فارسی
پوشش نانو جهت استحکام سطحی فلزات
محمد شکوهی‌فر
مصطفی احمدی
محمد نامداریان
مدرس مرکز آموزش علمی کاربردی شرکت کشت و صنعت جوین، ایران
دبیر کارگروه فناوری‌های نوین پژوهشکده محیط‌های خشک دانشگاه آزاد اسلامی واحد مشهد، ایران
مدرس دانشکده فنی و حرفه‌ای دارالفنون بجنورد، ایران
چکیده
خوردگی معمولاً در سطح فلزات اتفاق می‌افتد و به واسطه واکنش با محیط، سبب تخریب آنها می‌گردد. راه‌های مختلفی جهت کاهش نرخ خوردگی و بهبود طول فلزات وجود دارد، برخی روش‌هایی که امروزه به کار گرفته شده‌اند، شامل استفاده از موادی می‌شوند که با استفاده از فناوری نانو ساخته شده‌اند. این روش‌ها شامل پوشش لایه نازک کامپوزیتی، پوشش لایه رویی و پوشش نانو رنگ است.
پوشش نانو جهت استفاده سطحی فلزات مزایای زیادی دارد که باعث شده کاربرد گسترده‌ای پیدا کند. این پوشش قابلیت آن را دارد که با وارد شدن بازدارنده‌های خوردگی به درون سامانه به عنوان پوشش ضد خوردگی برای محافظت از فلزات مختلف مورد استفاده قرار بگیرد.
آلومینیوم یکی از انواع فلزاتی است که به دلیل خواص منحصر به فرد از جمله سبکی، استحکام بالا برای کاربردهایی نظیر هوافضا، خودرو، صنایع دریایی و… بسیار مورد توجه قرار گرفته است. به دلیل اینکه در آلومینیوم لایه اکسید روی سطح آن مقاومت خوردگی نسبتاً خوبی دارد، در شرایط حاد خورنده ممکن است دچار خوردگی شود.
برای کاهش احتمال خوردگی به ویژه در کاربردهایی که نیاز به مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند، می‌توان از پوشش‌های سل ژل نانو کامپوزیتی حاوی بازدارنده خوردگی استفاده کرد. از جمله بازدارنده‌های آلی که مورد استفاده قرار می‌گیرند:
- مرکاپتوبنزوتیازول
- مرکاپتوربنزیمیدازول
مقدمه
خوردگی تجهیزات فلزی یکی از علل عمده خرابی بدنه اتومبیل، کشتی‌ها، سازه‌ها و سایر تجهیزات فلزی در تماس با منابع آبی به شمار می‌رود. تجهیزات فلزی در صورت قرارگیری در تماس با منابع آبی پس از مدت کوتاهی بسته به شرایط محیطی، عوامل خورنده و ترکیبات یونی موجود در آب، میزان اسیدیته آب و… دچار پدیده خوردگی می‌شوند. یکی از راهکارهای جلوگیری از بروز این مشکل بهبود شرایط فلزات با استفاده از پوشش‌هایی با خاصیت ضدآبی و ضد خوردگی است.
سـابقه کاربـرد پوشش‌های مقاوم
سـابقه کاربـرد پوشش‌های مقاوم بـه عوامل محیطی بـه هزاران سـال پیـش بر می‌گردد. در واقع از پوشش‌ها برای ایجـاد مانع و جدایـی جسـم از محیـط اطـراف اسـتفاده می‌شد. مصری‌ها پوشش‌های مقـاوم بـه شـرایط جـوی بـر پایه مـوم را توسـعه دادنـد کـه در حالـت مذاب به کار برده می‌شدند.
قیـر طبیعی نیـز به عنوان پوشـش بـرای محافظـت از بدنه چوبی کشتی‌ها بـه کار گرفتـه می‌شد. در ادامـه گسـترش انـواع پوشش‌های سـطحی، پوشش‌های هیبریـدی آلی معدنـی کـه بـا فرآینـد سـلژل تهیـه می‌شدند بسـیار مورد توجه قـرار گرفتنـد. ایـن پوشش‌ها بـا داشـتن مـواد آلـی و معدنـی در کنـار هـم امـکان رسـیدن بـه خواص ویـژه را مهیـا می‌کنند.
پوشش‌های هیبریـدی آلی معدنـی
پوشش‌های هیبریـدی آلی معدنـی کـه دارای ذرات معدنـی در مقیاس نانو هسـتند به عنوان پوشش‌های نانو کامپوزیتی مطرح می‌شوند. در سال ۱۹۱۶ حمام واتس، انقلابی در روش الکتروشیمیایی ایجاد نمود. پوشش‌های کامپوزیتی حاصل از فرآیند الکتروشیمیایی به مقدار قابل توجهی در دو دهه اخیر مورد تحقیق و استفاده قرار گرفته است.
همواره به علت سختی فراوان و عدم ترشوندگی SiC، ایجاد پوشش‌های Ni-SiC به روش الکتروشیمیایی، دشوار می‌باشد. پوشش‌های کامپوزیتی حاصل از آبکاری الکترولیتی به مقدار قابل توجهی در دو دهه اخیر مورد استفاده قرار گرفته است. هزینه تولید در این روش بسیار ناچیز است؛ به علاوه برای ایجاد این پوشش‌ها نیازی به دما و فشار بالا وجود ندارد.
اولین مقاله در این مورد توسط گرازن در سال۱۹۶۲ ارائه شد. اولین کاربرد این پوشش‌ها، پوشش نیکل/کاربید سیلیسیم بود که در سال ۱۹۷۰ توسط متزگر و همکارانش پیشنهاد و از آن جهت بهبود مقاومت سایش در موتور وانکل استفاده شد. از آن زمان تاکنون تحقیقات بر روی این پوشش‌ها به صورت مستمر ادامه یافته است.
