تبلیغات
دانستنیهایی مفید ازهمه جا ،از همه چیز ،برای همه - كاربرد نانو كامپوزیت ها در صنعت خودرو
  • تعداد مطالب :
  • آخرین بروزرسانی :
  • تعداد افراد آنلاین :
  • بازدید امروز :
  • بازدید دیروز :
  • بازدید این ماه :
  • بازدید ماه قبل :

entry كاربرد نانو كامپوزیت ها در صنعت خودرو

     

 
كاربرد نانو كامپوزیت ها در صنعت خودرو     
مقدمه

     موضوع فناوری نانو طی سالهای اخیر بطور فزاینده‌ای مطرح شده است. عرصة نانو، محدوده‌ای بین ابعاد میکرو و ابعاد مولکولی است و این محدوده‌ای است که دانشمندان مواد و شیمیدان‌ها در آن به مطالعاتی پرداخته‌اند و اتفاقاً مورد توجه آنها نیز قرار گرفته است، مانند مطالعه در ساختار اجسام.

     با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر، امكان كنترل خواص ذاتی مواد ازجمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در تركیب شیمیایی بوجود می آید. استفاده از این پتانسیل به محصولات و تكنولوژی های جدیدی با كارایی بالا منتهی می شود كه پیش از این میسر نبود. نظام سیستماتیك ماده در مقیاس نانومتری، كلیدی برای سیستم های بیولوژیكی است. نانوتكنولوژی به ما اجازه می دهد تا اجزاء و تركیبات را داخل سلول ها قرارداده و مواد جدیدی را با استفاده از روشهای جدید خود_اسمبلی بسازیم. در روش خود_اسمبلی به هیچ روبات یا ابزار دیگری برای سرهم كردن اجزاء نیازی نیست. این تركیب پرقدرت علم مواد و بیوتكنولوژی به فرایندها و صنایع جدیدی منتهی خواهد شد. رفتار اتم ها در مقیاس كم با رفتار آن ها در زمانی كه تعداد بسیاری اتم در اختیار است، متفاوت می باشد. از این رو كاربردهای بسیاری را بوجود می آورد و در صنایع مختلف نقش ایفا می كند، و با گذشت زمان حیطه فعالیت نانو گسترده تر از پیش می شود.

 

   

 

     كاربردهای نانو تكنولوژی همراه با هزینه كمتر، دوام و عمر بیشتر، مصرف انرژی پایین تر، هزینه نگهداری كمتر و خواص بهتر است. از هم اكنون بازار بزرگی برای به كارگیری مواد جدید در محصولات فعلی در حال شكل گیری است، موادی كه می تواند خواص جدید و فوق العاده ای به محصولات موجود بخشیده و موجب كاهش قیمت تمام شده آنها شوند. به عنوان نمونه نانو لوله های كربنی با وزن كمتر و استحكام بسیار بیشتر نسبت به موادی چون فولاد، بخش زیادی از صنایع را در آینده تحت تاثیر قرار خواهد داد. ساختارهایی در مقیاس نانو مانند نانوذرات و نانو لایه ها دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند كه آنها را برای استفاده در مواد كامپوزیت، واكنشهای شیمیایی، تهیه دارو و ذخیرة انرژی ایده ال می سازد. سرامیك های نانو ساختاری غالباً سخت تر و غیرشكننده تر از مشابه مقیاس میكرونی خود هستند. كاتالیزورهای مقیاس نانو راندمان واكنشهای شیمیایی و احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زائد و آلودگی آن كم می كنند. وسایل الكترونیكی جدید، مدارهای كوچكتر و سریعتر و … با مصرف خیلی كمتر می توانند با كنترل واكنش ها در نانوساختار بطور همزمان بدست آیند. اینها تنها اندكی از فواید و مزایای تهیه مواد در مقیاس نانومتر است.

     كل درامد صنایع خودرو سازی از 1تریلیون دلار فراتر می رود (مثلا فروش شركت جنرال موتورز كه حدود 15/1% بازار را در سال 2001در دست داشت 177.2 میلیارد دلار بود). الگوهای خرید وسایل نقلیه جدید، تابع اقتصاد جهانی است. در شرایط ركود فعلی، عوامل اقتصادی مثل مصرف اندك سوخت و سوخت های جایگزین اهمیت فزاینده ای دارد.با افزایش میزان تولید در سطح جهانی و كاهش سود و قدرت تصمیم گیری خریداران، تولید كنندگان خودرو و صنعت حمل ونقل بیش از همیشه خواهان اصلاحاتی در محصول و فرایند تولید می باشند.

