بخشی از مقاله
كاربرد نانومواد درصنعت برق
زماني كه قرن بيستم آغاز شد،افراد معمولي بسيار سخت مي توانستند درك كنند كه خودروها وهواپيماها چگونه كار مي كنند·بهره گيري از انرژي اتمي فقط درحد تئوري وجود داشت و شايد اكنون نيز براي عده اي در ابتداي قرن بيست و يكم بسيار سخت باشد كه باور كنند بشر روبوتهاي ميكروسكوپي خواهد ساختو خط مونتاژ ميكروسكوپي داشته باشد·توليد چنين محصولات خارق العاده اي حاصل بخشي ازدانش بشري است كه به آن نانوتكنولوژي مي گويند·
بحث نانوتكنولوژي يكي ازرايج ترين مباحث در مجامع علمي دنيا ست و كشورهايي كه نتوانند در اين فن آوري موقعيت مناسبي بدست آورند،در آينده دربسياري زمينه هاازگردونه رقابت اقتصادي خارج مي شوند چرا كه ازجمله مهمترين شاخصه هاي قابليت اقتصادي درآينده،توانايي خروج موفقيت آميزازبحران انرژي است و ازنانوتكنولوژي به منزله سلاحي جديد براي مقابله با اين بحران ياد مي شود·
امروزه ازطرفي به دليل كاهش يافتن منابع اوليه انرژي هاي فسيلي دردنيا و از طرف ديگر به دليل ايجاد آلودگي هاي شديد زيست محيطي در اثر افزايش مصرف اين منابع،توجه خاصي به منابع جديد تامين انرژي مانند انرژي هاي خورشيدي، بادي و… مي شود· اما استفاده از اين منابع مستلزم دستيابي به
تكنولوژي تبديل كننده اين پتانسيل ها به انرژي هاي الكتريكي، مكانيكي و… است·(مثل پيلهاي سوختي سلهاي خورشيدي و…)
ازسوي ديگر، نانوتكنولوژي، به سبب بهبود كيفي ابزارها، مصرف كمتر مواد اوليه مصرف كمتر انرژي، كاهش توليد مواد زائد و افزايش سرعت توليد در كشورهاي پيشرفته به عنوان مهمترين روش توليد و ساخت اين ابزارها، مطرح است· همچنين به كمك اين فناوري گام هاي موثري در جهت كاهش آلودگي زيست محيطي حاصل از سوختهاي فسيلي برداشته شده است· از اين رو از مهمترين بسترهاي به كارگيري نانو تكنولوژي در ساخت و توليد مبدلهاي انرژي هاي نو(مثل سلهاي
خورشيدي و پيلهاي سوختي)، كاهش آلاينده هاي زيست محيطي نيروگاه هاي گاز سوز(با استفاده از كاتاليست هاي احتراق)و افزايش راندمان اين نيروگاه ها(با بكارگيري نانوپوشش ها ونانومگنت ها) است·
پيشرفتهاي حاصله در زمينه نانوتكنولوژي(متالوژي)
تكنولوژي مواد يك تكنولوژي بنياني در زمينه فن آوري اطلاعات، حفاظت محيط زيست، بهينه سازي مصرف و توليد انرژي است·از سوي ديگر نانوتكنولوژي قابليت بالايي در اصلاح خواص مواد مورد م
صرف و ابداع كاربردهاي جديد براي مواد با كنترل ريز ساختارآنها درابعاد بسياربسيار ريز دارد واز اين رومي توان ظهورآن را يك انقلاب بزرگ درآغاز قرن بيسست و
يكم دانست بطور كلي پيشرفتهاي حاصل از نانو تكنولوژي در شاخه متالوژي را مي توان به دو دسته تقسيم كرد:
الف)پيشرفتهاي حاصله درساخت و توليد
ب)پيشرفت هاي حاصله در تغيير خواص مواد مورد مصرف به كمك نانوتكنولوژي
پيشرفتهاي حاصله در ساخت و توليد
در شاخه ساخت و توليدامروزه مهمترين كارهاي انجام شده در زمينه توليد نانوذرات و نانو پودرهاست· نانوپودرها موادي هستند كه به علت دارا بودن خواص منحصر به فرد خود در نوع خاصي از توليد بنام«توليد پايين به بالا»مورد استفاده قرار مي گيرند·
درتوليد پايين به بالا به جاي اينكه ماده مورد نظر را از تراش دادن ماده توده اي بسازند،آن را از ذرات و مولكولهاي تشكيل دهنده اش مي سازند اين روش با روش معمولي(توليدازبالا به پايين) بسيارمتفاوت است زيرا درتوليد معمولي، حجم بسيارزيادي ازمواد زايد حاصل ازتراش دور ريخته مي شود ولي در توليد پايين به بالا، علاوه بر اينكه چنين مشكلي وجود ندارد، استحكام ماده توليدي نيزبه علت كم شدن نواقص ريزساختاري بالا مي رود·
پيشرفت هاي حاصله دربهبود خواص مواد با نانو ساختارسازي