کامپوزیت‌ها
کامپوزیت‌ها در واقع حاصـل اختلاط فیزیکـی دو یـا چنـد ماده‌انـد کـه در آنها دو فـاز اصلـی بـا عنـوان فـاز هـدف از تهیـه زمینـه و فـاز پراکنـده مطـرح می‌شوند. معمـولاً کامپوزیت‌ها ایجـاد خواصـی اسـت کـه فازهـای تشکیل‌دهنده به تنهایی فاقـد آن خـواص هسـتند. نانو کامپوزیت به کامپوزیت‌هایی گفته می‌شود که یکـی از ابعاد فـاز پراکنده در آن از ۱ تـا ۱۰۰ نانومتـر باشد. یـک نانومتر در واقع ۸۰۰۰۰/۱ قطـر مـوی انسـان و یـا ۱۰ برابـر قطر اتـم هیدروژن اسـت.
از نظر تاریخی آنچه باعث ظهور نانو فناوری شـد، نسـبت سـطح بـه حجـم بسـیار بـالا در مـواد نانـو سـاختار اسـت کـه باعـث می‌شود مـواد نانویـی تولید شده دارای خصوصیاتـی از قبیل وزن بسیار کم و مقاومت و سـختی بسـیار بالا باشـند.
نانو کامپوزیت‌های هیبریـدی آلی معدنـی کـه بـه روش سلژل تهیـه می‌شوند، دارای ریخت‌شناسـی یکنواخـت و خواص خوبـی هسـتند و قابلیت اسـتفاده در کاربردهای متعـدد را دارند. ازجمله به عنوان پوشش‌های ضد خراش، ضد سـایش، ضـد مه‌گرفتگـی، ضد چرک، ضـد انعـکاس، ضـد خوردگی، ضـد باکتـری و قارچ و حتـی در زمینه‌های دارورسـانی کاربرد دارد.
شکل۱: مراحل تهیه پوشش‌های سل-ژل
پوشش‌های فوق آب‌گریز از خوردگی به وسیله دفع کردن مواد خورنده از سطح و در نتیجه از نفوذ آنها به زیر لایه ممانعت می‌کنند. در واقع این مواد خورنده به آسانی به وسیله یک نیروی خارجی از روی سطح می‌غلتند. ساخت مستقیم پوشش‌های فـوق آب‌گریز روی سطوح فلزی یک راه‌حل برای مشکل خوردگی به خصوص در آب دریا است. در شکل ۲ اثر فوق آب‌گریزی بـر روی سـطح آلومینیوم نمایش داده شده است.
شکل۲: سطوح آلومینیوم پوشش داده شده و بدون پوشش به وسیله پوشش‌های نانو فوق آب‌گریز
تعریف پوشش
پوشـش، لایه‌ای با ضخامت کمتـر از مـاده اصلـی اسـت کـه خـواص ویژه‌ای بـه آن می‌دهد. از پوشش‌ها و لایه‌های محافـظ به منظورهـای مختلفی اسـتفاده می‌شود کـه مهمترین هـدف، جداسـازی جسـم از محیـط اطـراف اسـت. در عمـل، عاملـی به عنوان پوشـش کامل وجود نـدارد و هیچ پوششـی نمی‌توانـد محافظـت بـه مفهـوم کامـل را تأمیـن کنـد.
به طور کلی هر چـه عمر مؤثر و بازدهی سـامانه پوششـی افزایش یابد مخـارج اجـرای آن نیـز زیادتـر می‌شود. پوشش‌ها معمولاً بـرای سـطوح فلـزی، سـرامیکی، پلیمـری و شیشه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. اسـتفاده از پوشش‌ها بـه دلیل مختلفی خواص مکانیکی، فیزیکی صـورت می‌گیرد؛ معمولاً خواص مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی ویژه‌ای مثل مقاومت در برابر خوردگـی، مقاومت در برابـر سـایش، ایجـاد سـختی، تغییـر خـواص الکتریکی و حرارتـی بـه مـاده اصلی می‌بخشـند.
البتـه در بسـیاری از موارد شـکل و نمـای ظاهـری و تزئینـی آنها نیـز مد نظر قـرار می‌گیرد. پوشش‌ها را بر اساس جنـس می‌توان بـه چهـار دسـته تقسـیم کـرد: پوشش‌های فلزی، پوشش‌های آلی، پوشش‌های معدنی، پوشش‌های هیبریدی آلی‌معدنی نانوکامپوزیتی
شکل۳ تصاویرSEM پوشش اپوکسی و SBR با حضورنانو ذرات اکسید مس را نشان می‌دهد، رزین‌های اپوکسی و SBR به دلیل وجود حلقه‌های آروماتیک در زنجیره پلیمری خود از پیوندهای بسیار قوی برخوردار است. این رزین‌های گرما سخت در آثار اعمال حرارت در آنها پیوندهای عرضی با واکنش‌های شیمیایی ایجاد می‌شود و در نتیجه وزن مولکولی متوسط آنها بالا رفته و به حالت یکپارچه و صلب در می‌آیند، در اینصورت امکان نفوذ هر گونه مواد خارجی از قبیل رطوبت، هوا و گرد و غبار به داخل پوشش نانو را نخواهد داد.
شکل۳: تصاویر SEM پوشش نانو اپوکسی و SBR باحضور نانو ذرات اکسید مس
خوردگی
پدیـده خوردگی طبـق تعریـف، واکنش شـیمیایی یـا فلـز و محیـط اطـراف آن الکتروشـیمیایی بیـن ماده، معمـول اسـت کـه بـه تغییر خـواص مـاده منجر خواهـد شـد. پدیده خوردگی در تمامـی دسته‌های اصلـی مواد شامل فلزات، سرامیک‌ها، پلیمرها و کامپوزیت‌ها اتفـاق می‌افتد، امـا وقوع آن در فلزات چنان شایع و پوشش نانو جهت استحکام سطحی فلزات فراگیر بوده، آثار مخربی به جای می‌گذارد که هنگام صحبت از خوردگی، ناخودآگاه خوردگی فلزات به ذهن متبادر می‌شود.
