زنجیره ارزش‌افزوده آلومینیوم تکمیل شد

تکراری است اگر بگوییم ایران یک کشور معدنی شناخته می‌شود و ذخایر خوبی از مواد معدنی متنوع دارد اما گفتن چندین و چندباره از آرزوی هر ایرانی برای تکمیل خط ارزش‌افزوده مواد معدنی تا آخرین حلقه فرآوری آن کم است چراکه هر مرحله ایجاد ارزش‌افزوده بر مواد معدنی، ایجاد ثروت عمومی و اشتغال، از وابستگی ما به محصولاتی خاص که گاهی در انحصار کشورهای معدودی است کم می‌کند.

نظیر دستاوردی که یک محقق جوان ایرانی توانست به آن دست یابد و محکم‌ترین آلیاژ آلومینیوم را تولید کند. سجاد امیرخانلو، دکترای مهندسی متالورژی و مواد از دانشگاه صنعتی امیرکبیر و محقق طرح توانسته در روشی منحصربه‌فرد و ارزان، مستحکم‌ترین آلیاژ آلومینیوم دنیا را با هزینه‌ای بسیار کمتر از نمونه‌های خارجی آن در مقیاس آزمایشگاهی تولید کند که در صورت حمایت، قابلیت تولید انبوه را نیز دارد.

کاربری در صنایع هوا فضا

نتایج این تحقیق که حاصل همکاری امیرخانلو و مصطفی کتابچی و نادر پروین از اعضای هیات علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر و همکاران اسپانیایی آنها از موسسه CENIM-CSIC اسپانیاست، در مجله Scripta Materialia انتشار یافته است.

دکتر مصطفی کتابچی، استاد راهنمای این محقق ایرانی درباره پایان‌نامه دکترای سجاد امیرخانلو می‌گوید: برای نخستین بار به کامپوزیتی دست یافتیم که از حیث استحکام تاکنون تولید نشده است. وی با اشاره به اینکه این آلیاژ آلومینیومی به‌دلیل سبکی وزن در صنایع هوایی و نظامی بیشترین کاربرد را دارد، می‌افزاید: این دستاورد به صورت یک پروژه تحقیقاتی به‌عنوان پایان‌نامه دکترا به‌دست آمده و در صورت داشتن بازار و متقاضی از سوی صنایع، نخست در مقیاس نیمه‌صنعتی و صنعتی قابلیت تولید پیدا می‌کند.

وی درباره نقش محققان اسپانیایی در تولید این کامپوزیت می‌گوید: این پروژه توسط محقق ایرانی ابداع و طراحی شده و تنها یکسری آزمایش‌های خاص که نمونه آن در داخل ایران وجود نداشت در اسپانیا انجام شد.

استاد دانشگاه امیرکبیر ادامه می‌دهد: در این فرآیند، آلومینیوم خالص به اضافه ذرات تقویت‌کننده کاربید سیلیسیم به‌صورت ذرات یکنواخت بین لایه‌های آلومینیوم توزیع شده است. البته این محصول در جای دیگری تولید شده اما روش ما پرس تجمعی است که برای نخستین بار روش تغییر شکل شدید توسط فرآیند پرس انجام شده و یک روش کاملا ابداعی و ارزانقیمت و قابل دسترس در ایران محسوب می‌شود. دکتر کتابچی با اشاره به اینکه روش‌های شکل‌دهی دیگری برای آلومینیوم و تبدیل آن به آلیاژ وجود دارد می‌افزاید: در روش ابداعی ما به‌خاطر تکرار بالای سیکل، خواص بالاتری به‌دست می‌آید چراکه این روش قابلیت تکرارشوندگی بالایی دارد ولی در روش‌های دیگر به‌دلیل استفاده از منیزیوم، تیتانیوم و... به استحکام بالا در آلومینیوم می‌توان دست یافت ولی هزینه تمام شده تولید بسیار بالا می‌رود و ممکن است صرفه اقتصادی لازم برای تولید در مقیاس انبوه را نداشته باشد.

وی اظهار می‌کند: از آنجا که ارتباط صنعت و دانشگاه به خوبی شکل نگرفته و اصولا این رابطه تعریف نشده و این پروژه تنها به‌صورت یک تحقیق دانشگاهی و در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده بنابراین برآورد خاصی از نظر اقتصادی انجام نشده و این در حالی است که ما بارها با صنایع مختلف رایزنی کردیم که نیازهای خود را به ما معرفی کنید تا آن را در قالب یک یا چند پروژه دانشجویی انجام دهیم ولی به این پیشنهادها تاکنون توجهی نشده است.

یک تولید جهانی در مقیاس آزمایشگاهی

سجاد امیرخانلو، محقق و مبدع آلیاژ آلومینیوم مستحکم هدف از انتخاب این آلیاژ را به‌عنوان پایان‌نامه دکترا، روند جهانی حرکت به سمت آلیاژهای سبک و کاهش مصرف سوخت فسیلی و کاهش آلایندگی‌های زیست‌محیطی می‌داند و می‌گوید: فناوری روز دنیا به سمت فلزات سبکی مانند آلومینیوم یا تیتانیوم پیش می‌رود اما ایرادی که بر این فلزات وجود دارد، این است که مانند فلزات پایه آهنی استحکام کافی ندارند مگر اینکه با مکانیزم‌های شناخته شده به آنها استحکام داده شود.

