همه ما با واژهای به نام فناوری نانو یا نانوتکنولوژی آشنا هستیم. این رشته به دلیل اینکه ارطبات زیادی با دانش کاربردی و فناوری دارد، صنایع بسیاری را نیز پوشش میدهد. امروزه یکی از مهمترین الویتهای تحقیقاتی در هر کشوری فناوری نانو است. موضوع اصلی فناوری نانو مهار ماده یا دستگاههایی با ابعاد کمتر از یک میکرومتر (معمولا حدود یک تا صد نانومتر) است. به بیان زیباتر میتوان گفت که نانوتکنولوژی رشته جدیدی نیست، بلکه رویکردی جدید در تمامی رشتهها است.
این دانش میان رشتهای متشکل از عناصری به نام نانو مواد و نانوساختار است. در اصل مواد و سیستمها در ابعاد نانو، دارای خواص جدیدی میشوند و نانوتکنولوژی در صدد فهم، کنترل و به کارگیری همین خواص جدید است. فناوری نانو دانشی پیشتاز است که میتواند راه پیشرفت و تحول را برای بسیاری از رشتهها مانند پزشکی، زیستشناسی، شیمی و مواد باز کند. نانوذرات نسبت به حجم خود سطح بسیار وسیعی دارند. به این معنی که بیشتر از پنجاه درصد از اتمهای نانوذرات با قطر چهار نانومتر، در سطح آن قرار دارند. این امر باعث میشود که واکنش پذیری ذرات بالاتر برود.
در سالهای اخیر سعی شده تا با استفاده از این نانوذرات، مواد جدیدی مطابق با حوزه کاربرد ساخته شود. این تلاش تا حدودی موفق بوده و امروزه در حوضه متالورژی شاهد تولید فلزات نانوساختاری هستیم که خواص مکانیکی و فیزیکی کاملا متفاوتی از خود نشان میدهند. فولاد نانوساختار مثالی از این کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت فلزات است که یکی از محصولات آن میلگرد MMFX2 بوده و در برخی مواقع با توجه به قیمت میلگرد استیل زنگ نزن، جایگزین مناسبی برای آن است.
در ادامه این مقاله با ما همراه باشید تا در مورد فلزات نانوساختار و انواع آن صحبت کنیم و کاربردها و ویژگیهای آن را برایتان شرح دهیم. هدف از تولید فلزات نانوساختار، رسیدن به خواص مکانیکی هر چه بهتر است. به همین دلیل دانشمندان و مهندسان همواره در تلاش بودهاند تا اندازه دانه مواد فلزی را از ابعاد میکرونی به زیرمیکرونی و نانومتری برسانند.
پیدایش فلزات نانوسختار
نانو یک کلمه یونانی به معنی کوچک است که برای تعیین مقدار یک میلیاردیم تعریف شده است. ترکیبات طبیعی نانوساختار از هزاران سال پیش بدون دخالت بشر در طبیعت وجود داشته است. برای مثال مولکولهای کربن در ابعاد نانومتری در حفرات دیواره غارها قرار گرفته و نتیجه آن باقی ماندن آنها برای هزاران سال است. با توسعه علوم مختلف در قرن بیستم، ابزارهای مطالعه خواص و ویژگیهای مواد نیز پیشرفت کرد. به همین دلیل مطالعه مواد و فلزات در مقیاس نانو ممکن شد. رفته رفته اهمیت چنین تحقیقاتی مشخص شده و این مطالعات به عنوان یک علم جدید مورد توجه تمام کشورها قرار گرفت. عنوان پدر علم نانوفناوری به ریچارد فاینمن تعلق دارد. فیزیکدان و برنده جایزه نوبل فیزیک که برای اولین بار به صورت آشکار مفهوم جهان نانو را در یکی از سخنرانیهای خود مطرح کرد. سالها بعد ناریو تاینگوچی کسی بود که برای اولین بار از واژه نانو استفاده کرد. دانشمندان با اختراع میکروسکوپهای پیشرفته، توانستند اتمهای مجزا را مشاهده کنند.
