إنفار

إنڤار ، المعروف أيضاً باسم FeNi36 ( 64FeNi في الولايات المتحدة)، هو سبيكة من النيكل والحديد تتميز بمعامل تمدد حراري منخفض للغاية (CTE أو α). اسم "إنڤار" مشتق من كلمة " invariable" (غير متغير )، في إشارة إلى عدم تمدده أو انكماشه مع تغيرات درجة الحرارة، ^{[ 1 ]} وهو علامة تجارية مسجلة لشركة أرسيلورميتال . ^{[ 2 ]}

تم اكتشاف السبيكة في عام 1895 على يد الفيزيائي السويسري شارل إدوارد غيوم، والذي نال بفضله جائزة نوبل في الفيزياء عام 1920. وقد مكّن هذا الاكتشاف من إدخال تحسينات على الأجهزة العلمية. ^{[ 3 ]}

مثل غيرها من مركبات النيكل/الحديد، يُعدّ إنفار محلولًا صلبًا ؛ أي أنه سبيكة أحادية الطور . في أحد أنواعه التجارية، يُسمى إنفار 36، يتكون من حوالي 36% نيكل و64% حديد، ^{[ 4 ]} وله نقطة انصهار تبلغ 1427 درجة مئوية (2601 درجة فهرنهايت) ، وكثافة تبلغ  8.05  جم/ ^سم³ ومقاومة نوعية تبلغ8.2 × 10⁻⁵ أوم·سم  . ^{[ 5 ]} وصف علماء وستنجهاوس نطاق إنفار في عام 1961 بأنه "30-45 % ذري ^من النيكل ". ^{[ 6 ]}

^تتميز الأنواع الشائعة من إنفار بمعامل تمدد حراري (يرمز له بـ ^α ، ويتم قياسه بين 20  درجة مئوية و 100  درجة مئوية) يبلغ حوالي 1.2  ×  10⁻⁶ كلفن⁻¹ ( تبلغ قيمة التمدد الحراري للفولاذ العادي حوالي 1.2 جزء في المليون لكل درجة مئوية  ، بينما تتراوح هذه القيمة في الفولاذ العادي بين 11 و15  جزء في المليون لكل درجة مئوية. ويمكن للأنواع فائقة النقاء (أقل من 0.1% كوبالت ) أن تُنتج بسهولة قيمًا منخفضة تصل إلى 0.62-0.65 جزء في المليون لكل درجة مئوية. وتُظهر بعض التركيبات خصائص تمدد حراري سلبي . وعلى الرغم من ثبات أبعاده العالي ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة، إلا أنه يميل إلى الزحف . ^{[ 7 ] [ 8 ]} 

تاريخيًا، تم تحديد الخصائص البارامغناطيسية لبعض سبائك الحديد والنيكل لأول مرة كخاصية فريدة. تُظهر هذه السبائك تعايش نوعين من البنى الذرية البلورية، وتختلف نسبهما تبعًا لدرجة الحرارة. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} تتميز إحدى هاتين البنيتين بعزم مغناطيسي عالٍ (يتراوح منيتراوح عزم الدوران المغناطيسي (من 2.2 إلى 2.5 ميكرون B) بين 2.2 و2.5 ميكرون _B  ، ويتميز بمعامل شبكي عالٍ، ملتزمًا بقواعد هوند. أما البنية الأخرى، على النقيض من ذلك، فلها عزم مغناطيسي منخفض (يتراوح بين 2.2 و2.5 ميكرون B).تتراوح قيمة المجال المغناطيسي (من 0.8 إلى 1.5 ميكرون _B  ) ومعامل الشبكة البلورية المنخفض. عند تعريضها لمجال مغناطيسي متغير، تُحدث هذه البنية المزدوجة تغيرات في أبعاد السبيكة. وتبرز هذه الظاهرة بشكل خاص في حالة سبائك إنفار، المعروفة بثبات أبعادها الاستثنائي ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة. مع ذلك، وللحفاظ على هذا الثبات، من الضروري تجنب تعريض المادة للمجالات المغناطيسية، إذ قد يُخلّ هذا التعريض بالتوازن الدقيق بين البنيتين ويؤدي إلى تغيرات غير مرغوب فيها في الأبعاد.