محققان و دانشمندان علم مواد و فيزيك بر اين باورند كه بسياري از خواص فيزيكي مواد ارتباط تنگاتنگي با ريز ساختار ماده(آرايش اتمي، تركيب شيميايي و همگني آرايش كريستالي يك جامد در يك يا دو يا سه بعد)دارد· بديهي است با پذيرش چنين اصلي مي توانيم انتظار تغيير خواص فيزي
كي يك جامد را دراثر تغيير يافتن يكي از پارامترهاي مذكور داشته باشيم· در ارتباط با نانومواد گزارشات متعددي درخصوص تغييرات خواص دراثراين تحولات ارايه شده است كه با توجه به كاربردهاي بسيار جالب آنها، تلاشهاي زيادي جهت درك پديده هاي نوظهورايجاد شده درحال انجام است درواقع تغييردر ساختار اتمي مواد، نقش تعيين كننده اي در كنترل خواص مواد نانوساختار دارد· به عنوان مثال كم شدن ابعاد دانه درحد نانومتراثر شديدي بر توليد و حركت نابجائي ها و در نتيجه افزايش چشمگير استحكام تسليم، سختي و چقرمگي دارد·همچنين مقاومت به سايش و خوردگي مواد نانوساختار از نمونه هاي معمول بيشتر است·
ريز ساختار نانومواد:
در يك تقسيم بندي كلي انواع مواد نانوساختار مي توانند بر اساس تركيب شيميايي كريستاليت ها يا مرز دانه ها، شكل بلوك ها و… در چهار گروه دسته بندي شوند·
برا ساس این مدل در ساده ترین حالت ( گروه اول ) کریستالیتها و نواحی مرزی دارای ترکیب شیمیمایی یکسان هستند . مثل پلیمرهای نیمه هادی که درآنها لایه های کریستالی روی هم چیده شده ، توسط لایه های غیر کریستالی جدا می شود . این کریستالیتها ، ساختار کریستالی متفاوت اما ترکیب شیمیایی یکسانی دارند .
گروه دوم نیز مشابه گروه اول است با این تفاوت که علاوه برساختار کریستالی ترکیبی شیمیایی کریستالیتها نیز با یکدیگر متفاوت است . حالت سوم حالت یاست که یک کریستالیت غالب وجود دارد که بین دانه های آن مرزدانه است . در اینحالت یک نوع اتم یا مولکول در نواحی مرزی به گونه ای تجمع می یابد که هم تغییرات ساختاری و هم شیمیایی را به طور مضاعف داشته باشیم . نوع چهارم جامدهای نانوساختار ، می تواند به صورت توزیع کریستالهای نانومتری با اشکال مختلف ( نظیر صفحه ای ،میله ای و غیره ،) در یک زمینه با ترکیب شیمیایی متفاوت پدیدار شود ( مثل آلیاژهای رسوب سختی شده ) . بدین ترتیب با اعمال کنترلهای بسیار دقیق ، شاهده تأثیرات نانو ساختار سازی بر بهبود خواص مواد مورد استفاده بود . بکارگیر نانو تکنولوژی در پوشش قطعات داغ توربین های گازی قطعات داغ توربین های گازی زمینی از سوپر آلیاژهای گران قیمت ساخته می شوند که دوام خزشی نسبتا بالایی داشته باشند . هزینه تأمین مواد اولیه از یک سو و پیچیدگی روشهای تولید ، ماشین کاری و کنترل کیفی از سوی دیگر سبب شده است که این قبیل ق
طعات قیمت تمام شده بالایی داشته باشند . قطعات مذکور در تماس مستقیم با گازهای داغ هستند ودر اثر عوامل تخریبی مختلفی از جمله سوخت مورد استفاده شوکهای حرارتی و شرایط محیطی آسیب می بینند. آسیبهای وارده به صورت کاهش ضخامت و تضعیف فلز پایه به دلیل خوردگی داغ ، اکسیداسیون ، فرسایش و پوسته شدند یا افت خواص مکانیکی در اثر نفوذ عوامل مضربه داخل زمینه آلیاژ بروز می کند . در سه دهه گذشته تلاشهای زیادی برای افزایش مقاومت این آلیاژها انجام شده است تا بدین وسیله افزایش توام با استحکام و مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی امکان بالا بردن دما جهت افزایش راندمان توربین فراهم شود و نیز بتوان از سوختهای ناخالص تر و ارزان تر برا ی احتراق استفاده کرد . افزایش مقاومت به خوردگی آلیاژ، با بهبود ترکیب شیمیایی ، اصلاح ریز ساختار ، کنترل دمای کاری و کاهش عوامل خورنده در محیط کاری صورت می گیرد . همچنین افزودن یکسری از عناصر مانند کروم و آلومینوم سبب افزایش مقاومت به خوردگی و اکسید اسیون می شود . اما افزودن این عناصر سایر خواص آلیاژ مثل استحکام و مقاومت ضربه را به شدت کاهش می دهد . از طرفی کاهش دمای کاری توربین ها ، راندمان را کاهش داده و مقرون به صرفه نخواهد بود .