مطلب پیشنهادی : خرید لوله گازی
ریچارد اسمالی دانشمند دیگری بود که تاثیر مهمی در توسعه نانوفناوری گذاشت. او بیش از هر چیز به دلیل کشف و مطالعه مولکول C60 و دیگر فولرینها شناخته شده است. زیرا نانوساختارهای کربنی، لولههای کربنی و گرافن از مهمترین نانوساختارهایی هستند که به دلیل داشتن خواص منحصر بهفرد، چشمانداز بزرگی به روی دانشمندان گشودند. درکسلر نیز شخصی بود که مهمترین تاثیر را در پایهگذاری نانوفناوری مولکولی داشت. در ادامه با اختراع میکروسکوپ نیروی اتمی امکان مشاهده، اندازهگیری و دستکاری مواد در مقیاس نانو مهیا شد.
به مرور اولین شرکتهای فعال در حوزه نانو شروع به کار کردند. در دهه ۹۰ میلادی بالاخره روشهای تولید نانومواد توسعه پیدا کرد، به سرعت نانوساختارهای متخلخل سیلیکا تولید شدند و در صنایع تصفیه نفت خام و آب و پزشکی به کار گرفته شد. در اواخر دهه 90 میلادی نیز محصولات مبتنی بر فناوری نانو مانند سپرهای سبک و مقاوم به خش در خودرو، جوراب ضد میکرونی حاوی نانوذرات نقره، کرمهای ضدآفتاب شفاف، لباسهای ضد لک و ضد چروک، پوششهای ضد خراش شیشهای، باتریهای با قابلیت شارژ سریع و… وارد بازار شدند.
به مرور اهمیت زیاد فناوری نانو در تمام کشورهای دنیا مشخص شد و تمرکز و هزینه تحقیقات بر حوزه نانو معطوف شد. به تدریج دانشمندان کشف کردند که میتوان، فلزاتی با اندازه دانه نانومتری تولید کرد و بیشینه استحکام فلزات نانوساختار را تحت کنترل درآورد و به این ترتیب فناوری نانو، علم فلزات را نیز پوشش داد. اصول اولیه فلزات نانوساختار در دهه ۱۹۸۰ شکل گرفت و منجر به چاپ مجلهای مرتبط با آن شد. اولین کاربرد تجاری این نانومواد نیز در دهه ۱۹۹۰ و در دنده فرود هواپیما و نیز در مبدلهای حرارتی تاسیسات نیروگاههای هستهای و مولدهای بخار ظاهر شد.
فلزات نانوساختار
فولاد یکی از پرمصرف ترین و مهم ترین مصالح ساختمانی است که از احیاء سنگ آهن به همراه اکسیژن در کوره های بلندی که درجه حرارت بسیار بالایی دارند شکل می گیرد. این ماده با مشخصات منحصر بفردی که دارد، سالها است که در صنعت ساخت و ساز مورد استفاده قرار گرفته است. فولاد نوعی آلیاژ از آهن و کربن است که میزان کربن آن کمتر از 2 درصد است. از ویژگی های فولاد میتوان به مواردی همچون مقاومت بالا، قابلیت خمش پذیری، چکش خواری، جوش پذیری، سختی دینامیکی و استاتیکی، ضریب ارتجاعی بالا، همگن بودن، امکان استفاده از ضایعات و … اشاره نمود.
این ویژگیها و قابلیتها باعث شده فولاد به عنوان یک مصالح مقاوم در ساختمان سازی مورد استفاده قرار بگیرد. امروزه با استفاده از فناوری نانو میتوان مقاومت و کارکرد مصالح را بالا برد. فناوری نانو نقش بسزایی در صنایع ساخت و ساز ایفا می کند. افزودن نانوذرات مس به فولاد باعث کاهش ناهمواری های سطحی فولاد شده و ترک خوردگیهایی که از خستگی فولاد ناشی میشود را محدود میکند.
یکی از مسائلی که منجر به ترک خوردن و شکست فولاد در سازههایی مانند پل و برج میشود خستگی آن است، اما نانوذرات با محدود نمودن تعداد تنشهای فولاد، ترکهای ناشی از خستگی را کاهش میدهد. استفاده از فناوری نانو در فولاد سازی ایمنی فولاد را بالا میبرد و نیاز به نظارت و استفاده بهتر از مواد را در سازههایی که احتمال خستگی در آنها وجود دارد را کاهش میدهد.
