علماء يبتكرون سبيكة ألمنيوم واعدة للمركبات الكهربائية
© Photo / РИА Новости / Павел Бедняков
تابعنا عبر
يُعد الألمنيوم خيارا جذابا للمركبات الكهربائية؛ نظرا لخفة وزنه وقدرته العالية على توصيل الكهرباء والحرارة. ومع ذلك، ثمة مشكلة جوهرية: فزيادة صلابة الألمنيوم تؤدي غالباً إلى تراجع قدرته على التوصيل، وقد توصل باحثون روس حديثا إلى طريقة واعدة لتحسين هذا التوازن، وذلك من خلال تعديل تركيبة المعدن وبنيته المجهرية.
تفرض المركبات الكهربائية متطلبات استثنائية على المواد المستخدمة في تصنيعها؛ إذ يجب أن تكون المكونات الكهربائية قادرة على نقل التيار بكفاءة، وتحمل الإجهادات الميكانيكية، بل ونقل كميات كبيرة من الحرارة في بعض الأحيان. وليس من السهل الجمع بين كل هذه الخصائص في مادة خفيفة الوزن.
وفي هذا السياق، طوّر علماء في الجامعة الوطنية للعلوم والتكنولوجيا "ميسيس" (NUST MISIS) في موسكو سبائك من الألمنيوم قد تساعد في تجاوز هذه العقبة. وتُبيّن نتائج أبحاثهم كيف يمكن عبر اختيار دقيق لعناصر السبائك وتقنيات التصنيع، إنتاج ألمنيوم أكثر صلابة مع الحفاظ على خصائص التوصيل المطلوبة، ويكمن السر في تغييرات دقيقة للغاية، لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة.
العلم الكامن وراء تعزيز صلابة الألمنيوم
يتميز الألمنيوم النقي بكونه ليناً نسبياً؛ لذا يعمل المهندسون على زيادة صلابته من خلال خلطه بكميات ضئيلة من عناصر أخرى. غير أن هذه الإضافات قد تعيق حركة الإلكترونات داخل المعدن، مما يؤدي إلى انخفاض في موصليته الكهربائية، ولمعالجة هذه المشكلة، درس الباحثون التغيرات التي تطرأ على الألمنيوم عند دمجه مع النيكل وعناصر مختارة أخرى، مثل الإيتريوم، والإربيوم، والإيتربيوم، والغادولينيوم، والساماريوم.
تُحفّز هذه الإضافات تكوين جسيمات متناهية الصغر تُعرف بـ المركبات بين الفلزية (intermetallic compounds)، والتي تتميز ببنية ذرية منظمة خاصة بها، وعند توزيع هذه الجسيمات بشكل مناسب، فإنها تساهم في منع حركة العيوب داخل البنية البلورية للمعدن، مما يجعل السبيكة أكثر مقاومة للتشوه الدائم.
ولا يقتصر تأثير هذه الجسيمات على التركيب الكيميائي فحسب؛ بل يعتمد أيضاً على حجمها، وطريقة ترتيبها، وتفاعلها مع الألمنيوم المحيط بها، وهي عوامل تؤثر بدورها على كيفية توصيل المادة للحرارة والكهرباء، ومنخلال التحكم في هذه الخصائص المجهرية، أصبح بإمكان العلماء ضبط سمات المادة بطريقة تتيح الجمع بين خصائص كان من الصعب سابقاً تحقيقها معاً.
ماذا اكتشف الباحثون؟
درس الفريق البحثي نهجين مختلفين لمعالجة هذه السبائك. في الدراسة الأولى، فحص الباحثون سبائك ألمنيوم مصبوبة خضعت لمعالجة حرارية عند درجة حرارة تتراوح تقريبًا بين 605 و620 درجة مئوية لمدة ست ساعات. أدت هذه العملية إلى تعديل البنية الداخلية للسبائك، مما أسفر عن مواد ذات موصلية حرارية تتراوح بين 189 و204 واط لكل متر-كلفن، ومقاومة خضوع (yield strength) تتراوح بين 85 و98 ميغا باسكال.
وتُعبّر الموصلية الحرارية عن مدى كفاءة المادة في نقل الحرارة، بينما تشير مقاومة الخضوع إلى مقدار الإجهاد الميكانيكي الذي يمكن للمادة تحمله قبل أن تبدأ في التشوه بشكل دائم. بعد ذلك، استكشف الباحثون نهجًا مختلفًا، يتمثل في دلفنة الألمنيوم (تمريره عبر أسطوانات دوارة)، تليها عملية تسخين مضبوطة. أدت هذه العملية إلى تحسين البنية الداخلية للمعدن وإنتاج سبائك أقوى بكثير.
وحققت العينات الأكثر واعدية مقاومة خضوع تراوحت بين 177 و197 ميجا باسكال، مع الحفاظ على موصلية كهربائية تتراوح بين 56.2% و60.8% من مقياس IACS (وهو معيار يُستخدم لمقارنة الموصلية الكهربائية للمواد بموصلية النحاس المُلدّن)، وقد أظهرت السبائك التي تحتوي على عناصر الإيتريوم (yttrium) أو الإربيوم (erbium) أو الإيتربيوم (ytterbium) مزيجًا متميزًا من القوة والموصلية الكهربائية.
ونظرًا لأن الدراستين تناولتا ظروف معالجة مختلفة ومجموعات متنوعة من الخصائص، فلا ينبغي اعتبار أرقام الموصلية الحرارية والكهربائية المذكورة قياساتٍ تخص سبيكة واحدة تتفوق على غيرها في كل الجوانب، وتُظهر هذه النتائج مجتمعةً أن أداء الألمنيوم لا يمكن تحسينه من خلال تغيير مكوناته فحسب، بل أيضًا عبر التحكم الدقيق في كيفية تطور بنيته الداخلية أثناء التصنيع.
ماذا يعني هذا بالنسبة للسيارات الكهربائية؟
بالنسبة لمهندسي السيارات، تبرز فوائد عملية محتملة، فالمادة التي تجمع بين القوة الميكانيكية والموصلية الكهربائية الجيدة قد توفر خيارات جديدة للمكونات التي يجب أن تنقل التيار الكهربائي مع مقاومة التشوه في الوقت ذاته. كما قد تكون السبائك ذات الموصلية الحرارية العالية مفيدة في الأجزاء التي تتطلب نقلًا فعالًا للحرارة، ويمكن لهذه التحسينات أن تساعد الشركات المصنعة على تطوير مكونات كهربائية وأخرى مخصصة لإدارة الحرارة، بحيث تكون ملائمة للظروف القاسية داخل السيارات الكهربائية.
ومع استمرار تطور المركبات الكهربائية، قد لا تقتصر الابتكارات على تطوير بطاريات جديدة أو أنظمة إلكترونية فحسب، بل قد تشمل أيضاً إعادة تصميم مواد مألوفة على المستوى المجهري (الميكروسكوبي). فأحياناً، لا يتطلب تحسين معدنٍ ما تغيير تركيبته الأساسية، بل يتطلب تغيير طريقة تفاعل ذراته وبنيته المجهرية مع بعضها بعضا.
المصدر: | بوابة روسيا العلمية |