خوردگی معمولاً فرآیندی زیان‌آور است، اما گاهی اوقات مفید واقع می‌شود. به طور مثال آلودگی محیط به محصولات خوردگی و آسیب دیدن عملکرد سامانه از جنبه‌های زیان‌آور خوردگی و تولید انرژی الکتریکی در باطری و حفاظت کاتدی سازه‌های مختلف از فواید آن هستند؛ اما تأثیرات مخرب و هزینه‌های به بار آمده به واسطه این فرآیند به مراتب بیشتر است. در این پدیده خود به خودی، فلز از درجه اکسایش صفر به گونه‌ای با درجه اکسایش بالا تبدیل می‌شود. در واقع واکنش اصلی در تخریب فلزات، اکسایش است. (شکل۴)
واکنش‌های خوردگی
با توجه به اینکه از لحاظ ترمودینامیکی مواد اکسید شده نسبت به مواد در حالت معمولی در سطح پایین‌تری از انرژی قرار دارند، بنابراین تمایل رسیدن به سطح انرژی پایین‌تر سبب اکسید خورده شدن فلز می‌شود. با این توضیح می‌توان گفت که هیچ‌گاه نمی‌توان به طور کامل مانع خوردگی شد، بلکه باید به نحوی میزان خوردگی را به حد قابل قبولی رسانید به طورکلی هر واکنشی را که بتوان به دو واکنش جداگانه آندی و کاتدی تقسیم کرد، واکنش الکتروشیمیایی می‌نامند.
برای انجام واکنش خوردگی سه عامل، آند قسمتی که الکترون تولید می‌کند یا به عبارت دیگر اکسید می‌شود، کاتد، قسمتی از فلز که الکترون می‌گیرد با واکنش کاهش در آن صورت می‌گیرد و در نهایت الکترولیت مکانی برای برقراری اتصال یونی بین آند و کاتد لازم است. در واقع باید بین آند و کاتد هم اتصال الکتریکی اتصالات واکنش خوردگی نیز متوقف می‌شود. برای مبادله الکترون و هم اتصال الکترولیتی برای مبادله یون برقرار باشد، با از بین بردن هرکدام از این اتصالات واکنش خوردگی نیز متوقف می‌شود.
شکل۴: واکنش‌های خوردگی در آهن (۲)
پیامدهای اقتصادی خوردگـی فلـزات
پیامدهای اقتصادی خوردگـی فلـزات بسـیار زیـاد اسـت، از جمله از دسـت رفتن مقـدار قابل توجهی ماده، تأثیـر روی ایمنـی و عـدم اطمینان از مـواد کـه می‌تواند منجـر بـه توقف واحدهای صنعتی مختلف شود. بـرآوردی کـه در مورد خوردگـی انجام گرفته، نشـان می‌دهد کـه سـالانه هزینه‌های زیـادی صـرف موضـوع خوردگـی می‌شود. بیشترین ضررهای خوردگـی، هزینه‌هایـی اسـت که بـرای جلوگیری از خوردگـی تحمیـل می‌شود.
در زیـر بـه چنـد مورد از آسیب‌هایی کـه خوردگـی ایجـاد می‌کند اشـاره می‌شود؛
- کاهـش ضخامت فلـز که منجر به کاهش اسـتحکام مکانیکی و سـاختاری می‌شود، وقتـی خوردگـی در یـک ناحیـه از فلـز روی می‌دهد مشـابه نقـص سـاختاری به طور قابل توجهی فلـز را تضعیف می‌کند.
- در اثر تخریـب سـاختاری مثلاً پل‌ها و هواپیماهـا ممکـن اسـت صدمـات و جراحـات به افـراد وارد شود.
- کاهش عمر مفید تجهیزات صنعتی.
- کاهش ارزش کالاها به دلیل افت در خواص ظاهری.
- آلودگی سیالات در مخازن و لوله‌ها.
- سوراخ شدن مخـازن و لوله‌ها کـه سـبب ایجـاد نشـتی و ایجـاد آسـیب و خسـارات احتمالـی بـه اطـراف می‌شود.
- از دسـت رفتـن خواص سـطحی مهم اجـزای فلـزی مثـل خـواص اصطکاکـی.
- آسیب‌های مکانیکـی بـه شـیرها، پمپ‌هـا یـا مسدود شـدن لوله‌ها بـر اثـر انباشـته شـدن محصـولات خوردگی
پوشش نانو
خوردگى یکى از مشکلات اساسى صنایع دریایى است که همه ساله خسارت‌های فراوان اقتصادى و زیست محیطی به بار می‌آورد. خوردگى از عوامل مختلفی ناشى می‌شود که یکى از علل آن، فعالیت باکتری‌ها و میکروب‌ها است. از این نوع خوردگى، تحت عنوان خوردگى میکروبى یاد می‌شود.
رسوبات موجود در آب رودخانه‌ها و دریاها محیط‌های مناسب براى رشد و تکثیر میکرو ارگانیزم‌ها هستند. این میکرو ارگانیزم‌ها می‌توانند در سازه‌های دریایى از قبیل پایه‌های دکل‌های حفارى، بدنه کشتی‌ها و قسمت‌های فلزى و یا غیرفلزی که در تماس با آب هستند ایجاد مشکلات اساسى نمایند.
بر طبق بررسی‌های جدید، حتى پلیمرها مثلاً پلى اورتان‌ها نیز از اثرات تجمع میکروبی در امان نیستند. تیرهاى چوبى به عنوان کامپوزیت‌های طبیعى نیز درنتیجه فرسایش جلبک‌ها و قارچ‌های پوساننده چوب می‌توانند دچار انواع پوسیدگی‌ها شوند. برخى از روش‌های معمول مقابله با خوردگى میکروبى استفاده از مواد مقاوم در مقابل خوردگى، روکش‌های محافظ بر روى سطوح فلز، آسترهای روئین، تمیز کردن سطوح، استفاده از روش‌های بازرسى غیر مخرب و استفاده از میکروب‌کش‌ها هستند.
