کاربرد نانومواد درصنعت برق
زمانی که قرن بیستم آغاز شد،افراد معمولی بسیار سخت می توانستند درک کنند که خودروها وهواپیماها چگونه کار می کنند·بهره گیری از انرژی اتمی فقط درحد تئوری وجود داشت و شاید اکنون نیز برای عده ای در ابتدای قرن بیست و یکم بسیار سخت باشد که باور کنند بشر روبوتهای میکروسکوپی خواهد ساختو خط مونتاژ میکروسکوپی داشته باشد·تولید چنین محصولات خارق العاده ای حاصل بخشی ازدانش بشری است که به آن نانوتکنولوژی می گویند·
بحث نانوتکنولوژی یکی ازرایج ترین مباحث در مجامع علمی دنیا ست و کشورهایی که نتوانند در این فن آوری موقعیت مناسبی بدست آورند،در آینده دربسیاری زمینه هاازگردونه رقابت اقتصادی خارج می شوند چرا که ازجمله مهمترین شاخصه های قابلیت اقتصادی درآینده،توانایی خروج موفقیت آمیزازبحران انرژی است و ازنانوتکنولوژی به منزله سلاحی جدید برای مقابله با این بحران یاد می شود·
امروزه ازطرفی به دلیل کاهش یافتن منابع اولیه انرژی های فسیلی دردنیا و از طرف دیگر به دلیل ایجاد آلودگی های شدید زیست محیطی در اثر افزایش مصرف این منابع،توجه خاصی به منابع جدید تامین انرژی مانند انرژی های خورشیدی، بادی و… می شود· اما استفاده از این منابع مستلزم دستیابی به
تکنولوژی تبدیل کننده این پتانسیل ها به انرژی های الکتریکی، مکانیکی و… است·(مثل پیلهای سوختی سلهای خورشیدی و…)
ازسوی دیگر، نانوتکنولوژی، به سبب بهبود کیفی ابزارها، مصرف کمتر مواد اولیه مصرف کمتر انرژی، کاهش تولید مواد زائد و افزایش سرعت تولید در کشورهای پیشرفته به عنوان مهمترین روش تولید و ساخت این ابزارها، مطرح است· همچنین به کمک این فناوری گام های موثری در جهت کاهش آلودگی زیست محیطی حاصل از سوختهای فسیلی برداشته شده است· از این رو از مهمترین بسترهای به کارگیری نانو تکنولوژی در ساخت و تولید مبدلهای انرژی های نو(مثل سلهای خورشیدی و پیلهای سوختی)، کاهش آلاینده های زیست محیطی نیروگاه های گاز سوز(با استفاده از کاتالیست های احتراق)و افزایش راندمان این نیروگاه ها(با بکارگیری نانوپوشش ها ونانومگنت ها) است·
پیشرفتهای حاصله در زمینه نانوتکنولوژی(متالوژی)
تکنولوژی مواد یک تکنولوژی بنیانی در زمینه فن آوری اطلاعات، حفاظت محیط زیست، بهینه سازی مصرف و تولید انرژی است·از سوی دیگر نانوتکنولوژی قابلیت بالایی در اصلاح خواص مواد مورد مصرف و ابداع کاربردهای جدید برای مواد با کنترل ریز ساختارآنها درابعاد بسیاربسیار ریز دارد واز این رومی توان ظهورآن را یک انقلاب بزرگ درآغاز قرن بیسست و
یکم دانست بطور کلی پیشرفتهای حاصل از نانو تکنولوژی در شاخه متالوژی را می توان به دو دسته تقسیم کرد:
الف)پیشرفتهای حاصله درساخت و تولید
ب)پیشرفت های حاصله در تغییر خواص مواد مورد مصرف به کمک نانوتکنولوژی
پیشرفتهای حاصله در ساخت و تولید
در شاخه ساخت و تولیدامروزه مهمترین کارهای انجام شده در زمینه تولید نانوذرات و نانو پودرهاست· نانوپودرها موادی هستند که به علت دارا بودن خواص منحصر به فرد خود در نوع خاصی از تولید بنام«تولید پایین به بالا»مورد استفاده قرار می گیرند·
درتولید پایین به بالا به جای اینکه ماده مورد نظر را از تراش دادن ماده توده ای بسازند،آن را از ذرات و مولکولهای تشکیل دهنده اش می سازند این روش با روش معمولی(تولیدازبالا به پایین) بسیارمتفاوت است زیرا درتولید معمولی، حجم بسیارزیادی ازمواد زاید حاصل ازتراش دور ریخته می شود ولی در تولید پایین به بالا، علاوه بر اینکه چنین مشکلی وجود ندارد، استحکام ماده تولیدی نیزبه علت کم شدن نواقص ریزساختاری بالا می رود·
پیشرفت های حاصله دربهبود خواص مواد با نانو ساختارسازی
محققان و دانشمندان علم مواد و فیزیک بر این باورند که بسیاری از خواص فیزیکی مواد ارتباط تنگاتنگی با ریز ساختار ماده(آرایش اتمی، ترکیب شیمیایی و همگنی آرایش کریستالی یک جامد در یک یا دو یا سه بعد)دارد· بدیهی است با پذیرش چنین اصلی می توانیم انتظار تغییر خواص فیزیکی یک جامد را دراثر تغییر یافتن یکی از پارامترهای مذکور داشته باشیم· در ارتباط با نانومواد گزارشات متعددی درخصوص تغییرات خواص دراثراین تحولات ارایه شده است که با توجه به کاربردهای بسیار جالب آنها، تلاشهای زیادی جهت درک پدیده های نوظهورایجاد شده درحال انجام است درواقع تغییردر ساختار اتمی مواد، نقش تعیین کننده ای در کنترل خواص مواد نانوساختار دارد· به عنوان مثال کم شدن ابعاد دانه درحد نانومتراثر شدیدی بر تولید و حرکت نابجائی ها و در نتیجه افزایش چشمگیر استحکام تسلیم، سختی و چقرمگی دارد·همچنین مقاومت به سایش و خوردگی مواد نانوساختار از نمونه های معمول بیشتر است·
ریز ساختار نانومواد:
در یک تقسیم بندی کلی انواع مواد نانوساختار می توانند بر اساس ترکیب شیمیایی کریستالیت ها یا مرز دانه ها، شکل بلوک ها و… در چهار گروه دسته بندی 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 قطعات 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 به 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 .