فلزات نانو ساختار
فلزات نانو ساختار دانه‌هایی با اندازه نانومتری هستند که باعث استحکام و سختی بیشتر فلز می‌شوند. اما در حال حاضر تردی زیاد، طبیعت و نیاز به فرآوری پیچیده مانع از آن است که این فلزات نانو ساختار به عنوان بهترین جایگزین مواد سمی مانند کروم در پوشش‌ها و کاربردهای ضدخوردگی و نیز کاربردهای ساختاری دیگر مطرح شوند.
فولاد یکی از فلزات بسیار مهم در صنعت ساخت و ساز است. تحقیقات نشان داده اضافه نمودن نانو ذرات مس به فولاد از ناهمواری‌های سطحی فولاد می‌کاهد. در نتیجه تعداد عوامل افزایش دهنده تنش و در نهایت ترک خوردگی‌های ناشی از خستگی سازه‌هایی مانند پل‌ها و برج‌ها، که در آنها بارگذاری به طور متناوب انجام می‌گیرد را محدود می‌سازد. فناوری نانو در صنایع ساختمان نقش بسزایی دارد، در این راستا بیشترین سهم را صنایع فولاد، شیشه و بتن ایفا می‌کنند.
موارد استفاده از فولاد در صنعت عمران
- در ساختمان‌های اسکلت فلزی به عنوان تیر و ستون و بادبند و پلیت‌های کف
- در ساختمان‌ها و سازه‌های بتنی به عنوان میلگرد
- پایه‌ها و کف پل‌ها، کابل‌های کششی پر مقاومت
- لوله‌های انتقال آب و گاز و نفت
- اجزای داخلی ساختمان‌ها مثل در و پنجره‌ها، پیچ‌ها و اتصالات
- استفاده در نمای ساختمان
معایب فولاد
کاربرد گسترده فولاد در صنعت ساختمان، مزایا و معایب این ماده و قابلیت‌های چشمگیر فناوری نانو، زمینه‌های متعدد تحقیقات در این صنعت را فراهم می‌آورد.
خستگی و ترک خوردگی، خوردگی در مجاورت سیمان، آثار تبعی جوش کاری، نیاز به مقاومت‌های بالاتر، ضریب ارتجاعی بالاتر، نیاز به مقاومت بیشتر در مقابل خراشیدگی، از بین بردن آلودگی سطوح فلزی و….
فولاد و نانو ذرات
خستگی مساله بسیار حساسی است که میتواند منجر به شکست فولاد در سازه‌های تحت نیروی سیکلی (مانند پل و برج‌ها) شود. این موضوع میتواند در تنش‌هایی کمتر از تنش تسلیم مواد رخ دهد و در نتیجه عمر مفید سازه را کاهش دهد. افزایش تنش باعث شروع ترک و متعاقباً شکست خستگی می‌شود. تحقیقات نشان داده که افزودن نانو ذرات مس باعث کاهش ناهمواری‌های سطح فولاد گشته و در نتیجه‌ی آن تعداد تنش‌ها محدود شده و بنابراین ترک ناشی از خستگی کاهش می‌یابد. پیشرفت در این فناوری منجر به افزایش ایمنی، نیاز کمتر به نظارت و استفاده‌ی بهتر از مواد در ساخت و ساز‌های مستعد به مساله خستگی شده است.
فولاد مقاوم با نانو ذرات
افزایش استحکام، ضد اثر انگشت و ضد رنگ بودن از جمله ویژگی‌هایی است که فولاد مبتنی بر فناوری نانو داراست. در واقع فولاد نیز مانند بتن و آسفالت ماده‌ای با ساختار نانویی است. در فولاد نانو ذرات مس به عنوان ساختار پایه‌ای، مرزهای دانه‌های فولاد را شکل می‌دهند که تغییر در این نانو ساختارها، منجر به تولید فولادی مقاوم‌تر، جوش‌پذیر‌تر و پایدارتر در برابر خوردگی می‌شود. این فولاد بیشتر جهت استفاده در پل‌ها و سازه ساختمان‌ها مورد استفاده قرار خواهند گرفت .