وی می‌افزاید: روش‌های مختلفی برای استحکام‌دهی فلزات سبکی مانند آلومینیوم وجود دارد اما این مکانیزم‌ها به‌صورت یکجا نبوده و در مقاطع مختلف زمانی ایده آن ارائه می‌شده مانند ایده‌ای که ما برای استحکام‌بخشی با کمک نانو ذرات به‌کار بستیم. نانوذرات تقویت‌کننده و تغییر ساختار آلومینیوم از دانه درشت به دانه‌ریز و استفاده از سایر مکانیزم‌ها مانند کار سختی و معرفی نابجایی‌ها به ساختار، منجر به تولید آلومینیوم با استحکام بالا شده است.

این محقق جوان ایرانی ادامه می‌دهد: صنایع مختلفی با این آلیاژهای مستحکم و سبک ارتباط دارند، مانند صنایع دریایی و کشتی یا هواپیما که منجر به مصرف کمتر سوخت‌های فسیلی و در نتیجه کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی که به‌عنوان یک هدف جهانی برای محققان ایرانی و خارجی مطرح است و از آنجا که زمینه کاری من به آلیاژهای فلزی نزدیک بود تصمیم گرفتیم که روی آلومینیوم کار کنیم.

وی اضافه می‌کند: همه محققان می‌دانند با نانو ساختارکردن آلیاژها، استحکام آن افزایش پیدا می‌کند اما برای این کار روش‌های محدودی وجود دارد. روش‌های قبلی ازجمله نورد پرس یا فشار در کانال زاویه، محدودیت‌هایی از جمله کوچکی نمونه تولید شده داشت ولی در روشی که ما به کار بستیم به نام پرس تجمعی پیوندی، این محدودیت را ندارد و علاوه بر آن تجهیزات پیچیده‌ای نمی‌خواهد و تنها ماشین پرس و یک قالب ساده مورد نیاز است.

در این روش به‌صورت سیکلی، کرنش یا فشار به فلز اعمال شده و در واقع موجب کرنش و تغییر فرم و درنهایت تولید نابجایی در فلز می‌شود و چون این روند تکرارپذیر و سیکل‌پذیر است، می‌تواند در چند مرحله موجب نابجایی در مراحل اولیه شود و در مراحل بعدی آرایش پیدا کند و ساختار ریزدانه را تشکیل دهد. ما فرآیند جدیدی برای رسیدن به مواد نانو ساختار، فوق‌ریزدانه و با استحکام بالا ارائه داده‌ایم؛ به گونهای که قابلیت تولید نانوکامپوزیت و فلز نانوساختار را به‌طور همزمان دارد. وی با اشاره به اینکه این روش استحکام‌بخشی به آلومینیوم، هیچ‌گونه آلودگی زیست‌محیطی ندارد تصریح می‌کند: تا اینجای کار، میزان استحکام‌بخشی آلومینیوم با روش‌های دیگر انجام شده بود اما ما علاوه بر استفاده از این روش ابداعی، به‌دنبال استحکام بالاتر بودیم و با اضافه کردن نانوذرات تقویت‌کننده به ساختار آلومینیوم موجب ریزتر شدن ذرات آلومینیوم با جلوگیری در حرکت مرزها و ایجاد دانه‌های جدید به افزایش نهایی استحکام این فلز دست یافتیم، چنانکه در مرحله نخست مقدار استحکام آلومینیوم ۸۸ مگاپاسکال بود که با افزایش نانو ذرات تقویت‌کننده به ۲۸۴ مگاپاسکال رسید. این در حالی است که با استفاده از سایر روش‌ها برای استحکام‌بخشی به آلومینیوم در دنیا، تاکنون به ۱۵۰ تا ۱۸۰ مگاپاسکال توانسته بودند دست یابند و تاکنون آلومینیوم با استحکام بالاتر از ۲۰۰ تولید نشده بود.

امیرخانلو اضافه می‌کند: در حقیقت ترکیب همزمان ساختار فوق ریزدانه با اندازه متوسط ۲۸۰ نانومتر و ذرات تقویت‌کننده با اندازه متوسط ۵۵ نانومتر، منجر به تولید نانوکامپوزیت زمینه آلومینیومی با استحکام ۲۸۴ مگاپاسکال شده است. این مقدار بالاترین مقدار استحکام گزارش شده در آلیاژ آلومینیوم خالص تجاری در سراسر جهان است که نتایج این کار تحقیقاتی در کنفرانس نانو اسپیدی فرانسه ارائه شده و در مجله بسیار معتبر اسکریپتا متریالیا به چاپ رسیده است.

وی با اشاره به اینکه تاکنون از سوی برخی صنایع حمایت شده‌ایم، اظهار می‌کند: این‌گونه ابداعات برای همه‌گیر شدن یا تولید انبوه و صنعتی آن به زمان زیادی نیاز دارد؛ مانند سایر ابداعات و اختراعاتی نظیر مموری‌کارت که در دهه ۶۰ میلادی ابداع و در این دهه همه‌گیر و به یک محصول کاربردی تبدیل شد.