انواع فلزات نانوساختار و ویژگی‌های آن
گوش همه ما با واژه‌هایی مثل فناوری نانو یا نانوتکنولوژی آشناست. این رشته که مرتبط با دانش کاربردی و فناوری است، صنایع بسیاری را پوشش می‌دهد. امروزه یکی از مهم‌ترین الویت‌های تحقیقاتی در هر کشوری فناوری نانو است. موضوع اصلی فناوری نانو مهار ماده یا دستگاه‌هایی با ابعاد کمتر از یک میکرومتر (معمولا حدود یک تا صد نانومتر) است. می‌توان گفت که نانوتکنولوژی رشته جدیدی نیست، بلکه رویکردی جدید در تمامی رشته‌ها است. این دانش میان‌رشته‌ای متشکل از عناصری به نام نانومواد و نانوساختار است. در اصل مواد و سیستم‌ها در ابعاد نانو، دارای خواص جدیدی می‌شوند و نانوتکنولوژی درصدد فهم، کنترل و به‌کارگیری همین خواص جدید است. فناوری نانو دانشی پیشتاز است که می‌تواند راه پیشرفت و تحول را برای بسیاری از رشته‌ها مانند پزشکی، زیست‌شناسی، شیمی و مواد باز کند. نانوذرات نسبت به حجم خود سطح بسیار وسیعی دارند. به این معنی که بیشتر از پنجاه درصد از اتم‌های نانوذرات با قطر چهار نانومتر، در سطح آن قرار دارند. این امر واکنش‌پذیری ذرات را بسیار بالا می‌برد.
در سال‌های اخیر سعی شده تا با استفاده از این نانوذرات، مواد جدیدی مطابق با حوزه کاربرد ساخته شود. این تلاش تا حدودی موفق بوده و امروزه در حوضه متالورژی شاهد تولید فلزات نانوساختاری هستیم که خواص مکانیکی و فیزیکی کاملا متفاوتی از خود نشان می‌دهند. فولاد نانوساختار مثالی از این کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت فلزات است که یکی از محصولات آن میلگرد MMFX2 بوده و در برخی مواقع با توجه به قیمت میلگرد استیل، جایگزین مناسبی برای آن است. در این مقاله از آهن‌آنلاین به بررسی فلزات نانوساختار و ویژگی‌های آن‌ها می‌پردازیم. اگر درباره خواص جدیدی که در یک فلز نانوساختار ایجاد می‌شود، کنجکاو هستید با ما همراه باشید.
هدف از تولید فلزات نانوساختار، رسیدن به خواص مکانیکی هر چه بهتر است. به همین دلیل دانشمندان و مهندسان همواره در تلاش بوده‌اند تا اندازه دانه مواد فلزی را از ابعاد میکرونی به زیرمیکرونی و نانومتری برسانند.
پیدایش فلزات نانوساختار
نانو کلمه‌ای یونانی به معنی کوچک است که برای تعیین مقدار یک میلیاردیم تعریف شده است. ترکیبات طبیعی نانوساختار از هزاران سال پیش بدون دخالت بشر در طبیعت وجود داشته است. برای مثال مولکول‌های کربن در ابعاد نانومتری در حفرات دیواره غارها قرار گرفته و نتیجه آن باقی ماندن آن‌ها برای هزاران سال است. با توسعه علوم مختلف در قرن بیستم، ابزارهای مطالعه خواص و ویژگی‌های مواد نیز پیشرفت کرد. به همین دلیل مطالعه مواد و فلزات در مقیاس نانو ممکن شد. رفته‌رفته اهمیت چنین تحقیقاتی مشخص شده و این مطالعات به عنوان یک علم جدید مورد توجه تمام کشورها قرار گرفت. عنوان پدر علم نانوفناوری به ریچارد فاینمن تعلق دارد. فیزیکدان و برنده جایزه نوبل فیزیک که برای اولین بار به صورت آشکار مفهوم جهان نانو را در یکی از سخنرانی‌های خود مطرح کرد. سال‌ها بعد ناریو تاینگوچی کسی بود که برای اولین بار از واژه نانو استفاده کرد. دانشمندان با اختراع میکروسکوپ‌های پیشرفته، توانستند اتم‌های مجزا را مشاهده کنند.
