أول سبيكة ذات بنية نانوية عالية الأداء مطبوعة بطباعة ثلاثية الأبعاد تجمع بين القوة الفائقة والليونة

قام فريق من العلماء بطباعة ثلاثية الأبعاد لسبائك نانو عالي الانتروبيا مزدوج الطور والذي يتفوق على مواد التصنيع المضافة الحديثة الأخرى من حيث القوة والليونة. يمكن أن يؤدي هذا الاختراق إلى مكونات أداء أعلى للتطبيقات في الفضاء والطب والطاقة والنقل. قام بهذا العمل باحثون في جامعة ماساتشوستس أمهيرست وجورجيا تك. بقيادة وين تشين ، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية والصناعية في UMass Amherst ، و Ting Zhu ، أستاذ الهندسة الميكانيكية في Georgia Tech ، تم نشره في 3 أغسطس في مجلة Nature.

على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية ، نمت السبائك عالية الإنتروبيا (HEAs) في شعبيتها كنموذج جديد في علم المواد. وهي تتألف من خمسة عناصر أو أكثر بنسب متساوية تقريبًا ، مما يمنح تصميمات السبائك القدرة على إنشاء مجموعات فريدة لا حدود لها تقريبًا. تحتوي السبائك التقليدية ، مثل النحاس الأصفر والفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الكربوني والبرونز ، على مزيج من عنصر رئيسي واحد أو أكثر من العناصر النزرة.

ظهرت الطباعة ثلاثية الأبعاد ، والمعروفة أيضًا باسم التصنيع الإضافي ، مؤخرًا كطريقة قوية لتطوير المواد. يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على الليزر أن تولد تدرجات كبيرة في درجات الحرارة ومعدلات تبريد عالية ، وهو ما لا يمكن تحقيقه بالطرق التقليدية. ومع ذلك ، قال تشو إن "إمكانية الاستفادة من المزايا المجمعة للتصنيع الإضافي و HEA لتحقيق خصائص جديدة غير مستغلة إلى حد كبير".

قام Wen Chen وفريقه في مختبر UMass للمواد متعددة النطاقات والتصنيع بدمج HEA مع أحدث تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد ، ودمج طبقة مسحوق الليزر ، لتطوير مواد جديدة ذات خصائص غير مسبوقة. قال تشين ، لأن العملية تذوب وتقوى المادة بسرعة كبيرة مقارنة بعمليات التعدين التقليدية ، "تحصل على بنية مجهرية مختلفة تمامًا بعيدة عن التوازن". يشبه هذا الهيكل المجهري شبكة ، تتكون من طبقات متناوبة من الهياكل النانوية المعروفة باسم مكعب متمركز على الوجه (FCC) ومكعب محوره الجسم (BCC) ، مضمن في بلورات سهلة الانصهار مجهرية ذات توجهات عشوائية. يتيح HEA الهرمي البنية التشويه التعاوني للمرحلتين.

قال تشين وين: "إن إعادة الترتيب الذري لهذه البنية المجهرية غير العادية ينتج قوة عالية جدًا بالإضافة إلى ليونة مُحسّنة ، وهو أمر غير شائع لأن المواد القوية عمومًا تميل إلى أن تكون هشة. وهذا على النقيض من صب المعادن التقليدية. نسبة ، نحصل على ما يقرب من ثلاثة ضعف القوة ، ليس فقط بدون فقدان الليونة ، ولكن في الواقع زيادة الليونة في نفس الوقت. بالنسبة للعديد من التطبيقات ، يعتبر الجمع بين القوة والليونة أمرًا أساسيًا. نتائجنا لها آثار على كل من علم المواد والهندسة إنها أصيلة ومثيرة. "

قال جي رين ، المؤلف الأول للورقة: "إن القدرة على إنتاج HEAs بقوة عالية وليونة تعني أن مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد هذه أقوى في مقاومة التشوه المطبق ، وهو أمر مهم لتصميم الهياكل خفيفة الوزن مع تحسين الكفاءة الميكانيكية وتوفير الطاقة". .

قادت مجموعة Ting Zhu في Georgia Tech النمذجة الحاسوبية للدراسة. لقد طوروا نموذجًا حسابيًا لدونة البلورات ثنائية الطور لفهم الدور الميكانيكي الذي تلعبه الجسيمات النانوية FCC و BCC وكيف تعملان معًا لإعطاء المادة قوة وليونة متزايدة.

"تظهر نتائج المحاكاة التي أجريناها القوة المفاجئة والاستجابة المتصلبة للجسيمات النانوية BCC ، والتي تعد مفتاحًا لتحقيق التآزر الممتاز بين القوة والمرونة في سبائكنا." قال Zhu Ting ، "هذا الفهم الآلي يمكن أن يوجه المستقبل. إن تطوير HEAs المطبوعة ثلاثية الأبعاد بخصائص ميكانيكية خاصة يوفر أساسًا مهمًا."

علاوة على ذلك ، توفر الطباعة ثلاثية الأبعاد أداة قوية لتصنيع الأجزاء المعقدة والمخصصة هندسيًا. في المستقبل ، توفر الاستفادة من تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ومساحة تصميم السبائك الضخمة في HEA العديد من الفرص للإنتاج المباشر للأجزاء النهائية لتطبيقات الطب الحيوي والفضاء.