خوردگی سطح
خوردگی معمولاً در سطح مواد شروع می‌شود و طول عمر مواد مورد استفاده را مرتباً کاهش می‌دهد. به واسطه خوردگی سطح ماده، علاوه بر زیبایی، خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی مواد نیز کاهش می‌یابد. اخیراً چندین پژوهش راجع به مقاومت به خوردگی مواد نانو ساختاری (نانو کامپوزیت‌ها، پوشش‌های نازک در مقیاس نانو، نانو ذرات و…) صورت گرفته است. مواد در مقیاس نانو، خواص فیزیکی، شیمیایی و شیمی فیزیکی بی‌نظیری از خود نشان می‌دهند و این نکته می‌تواند سبب بهبود مقاومت به خوردگی گردد.
با استفاده از نانوتکنولوژى می‌توان به روکش‌هایی دست یافت که محافظت از سطح فلزات را بسیار بهتر از قبل انجام دهد. در این خصوص می‌توان به نانو کامپوزیت‌ها و پوشش‌های نانوکامپوزیتی و فایبرگلاس‌ها اشاره نمود.
روکش‌های مورد استفاده در بدنه شناورها و تجهیزات زیر دریا باید در مقابل PH آب دریا، املاح، عوامل خورنده، نفوذ آب و رشد جلبک‌ها مقاوم باشد. همچنین، باید دارای ویژگی پوشش‌های بالای سطح آب باشد و در برابر عوامل محیطی مانند تابش نور، رطوبت هوا، عوامل فیزیکی مانند ضربه امواج مقاوم باشند. در ساخت این پوشش‌ها باید تمام این فاکتورها را مدنظر قرار دهیم.
همچنین روشن شده است که نانو ذرات به علت سطح ویژه بالای‌شان، توزیع یکنواختی روی ماده زمینه دارند. لذا در پوشش نانو با استفاده از حداقل ماده مصرفی می‌توان به حداکثر بازده پوششی رسید.
شکل۵: تصویر میکروسکوپ الکترون (SEM) از پوشش نانو کامپوزیتی NiCr/Cr3C2
(الف) ساختار پوشش کامپوزیتی متداول
(ب) ساختار پوشش نانو کامپوزیتی یکنواخت
نانو رنگ‌ها
یکی از انواع پوشش نانو که در صنایع مورد استفاده می‌گردند نانو رنگ‌ها می‌باشند. فناورى نانو رنگ‌های جدید بسیار مقاوم در برابر خوردگى و اثرات محیطی هستند که با توجه به طول عمر و دوام بیش از۲۰ سال این رنگ‌ها بر بدنه، می‌توان این امر را به معناى مادام‌العمر بودن این رنگ‌ها دانست.
استفاده از تکنولوژی نانو در صنعت رنگ به عنوان مثال مانع از چسبیدن جلبک‌ها به بدنه کشتى و باعث طولانی‌تر شدن عمر آن می‌شود. یکی دیگر از روش‌های بهبود خواص سطحی و افزایش طول عمر آنها استفاده از پوشش‌های نانو کامپوزیتی است. پوشش‌های نانوکامپوزیتی نوعی از پوشش نانو هستند که خواص بهترى نسبت به پوشش‌هاى رایج دارند که چسبندگى بسیار خوب و ایجاد خواص سطحى بسیار ویژه از این جمله‌اند.
نانو پوشش‌ها
نانو پوشش‌ها را روى سطوحى مانند فلزات، شیشه، سرامیک و پلاستیک با ضخامت‌های چند میکرونى نشانده‌اند و به آنها خواصى نظیر مقاومت در برابر خوردگى مکانیکى (سایش) و شیمیایى (زنگ‌زدگی)، مقاومت حرارتى، درخشندگى و خود تمیز شوندگى داده‌اند. تمامى این عوامل سبب کاهش در میزان مصرف مواد اولیه لازم جهت جایگزینى، کاهش مصرف انرژى لازم جهت تولید مواد اولیه بیشتر و نیز کاهش نیاز به مصرف مواد پاک‌کننده که در برخى موارد، خود آلاینده محیط زیست به حساب می‌آیند می‌گردد.
از جمله مواردی که از دیرباز در مورد حرکت اجسام داخل یک سیال مورد توجه بوده است، مسئله کاهش نیروی مقاوم در برابر حرکت می‌باشد که در دوره‌های مختلف تحقیقات، مورد توجه بسیاری از دانشمندان و محققین قرار گرفته و مقالات و پروژه‌های زیادی در این مورد نگاشته شده است. با کاهش نیروی مقاوم یا درگ، امکان دستیابی به سرعت‌های بالاتر و کاهش مصرف سوخت و یا منابع دیگر انرژی برای حرکت، امکان طی مسافت‌های بیشتر به ازای دفعات سوخت‌گیری کمتر، آلودگی کمتر محیط و در نهایت افزایش عمر کارکرد تجهیزات و کارایی بهتر آنها را به دنبال خواهد داشت.
درگ
درگ را می‌توان به صورت اصطکاک بین سیال و جسم تعریف کرد که این نیروی درگ مستقیماً میزان نیروی مورد نیاز برای حرکت جسم را مشخص می‌کند. هر چه جسم با نیروی درگ کمتری روبرو شود حرکت جسم در سیال ساده‌تر خواهد بود. روش‌های مختلفی مانند تزریق هوا به زیر بدنه، بهینه‌سازی فرم بدنه‌ها و استفاده از فرم بدنه‌های جدید به منظور کاهش درگ انجام شده است. یکی دیگر از روش‌های کاهش درگ استفاده کردن از پوشش‌های کاهش مقاومت و رسوب است. این پوشش‌ها باعث کاهش چسبیدن رسوب و موجودات دریایی به بدنه شناور می‌شوند به همین دلیل در دراز مدت زبری شناور و مقاومت افزایش نمی‌یابد. همچنین اخیراً پوشش‌هایی بر پایه نانو ساخته شده است که باعث کاهش درگ شناور می‌شود.
