تبلیغات
دنیای فیزیك از دریچه پارس فیزیک

نانومواد كاربردی






نانو کامپوزیت ها
به طور کلی کامپوزیت ها متشکل از ماده ای به عنوان زمینه ماده دیگری به عنوان تقویت کننده هستند. این مسئله تنوع پذیری خاصی به این مواد می بخشد. برخی از نانو کامپوزیت ها ترکیبی از نانوالیاف محکم کربن و الیاف محکم کولار یا پلاستیک های مقاوم در برابر خوردگی هستند که بسیار بهتر از فولاد و آلومینیوم عمل می کنند. نانو کامپوزیت های پیشرفته در بسیاری از اشیای روزمره نظیر بدنه قایق ها، چوب های ماهی گیری و راکت های تنیس قابل کاربرد است، همچنین در جلیقه های ضدگلوله جدید از این نوع مواد بسیار استفاده می شود. استفاده از آهن آلات به دلیل هزینه های بالا، وزن زیاد و خوردگی در برابر شرایط جوی مقرون به صرفه نیستند. به کارگیری کامپوزیت ها و نانو کامپوزیت ها علاوه بر استحکام خوب و ارزان قیمت بودن باعث سبکی و افزایش عمر مفید قطعات می گردد. جایگزینی نانو کامپوزیت های سرامیکی و پلاستیکی در قطعات مکانیکی و بدنه خودروهای نظامی می تواند متضمن کاهش مصرف سوخت و افزایش عمر مفید گردد. در آینده با پیشرفت فناوری تولید انبوه نانو لوله های کربنی طویل، این ماده با یک ششم وزن فولاد و50 برابر مقاومت کششی آن، جایگزین این فلز قدیمی می شود و موجب دگرگونی در کل محیط زندگی خواهد شد. البته نه در آینده دور که هم اکنون این نانو لوله ها برای حصول کامپوزیت های سبک، بسیار مقاوم و رسانای الکتریسته، به صورت نه چندان دراز ولی هم راستا برای اختلاط با پلاستیک ها استفاده می شوند؛ البته پیش از تولید تجاری ارزان این نانو لوله ها برای مصارف نظامی – که کیفیت بر قیمت غلبه دارد – می توان از این مواد سود جست. منسوجات خود ترمیم شونده(Self healing) و مغناطیسی های دائمی دارای انرژی مغناطیسی چند برابر مغناطیس های عادی (برای استفاده در موتورهای الکتریکی) از دیگر موارد قابل ذکر در این زمینه به شمار می رود. فایبرگلاس با ساختار شبکه ای به صورت تار و پودی، استحکام زیادی دارد. در این مواد، الیاف شیشه به صورت تارهای نازک و تحت شرایط خاصی تولید شده، به طرق متفاوتی به هم بافته می شوند؛ رایج ترین نوع آنها الیاف بافته شده به صورت حصیری و الیاف سوزنی است. فناوری نانو با اعمال آرایش تار و پودی بین مولکول ها، نانو فایبرگلاس های بسیار محکم و سبکی ایجاد می کند که نسبت به انواع امروزی برتری بسیاری دارند. این مواد در کشتی های مسافربری، شناورهای نظامی و زیردریای ها کاربردهای فراوانی دارند.


پوششهای نانوساختار
پوششهای نانوساختارتک مولکولی، یکی دیگر از زمینه های پژوهشی در حوزه نانو مواد است. لایه ای نازک از این مواد را می توان روی سطوح فلزی یا پلاستیکی نشاند و مقاومت سایشی و ضربه ای آنها را به شدت افزایش داد. از موارد جالب کاربردهای نظامی در این زمینه می توان به موارد زیر اشاره کرد:
ساخت و طراحی لباس های مقاوم در برابر گلوله و مقاوم در برابر ضربه و آتش: استفاده از نانو روکش ها در الیاف لباس های سربازان و نیروهای امنیتی باعث سبک و قابل حمل شدن و استحکام آنها می گردد.
به کار بردن روکش هایی از جنس نانو اکسیدهای فلزی برای تعمیر قطعات فرسوده یا زنگ زده.
ساخت کلاه های جنگی با مقاومت حرارتی بالا با استفاده از نانو روکش ها.