      در این مقاله به بررسی نانو كامپوزیت ها و كاربرد آن در صنعت خودروسازی می پردازیم. به همین منظور به دلیل اینكه نانو كامپزیت ها خود زیر مجموعه ای از نانو تكنولوژی هستند، ابتدا به تعریفی از نانو تكنولوژی پرداخته و سپس به بررسی كامپوزیت ها و نانو كامپوزیت ها و روش تولید آن ها و پس از آن به كاربردشان در زمینه خودرو سازی پرداخته شده است.

 

     نانو تكنولوژی

     پیوند علم مواد ، شیمی و علوم مهندسی كه نانوتكنولوژی نامیده می شود عرصه ای را بوجود می آورد كه ماشین آلات خود تكثیركننده و محصولات خود اسمبل از اتمهای اولیه ارزان ساخته شوند. نانو تكنولوژی ، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید، با در دست گرفتن كنترل در سطح مولكولی و اتمی و استفاده از خواصی است كه در آن سطح ظاهر می شود.  گستردگی علوم و تكنولوژی نانو موجب تعریف كاربردهای بسیار زیادی در عرصه های مختلف علمی و صنعتی شده است .از آنجایی كه نانو تكنولوژی به عنوان انقلابی در شرف وقوع آینده اقتصادی كشورها وجایگاه آن ها را تحت تاثیر جدی قرار خواهد داد، بسیاری از كشورهای پیشرفته و در حال پیشرفت، برنامه هایی را برای پشتیبانی و تحقیقاتی و صنعتی نانو تكنولوژی در دست تدوین و اجرا دارند.

     یكی از اصلی ترین موضوعات نانو تكنولوژی، ساخت مواد با خواص جدید است. این مواد ارزش افزوده بسیار بالا و توانایی بالاتری در تمام صنایع خواهد داشت كه صنعت خودرو از آن مستثنی نمی باشد.ساخت بدنه های سبكتر و مقاومتر برای خودرو، ساخت لاستیك هایی با مقاومت سایشی بهتر، ساخت قطعات موتور با عمر چند برابر، كاهش مصرف سوخت خودرو، ساخت باتری هایی با انرژی بالا  و دوام بیشتر، نانو ساختارهایی مبتنی بر كربن به عنوان سوپر اسفنج هیدروژنی در خودروهای پیل سوختی، ساخت حسگرهای چند منظوره برای كنترل فرایندهای مختلف در خودرو، ساخت كاتالیزورهای اگزوز در خورو جهت كاهش آلودگی هوا، لایه های خیلی محكم با خصوصیات ویژه مثل الكتروكرومیك (رنگ پذیری الكتریكی) یا خود پاك كنندگی برای استفاده در شیشه ها و آینه های خودرو و سازگار كردن خودرو با محیط زیست و بسیاری از موارد دیگر از جمله كاربردهایی هستند كه نانو تكنولوژی در صنعت خودرو خواهد داشت. همچنین جایگزینی كربن سیاه (Carbon Blak) تایرها با ذرات رس و پلیمرهای نانو متری ، تكنولوژی های جدیدی است كه تایرهای سازگار با محیط زیست و مقاوم در برابر سایدگی را به ارمغان می آورد.

 

     کامپوزیت

    کامپوزیت ها با بستر فلزی کم وزن و سبک بوده و به علت قدرت استحکام و سختی بالا کاربردهای وسیعی در صنایع خودرو و هوافضا پید اکرده است. لیکن این کاربردها به لحاظ کم بودن قابلیت کشیده شدن در این کامپوزیت ها محدود شده است. تبدیل کامپوزیت به نانو کامپوزیت سبب افزایش بازده استحکامی و رفع محدودیت مذکور می شود .