ریچارد اسمالی دانشمند دیگری بود که تاثیر مهمی در توسعه نانوفناوری گذاشت. او بیش از هر چیز به دلیل کشف و مطالعه مولکول C60 و دیگر فولرین‌ها شناخته شده است. زیرا نانوساختارهای کربنی، لوله‌های کربنی و گرافن از مهم‌ترین نانوساختارهایی هستند که به دلیل داشتن خواص منحصربه‌فرد، چشم‌انداز بزرگی به روی دانشمندان گشودند. درکسلر نیز شخصی بود که مهم‌ترین تاثیر را در پایه‌گذاری نانوفناوری مولکولی داشت. در ادامه با اختراع میکروسکوپ نیروی اتمی امکان مشاهده، اندازه‌گیری و دست‌کاری مواد در مقیاس نانو مهیا شد. به مرور اولین شرکت‌های فعال در حوزه نانو شروع به کار کردند. در دهه ۹۰ میلادی بالاخره روش‌های تولید نانومواد توسعه پیدا کرد، به سرعت نانوساختارهای متخلخل سیلیکا تولید شدند و در صنایع تصفیه نفت خام و آب و پزشکی به کار گرفته شد. در اواخر دهه 90 میلادی نیز محصولات مبتنی بر فناوری نانو مانند سپرهای سبک و مقاوم به خش در خودرو، جوراب ضدمیکرونی حاوی نانوذرات نقره، کرم‌های ضدآفتاب شفاف، لباس‌های ضدلک و ضدچروک، پوشش‌های ضدخراش شیشه‌ای، باتری‌های با قابلیت شارژ سریع و... وارد بازار شدند.
به مرور اهمیت زیاد فناوری نانو در تمام کشورهای دنیا مشخص شد و تمرکز و هزینه تحقیقات بر حوزه نانو معطوف شد. به تدریج دانشمندان کشف کردند که می‌توان، فلزاتی با اندازه دانه نانومتری تولید کرد و بیشینه استحکام فلزات نانوساختار را تحت کنترل درآورد و به این ترتیب فناوری نانو، علم فلزات را نیز پوشش داد. اصول اولیه فلزات نانوساختار در دهه ۱۹۸۰ شکل گرفت و منجر به چاپ مجله‌ای مرتبط با آن شد. اولین کاربرد تجاری این نانومواد نیز در دهه ۱۹۹۰ و در دنده فرود هواپیما و نیز در مبدل‌های حرارتی تاسیسات نیروگاه‌های هسته‌ای و مولدهای بخار ظاهر شد.
انواع فلزات نانوساختار
اندازه دانه یکی از مهم‌ترین عوامل تاثیرگذار بر خواص مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی فلزات است. فلزات نانوساختار در واقع نسل جدیدی از محصولات فلزی هستند که در مقایسه با فلزات درشت‌دانه خواص مکانیکی و فیزیکی بسیار بالاتری دارند. از جمله فلزات نانوساختار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
فولاد MMFX2
ساختار این فولاد در مقایسه با فولادهای معمولی متفاوت است. میکروساختار این فولاد به صورت نانولایه‌های انتقال‌نیافته آستنیت در بین لایه‌های مارتنزیت بوده و این نانوساختار به کمک تغییر در ترکیب شیمیایی و روش تولید حاصل شده است. ساختار این فولاد به گونه‌ای است که از تولید کاربید پیوسته جلوگیری می‌کند و در نتیجه ایجاد سلول‌های میکروگالوانیک را کاهش می‌دهد. نتیجه این امر، کاهش شدید میزان خوردگی در فولاد است. این فولاد نانوساختار استحکام سه‌برابر، انعطاف‌پذیری، خاصیت جوش‌پذیری، چقرمگی و مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد. ساختار این فولاد به صورت لایه‌ای تکه‌تکه شبیه به تخته‌ای چندلایه است. در مسلح‌سازی سازه‌های بتنی می‌توان از این نوع فولاد نانوساختار استفاده کرد. این فولاد به دلیل برخورداری از مقاومت به خوردگی مشابه فولاد زنگ‌نزن، می‌توان جایگزینی با صرفه اقتصادی بیشتر باشد. نمونه عملی استفاده از این نوع فولاد را می‌توان در یکی از پل‌های ایالت اوکلاهوما در امریکا مشاهده کرد. از میلگرد جنس MMFX2، به عنوان رکاب در پیش‌ساخت تیرهای پل استفاده شده است..