بينما تشتهر مادة إنفار بانخفاض معامل تمددها الحراري، الناتج عن الانفعال المغناطيسي الحجمي التلقائي (تأثير إنفار)، إلا أنها تاريخيًا أقل شهرة بحساسيتها للمجالات المغناطيسية الخارجية. وباعتبارها مادة مغناطيسية حديدية، تتميز مادة إنفار 36 القياسية بانفعال مغناطيسي تشبعي موجب كبير نسبيًا يبلغ حوالي 4 جزء في المليون تحت تأثير مجال مغناطيسي بقوة 1 تسلا. ^{[ 12 ] [ 13 ]} هذه الخاصية، المعروفة باسم الانفعال المغناطيسي الجولي، تعني أن المادة تخضع لتغيرات أبعاد غير متجانسة عند مغنطتها. ونتيجة لذلك، يمكن أن تؤدي التقلبات في المجال المغناطيسي المحيط - أو حتى تغيير اتجاه أحد مكونات إنفار بالنسبة للمجال المغناطيسي للأرض - إلى حدوث إجهادات خطية. في التطبيقات فائقة الدقة مثل قياس التداخل أو طباعة أشباه الموصلات، يمكن أن تتجاوز هذه التمددات الناتجة عن المجال المغناطيسي حدود الاستقرار الحراري التي تم اختيار المادة من أجلها. وللتخفيف من ذلك، غالباً ما تتطلب الأجهزة الحساسة حماية مغناطيسية أو استبدال مادة إنفار بسبائك غير مغناطيسية متخصصة ذات تمدد منخفض.

في السنوات الأخيرة، أدت التطورات في علم المواد إلى تطوير سبائك إنفار غير المغناطيسية. وقد فتحت هذه المواد المبتكرة آفاقًا جديدة للتطبيقات في مجالات متطورة مثل صناعة أشباه الموصلات وهندسة الطيران. ^{[ 14 ] [ 15 ]} وبفضل قدرتها على إزالة تأثير المجالات المغناطيسية على استقرار الأبعاد، تتمتع سبائك إنفار غير المغناطيسية بإمكانية تحسين أداء الأدوات البصرية وغيرها من الأجهزة الدقيقة بشكل ملحوظ.

يُستخدم إنفار حيثما تكون هناك حاجة إلى استقرار أبعاد عالٍ، مثل الأدوات الدقيقة، والساعات، ومقاييس الزحف الزلزالي، وإطارات قناع الظل لأنابيب التلفزيون الملون، ^{[ 16 ]} والصمامات في المحركات وقوالب الهياكل الجوية الكبيرة. ^{[ 17 ]}

كان أحد تطبيقاته الأولى في عجلات توازن الساعات وقضبان البندول لساعات الضبط الدقيقة . عند اختراعه، كانت ساعة البندول أدق ساعة في العالم، وكان الحد الأقصى لدقة ضبط الوقت ناتجًا عن التغيرات الحرارية في طول بندول الساعة. ساعة ريفلر للضبط، التي طورها كليمنس ريفلر عام 1898، وهي أول ساعة تستخدم بندولًا من مادة الإنفار، بلغت دقتها 10 مللي ثانية في اليوم، وكانت بمثابة المعيار الزمني الأساسي في المراصد البحرية وخدمات التوقيت الوطنية حتى ثلاثينيات القرن العشرين.

في مسح الأراضي ، عند إجراء تسوية الارتفاعات من الدرجة الأولى (عالية الدقة) ، يُصنع مسطرة التسوية من مادة الإنفار، بدلاً من الخشب أو الألياف الزجاجية أو المعادن الأخرى. [ ^{18 ] [ 19 ] استُخدمت} دعامات الإنفار في بعض المكابس للحد من تمددها الحراري داخل أسطواناتها. ^{[ 20 ]} في تصنيع هياكل المواد المركبة الكبيرة لقوالب ألياف الكربون المستخدمة في صناعة الطيران ، يُستخدم الإنفار لتسهيل تصنيع الأجزاء بدقة متناهية. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

في المجال الفلكي، يُستخدم إنفار كمكونات هيكلية تدعم البصريات الحساسة للأبعاد في التلسكوبات الفلكية. ^{[ 23 ]} يسمح الاستقرار البُعدي الفائق لإنفار للتلسكوبات الفلكية بتحسين دقة الرصد بشكل ملحوظ.

