تست عنوان
close
باشگاه نانو | آموزش | 4930
EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
4930
filereader.php?p1=main_bc1e1db923366e12a

موضوع: کاربردهای فناوری نانو

فصل: فناوری نانو در صنایع نظامی


بخش‌ اول: کاربرد فناوری نانو در ادوات نظامی رادار گریز


بخش‌اول: کاربرد فناوری نانو در ادوات نظامی رادارگریز


نویسندگان: اسماعیل نوروزی، محسن افسری ولایتی



مقدمه

یکی از صنایع بسیار مهم که می¬تواند با استفاده از فناوری نانو با سرعت بیش‌تری نسبت به گذشته پیشرفت نماید، صنایع نظامی است. امروزه بیش‌ترین استفاده از دانش نانو در صنایع نظامی استفاده از نانوکامپوزیت¬ها است. نانوکامپوزیت¬ها شامل مواد چند فازی هستند که حداقل یکی از اجزای تشکیل ¬دهنده آنها در یک بعد، اندازه‌ی کم‌تر از 100 نانومتر داشته باشد. نانوکامپوزیت از دو قسمت اصلی زمینه (ماتریس) و تقویت¬کننده تشکیل شده است که زمینه از لحاظ جنس می¬تواند پلیمری، فلزی و سرامیکی باشد. به طورکلی، نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند نسبت به نانومواد خالص، خواص بهبود یافته مکانیکی، الکتریکی، نوری، الکتروشیمیایی، کاتالیستی و ساختاری از خود نشان دهند.


1- مواد رادارگریز چه موادی هستند؟

رادارها از انواع امواج الکترومغناطیس هستند. امواج الکترومغناطیس دارای دو مولفه موجی شکل الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم هستند. معمولا وقتی ماده‌ای قطبی در یک میدان الکترومغناطیسی قرار می¬گیرد بصورت نسبی با میدان مذکور برهم کنش دارد. بسته به مولکول¬های سازنده ماده، این برهم کنش از نوع جذب اثر میدان یا بازتاب آن است؛ برای مثال آب یک جاذب قوی میدان بخاطر وجود مولکول¬های فوق‌العاده قطبی‌اش است که از این اثر در مایکروویوها استفاده می¬شود.
اگر یک ماده با تأثیر میدان مغناطیسی یا الکتریکی خود بتواند اثر این امواج را تخریب کند، نامرئی تلقی می¬شود و می¬توان گفت این مواد جاذب امواج رادارى ساطع شده هستند.
از این خاصیت به منظور ساخت هواپیماها و زیردریایى¬هایى که به وسیله رادار قابل شناسایى نیستند، مورد استفاده قرار مى‌گیرد. لازم به ذکر است استفاده از این مواد نانوکامپوزیت رادارگریز سبک در مقایسه با جاذب رادارهای سنگین وزن بدنه را در حدود پنجاه درصد شناورهای سنتی کاهش داده و در نتیجه شناور می¬تواند محموله سنگین¬تری را نسبت به شناورهای سنتی حمل می¬کند.
لازم به ذکر است مواد در مواجه با میدان مغناطیسی به دو دسته فرومغناطیس و پارامغناطیس تقسیم می¬شوند. حوزه¬های مغناطیسی در مواد فرومغناطیس به راحتی با میدان مغناطیسی بیرونی هم راستا شده و آهن‌ربا می‌شوند ولی در مواد پارامغناطیس برای هم‌راستا سازی این حوزه¬ها نیاز به میدان-های مغناطیسی بسیار قوی‌تر است. (شکل 1)



filereader.php?p1=main_842dd48ac68c2167b

شکل 1: برهم‌کنش دوقطبی‌های مغناطیسی یک ماده پارامغناطیس


بیشتر بدانید:
منشاء ایجاد میدان مغناطیسی، میدان مغناطیسی بسیار کوچک ایجاد شده از حرکت زاویه‌ای الکترون به دور هسته است که به یک بوهر-مگنتون معروف بوده و اندازه‌ی عددی‌اش برابر با 24-10×9.3 است. مقصود از دوقطبی مغناطیسی، میدان بین دو بار مثبت و منفی (مثل الکترون و پروتون) است که یکی حرکت زاویه‌ای دارد. به ظاهر یک بوهر مگنتون عددی کوچک است ولیکن پس از ضرب عدد آووگادرو برای یک مول ماده (که برابر با 1023×6.02 اتم از آن ماده است) در این عدد اندازه میدان مغناطیسی قابل توجه می¬شود.


