لقد حطمت نانولامينات الألومنيوم والكوبالت المقايضة المعتادة بين القوة والمرونة، حيث ظهرت أقوى بما يصل إلى 10 مرات من الفولاذ الهيكلي دون أن تصبح هشة بشكل خطير.
تتطلب المحركات النفاثة مواد يمكنها تحمل الحرارة والقوة الهائلتين دون أن تنحني أو تتشقق أو تفقد شكلها ببطء. ومع ذلك، فإن أقوى المرشحين غالبا ما يأتون بنقطة ضعف كبيرة: فهي هشة للغاية بحيث لا يمكن تشويهها بأمان.
جامعة بوردو لقد وجد المهندسون الآن طريقة للتغلب على هذه المقايضة في ألومنيوم الكوبالت (CoAl)، وهو مركب بين المعادن له استخدامات محتملة في التوربينات عالية الأداء. من خلال إعادة تصميم المواد في مقياس النانو، ابتكر الباحثون شكلاً من أشكال CoAl قوي بشكل استثنائي ولكن لا يزال من الممكن أن يتعرض لتشوه كبير في درجة حرارة الغرفة.
التقدم، ورد في تقدم العلوميمكن أن يشير هذا إلى استراتيجية أوسع لجعل المركبات المعدنية الهشة أكثر عملية في تقنيات الطيران والطاقة والدفاع.
لماذا الكسر بين المعادن
تحتوي المعادن البينية على عنصرين معدنيين أو أكثر مرتبة في بنية بلورية عالية الترتيب. وهذا الترتيب الذري يمكن أن يمنحها قوة ملحوظة، ودرجات حرارة انصهار عالية، ومقاومة للزحف، وهو التشوه البطيء الذي يحدث عندما تظل المادة تحت الضغط لفترات طويلة.
هذه الصفات ذات قيمة في المحركات النفاثة، وتوربينات الغاز، وأنظمة تخزين الطاقة، ومكونات السيارات. ومع ذلك، فإن نفس الهياكل المنظمة التي تجعل الفلزات المتداخلة قوية يمكن أيضًا أن تمنعها من التشوه بسهولة. فبدلاً من الانحناء تحت القوة، يتعرض العديد منها للكسر، خاصة في درجة حرارة الغرفة.
يوضح CoAl هذه المشكلة. المركب قوي بما يكفي لاستخدامه في مكونات التوربينات الصعبة، لكن هشاشته تجعل من الصعب تصنيعه في أشكال معقدة وتحد من قدرته على تحمل الإجهاد الميكانيكي المفاجئ.
قال المؤلف المقابل شينغهانغ تشانغ، الأستاذ في كلية هندسة المواد في جامعة بوردو: “إن المواد المعدنية السائبة من الفحم هي مركب عالي القوة”. “من بين التطبيقات الأخرى، يمكن استخدامها في مواد الجيل التالي من شفرات التوربينات لمحركات الطائرات، وهي محركات توربينات غازية تولد قوة دفع لدفع الطائرات. يمكن لسبائك الفحم عالية القوة والقابلة للتشوه من الناحية البلاستيكية أن تسمح للمحرك أو التوربو بالدوران بشكل أسرع مع الحفاظ على قوة طرد مركزية أعلى، مما يحسن أدائها. “
هندسة العيوب البلورية المفيدة
لقد تعامل الباحثون مع المشكلة عن طريق إدخال عيوب في المادة عن عمد.
في البلورة، تتبع الذرات عادةً نمطًا هندسيًا متكررًا. الخلع هو اضطراب مجهري في هذا النمط. على الرغم من أن العيوب غالبًا ما ترتبط بالضعف، إلا أن الاضطرابات يمكن أن تمنح المعادن طريقة لتغيير شكلها من خلال السماح لطبقات الذرات بالتحرك بدلاً من التفكك.
يفتقر فحم الفحم عادة إلى ما يكفي من عمليات الخلع المتنقلة ليتشوه بشكل كبير عند درجة حرارة الغرفة. ولم تحقق الجهود السابقة لتحسين مرونتها عن طريق تغيير تركيبتها أو دمجها مع مواد أخرى سوى نجاح محدود.
واجهات مرنة تفتح اللدونة
وبدلاً من ذلك، قام فريق بوردو ببناء عمليات خلع مباشرة في CoAl أثناء تشكله. كما قاموا بإنشاء شبكة من الواجهات غير المتبلورة، وهي حدود رفيعة حيث تفتقر الذرات إلى الترتيب المرتب الموجود في البلورة.
قال كي شو، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة بوردو والمؤلف الأول للدراسة: “في هذه الدراسة، نظهر أن فحم الفحم يمكن أن يُظهر مرونة كبيرة في درجة حرارة الغرفة، مما يوفر نهجًا بديلاً جديدًا لتحسين قدرة التشوه البلاستيكي في فحم الفحم”.
تعمل هذه الحدود الداخلية المرنة أكثر من مجرد فواصل سلبية. أثناء التشوه، تتبلور أجزاء من الواجهات وتساعد على توليد اضطرابات إضافية، مما يمنح طبقات CoAl المحيطة المزيد من الطرق لامتصاص القوة.
