التركيب المتقدم والخصائص متعددة الجوانب لرغاوي سبيكة الألمنيوم-المغنيسيوم المعززة بإدخال TiH2 عبر المعالجة بالتحريك الاحتكاكي

لماذا المعادن الأخف أهمية

من الطائرات والسيارات الكهربائية إلى الحواسيب المحمولة وعاكسات الحماية، تستفيد العديد من تقنيات اليوم من وجود معادن أخف وأكثر قوة في آن واحد. فئة واعدة من المواد هي رغاوي المعادن — مواد صلبة مليئة بمسام دقيقة، تشبه إلى حد ما جبنة سويسري معدنية. تستعرض هذه الورقة طريقة جديدة لصنع رغوة ألمنيوم خفيفة الوزن وقوية باستخدام سبيكة هندسية شائعة وعملية صلبة الحالة خاضعة لضبط دقيق، ما يفتح آفاقًا لمركبات أكثر أمانًا وأنظمة تبريد أكثر كفاءة وهياكل تمتص الصدمات بشكل أفضل مع وزن أقل بكثير.

تحويل المعدن الصلب إلى رغوة

ركز الباحثون على سبيكة مستخدمة على نطاق واسع تُدعى Al-5052، المعروفة بوزنها الخفيف ومقاومتها الجيدة للتآكل وقوتها المتينة. بدلًا من رغوة المعادن المنصهرة، بدأوا من لوحة ألمنيوم صلبة واستخدموا طريقة تُدعى المعالجة بالتحريك الاحتكاكي. يُضغط أداة دوارة ويُسحب على طول اللوح، مِشكلةً شِقًا مُعَبَّأً بمسحوق هيدريد التيتانيوم (TiH₂) الناعم. عبر تمرير الأداة أربع مرات، حققوا توزيعًا متساويًا لهذه الجسيمات على امتداد شريط في اللوح. لاحقًا، عند تسخين هذه المادة المحضرة، يتحلل TiH₂ مطلقًا غازًا داخل المعدن الملين، مما يؤدي إلى انتفاخه داخليًا وتكوينه على شكل رغوة.

التطلع داخل المادة الجديدة

للتأكد من أن العملية نجحت كما هو مقصود، استخدم الفريق عدة تقنيات تصوير وتحليل. كشفت الميكروسكوبات البصرية والإلكترونية أن الجسيمات المحتوية على التيتانيوم كانت موزعة بشكل موحد مع تجمعات طفيفة جدًا. أحدث التحريك المكثف تحطيمًا للحبيبات الكبيرة الأصلية للألمنيوم إلى حبيبات أدق بكثير، وهو تغيير عادةً ما يزيد من صلابة المعادن. أظهرت قياسات حيود الأشعة السينية أن البنية البلورية للألمنيوم ظلت سليمة وأن مراحل محتوية على التيتانيوم كانت حاضرة، مما يثبت أن عامل التكوين المُكوِّن للرغوة قد تم تضمينه والاحتفاظ به في السبيكة قبل التسخين.

أقوى وأكثر صلابة، ولكنها ما تزال قابلة للتشغيل

قبل تحويل المادة إلى رغوة، اختبر الباحثون كيفية تأثير المعالجة بالتحريك الاحتكاكي على أداءها الميكانيكي. أظهر الجزء المعالج من الألمنيوم زيادة في مقاومة الشد القصوى من نحو 263 ميغاباسكال إلى نحو 319 ميغاباسكال — بزيادة تقارب 21%. كما ارتفعت الصلابة بحوالي 21% أيضًا. جاءت هذه المقوية مع فقدان طفيف في القابلية للتمدد، وهو مقايضة شائعة عندما تمنع الجسيمات الصغيرة والصلبة والحبيبات المكررة حركة عيوب داخل المعدن. عمليًا، أصبح شريط السبيكة المعالج "جلدًا" أكثر متانة وصلابة قادرًا على تحمل الأحمال ومقاومة الانطباع بشكل أفضل، وهو أمر مفيد لكلٍ من المادة الأولية وجدران خلايا الرغوة النهائية.

تشكيل الرغوة ومساميها

ثم تم تسخين العينات المحضرة في فرن تحت حالتين: إحداهما عند 725 °م لمدة 12 دقيقة والأخرى عند 750 °م لمدة 8 دقائق. في كلتا الحالتين، تحلل TiH₂ ليطلق غاز الهيدروجين الذي احتُجز داخل الألمنيوم الملين، مكوّنًا مسامًا مستديرة عبر الحجم. أظهرت الميكروسكوبيات شبكات مسامية متجانسة نسبيًا. عند 725 °م، كان متوسط حجم المسام حوالي 256 ميكرومتر؛ وعند 750 °م، كان أصغر قليلًا، حوالي 219 ميكرومتر، ما يشير إلى أن اختيار درجة الحرارة والوقت بعناية يمكن أن يضبط مظهر الرغوة وسلوكها. أشارت خرائط التركيب الكيميائي إلى أن معظم TiH₂ قد تحلل، تاركًا التيتانيوم ومركبات التيتانيوم-ألمنيوم في جدران الخلايا، إلى جانب أطوار أكسيدية تساعد على استقرار الرغوة أثناء التوسع.

كتل خفيفة الوزن ذات إمكانات كبيرة

من خلال قياس وزن وحجم العينات الرغوية، وجد الفريق كثافة تقارب 1266 كيلوجرام لكل متر مكعب — أقل من نصف كثافة Al-5052 الصلب — ونفاذية (مسامية) بحوالي 53%. يضع هذا الرغاوي في النطاق المثالي للاستخدامات الهندسية، حيث يتطلب التوازن بين الوزن المنخفض والقوة وامتصاص الطاقة. تُظهر الدراسة أن المعالجة بالتحريك الاحتكاكي يمكنها تضمين عامل تكوين الرغوة بشكل موثوق وإنتاج رغوة ألمنيوم عالية الجودة ذات حجم مسام وتوزيع مضبوطين، دون إذابة المعدن بأكمله. للمختصرين غير المتخصصين: الخلاصة هي أننا أصبحنا نملك الآن طريقًا أنظف وأكثر قابلية للتحكم لصنع إسفنجات معدنية قوية وخفيفة قد تساهم في صنع سيارات أكثر أمانًا وطائرات أكثر كفاءة وأنظمة إدارة حرارية أفضل في السنوات المقبلة.

الاستشهاد: Rathee, S., Nabi, S., Srivastava, M. et al. Advanced synthesis and multifaceted characterization of Al-Mg alloy foams reinforced with TiH₂ incorporation through friction stir processing. Sci Rep 16, 11568 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38973-y

الكلمات المفتاحية: رغوة الألمنيوم, مواد خفيفة الوزن, المعالجة بالتحريك الاحتكاكي, هيدريد التيتانيوم, هياكل الطيران