فرآیندهای پوشش‌دهی
یکی دیگر از مواردی که در حال حاضر نانوکامپوزیت‌ها در آن به طور گسترده و مؤثرتری مورد استفاده قرارگرفته است، فرآیندهای پوشش‌دهی می‌باشند. تحقیقات انجام گرفته بر روی این پوشش‌ها نشان می‌دهد که خواص پوشش‌های نانو ساختار در بسیاری از موارد نسبت به پوشش‌های معمولی بهبود چشمگیری دارد. پوشش‌های نانو ساختار در مقایسه با پوشش‌های میکرومتری از ضریب انبساط حرارتی، سختی و چقرمگی بالاتر و مقاومت بیشتر در برابر خوردگی، سایش و فرسایش برخوردار هستند.
لازم به ذکر است مشکل اصلی تردی و شکنندگی پوشش‌هاست که با پوشش سرامیکی آلومینا، چقرمگی این ماده را تا ۲۰ درصد افزایش داد در حالیکه سختی پوشش نه تنها کم نشده بلکه بیشتر هم می‌شود. استفاده از نانو کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی این مشکل برطرف خواهد شد. مثلاً می‌توان با استفاده از تقویت‌کننده نانو تیوپ‌های کربن در نانوکامپوزیت های سرامیکی را عموماً از روش اسپری حرارتی پوشش می‌دهند.
یکی دیگر از نمونه‌های کاربرد عملی نانو تکنولوژی نشاندن لایه‌های نانو کامپوزیتی بر روی مته‌های حفاری است. راندمان ابزارهای حفاری با استفاده از این ابزارها دو برابر مته‌های معمولی است. تولید حرارت کمتر در هنگام استفاده از مته‌هایی که با پوشش جدید بهبود یافته، موجب می‌شود که بتوان از این مته‌ها در سوراخ‌کاری خشک استفاده نمود.
مواد نوین
با استفاده از نانو فناوری می‌توان به موادی دست یافت که دارای خواص نوینی می‌باشند. همچنین با تغییر ساختار موادی که به طور متداول مورد استفاده قرار می‌گیرند نیز، می‌توان خواص آنها را بهبود داد و کاربردهایی جدیدی برای آنها طراحی نمود. لذا استفاده از این مواد نانو ساختار می‌تواند در بهبود کارایی آنها در صنایع دریایی کمک شایانی نماید.
الیاف، موادی هستند که در مقایسه با سایر مواد یک محور بسیار بلند دارند. و استحکام آنها در جهت طول نسبت به سایر جهات به مراتب بیشتر است. تقاضا برای الیاف تقویت‌کننده با استحکام و مدول بالا منجر به توسعه الیاف کربن یا گرافیت شده است. الیاف گرافیت الیافی کربنی هستند که تحت عملیات حرارتی بالاتر از۱۶۵۰ درجه فارنهایت قرار گرفته‌اند. رسانایی نسبتاً خوب الکتریسیته، سبکی، استحکام، مقاومت در برابر خزش و میرایی عالی از جمله مزایا آن است. از جمله معایب آن نیز ترد بودن، مقاومت ضربه‌ای کم و گران بودن است.
تقویت نانو کامپوزیت‌ها
می‌توان از این الیاف به عنوان فاز تقویت‌کننده در نانو کامپوزیت‌ها استفاده نمود. در سال۲۰۱۱ دانشمندان آمریکایی موفق به ساخت شناوری با استفاده از نانو لوله‌های کربنی شدند که سبب افزایش سرعت شناور، کاهش ۷۵ درصدی مصرف سوخت، کاهش۱۰برابری وزن و افزایش سه برابری ظرفیت باربری نسبت به شناورهای آلومینیومی شده است. در مورد ناوهای هواپیما نیز با توجه به اینکه توان رزمی و اهمیت این ناوها برای نیروی دریایی و قابلیت دفاعی هر کشوری به یک قضیه بدیهی تبدیل شده است، فناوری نانو می‌تواند در این شناورها هم تأثیر چشمگیری داشته باشد.
بدنه ناو از ورقه‌های مقاوم و محکم فولاد چند اینچی ساخته شده است که مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر آتش‌سوزی و آسیب دیدگی‌های ناشی از میدان نبرد دارد. بدنه اصلی ناو در زیرآب به صورت قوس‌دار و نسبتاً باریک از دو قسمت تشکیل شده که در واقع دو لایه مجزا بوده و در صورت اصابت اژدر (موشک دریا به دریا) به پوسته بیرونی، پوسته داخلی به عنوان محافظ از درهم شکستن و غرق شدن کشتی جلوگیری می‌کند؛ بنابراین نانو کامپوزیت‌ها و مواد تقویت‌کننده فولادها در افزایش استحکام و مقاومت در برابر انفجار و آتش می‌تواند کمک شایانی نماید.
یکی از دسته‌های مواد نوین ساخته شده به کمک نانو فناوری، نانو کامپوزیت‌ها می‌باشند که بعضاً دارای خواص منحصر به فرد و یا بهبودیافته هستند. در ادامه به برخی از این خواص اشاره می‌نماییم.
بهبود خواص مکانیکی
خواص مکانیکی همواره یکی از خواص بسیار مهم مواد بوده است که محققان و مهندسان برای بهبود هر چه بیشتر آن تلاش می‌کنند. خواص مکانیکی به وسیله روش‌های مختلفی چون آلیاژسازی، ریزدانه کردن، کامپوزیت سازی و. . . افزایش می‌یابد. بهبود خواص مکانیکی به وسیله نانو کامپوزیت کردن مواد یکی از روش‌هایی است که امروزه مورد توجه قرارگرفته است.
از جمله این نانو کامپوزیت‌ها، کامپوزیتی مبتنی بر گرافیت بوده که ورقه گرافنی نام دارد و دارای خواص مکانیکی بسیار ویژه‌ای است. گرافن در مقایسه با فولاد شش برابر سبک‌تر، دو برابر مستحکم‌تر، قدرت کشش آن ۱۰ برابر بیشتر، مقاومت در برابر خم شدن آن ۱۳ برابر بیشتر و همچنین می‌تواند منجر به تولید محصولاتی قابل بازیافت شود که هم‌زیست سازگار بوده و هم ارزان‌تر است. شرکت‌های هواپیماسازی بزرگ نظیر بوئینگ، شروع به جایگزینی الیاف کربنی و مواد مبتنی بر کربن به جای فلزات کرده‌اند.
