DOW-UAP-D117: זכוכיות מתכתיות ליישומי תעופה וחלל - חוזק שיא, עייפות חלשה ואופק של 20 עד 50 שנה

קובץ: DOW-UAP-D117_AAWSAP-DIRD-Metallic-Glasses-for-Aerospace-Applications-December-14-2009.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית של ארה"ב (DIA), משרד ההתרעה הביטחונית (Defense Warning Office), במסגרת תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך עזר מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document, DIRD), סדרת "Acquisition Threat Support"; מספר בקרה DIA-08-0911-012 תאריך: 14 בדצמבר 2009 (תאריך סגירת המידע, ICOD: 1 בדצמבר 2009) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY, כשהסייג FOUO מחוק בקו בכל עמוד; שוחרר לציבור ב-2026 מספר עמודים: 30 VIRIN: 260918-D-D0360-1106 שחרור PURSUE: 6

תקציר

"Metallic Glasses: Status and Prospects for Aerospace Applications" (זכוכיות מתכתיות: מצב ותחזית ליישומים אווירו-חלליים) הוא מסמך עזר מודיעיני מ-14 בדצמבר 2009, שהוכן בידי אגף תמיכת הרכש (DWO-3) של משרד ההתרעה הביטחונית, במנהלת הניתוח של ה-DIA. שם המחבר מושחר ובמקומו מופיעה התווית "AAP Person 63". הערה מנהלית מגדירה את המסמך כ"one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009" (אחד מסדרה של דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2009) במסגרת תוכנית AAWSA, ומפנה שאלות אל AAP Person 1, מנהל התוכנית, בכתובת של ה-DIA בוושינגטון. הערה נוספת אוסרת להמשיך ולהפיץ את התצלומים שבמסמך בשל זכויות יוצרים.

במבנהו ובסגנונו המסמך דומה למאמר סקירה בכתב עת למדע החומרים. אחרי תקציר בן שני עמודים הוא עוסק במבנה ובעיבוד של זכוכיות מתכתיות, בהתנהגותן המכנית בטמפרטורת החדר ובטמפרטורות גבוהות, בתכונותיהן המגנטיות והאחרות, בחומרים מרוכבים בעלי מטריצה של זכוכית מתכתית, ביישומים בתעופה ובחלל ובאתגרים הפתוחים, ומסתיים בפרק "Summary and Recommendations". יש בו תשעה איורים, שתי טבלאות, משוואה אחת ו-49 הערות שוליים לספרות המדעית הגלויה.

המסמך אינו עוסק כלל בעב"מים, ב-UAP או בתופעות חריגות, ואינו מזכיר אותם. הנגיעות היחידות שלו במה שמעבר לתעופה רגילה הן ציפויים ל"מיסבים יבשים ליישומי חלל" ולוחות קצף ל"מבנים מחוץ לכדור הארץ". מבין תחומי העבודה שבמסמך היעדים של התוכנית (DOW-UAP-D110), הוא משרת בעיקר את תחום החומרים (materials), ובמידה משנית את תחום התצורה והמבנה (configuration & structure).

מאמר מחקר

מהי זכוכית מתכתית

רוב המתכות הן גבישיות: האטומים שלהן יושבים על סריג שחוזר על עצמו בשלושה ממדים. זכוכית מתכתית היא סגסוגת שהאטומים שלה חסרים את הסדר ארוך הטווח הזה. המחבר מדגיש ש"אמורפי" אין פירושו אקראי: יש סדר קצר טווח חזק על פני מרחק של אטומים ספורים, ובמובנים רבים המבנה "more closely resembles the highly disordered structure of a liquid" (דומה יותר למבנה הבלתי מסודר מאוד של נוזל; עמוד 7). נובעות מכך שתי השלכות. מבחינה מכנית, היעדר הסריג שולל קיום של נקעים (dislocations), הפגמים הקוויים שקובעים כיצד מתכות רגילות מתעוותות. מבחינת הייצור, זכוכיות מתכתיות מתרככות בהדרגה על פני טווח טמפרטורות, כמו זכוכית חלונות, במקום להיתך בבת אחת.

