تست عنوان
close
باشگاه نانو | آموزش | 4430
EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
4430
filereader.php?p1=main_bc1e1db923366e12a

موضوع: کاربردهای فناوری نانو

فصل: فناوری نانو در صنایع خودروسازی


بخش‌ اول: کاربرد پوشش‌های نانوکامپوزیتی در خودرو


بخش اول: کاربرد پوشش‌های نانوکامپوزیتی در خودرو


نویسنده: محسن افسری ولایتی



مقدمه

خودروهای پیشرفته از تجمع بزرگ اجزای با مواد متفاوت ساخته شده‌اند. بسیاری از این اجزا دارای لایه محافظی هستند که برای بهبود ظاهر و یا افزایش طول عمر زیرلایه اعمال شده است. در بیشتر پوشش‌های سطحی یک لایه شفاف است (ضخامت بین 5 تا 50 میکرومتر) که نه تنها از لایه زیرین در برابر تخریب شیمیایی و فرابنفش محافظت می¬کند، بلکه در برابر تخریب مکانیکی در نتیجه خراش نیز مقاوم است. علاوه بر آن فناوری نانوپوشش کاربردهای گسترده دیگری در صنعت خودرو دارد که از جمله آن می‌توان به پوشش‌های خود تمیز شونده، ضد مه، ضد تیرگی و ضد زنگ اشاره کرد. در این بخش انواع پوشش‌های نانوکامپوزیتی و کاربرد آن در صنعت خودرو معرفی شده است.


1- پوشش‌های نانوکامپوزیتی در خودرو

کامپوزیت به مواد متشکل از 2 یا چند جزء گفته می‌شود که هر کدام از چند جزء خواص خود را به صورت مجزا حفظ کرده و ترکیب آنها موجب بهبود خواص جزء زمینه شده باشد. کامپوزیت‌ها شامل 2 بخش زمینه و تقویت کننده هستند که تقویت‌کننده می‌تواند چند جزئی باشد (شکل 1). اگر یک جزء کامپوزیت در محدوده استاندارد مقیاس نانو باشد کامپوزیت حاصل را نانوکامپوزیت می‌گویند. بسته به اینکه زمینه نانوکامپوزیت از چه ماده‌ای تشکیل شده باشد، آن را به 3 دسته پلیمری، فلزی و سرامیکی تقسیم می‌کنند.


filereader.php?p1=main_c3efe96c7639c4263

شکل 1: تصویر SEM از نانوکامپوزیت Al/SiC در دو بزرگنمایی متفاوت. نانوذرات سفید رنگ، کاربید سیلیسیم (تقویت کننده) است که به زمینه آلومینیوم به منظور افزایش استحکام فاز زمینه افزوده شده‌اند.


1-1- نانوکامپوزیت‌های زمینه پلیمری

اولین محصول تجاری از نانوکامپوزیت‌های پلیمری، در صنعت خودروسازی به عنوان پوشش تسمه تایم ماشین با آمیختن تنها ۴ درصد وزنی نانوسیلیکات با یک ماتریس پلی‌آمید با سختی و پایداری حرارتی اصلاح شده در محصول، مورد استفاده قرار گرفت.