فلزات نانوساختار دارای ذراتی با اندازه نانومتری هستند که این امر سختی فلز را افزایش میدهد. این نوع فلزات دارای ویژگیهایی نظیر مقاومت و استحکام بسیار بالا، ضد زنگ و ضد اثر انگشت بودن هستند. نانوذرات مس یک ساختار پایهای در فولاد نانو در نظر گرفته میشوند که مرزهای اجزاء فولاد را شکل داده و تغییر در این ساختار، فولادی پایدار، جوش پذیر و مقاوم در برابر خوردگی ایجاد میکند. فناوری نانو به منظور افزایش عملکرد مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار میگیرد. این مواد خواصی جدیدتر و متفاوت تر برای مصالح ایجاد میکنند و باعث متمایز شدن آن ها از مواد معمولی میشوند.
اصولاً موادی که با نانوذرات تقویت میشوند عملکردی چند منظوره دارند و برای کاربردهای گوناگون میتوان از آن ها استفاده نمود. ظهور مواد نانوساختار در صنعت ساخت و ساز تحولی عظیم در این حوزه ایجاد کرده و خواص مصالح تا حد مطلوب و قابل توجهی تقویت شده است. فولاد که به عنوان مهمترین مصالح ساختمانی محسوب میشود، نقش قابل توجهی در صنعت ساخت و ساز ایفا میکند، به همین دلیل خواصی مانند قابلیت جوش پذیری، استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی از جمله ویژگیهایی هستند که اهمیت بسیاری در طراحی و ساخت دارند.
ویژگیهای فلزات نانوساختار
فناوری نانو در پلن ها و ساختارهای پایه ای متفاوت صنایع به کار میرود، این فناوری به رفع اشکالات مواد و تبدیل مواد با خواص متفاوت و جدید در مبحث مصالح ساختمانی نیز کمک کرده، استفاده از فلزات نانوساختار در مصالح مذکور تفاوت ویژهای با مواد معمولی دارد. فلزات نانوساختار به طور عمده تقویت شده اند تا عملکردی متفاوت و کاربردی تر و متمایزی نسبت به نمونه های عادی خود داشته باشند.
در این میان فولاد مهمترین ماده در بخش صنعت با تقویت در ساختار (با فناوری نانو )باعث شده صنعت ساخت و ساز شاهد تحولی عظیم و پیشرفتی شگرف در این زمینه باشد. این امر نه از بعد ساختاری بلکه در طراحی نیز اهمیت زیادی دارد. فلزات نانوساختاری بالاخص فولاد با استحکام و مقاومت بیشتر در برابر خوردگی و جوش پذیری، صنعت ساخت و ساز را متحول کرده است. پوشش فلز نانوساختار یک کنسانتره برای اشباع است که یک پوشش شفاف آبگریز و اولئوفوبیک را تشکیل می دهد و باعث می شود سطح برای مدت طولانی از کثیف شدن یا زنگ زدگی محافظت شود و با موفقیت جایگزین پوشش های شناخته شده رنگ از زنگ خواهد شد. پوشش فلز نانوساختار برای فولاد، چدن، مس و کروم و غیره مناسب است.
انواع فلزات نانوساختار
یکی از مهمترین عوامل تاثیرگذار بر خواص مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی فلزات اندازه دانه است. فلزات نانوساختار در واقع نسل جدیدی از محصولات فلزی هستند که در مقایسه با فلزات درشت دانه خواص مکانیکی و فیزیکی بسیار بالاتری دارند. حال میخواهیم انواعی از فلزات نانوساختار را برایتان شرح دهیم و هرکدام را به اختصار توضیح دهیم.
