผลข้างต้นนี้เปฏิกิริยา SHS จึงถูกนำมาปรับใช้ร่วมกับการหล่อโหละโดยอาศัยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (Centrifugal casting) เพื่อใช้ในการการสังเคราะห์ผิวเคลือบวัสดุผสมภายในท่อเหล็กกล้าที่ต้องการเพิ่มอายุการใช้งานให้ยาวนานยิ่งขึ้น ซึ่งกระบวนการสังเคราะห์ผิวเคลือบวัสดุผสมเริ่มจากการกรอกผงผสมตั้งต้นเข้าไปในท่อเหล็กกล้าที่ปิดท้ายด้วยแท่งไม้และปิดปลายอีกด้านของท่อเหล็กกล้าด้วยแท่งไม้ที่มีลักษณะคล้ายวงแหวน เมื่อได้ชิ้นงานท่อเหล็กกล้าดังกล่าวแล้วจึงนำมาติดตั้งบนเครื่องหมุนเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง ปรับความเร็วรอบของเครื่องให้ได้ตามกำหนด ปล่อยให้เครื่องหมุนต่อเนื่องไปอีก 1-2 นาที เพื่อให้เกิดผิวเคลือบตั้งต้นขึ้น สุดท้ายจึงทำการจุดระเบิดจากปลายด้านหนึ่งของชิ้นงานท่อเหล็กกล้า เพื่อเริ่มปฏิกิริยา SHS เมื่อปฏิกิริยาเสร็จสิ้นลงแล้วจึงทำการปรับลดความเร็วรอบของเครื่องลงมาตามลำดับและปิดเครื่อง เพียงเท่านี้ก็จะได้ชิ้นงานท่อเหล็กกล้าที่ถูกเคลือบภายในด้วยวัสดุผสมที่ต้องการ โดยการสังเคราะห์ผิวเคลือบมีลำดับขั้นตอนดังรูปที่ 1
รูปที่ 1 ขั้นตอนการสังเคราะห์ผิวเคลือบวัสดุผสมภายในท่อเหล็กกล้าด้วย
วิธีการเทคนิคปฏิกิริยาก้าวหน้าด้วยตัวเองที่อุณหภูมิสูงที่อาศัยเทคนิคแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง
ทั้งนี้วัสดุผสมที่สนใจสังเคราะห์นั้น ได้แก่ วัสดุผสมที่มีเหล็กเป็นเนื้อพื้น เช่น เหล็ก-ทังสเตนบอร์ไรด์ (Fe-WB) และเหล็ก-ไททาเนียมไดบอร์ไรด์ (Fe-TiB2) ซึ่งจะเห็นว่าระบบวัสดุผสมที่สังเคราะห์นั้นเป็นระบบที่มีส่วนเสริมแรง (Reinforcement) ที่มีความแข็งสูงทั้งสิ้น (WB= 28.9 ±0.8 GPa (Chen Y., et al., 2011) และ TiB2= 25.3 ± 1.8 GPa (Raju G.B., et al., 2009)) ด้วยความสามารถนี้จึงมั่นใจได้ว่าท่อเหล็กกล้าที่ถูกเคลือบผิวภายในด้วยวัสดุผสมนี้แล้วจะมีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น นอกจากนี้เพื่อการลดต้นทุนในการผลิตได้อีกระดับหนึ่งในงานวิจัยนี้จึงเลือกใช้สารตั้งต้นที่มาจากธรรมชาติอีกด้วย นั่นคือ สินแร่อิลเมไนต์ (Ilmenite, FeTiO3) และสินแร่วุลเฟลมไมต์ (Wolflamite, Fe(Mn)WO4) ซึ่งเป็นสารตั้งต้นที่มีราคาถูกเมื่อเปรียบเทียบกับสารตั้งตั้นที่มีขายตามท้องตลาด
ผิวเคลือบวัสดุผสมที่สังเคราะห์ได้จากทั้งสองระบบดังกล่าวถูกแบ่งออกเป็น 2 ชั้นอย่างชัดเจนและมีลักษณะดังรูปที่ 2 โดยผิวเคลือบที่สังเคราะห์ได้จากระบบที่ใช้สินแร่วุลเฟลมไมต์มีผิวเคลือบชั้นแรก คือ วัสดุผสมเหล็ก-ทังสเตนบอร์ไรด์ (Fe-WB) และชั้นที่สอง คือ วัสดุผสมเหล็ก-อะลูมินา (Fe-Al2O3) ดังรูปที่ 2ก และผิวเคลือบที่สังเคราะห์ได้จากระบบที่ใช้สินแร่อิลเมไนต์เป็นสารตั้งต้นหลักมีผิวเคลือบชั้นแรก คือ วัสดุผสมเหล็ก-ไททาเนียมไดบอร์ไรด์ (Fe-TiB2) และชั้นที่สอง คือ อะลูมินา (Fe-Al2O3) ดังรูปที่ 2ข
รูปที่ 2 (ก) ผิวเคลือบที่สังเคราะห์ได้จากระบบที่ใช้สินแร่วุลเฟลมไมต์
และ (ข) ผิวเคลือบที่สังเคราะห์ได้จากระบบที่ใช้สินแร่อิลเมไนต์