بهبود ویژگی های آلیاژ آلومینیوم با افزودن نانو الیاف کربنی + ویدئو

دانشمندان دانشگاه فناوری علمی تحقیقاتی NUST MISIS موفق شدند استحکام و قابلیت اطمینان را به آلیاژهای سبک آلومینیوم اضافه کنند. به گفته محققان، نمونه‌های کامپوزیت آلومینیوم با افزودن نانوالیاف کربنی، افزایش 20 درصدی سختی و تغییرات قابل‌توجهی را در ساختار ماده در سطح میکرو نشان می دهد. نتایج این تحقیقات در مجله Nanomaterials منتشر شده است.

به گفته کارشناسان، آلومینیوم و آلیاژهای مبتنی بر آن یکی از مواد کلیدی در صنعت و فناوری مدرن است. بدون این فلز مقرون به صرفه، سبک و همه کاره، نمی توان حمل و نقل، ساخت و ساز، الکترونیک، یا صنعت هوافضا را تصور کرد.

با این حال، دانشمندان خاطرنشان می کنند که برای افزایش استحکام خاص قطعات (weight-to-strength ratio)، لازم است خواص مکانیکی آلیاژهای آلومینیوم بیشتر شود. به گفته آنها، مطابقت دادن مشخصات مکانیکی و خواص عملکردی مواد با نیازمندی های فناوری پیشرفته مدرن، یک برنامه ضروری و واقعی حال حاضر است.

ایوان پلوین محقق آزمایشگاه کاتالیزور و فرآوری هیدروکربن ها دانشگاه فناوری علمی تحقیقاتی NUST MISIS توضیح داد: به طور کلی، تنها دو راه برای بهبود خواص عملکرد یک آلیاژ وجود دارد: ایجاد یک ماده کامپوزیتی جدید با ترکیب پیچیده‌تر یا پردازش سطح محصولات نهایی با اعمال یک پوشش اضافی. ما هر دو رویکرد را ترکیب کردیم و به اثر هم افزایی چندین عامل در تعامل آلومینا با اندازه میکرو و الیاف کربن در اندازه نانو دست یافتیم.

نمونه های آلومینیومی ریخته گری و پرینت سه بعدی به عنوان پایه در نظر گرفته شد که خواص سطحی آن با اعمال یک پوشش کامپوزیت و با استفاده از روش اسپری دینامیک گاز سرد (cold-spray method) افزایش یافت.

او توضیح داد که پوشش کامپوزیتی Al-Al2O3-UNV بر پایه مخلوط پودری از مواد خام صنعتی برای تولید آلومینیوم - آلومینا یا اکسید آلومینیوم - با افزودن 30 درصد ذرات فلزی خالص ساخته شده است. به گفته وی، در طی فرآیند سنتز، ذرات آلومینیوم در برخورد با اکسید سخت تری خرد می شوند و فضاهای خالی در ساختار آن پر می شود. چنین ترکیبی از ذرات سخت و پلاستیکی، تثبیت (bonding) مقاوم پوشش را روی سطح قسمت آلومینیومی ایجاد می کند.

از سوی دیگر، دانشمندان توضیح می‌دهند که الیاف کربن با اندازه نانو به فضای موجود بین ذرات پودر فلز نفوذ می‌کنند، چگالی را در سطح میکرو افزایش می‌دهند، تعداد ترک‌ها و حفره‌ها را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهند و سختی و استحکام پوشش را افزایش می‌دهند.افزودن تنها 1.5 درصد نانوالیاف کربنی منجر به افزایش 20 درصدی سختی پوشش شد.

سومین عامل فعال، به گفته آنها، خواص اصطکاکی بالای کربن بود در واقع این امر همچنین به تشکیل یک ساختار پوششی متراکم و بدون نقص به دلیل "روغنکاری" در هنگام برخورد ذرات کمک می کند. علاوه بر این، افزودن کربن به پوشش به طور بالقوه خواص اصطکاکی و مقاومت در برابر سایش را از طریق "خود روغن کاری" (in-situ lubricating, self-lubrication) بهبود می بخشد.

دانشمندان تاکید می کنند که علاوه بر این عوامل، روش سنتز درست انتخاب شده نیز اهمیت دارد.

ایوان پلوین افزود: در سنتز پوشش‌ها با روش‌های دیگر، مشکل انتقال فاز به وجود می‌آید که مخصوصاً برای آلومینیوم با نقطه ذوب پایین آن غیرطبیعی است. ذرات فلز روی سطح اسپری شده ذوب شده و دوباره سخت می شوند، یعنی ساختار ماده مختل شده، فشار اضافی در داخل ماده ظاهر می شود. به همین دلیل است که ما با روش اسپری سرد کار کردیم - و مزایای این محلول را به وضوح نشان دادیم.

دانشمندان مطمئن هستند که این مطالعه نه تنها برای بهبود خواص یک آلیاژ آلومینیوم خاص، بلکه برای بسیاری از قطعات برای اهداف مختلف از اهمیت عملی زیادی برخوردار است. توجه ویژه ای به پردازش مواد پس از چاپ سه بعدی می شود، زیرا این مرتبط ترین و مورد نیازترین کار علمی است. در طرح های آینده گروه علمی، دستیابی به کامپوزیت هایی با میکروساختار مورد نیاز برای کاربردهای انرژی، زیست پزشکی و سایر کاربردها است.