Architectured AlN/Al Composites Produced by Material Extrusion and Pressure Infiltration: Processing–Structure–Property Relationships

تخيل أنك تحاول بناء هيكل عظمي فائق القوة وخفيف الوزن للغاية لروبوت. أنت تريد شيئًا بصلابة المعدن، ولكن يمكنه أيضًا تحمل الحرارة دون أن ينصهر أو يتشوه، مثل السيراميك. في عالم علم المواد، يحاول العلماء منذ زمن طويل خلط هذين العالمين المختلفين تمامًا: السيراميك (الذي يتميز بالصلابة ومقاومة الحرارة ولكنه هش) والمعادن (التي تتميز بالقوة والمرونة ولكنها قد تصبح لينة عندما تسخن). عادةً ما يكون خلطهما مثل محاولة خلط الزيت والماء؛ فهما لا يرغبان في الالتصاق ببعضهما البعض، وغالبًا ما تكون النتيجة مليئة بنقاط الضعف أو الفجوات.

ومع ذلك، فإن طريقة جديدة لبناء الأشياء تسمى "التصنيع الإضافي" (أو الطباعة ثلاثية الأبعاد) قد غيرت قواعد اللعبة. فبدلاً من صهر كل شيء دفعة واحدة، يمكن للعلماء الآن طباعة هيكل يشبه الإسفنج من السيراميك، وتركه يجف ويتصلب، ثم صب معدن سائل في الثقوب الصغيرة. الأمر يشبه خبز كعكة سيراميك مجوفة ثم ملء شقوقها بالشوكولاتة السائلة. السؤال الكبير الذي كان الباحثون يتساءلون عنه هو: هل يمكننا طباعة هياكل السيراميك هذه بدقة متناهية بحيث يملأ المعدن السائل كل ركن وزاوية دون ترك فقاعات هواء، وهل سيتماسك المزيج النهائي بالفعل تحت الضغط والحرارة؟

تخبرنا هذه الورقة البحثية قصة فريق قرر تجربة ذلك بالضبط. لقد استخدموا نوعًا خاصًا من الطباعة ثلاثية الأبعاد لبناء إطار مسامي من نتريد الألمنيوم (وهو سيراميك فائق الصلابة) ثم قاموا بحقن الألمنيوم السائل فيه. أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم إنشاء "مركب" مادي حيث يتداخل السيراميك والمعدن بشكل مثالي، مثل أحجية ثلاثية الأبعاد، لصنع شيء يكون خفيف الوزن وقويًا للغاية في آن واحد.

إليك ما وجدوه. بدأ الفريق بطباعة شكل سيراميكي مسامي باستخدام طريقة تسمى "البثق المادي". فكر في هذا الأمر كأنك تعصر معجونًا سميكًا يحتوي على مسحوق السيراميك من خلال فوهة لرسم نمط شبكي، تمامًا مثل مسدس الغراء الساخن ولكن باستخدام مسحوق السيراميك. لقد قاموا بطباعة أسطوانة بنمط "حشو خطي" محدد، تاركين 30% من المساحة فارغة لإنشاء هيكل يشبه الإسفنج. بعد الطباعة، كان عليهم التخلص من الغراء اللزج (المادة الرابطة) الذي أبقى مسحوق السيراميك متماسكًا أثناء الطباعة. فعلوا ذلك في خطوتين: أولاً، نقعوا الهيكل في مذيب لغسل بعض الغراء، ثم قاموا بتسخينه لحرق ما تبقى منه. وأخيرًا، قاموا بحرق الإسفنج السيراميكي في فرن عند درجة حرارة حارقة بلغت 1650 درجة مئوية لدمج الجسيمات معًا لتكوين هيكل صلب، ومع ذلك يظل مساميًا.

بمجرد أن أصبح الهيكل السيراميكي جاهزًا، حدث السحر الحقيقي. لقد أخذوا وعاءً من سبيكة الألمنيوم المنصهرة (الممزوجة بقليل من المغنيسيوم للمساعدة في التصاقها)، وباستخدام الضغط، دفعوا المعدن السائل داخل الإسفنج السيراميكي. كان الأمر يشبه عصر الماء داخل إسفنجة جافة، ولكن باستخدام معدن شديد السخونة وضغط كافٍ لضمان وصوله إلى كل زاوية.

كانت النتائج مبهرة. عندما فحصوا المنتج النهائي تحت مجاهر قوية وماسحات الأشعة السينية، رأوا أن الألمنيوم قد ملأ الإطار السيراميكي بنجاح. كان المادة النهائية تتكون من حوالي 75.4% من السيراميك و24.6% من الألمنيوم. والأهم من ذلك، وجدوا عدم وجود فقاعات هواء كبيرة تقريبًا خلفها. كان إجمالي كمية الثقوب الصغيرة (المسامية) في المادة بأكملها منخفضًا للغاية، حيث بلغ حوالي 0.68%. وهذا يعني أن المعدن والسيراميك كانا متشابكين في هيكل كثيف ومتداخل، تمامًا مثل كعكة إسفنجية مخبوزة ببراعة دون وجود جيوب من العجين الخام.

قام الفريق أيضًا باختبار كيفية سلوك هذه المادة عندما تسخن أو عندما يحاولون سحقها. لقد سخنوا المادة حتى 500 درجة مئوية وراقبوا مدى تمددها. وجدوا أنه بعد دورة التسخين الأولى، استقرت المادة وأصبحت مستقرة جدًا. كان معدل تمددها (مقدار نموها عند السخونة) بين 11.6 و12.9 × 10⁻⁶ K⁻¹، وهو أفضل بكثير من الألمنيوم النقي ومثالي للتطبيقات التي تتطلب بقاء الأشياء بنفس الحجم حتى عند ارتفاع الحرارة.

وعندما ضغطوا على المادة لمعرفة مدى قوتها، وجدوا أنها تستطيع تحمل الكثير من الضغط. ومن المثير للاهتمام، كانت المادة أقوى قليلاً عند الضغط عليها من الأعلى (الاتجاه الذي بُنيت فيه) مقارنة بالضغط عليها من الجانب. بلغت القوة حوالي 567 ميجا باسكال في الاتجاه العمودي و511 ميجا باسكال في الاتجاه الأفقي. يوضح هذا الفرق الصغير أن الطريقة التي طبعوا بها الطبقات قد أثرت على القوة، ولكن بشكل عام، كانت المادة قوية للغاية.

الخلاصة الرئيسية لهذا العمل هي أنه من خلال الجمع بين الطباعة ثلاثية الأبعاد والحقن بالضغط، يمكن للعلماء الآن بناء أجزاء معقدة وذات أشكال مخصصة تكون مزيجًا مثاليًا من السيراميك والمعدن. لقد أثبتوا أنه يمكنك طباعة هيكل سيراميكي، وملئه بالمعدن، والحصول في النهاية على مادة كثيفة وقوية ومستقرة عند درجات الحرارة العالية. هذا يفتح الباب لصنع أجزاء أخف وأقوى لأشياء مثل الطائرات والسيارات والإلكترونيات التي تحتاج إلى التعامل مع الحرارة دون أن تتفكك. تشير الورقة إلى أن هذه الطريقة هي وسيلة موثوقة لإنشاء هذه المواد المتقدمة، رغم أنها تشير أيضًا إلى أن العمل المستقبلي سيحتاج إلى استكشاف كيفية أداء هذه المواد على مدى فترة زمنية طويلة وفي أشكال أكثر تعقيدًا.