توليد پودر نانوسيليسيم كاربيد (SiC) براي توليد كامپوزيت آلومينيم سيليسيم كاربيد (Al/SiC) با خواص جديد 

 

 


كامپوزيت Al/SiC داراي خواص ويژه‌اي است كه افزايش خواص مكانيكي و سبكي قطعات مختلف خودرو را در پي دارد. اين موارد در نهايت به كاهش مصرف سوخت و حفظ محيط زيست مي‌انجامد.

نانوتكنولوژي و صنعت خودرو
نانوتكنولوژي به عنوان انقلاب صنعتي قرن آينده، اثرات فراواني در صنايع گوناگون خواهد داشت. يكي از چشم‌اندازهاي اميدواركننده اين تكنولوژي پيشرفته، تحول در صنعت خودروسازي است.
يكي از اصلي‌ترين موضوعات نانوتكنولوژي، ساخت مواد با خواص جديد است. اين مواد، ارزش افزوده بسيار بالا و كارايي بالاتري در تمام صنايع خواهند داشت كه صنعت خودرو نيز از آن مستثني نخواهد بود.
ساخت بدنه‌هاي سبكتر و مقاومتر براي خودرو، ساخت لاستيك‌هايي با مقاومت سايشي بهتر، ساخت قطعات موتور با عمر چند برابر، كاهش مصرف سوخت خودرو، ساخت باتري‌هايي با انرژي بالا و دوام بيشتر، ساخت نانوساختارهايي مبتني‌بر كربن به عنوان سوپر اسفنج هيدروژني در خودروهاي پيل‌سوختي، ساخت حسگرهاي چند منظوره براي كنترل فرايندهاي مختلف در خودرو، ساخت كاتاليزورهاي اگزوز خودرو براي كاهش آلودگي هوا، لايه‌هاي بسيار محكم با خصوصيات ويژه‌اي مثل الكتروكروميك (رنگ‌پذيري الكتريكي) با خود پاك‌كنندگي براي استفاده در شيشه‌ها و آينه‌هاي خودرو و سازگار كردن خودرو با محيط‌زيست و بسياري از موارد ديگر، از جمله كاربردهاي نانوتكنولوژي در صنعت خودرو است. همچنين، جايگزيني كربن سياه در تايرها با ذرات رس و پليمرهاي نانومتري، تكنولوژي جديدي است كه تايرهاي سازگار با محيط زيست و مقاوم در برابر ساييدگي را به ارمغان مي‌آورد.
يكي از اثرات مثبت نانوتكنولوژي، افزايش بازده موتورهاي درونسوز كنوني است. اين موتورها، حدود 15 درصد از انرژي ذخيره شده در بنزين را به نيروي محركه تبديل مي‌كنند. از سوي ديگر، وزن متوسط ماشين‌هاي امروزي حدود 1500 كيلوگرم است. با استفاده از نانوتكنولوژي، پيش‌بيني مي‌شود كه بتوان بازده را تا 5 برابر افزايش داد و نيز وزن وسايل نقليه را به ميزان 10 برابر كاهش داد. لذا مي‌توان اميدوار بود كه وسايل نقليه با استفاده از اين فناوري تا 50 درصد بهبود كارايي داشته باشند.
كل درامد صنايع خودروسازي از يك تريليون دلار فراتر مي‌رود (فروش شركت جنرال‌موتورز كه حدود 1/15 درصد از بازار 2001 را در دست داشت، 3/177 ميليارد دلار در اين سال بود). الگوهاي خريد وسايل نقليه جديد، تابع اقتصاد جهاني است. در شرايط ركود كنوني، عواملي اقتصادي نظير مصرف اندك سوخت و سوخت جايگزين، اهميت فزاينده‌اي دارد. با افزايش ميزان توليد در سطح جهاني و كاهش سود و قدرت تصميم‌گيري خريداران، توليدكنندگان خودرو و دست‌اندركاران صنعت حمل و نقل، بيش از هميشه خواهان اصلاحاتي در محصول و فرايند توليد هستند.
خصوصيات ويژه صنعت خودرو، آن را به بازاري مستعد براي ورود نانوتكنولوژي تبديل كرده است. اين بازار، بسيار بزرگ بوده و با پيشرفت زمان، پذيرش سريعي براي ايجاد محصولات جديد دارد (در مقايسه با ديگر محصولات داراي پيچيدگي مشابه).
صنعت خودرو، از سويي در معرض فشارهاي ناشي از قيمت سوخت و مسائل ايمني است و از سوي ديگر به شدت تحت تأثير سلايق و تنوع در درخواست‌هاي مشتريان براي مدل‌هاي جديد خودرو است.
بنابراين، تمايل زيادي به ورود فناوري‌هاي نوين در اين صنعت وجود دارد. خودرو، همانند لباس براي بسياري از افراد، فقط يك كالاي ضروري نيست بلكه وسيله‌اي براي ابراز شأن، منزلت و سبك زندگي تلقي مي‌شود. به همين دلايل، صنعت خودرو يكي از اولين نقاط ورود فناوري‌هايي است كه بيش از عملكرد، نوگرايي در آنها مطرح است. مثلاً، پوشش‌هاي پنجره الكتروكروميك، كه مي‌توانند به صورت دلخواه يا خودكار، شيشه‌ها را تيره سازند، يكي از كاربردهاي بالقوه نانوتكنولوژي است كه احتمالاً پيش از نفوذ به ديگر بازارهايي همچون صنعت ساختمان، در ساخت خودروهاي پيشرفته جايگاهي خواهند يافت.

