دراسة حالة: شبكة النيوبيوم لسلة أنودة التيتانيوم

تُعد Stanford Advanced Materials مورداً موثوقاً للمواد المتقدمة، وكانت في طليعة موردي المنتجات الخاصة في مجموعة من الصناعات لسنوات عديدة. ومؤخراً، قدّمت الشركة الدعم لمشروع تصنيع عالي التقنية لإنتاج سلة أنودة التيتانيوم؛ واستدعت هذه السلة الخاصة لأنودة التيتانيوم حلاً مصنوعاً خصيصاً باستخدام نوع خاص من شبكة النيوبيوم - وهو حل عملي للحاجة الماسة في صناعة أنودة التيتانيوم.

الشكل 1 شبكة النيوبيوم

التحدي

انطوى المشروع على تصميم نموذج أولي لسلة أنودة التيتانيوم التيتانيوم التي من شأنها أن تكون مقاومة للبيئة شديدة التآكل وذات درجة حرارة عالية في عملية الأنودة. كانت بعض المتطلبات الفنية لهذه السلة كما يلي:

• مقاومة التآكل: تنطوي أنودة التيتانيوم على غمر أجزاء التيتانيوم في حمام إلكتروليتي في جهد كهربائي عالٍ جداً وظروف حمضية؛ لذلك يجب أن تكون مواد السلة مقاومة لهذا التآكل.
• السلامة الهيكلية في درجات الحرارة العالية: تتم عمليات الأنودة وما بعد التكرير في درجات حرارة عالية. يجب أن تحافظ المواد المختارة لصنع السلة على السلامة الهيكلية دون تشوه أو ضعف في ظل هذه الظروف.
• التوافق مع عملية أنودة التيتانيوم: يجب أن تدعم المادة الأجزاء المصنوعة من التيتانيوم مع الحفاظ على تفاوتات الأبعاد الدقيقة للسماح بطلاء موحد أثناء عملية الأنودة.

يجب أن تكون المادة التي تعمل في مثل هذه الظروف متينة وغير باهظة الثمن، مع الحفاظ على جميع الخصائص التي تتمتع بها. كانت سهولة الاستخدام مطلوبة لجعل هذه السلة عملية لمنشآت التصنيع.

الشكل 2 سلة طلاء بأكسيد التيتانيوم

الحل

بعد دراسة متطلبات المشروع بعناية، أوصى المستشارون الفنيون في شركة SAM باستخدام شبكة النيوبيوم لبناء النموذج الأولي لسلة الأنودة. تم اختيار النيوبيوم لتلبية المتطلبات الرئيسية مثل:

1. مقاومة التآكل: يتميز النيوبيوم بمقاومة عالية للتآكل، خاصة في الظروف الحمضية. وهذا يجعله مثاليًا جدًا للاستخدام في حمامات الأنودة. على عكس مواد مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، التي قد تتآكل أو تتحلل بمرور الوقت في مثل هذه البيئات، يحافظ النيوبيوم على سلامته الهيكلية والكيميائية طوال عملية الطلاء بأكسيد الألومنيوم.

2. الاستقرار في درجات الحرارة العالية: تُعد مقاومة النيوبيوم لدرجات الحرارة العالية جيدة جداً، وهي مهمة للحفاظ على ثبات سلة الأنودة أثناء مرحلة التسخين في عملية الأنودة. وبسبب درجة انصهاره العالية جدًا ( التي تزيد عن 2400 درجة مئوية)، لن يتشوه أو يفقد قوته عند تطبيق هذه الحرارة.

3. المتانة والقوة: يجمع النيوبيوم بين القوة والمرونة بطريقة فريدة من نوعها. إذ يمكن تصنيعه في شبكة خفيفة الوزن وقوية في الوقت نفسه، ما يضمن متانة السلة مع قدرتها على تحمّل وزن أجزاء التيتانيوم التي يتم طلائها بالأكسيد.