اضافه کردن نانو ذرات مس میتواند ناپایداری‌های سطحی فولاد را کاهش دهد و باعث کاهش مراکز تمرکز تنش و شکست در اثر خستگی شود. این امر باعث افزایش ضریب ایمنی فولاد شده و در کاربردهایی که به ایمنی بالایی احتیاج است فولاد را به گزینه اصلی تبدیل می‌کند. همچنین اصلاح فازی فولاد در ابعاد نانومتری کابل‌های مستحکم‌تری ایجاد می‌کند. کابل‌های فولادی فوق مستحکم می‌توانند در پل‌های کابلی باعث کاهش هزینه و زمان ساخت شود که این آثار در ساخت پل‌های کابلی معلق که کابل‌ها از یک‌سو به‌سوی دیگر کشیده شده‌اند، بیشتر خود را نشان می‌دهند. نانو ذرات، اثر تردشدگی فولاد را کاهش داده و باعث تقویت ریزساختار از طریق اصلاح فازی می‌شوند. اضافه کردن نانوذرات منگنز و کلسیم باعث افزایش چقرمگی جوش می‌شود. (به مقاومت مواد در برابر شکست در اثر اعمال تنش چقرمگی گفته می‌شود). دو نوع محصول به نسبت جدید فولاد ساندویک نانوفلکس و فولاد MMFX۲ با استفاده از این فناوری تولید می‌شوند. هر دو این فولادها مقاومت زیادی در برابر خوردگی دارند؛ اما خواص مکانیکی آنها متفاوت است. فولاد MMFX۲ با داشتن نانوساختار اصلاح‌شده، مقاومت به خوردگی در حد فولاد زنگ نزن و هزینه تولید کمتری دارد و فولاد ساندویک نانوفلکس که در ادامه مورد بحث قرار خواهد گرفت، هم مقاومت به خوردگی و هم استحکام بسیاری دارد.
فولاد Sanduk Nauoflex
فولاد Sanduk Nauoflex یک فولاد زنگ نزن جدید است که خواصی از جمله استحکام فوق العاده بالا، فرم پذیری خوب و کیفیت سطح تمام شده‌ی خوبی دارد. فولاد جدید با مقاومت بالا در مقابل خوردگی و خاصیت جوش خوردگی بهتری را به خاطر وجود نانو ذرات مس در مرز دانه‌های فولاد از خود نشان می‌دهد. به دلیل عملکرد بالای این فولاد، میتوان از آن در کاربردهایی که نیاز به مواد سبک و محکم دارند استفاده نمود. به دلیل استحکام و مدول الاستیسیته فوق العاده بالا، این فولاد حتی میتواند نازک‌تر و سبک‌تر از اجزایی که از آلومینیوم و تیتانیم باشد. مقاومت در مقابل خوردگی و سایش خوب آن میتواند باعث کاهش هزینه‌های ساخت و نگهداری شود.
فولاد MMFX2
MMFX2 یک فولاد اصلاح شده‌ی نانو ساختار دیگری است که توسط شرکتی به همین نام ساخته شده است. در مقایسه با فولاد‌های معمولی، این نوع فولاد میکرو ساختار متفاوتی دارد.
یک ساختار لایه‌ای تکه تکه شبیه به تخته چند لایه. این ساختار منحصر به فرد باعث شده که فولاد MMFX2 استحکام (سه برابر مستحکم تر)، انعطاف پذیری، چقرمگی و مقاومت به خوردگی قابل ملاحظه‌ای پیدا کند. از این نوع فولاد میتوان در مسلح سازی سازه‌های بتنی استفاده نمود. از آنجایی که این فولاد مقاومت در مقابل خوردگی مشابه فولاد زنگ نزن را دارد، میتواند به عنوان جایگزین استفاده شود زیرا از لحاظ اقتصادی به صرفه تر است. میکرو ساختار آن به صورت نانو لایه‌های انتقال نیافته‌ی آستنیت در بین لایه‌های مارتنزیت است. این ساختار از تولید کاربید پیوسته جلوگیری می‌کند و در نتیجه ایجاد سلول‌های میکرو گالوانیک را کاهش می‌دهد. بنابراین با کاهش سلول‌های میکرو گالوانیک، فرآیند خوردگی به شدت کاهش می‌یابد. از این نوع فولاد در سازه‌های زیادی که در معرض خوردگی بوده‌اند استفاده شده است. از میلگرد MMFX ۲ به عنوان رکاب در پیش ساخت تیرهای پل استفاده شده است .
جوشکاری
قابلیت جوشکاری در فولاد ساندویک نانوفلکس بسیار خوب است. این فولاد را میتوان بدون فلز پرکننده در جوش تیگ یا لیزر جوشکاری کرد. اما استفاده از فلز پرکننده اختیاری است. پرکننده‌های مناسب برای جوشکاری فولاد ساندویک نانوفلکس در سایت این شرکت معرفی شده‌اند. البته جوش فولاد ساندویک نانوفلکس برای قسمت‌های فعال سازه که میزان تنش بالایی را تحمل می‌کنند، مناسب نیست.