     روش تولید نانو كامپوزیت ها

      از میان راههای متعددی که برای ساخت نانو کامپوزیت پیشنهاد شده است، دو روش آسیاب کردن مکانیکی و استفاده از روش

امواج اولتراسونیک در اینجا مورد بررسی قرار می گیرد.روش آسیاب کردن مکانیکی اقتصادی تر است و روش امواج اولتراسونیک خواص بهتری را تأمین می کند.نانو کامپوزیت ها از دو فاز تشکیل شده اند که فاز یک ساختار بلوری و در ابعاد نانو دارد و فاز دوم ترکیبات برید، نیترید، کاربید، اکسید و هیدرید با ذراتی در مقیاس نانو می باشد. نانو کامپوزیت های بدست آمده از روش های مذکور دارا ی خواص بهینه ای نظیر دانسیته کم، قدرت استحکام بالا، مقاومت خزشی عالی، ظرفیت میرایی بالا و پایداری ابعادی خوبی هستند. همجنین با کاهش آلورگی و زیست سازگاری نسبی خود سبب کاهش مصرف سوخت و کاهش هزینه می شوند.

 

نانو كامپوزیت های رسی

     نانوکامپوزیت‌های خاک­رس / پلیمر یک مثال موردی از نانوتکنولوژی هستند. در این نوع مواد، از خاک­رس‌های نوع اسمکتیت (Smectite-type) از قبیل هکتوریت، مونت موریلونیت و میکای سنتزی، به عنوان پرکننده برای بهبود خواص پلیمرها استفاده می‌شود. خاک­رس‌های نوع اسمکتیت، ساختاری لایه‌ای دارند و هر لایه، از اتمهای سیلیسیم کوئورانیه شده بصورت چهار وجهی که به یک صفحه هشت وجهی با لبه‌های مشترک از Al(OH) 3 یا Mg(OH) 2 متصل شده، تشکیل شده است. با توجه به طبیعت پیوند بین این اتمها، انتظار می‌رود این مواد خواص مکانیکی فوق‌العاده‌ای را در جهت موازی این لایه‌ها نشان دهند ولی خواص مکانیکی دقیق این لایه‌ها هنوز شناخته نشده‌اند. اخیراً با استفاده از روشهای مدل‌سازی تخمین زده شده که ضریب یانگ در راستای لایه‌ها، پنجاه تا چهارصد برابر بیشتر از یک پلیمر عادی است. لایه‌ها نسبت صفحه‌ای (aspect ratio) بالایی دارند و هر لایه تقریباً یک نانومتر ضخامت دارد، در حالیکه شعاع آن از سی نانومتر تا چند میکرون، متفاوت می‌باشد. صدها یا هزاران عدد از این لایه‌ها بوسیله یک نیروی واندروالسی ضعیف، روی هم انباشته می‌شوند تا یک جزء رسی را تشکیل دهند. با یک پیکربندی مناسب این امکان وجود دارد که رس‌ها را به اشکال و ساختارهای گوناگونی، درون یک پلیمر، به شکل سازمان‌یافته قرار دهیم.

     اصلی که در نانوکامپوزیت‌های خاک­رس / پلیمر رعایت می‌شود، این است که نه تنها دانه‌های رسی را از هم جدا می‌کنند، بلکه لایه‌های هر دانه را نیز از هم جدا می‌کنند (همانطور که در شکل 1 بصورت شماتیک نشان داده شده است) با انجام این عمل، خواص مکانیکی فوق‌العاده هر لایه نیز بطور موثر بکار می‌آید و این در حالی است که در اجزای تقویت­شده نیز بطور چشمگیری افزایش پیدا می‌کند، زیرا هر جزء رسی خود از صدها تا هزارات لایه تشکیل شده است.


     ویژگی های نانوکامپوزیت­های خاک رس / پلیمر  

     یکی از دستاوردهای تحقیقات این است که مشخص شده که بسیاری از خواص مهندسی هنگامیکه از میزان کمی معمولاً چیزی کمتر از 5 درصد وزنی، پرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهی می‌یابد. در پلیمرهایی چون نایلون (nylon-6 ( هرگاه از چنین میزان کمی پرکننده استفاده شود، یک افزایش 103 درصدی در ضریب یانگ، 49 درصدی در قدرت کشسانی و 146 درصدی در مقاومت در برابر تغییر شکل بر اثر گرما، از خود نشان می‌دهد.