فولاد MMFX2
در مقایسه با فولادهای معمولی ساختار این فولاد متفاوت است. میکروساختار این فولاد به صورت نانولایههای انتقال نیافته آستنیت در بین لایههای مارتنزیت بوده و این نانوساختار به کمک تغییر در ترکیب شیمیایی و روش تولید حاصل شده است. ساختار این فولاد به گونهای است که از تولید کاربید پیوسته جلوگیری میکند و در نتیجه ایجاد سلولهای میکروگالوانیک را کاهش میدهد. نتیجه این امر، کاهش شدید میزان خوردگی در فولاد است. این فولاد نانوساختار استحکام سهبرابر، انعطافپذیری، خاصیت جوش پذیری، چقرمگی و مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد.
ساختار این فولاد به صورت لایهای تکه تکه شبیه به تختهای چندلایه است. در مسلح سازی سازههای بتنی میتوان از این نوع فولاد نانوساختار استفاده کرد. این فولاد به دلیل برخورداری از مقاومت به خوردگی مشابه فولاد زنگنزن، میتوان جایگزینی با صرفه اقتصادی بیشتر باشد. نمونه عملی استفاده از این نوع فولاد را میتوان در یکی از پلهای ایالت اوکلاهوما در امریکا مشاهده کرد. از میلگرد جنس MMFX2، به عنوان رکاب در پیش ساخت تیرهای پل استفاده شده است.
فولاد Sanduk Nauoflex
این نوع فولاد کم کربن با عملکرد بالا (HPS) اولین بار در سال ۱۹۹۲ در کشور امریکا برای پلها تولید شد. حضور نانوذرات مس در مرزدانههای این فولاد منجر به مقاومت بالا در برابر خوردگی و خاصیت جوش پذیری بهتر شده است. این فولاد نانوساختار در واقع یک نوع فولاد ضد زنگ جدید است که خواصی از جمله استحکام بسیار بالا، فرمپذیری خوب و کیفیت سطح تمام شده مطلوب دارد. در کاربردهایی که نیاز به مواد سبک و مستحکم است، میتوان از این فولاد استفاده کرد.
استحکام و مدول الاستیسیته بسیار بالا در این فولاد باعث شده تا بتوان در ضخامتهای بسیار پایینتر و سبکتر از آن استفاده کرد. این فولاد از این نظر با فلزاتی مانند آلومینیوم و تیتانیوم در رقابت است. همچنین مقاومت به خوردگی و مقاومت به سایش در این فولاد باعث کاهش هزینههای ساخت و نگهداری میشود.
نانو پیچ و مهرهها
در سازههای بلند نیاز به استفاده از فولادهایی است که اتصالات با استحکام بالا را فراهم کنند. در این میان استحکام پیچ و مهره نیز به اندازه فولاد از اهمیت بالایی برخوردار است. استحکام بالا در پیچ و مهرهها از طریق عملیات حرارتی و با عملیاتی نظیر کوئنچ و تمپر تحقق پیدا میکند. در نتیجه این عملیات، ریز ساختار پیچ و مهرهها شامل مارتنزیت (نوعی ساختار سخت فولادی) تمپر شده خواهد بود. اما با وجود فاز مارتنزیت تمپر شده، سختی فولاد به بیش از ۱۲۰۰ مگا پاسکال میرسد.
در نتیجه وجود مقادیر بسیار کم هیدروژن در مرزدانهها نیز میتواند منجر به شکست محصولات فولادی در حال استفاده شود. این پدیده که به شکست همراه با تاخیر معروف است، مانع افزایش استحکام بیشتر پیچ و مهرهها از یک حد بهینه شود و استحکام آنها باید در بازه ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ مگاپاسکال نگه داشته شود. اما تحقیقاتی که بر روی نانوذرات مولیبدن و وانادیم صورت گرفت، نشان میدهد که این عناصر میتوانند شکست تاخیری در پیچ و مهرهها را بهبود بخشند.
نحوه عملکرد این نانوذرات در ساختار فولاد به این صورت است که کاهش اثر تردی هیدروژنی و بهبود ریزساختار فولاد با کاهش فاز سمنتیت بین دانهای باعث افزایش استحکام پیچ و مهرهها میشود.