فکر کنید
با توجه به آنکه مواد جاذب رادار با از بین بردن اثر الکتریکی یا مغناطیسی موج باعث جذب آن می¬شوند، درباره مکانیزم و انواع برهم¬کنش این مواد با رادار فکر کنید. همچنین درباره‌ی نحوه استفاده از مواد جاذب رادار در ادوات نظامی فکر کنید که چگونه این مواد به این ادوات اضافه می¬شوند؟


2- از چه موادی برای کامپوزیت‌های مغناطیسی استفاده می‌شود؟

معمولا از فریت‌ها بعنوان ماده‌ی پایه جهت بازتاب امواج میکروویو و نامرئی کردن ادوات نظامی استفاده می¬شود. فریت¬ها ترکیبی از فلزات مغناطیسی آهن، نیکل و کبالت و با ساختار بلوری اسپینل (spinel structure) هستند. از خواص فریت¬های مغناطیسی آن است که وقتی در مواجه با یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند با آن هم‌راستا شده و بعد از قطع آن به راستای اولیه خود برنمی‌گردند و حلقه هیسترزیس ایجاد می¬کنند.


بیشتر بدانید:
اگر نمودار شدت میدان مغناطیسی (H) بر حسب میدان مغناطیسی اعمال شده (B) برای یک ماده فرومغناطیس رسم شود، شکل نمودار به صورت صعودی و از نوع نمایی است؛ در این نمودار مشخص است که با افزایش میدان مغناطیسی اعمال شده، و هم‌راستا شدن دوقطبی¬های مغناطیسی، شدت میدان مغناطیسی افزایش می¬یابد. تجربه¬های عملی نشان داده که با قطع میدان مغناطیسی و اعمال معکوس آن، نمودار روی مسیر اولیه خود بر نمی¬گردد؛ که این بخاطر آن است که دوقطبی‌های هم‌راستا شده با میدان بطور کامل به جهت اولیه خود باز نگشته و تشکیل حلقه پسماند مغناطیسی می‌دهد که به حلقه هیسترزیس معروف است.

 نمونه حل شده:

برای بررسی رفتار ماده¬ی مغناطیسی در برابر اعمال میدان مغناطیسی، نیاز به رسم منحنی¬های هیسترزیس است. میدان مغناطیسی از دو روش به وجود می¬آید 1- سیم حامل جریان (که طبق نظریه فاراده از حرکت حامل¬های جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی ایجاد می¬شود) و 2- دیاپازون (که ایجاد کننده میدان¬های مغناطیسی است). میدان مغناطیسی ایجاد شده در فاصله 10 سانتی‌متری سیم حامل جریان 10 آمپر را حساب کنید؟
حل:
H شدت میدان مغناطیسی: r: فاصله μ: = میزان عبور دهی میدان توسط هوا 4П× 10-7

filereader.php?p1=main_911af7aa209e00b49

بسته به میزان بزرگی حلقه هیسترزیس، مواد فرومغناطیس به دو دسته کلی تقسیم می¬شوند:
1- فرومغناطیس نرم: حلقه هیسترزیس کوچکی دارند، در مواجه با میدان مغناطیسی براحتی آهن‌ربا می‌شوند و با قطع میدان، خاصیت آهن‌ربایی خود را از دست می¬دهند.
2- فرومغناطیس سخت: حلقه هیسترزیس بزرگی دارند، در مواجه با میدان مغناطیسی بسختی آهن‌ربا می‌شوند و با قطع میدان به سختی خاصیت آهن‌ربایی خود را از دست می¬دهند. (شکل 2)


filereader.php?p1=main_130231ef0adc1a356

شکل 2: حلقه هیسترزیس برای دو ماده مغناطیسی، A فرومغناطیس سخت، B فرومغناطیس نرم


3- فریت‌ها چگونه امواج رادار را بخود جذب می‌کنند؟

رفتار فریت¬های فرومغناطیس و مواد پارامغناطیس در مواجه با میدان مغناطیسی متفاوت است. دوقطبی¬های مغناطیسی در مواد فرومغناطیس هم¬سو با میدان شده و تشکیل حوزه¬های مغناطیسی می‌دهند؛ ولیکن دوقطبی¬ها در مواد پارامغناطیس در جهات مختلف و بصورت تصادفی پخش شده‌اند (شکل3).