نمایی از میلگرد MMFX2
فولاد Sanduk Nauoflex
این نوع فولاد کم‌کربن با عملکرد بالا (HPS) اولین بار در سال ۱۹۹۲ در کشور امریکا برای پل‌ها تولید شد. حضور نانوذرات مس در مرزدانه‌های این فولاد منجر به مقاومت بالا در برابر خوردگی و خاصیت جوش‌پذیری بهتر شده است. این فولاد نانوساختار در واقع یک نوع فولاد ضدزنگ جدید است که خواصی از جمله استحکام بسیار بالا، فرم‌پذیری خوب و کیفیت سطح تمام‌شده مطلوب دارد. در کاربردهایی که نیاز به مواد سبک و مستحکم است، می‌توان از این فولاد استفاده کرد. استحکام و مدول الاستیسیته بسیار بالا در این فولاد باعث شده تا بتوان در ضخامت‌های بسیار پایین‌تر و سبک‌تر از آن استفاده کرد. این فولاد از این نظر با فلزاتی مانند آلومینیوم و تیتانیوم در رقابت است. همچنین مقاومت به خوردگی و مقاومت به سایش در این فولاد باعث کاهش هزینه‌های ساخت و نگهداری می‌شود. نرخ این فولاد به دلیل تغییرات قیمت مس می تواند متغیر باشد.
نانو پیچ و مهره‌ها
در سازه‌های بلند نیاز به استفاده از فولادهایی است که اتصالات با استحکام بالا را فراهم کنند. در این میان استحکام پیچ و مهره نیز به اندازه فولاد از اهمیت بالایی برخوردار است. استحکام بالا در پیچ و مهره‌ها از طریق عملیات حرارتی و با عملیاتی نظیر کوئنچ و تمپر تحقق پیدا می‌کند. در نتیجه این عملیات، ریزساختار پیچ و مهره‌ها شامل مارتنزیت (نوعی ساختار سخت فولادی) تمپر شده خواهد بود. اما با وجود فاز مارتنزیت تمپر شده، سختی فولاد به بیش از ۱۲۰۰ مگاپاسکال می‌رسد. در نتیجه وجود مقادیر بسیار کم هیدروژن در مرزدانه‌ها نیز می‌تواند منجر به شکست محصولات فولادی در حال استفاده شود. این پدیده که به شکست همراه با تاخیر معروف است، مانع افزایش استحکام بیشتر پیچ و مهره‌ها از یک حد بهینه شود و استحکام آن‌ها می‌بایست در بازه ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ مگاپاسکال نگه داشته شود. اما تحقیقاتی که بر روی نانوذرات مولیبدن و وانادیم صورت گرفت، نشان می‌دهد که این عناصر می‌توانند شکست تاخیری در پیچ و مهره‌ها را بهبود بخشند. نحوه عملکرد این نانوذرات در ساختار فولاد به این صورت است که کاهش اثر تردی هیدروژنی و بهبود ریزساختار فولاد با کاهش فاز سمنتیت بین‌دانه‌ای باعث افزایش استحکام پیچ و مهره‌ها می‌شود.
نانوکابل‌ها
این کابل‌ها از جنس فولاد بوده و در ساخت پل‌های معلق کاربرد دارند. این کابل‌ها از مقاومت و استحکام بالایی برخوردار هستند و به همین دلیل استفاده از آن‌ها می‌تواند زمان و هزینه‌های ساخت را کاهش دهد. مطالعات و تحقیقاتی که در زمینه اصلاح فاز سمنتیت فولاد در ابعاد نانو صورت گرفت، منجر به تولید این کابل‌های قوی شد.