4. التخصيص: عملت شركة SAM بشكل وثيق مع العميل لتصميم سلة شبكية مخصصة من النيوبيوم باستخدام الأبعاد ومعايير التصميم المحددة للعميل. وقد تم تصميم الشبكة خصيصاً لضمان أفضل دعم ممكن لأجزاء التيتانيوم أثناء عملية الطلاء بأكسيد الألومنيوم لتحقيق أقصى قدر من التجانس والجودة للطلاء المؤكسد.

النتائج

عملت سلة شبكة النيوبيوم النموذجية بشكل جيد للغاية في عملية الطلاء بأكسيد التيتانيوم. وكانت المخرجات الرئيسية من المشروع هي

• فعّالة من حيث التكلفة: كانت تكلفة استخدام النيوبيوم معقولة نسبياً مقارنةً بالمواد الأخرى مثل البلاتين أو الجرافيت المستخدمة في سلال الطلاء بأكسيد الألمنيوم، والتي قد تكون أكثر تكلفة وقصيرة الأجل. حلت شبكة النيوبيوم محلها، مما يوفر عمرًا أطول وتغييرًا أقل تكرارًا.
• التوافق مع أنودة التيتانيوم: دعمت السلة أجزاء التيتانيوم بفعالية أثناء عملية الطلاء بأكسيد التيتانيوم، وبالتالي الحفاظ على سماكة طلاء موحدة. هذه ميزات مهمة جداً لمظهر وأداء ومتانة أجزاء التيتانيوم المؤكسد نفسها.

ما هي شبكة النيوبيوم؟

تُصنع الشبكة من النيوبيوم، وهو معدن انتقالي ذو خصائص ممتازة في درجات الحرارة العالية وفي ظروف التآكل. يتم نسج شبكة النيوبيوم أو توسيعها من صفائح النيوبيوم لتشكيل مادة تشبه الشبكة ذات خيوط ليفية رقيقة قادرة على دعم وتثبيت مواد مختلفة.

تطبيقات شبكة النيوبيوم

يتميّز عنصر النيوبيوم بمقاومة ممتازة للأكسدة والتآكل ودرجات الحرارة المرتفعة، وبالتالي يُستخدم على نطاق واسع في مجال الفضاء والإلكترونيات والمعالجة الكيميائية.

• الفضاء الجوي: يُستخدم النيوبيوم في صناعات الطيران لأنه يوفر مقاومة لدرجات الحرارة العالية والتآكل، مما يجعله المرشح المثالي للأجزاء المعرضة للظروف القاسية.
• المعالجة الكيميائية: تُستخدم شبكة النيوبيوم في المفاعلات وغيرها من معدات المعالجة الكيميائية، حيث تُعد مقاومته للتآكل عاملاً أساسياً.

• التطبيقات الكهروكيميائية: يُستخدم النيوبيوم في كل من الخلايا الكهروكيميائية وكذلك في الاستخدامات الكهروكيميائية الأخرى، حيث تُعتبر مقاومته للتآكل ودرجات الحرارة المرتفعة ميزة.
• الأجهزة الطبية: يُستخدم النيوبيوم في الغرسات والأجهزة الطبية بسبب توافقه الحيوي؛ حيث تتطلب التطبيقات مادة قوية ولكن غير تفاعلية.

الخاتمة

أتاح هذا المشروع لـ Stanford Advanced Materials (SAM) فرصة لعرض قدرة SAM على تقديم حلول مواد ذات قيمة مضافة لمختلف تطبيقات التصنيع المتقدمة. وقد أدى استخدام شبكة النيوبيوم في النموذج الأولي لسلة أنودة التيتانيوم إلى حل العديد من المشكلات الحرجة المتعلقة بالتآكل، والاستقرار في درجات الحرارة العالية، والمتانة، وبالتالي اعتُبر حلاً مثالياً لتلبية متطلبات العميل في مجال الأنودة. وقد عززت قدرة SAM على تصنيع شبكة النيوبيوم وتخصيصها لتلبية الاحتياجات المحددة للمشروع سمعتها كمصدر موثوق للمواد المتقدمة في قطاع التصنيع عالي التقنية.