کاربردها
در شرایطی که نیاز به خواص خوردگی خوب به همراه استحکام بالا و قابلیت انعطاف‌پذیری و شکلپذیری خوب باشد، فولاد ساندویک نانوفلکس گزینه مناسبی است. این فولاد در طراحی‌های پیچیده مانند ابزار پزشکی به‌ویژه سوزن جراحی برای جراحی‌های چشم و قلب مناسب است، زیرا این سوزن‌ها باید به اندازه کافی سخت و تیز باشند تا از بافت بدن انسان عبور کنند و در عین حال آنقدر انعطاف‌پذیر و چکش‌خوار باشند تا بتوانند به شکل‌های مختلف درآیند. همچنین از فولاد ساندویک نانوفلکس برای ساخت ابزارهایی که به پوست بدن انسان نفوذ می‌کند (مانند منگنه جراحی و سرنگ‌های قابل بازیافت برای واکسینه کردن و طب سوزنی) و ساخت ابزار ریز جراحی (شامل تیغه‌ها، اره، مته استخوانی، پیچ‌گوشتی و پانچ‌های بیوپسی) استفاده شده است. یکی از کاربردهای مناسب این فولاد در فنرهایی است که در حالت فشرده قرار می‌گیرند؛ به‌ویژه هنگامی که زمان آسایش کم در دمای بالا موردنیاز باشد.
کاربرد نانو فناوری در سازه‌های فلزی
هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا است، که آنها را میتوان به عنوان مصالحی با عملکرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود منظور از عملکرد چند منظوره، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی است. به گونه‌ای که مصالح بتوانند کاربردهای گوناگونی را ارائه کنند. با توجه به نو ظهور بودن مواد نانو ساختار، چنین موادی می‌توانند تحولی شگرف در صنعت ساختمان سازی و صنایع وابسته به آن ایجاد کنند.
فولاد یکی از مهمترین مواد ساختمانی است. خواصی نظیر استحکام، مقاومت به خوردگی و قابلیت جوشکاری آن در طراحی و ساخت بسیار مهم هستند. این قابلیت‌ها باعث شده که نقش فولاد در صنعت ساخت و ساز بسیار پر رنگ باشد.
نانو ساختار کردن فولاد و فلزات معمولی
با استفاده از روش تغییر شکل پلاستیک شدید که برای اولین بار در دنیا ارائه شده، این امکان فراهم شده که بتوان ساختار مواد و آلیاژهای عادی را با عبور از درون یک قالب تحت فشارهای بالا به حالت نانو تبدیل کرد.
در یکی از روش‌های به کار رفته، فولاد یا آلیاژ معمولی از درون یک قالب که دارای حفره‌هایی با زاویه ۹۰ درجه است عبور داده شده و طی فرآیند کوچک سازی دانه‌های ریزساختار از ابعاد میکرومتری به نانو متری تبدیل می‌شوند. با انجام این فرآیند که با عملیات تزریق اکستروژن و اعمال حرارت نیز همراه است، شرایط لازم برای تغییر ساختار آلیاژ فراهم می‌شود.
با تغییر ساختار ایجاد شده و استفاده از (نانو تکنولوژی)، سختی و استحکام مکانیکی آلیاژ تا چندین برابر افزایش می‌یابد که از لحاظ کاربردهای صنعتی فولاد و سایر آلیاژها از اهمیت بسسیاری برخوردار است.
روش‌های ساخت فلزات نانو ساختار
روش‌های تولید انبوه نانو مواد که در حال حاضر در کاربردهای تجاری به کار می‌روند به شرح زیر است.
تغییر شکل
با اعمال تنش‌های مکانیکی مانند نورد زدن (rolling) ،کشش (drawing) یا اکستروژن، تغییر شکل پلاستیکی شدید و یا با روش‌هایی مانند Peening Shot که شامل بمباران ماده با کره‌های کوچکی که shot نامیده می‌شوند، میکروساختارها شکسته شده و به نانو ساختار تبدیل می‌شوند. روش‌های تغییر شکل سرد را میتوان با حرارت دادن و سرد کردن تدریجی (annealing) به منظور شکل‌دهی مجدد حالت بلوری سطح، انجام می‌دهند.
بلوری کردن شیشه (revivification glass)
با ایجاد یک محلول جامد فوق اشباع خنک شده از پیش ماده به نام شیشه فلزی، آرایه‌ای بی‌شکل از اتم‌های آلیاژ را بدون مرزهای بلوری تولید می‌کنند. این شیشه را گرم، سپس به آرامی سرد کرده و به این ترتیب بلورهای نانو مقیاس به دست می‌آید.
آبکاری
از این روش در پوشش‌دهی فلزات استفاده می‌شود. برای تولید فلزات نانوساختار با این روش، در یک سلول الکترولیتی، محلولی از یون‌های فلز مورد نظر را بکار می‌برند. این ماده به شکل نانوبلور روی کاتد سلول رسوب می‌کند. محلول الکترولیتی میتواند شامل مواد دیگری برای کنترل اندازه دانه‌های فلزی باشد.