filereader.php?p1=main_18844d73221532bcc

شکل 3: رفتار دو ماده پارا مغناطیس و فرومغناطیس در مواجه با میدان مغناطیسی


در فریت¬های مغناطیسی با افزایش شدت میدان مغناطیسی اعمال شده، مرزهای حوزه‌های مغناطیسی به سمت همدیگر حرکت کرده و یکی می¬شوند. با یکی شدن مرزها حوزه‌های مغناطیسی در هم ادغام شده و تشکیل یک حوزه مغناطیسی هم سو با میدان می¬دهند که به این پدیده آهن‌ربا شدن می¬گویند (شکل 4).
لازم به ذکر است در فرومغناطیس¬های نرم مقاومت دیواره¬ها در برابر حرکت ناشی از هم سو شدن با میدان در مقایسه با مقاومت دیوارها در فرومغناطیس سخت، بسیار کم‌تر است. این بدان معنی است که در فرومغناطیس سخت، هم‌سو شدن با میدان در شدت¬های بیشتری نسبت به مواد فرومغناطیس نرم است.



filereader.php?p1=main_73d4dd8e0d0252399

شکل 4: حرکت و یکی شدن دیوارهای مغناطیسی در یک ماده فرومغناطیس در مواجه با میدان اعمالی


وقتی یک فریت (که از نوع مواد فرومغناطیس سخت است) در مواجه با یک موج الکترومغناطیس مثل رادار قرار می¬گیرد، با مولفه مغناطیسی موج برهم¬کنش می¬کند؛ با عنایت به مطالب فوق-الذکر، دیواره¬های مغناطیسی حرکت کرده و هم¬راستا با میدان مغناطیسی موج می¬شوند و فریت دچار پدیده آهن‌ربایش می¬شود که با این آهن¬ربایش، مقداری از انرژی مغناطیسی موج تلف شده و به خرج هم سویی حوزه¬ها با میدان می¬رود. با عبور یا قطع موج (و با توجه به تعریف پسماند هیسترزیس بزرگ در فرومغناطیس-های سخت مثل فریت¬ها) تمامی حوزه¬های مغناطیسی به جهت و جای اولیه خود برنمی¬گردند و آهن¬ربایش را درخود نگه می¬دارند. این آهن‌ربایش ناشی از پسماند خود می¬تواند برای تلف کردن (پخش کردن) مولفه مغناطیسی موج بعدی موثر باشد. لذا می¬توان گفت معمولاً فریت¬های مغناطیسی هادی ضعیف امواج میکروویو بوده و با میدان مغناطیسی خود اثر آن را تخریب کرده و میدان را بازتاب می¬کنند.


4- دلیل استفاده از نانوفریت‌ها بجای فریت‌های معمولی در مواد جاذب رادار

می¬توان از نقاط ضعف فریت¬ها به کاهش یا از بین رفتن اثر آنها با گرما می¬توان اشاره کرد. وقتی فریت¬های فرومغناطیسی در مواجه با افزایش دما قرار می¬گیرند در دمای خاصی (که به دمای کوری معروف است) حوزه‌های مغناطیسی‌شان از بین رفته و تبدیل به پارامغناطیس می¬شوند. (شکل 5)