نانوکابلها
این کابلها از جنس فولاد بوده و در ساخت پلهای معلق کاربرد دارند. این کابلها از مقاومت و استحکام بالایی برخوردار هستند و به همین دلیل استفاده از آنها میتواند زمان و هزینههای ساخت را کاهش دهد. مطالعات و تحقیقاتی که در زمینه اصلاح فاز سمنتیت فولاد در ابعاد نانو صورت گرفت، منجر به تولید این کابلهای قوی شد.
امکان نانوساختار کردن فولاد و دیگر فلزات
بر اساس آمار منتشر شده توسط مرکز تحقیقات خوردگی دانشگاه ایالتی اوهایو در آمریکا، در هر ثانیه بیش از یک تن فولاد در اثر خوردگی از بین میرود. با ایجاد ساختارهای ریزدانه فلزات میتوان از چنین خساراتی کاست. تبدیل ساختار عادی فلزات و آلیاژها به نانوساختار، مستلزم اختراع روش جدیدی بود. این امر برای اولین بار در سال ۲۰۱۰ میلادی توسط محققان دانشگاه هوایی یوفا در روسیه محقق شد. آنها موفق به ایجاد روش جدیدی شدند که در آن ساختار فلزات و آلیاژها به نانوساختار تبدیل میشد و در نتیجه به تکنولوژی ساخت فلزاتی به خواص برتر دست پیدا کردند.
ساخت فلزات نانوساختار نسبت به ساختار فلزات سنتی به مراحل بیشتری نیاز دارد و حتی ممکن است در خلال آن ابزارها و فرآیندهای جدیدی مورد نیاز باشد. به همین دلیل کسب اطمینان از این که فلزات و آلیاژهای منتخب برای طی فرآیند نانوساختار کردن، در نهایت کارایی و ارزش زیادی از خود نشان دهند، بسیار ضروری است. صرف هزینههای اضافی تولید، تنها در صورتی ممکن و قابل توجیه است که فلز نانوساختار خواص بسیار بالاتری نسبت به نمونههای عادی از خود نشان دهد. از طرفی مواد نانوساختار قوی، در عین برخورداری از استحکامهای بسیار بالا، ترد و شکننده هستند.
در واقع بازار مصرف فولاد و فلزات نانوساختار مربوط به مصرفکنندگانی است که استحکام را بر شکلپذیریهای بسیار بالا ترجیح دهند. البته با پیشرفتهای سریعی که در زمینه نانوساختار فلزات صورت میگیرد، تضاد میان دو ویژگی استحکام و شکلپذیری کاهش پیدا خواهد کرد.
مطلب پیشنهادی : خرید لوله گالوانیزه سپنتا
روشهای تولید فلزات نانوساختار
هدف از تولید فلزات فوقریزدانه و نانوساختار، رسیدن به خواص مکانیکی هر چه بهتر است. به همین دلیل دانشمندان و مهندسان همواره در تلاش بودهاند تا اندازه دانه مواد فلزی را از ابعاد میکرونی به زیرمیکرونی و نانومتری برسانند. در همین راستا روشهای مختلفی برای اصلاح اندازه دانه فلزات ابداع شده است. به طور کلی برای تولید نانوساختارها و ساختارهای فوق ریزدانه دو رویکرد به اصطلاح بالا به پایین و پایین به بالا وجود دارد. در ادامه به شرح روشهای تولید انبوه نانومواد که در حال حاضر در کاربردهای تجاری به کار میروند، میپردازیم:
تغییر شکل پلاستیک شدید (SPD)
یکی از روشهای تولید مواد نانوساختار با رویکرد بالا به پایین، تغییر شکل پلاستیک شدید است. در این رویکرد اندازه دانه فلز پایه، بدون نیاز به تغییر ترکیب شیمیایی یا ساختار فازی، تا ابعاد زیرمیکرونی و نانومتری کاهش داده میشود. اعمال کرنش و تنشهای مکانیکی شدید به روشهای نظیر نورد کردن، کشش یا اکستروژن، تغییر شکل پلاستیکی شدید یا با روشهایی مانند بمباران کرههای کوچک، میکروساختارها شکسته شده و به نانوساختار تبدیل میشوند. انواع روشهای تغییر شکل پلاستیک شدید شامل موارد زیر است:
o پیچش تحت فشار بالا
o پرس در قالب زاویهدار
o اکستروژن پیچشی
o نورد تجمعی
o برسکاری
o فرآیند همزن اصطکاکی
o فرآیند اصطکاک سطحی
o مالش مکانیکی سطحی
o فورج چندجهته
o اکستروژن فشردن تناوبی
بلوری کردن شیشه
در این روش محلول جامد فوق اشباع خنک شدهای از پیش ماده (شیشه فلزی) ایجاد میشود. در این محلول آرایهای بیشکل از اتمهای آلیاژ بدون مرزهای بلوری تولید میشود. این شیشه گرم شده و سپس به آرامی سرد میشود تا به این ترتیب بلورهای نانومقیاس حاصل شوند.