הייצור הוא מרוץ נגד ההתגבשות. המדד המרכזי הוא קצב הקירור הקריטי (critical cooling rate), הקירור האיטי ביותר שעדיין מניב מוצק אמורפי לחלוטין (איור 2). הזכוכיות המתכתיות הראשונות, משנות ה-60 וה-70, היו סגסוגות בינאריות שדרשו כ-10^4 עד 10^7 קלווין לשנייה, ולכן הוגבלו לסרטים, לרדידים, לחוטים ולאבקות בעובי של פחות מ-100 מיקרומטר. שני עשורים של תכנון סגסוגות הניבו סגסוגות רב-רכיביות שמסתפקות ב-0.1 קלווין לשנייה או פחות וניתנות ליציקה בעובי של יותר מסנטימטר; כל סגסוגת שאפשר ליצוק כזכוכית בעובי של מילימטר לפחות מכונה זכוכית מתכתית "נפחית" (bulk). טבלה 1 מונה שבע סגסוגות מצטיינות: השיאנית, Pd40Cu30Ni10P20, מגיעה ל-72 מ"מ, וסגסוגת הזירקוניום Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5 מגיעה ל-50 מ"מ. המחבר מציין שעדיין אי אפשר לחזות מראש את יכולת יצירת הזכוכית של סגסוגת, שזיהוי סגסוגות טובות "is still mostly a matter of trial and error" (הוא עדיין בעיקר עניין של ניסוי וטעייה; עמוד 9), ושבחלק מסגסוגות הזירקוניום יכולת זו צונחת דרמטית בנוכחות חמצן.

יתרון העיבוד ממשי. כשמחממים זכוכית מתכתית מעל טמפרטורת מעבר הזכוכית היא הופכת לנוזל מקורר-על (supercooled liquid) שאת צמיגותו אפשר לכוונן באמצעות הטמפרטורה, וכך אפשר להחיל עליה שיטות מעולם הפולימרים, כמו הזרקה לתבנית וניפוח. איור 3 מציג קפיץ זעיר שיוצר בליתוגרפיה ובקבוק דק דופן שיוצר בניפוח, באדיבות פרופ' יאן שרוארס (Jan Schroers) מאוניברסיטת ייל. חלון הזמן קצר, "typically on the order of minutes" (בדרך כלל בסדר גודל של דקות; עמוד 10), לפני שמתחילה התגבשות. מאותה סיבה הריתוך בעייתי, והמסמך מצביע על קצפי זכוכית מתכתית, שבהם הצמיגות הגבוהה דווקא מסייעת לייצב את הנקבוביות, כעל "One particularly promising recent development" (התפתחות חדשה ומבטיחה במיוחד; עמוד 11).

החוזק ועקב אכילס

המספר המרכזי מופיע בטבלה 2 (עמוד 13). בהינתן שהחוזק התיאורטי של אלומיניום נטול פגמים הוא 1,600 מגה-פסקל (מודול הגזירה חלקי 30), סגסוגת אלומיניום טיפוסית בעלת חוזק גבוה מסדרה 7xxx נכנעת ב-400 עד 500 מגה-פסקל (25 עד 31 אחוז מהתיאורטי), סגסוגת האלומיניום הגבישית הטובה ביותר ב-770 מגה-פסקל (48 אחוז), וזכוכית מתכתית על בסיס אלומיניום ב-1,280 מגה-פסקל (80 אחוז). זכוכיות הברזל הטובות ביותר מגיעות לכ-4 ג'יגה-פסקל, פי שניים עד שלושה מפלדות רגילות בעלות חוזק גבוה. הקשיחות (stiffness), לעומת זאת, נמוכה ב-20 עד 30 אחוז מזו של סגסוגות גבישיות דומות: חיסרון במבנים, אך יתרון בקפיצים ובהרכבה בנעילה (snap-fit) ללא מחברים.

כאן מגיעה הבעיה שהמחבר מכנה "עקב אכילס". ללא נקעים, זכוכית מתכתית אינה מתקשה בעיוות (strain hardening) אלא מתרככת, ולכן העיוות מתרכז בפסי גזירה (shear bands) דקים (איור 4), ודגם הנתון למתיחה נשבר לאורך פס יחיד עם "essentially zero tensile ductility" (משיכות מתיחה אפסית למעשה; עמוד 13). העמידות לשבר (fracture toughness) משתנה מאוד: זכוכיות על בסיס זירקוניום מגיעות לכ-20 MPa·m^1/2, פחות מכ-55 בסגסוגות זירקוניום גבישיות אבל הרבה מעל 1 עד 5 בקרמיקה, ואילו זכוכיות על בסיס ברזל ומגנזיום הן "intrinsically brittle" (פריכות מטבען; עמוד 14). חימום עלול להפוך לפריכה גם זכוכית עמידה, ו"there is no known way to reverse embrittlement once it occurs" (אין דרך ידועה להפוך את ההתפרכות לאחר שהתרחשה; עמוד 15).

