مركب الألومنيوم والكالسيوم

مركب الألومنيوم والكالسيوم هو مركب عالي التوصيلية والقوة وخفيف الوزن، يتكون من خيوط معدنية من الكالسيوم النقي بقطر دون الميكرون، مغمورة داخل مصفوفة من الألومنيوم النقي . لا تزال هذه المادة قيد التطوير، ولكنها تتمتع بإمكانية استخدامها كموصل لنقل الطاقة عالي الجهد في خطوط النقل الهوائية . ^{[ 1 ]} كما يمكن استخدامها في أي مكان تتطلب فيه الحاجة موصلًا فائق الخفة وعالي القوة . خصائصها الفيزيائية تجعلها مناسبة بشكل خاص لنقل التيار المستمر . بالمقارنة مع الموصلات التقليدية مثل كابلات الألومنيوم المقواة بالفولاذ (ACSR)، وموصلات سبائك الألومنيوم (AAAC)، وموصلات سبائك الألومنيوم المقواة (ACAR)، وموصلات الألومنيوم المركبة المقواة ( ACCR و ACCC) ، والتي توصل التيار المتردد بكفاءة عالية والتيار المستمر بكفاءة أقل (بسبب تأثير السطح )، فإن موصل الألومنيوم والكالسيوم هو في الأساس مادة متجانسة واحدة ذات توصيلية عالية للتيار المستمر، مما يسمح بأن تكون جميع خيوط اللب والخيوط الخارجية لكابل الموصل من نفس نوع السلك. يتميز هذا الموصل بقوة جوهرية، مما يُغني عن الحاجة إلى قلب قوي (عادةً ما يكون ضعيف التوصيل) لدعم وزنه كما هو الحال في الموصلات التقليدية. وهذا يُلغي مشاكل "التشابك" والالتفاف والإجهاد الحراري الناجمة عن عدم تطابق معامل التمدد الحراري بين القلب والأسلاك الخارجية. تُعزز واجهات طور الألومنيوم-الكالسيوم المادة المركبة بشكل كبير، ^{[ 2 ] [ 3 ]} ولكنها لا تُؤثر بشكل ملحوظ على تقييد متوسط ​​المسار الحر للإلكترونات، مما يُكسب المادة المركبة قوة عالية وتوصيلية عالية، ^{[ 4 ]} وهي ميزة يصعب تحقيقها عادةً باستخدام المعادن النقية والسبائك. ^{[ 5 ]} يُمكن للقوة العالية والوزن الخفيف أن يُقللا من عدد الأبراج المطلوبة لكل كيلومتر لخطوط نقل الطاقة لمسافات طويلة. ^{[ 6 ]} وبما أن الأبراج وقواعدها تُشكل غالبًا 50% من تكلفة إنشاء خطوط الطاقة، فإن بناء عدد أقل من الأبراج سيُوفر جزءًا كبيرًا من إجمالي تكاليف الإنشاء. كما يُمكن للقوة العالية أن تُعزز موثوقية نقل الطاقة في ظروف الرياح/الجليد. تتمتع الموصلية العالية بإمكانية تقليل الخسائر الأومية .

ابتكر راسل وأندرسون موصل الألومنيوم-الكالسيوم المركب في مختبر أميس التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بهدف تطوير الجيل القادم من كابلات نقل الطاقة. ^{[ 7 ]} يُنتج مركب الألومنيوم/الكالسيوم بتقنية تعدين المساحيق وعمليات التشكيل الشديدة ( البثق ، والتشكيل بالضغط ، وسحب الأسلاك ). تُعد هذه العملية أغلى بنحو ضعفين إلى ثلاثة أضعاف من عملية الصهر التقليدية المستخدمة في تصنيع موصلات ACSR. إلا أن التوفير في تكلفة بناء الأبراج يُتوقع أن يكون أكبر بكثير من التكلفة الإضافية للكابلات الموصلة. أثناء عملية التشكيل، تتشكل جزيئات مسحوق الكالسيوم على هيئة خيوط محاطة بمصفوفة الألومنيوم، مما يمنع تعرض الكالسيوم، وهو عنصر نشط كيميائيًا، للهواء والرطوبة. وقد وُجد أن مقاومة التآكل لهذا المركب مماثلة لمقاومة الألومنيوم النقي.

يتمتع مركب الألومنيوم والكالسيوم بثبات بنيوي دقيق جيد حتى عند درجات حرارة أعلى من 300  درجة مئوية. ^{[ 8 ]} إن تكوين المركبات بين الفلزية عند السطح البيني من شأنه أن يثبت البنية المجهرية لتجنب تدهور خصائصها المختلفة أثناء التعرض لدرجات حرارة مرتفعة، ^{[ 9 ]} مثل تلك التي تحدث أثناء حالات التحميل الزائد الطارئة.

أحدث التطورات

تم إنتاج مركب معدني نانوي خيطي من الألومنيوم/الكالسيوم (20% حجمًا) باستخدام تقنية تعدين المساحيق والتشكيل البلاستيكي الشديد. ^{[ 10 ]} تم إنتاج مساحيق الكالسيوم الدقيقة (حوالي 200 ميكرومتر) عن طريق التذرية بالطرد المركزي، ثم خلطها مع مسحوق الألومنيوم النقي، وتشكيلها بالبثق الساخن، والتشكيل بالضغط، وسحب الأسلاك حتى الوصول إلى إجهاد حقيقي قدره 12.9. ^{[ 11 ]} تحولت جزيئات مسحوق الكالسيوم إلى خيوط نانوية دقيقة من الكالسيوم تُعزز المركب بشكل كبير من خلال تقوية السطح البيني. كانت موصلية المركب أقل قليلاً من المتوقع وفقًا لقاعدة الخلط نظرًا لوجود كميات ضئيلة من الشوائب. كما تم تقييم أداء هذا المركب عند درجات الحرارة المرتفعة باستخدام قياسات المسح الحراري التفاضلي وقياسات المقاومة الكهربائية.

تصل قوة الشد القصوى إلى 480 ميجا باسكال، أي ضعف قوة شد ACSR.

الموصلية الكهربائية 33.02 (μΩ m)−1 أعلى من معظم الموصلات المستخدمة بشكل شائع في التيار.