وقال تشانغ: “لقد أدخلنا بشكل مباشر الاضطرابات في الفحم أثناء ترسيب الاخرق”. “والأهم من ذلك أننا صممنا إطارًا للواجهات غير المتبلورة (FAIs) – وهي حدود مرنة في المواد لتحقيق المرونة الهيكلية، والتي تتبلور جزئيًا أثناء التشوه وتعزز نواة الاضطرابات في الفلزات البينية لفحم الكوك.”
أقوى من الفولاذ الهيكلي
وصلت النانولامينات الناتجة إلى قوة خضوع تبلغ 6 GPa (جيجاباسكال، وهو قياس الإجهاد)، أي ما يقرب من ستة إلى 10 أضعاف قوة الفولاذ الهيكلي عالي القوة. تقيس قوة الخضوع مقدار الضغط الذي يمكن أن تتحمله المادة قبل أن تبدأ في التشوه بشكل دائم.
وعلى الرغم من هذه القوة الشديدة، فقد تحملت المادة 15% من الإجهاد البلاستيكي تحت الضغط في درجة حرارة الغرفة. بمعنى آخر، يمكن أن يتعرض لتشوه دائم كبير دون أن ينكسر على الفور.
وقال شو: “هذا المزيج من القوة الميكانيكية الفائقة واللدونة المتميزة يجعل نظام CoAl nanolaminate الحالي واحدًا من أفضل الأنظمة المعدنية التي تم الإبلاغ عنها حتى الآن”.
بناء السبيكة من البخار
أنتج الفريق المادة باستخدام ترسيب المغنطرون. خلال هذه العملية، يتم إطلاق الذرات من المادة المصدر وترسبها كطبقة رقيقة على سطح آخر. على عكس الصب التقليدي، الذي يعمل على تجميد المعدن المنصهر، فإن الرش يسمح بتكوين المادة مباشرة منه سبيكة بخار.
وقد ساعد هذا المسار غير التقليدي في محاصرة أعداد كبيرة من الاضطرابات داخل فحم الفحم أثناء إنشاء واجهات غير متبلورة من الألومنيوم والكوبالت.
وقال تشانغ: “إن نهج التصنيع غير المتوازن هذا يمكّننا من تصنيع المواد من بخار السبائك إلى مادة صلبة، مما يؤدي إلى عدد كبير من الاضطرابات في الفحم”. “لقد تمكنا من تحقيق قدر كبير من القوة واللدونة في الفحم، وهو ما لا يمكن تحقيقه عن طريق الصب التقليدي.”
مشاهدة التشوه على المقياس الذري
وقام الباحثون بضغط المادة أثناء مراقبتها داخل المجهر الإلكتروني الماسح. سمح لهم هذا الاختبار الموقعي بتتبع كيفية تغير البنية المجهرية مع تشوه الفحم.
أجرى الأستاذ بجامعة هيوستن ياشاشري كولكارني وطالب الدكتوراه أناند ماثيو أيضًا عمليات محاكاة للديناميكيات الجزيئية لفحص العملية على المستوى الذري. وأظهرت نماذجهم أن أجزاء من السطوح البينية غير المتبلورة تتبلور تحت الضغط وتطلق عمليات خلع في طبقات CoAl المجاورة.
تشير التجارب وعمليات المحاكاة معًا إلى أن الواجهات تعمل كمصادر نشطة لتشوه البلاستيك. وبدلاً من إضعاف المادة، فإنها تساعدها على الاستجابة للضغط دون التضحية بقوتها الاستثنائية.
من الطبقات النانوية إلى مكونات التوربينات
المادة الحالية عبارة عن نظام ذو طبقات نانوية يتم إنتاجه من خلال ترسيب الأغشية الرقيقة، ولم يعد مكونًا توربينيًا ضخمًا بعد. التحدي التالي الذي يواجه الباحثين هو نقل نفس المفهوم الهيكلي إلى مركبات نانوية أكبر من CoAl يمكن تصنيعها على نطاق صناعي.
وقال شو: “سنقوم أيضًا باختبار المفهوم باستخدام مواد بين معدنية أخرى، بهدف تحديد قابلية التطبيق العام لـ FAIs لتحسين اللدونة في هذه الفئة المعدنية”.
إذا نجح هذا النهج عبر مركبات أخرى، فقد يوفر للمهندسين طريقة جديدة لتصميم مواد للبيئات التي تعاني فيها المعادن التقليدية. بدلًا من الاختيار بين القوة وقابلية التشوه، قد يتمكن الباحثون من هندسة كليهما من خلال التحكم في مكان تشكل العيوب وكيفية استجابة الحدود الداخلية للقوة.
وقال تشانغ: “إن المعادن البينية المرنة ستعزز بشكل كبير قدراتنا على تصميم مواد متقدمة لتطبيقات الفضاء الجوي والفضاء الخارجي والطاقة والدفاع”.
المرجع: “اللدونة في المواد المعدنية الهشة التي تم تمكينها من خلال إطار الواجهات غير المتبلورة والاضطرابات الموجودة مسبقًا” بقلم Ke Xu وAnand Mathew وZhongxia Shang وDebargha Paul وXuanyu Sheng وHaiyan Wang وYashashree Kulkarni وXinghang Zhang، 17 يونيو 2026، تقدم العلوم.
دوى: 10.1126/sciadv.aeb0766
تم توفير التمويل لهذا البحث في المقام الأول من خلال برنامج المعادن والهياكل النانوية المعدنية التابع لمؤسسة العلوم الوطنية.
لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
المصدر الأصلي: scitechdaily.com