بدنه ناو از ورقه‌های مقاوم و محکم فولاد چند اینچی ساخته شده است که مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر آتش‌سوزی و آسیب‌دیدگی‌های ناشی از میدان نبرد دارد. بدنه اصلی ناو در زیر آب به صورت قوس‌دار و نسبتاً باریک از دو قسمت تشکیل شده که در واقع دو لایه مجزا می‌کند؛ بنابراین نانو کامپوزیت‌ها و مواد تقویت‌کننده فولادها در افزایش استحکام و مقاومت در برابر انفجار و آتش می‌تواند کمک شایانی نماید و در صورت اصابت اژدر (موشک دریا به دریا) به پوسته بیرونی، پوسته داخلی به عنوان محافظ از درهم شکستن و غرق شدن کشتی جلوگیری و یکی دیگر از مواد نانو کامپوزیتی مستحکم شده نانو کامپوزیت‌های زمینه پلیمری می‌باشد؛ که معروف‌ترین آنها فایبرگلاس‌ها می‌باشند.
فایبرگلاس
فایبرگلاس با آرایش تار و پودى (ماتریسى)، استحکام زیادى دارد. در این مواد، الیاف شیشه به صورت تارهاى نازک و تحت شرایط خاصى تولید و به صورت متفاوتى بافت می‌شوند. رایج‌ترین نوع آنها الیاف به صورت حصیرى و الیاف سوزنى است. فناورى نانو با اعمال آرایش تار و پودی بین مولکول‌ها، نانو فایبرگلاس‌های بسیار محکم و سبکى ایجاد می‌کند که نسبت به فایبرگلاس‌های امروزى برترى بسیارى دارند.
نانو کامپوزیت‌های ساندویچی و لایه‌ای کامپوزیت‌های مورد استفاده در صنایع دریایی مانند دیگر کامپوزیت‌ها از لحاظ ساختاری به دو گروه کامپوزیت‌های لایه‌ای و کامپوزیت‌های ساندویچی، تقسیم می‌شوند. کامپوزیت‌های لایه‌ای ترکیبی از فاز زمینه و تقویت‌کننده است. کامپوزیت‌های ساندویچی از سه بخش روکش، هسته و مواد چسبی تشکیل می‌شود. روکش‌ها در دو طرف هسته قرار داشته و می‌توانند یک کامپوزیت لایه‌ای یا یک ورقه فلزی باشند. هسته یک لایه حجیم و سبک بوده و از معروف‌ترین آنها فوم‌ها می‌باشند که بیشتر از پلیمرها درست می‌شوند.
سازه‌های ساندویچی
سازه‌های ساندویچی بیشتر در جاهایی کاربرد دارند که وزن و حجم سازه بر استحکام آن ارجحیت داشته باشد. این مواد در صنایع دریایی بیشترین کاربرد را در ساخت هاورکرافت دارند؛ اما در کشتی و زیر دریایی استفاده زیادی از آنها نمی‌شود. بنابراین اگر به طریقی بتوان سازه‌های ساندویچی را تقویت کرد جایگزین بسیار خوبی برای انواع سازه‌های فلزی و کامپوزیتی خواهند بود.
یکی از روش‌هایی که در جهان به آن توجه نشان داده شده است و می‌تواند در صنایع دریایی نیز کاربرد بسیار زیادی داشته باشد. استفاده از تقویت‌کننده‌های در مقیاس نانو در زمینه پلیمری هسته و پوسته کامپوزیت‌های ساندویچی است. لذا می‌توان از این مواد به جای سازه‌های فلزی و کامپوزیتی به دلیل استحکام و مقاومت زیاد و وزن کم آنها و در ضمن عدم خوردگی در آنها استفاده نمود. پس علاوه بر استفاده آنها در هاورکرافت‌ها و کشتی‌ها می‌توان این سازه‌ها را به خصوص در زیردریایی‌هایی که هم وزن سازه و هم استحکام اهمیت زیادی دارد به کار گرفت.
سلول های خورشیدی پلیمری به دلیل پتانسیل‌های متعددی از جمله وزن کم، انعطاف‌پذیری، هزینه ساخت پایین، استفاده از مواد کمتر و امکان تهیه در مقیاس بزرگ مورد توجه قرار گرفتند. از آنجا که با کوچک شدن ذرات نسبت سطح به حجم ذرات افزایش می‌یابد، استفاده از نانو ساختارها در لایه فعال سلول خورشیدی یک یا دو بخش‌اند به عنوان پذیرنده و یا در الکترودها به عنوان گردآورنده حامل‌ها بسیار مفید است.
لازم به ذکر است که این سلول‌های خورشیدی پلیمری ساختار نانو کامپوزیتی دارند. در شکل (۶) انواع مختلف سلول‌های نانو کامپوزیتی خورشیدی نشان داده شده است.
شکل۶: انواع مختلف سلول‌های نانو کامپوزیتی خورشیدی
گسترش پوشش‌های سـل- ژل
گسترش پوشش‌های سـل- ژل مقـاوم در برابر خوردگی به ویژه برای آلومینیوم سـطح تـازه آلومینیـوم وقتی در شرایط جوی قـرار می‌گیرد، بلافاصلـه لایه اکسـیدی با ضخامـت ۲ تا ۳ نانومتـر بر روی آن تشـکیل می‌شود. ایـن لایه در شرایط خورنده مالیـم PH = 5-9 یـا همان شرایط جـوی از سـطح آلومینیـوم محافظـت می‌کند. اما در شـرایط حـاد خورنـده، مقاومت کافی نـدارد. از سـوی دیگـر، برخلاف آلومینیـوم خالـص، آلیاژهای آنکه شـامل عناصـر مـس، منیزیـم و سـیلیکون هسـتند بـه خوردگی‌های جـوی نیـز حسـاس هسـتند و بـا وجـود لایـه اکسـیدی در بسـیاری از محیط‌های خورنـده مثـل کلرید دچار خوردگـی حفـره‌ای می‌شوند.