     سایر خواص فیزیکی بهبود یافته عبارتند از:

     مقاومت در برابر آتش، مقاومت باریر   (barrier resistance) و هدایت یونی.

     امتیاز دیگر نانوکامپوزیتهای خاک رس / پلیمر این است که تاثیر قابل توجهی بر خواص اپتیکی پلیمر ندارند. ضخامت یک لایه رس منفرد، بسیار کمتر از طول موج نور مرئی است، بنابراین نانوکامپوزیت‌های خاک­رس / پلیمر که خوب ورقه شده باشد، از نظر اپتیکی شفاف می‌باشد. میکرو نانوکامپوزیت‌هایی که تصویرشان در شکل 1 نشان داده شده، از ترکیب خاک­رس و پلی­پروپیلن و با استفاده از روش سرد کردن سریع جهت به حداقل رساندن اثر کریستالیزاسیون، ساخته شده‌اند. میکروکامپوزیت‌های مرسوم، قهوه‌ای و مات به نظر می‌رسند، در حالیکه نانوکامپوزیت‌ها تقریباً شفاف و بیرنگند. با این دلایل، نتیجه می‌گیریم که نانوکامپوزیتهای خاك­رس/ پلیمر نمایش خوبی از نانوتکنولوژی می‌باشد. با سازماندهی و چینش ساختار کلی در پلیمرها در مقیاس نانومتر، مواد جدید با خواص نو یافت شده‌اند. نکته دیگر در توسعه نانوکامپوزیتهای خاك­رس / پلیمر این است که این تکنولوژی، فوراً می‌تواند کاربرد تجاری پیدا کند، در حالیکه بیشتر نانوتکنولوژی‌های دیگر، هنوز در مرحله مفاهیم و اثبات هستند.

 

    كاربردهای نانوکامپوزیت­های خاک رس / پلیمر  

     اولین کاربرد تجاری این مواد با استفاده از نانوکامپوزیت خاك­رس / نایلون 6 بعنوان روکش نوار زمان‌سنج برای ماشینهای تویوتا در همکاری با ube در سال 1991 بود. به فاصله کمی بعد از آن Unikita نانوکامپوزیت نایلون6 را بعنوان محافظ روی موتورهای GDI شرکت میتسوبیشی معرفی کرد. در آگوست 2001، ژنرال موتورز و باسل، کاربرد نانوکامپوزیت‌های خاك­رس / پلیمر را بعنوان جزء مکمل COMC ساخاری و شورلت اکستروژن‌ها به همگان اعلام کرد. این امر با کاربرد این نانوکامپوزیت‌ها در درب‌های شورلت ایمپالاز (Impalas) صورت گرفت.

     اخیراً شرکت نوبل پلیمرز (Noble/Polymers) نانوکامپوزیت‌های خاك­رس / پلی‌پروپیلن را برای استفاده در صندلی‌های هندا آکورد ساخته است و این در حالی است که Ube دارد نانوکامپوزیت‌های خاك­رس / نایلون12 (clay/nylon-12) را برای استفاده در اجزای سیستم سوخت‌رسانی، تولید می‌کند.

 

      تکنولوژی ساخت نانوکامپوزیت­های خاک­رس / پلیمر  

     مرحله نهایی در ساخت نانوکامپوزیت­های خاك­رس / پلیمر، جدا جدا کردن لایه‌های رسی و پخش آن در پلیمر می‌باشد. استراتژی کار بستگی دارد به سازگاری و همگون بودن رس و پلیمری که استفاده می‌شود. این تعیین می‌کند که آیا نیاز به عملیات مقدماتی روی خاك­رس یا پلیمر قبل از مخلوط کردن هست یا نه. اگر سطح لایه‌های سیلیکاتی با پلیمر، سازگار و همگون باشد، اختلاط مستقیم بین این دو می‌تواند اتفاق بیفتد، بدون اینکه نیاز به عملیات مقدماتی باشد. چنین مواردی بیشتر وقتی اتفاق می‌افتد که پلیمر قابل حل در آب، مانند PEO یا PVP استفاده کنیم، چرا که این پلیمرها و سطح لایه‌های سیلیکات، هر دو آبدوست هستند و نیروهای دوقطبی یا وان‌دروالسی بین لایه‌های سیلیکات، باعث سهولت جذب مولکولهای آبدوست و ایجاد فشارهای عمودی روی لایه می‌شود که در نتیجه باعث جداکردن تک‌تک لایه‌های رسی در این پلیمرها می‌گردد.