خواص فلزات نانو ساختار
استحکام
وجود دانه‌های بسیار ریز و کوچک با مساحت سطحی بالا باعث افزایش چند برابری استحکام این فلزات نسبت به مواد دیگر می‌شود.
مقاومت در برابر خوردگی
تعداد کم نقایص در فلزات نانو ساختار، آنها را در برابر خوردگی مقاوم می‌سازد.
تردی و شکنندگی
با وجود استحکام و سختی بالا، ترد و شکننده بوده و قابلیت شکلپذیری کمی دارند.
کاربردهای فلزات نانو ساختار
پوشش‌ها
فلزات نانو ساختار می‌توانند پوشش‌های بسیار سختی ایجاد کنند که در برابر خوردگی مقاوم بوده و از آنها در تجهیزاتی مانند تیغه بلدوزرها و سر مته‌های حفاری و یا اسکلت‌های فلزی پل و ساختمان‌ها استفاده نمود.
مواد ساختاری
از فلزات ابرسخت میتوان در وسایل نقلیه، تجهیزات ورزشی مانند چوب‌های اسکی، اجزاء موتور هواپیماها و قطعات کاشتنی پزشکی مانند اعضاء مصنوعی به جای مفصل ران استفاده کرد.
ایجاد پوشش نیترید تیتانیم نانو ساختار روی فولاد
پوشش‌های سخت مقاوم به سایش نیتریدی مانند نیترید آهن با آلومینیوم و تیتانیم کاربردهای گسترده‌ای در صنایع گوناگون پیدا کرده‌اند، صنایع اتومبیل سازی، متالوژی نمونه‌هایی از این دست هستند. در میان پوشش‌های سخت نیتریدی، نیترید تیتانیم به دلیل خواص منحصر به فرد اهمیت دارد.
یکی از روش های نوین سخت کاری سطحی، نیتروژن دهی پلاسمای با استفاده از توری فعال است. این روش معمولاً برای ایجاد پوشش نیترید آهن به کار می‌رود. یکی از مزایای مهم این روش قابلیت لایه نشانی پوشش‌های نانو ساختار است که خواص منحصر به فردی چون سختی بالا و خواص سایشی مناسب، پوشش‌های نانو ساختار را ایجاد می‌کند.
فناوری نانو و خستگی مقاطع فولادی
پدیده خستگی در اثر بارگذاری تناوبی بروز می‌کند. سه راه برای پیشگیری از آن وجود دارد.
- کاهش قابل توجه تنش مجاز.
- کاهش زمان عمر مفید یا دوره سرویس دهی در طراحی فولاد.
- افزایش بازدیدها و وارسی‌های سخت گیرانه تر.
اما هریک از روش‌ها تاثیرات منفی دارد. برای کم کردن تنش در فولاد با افزودن نانوذرات مس به فولاد میتوان تشکیل ترک‌های ناشی از خستگی را محدود کرد.
نانو الیاف فلزی مسلح کننده بتن‌های توانمند
بتن پر مقاومت، بتنی با مقاومت فشاری ۲۰۰ تا ۲۵۰ مگا پاسکال است. این بتن‌ها مقاومت فشاری بالا و دوام خوبی دارند اما متأسفانه شکنندگی ضعف آنها است. با توجه به اینکه باید میکرو الیاف‌ها طول کوتاهی داشته باشن، دانشمندان برای درگیر شدن این میکرو الیاف‌ها با بتن، ناهمواری‌های در سطح نانو و میکرو روی سطح الیاف ایجاد می‌کنند تا الیاف بهتر به بتن مهار شود. دانشمندان با افزودن الیاف پلی وینیل الکل (PVAA) در اطراف میکرو الیاف فولادی درگیری زیادی بین بتن و میکرو الیاف ایجاد می‌کنند.
پوشش‌های سرامیکی محافظ خوردگی
پوشش‌های سرامیکی در میان انواع پوشش‌ها دارای ویژگی حرارتی و الکتریکی بالا، پایداری زیاد در برابر خوردگی، فرسایش و سایش است. با اضافه شدن نانو ذرات سرامیکی به رنگ‌ها میتوان بر دوام فلزات در برابر خوردگی افزود. زمانی که قطعه رنگ آمیزی شده را در کوره حرارت می‌دهند، نانو ذرات سرامیکی پیوند عرضی با شبکه متراکم تشکیل می‌دهند و این سبب می‌شود تا رنگ یا لاک پوششی محافظت بهتری در برابر خش افتادن داشته باشد.