העייפות (fatigue) היא המגבלה החמורה ביותר. לפי ההערכה המובאת במסמך, עד 90 אחוז מהכשלים של רכיבים מבניים בשירות נגרמים מעייפות. בעוד שגבול העייפות של סגסוגות גבישיות בעלות חוזק גבוה הוא כ-40 אחוז מחוזק המתיחה, בזכוכיות מתכתיות הוא כ-5 אחוז בלבד (איור 5), משום שבמבנה חסר המאפיינים שלהן אין דבר שיעצור סדק. מתכננים ייאלצו לתכנן במקדם ביטחון מופרז, וכך יאבד "much of the advantage of having a high-strength material in the first place" (חלק ניכר מהיתרון שבחומר בעל חוזק גבוה מלכתחילה; עמוד 15). המסמך מתקן גם שתי הנחות רווחות: עמידותן לקורוזיה אינה מצוינת תמיד (זכוכיות זירקוניום רגישות מאוד לסדיקת קורוזיה במאמץ בסביבה של יוני כלוריד), והן אינן שקופות אלא מבריקות כמו כל מתכת (איור 7). עמוד נוסף מוקדש לתכונות אחרות: כופייתיות מגנטית (coercivity) נמוכה מאוד, ומכאן שימוש בשנאים בתדר גבוה; הולכה חשמלית חלשה אך כמעט בלתי תלויה בטמפרטורה; מוליכות-על סמוך לאפס המוחלט; ושיכוך אקוסטי נמוך מאוד, שעשוי להועיל בג'ירוסקופים של מבנה רוטט.

הפתרון המוצע: חומרים מרוכבים דנדריטיים

התשובה שמציע המסמך היא לשבץ בזכוכית פאזה גבישית רקיעה. חומרים מרוכבים "ex situ" נוצרים מהוספת חלקיקים להתכה או מיציקה סביב תבנית סיבים (עד כ-80 אחוז נפח גבישי), אבל הצמיגות והתגובות בממשק מגבילות אותם. בחומרים מרוכבים "in situ" גדלים דנדריטים גבישיים רקיעים ישירות מתוך ההתכה (איור 8). הדנדריטים חייבים להיות רקיעים, בעלי מודול גזירה נמוך מזה של המטריצה, ורצוי מסועפים; עד כה רק סגסוגות על בסיס זירקוניום וטיטניום עומדות בדרישות.

משוואה 1 מסבירה מדוע הגישה עובדת: גודל האזור הפלסטי שלפני קצה הסדק הוא בקירוב R_p ≈ (1/2π)(K_Ic/σ_y)^2, מכמיקרומטר אחד בזכוכיות פריכות ועד כמילימטר בזכוכיות עמידות יותר. מיקרו-מבנה בקנה מידה זה עוצר את פסי הגזירה לפני שהם הופכים לסדקים. התוצאות המדווחות מרשימות: חומרים מרוכבים על בסיס טיטניום עם התארכות במתיחה של עד 12 אחוז, בדומה לסגסוגת הנפוצה Ti-6Al-4V אך בחוזק גבוה בכ-30 אחוז; חומרים מרוכבים על בסיס זירקוניום עם עמידות לשבר של יותר מ-170 MPa·m^1/2, פי שבעה מזכוכית חד-פאזית ו"greater than that of virtually any other metallic alloy" (גבוהה משל כמעט כל סגסוגת מתכתית אחרת; עמוד 22); וחוזק עייפות של 20 עד 30 אחוז מחוזק המתיחה, בדומה לסגסוגות מבניות רגילות.

יישומים בתעופה ובחלל

פרק היישומים מונה שבעה קריטריונים (חוזק, קשיחות, צפיפות, עמידות לשבר, עמידות לעייפות, עמידות לקורוזיה ועלות) וממקם את הזכוכיות המתכתיות מול חומרים אחרים בשתי מפות תכונות (איור 9, עמוד 24). המפות מראות שהזכוכיות והחומרים המרוכבים חזקים ביחס למשקלם כמעט מכל מתכת גבישית, אבל גם שזכוכיות הברזל והמגנזיום פריכות "as brittle as any ceramic" (כמו כל קרמיקה; עמוד 23). התפקיד המציאותי ביותר הוא החלפת פלדה ברכיבים שבהם החוזק קריטי והמקום מוגבל, כמו מבני פילון (pylon) וכני נסע, עם שתי הסתייגויות מפורשות: טרם הוכח שאפשר לייצר את החומרים המרוכבים בגדלים הנדרשים, ועמידותם לקורוזיה ולסדיקת קורוזיה במאמץ "has not been fully evaluated" (טרם הוערכה במלואה; עמוד 23).