     اما به هر حال، بیشتر پلیمرها آب گریز و در نتیجه با دانه‌های رسی آبدوست، ناسازگار هستند. در این موارد نیاز به یکسری عملیات مقدماتی روی خاک­رس یا پلیمر داریم. پرکاربردترین روش‌های برای اصلاح دانه‌های رسی، استفاده از آمینواسیدها، نمکهای آمونیم آلی و یا فسفونیم تترا ارگانیک‌هاست تا سطح آبدوست رس‌ها را به آب گریز تبدیل کنیم. دانه‌های رسی که به این روش اصلاح می‌شوند، ارگانوکلی نامیده می‌شوند. در مورد پلیمرهایی که فاقد هرگونه گروه عاملی می‌باشند، مانند پلی­پروپیلن (PP) ، معمولاً از تکنیک­های افزودن گروه عاملی قطبی روی زنجیره پلیمری استفاده می‌شود و یا اینکه در طی فرآیند ساخت، پلیمرهای پیوند خورده را بصورت مستقیم وارد می‌کنند. مثلاً در نانوکامپوزیت­های رسی / پلی­پروپیلن (clay PP) از مالئیک اسید پیوند خورده به پلی­­پروپیلن، بصورت مستقیم استفاده شده است. در طی پیشرفتهای اخیر، از مخلوطی که پلی پروپیلن، پروپیلن پیوند خورده با مالئیک ایندرید و ارگانوکلی استفاده شده است.

    

 

    مشكلات توسعه نانوکامپوزیت­های خاک­رس / پلیمر  

     علاوه بر پرکننده‌ها، عمده مشکلات پیش­روی پیشرفت نانوتکنولوژی خاك­رس / پلیمر عبارتنداز:

     عدم شناخت مکانیزمهای موثر در افزایش کارایی، به کاربردی پلیمرهای ترموستینگ و عدم پایداری ارگانوکلی‌ها در برابر حرارت.

اگرچه مدل‌سازی‌های زیادی در جهت پیشبرد درک از مکانیزم افزایش کارایی عمده خواص فیزیکی و مهندسی در استفاده از نانوکامپوزیت‌های خاك­رس / پلیمر انجام شده، ولی هنوز مسافت زیادی را پیش­رو داریم. به­عنوان مثال، هنوز خواص فیزیکی مهندسی لایه‌های منفرد سیلیکات، دقیقا شناخته نشده‌اند. از این رو مشکل است که یک مکانیزم تقویت‌کننده ایجاد کنیم، و از طرفی، ساختار ذغال باقیمانده ناشی از احتراق نانوکامپوزیت خاك­رس / پلیمر هنوز روشن نیست. بدون آن ممکن نیست مکانیزمی برای ایجاد مقاومت در برابر آتش، برای آن طراحی کنیم. مدل‌سازیها و تحقیقات تجربی اساسی، باید در جهتی هدایت شود که در آینده این موانع برطرف شوند.

     به کاربردن پلیمرهای ترموستینگ، مشکل عمده دیگری در توسعه نانوکامپوزیتهای خاك­رس / پلیمر می‌باشد. ترکیب خاک­رس با یک پیش ماده پلیمر ترموستینگ می‌تواند عاملیت یک پلیمر را تغییر دهد. تغییر در عاملیت بر میزان اتصالات عرضی تاثیر می‌گذارد و بخوبی مشخص است که عمده خواص مهندسی پلیمر‌های ترموستینگ، تابعی از میزان تعداد اتصالات عرضی است. با این وجود گزارش‌هایی هم وجود داشته مبنی بر بهبود خواص مکانیکی سیستمهای پلیمری تروستینگی که میزان اتصالات عرضی آن پایین بوده است، از جمله اپوکسی رزین با  T g پایین و پلی اوراتان‌ها.

برچسب ها :نانوتكنولوژی ,نانوكامپوزیت ,خاك رس ,پلیمر ,نایلون ,

author نوشته: سعید طهماسبی دهكردی date تاریخ: سه شنبه 1 دی 1388 date نظر