نانوپودرها و نانوذرات


نمونه هایی از کاربردهای نانوپودرها به شرح زیر است:
به دلیل هم اندازه بودن اندازه برخی نانوپودرها با طول موج نور مرئی، این طول موج را با تلألؤ بسیار زیادی منتشر می کنند. مثلاً فلونورسانس فلز طلا در حالت نانو پودر بیش از ده برابر حالت معمولی آن است، لذا در منورها یا موادی که نیاز به پراش شدید طیف خاصی از نور مرئی یا مادون قرمز است، می توان از نانو پودرهای فلزی از جمله طلا استفاده کرد. به علاوه می توان رنگ های متکی بر نانوپودر را به جای رنگ های آلی به کار برد و هواپیماهایی را که با فرسایش در سرمای شدید ارتفاعات مواجه هستند، رنگ آمیزی خاص نمود.
آلومینیوم در صورت واکنش با اکسیژن، چهار برابر هیدرازین انرژی آزاد می کند، ولی واکنش گرمایی پودر به دلیل کمبود سطح مؤثر، احتراق شدیدی ندارد. اما نانوپودرهای جدید آلومینیوم کاملاً می سوزند و انرژی بالای خود را آزاد می کنند و می توان در هر دو نوع سوخت جامد و مایع موشک، از آنها استفاده کرد. با توجه به سرعت واکنش احتراق، به نظر می رسد به اکسید کننده کمتری نیاز باشد. همچنین از نانو پودرهای فلزی می توان به عنوان نسل بعد مواد انفجاری نیز یاد کرد.
نانو مواد پایه در صنعت دفاعی تأثیرپذیرترین حوزه این صنعت از فناوری نانو خواهد بود. در واقع بزرگترین تأثیر فناوری نانو در این صنعت كاهش وزن مواد ساز‌ه‌های بزرگ درونی یا بیرونی، جداره سیستم‌های درونی، اجزای موتور راكت خواهد بود. احتمالاً این تأثیر بیشتر در شكل نانوكامپوزیت‌های دارای نسبت استحكام به وزن برتر خواهد بود، هر چند مواد نانوبلورین نیز احتمالاً اثراتی خواهند داشت.
صرفه وزنی این مواد برای فضاپیماها و هواپیماهای تجاری از نظر صرفه‌جویی سوخت تأثیر بزرگتری نسبت به صنعت خودرو برجا خواهد گذاشت و قابلیت ارسال محموله‌های بزرگتر به مدار و افزایش برد موشك‌ها را به همراه خواهد داشت. برای فضاپیماهای قابل استفاده مجدد، مقاومت حرارتی (برای مواجهه با دماهای بالای هنگام بازگشت به جو) خواسته‌ای دیگر است. اینجاست كه نانوكامپوزیت‌های سرامیكی و نانولوله‌ای به دلیل طبیعت رسانش حرارتی بالای خود امیدواری می‌دهند. البته نانولوله‌های كربنی خود توانایی تحمل دماهای بسیار بالا را ندارند. نانولوله‌های نیترید بور مقاومت بسیار بالاتری به دما دارند و ممكن است نهایتاً ماده بهتری برای این كاربردها شناخته شوند. با مواد توده‌ای یا روكش‌ها، و با توسعه مواد مقاوم در برابر حرارت، یا كاهش دما توسط رسانش سریع حرارت نیز می‌توان با دماهای بالا درگیر شد. همچنین نانوكامپوزیت‌ها می‌توانند مقاومت در برابر آسیب تشعشعی یا اكسیژن اتمی را كه یك عامل مرسوم ایجاد نقص در مواد مختلف است، بهبود دهد.

 

پنجره ها در هواپیماها و موشكها برای مشاهده بیرون، توسط انسان و یا حسگرها مورد استفاده قرار می-گیرد، این پوشش ها باید به اندازه كافی استحكام داشته باشند و بتوانند برخورد قطعات خارجی را در سرعتهای بالا تحمل كرده و در عین حال شفافیت خود را نیز حفظ نمایند. استفاده از نانومواد برای بهبود پنجره هواپیماها و موشكها، در برنامه های مختلفی دنبال می شود. انتظار می رود، استفاده از فناوری نانو در پروژه های نظامی و در پی آن پروژه های تجاری در پنجره مورد استفاده قرارگیرد. نانوموادها باعث ارائه ویژگی های نوری و مغناطیسی جدیدی در پنجره ها خواهد شد كه در موارد فعلی موجود نمی باشد. بطور مثال شركت MetaMateria از طرف نیروی دریایی آمریكا 750 هزار دلار برای ساخت پنجره هایی برای موشكها و هواپیماها دریافت كرده است. این شركت با استفاده از نانوذرات اكسید ایترویم درصدد بهبود پنجره هایی است كه با اكسید ایترویم معمولی ساخته می شوند؛ این پنجره ها در شرایط پروازی آسیب‌پذیر می باشند.
مجلس سنای آمریكا 5 میلیون دلار برای ساخت پنجره های جدید در كابین هواپیماها اختصاص داده است. پنجره های جدید طول عمر بیشتری خواهند داشت و دید بیشتری را در اختیار خلبانان قرارخواهند داد. این پنجره‌های جدید شفاف، قابلیت پراكنده كردن بارهای الكترواستاتیكی ایجاد شده در كابین را نیز دارند. پنجره‌های امروزی به بیش از 6 لایه برای رسیدن به خواص مورد احتیاج، نیاز دارند و هدف این پروژه رسیدن به پنجره ای دو لایه است.
آزمایشگاه تحقیقات نیرو هوایی آمریكا 000/860 دلار برای تولید پلیمرهای رسانای شفاف برای كابین پرداخت كرده است.

