فهرست مطالب
پژوهشگران دانشگاه شی‌آن جیائوتونگ چین آلیاژ جدیدی بر پایه تانتالوم توسعه داده‌اند که استحکام خود را در دمایی تا ۲۴۰۰ درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این آلیاژ در صورت موفقیت در مرحله تجاری‌سازی، می‌تواند در موشک‌های هایپرسونیک، موتورهای موشکی، فضاپیماهای قابل استفاده مجدد، توربین‌های گازی پیشرفته و راکتورهای هسته‌ای نسل آینده به کار گرفته شود.
پیشرفت فناوری‌های پیشرفته هوافضا و انرژی به موادی وابسته است که بتوانند در دماهای بسیار بالا، بدون افت استحکام مکانیکی، به کار خود ادامه دهند. این نیاز در سال‌های اخیر به یکی از مهم‌ترین چالش‌های علم مواد تبدیل شده است. اکنون گروهی از پژوهشگران چینی اعلام کرده‌اند که با طراحی آلیاژی جدید بر پایه تانتالوم، موفق شده‌اند این محدودیت را تا حد زیادی برطرف کنند.
هسته اصلی این دستاورد، استفاده از فلز تانتالوم است که به دلیل نقطه ذوب نزدیک به ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، از مقاوم‌ترین فلزهای شناخته‌شده در برابر حرارت محسوب می‌شود. با وجود این ویژگی، آلیاژهای تانتالوم نیز تاکنون در دماهای بسیار بالا بخشی از استحکام خود را از دست می‌دادند و همین موضوع استفاده گسترده از آنها را در کاربردهای فوق‌دما محدود می‌کرد.
مرتبط: ساخت نخستین ابرآلیاژ جهان با استحکامی دو برابر فولاد
راز حفظ استحکام آلیاژ چینی در دمای ۲۴۰۰ درجه
پژوهشگران بیان کردند که با طراحی دقیق ریزساختار داخلی این آلیاژ، توانسته‌اند مقاومت آن را در برابر تغییر شکل افزایش دهند. به گفته آنها، کنترل آرایش میکروسکوپی ماده باعث شده است که ساختار داخلی فلز حتی در شرایط حرارتی بسیار شدید نیز پایدار باقی بماند و توان تحمل بارهای مکانیکی سنگین را حفظ کند.
این ویژگی اهمیت زیادی دارد، چرا که بیشتر فلزها با افزایش دما به تدریج نرم‌تر می‌شوند. زمانی که دمای یک فلز از حدود ۶۰ درصد نقطه ذوب آن عبور می‌کند، تحرک اتم‌ها افزایش می‌یابد و ساختار بلوری ماده راحت‌تر تغییر شکل می‌دهد. در چنین شرایطی قطعات فلزی زیر فشار مکانیکی دچار خزش و افت استحکام می‌شوند.
به گفته تیم تحقیقاتی، آلیاژ جدید با استفاده از ریزساختاری مهندسی‌شده این روند را کُند می‌کند و به همین دلیل می‌تواند در دمایی تا ۲۴۰۰ درجه سانتی‌گراد همچنان استحکام خود را حفظ نماید و بارهای سنگین را تحمل کند. این عملکرد نسبت به بسیاری از مواد سازه‌ای مقاوم در برابر حرارت که اکنون در صنایع پیشرفته استفاده می‌شوند، پیشرفت قابل توجهی به حساب می‌آید.
چنین قابلیتی می‌تواند راه را برای توسعه نسل جدیدی از سامانه‌های مهندسی باز کند. هواگردهای هایپرسونیک، فضاپیماهای قابل استفاده مجدد، موتورهای پیشرفته موشکی و راکتورهای هسته‌ای نسل آینده همگی به موادی نیاز دارند که بتوانند ساعت‌ها در معرض دماهای بسیار بالا قرار بگیرند، بدون آنکه خواص مکانیکی خود را از دست بدهند.
در حال حاضر بسیاری از موتورهای جت و سامانه‌های پیشرفته از سوپرآلیاژهای پایه نیکل استفاده می‌کنند. این مواد اگرچه عملکرد بسیار خوبی دارند، اما با نزدیک شدن دما به حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، استحکام مکانیکی آنها کاهش پیدا می‌کند. به همین دلیل توسعه آلیاژی که بتواند در دماهای بالاتر عملکرد پایداری داشته باشد، می‌تواند محدودیت‌های طراحی موتورهای آینده را کاهش دهد.
کاربردها و چالش‌های تجاری‌سازی
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature منتشر شده است. انتشار این دستاورد در یکی از معتبرترین نشریه‌های علمی جهان، نشان‌دهنده اهمیت علمی و فناوری این پژوهش است.
در صورت تأیید عملکرد این آلیاژ چینی خارج از محیط آزمایشگاه، کاربردهای آن می‌تواند بسیار گسترده باشد. قطعات موشک‌ها و هواگردهای هایپرسونیک، نازل‌ها و محفظه‌های احتراق موتورهای موشکی، سامانه‌های محافظ حرارتی فضاپیماها، توربین‌های گازی پیشرفته و قطعات راکتورهای هسته‌ای از مهم‌ترین حوزه‌هایی هستند که می‌توانند از این فناوری بهره ببرند.
استفاده از چنین ماده‌ای می‌تواند بازده موتورهای پیشرفته را افزایش دهد، عمر قطعات را طولانی‌تر کند و نیاز به سامانه‌های پیچیده خنک‌کننده را کاهش دهد. این مزایا علاوه بر کاهش هزینه‌های نگهداری، امکان طراحی موتورهایی با عملکرد بالاتر را نیز فراهم می‌کند.
مرتبط: دانشمندان ژاپنی آلیاژ آلومینیوم مقاوم در برابر حرارت ساختند + ویدیو
با وجود این، مسیر تجاری‌سازی این فناوری هنوز به پایان نرسیده است. پژوهشگران باید نشان دهند که این آلیاژ در مقیاس صنعتی با هزینه‌ای مناسب تولید می‌شود، چرخه‌های مکرر گرم و سرد شدن را بدون افت عملکرد تحمل می‌کند، در برابر اکسیداسیون و خوردگی مقاوم است و در دوره‌های طولانی قابلیت اطمینان خود را حفظ می‌کند.
عامل مهم دیگر، قیمت بالای فلز تانتالوم است. این فلز در مقایسه با بسیاری از فلزهای صنعتی هزینه بیشتری دارد و همین موضوع می‌تواند استفاده گسترده از آن را با چالش روبه‌رو کند. بنابراین موفقیت تجاری این فناوری تا حد زیادی به کاهش هزینه‌های تولید، بدون افت کیفیت و عملکرد، وابسته خواهد بود.
این دستاورد نشان می‌دهد رقابت جهانی در حوزه مواد پیشرفته با سرعت زیادی ادامه دارد. کشورها برای ساخت هواگردهای سریع‌تر، سامانه‌های فضایی کارآمدتر و راکتورهای هسته‌ای ایمن‌تر به دنبال توسعه موادی هستند که بتوانند محدودیت‌های فعلی مهندسی را پشت سر بگذارند. اگر آلیاژ جدید مبتنی بر تانتالوم بتواند آزمایش‌های صنعتی را نیز با موفقیت پشت سر بگذارد، می‌تواند فصل تازه‌ای در طراحی تجهیزات فوق‌دما ایجاد کند و امکان ساخت سامانه‌هایی را فراهم آورد که تاکنون استفاده از فلزهای متداول در آنها ممکن نبوده است.
