أول سبيكة ذات بنية نانوية عالية الأداء مطبوعة بطباعة ثلاثية الأبعاد تتميز بقوة فائقة وقوة مطيلة
يمكن أن تحتوي المكونات على تطبيقات في مجالات الفضاء والطب والطاقة والسيارات.
قام فريق من العلماء بطباعة ثلاثية الأبعاد لسبائك عالي الانتروبيا ذات بنية نانوية ثنائية الطور تتجاوز قوة وقابلية المواد الأخرى المصنعة بشكل مضاف على أحدث طراز. يمكن أن يؤدي هذا الاختراق إلى مكونات عالية الأداء للتطبيقات في الفضاء والطب والطاقة والنقل. قام بهذا العمل باحثون من جامعة ماساتشوستس أمهيرست ومعهد جورجيا للتكنولوجيا. ترأسه وين تشين، الأستاذ المساعد للهندسة الميكانيكية والصناعية في UMass ، وسيتم نشر Ting Zhu ، أستاذ الهندسة الميكانيكية في Georgia Tech ، اليوم (3 أغسطس 2022) في مجلة Nature .
أصبحت السبائك عالية الإنتروبيا (HEAs) شائعة بشكل متزايد كنموذج جديد في علم المواد على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية. وهي تتألف من خمسة عناصر أو أكثر بنسب شبه متساوية وتوفر القدرة على إنشاء عدد لا حصر له من التركيبات الفريدة لتصميم السبائك. تحتوي السبائك التقليدية، مثل النحاس الأصفر والفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الكربوني والبرونز، على عنصر أساسي مدمج مع واحد أو أكثر من العناصر النزرة.
يقف وين تشن، الأستاذ المساعد للهندسة الميكانيكية والصناعية في UMass Amherst ، أمام صور لمكونات سبائك عالية الانتروبيا مطبوعة ثلاثية الأبعاد (مروحة غرفة التبريد وشبكة مثمنة، يسار) وخريطة شكلية مقطعية مستعرضة للانحراف العكسي للإلكترون توضح القطب. بنية نانوية نانوية موجهة بشكل عشوائي (يمين). الائتمان: UMass Amherst
ظهرت الطباعة ثلاثية الأبعاد، والتي تُعرف أيضًا باسم التصنيع الإضافي، مؤخرًا كنهج قوي لتطوير المواد. يمكن أن تنتج الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على الليزر تدرجات كبيرة لدرجة الحرارة ومعدلات تبريد عالية لا يمكن الوصول إليها بسهولة بالطرق التقليدية. ومع ذلك، فإن “إمكانية تسخير الفوائد المجمعة للتصنيع الإضافي و HEAs لتحقيق خصائص جديدة لا تزال غير مستكشفة إلى حد كبير”، كما يقول Zhu.
دكتوراه UMass Amherst. يحمل الطالب Jie Ren مروحة صغيرة للمبدد الحراري، وهي واحدة من مكونات السبائك عالية الانتروبيا المطبوعة ثلاثية الأبعاد المصنوعة في مختبر Wen Chen. يُظهر البحث الذي أجراه UMass Amherst و Georgia Tech أن إعادة الترتيب الذري للبنية المجهرية يؤدي إلى قوة فائقة جدًا بالإضافة إلى تحسين ليونة. الائتمان: UMass Amherst
قام تشين وفريقه في مختبر UMass للمواد متعددة النطاقات والتصنيع بدمج HEA مع تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد حديثة تسمى انصهار طبقة مسحوق الليزر لتطوير مواد جديدة ذات خصائص غير مسبوقة. نظرًا لأن العملية تؤدي إلى ذوبان المواد وتصلبها بسرعة كبيرة مقارنةً بعلم المعادن التقليدي، “تحصل على بنية مجهرية مختلفة تمامًا بعيدة عن التوازن” على المكونات التي تم إنشاؤها، كما يقول تشين. تبدو هذه البنية المجهرية وكأنها شبكة وتتكون من طبقات متناوبة تُعرف باسم مكعب متمحور على الوجه (FCC) وهياكل نانوية رقيقة مركزة على الجسم (BCC) مدمجة في مستعمرات سهلة الانصهار ذات توجهات عشوائية. يتيح HEA المتسلسل الهرمي التشوه التعاوني للمرحلتين.
يقول تشين: “تؤدي إعادة الترتيب الذري غير العادية للبنية المجهرية هذه إلى زيادة قوة فائقة بالإضافة إلى تعزيز ليونة، وهو أمر غير شائع، لأن المواد القوية عادةً ما تكون هشة”. مقارنةً بصب المعادن التقليدية، “لقد حصلنا على ثلاثة أضعاف القوة تقريبًا ولم نفقد الليونة فحسب، بل زدناها في نفس الوقت”، كما يقول. “بالنسبة للعديد من التطبيقات، يعد الجمع بين القوة والمرونة أمرًا أساسيًا. النتائج التي توصلنا إليها أصلية ومثيرة لعلوم المواد والهندسة على حدٍ سواء “.
“القدرة على إنتاج HEAs القوية والمطاعة تعني أن هذه المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد أكثر قوة في مقاومة التشوه المطبق، وهو أمر مهم للتصميم الهيكلي خفيف الوزن لتعزيز الكفاءة الميكانيكية وتوفير الطاقة”، كما يقول Jie Ren ، دكتوراه في Chen. الطالب والمؤلف الأول للورقة.
قادت مجموعة Zhu في Georgia Tech النمذجة الحاسوبية للبحث. طور نماذج حسابية لدونة الكريستال ثنائية الطور لفهم الأدوار الميكانيكية التي تلعبها كل من Nanolamellae FCC وBCC وكيف تعملان معًا لإعطاء المادة قوة إضافية وليونة.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