امکان نانوساختار کردن فولاد و دیگر فلزات
بر اساس آمار منتشر شده توسط مرکز تحقیقات خوردگی دانشگاه ایالتی اوهایو در آمریکا، در هر ثانیه بیش از یک تن فولاد در اثر خوردگی از بین می‌رود. با ایجاد ساختارهای ریزدانه فلزات می‌توان از چنین خساراتی کاست. تبدیل ساختار عادی فلزات و آلیاژها به نانوساختار، مستلزم اختراع روش جدیدی بود. این امر برای اولین بار در سال ۲۰۱۰ میلادی توسط محققان دانشگاه هوایی یوفا در روسیه محقق شد. آن‌ها موفق به ایجاد روش جدیدی شدند که در آن ساختار فلزات و آلیاژها به نانوساختار تبدیل می‌شد و در نتیجه به تکنولوژی ساخت فلزاتی به خواص برتر دست پیدا کردند.
ساخت فلزات نانوساختار نسبت به ساختار فلزات سنتی به مراحل بیش‌تری نیاز دارد و حتی ممکن است در خلال آن ابزارها و فرآیندهای جدیدی مورد نیاز باشد. به همین دلیل کسب اطمینان از این که فلزات و آلیاژهای منتخب برای طی فرآیند نانوساختار کردن، در نهایت کارایی و ارزش زیادی از خود نشان دهند، بسیار ضروری است. صرف هزینه‌های اضافی تولید، تنها در صورتی ممکن و قابل توجیه است که فلز نانوساختار خواص بسیار بالاتری نسبت به نمونه‌های عادی از خود نشان دهد. از طرفی مواد نانوساختار قوی، در عین برخورداری از استحکام‌های بسیار بالا، ترد و شکننده هستند.
در واقع بازار مصرف فولاد و فلزات نانوساختار مربوط به مصرف‌کنندگانی است که استحکام را بر شکل‌پذیری‌های بسیار بالا ترجیح دهند. البته با پیشرفت‌های سریعی که در زمینه نانوساختار فلزات صورت می‌گیرد، تضاد میان دو ویژگی استحکام و شکل‌پذیری کاهش پیدا خواهد کرد.
روش‌های تولید nanostructure metals
هدف از تولید فلزات فوق‌ریزدانه و نانوساختار، رسیدن به خواص مکانیکی هر چه بهتر است. به همین دلیل دانشمندان و مهندسان همواره در تلاش بوده‌اند تا اندازه دانه مواد فلزی را از ابعاد میکرونی به زیرمیکرونی و نانومتری برسانند. در همین راستا روش‌های مختلفی برای اصلاح اندازه دانه فلزات ابداع شده است. به طور کلی برای تولید نانوساختارها و ساختارهای فوق ریزدانه دو رویکرد به اصطلاح بالا به پایین و پایین به بالا وجود دارد. در ادامه به شرح روش‌های تولید انبوه نانومواد که در حال حاضر در کاربردهای تجاری به کار می‌روند، می‌پردازیم:
تغییر شکل پلاستیک شدید (SPD)
یکی از روش‌های تولید مواد نانوساختار با رویکرد بالا به پایین، تغییر شکل پلاستیک شدید است. در این رویکرد اندازه دانه فلز پایه، بدون نیاز به تغییر ترکیب شیمیایی یا ساختار فازی، تا ابعاد زیرمیکرونی و نانومتری کاهش داده می‌شود. اعمال کرنش و تنش‌های مکانیکی شدید به روش‌های نظیر نورد کردن، کشش یا اکستروژن، تغییر شکل پلاستیکی شدید یا با روش‌هایی مانند بمباران کره‌های کوچک، میکروساختارها شکسته شده و به نانوساختار تبدیل می‌شوند. انواع روش‌های تغییر شکل پلاستیک شدید شامل موارد زیر است:
- پیچش تحت فشار بالا
- پرس در قالب زاویه‌دار
- اکستروژن پیچشی
- نورد تجمعی
- برس‌کاری
- فرآیند هم‌زن اصطکاکی
- فرآیند اصطکاک سطحی
- مالش مکانیکی سطحی
- فورج چندجهته
- اکستروژن فشردن تناوبی
بلوری کردن شیشه
در این روش محلول جامد فوق اشباع خنک شده‌ای از پیش ماده (شیشه فلزی) ایجاد می‌شود. در این محلول آرایه‌ای بی‌شکل از اتم‌های آلیاژ بدون مرزهای بلوری تولید می‌شود. این شیشه گرم شده و سپس به آرامی سرد می‌شود تا به این ترتیب بلورهای نانومقیاس حاصل شوند.