filereader.php?p1=main_7ffdf3a2223d80969

شکل 2: پوشش تسمه تایم با نانوکامپوزیت پایه پلیمری


در اوایل سال 1990 شرکت تویوتا از نانوکامپوزیت‌های پلیمری در پوشش کمربند ایمنی خودرو استفاده کرد. در کنار فعالیت‌های تویوتا شرکت میتسوبیشی نیز از نانوکامپوزیت‌ها در روکش موتور استفاده نمود. این مواد صلبیت خوب و پایداری حرارتی بالایی از خود نشان می‌دهند. ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌ها شامل استحکام و سختی زیاد با وزن کم‌تر، قابلیت جلوگیری از نشت گازها و مایعات، درجه اعوجاج گرمایی بالا، رسانایی الکتریکی، خاصیت ضد احتراقی و مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی و حرارت است. این نوع کامپوزیت‌ها در ترکیبات پوشش زیرین کاپوت خودرو نیز بکار برده می‌شوند. در حال حاضر، اکثر نانوکامپوزیت‌های مورد مصرف در قطعات خودرو در حقیقت از نوع نانوکامپوزیت پلیمری هستند و ماده پلیمری می‌تواند بر پایه polypropylene (PP)، acrylonitrile butadiene styrene (ABS)، polyamide (PA)، styrene butadiene rubber (SBR) و غیره انتخاب گردد. افزودنی نانویی بکار رفته در این کامپوزیت‌ها هم می‌تواند نانورس، نانولوله‌کربنی یا سایر افزودنی‌های نانویی معمول باشد که بسته به نوع تقویت مورد نیاز انتخاب می‌شود. در حال حاضر، با افزودن مقادیر کمی از افزودنی‌های نانورس به پایه‌های پلیمری PP و ABS می‌توان خواص پلیمر پایه را به میزان قابل قبولی بهبود بخشید. از جمله قطعات خودرویی که در ایران با نانوکامپوزیت‌های پلیمری نمونه‌سازی شده‌اند شامل نانوکامپوزیت‌های پایه ABS محفظه چراغ خطر خودروی پژو 405، محفظه چراغ خطر خودروی روآ، جعبه ECU و درب آن، قاب محافظ هواکش بخاری و ... و نانوکامپوزیت‌های پایه PP محفظه چراغ جلو، قاب ستون‌های خانواده خودروی پژو 405، قطعات مجموعه داشبورد خودروها، پروانه فن رادیاتور، و قالپاق چرخ است. همچنین برای جلوگیری از باقی ماندن لک و کثیفی از پوشش‌های نانوکامپوزیتی بر روی غربیلک فرمان و رینگ چرخ نیز استفاده شده است. حتی این پوشش¬ها روی سطح داخلی باک¬های بنزین برای جلوگیری از نشت بخار بنزین نیز مورد استفاده قرار گرفته است.
از دیگر کاربردهای پوشش¬های نانوکامپوزیتی پلیمری به عنوان پوشش ضد سایش و خراش بر روی سپرها است. تقویت¬کننده¬های نانویی که به این منظور در پوشش¬های شفاف زمینه وارد می¬شوند مقاومت به خراش و سایش را بهبود می¬دهند. به هرحال شفافیت این پوشش¬ها متأثر از تجمع نانوذرات در آنها است. بطوریکه اگر ذرات به صورت جدا از هم درون زمینه توزیع نشوند شفافیت از بین می¬رود. برای دستیابی به توزیع مناسب نیاز به اصلاح سطح و همچنین استفاده از روش¬های مختلف توزیع است. یکی از این روش¬ها تشکیل درجای فاز غیرآلی در زمینه آلی با استفاده از فرآیند سل ژل است. با استفاده از این روش به طور مثال می¬توان نانوکامپوزیت پلیمری تقویت شده با نانوذرات سیلیکا را تولید کرد. مواد اولیه آلی و غیرآلی که در این روش به کار می¬روند هم به عنوان تشکیل دهنده شبکه و هم به عنوان اصلاح¬کننده شبکه می¬توانند به پلیمر اصلی تشکیل¬دهنده لایه اضافه شوند. این فرآیند شامل هیدرولیز مواد اولیه و چگالش است. در فرمولاسیون مورد استفاده در پوشش خودرو، این مواد اولیه می¬توانند بوسیله هیدرولیز با زمینه اتصال دهند. فاز آلی حاضر در نانوکامپوزیت مسئول چسبندگی و انعطاف¬پذیری و فاز غیرآلی مسئول افزایش خواص مکانیکی است.


filereader.php?p1=main_6aae5b44bb1947e22

شکل 3: نمایش شماتیکی پوشش شفاف اتومبیل بر پایه سل ژل و حاوی مواد اولیه آلی/غیرآلی


شیشه‌های پلیمری مقاوم به خراش

این روزها مصرف سوخت ماشین یک عامل مهم برای تولید کننده و مصرف کننده است. کاهش وزن ماشین¬ها یکی از راه¬های رسیدن به مصرف سوخت بهینه است. وزن ماشین با جایگزینی قسمت¬های شیشه-ای سنگین با ورقه¬های شیشه¬ای پلیمری سبک به طور چشمگیری کاهش می¬یابد.
یکی از پلیمرهای شیشه¬ای که بسیار زیاد مورد استفاده قرار می¬گیرد پلی¬کربنات است که استحکام ضربه¬ای عالی، چقرمگی بالا و وزن سبک دارد. پلی¬کربنات¬ها در پوشش¬های چراغ و عدسی¬ها به کار می¬روند. با وجود کاربرد فراوان، پلی¬کربنات¬ها مقاومت به خراش و مقاومت شیمیایی پایینی دارند و در اثر پرتو فرابنفش در زمان طولانی زرد می¬شوند. شستشو و عوامل طبیعی مانند برخورد سنگ¬ریزه موجب خراش شیشه¬های پلی¬کربنات می¬شوند که منجر به کاهش شفافیت و نور چراغ خودرو در اثر تفرق نور خواهد شد. برای برطرف کردن این مشکل 2 راه¬ حل در نظر گرفته شده است. یکی از این راه¬ها وارد کردن نانوذرات درون پلی-کربنات و دیگری استفاده از رنگ اکریلات یا پلی¬سیلوکسان بر روی محفظه چراغ¬ها است.
نانوذرات اکسید آلومینیوم نیز درون ترکیبات پوشش به جهت ایجاد سختی کافی که در مقاومت به خراش مؤثر است، استفاده می¬شوند. این پوشش بدلیل ذرات ریز اکسید آلومینیوم و توزیع یکنواخت آنها بسیار شفاف است. نانوکامپوزیت پلیمری بر پایه سیلوکسان و تقویت کننده نانوذرات سیلیکا نیز به عنوان پوشش وسایل شیشه¬ای درون اتومبیل استفاده می¬شوند. این پوشش می-تواند کاربردهای زیادی از جمله ضد لک (بدلیل خاصیت آب¬گریز بودن) محافظ پرتو فرابنفش و فروسرخ و خاصیت ضد مه داشته باشد.