אחר כך באים רעיונות ספקולטיביים יותר. קצפי זכוכית מתכתית עשויים לשמש לוחות מבניים הנושאים עומסי לחיצה עבור "extraterrestrial buildings" (מבנים מחוץ לכדור הארץ), ואולי אף "be produced on site (from raw feedstock), reducing the volume of material that needs to be launched" (להיות מיוצרים באתר מחומר גלם, וכך לצמצם את נפח החומר שיש לשגר; עמוד 25). זכוכיות מתכתיות יכולות גם להצטרף ללמינטים של מתכת וסיבים, שכבר משמשים "in large quantities on the new Airbus 380" (בכמויות גדולות במטוס ה-Airbus 380 החדש). ומאחר שאין להן מיקרו-מבנה מעבר לכמה מרווחים אטומיים, הן יכולות לשכפל תבליטים קטנים עד 13 ננומטר, מה שפותח פתח לכלי הטבעה ננומטריים, לסריגי עקיפה לאולטרה-סגול ולקרני רנטגן רכות ולמפעילים במערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS).

אתגרים ותחזית ל-20 עד 50 שנה

הפרק המסכם גלוי לב. יוצרות הזכוכית הטובות ביותר נשענות על פלדיום יקר או על בריליום רעיל, ו"the most glaring lack" (החוסר הבולט ביותר) מבחינת התעופה והחלל הוא היעדרה של סגסוגת טובה כלשהי על בסיס אלומיניום, למרות מאמצים בארצות הברית (תוכנית Structural Amorphous Metals של DARPA), ביפן ובסין (עמוד 26). זכוכיות הברזל הטובות מכילות פחמן, בור, צורן או זרחן, שנחשבים לגורם לפריכותן. המחבר אופטימי בזהירות: עבודות חדשות מראות שיכולת יצירת הזכוכית רגישה להרכב יותר ממה שחשבו, ולכן סביר שסגסוגות טובות יותר טרם התגלו, "possibly including some low-density glasses based on aluminum" (ואולי ביניהן זכוכיות בעלות צפיפות נמוכה על בסיס אלומיניום). סינון קומבינטורי בשכבות דקות, סימולציות של דינמיקה מולקולרית מעקרונות ראשונים (ab initio) ושיטות עיבוד כמו הפעלת רעידות אלקטרומגנטיות בזמן הקירור (שעל פי הדיווחים שיפרו סגסוגות מגנזיום) מוזכרים כדרכים להתקדם.

בשאלת הרקיעות המסמך חד: בזכוכיות חד-פאזיות "There may well be no solution" (ייתכן בהחלט שאין פתרון). חומרים מרוכבים דנדריטיים הודגמו "in only two, closely related alloys" (בשתי סגסוגות קרובות זו לזו בלבד; עמוד 27). ההמלצות קוראות לפתח סגסוגות קלות בשיטות חישוביות וקומבינטוריות ולא בניסוי וטעייה, להבין טוב יותר את העיוות הפלסטי ואת המיקרו-מבנה של חומרים מרוכבים, ולשפר את שיטות העיבוד, כולל קצפים. התחזית החותמת: "It is highly likely that continued work over the next 20-50 years will result in significant advances" (סביר מאוד שהמשך העבודה ב-20 עד 50 השנים הבאות יביא להתקדמות משמעותית), אך שימוש נרחב בתעופה ובחלל "depends critically on the development of new, lightweight alloys" (תלוי באופן קריטי בפיתוח סגסוגות חדשות וקלות; עמוד 29).

משמעות

זהו אחד המסמכים הקונבנציונליים ביותר בסדרת AAWSAP: סקירה זהירה ומבוססת מקורות של משפחת חומרים אמיתית הנחקרת באופן פעיל, בלי פיזיקה ספקולטיבית ובלי כל התייחסות ל-UAP. ערכו לארכיון טמון במה שהוא מלמד על היקף התוכנית. אף שהוא מתויק בסדרת "Acquisition Threat Support", כמעט אין בו ניתוח איומים: מחקר זר מופיע במשפט אחד בלבד, המציין מאמצי תכנון סגסוגות ביפן ובסין, ואין בו הערכה של יכולת של יריב כלשהו. מה שהוא מציע הוא קו בסיס במובן שמתאר התיאור הרשמי: תמונת מצב של התחום בדצמבר 2009 ושל מה שצריך להשתנות כדי שזכוכיות מתכתיות ימצאו את מקומן בחומרת טיסה.