كاربردهاي نانوتكنولوژي در صنعت خودرو
نانوتكنولوژي، كاربردهاي بسياري در صنعت خودرو دارد كه مهم‌ترين آنها عبارتند از:

مواد ساختاري و پوشش‌ها
با توجه به اهميت نانوكامپوزيت‌ها در صنعت خودرو و اينكه يكي از مصرف‌كنندگان بزرگ نانوكامپوزيت‌ها، صنعت حمل و نقل است. در اين بخش با تفصيل بيشتري به موضوع مي‌پردازيم.

الف- نانوكامپوزيت‌هاي پليمري
نياز اقتصادي رو به افزايش سوخت در عرصه حمل و نقل، تقاضا براي استفاده از مواد جديد سبك وزن مانند پلاستيك را كه مي‌تواند جايگزين فلز شود، افزايش داده است. انواع خوب اين پلاستيك‌ها گران‌قيمت هستند. نانوكامپوزيت‌ها، دسته جديدي از مواد مورد مطالعه جهاني هستند كه شامل پليمرهاي قديمي تقويت شده با ذرات نانومتري هستند. در واقع، نانوكامپوزيت‌ها گروهي از پلاستيك‌هاي انباشته از مواد معدني هستند كه شامل مقدار كمي (كمتر از 10 درصد) از ذرات ريز نانومقياس (اغلب خاك رس) هستند. در حالت نظري، اين مواد مي‌توانند به آساني به صورت اكسترود يا قالب، به شكل نهايي در آيند. اين در حالي است كه از استحكام و قدرت فلز برخوردار بوده و از آن سبك‌تر هستند.
خاصيت مهمي كه براي نانولوله‌هاي كربني ذكر شده است، رسانايي الكتريكي آنهاست كه با توجه به اين ويژگي‌ مي‌توان با كاربرد آنها در بدنه خودرو و ديگر قسمت‌ها، از روش رنگ الكترواستاتيكي براي رنگ‌آميزي خودرو استفاده كرد (توضيح بيشتر در قسمت رنگ و پوشش ارائه شده است).

ب- نانوكامپوزيت‌هاي فلزي
استفاده از نانوبلورهاي فلزي به صورت تركيبات ساختاري حجيم (Bulk) در صنعت خودرو، از فرصت‌هاي زيادي برخوردار است. استفاده از اين مواد در بدنه خودروها با نانوكامپوزيت‌هاست. مثلاً، نانوبلورهاي فولاد مزاياي زيادي در ارتقاي درجه استحكام ايجاد مي‌كنند. شركت تويوتا از اين مواد در ساخت خودروهايش استفاده كرده است.
نانوبلورهاي فولاد، نسبت استحكام به وزن را به نحوي قابل ملاحظه بهبود مي‌بخشند. اين ويژگي‌ مي‌تواند از افول صنعت فولاد و جايگزيني آن توسط كامپوزيت‌هاي پليمري، جلوگيري كند. در مجموع، نانوبلورهاي فلزي در قسمت‌هاي مختلف خودرو نظير موتور، باعث استحكام و سختي مي‌شوند.
سراميك‌ها، از لحاظ سختي داراي قابليت رقابت با اين‌گونه مواد هستند، اما بسيار شكننده‌اند. نانوبلورهاي سراميكي، بسيار با دوام بوده و قادرند تركيباتي را كه نياز به سختي، مقاومت فرسايش و اعوجاج گرمايي بالايي دارند، ارتقا بخشند.
افزودن نانوذرات اكسيد آلومينيم به آلومينيم، باعث مي‌شود تا مقاومت آن در برابر ساييدگي، مشابه بهترين ياتاقان‌هاي فولادي شود.

