آلیاژ جدید مس، مقاومت حرارتی و استحکام فوق‌العاده‌ای برای کاربردهای نظامی و صنعتی دارد

آلیاژ نانوساختار مس با نام Cu-Ta-Li (مس-تانتالیم-لیتیم) می‌تواند به عنوان ماده‌ای نوین و پیشگام در دماهای بالا برای کاربردهای هوافضا، دفاعی و صنعتی مطرح شود، زیرا ویژگی‌های متمایز مواد مختلف را در قالب یک ساختار ترکیبی کارآمد ارائه می‌دهد.

این آلیاژ که حاصل همکاری مشترک بین آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش ایالات متحده (ARL) و دانشگاه Lehigh (LU) است، به واسطه پایداری حرارتی و استحکام مکانیکی قابل توجه، به عنوان یکی از مقاوم‌ترین مواد بر پایه بر مس شناخته می‌شود که تا به امروز تولید شده است. شایان ذکر است که دانشمندانی از دانشگاه ایالتی آریزونا و دانشگاه ایالتی لوئیزیانا نیز در توسعه این آلیاژ جدید مقاوم در برابر حرارت سهیم بوده‌اند.

دانش نوین مواد

به گفته مارتین هارمر، نویسنده همکار از دانشگاه Lehigh: این علم پیشرو است؛ توسعه ماده‌ای نوین که رسانایی ممتاز مس را به طور بی‌نظیری با استحکام و پایداری در حد ابرآلیاژهای پایه نیکل ترکیب می‌کند. وی افزود: این دستاورد، زیربنای لازم برای تولید مواد جدید در صنایع نظامی و ساخت موتورهای توربینی با عملکرد بالا را فراهم می‌سازد.

این ماده نوین بر اساس تکنیکی پیشگامانه در دانشگاه Lehigh (LU)  توسعه یافته است که از یک لایه دوتایی اتمی غنی از تانتال به عنوان اساس کار استفاده می‌کند. این لایه، ساختار نانوکریستالی را تثبیت نموده و تمایل مرزدانه‌ها به تغییر در اثر حرارت را به حداقل می‌رساند. این پایداری، عملکرد ماده را در دماهای بالا به طور چشمگیری بهبود بخشیده و امکان حفظ شکل آن را حتی در نزدیکی نقطه ذوب فراهم می‌سازد.

ویژگی‌های نانوساختار ترکیبی

این ماده، دو خاصیت بسیار مطلوب را در خود جای داده است: ویژگی‌های حرارتی نیکل و رسانایی الکتریکی مس. نیکل به دلیل استحکام بالایی که دارد، معمولاً در موتورهای جت مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما از رسانایی مطلوبی برخوردار نیست. تنگستن نیز با خواص مقاومتی که در برابر حرارت دارد، می‌تواند جایگزین نیکل باشد، اما چگالی بالا و خاصیت شکنندگی آن، فرآیند تولید را با مشکل مواجه می‌سازد.

چنین ترکیبی راه را برای نسل بعدی مبدل‌های حرارتی، سیستم‌های پیشرانش و مدیریت حرارت باز می‌کند که می‌تواند در موشک‌ها و وسایل نقلیه مافوق صوت استفاده شود. Cu-Ta-Li به طور کامل جایگزین آلیاژهای موجود نخواهد شد، اما به عنوان مکمل برای کاربردهای مهندسی خاص عمل خواهد کرد.

تحقیق و توسعه Cu-Ta-Li

این گروه تحقیقاتی با بهره‌گیری از فرآیندی که متالورژی پودر و آسیاب‌کاری برودتی پرانرژی را با هم ترکیب می‌کرد، موفق به سنتز نانوساختار آلیاژ شدند. پس از تولید، از میکروسکوپ پیشرفته برای بررسی دقیق ساختار رسوبی Cu₃Li ماده استفاده نمودند. آزمایش‌های عملی انجام‌شده شامل 10000 ساعت گرمایش مداوم در دمای 800 درجه سانتی‌گراد برای تأیید مقاومت حرارتی بلندمدت آلیاژ و آزمایش‌های مقاومت به خزش به منظور ارزیابی واکنش ماده در شرایط سخت بود. همچنین، از مدل‌های محاسباتی برای تأیید اعتبار خواص تثبیت‌کنندگی سطح دو لایه Ta با استفاده از نظریه تابعی چگالی بهره بردند.

یافته های کلیدی حاصل از تحقیق پیرامون سوپرآلیاژ مس به شرح زیر است:

پایداری حرارتی بهبود یافته: آلیاژ Cu-3Ta-0.5Li در دمای 800 درجه سانتیگراد برای بیش از 10000 ساعت پایدار باقی می ماند و حداقل کاهش در مقاومت تسلیم را نشان می دهد.

استحکام بالا در دماهای بالا: این آلیاژ در مقایسه با آلیاژهای تجاری مس موجود، عملکرد بهتری دارد و به مقاومت تسلیم 1120 مگاپاسکال در دمای اتاق دست می یابد.

مقاومت خزشی فوق العاده: Cu-Ta-Li در مقایسه با آلیاژهای متداول Cu-Ta، تغییر شکل خزشی به مراتب کمتری از خود نشان می دهد که آن را برای استفاده در محیط های با تنش و دمای بالا، ایده آل می سازد.

این دستاورد، افق‌های تازه‌ای را جهت تولید آلیاژهای نوین مس، قابل استفاده در صنایع هوافضا، انرژی و نظامی، نمایان می‌سازد. کاربردهای احتمالی آن شامل مبدل‌های حرارتی، اجزای الکتریکی پیشرفته، جنگ‌افزارها و مواد سازه‌ای مقاوم در شرایط بحرانی است.

Kris Darling، از محققان آزمایشگاه تحقیقات ارتش و یکی از نویسندگان این پژوهش، بیان داشت: این تحقیق، علاوه بر ارتقای دانش ما در زمینه طراحی آلیاژها، زمینه را برای تولید موادی که قادر به تحمل شرایط محیطی سخت هستند، فراهم می‌سازد. وی تصریح کرد: بهره‌گیری از نانوساختارها در آلیاژها به منظور تغییر خواص سطحی، می‌تواند تحولی شگرف در رویکردهای توسعه مواد مقاوم در برابر حرارت بالا ایجاد نماید.

حق ثبت اختراع ایالات متحده برای این آلیاژ جدید در حال حاضر در اختیار آزمایشگاه تحقیقات ارتش ایالات متحده است. برای عملی کردن استفاده از این آلیاژ در تولید، تیم تحقیقاتی قصد دارد رسانایی حرارتی آن را برای مقایسه‌های دقیق‌تر اندازه‌گیری کند. آنها همچنین به دنبال استفاده از تکنیک‌های خود برای ایجاد سایر آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت در آینده هستند.

Harmer در این خصوص اظهار داشت: این پروژه نمونه بارزی از نحوه پیشبرد رهبری ایالات متحده در فناوری مواد از طریق سرمایه‌گذاری دولت فدرال در علوم پایه است. وی در ادامه افزود: اکتشافات علمی از این دست، نقش حیاتی در تقویت امنیت ملی و تسریع نوآوری‌های صنعتی ایفا می‌کنند.

منبع

Hornbuckle BC, Smeltzer JA, Sharma S, et al. A high-temperature nanostructured Cu-Ta-Li alloy with complexion-stabilized precipitates. Science. 2025;387(6741):1413-1417. doi: 10.1126/science.adr0299