آبکاری
آبکاری شیوهای جهت پوششدهی فلزات است. برای تولید فلزات نانوساختار با این روش، در یک سلول الکترولیتی، محلولی از یونهای فلز مورد نظر به کار میرود. این ماده به شکل نانوبلور روی کاتد سلول رسوب میکند. محلول الکترولیتی میتواند شامل مواد دیگری برای کنترل اندازه دانههای فلزی باشد. تاکنون روشهای متنوع دیگری مانند پاشش پلاسما، عملیات ذوبی با لیزر انرژی بال و عملیات با قوس تنگستن نیز برای تولید ساختارهای ریزدانه مورد استفاده قرار گرفته است.
در هر کدام از این روشها، پیچیدگی، مزایا و مشکلات خاصی نهفته است، ولی تمام آنها مشکلی مشترک دارند و آن وقوع ذوب در ماده در حین انجام فرآیند است. با روش تغییر شکل پلاستیک شدید در دماهای زیر نقطه ذوب فلز زمینه، میتوان از تشکیل فازها و ترکیبات ناخواسته جلوگیری کرد.
کاربرد فلزات نانوساختار
فولاد از مهمترین فلزات نانوساختار است که در ساختمان سازی کاربرد دارد. خستگی فلزات در صنعت ساخت و ساز از اهمیت بالایی برخوردار است و موضوع حساسی به شمار میرود. زیرا خستگی فولاد میتواند منجر به شکست آن در سازههای تحت نیروی سیکلی (مانند پلها و برجها) شود. این پدیده حتی در تنشهای کمتر از حد تسلیم مواد رخ داده و عمر مفید سازه را کاهش میدهد. افزایش تنش منجر به شروع ترک و در نتیجه شکست خستگی در سازه میشود.
افزودن نانوذرات مس باعث کاهش ناهمواریها سطح فولاد شده و در نتیجه تنشها محدود شده و ترک خستگی کاهش خواهد یافت. افزایش ایمنی سازه، نیاز کمتر به نظارت و استفاده بهتر از مواد در ساخت و سازهای مستعد به خستگی، از نتایج پیشرفت نانوساختار فولاد است. علاوه بر این فلزات نانوساختار میتوانند پوششهای بسیار سخت مقاوم به خوردگی ایجاد کنند. از این پوشش در تجهیزاتی مانند تیغه بلدوزرها، سر متههای حفاری و یا اسکلتهای فلزی پل و ساختمانها استفاده میشود.
از فلزات نانوساختار ابرسخت میتوان در وسایل نقلیه، تجهیزات ورزشی، اجزاء موتور هواپیماها و قطعات کاشتنی پزشکی مانند اعضاء مصنوعی جایگزین مفصل ران استفاده کرد. در مدت کمی که از عمر فلزات نانوساختار میگذرد، کاربردهای آن در زمینه صنایع هوافضا، حمل و نقل، پزشکی، خودروسازی، کشتیسازی، تسلیحات دفاعی و نفت و گاز و پتروشیمی مشخص شده است.
بدنه خودرو، سپر، میله سپر، صفحات ترمز، اجزا حساس به برخورد، واشر دهانه سیلندر، محفظه موتور، میلههای داخلی خوردو مثالی از قطعات ساخته شده از فولاد نانوساختار است که کارخانههای خودروسازی جهان روی آن کار کردهاند. فناوری نانو با افزایش استحکام و کاهش وزن کمک بزرگی به صنایع هوافضا کرده است.