filereader.php?p1=main_860e624684b1fc1da

شکل 4: سطح مقطع شیشه پلی¬کربناتی پوشش داده شده با نانوکامپوزیت پلیمری جهت افزایش مقاومت به خراش (خارج شیشه) و ضدمه (داخل شیشه)


متوسط ضخامت پوشش تقویت شده با نانوذرات برای پلی¬کربنات تقریباً 1 میلی¬متر است. لایه¬های مختلف نانوپوشش همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است مسئول ضدخراش/ضدلک/ضدمه و ضدپرتو برای شیشه پلی¬کربنات هستند.
برای این منظور نانوذرات TiO2، SiO2 و Al2O3 جهت بهبود مقاومت به خراش، TiO2 و ZnO محافظ پرتو فرابنفش، TiO2 برپایه سل ژل برای رفتار ضدمه و TiO2 جهت کاربرد ضد لک استفاده می‌شوند.


1-2- نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی

پوشش‌های نانوکامپوزیتی فلزی به دلیل مقاومت به سایش و روان‌سازی قطعات درگیر در اتومبیل کاربردهای فراوانی پیدا کرده است. مثال¬هایی از پوشش¬های کامپوزیتی زمینه فلزی به سال 1928 برمی¬گردد که مطالعه بر روی پوشش¬های مس-گرافیت برای یاطاقان وسایل نقلیه موتوری در ایالت متحده انجام شد. سپس در دهه 1960 و 1970 تحقیقات پیشرفته¬ای در زمینه بهبود مقاومت سایشی در صنعت خودروسازی صورت گرفت. بیشتر تحقیقات در این زمینه بر روی توزیع ذرات کاربیدی، نیتریدی یا بوریدی مانند SiC و WC درون زمینه فلزی لایه¬ای مانند نیکل و کبالت صورت پذیرفت. یک مثال مهم در این زمینه توسعه پوشش-های فلزی نیکل-کاربید سیلیسیوم برای سطوح داخلی سیلندر موتور اتومبیل¬های BMW و پس از آن پورشه است. در دهه 1970 تحقیقات در محدوده وسیع¬تری از تقویت¬کننده¬ها مانند اکسید آلومینیوم، گرافیت و پلیمرها در زمینه نیکل صورت پذیرفت که به عنوان روان¬کننده و محافظ خوردگی به کار می¬رفتند.

امروزه نیز با پیشرفت فناوری نانو و وجود مزایای بسیار زیاد نانوکامپوزیت¬ها نسبت به کامپوزیت¬های معمول از قبیل سادگی فرآیند تولید، توزیع بهتر تقویت¬کننده¬ها، چسبندگی بهتر فصل¬مشترک زمینه و تقویت¬کننده، خواص حرارتی و مکانیکی بهتر و ... استفاده از روکش¬های نانوکامپوزیت¬های فلزی در قطعات مختلف خودرو روند رو به رشدی داشته است.

به عنوان مثال منیزیم به خاطر دارا بودن ویژگی¬های خاص فیزیکی و مکانیکی (به لحاظ استحکام و ایمنی و وزن) در کارخانه¬های بزرگ خودروسازی از قبیل آئودی، بنز، فورد، جگوار، فیات و کیاموتورز به جای فولاد و آلومینیوم در قسمت‌های مختلف خودرو مانند گیربکس، فرمان، صندلی، بدنه و رینگ استفاده می¬شود. با وجود استفاده فراوان منیزیم در قطعات خودرو، یک سری خواص نامطلوب همچون مقاومت به خوردگی و سایش ضعیف، کاربرد آنها را دچار مشکل نموده است. برای رفع این مشکل از پوشش¬دهی منیزیم و آلیاژهای آن به منظور بهبود خواصی چون مقاومت سایشی و خوردگی استفاده می¬شود. به عنوان مثال حضور منیزیم در اتومبیل و استفاده از روکش نانوکامپوزیتی Ni-Al2O3 باعث کاهش وزن در قسمت بدنه خودرو به میزان 40 درصد و برای درها حدود 25- 30 درصد است. بر اساس محاسبات انجام شده به ازای هر 100 کیلوگرم کاهش وزن در اتومبیل 5/0 لیتر در مصرف سوخت در هر 100 کیلومتر صرفه¬جویی می¬شود و در حقیقت با به کارگیری منیزیم قدمی بزرگ در این جهت برداشته شده است.