توجد أنواع مختلفة من مادة إنفار الأصلية ذات معامل تمدد حراري مختلف قليلاً، مثل:

• Inovco ، وهو Fe–33Ni–4.5Co وله α بقيمة 0.55  جزء في المليون/درجة مئوية (من 20 إلى 100  درجة مئوية).
• FeNi42 (على سبيل المثال سبيكة NILO 42)، والتي تحتوي على نسبة نيكل تبلغ 42٪ و α ≈ 5.3  جزء في المليون / درجة مئوية ، وهو ما يطابق السيليكون ، تستخدم على نطاق واسع كمادة إطار توصيل للدوائر المتكاملة، وما إلى ذلك.
• سبائك FeNiCo - المسماة Kovar أو Dilver P - لها نفس سلوك التمدد (~ 5  جزء في المليون / درجة مئوية ) وتشكل روابط قوية مع زجاج البوروسيليكات المنصهر ، ولهذا السبب تستخدم في موانع التسرب بين الزجاج والمعدن ، ولدعم الأجزاء البصرية في نطاق واسع من درجات الحرارة والتطبيقات، مثل الأقمار الصناعية .
• يتميز الإلينفار بمعامل مرونة شبه ثابت، مما يجعله ذا قيمة لعجلات توازن ساعات اليد ، والموازين الزنبركية ، وغيرها من أدوات القياس القائمة على الزنبرك.

لقد أثبت التفسير المفصل لانخفاض معامل التمدد الحراري غير الطبيعي لمادة إنفار أنه أمر صعب المنال بالنسبة للفيزيائيين.

تُظهر جميع سبائك الحديد والنيكل المكعبة ذات المراكز الوجهية الغنية بالحديد شذوذًا يُعرف باسم "إنفار" في خصائصها الحرارية والمغناطيسية المقاسة، ويتطور هذا الشذوذ باستمرار مع تغير تركيب السبيكة. وقد اقترح العلماء سابقًا أن سلوك "إنفار" هو نتيجة مباشرة لانتقال من حالة العزم المغناطيسي العالي إلى حالة العزم المغناطيسي المنخفض في سلسلة الحديد والنيكل المكعبة ذات المراكز الوجهية (والذي يُنتج معدن " أنتيتاينيت ")؛ إلا أن هذه النظرية ثبت عدم صحتها. ^{[ 24 ]} بدلاً من ذلك، يبدو أن انتقال العزم المنخفض/العزم العالي يسبقه حالة مغناطيسية حديدية محبطة ذات عزم مغناطيسي عالٍ ، حيث يكون لروابط التبادل المغناطيسي بين ذرات الحديد تأثير مغناطيسي حجمي كبير بالإشارة والمقدار المناسبين لإحداث شذوذ التمدد الحراري الملحوظ. ^{[ 25 ]}

درس وانغ وآخرون المزيج الإحصائي بين التكوين المغناطيسي الحديدي الكامل (FM) وتكوينات قلب اللف المغزلي (SFCs) في الحديدتم حساب طاقات البلاتين _الحرة لبلورات الحديد المغناطيسي (FM) وبلورات الحديد المغناطيسية الفائقة (SFCs) باستخدام حسابات المبادئ الأولية، وتمكنت هذه الحسابات من التنبؤ بنطاقات درجات الحرارة للتمدد الحراري السالب تحت ضغوط مختلفة. ^{[ 26 ]} وقد تبين أن جميع بلورات الحديد المغناطيسي وبلورات الحديد المغناطيسية الفائقة (FM وSFCs) لها تمدد حراري موجب، وأن التمدد الحراري السالب ينشأ من ازدياد أعداد بلورات الحديد المغناطيسية الفائقة (SFCs) ذات الأحجام الأصغر من بلورات الحديد المغناطيسي (FM). ^{[ 27 ]}

• القسطنطين والمنجنين ، سبائك ذات مقاومة كهربائية ثابتة نسبياً
• الإلينفار ، سبيكة ذات مرونة ثابتة نسبياً على مدى نطاق من درجات الحرارة
• سيتال وزيرودور ، مواد خزفية ذات تمدد حراري منخفض نسبياً
• زجاج البوروسيليكات وزجاج التمدد المنخفض للغاية ، زجاج منخفض التمدد مقاوم للصدمات الحرارية
• ALLVAR Alloy 30 ، سبيكة ذات تمدد حراري سلبي تعوض التمدد الحراري للمواد الأخرى ^{[ 28 ]}