بنابراین آلومینیوم و آلیاژهـای آن بـه دلیـل کاربردهای گسترده‌ای کـه در بسـیاری از زمینه‌ها از جمله صنایـع سـاختمان، خـودرو و هوافضـا دارنـد در مـورد مطالعات مربـوط بـه خوردگـی بسـیار مورد توجه قرار می‌گیرند.
اولیـن تلاش‌ها بـرای یافتـن جایگزینی برای پوشش‌های تبدیلـی کروماته که برای آلیاژهـای آلومینیوم نیـز به طور گسـترده اسـتفاده می‌شد در سـال ۱۹۷۰ شـروع شـد. پوشش‌های آلـی پلیمـری نیز بـه دلیل ضعف چسـبندگی حاصـل از لایه اکسـیدی موجـود روی سـطح آلومینیـوم نمی‌توانند به تنهایی مورد استفاده قـرار بگیرند.
پوشش‌های هیبریـدی آلی-معدنـی بـه دلیـل عملکـرد ترکیبـی از گروه‌های آلی و معدنـی در کنـار هم توجه محققان را در سالهای اخیر بـه خـود جلـب کرده‌اند. مزایـای پوشش‌های هیبریـدی کـه بـه روش سـل-ژل تهیـه می‌شوند از جمله طراحـی سـاختار شیمیایی مناسـب و ایجاد زمینه‌ای برای گسـترش پوشش‌های بـادوام و در عین حال سـازگار با محیط‌زیست این پوشش‌ها را به سـمت اسـتفاده به منظور محافظت از آلیاژهـای آلومینیوم سـوق می‌دهد.
اسـتفاده از پوشش‌های نانو هیبریدی آلـی-معدنـی بـرای آلیاژهـای آلومینیـوم در هوافضا اولین بار توسـط بالبیشـو و همکاران در سـال ۲۰۰۳ پیشـنهاد شد. ایـن پوشش‌ها بـر مبنـای حضور یا فقـدان بازدارنده خوردگـی به دو دسـته تقسـیم می‌شوند:
(الف) پوشش نانو فاقد بازدارنده خوردگی
در شـرایطی کـه خوردگی شـدید از ایـن پوشش‌ها معمـول نیست اسـتفاده می‌شود و آنچـه که نقـش کلیدی ایفـا می‌کند نحـوه آماده‌سازی سـطح زیرلایه اسـت. به طوری که اگـر آماده‌سازی سـطح زیرلایه به طور مناسـب و مؤثری انجام شود پوشـش می‌تواند بـا سـطح فلـز پیوندهـای کوالانسـی ایجـاد کـرده و بـا سـاز و کارهایی مثـل جلوگیـری از لایه شـدن و کاهـش تمـاس مـواد خورنـده بـا سـطح فلـز از خوردگـی جلوگیـری کنـد.
شکل۷: ساز و کار عملکرد پوشش‌های حاوی بازدارنده‌های خوردگی
(ب) پوشش نانو حاوی بازدارنده خوردگی
هر چند پوشش‌های هیبریدی بـا ایجـاد لایه یکنواخـت، بدون ترک و نسبتاً متراکم، سـد فیزیکی در مقابـل خوردگی تشـکیل می‌دهند امـا یونهای خوردگـی همچنـان می‌توانند از میـان تخلخل‌ها نفـوذ کرده، سـطح مشـترک فلز و پوشـش را دچـار خوردگـی کننـد. بـا توجـه بـه اینکه در عمـل نمی‌توان به طور کامـل تخلخل‌ها را حـذف کـرد، بنابراین بـا اضافـه کـردن بازدارنده‌های خوردگی به سـامانه سـل- ژل در طـی مراحـل تهیه پوشـش می‌توان باعث افزایـش مقاومت خوردگی شـد.
شـکل ۸ مقاومت خوردگی دو پوشـش حاوی بازدارنـده و فاقـد آن را مقایسـه می‌کند. تصویر کلی پوشـش همراه بـا بازدارنـده و بدون بازدارنده را نشـان می‌دهد. بازدارنده‌های آلی بـا پوشش‌های هیبریـدی، سـازگار بـوده، از این جهت بسـیار مناسـب هسـتند.
(ب) بدون بازدارنده (الف) در حضور بازدارنده
شکل۸: مقایسه خوردگی در پوشش‌های فاقد بازدارنده و حاوی بازدارنده
شکل۹: تصویرکلی پوشش‌های حاوی بازدارنده خوردگی
نتیجه‌گیری
به کارگیری فناوری نانو در صنایع مختلف سبب تحولات عظیم و پیشرفت‌های چشمگیر در صنعت رو به رشد می‌گردد. بهره‌گیری از این فناوری نوین جهش عظیمی در رفاه، جابجایی‌های اقتصادی، کیفیت زندگی، توانایی‌های دفاعی و زیست‌محیطی را به وجود خواهد آورد. امروزه فناوری نانو با ساخت نانو مواد نوین و بهبود خواص مواد مرسوم کمک شایانی به پیشرفت مواد و کاربرد آنها نموده است. یکی از این دسته نانو مواد که کاربرد آن روزبه‌روز در حال افزایش است، پوشش‌های سطحی نانویی می‌باشند که امروزه به طور وسیعی در صنایع فلزی به کار می‌روند. برخی از این کاربردها شامل: روش‌های نوین استحصال انرژی از عوامل محیطی، پوشش نانو ، مواد نوین و کاربردهای دیگر می‌باشد.