filereader.php?p1=main_bfc8617640a2e95f9

شکل 5: از بین رفتن خاصیت یک ماده فرومغناطیس در دمای کوری برای سه فریت معروف


نانوکامپوزیت¬های مغناطیسی مانند نانوکامپوزیت مگنتیت به دلیل ماهیت و ساختار کرسیتالی ویژه خود (ساختار اسپینلی) به دلیل بسیار بیش‌تر بودن و مقاوم¬تر بودن دیواره¬های مغناطیسی نسبت به فریت¬های معمولی در مواجه با امواج الکترومغناطیسی دیرتر به اشباع می¬رسد و پایداری بیشتری در مقابل تغییر درجه حرارت دارد. این نانوکامپوزیت به دلیل تأثیرپذیری مغناطیسی بالا وقتی در مواجه با میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد با خطوط میدان هم¬راستا شده و ایجاد آهن¬ربا می-کند و با قطع میدان خاصیت آهن‌ربایی را نسبت به فریت¬های معمولی بیش‌تر در خود نگه می¬دارد (چون حلقه هیسترزیس بزرگ دارد و از فرومغناطیس¬های سخت است).
پس می¬توان گفت که تأثیر نانوکامپوزیت¬های مغناطیسی در مواجه با مولفه مغناطیسی امواج رادار بسیار بالاتر از تأثیر فریت-های معمولی است؛ یعنی برای تأثیر مساوی با نانوکامپوزیت¬ها باید مواد بیش‌تر و با ضخامت بیش‌تری از فریت¬های معمولی در سطح مورد نظر به کار رود و این باعث سنگین‌تر شدن بیجای ادوات نظامی می¬شود. (حسن بعدی استفاده از نانوکامپوزیت¬های مغناطیسی به جای فریت¬های معمولی، سبک‌تر بودن آنهاست.)


5- روش مرسوم تولید نانوکامپوزیت‌های فریتی

همان طور که ذکر شد فریت¬ها ترکیباتی از سه فلز مغناطیسی آهن، کبالت و نیکل هستند. برای تولید نانوکامپوزیت فریتی، مواد اولیه شامل این سه فلز (معمولاً پودر اکسید آنها) با روش¬های کنترل شده با هم ترکیب شده و با رژیم خاص آزمایشگاهی در اندازه¬های نانو، رشد داده می¬شوند.


بیشتر بدانید:
امروزه روش مرسوم تولید نانوکامپوزیت¬های فریتی، تولید شیشه سرامیک از اکسید این مواد است. در روش شیشه سرامیک، مواد اولیه با یک ماده شیشه ساز مثل سیلیس حرارت داده شده و پس از ذوب، سریع سرد می‌شوند تا شیشه تشکیل شود. بسته به ترکیب مورد نظر و با رژیم حرارتی خاص (با اعمال دماهای بحرانی تبلور فازها، که از آنالیز حرارتی نانوکامپوزیت استخراج می¬شود) بلور کامپوزیت مورد نظر و در ابعاد نانو کنترل می‌شود. در مرحله بعدی با اسید HF شیشه خورده شده و پودر کامپوزیت بدست می¬آید.


نتیجه‌گیری

صنایع نظامی با استفاده از فناوری نانو می¬تواند پیشرفت زیادی داشته باشد. یکی از دستاوردهای علم نانو در ادوات نظامی، تجهیز آنها با مواد جاذب رادار است. با استفاده از مواد جاذب رادار ادوات تجهیز شده توسط رادار آشکار نمی¬شوند و به اصطلاح رادارگریز می¬شوند. مواد جاذب رادار اغلب فریت¬ها هستند که جزء مواد فرومغناطیس سخت هستند که با برهم¬کنش با مولفه مغناطیسی امواج رادار آن را به خود جذب کرده و اثر آن بر ادوات نظامی را تلف می¬کنند. از نقاط ضعف فریت¬ها وجود دمای کوری است که در آن خاصیت فرومغناطیسی این مواد از بین می¬رود؛ با تولید
نانوکامپوزیت این فریت¬ها این دمای کوری بیش‌تر می¬شود. همچنین نانوکامپوزیت¬های فریتی از مواد فریتی بسیار سبک¬تر هستند که این سبک بودن در صنایع نظامی یک امتیاز محسوب می¬شود.






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





منابع


1- James D. Livingston, Electronic Properties Of Engineering Materials, 1999, John Wiley & Sons
2- Harris Benson, University Physics Revised Edition, 1995, John Wiley & Sons
3- Air Force Link, Lockheed F-117A Nighthawk fact sheet, October 2005
4- R M Cornell and U Schwermann, The Iron Oxides, 2003, Wiley-VCH 2d ed
5- Barry Fox, Stealth wallpaper keeps company secrets safe, 8 August 2004, New Scientist
6- A J Baden Fuller, Microwaves 3rd edition - an introduction to microwave theory and techniques, 1990, Pergamon Pr
7- Ralph D Lorenz, Calorimetric radar absorptivity measurement using a microwave oven, Meas. Sci. Technol. 10 (1999) L29–L32. Printed in the UK.