 

استفاده از نانوكامپوزیت‌ها در تجهیزات داخلی هواپیماها و سازه‌های هوایی، مانند صندلی‌ها، كف‌پوش‌ها، و... تأثیر زیادی در كاهش وزن كلی سازه خواهد داشت.
همچنین اشتعال‌پذیری تجهیزات داخلی با استفاده از نانومواد، كاهش می‌یابد.
ضد آب بودن و نیز كاهش اشتعال‌پذیری پارچه صندلی‌ها نیز از دیگر آثار استفاده از فناوری نانو خواهد بود.
در مورد روغن و روان‌كننده‌ها، نانوذرات می‌توانند اثرات قابل توجهی داشته باشند، به گونه‌ای كه با كوچك شدن ابعاد ذرات، روغن‌كاری بهتری صورت گرفته و با داشتن خواصی چون آب‌گریزی، از آسیب رسیدن به قطعات متحرك جلوگیری كنند. استفاده از نانوذرات در روان‌كننده‌ها، نتایج زیادی در تولید صنعتی وتسهیل فرآیند واحدهای صنعتی دارند. اول اینكه آنها اصطكاك و فرسودگی قطعات را هفت برابر بهتر از روان‌سازهای تجاری كاهش می‌دهند. به ویژه اینكه در بارگذاریهای زیاد، آنها با افزایش بازدهی استاندارد روغن، نیاز به روغن‌كاری را كاهش می‌دهند كه باعث ذخیره انرژی،كاهش هزینه‌های جاری، نگهداری داخلی ارزان‌تر، دقت بیشتر ماشین‌های بخش‌های مختلف و حفظ محیط زیست می‌شود. همچنین به دلیل كم‌كردن اصطكاك، با كاهش صدا، ارتعاش و گرما مواجه هستیم.
همچنین استفاده از نانوذرات در چسب‌ها، موجب افزایش كارایی آنها و نیز كاهش مصرف چسب و در نتیجه كاهش وزن خواهد شد.
همچنین فناوری نانو می‌تواند از طریق مواد منفجره جدید، مواد جدید برای ساخت پوسته‌های رخنه‌كننده در زره، تسلیحات غیرمهلك همچون تثبیت كردن پلیمرها، یا روشهای جدید پراكنش سلاحهای شیمیایی یا زیستی (به خاطر داشته باشید سلاحهای شیمیایی ممكن است غیر كشنده باشند) در توسعه تسلیحات نقشهایی داشته باشد، اما اثر عمده آن به احتمال قوی دفاعی خواهد بود. این مسأله از این واقعیت ناشی می‌شود، كه سازمانهای دفاعی آمریكا از پروژه‌های تحقیقاتی فراوانی در زمینه شناسایی و خنثی سازی عوامل شیمیایی و زیستی پشتیبانی كرده‌اند. فناوری‌های مبنا در این زمینه در موارد پزشكی و دارویی نیز قابل استفاده است. اطلاعات بیشتر را می‌توان در بخش‌های مواد ضدمیكروبی، عوامل ضدویروسی و ضدقارچی و شناسایی، آنالیز و كشف یافت.
نیروی زمینی آمریكا، اخیراً موسسه فناوری نانو‌های سرباز را برای ایجاد یونیفورم‌های هوشمند به كمك فناوری نانو بنیان گذاشته است با این حال اكثر فناوری‌های مورد نظر فناوری‌های تشخیصی هستند كه میكروفناوری نیز می‌تواند برای آنها كافی باشد. یك مورد كه فناوری نانو بخش اصلی آن را تشكیل می‌دهد، خلق جلیقه‌های ضدگلوله سبكتر است، كه به نظر می‌رسد نانولوله‌های كربنی نویدبخش آن باشند.