از دیگر پوشش¬های نانوکامپوزیتی فلزی مورد استفاده در خودروها و وسایل نقلیه پوشش¬های خود روان‌کار است. پوشش¬های خود روان‌کار به پوشش¬هایی گفته می¬شود که بدون کمک روان‌ساز خواص سایش و اصطکاکی مطلوبی را در تماس با مواد دیگر نشان می¬دهد. افزودن موادی از قبیل گرافیت، سولفید مولیبدن و تنگستن در زمینه¬هایی نظیر نیکل و کبالت منجر به کاهش شدید اصطکاک و سایش در پیستون خودروها می¬شود.


1-3- نانوکامپوزیت‌های زمینه سرامیکی

پوشش¬های نانوکامپوزیتی زمینه سرامیکی به دلیل مقاومت در مقابل دمای بالا و سایش از دیگر پوشش¬هایی است که در قطعات خودرو که در معرض حرارت بالا و سایش قرار دارند می¬توان به کار برد. یکی از مشکلات مواد سرامیکی با وجود مقاومت به دمای بالا، شوک ناپذیری به دلیل ترد و شکننده بودن این مواد است. افزایش نانوذرات مختلف به زمینه¬های سرامیکی با افزایش استحکام منجر به افزایش مقاومت سرامیک به شوک¬های حرارتی می-شود.
به عنوان مثال¬هایی در این زمینه می¬توان به پوشش¬های نانوکامپوزیتی اکسید آلومینیوم-اکسید تیتانیوم و اکسید کروم- اکسید تیتانیوم و اکسید آلومینیوم-اکسید زیرکونیم اشاره کرد که به روش پاشش حرارتی قابل اعمال بر روی سطح هستند.
مثال دیگری از کاربرد نانوپوشش¬های کامپوزیتی سرامیکی در Ball bearing خودرو استفاده از پوشش ترکیبی فسفات روی/سولفید مولیبدن/نانولوله کربن چند دیواره/نانوگرافیت/سیلیکات سدیم است. عملکرد این قطعه شدیداً تحت تأثیر سیستم روان‌کار آن است. با اعمال پوشش مذکور روی قطعات فولادی Ball bearing مقاومت به سایش آن بهبود چشمگیری پیدا می¬کند.


filereader.php?p1=main_49e8f76092d28e8ee

شکل 5: پوشش نانوکامپوزیتی Zn3(PO4)2 / MoS2 / MWCNT / nanographite / Na2SiO3 روی ball bearing خودرو


نتیجه‌گیری

گسترش فناوری نانو دنیای جدیدی از مواد به نام نانوکامپوزیت¬ها را معرفی می¬کند. پوشش¬های نانوکامپوزیتی به دلیل حصول خواص ترکیبی و جدید از مواد متناسب با کاربردهای مختلف جایگاه ویژه¬ای در توسعه علم و فناوری پیدا کرده است، به طوریکه با ترکیب مواد مختلف با خواص گوناگون می¬توان محدوده وسیعی از کاربردها را برای این مواد متصور شد.






filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


3- F. C. Walsh, C. Ponce de Leon, A review of the electrodeposition of metal matrix composite coatings by inclusion of particles in a metal layer: an established and diversifying technology, Transactions of the IMF 2014 vol 92 no 2.
4- R. Gadow, F. Kern, A. Killinger, Manufacturing technologies for nanocomposite ceramic structural materials and coatings, Materials Science and Engineering B 148 (2008) 58–64.
5- Winarto, Dedi Priadi, Nofrijon Sofyan, Martinus Adi Anggoro, WEAR RESISTANCE AND INTERLOCKING PROPERTIES OF AISI 5200 STEEL BALL BEARINGS COATED BY NANOCOMPOSITES, International Journal of Technology (2015) 3: 471-479
6- E. BEŁTOWSKA-LEHMAN, A. GÓRAL, P. INDYKA, ELECTRODEPOSITION AND CHARACTERIZATION OF Ni/Al2O3 NANOCOMPOSITE COATINGS, ARCHIVES OF METALLURGY AND MATERIALS, Volume 56 2011 Issue 4.
7- Hilla Friedman, Orly Eidelman, Yishay Feldman, Alexey Moshkovich, Vladislav Perfiliev, Lev Rapoport, Hagai Cohen, Alexander Yoffe, Reshef Tenne, Fabrication of self-lubricating cobalt coatings on metal surfaces, Nanotechnology 18 (2007) 115703 (8pp).