שיפוטיו מדודים. המחבר מפריד בין מה שהודגם (זכוכיות נפחיות בעובי של עד 72 מ"מ, התארכות של 12 אחוז בחומרים מרוכבים על בסיס טיטניום, עמידות לשבר של יותר מ-170 MPa·m^1/2) לבין מה שלא הודגם (רכיבים מרוכבים גדולים, התנהגות בסדיקת קורוזיה במאמץ, זכוכיות אלומיניום), ואופק 20 עד 50 השנים מותנה במפורש בסגסוגות קלות. המסמך קובע את 1 בדצמבר 2009 כתאריך סגירת המידע שלו, ומאמר זה אינו בוחן כיצד התפתח התחום מאז. אי-התאמה מנהלית קטנה: ההערה מגדירה את המסמך כמוצר של שנת הכספים 2009, אף שהתאריך 14 בדצמבר 2009 נופל בשנת הכספים הפדרלית 2010, שהחלה ב-1 באוקטובר 2009.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"Unfortunately, the lack of dislocations in amorphous alloys is also their Achilles' heel." (לרוע המזל, היעדר הנקעים בסגסוגות אמורפיות הוא גם עקב אכילס שלהן.) -- עמוד 13

"The fatigue limit for high-strength crystalline alloys is typically about 40 percent of the tensile strength, but for metallic glasses, it is only about 5 percent of the tensile strength (Figure 5)." (גבול העייפות של סגסוגות גבישיות בעלות חוזק גבוה הוא בדרך כלל כ-40 אחוז מחוזק המתיחה, אבל בזכוכיות מתכתיות הוא רק כ-5 אחוז מחוזק המתיחה.) -- עמוד 15

"A common misperception among those hearing about metallic glasses for the first time is to think they are transparent. This is not the case; amorphous alloys are highly reflective, with a shiny luster similar to that of other metals (Figure 7)." (תפיסה שגויה נפוצה בקרב מי ששומעים על זכוכיות מתכתיות לראשונה היא שהן שקופות. זה אינו המצב; סגסוגות אמורפיות מחזירות אור היטב, בברק מבריק הדומה לזה של מתכות אחרות.) -- עמוד 18

"The most obvious applications would be to replace steel in certain components where strength is critical but space is limited. These might include pylon structures and landing gear, although it has yet to be demonstrated that the composites can be fabricated in the sizes necessary." (היישומים המתבקשים ביותר יהיו החלפת פלדה ברכיבים מסוימים שבהם החוזק קריטי אך המקום מוגבל. אלה עשויים לכלול מבני פילון וכני נסע, אף שטרם הודגם שאפשר לייצר את החומרים המרוכבים בגדלים הדרושים.) -- עמוד 23

"Such structural foams could be useful in applications requiring strength and stiffness under compressive loads, such as structural panels for extraterrestrial buildings." (קצפים מבניים כאלה עשויים להועיל ביישומים הדורשים חוזק וקשיחות תחת עומסי לחיצה, כמו לוחות מבניים למבנים מחוץ לכדור הארץ.) -- עמוד 25

"For aerospace applications, the most glaring lack is that, despite significant alloy design efforts in the United States (through the DARPA Structural Amorphous Metals program), Japan, China, and elsewhere, there are no good glass-forming alloys based on aluminum." (מבחינת יישומי תעופה וחלל, החוסר הבולט ביותר הוא שלמרות מאמצי תכנון סגסוגות ניכרים בארצות הברית (באמצעות תוכנית Structural Amorphous Metals של DARPA), ביפן, בסין ובמקומות אחרים, אין סגסוגות טובות יוצרות זכוכית על בסיס אלומיניום.) -- עמוד 26

"There may well be no solution to this problem for monolithic metallic glasses, for the simple reason that they lack any microstructure to interact with shear bands." (ייתכן בהחלט שאין פתרון לבעיה זו בזכוכיות מתכתיות מונוליתיות, מהסיבה הפשוטה שאין להן מיקרו-מבנה כלשהו שיתקשר עם פסי הגזירה.) -- עמוד 27

"It is highly likely that continued work over the next 20-50 years will result in significant advances in all these areas, and that metallic glasses and metallic glass matrix composites will see increasing acceptance as structural materials. Whether or not they achieve widespread use in aerospace applications, however, depends critically on the development of new, lightweight alloys." (סביר מאוד שהמשך העבודה ב-20 עד 50 השנים הבאות יביא להתקדמות משמעותית בכל התחומים האלה, ושזכוכיות מתכתיות וחומרים מרוכבים בעלי מטריצה של זכוכית מתכתית יזכו להכרה גוברת כחומרים מבניים. אולם השאלה אם יגיעו לשימוש נרחב ביישומי תעופה וחלל תלויה באופן קריטי בפיתוח סגסוגות חדשות וקלות.) -- עמוד 29