پوششهای نانو ساختار

پوشش‌های نانوساختار با خواص ویژه، مانند مقاومت در برابر حرارت، خوردگی، عایق حرارتی، رسانا و سطوح هوشمند (آبدوست یا آبگریز) تأثیر به سزایی در صنعت هوافضا خواهند داشت. بطور مثال محافظت سطوح فلزی در برابر خوردگی و فرسایش و جلوگیری از پوسته پوسته شدن و اكسیداسیون و مقاومت در مقابل محیط های با دمای بالا و حفاظت از مواد آسیب‌پذیر در مقابل تشعشات مضر كه در نقاط مختلف صنایع هوافضا مورد استفاده قرار می گیرند، نظیر موتورهای جت و ارابه فرود از قسمتهایی هستند كه از روشهایی مانند آبكاری كروم سخت برای بهبود خواص فیزیكی استفاده می‌نمایند، اما این ماده برای سلامت انسان و محیط زیست خطرناك می باشند و باعث دشوار شدن روند تولید هم می گردند. در حال حاضر نانوپوششهایی برای استفاده های هوافضایی در حال تولید هستند كه ضمن انجام وظیفه حفاظتی برای محیط زیست خطری را دربرندارند. نانوپوششهای كبالت‌فسفر از جمله جایگزینهای پوشش های فعلی هستند.

 

فناوریهای پیشرفته پوشش دهی همچون موارد مبتنی بر نانوذرات سرامیكی می تواند، مقاومت حرارتی اجزای پوشش داده شده را افزایش دهد. این حفاظت حرارتی می‌تواند فقط با مواد با نقطه ذوب بالا باشد و یا علاوه بر نقطه ذوب بالا، مقاومت بسیار زیادی در مقابل انتقال حرارت دارند و باعث حفاظت حرارتی مواد پوشش داده می‌شوند. بطور مثال پوشش پره توربین‌ها یكی از این موارد است. همچنین نانوپوششهایی در حال توسعه هستند كه قابلیت حفاظت از قطعات الكترونیكی حساس در برابر تشعشات الكترومغناطیسی را دارا می باشد. نانوپوششها قابلیت كاهش بازتاب رادار را نیز برای هواپیماهای مخفی‌كار فراهم نموده است، نانولوله های كربنی نیز در این زمینه قابلیت هایی را نشان داده‌اند.
نانوپوششها با خواصی كه در سطوح پوشش داده شده، ایجاد می نمایند، می توانند مانع از یخ‌زدگی بر روی شیشه و بدنة هواپیما و دیگر وسایل پرنده شوند به این ترتیب كه اجازه نشستن قطرات آب بر روی بدنه را از بین برده و قطرات آب بر روی بدنه می‌لغزند و به این ترتیب یخ بر روی بدنه پوشش‌داده شده، تشكیل نمی‌گردد.
استفاده از این نانوپوشش‌ها موجب حذف سیسمتهای ضدیخ در پرواز می شوند، البته عملیاتهای زمان‌بر رفع و جلوگیری از یخ‌زدگی در روی زمین نیز حذف می شود. بنابراین این روش علاوه بر كاهش وزن، باعث كاهش هزینه های عملیاتی نیز خواهد شد.
نانوپوششها علاوه بر پوشش شیشه ها قابلیت پوشش فلزاتی همچون آلومینیوم و منیزیم را نیز دارا هستند كه علاوه بر جلوگیری از یخ‌زدگی محافظت شیمیایی قطعات پوشش داده شده را نیز برعهده می‌گیرند. در آینده نزدیك نانوپوششها، جایگزین پوششهای با تركیبات كروم كنونی خواهند شد. یكی از مشكلات پوشش‌های فعلی سمی بودن تركیبات كروم می‌باشد كه استفاده از نانوپوشش‌ها این مشكل را مرتفع خواهد نمود. در این رابطه قوانینی هم برای عدم استفاده از تركیبات كروم‌دار كه سرطان زا و مسموم‌كننده هستند، نیز به تصویب رسیده است.

به نقل از آموزش نانو

انجمن فیزیك پیام نور خرم آباد                                                                  parsphysics@yahoo.com






ادامه مطلب...