به منظورکاهش عوامل خورنده می توان از فیلتر کردن سوخت ، هوا و غیره استفاده کرد و لی حذف کامل این عوامل امکان پذیر نیست . از این رو جهت بر طرف کردن معظلات مذکور ، استفاده از پوشش مطرح شده که فلسفه آن طراحی سیستمی مشتمل از یک آلیاژ با استحکام بالا برای تحمل تنش ها و یک پوشش سطحی برای رسیدن به بالاترین خواص حفاظتی در برابر محیط باشد .
از بین پوشش های مرسوم می توان به پوشش های سرامیکی ، (تک فاز و کامپوزیتی ،) و پوشش های کروم سخت اشاره کرد . اما همه این روشها مشکلات مهمی دارند که باعث محدودیت در استفاده از آنها می شود . آبکاری کروم ، همراه با مواد سمی و خطرناک است و رفع آنها هزینه بسیار زیادی می طلبد ، از طرف دیگر پوششهای پاشش پلاسمایی سرامیکی ، قیمت کمتری نسبت به کروم سخت دارند ، اما تردند و چسبندگی خوبی با زمینه ایجاد نمی کنند . از این رو جایگزینی این پوشش ها با پوشش هایی که این مشکلات را نداشته باشند بسیار مورد توجه است و دربین راههای مختلف ، نانو ساختار سازی پوشش های سرامیکی از بهترین و جدیدترین شیوه ها محسوب می شود . با توجه با تأثیر بسزای بکارگیری نانو ساختار ها در بهبود خواص پوشش ها ، تا کنون تأثیر نانو ساختار ساز روی خواص پوشش های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است . در این میان نانو پوششهای سد حرارتی ( TBC) از اهمیت بسزایی جهت ایزوله کردن حرارتی اجزای داغ ، برخوردارند ، چراکه این
پوشش ، فلز را ایزوله می کند و باعث می شود که بالاتر رفتن دمای کاری ، بازدهی موتور افزایش یابد ، دمای اجزای فلزی پایین تربیاید و درنتیجه زوال ، دیرتر صورت گیرد ، احتیاج کمتری ب
ه خنک کننده باشد و احتمال زوال حرارتی کم شود ، که اینها در مجموع منجر به بهبود کارآیی ، بازدهی بیشتر و طول عمر بیشتر اجزای موتور توربین های گازی می شود.
پوشش های سد حرارتی نانو ساختار
بر اساس تحقیقا بعمل آمده ، زوال پوششهای سد حرارتی در سیکل های حرارتی ، هنوز مشکل مهمی محسوب می شود که شدیداً عمر قطعه پوشش داده شده را کم می کند . این زوال ناگهانی معمولا بر اثر پوستهای شدن پوشش سرامیکی واقع می شود که با ریز کردن ابعاد ذرات و کریستالها در پوششهای نانو ساختار معضل مذکور برطرف می شود . عمده ترین روشی که برای پوشش سد حرارتی در حالت نانو ساختار بکار گرفته می شود . پوشش دهی پلاسمایی است .
اصول پوشش دهی پلاسمایی معمولی و نانو ساختار ، عملا تفاوتی با یکدیگر ندارند . مبانی پوشش دهی پلاسمایی بدین صورت است که یک گازخنثی از ناحیه ای که تخلیه الکتریکی شده ، عبور می کند و دمای آن بسیار بالا می ورد تا گاز یونیزه شود . گاز یونیزه شده از داخل یک نازل ، با نیروی بسیار وسرعت زیاد خارج شده ، از طرف دیگر ذرات پودری تغذیه در مسیر حرکت پلاسما قرار گرفته ، داغ و ذوب شده ، به طرف فلز پایه هدایت می شوند . نکته ای که در این راستا مطرح است این است که استفاده مستقیم از پودر باذرات نانو ، امکان پذیر نیست چون نانو ذرات نمی توانند با تزریق در ناحیه پلاسما به خوبی اسپری شوند چراکه اندازه این ذرات بسیار کوچک است و اندازه حرکت لازم برای رسوخ به پلاسما و ضربه زدن مناسب به سطح فلز پایه را ندارند از این رو تنها نکته این روش رعایت شرایط ویژه تهیه تغذیه مناسب برای پاشش به روی زمینه جهت رسیدن به پوشش های نانو ساختار است.
در روش پوشش دهی ، پلاسمایی قطره های مذاب که روی فلز پایه یا پوشش منجمد شده قبلی پرتاب می شوند ، پس از انجماد مرزی با بخش منجمد شده تشکیل می دهند که به آن مرز پرتابی گفته می شود . درنمونه های پاشش حرارتی شده معمولی ، نواحی مرزهای پرتابی مکان
مناسبی برای رشد ترک هستند اما در پوششهای نانو ساختار ، مرزهای پرتابی توسط نواحی ذوب کامل نشده قطع می شوند و ترک از داخل مرزهای پرتابی رشد می کند که بارسیدن به این نواحی متوقف می شود و یا مسیرش منحرف می شود . علت بهبود سایش پوشش های نانو در مقایسه پوششهای معمولی این است که به دلیل ساده گی رشد ترک از مرزهای پرتابی .
