خفيفة كالألومنيوم وقوية كالفولاذ – تم ابتكار مادة جديدة للطيران والفضاء

قدم مهندسون من تورونتو مركبًا يجمع بين خفة الألومنيوم والمقاومة الحرارية لسبائك التيتانيوم باهظة الثمن. في درجات الحرارة المرتفعة، فإنه يحتفظ بقوة الفولاذ الهيكلي التقليدي، لكنه يزن ثلاث مرات أقل. إذا وصلت التكنولوجيا إلى الإنتاج الضخم، فسوف تؤدي إلى تحسين كبير في الحلول الهندسية للطيران والصواريخ وحتى المركبات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت. ونشرت نتائج العمل في المجلة اتصالات الطبيعة.

من الخرسانة المسلحة إلى النانوميتال

وكانت الفكرة جديدة وقديمة في الوقت نفسه: أخذ ما أتقنته البشرية في البناء على مدى 150 عاماً ونقله إلى المستوى المجهري. في الخرسانة المسلحة التقليدية، يتعرض حديد التسليح للتوتر، بينما تتعرض الخرسانة للضغط. فعل المهندسون من كندا الشيء نفسه، فقط بدلاً من الخرسانة كانت هناك مصفوفة من الألومنيوم، وبدلاً من التعزيز كانت هناك شبكة ثلاثية الأبعاد مصنوعة من سبائك التيتانيوم Ti-6Al-4V مع خلايا من 200 إلى 500 ميكرون.

“يستخدم حديد التسليح على نطاق واسع في صناعة البناء والتشييد لتحسين القوة الهيكلية للخرسانة في المباني وغيرها من الهياكل الكبيرة. وقد أتاحت لنا التقنيات الجديدة مثل التصنيع الإضافي، والمعروف أيضًا باسم الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد، الآن تقليد هذا الهيكل كمركب مصفوفة معدنية. ويقول البروفيسور يو زو، قائد المشروع: “يمنحنا هذا النهج مواد جديدة ذات خصائص لم يسبق لها مثيل”.

كيف يتم طباعتها وتعبئتها بالضبط؟

تتكون العملية من خطوتين. أولاً، تتم زراعة إطار تيتانيوم مخرم بأي شكل هندسي مرغوب طبقة بعد طبقة باستخدام الطباعة بمسحوق الليزر (LPBF). يبلغ سمك جدار الشبكة 200 ميكرون فقط، ولكن قوة التيتانيوم تجعلها قوية للغاية ومستقرة.

بعد ذلك، في فراغ تحت ضغط 5-7 أجواء، يتم صب مادة مصهورة مصنوعة من الألومنيوم بنسبة 11% سيليكون و4% مغنيسيوم في الفراغات. أثناء التبلور، تتشكل مليارات الجسيمات النانوية من أكسيد الألومنيوم والسيليكون تلقائيًا في “الخرسانة” – وهي التي تمنع حركة الاضطرابات عند تسخينها وتمنع المادة من “الطفو”.

اختبار الإجهاد للمواد

في درجة حرارة الغرفة مادة جديدة يتحمل حمولة 700 ميجا باسكال (يبدو الأمر كما لو أنه يمكن وضع حمولة تبلغ حوالي 70 طنًا على سنتيمتر مربع من سطحها – سيبدأ الألومنيوم العادي للطائرات بالفعل في التشوه عند 10-15 طنًا).

عند 300 درجة مئوية (درجة حرارة قريبة من درجة حرارة المحرك النفاث) فإنه لا يزال يحمل 550 ميجا باسكال – الألومنيوم العادي أضعف بالفعل 10 مرات في مثل هذه الظروف.

عند 500 درجة مئوية (هذه هي بالفعل درجة حرارة المعدن الساخن، حرارة حمراء تقريبًا) يحتفظ المركب الجديد بـ 300-400 ميجا باسكال — لا يزال هذا هو مستوى الفولاذ الهيكلي الجيد، وسبائك الألومنيوم العادية في مثل هذه الحرارة تتحول حرفيًا إلى البلاستيسين (5 ميجا باسكال فقط).

وفي الوقت نفسه، يزن 3.3 جرام فقط لكل سنتيمتر مكعب – تقريبًا مثل الألومنيوم النقي، وأخف 2.4 مرة من الفولاذ وأخف بنسبة 35% من التيتانيوم النقي.

يقول تشينوي شاو، المؤلف الأول للدراسة: “في الأساس، كلما كانت أكثر سخونة، أصبحت أكثر ليونة، لكن مركبنا يتصرف بشكل مختلف تمامًا”.

أين هذا مفيد حقا؟

1. توربينات المحركات النفاثة – تجاوزت درجة حرارة الدخول بالفعل 1600 درجة مئوية، وكل درجة انخفاض في درجة حرارة الأجزاء توفر توفيرًا هائلاً في الوقود.
2. الدروع الحرارية لمركبات العودة والطائرات الشراعية التي تفوق سرعتها سرعة الصوت.
3. تعتبر علب محركات الطائرات الكهربائية مهمة من حيث الخفة والقدرة على تحمل الحرارة الناتجة عن البطاريات القوية.
4. مركبة فضائية قابلة لإعادة الاستخدام – وزن أقل وحمولة أكبر.

وحتى الآن، اجتازت المادة فقط الاختبارات الميكانيكية المخبرية والنمذجة الحاسوبية. والخطوة التالية هي الأجزاء الحقيقية لاختبار الحريق للمحركات. وإذا سار كل شيء وفقًا للخطة، فسوف تظهر التصاميم الصناعية الأولى خلال 4 إلى 6 سنوات.