سبيكة عالية الإنتروبي خالية من التنتالوم CoFeNi مرنة مغناطيسيًا وقوية ونافذة ميكانيكيًا مع إضافات الألمنيوم والتيتانيوم

لماذا تهم المعادن الأفضل للمحركات

من السيارات الكهربائية إلى محركات الطائرات الصغيرة، يعتمد العصر الحديث بشكل متزايد على الآلات الكهربائية عالية السرعة. داخل كل محرك توجد أجزاء معدنية يجب أن توجه المجالات المغناطيسية بكفاءة بينما تتحمل قوى دوران وحرارة هائلة. السبيكات المغناطيسية اللينة التقليدية تؤدي الوظيفة المغناطيسية جيدًا لكنها ضعيفة نسبياً ومعرضة لفقدان الطاقة على شكل حرارة. تستكشف هذه الورقة عائلة جديدة من المعادن "عالية الإنتروبي" التي تعد بمزيج نادر من الخصائص: قوية وفي الوقت نفسه مرنة، ومقاومة بدرجة كبيرة للخسائر الكهربائية، وما زالت مغناطيسيًا لينة بما يكفي لأجيال المحركات القادمة.

معادن جديدة مبنية من مكونات متعددة

ينطلق الباحثون من وصفة مغناطيسية معروفة تعتمد على الكوبالت والحديد والنيكل. يضيفون إلى هذه الأساس كميات صغيرة من الألمنيوم والتيتانيوم، مكونين ما يسمى بسبيكات عالية الإنتروبي التي تمزج عدة عناصر معدنية بنسب متقاربة. على خلاف الصلب التقليدي أو السبيكات المغناطيسية المتخصصة، تُكوّن هذه الخلائط إطارًا بلوريًا بسيطًا تظهر فيه تجمعات ذرية منتظمة وصغيرة. من خلال اختيار كميات الألمنيوم والتيتانيوم بعناية، يصمم الفريق تركيبَين يفترض أن يشكلَا مثل هذه التجمعات النانوية مع تجنّب عناصر باهظة الثمن مثل التنتالوم.

ضبط اللبنات الصغيرة داخل المعدن

باستخدام نمذجة حرارية بالحاسوب وتسلسل من معالجات الحرارة، يوجّه المؤلفون كيفية تطور البنية الداخلية لهذه السبائك أثناء التسخين والتبريد. في درجات الحرارة العالية يكون المعدن مرحلة واحدة موحدة. عند التبريد تظهر داخل المصفوفة جسيمات مرتبة صغيرة للغاية يبلغ قطرها بضعة مليارات الأمتار. في سبيكة تبقى هذه الجسيمات فائقة النظم وكثيرة العدد؛ وفي الأخرى يمكن تكبيرها أو إعادة تشكيلها عبر خطوات إضافية من الدرفلة والأنيل. تؤكد المجاهر المتقدمة ورسم الخرائط الذرية أن هذه الجسيمات غنية بالنيكل والتيتانيوم وتبقى مدمجة بشكل متماسك في المعدن المحيط، فتعمل كتعزيزات نانوية موزعة بشكل منتظم.

قوة دون التضحية بالليونة المغناطيسية

تكشف اختبارات الميكانيكا أن كلتا السبيكتين أقوى بكثير من معدن الكوبالت-الحديد-النيكل الأصلي مع الاستمرار في قابلية الشد قبل الانكسار. اعتمادًا على المعالجة، تصل قوى الخضوع إلى نحو 780 إلى 1200 ميغاباسكال—أي ما يعادل تقريبًا ضعف إلى ثلاثة أضعاف العديد من السبيكات المغناطيسية اللينة التجارية—ومع ذلك تحتفظ بمدد استطالة بين 18% و35%. في الوقت نفسه تُظهر القياسات المغناطيسية قساوة مغناطيسية منخفضة، ما يعني أن تمغنط المادة يتحول بسهولة أثناء دوران المحرك، ومغنطة تشبع معقولة تحدد مقدار العزم الذي يمكن للمحرك توليده. من خلال الحفاظ على جسيمات التقوية صغيرة جدًا، يقلل المؤلفون ميلها لعرقلة جدران المجالات المغناطيسية، فتظل المادة مغناطيسيًا لينة حتى مع اكتسابها متانة ميكانيكية.

التغلب على خسائر الطاقة بالمقاومية الكهربائية

ميزة حاسمة لهذه السبائك عالية الإنتروبي هي مقاومتها الكهربائية العالية جدًا، عدة مرات أعلى من سبيكات المحركات القياسية. عندما تتعرّض أجزاء معدنية في المحرك لمجالات مغناطيسية متغيرة بسرعة، تتكون تيارات دوامية وتضيع الطاقة كحرارة. يسبب الخليط المعقّد للعناصر ووجود الجسيمات النانوية تشتيتًا قويًا للإلكترونات، مما يقلص هذه التيارات الدوامية بشكل حاد. إحدى السبيكات الجديدة، في حالتها المبسطة بعد المعالجة الحرارية، تجمع بين قساوة مغناطيسية منخفضة، ومغنطة عالية، وقوة ممتازة، ومقاومية استثنائية، ما يضعها في ركن متميز من مخططات الأداء التي تقارن العديد من المواد المغناطيسية اللينة التجارية والتجريبية.

نحو آلات أفضل وأرخص وأخف وزناً

بقولٍ مبسّط، توضح هذه الدراسة كيف أن تعديل قائمة المكوّنات وجدول المعالجة الحرارية للمعدن يمكن أن يضبط حجم وتباعد التجمعات الذرية غير المرئية لتحقيق مزيج من الخصائص كان من الصعب بلوغه سابقًا. تقدم السبيكة الغنية بالتيتانيوم على وجه الخصوص سلوكًا قويًا وقابلًا للسحب ومغناطيسيًا لينًا مع مقاومية كهربائية عالية جدًا، كل ذلك دون الاعتماد على التنتالوم النادر. قد تمكّن هذه السبائك عالية الإنتروبي الخالية من التنتالوم محركات كهربائية ومراوح تخزين طاقة أخف وزناً وأكثر كفاءة وأكثر متانة، مما يساعد المركبات وأنظمة الطاقة المستقبلية على إهدار طاقة أقل والعمل بموثوقية أكبر.

الاستشهاد: Sarkar, S.K., Keskar, N., Tan, L.P. et al. A magnetically soft yet mechanically strong and ductile Ta free CoFeNi high entropy alloy with Al and Ti additions. Nat Commun 17, 2890 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68891-6

الكلمات المفتاحية: سبيكات مغناطيسية لينة, سبائك عالية الإنتروبي, محركات كهربائية, نانوترسبات, المقاومية الكهربائية