بهبود کامپوزیت‌های Al-Cu-Mg با اسکاندیم و نانوصفحه‌های گرافنی انجام شد. این کار باعث افزایش استحکام کششی و رسانایی الکتریکی کامپوزیت می‌شود و راه را برای ساخت مواد سبک‌وزن و فوق‌مقاوم در صنایع هوافضا و خودروسازی هموار کرده است. آینده‌ای درخشان در صنعت با این نوع کامپوزیت‌های پیشرفته در انتظار است.

کامپوزیت‌های پایه آلومینیوم-مس-منیزیم (Al-Cu-Mg) به‌دلیل خواص مکانیکی مطلوب و رسانایی الکتریکی بالا، توجه زیادی را در صنایع مختلف به خود جلب کرده‌اند. محققان اخیراً با افزودن نانوصفحه‌های گرافن (GNPs) و اسکاندیم (Sc) به این کامپوزیت‌ها، پیشرفت‌های قابل توجهی در بهبود این ویژگی‌ها حاصل کرده‌اند.

در این پروژه، محققان اثرات هم‌افزایی این بهبودها را بررسی کرده و پیشرفت‌های مهمی در حوزه علم مواد ایجاد کردند. آنها نشان دادند که تنها با افزودن ۰.۱ درصد وزنی اسکاندیم و مقادیر مختلف نانوصفحه‌های گرافن، کامپوزیت‌های Al-Cu-Mg بهبودهای چشمگیری را نشان می‌دهند. به‌طور خاص، این کامپوزیت‌ها به حداکثر استحکام کششی ۳۲۶.۸۱ مگاپاسکال، ازدیاد طول ۳.۲ درصد، رسانایی الکتریکی ۴۶.۹۵ درصد IACS و سختی ۱۱۲.۹۶ HV دست یافتند.

این معیارها نشان‌دهنده افزایش قابل توجه ۳۹ درصد در استحکام کششی، ۲۵۵ درصد در ازدیاد طول، ۵۱ درصد در رسانایی الکتریکی و ۵۱.۲۱ درصد در سختی نسبت به آلیاژ پایه آلومینیوم هستند. این بهبودها عمدتاً به خواص مفید اسکاندیم نسبت داده می‌شود که به تشکیل رسوبات و بهبود پیوند بین نانوصفحه‌های گرافن و ماتریس آلومینیومی کمک می‌کند. محققان گفتند: این بهبودها بیشتر به افزودن اسکاندیم نسبت داده می‌شود که رسوب‌سازی اتم‌ها را تسهیل کرده و پیوند بین نانوصفحه‌های گرافن و ماتریس را تقویت می‌کند.

فرآیند ساخت و تحلیل

فرآیند ساخت شامل روش‌های منظمی مانند آسیاب‌کردن مرحله‌ای، پرس گرم تحت خلأ و نورد گرم بود. این رویکرد توزیع یکنواخت نانوصفحه‌های گرافن در ماتریس را تضمین کرد که برای دستیابی به خواص مطلوب ضروری است. تحلیل‌های بعدی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف‌سنجی پراش الکترونی، پیوند قوی بین نانوصفحه‌های گرافن و ماتریس و یکپارچگی ریزساختاری کامپوزیت‌ها را تأیید کرد که عوامل کلیدی در بهبود عملکرد آنها هستند.

نانوصفحه‌های گرافن به‌عنوان مواد تقویت‌کننده به‌دلیل خواص مکانیکی عالی و رسانایی الکتریکی بالا مورد توجه قرار گرفته‌اند. ادغام آنها در ماتریس Al-Cu-Mg نه‌تنها عملکرد الکتریکی را بهبود می‌بخشد، بلکه به افزایش استحکام نیز کمک می‌کند؛ نتیجه‌ای ارزشمند برای صنایعی که به مواد سبک‌وزن اما بادوام نیاز دارند.

نتایج و کاربردهای آینده

این تحقیق فرآیند را ساده و بهینه کرده و کامپوزیت‌هایی با چقرمگی، مقاومت در برابر ضربه و ویژگی‌های سایشی بهبودیافته تولید کرده است. در آزمایش‌های مقاومت به سایش، کامپوزیت‌های حاوی ۰.۱ درصد وزنی اسکاندیم در مقایسه با نمونه‌های بدون اسکاندیم، بهبود قابل توجهی را نشان دادند که تأثیر مثبت این افزودنی حتی در غلظت‌های کم را تأیید می‌کند.

با این حال، این مطالعه هشدار می‌دهد که افزایش بیش از حد غلظت نانوصفحه‌های گرافن می‌تواند منجر به تجمع آنها شود و بر خواص مکانیکی و الکتریکی تأثیر منفی بگذارد. بنابراین، باید تعادلی بین غلظت مواد افزودنی و بهبود عملکرد برقرار شود.

این نتایج مسیرهای روشنی را برای تحقیقات آینده و کاربردهای واقعی به‌ویژه در صنایع هوافضا، خودروسازی و الکترونیک که به مواد سبک‌وزن و با استحکام بالا نیاز دارند، فراهم می‌کند. این بررسی جامع به دانشمندان مواد اجازه می‌دهد تا کامپوزیت‌های آلومینیومی با خواص سفارشی‌شده برای کاربردهای خاص طراحی کنند.

چشم‌انداز آینده

افزایش عملکرد مواد سنتی با فناوری‌های پیشرفته مانند نانوصفحه‌های گرافن و اسکاندیم، نویددهنده پیشرفت‌های هیجان‌انگیزی در حوزه مواد کامپوزیتی است. با ارزیابی‌های امیدوارکننده این مطالعه، آینده‌ای پر از نوآوری و کارایی بیشتر در مهندسی کامپوزیت‌ها قابل تصور است.