با توجه به موقعیت استراتژیک کشور، تهدیدات منطقه‌ای و لزوم بهره‌گیری از صنایع فلزی بیش از پیش قوی‌تر، می‌توان از پوشش‌های سطحی نانو و نانو کامپوزیت‌ها استفاده‌های قابل توجهی در جهت رفع و بهبود نیازهای صنایع مکانیکی، خودروسازی، کشتی‌سازی و… نمود. یکی از مهمترین چالش‌ها در سطوح استحکام مکانیکی و داوم محیطی آنها است که با استفاده از پوشش نانو می‌توان این چالش را از پیش رو برداشت. علاوه بر صرفه‌جویی اقتصادی بسیاری از مشکلات زیست‌محیطی ناشی از پوشش‌های فعلی نیز برطرف خواهد شد. پوشش‌های نانو را به صورت چندمنظوره نیز می‌توان مورد استفاده قرار داد و معضلات رایج در صنایع فلزی، بدنه اتومبیل‌ها، از جمله خوردگی و خزه‌گرفتگی را همزمان با پوشش‌های نانو از بین برد. پیشرفت هر چه بیشتر این صنعت عظیم می‌تواند تمام نگرانی‌های ما را در صنایع فلزی از بین ببرد.
فهرست منابع و مآخذ
بخش اول
۱ -اسکندری، مهدی، کمانی، مهسا، خیاط رستمی، بابک، مقاله بررسی تاثیر نانو ذرات در رفتار خوردگی پوشش نانو کامپویتی پلیمر-اکسید فلز روی زیر لایه مس، دومین کنفرانس بین‌المللی فناوری‌های نوین در علوم، ۱۳۹۷ .
۲ -مسعودی، معصومه، رحیمی، اعظم، ۱۳۹۶ ،پوشش‌های نانوکامپوزیتی سل- ژل بر پایه سیلیکا حاوی بازدارنده خوردگی، فصلنامه علمی ترویجی توسعه فناوری پلیمر ایران.
۳ -قدیمی حرفه، فائزه، ۱۳۹۲ ،تهیه و شناسایی پوشش نانو کامپوزیتی مقاوم به سایش بر پایه اکسیدهای فلزی، . پژوهشکده علوم، پژوهش‌گاه پلیمر و پتروشیمی ایران.
۴- Figueira R. B. , Silva C. J. R. , Pereira E. V. , Organic-inorganic Hybrid Sol-gel Coatings for Metal Corrosion Protection: AReview of Recent Progress, Journal of Coatings Technology and Research, 12, 1, 1-35, 2014.
5-M. A. Mohamed, A. M. Abdullah and N. A. Younan, Corrosion behavior of superhydrophobic surfaces: areview, Arabian journal of chemistry, 8, 2015, 749-765.
6-Khelifa F. , Druart M. , Habibi Y. , Bénard F. , Leclère P. , Olivier M. et al. , Progress in Organic Coatings Sol -gel Incorporation of Silica Nanofillers for Tuning the Anti-corrosion Protection of Acrylatebased Coatings, Progress in Organic Coatings, 76, 5, 900-911, 2013.
۷-موسویان، سیدیوسف، ابراهیمی، رضا، بخشی، سعیدرضا، رستمی، محمد، ۱۳۹۳ اثرافزایش pH بر مقاومت به خوردگی وسختی پوشش نانو کامپوزیت SiC − Gr − Ni تولید شده به روش الکتروشیمیایی، اولین کنفرانس بین المللی نفت، گاز، پتروشیمی.
۸- Suleiman R. , Khaled M. , Wang H. , Smith T. J. , Gittens J. , Akid R. et al. , Comparison of Selected Inhibitor Doped Sol-gel Coating Systems for Protection of Mild Steel, Corrosion Engineering, Science and Technology, 49, 189-196, 2014.
بخش دوم
۹ -جوان الماسی، محمد، مهرآبادی، رضا، فنایی شیخ الاسلامی، ۱۳۹۱ ،بررسی انواع نانو کامپوزیت‌ها و کابرد آن در صنایع دریایی، اولین همایش توسعه سواحل مکران و اقتدار دریایی جمهوری اسلامی ایران.
۱۰ -مرادی، شهرام، مددی، آزاده، به‌منش، سیما، کاربرد نانو ذرات اکسید روی در مقاوم‌سازی پوشش شناورها و تجهیزات زیر دریایی، اولین همایش ملی توسعه سواحل مبتکران و اقتدار دریایی، ۱۳۹۱ .
۱۱-کیانژاد، سید صدرالدین، سیف، محمدسعید، ارزیابی انواع پوشش‌های کاهش‌دهنده رسوبات بدنه و مقاومت شناور، سیزدهمین همایش صنایع دریایی، ایران، کیش، ۱۳۹۰ .
۱۲ -خامئی، علی اکبر، افشان، مهدی، ضرورت به کارگیری فناوری نانو در صنایع دریایی ایران، سیزدهمین همایش صنایع دریایی، کیش، ۱۳۹۰ .
۱۳-Monika S,. MWalczak M,. Gil M. P,. Belashehr T,. Kousar K,. Lozada P. A,. Lindsay R,. Determiningthe Chemical Composition of Corrosion Inhibitor/Metal Interfaces with XPS:Minimizing Post Immersion Oxidation,Journal of Visualized Experiments, 121, 2017.
۱۴ -سروری، هانیـه، ۱۳۹۰ ،تهیــه پوشش‌های ســیلیکونی بـرای اسـتفاده در سـامانه‌های دارورسـانی خوراکی، پژوهشکده علـوم، پژوهش‌گاه پلیمـر و پتروشـیمی ایـران.
۱۵ -حدیدی، حدیث، حکیم، شکوفه، ۱۳۹۶ ،بررسی اثر الکترون‌دهنده‌های خارجی بر ریز ساختار پلی‌پروپیلن سنتز شده به وسیله کاتالیزور زیگلر- ناتا، فصلنامه پژوهش توسعه و فناوری پلیمر ایران.
۱۶- F. Arianpour, Water and ice-repellent properties of nanocomposite coatings based on silicone rubber, Masters Theses, UNIVERSITE DU QUEBEC, 2010.
17- X. Chen, Y. Huang and K. Ren, Large-scale fabrication of superhydrophobic polyurethane/nano-Al2O3 coatings by suspension flame spraying foranti-corrosion applications, Applied Surface Science, 311, 2014, 864-869. 18- X. Chen, X. Suo and J. Huang, Construction of mechanically durable superhydrophobic surfaces by thermal spray deposition and further surface modification, Applied Surface Science, 356, 2015, 639-644.
بدون دیدگاه