پ- رنگ و پوشش
استفاده از نانوتكنولوژي در رنگ، باعث افزايش كيفيت رنگ و كاهش مصرف آن مي‌شود. نكته مهم در اين زمينه، جاذبه رنگ براي جلب توجه مشتري به محصول است. مثالي در اين مورد مي‌گويد: "The color sails your products" رنگ، باعث فروش توليدات شما مي‌شود». رنگ، عاملي مهم در جلب توجه مشتري است. استفاده از رنگ‌هاي مقاوم در برابر نور خورشيد، ساييدگي و همراه با خاصيت صيقلي بالا (جلاي زياد) در خودرو ضروري است. نانوتكنولوژي به دو صورت به اين بخش كمك مي‌كند: يكي انتخاب مواد مناسب در رنگ و ديگري روش‌هاي بهينه رنگ كردن.
نانوذرات با اندازه‌هاي مختلف، نورهايي با فركانس‌هاي متفاوت ساطع مي‌كنند. لذا مي‌توان از آنها براي توليد رنگ‌هاي گوناگون استفاده كرد.
كاربرد جالب توجه در اين بخش، استفاده از نانولوله‌هاي كربني در رنگ است. فيبريل‌ها، ساختارهاي ويژه‌اي هستند كه از نانولوله‌هاي كربني ساخته مي‌شوند (استوانه‌هايي متشكل از 8 لايه گرافيتي كه از فاز بخار به عمل مي‌آيند) و خاصيت رسانايي بالايي دارند. فيبريل‌ها از لحاظ شكل ظاهري شبيه به رشته‌هاي ماكاروني در ابعاد ميكروسكوپي هستند. قطر خارجي آنها 10 نانومتر و قطر داخلي آنها 5 نانومتر و طول آنها از 1 تا 10 ميكرون متغير است.
كاربرد فيبريل‌ها در رنگ، باعث رسانايي آن مي‌شود و مي‌توان از آن براي رنگ كردن خودرو به روش قطره‌هاي باردار شده استفاده كرد (روش رنگ الكترواستاتيكي). در اين روش، رنگ و قسمت‌هايي را كه قرار است رنگ شوند، باردار مي‌كنند تا جاذبه الكتريكي بين آنها باعث جذب رنگ شود. به اين ترتيب، كارايي رنگ، چه از لحاظ كيفيت و چه از لحاظ كميت (ميزان رنگ مصرفي) ارتقا مي‌يابد. در اين روش، رنگ به‌طور دقيق روي سطح مورد نظر مي‌نشيند و از پراكنده شدن آن جلوگيري مي‌شود. لذا كارايي آن بالا رفته و سريع و تميز و مقرون به صرفه مي‌شود. همچنين، اين روش باعث كاهش انتشارات سمي (VOC) مي‌شود (نمودار 1).

 

 

 

 

 

 

 

نمودار 1: كارايي رنگ الكترواستاتيك

 

 

 

 

 

رشته‌هاي فيبريل مشاهده مي‌شوند كه حدود 200 هزار بار بزرگتر شده‌اند

كارايي رنگ الكترواستاتيكي، چهار برابر بيشتر از رنگ به روش اسپري است. در روش الكترواستاتيكي 80 درصد از رنگ روي قسمت مورد نظر مي‌نشيند، اما در روش‌هاي ديگر اين مقدار به 20 درصد مي‌رسد.
فناوري پوشش‌دهي مبتني‌بر نانوتكنولوژي، چه از طريق فرايندهاي سل‌_ژل و چه روش‌هاي نانوذره‌اي، كاربردهايي را ارائه مي‌دهند كه در صنعت خودرو داراي جذابيت تجاري هستند. در زمينه پنجره‌هاي فتوكروميك و الكتروميك يا پنجره‌هايي كه به ترتيب تحت تأثير نور و الكتريسيته تغيير رنگ مي‌دهند، تحقيقاتي صورت گرفته است. با تعداد زيادي از روش‌هاي مبتني‌بر نانوذرات و فرايند سل-ژل، مي‌توان اين گونه شيشه‌ها را توليد كرد.
پوشش‌هاي سراميكي نانوذرات، موجب پايداري حرارتي و مقاومت به فرسايش در قطعات موتور مي‌شوند.
پوشش‌هاي مبتني‌بر نانوذرات، ويژگي مواد خود پاك‌كننده را از خود نشان داده‌اند (شركت BMW به همراه شركت Creavis در اين زمينه فعال هستند).
آلودگي هوا براي اكثر كشورها بويژه كشورهاي اروپايي، معضلي جدي است. در فرانسه، 30 ميليون خودروي آلاينده هوا در حال تردد هستند. از آنجا كه به ازاي 100 كيلوگرم كاهش وزن، 5/0 ليتر در مصرف سوخت در هر صد كيلومتر صرفه‌جويي مي‌شود، استفاده از سيليسيم به معني كاهش آلودگي است.
استاندارد ميزان CO2 توليد شده توسط خودرو در اروپا تا سال 2008، حداكثر 140 گرم بر كيلومتر و تا سال 2012، حدود 120 گرم بر كيلومتر در نظر گرفته شده است.
بخش محيط‌زيست ساپكو در زمينه بررسي كامپوزيت Al/SiC و كاربردهاي مختلف آن در صنعت خودروسازي و تهيه كامپوزيت‌هاي مختلف با درصدهاي متفاوت SiC اقدام به تحقيق و تهيه پودر نانو SiC كرده و صحت تشكيل آن توسط دستگاه تفرق اشعه (XRD) X دانشكده متالورژي دانشگاه تهران مورد تأييد قرار گرفته است.