آلیاژ جدید چین برای استفاده در رآکتورها و موشک‌های مافوق صوت

 فناوری‌های مدرن مانند هواپیماهای مافوق صوت، فضاپیماهای قابل استفاده مجدد و موتورهای موشک پیشرفته به موادی نیاز دارند که بتوانند در دماهای بسیار بالا دوام بیاورند.

اکنون محققان چینی در یک پیشرفت غیرمنتظره که می‌تواند آینده هوافضا و مهندسی پیشرفته را تغییر دهد، یک آلیاژ فلزی جدید را توسعه داده‌اند که قادر به حفظ استحکام خود در دماهای بالا تا ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد است.

این نوآوری به یکی از بزرگترین چالش‌ها در علم مواد می‌پردازد؛ ایجاد فلزاتی که در دمای بسیار بالا از نظر ساختاری پایدار می‌مانند و در عین حال بارهای مکانیکی سنگین را تحمل می‌کنند.

این پژوهش که توسط تیمی از دانشگاه شی‌آن جیائوتونگ(Xi’an Jiaotong) رهبری می‌شود، بر روی یک آلیاژ مبتنی بر تانتالوم(tantalum) که به طور ویژه مهندسی شده است، تمرکز دارد. تانتالوم در حال حاضر به دلیل نقطه ذوب فوق‌العاده بالای نزدیک به ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد شناخته شده است و آن را به یکی از مقاوم‌ترین فلزات در برابر حرارت تبدیل می‌کند.

با این حال، حتی آلیاژهای تانتالوم نیز به شکل سنتی در دماهای بسیار بالا دچار افت استحکام می‌شوند. محققان چینی ادعا می‌کنند که با طراحی آلیاژی با ریزساختار داخلی بهینه که حتی در محیط‌های حرارتی شدید نیز در برابر تغییر شکل مقاومت می‌کند، بر این محدودیت غلبه کرده‌اند.

فناوری‌های مدرن مانند هواپیماهای مافوق صوت، فضاپیماهای قابل استفاده مجدد، موتورهای موشک پیشرفته و رآکتورهای هسته‌ای نسل جدید به موادی نیاز دارند که بتوانند در دماهای بسیار بالا بدون تضعیف، مقاومت کنند.

آلیاژهای با کارایی بالای مرسوم، از جمله سوپرآلیاژهای بر پایه نیکل که به طور گسترده در موتورهای جت استفاده می‌شوند، با نزدیک شدن دما به ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد، شروع به از دست دادن استحکام مکانیکی خود می‌کنند.

آلیاژ تازه توسعه یافته همچنین قادر به تحمل بارهای سنگین است

طبق گزارش‌ها، این آلیاژ تازه توسعه یافته همچنان قادر به تحمل بارهای سنگین در دماهای تا ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد است که نشان‌دهنده پیشرفت قابل توجهی نسبت به مواد ساختاری بادوام در دمای بالای موجود است.

فلزات عموماً با افزایش دما نرم می‌شوند، زیرا ساختارهای کریستالی داخلی آنها متحرک‌تر می‌شوند. هنگامی که دما تقریباً از ۶۰ درصد نقطه ذوب فلز فراتر رود، اتم‌ها می‌توانند آزادانه‌تر حرکت کنند و باعث تغییر شکل ماده تحت فشار شوند.

به گفته محققان، آلیاژ جدید تانتالوم با ساختار میکروسکوپی با دقت کنترل شده‌ای مهندسی شده است که این فرآیند را کند می‌کند. این آلیاژ با تثبیت آرایش داخلی ماده حتی در شرایطی که معمولاً فلزات معمولی را تضعیف می‌کند، استحکام خود را حفظ می‌کند.

این یافته‌ها در مجله معتبر Nature منتشر شده که اهمیت علمی این کار را برجسته می‌کند.

اگر این ماده در خارج از شرایط آزمایشگاهی نیز عملکرد مشابهی داشته باشد، می‌تواند کاربردهای صنعتی گسترده‌ای از جمله استفاده در قطعات موشک و هواپیماهای مافوق صوت و محفظه‌های احتراق موشک، سیستم‌های حفاظت حرارتی فضاپیما، توربین‌های گازی پیشرفته و قطعات رآکتور هسته‌ای داشته باشد.

توانایی کار ایمن در چنین دماهای شدیدی می‌تواند راندمان موتور را بهبود بخشد، طول عمر قطعات را افزایش دهد و نیازهای خنک‌کنندگی را در محیط‌های مهندسی دشوار کاهش دهد.

در حالی که نتایج آزمایشگاهی امیدوارکننده است، پذیرش تجاری آن نیاز به آزمایش‌های بیشتر دارد. دانشمندان باید نشان دهند که این آلیاژ را می‌توان از نظر اقتصادی به‌صرفه تولید کرد، در برابر چرخه‌های مکرر گرمایش و سرمایش مقاومت دارد، در برابر اکسیداسیون و خوردگی مقاوم است و در دوره‌های طولانی‌مدت عملکرد قابل اعتمادی دارد.

تانتالوم همچنین یک فلز گران‌قیمت است، به این معنی که استفاده صنعتی در مقیاس بزرگ به این بستگی دارد که آیا می‌توان هزینه‌های تولید را بدون به خطر انداختن عملکرد کاهش داد یا خیر.

این توسعه نشان دهنده سرعت رو به رشد نوآوری در تحقیقات مواد پیشرفته است. همزمان با رقابت کشورها برای ساخت هواپیماهای سریع‌تر، وسایل نقلیه فضایی کارآمدتر و فناوری‌های هسته‌ای ایمن‌تر، پیشرفت در آلیاژهای مقاوم در برابر دمای بالا اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند.

این آلیاژ جدید مبتنی بر تانتالوم در صورت تجاری‌سازی موفقیت‌آمیز می‌تواند محدودیت‌های طراحی مهندسی را کنار بزند و ماشین‌ها و وسایل نقلیه را قادر سازد در محیط‌هایی که قبلاً برای فلزات معمولی بسیار خشن در نظر گرفته می‌شدند، کار کنند.