آبکاری
آبکاری شیوه‌ای جهت پوشش‌دهی فلزات است. برای تولید فلزات نانوساختار با این روش، در یک سلول الکترولیتی، محلولی از یون‌های فلز مورد نظر به کار می‌رود. این ماده به شکل نانوبلور روی کاتد سلول رسوب می‌کند. محلول الکترولیتی می‌تواند شامل مواد دیگری برای کنترل اندازه دانه‌های فلزی باشد.
تاکنون روش‌های متنوع دیگری مانند پاشش پلاسما، عملیات ذوبی با لیزر انرژی بال و عملیات با قوس تنگستن نیز برای تولید ساختارهای ریزدانه مورد استفاده قرار گرفته است. در هر کدام از این روش‌ها، پیچیدگی، مزایا و مشکلات خاصی نهفته است، ولی تمام آن‌ها مشکلی مشترک دارند و آن وقوع ذوب در ماده در حین انجام فرآیند است. با روش تغییر شکل پلاستیک شدید در دماهای زیر نقطه ذوب فلز زمینه، می‌توان از تشکیل فازها و ترکیبات ناخواسته جلوگیری کرد.
کاربردهای فلزات نانوساختار در ساختمان و دیگر صنایع
فولاد از مهم‌ترین فلزات نانوساختار است که در ساختمان‌سازی کاربرد دارد. خستگی فلزات در صنعت ساخت و ساز از اهمیت بالایی برخوردار است و موضوع حساسی به شمار می‌رود. زیرا خستگی فولاد می‌تواند منجر به شکست آن در سازه‌های تحت نیروی سیکلی (مانند پل‌ها و برج‌ها) شود. این پدیده حتی در تنش‌های کمتر از حد تسلیم مواد رخ داده و عمر مفید سازه را کاهش می‌دهد. افزایش تنش منجر به شروع ترک و در نتیجه شکست خستگی در سازه می‌شود. افزودن نانوذرات مس باعث کاهش ناهمواری‌ها سطح فولاد شده و در نتیجه تنش‌ها محدود شده و ترک خستگی کاهش خواهد یافت.
افزایش ایمنی سازه، نیاز کمتر به نظارت و استفاده بهتر از مواد در ساخت و سازهای مستعد به خستگی، از نتایج پیشرفت نانوساختار فولاد است. علاوه بر این فلزات نانوساختار می‌توانند پوشش‌های بسیار سخت مقاوم به خوردگی ایجاد کنند. از این پوشش در تجهیزاتی مانند تیغه بلدوزرها، سر مته‌های حفاری و یا اسکلت‌های فلزی پل و ساختمان‌ها استفاده می‌شود. از فلزات نانوساختار ابرسخت می‌توان در وسایل نقلیه، تجهیزات ورزشی، اجزاء موتور هواپیماها و قطعات کاشتنی پزشکی مانند اعضاء مصنوعی جایگزین مفصل ران استفاده کرد. در مدت کمی که از عمر فلزات نانوساختار می‌گذرد، کاربردهای آن در زمینه صنایع هوافضا، حمل و نقل، پزشکی، خودروسازی، کشتی‌سازی، تسلیحات دفاعی و نفت و گاز و پتروشیمی مشخص شده است. بدنه خودرو، سپر، میله سپر، صفحات ترمز، اجزا حساس به برخورد، واشر دهانه سیلندر، محفظه موتور، میله‌های داخلی خوردو مثالی از قطعات ساخته شده از فولاد نانوساختار است که کارخانه‌های خودروسازی جهان روی آن کار کرده‌اند. فناوری نانو با افزایش استحکام و کاهش وزن کمک بزرگی به صنایع هوافضا کرده است.
جمع‌بندی
با توجه به مطالب عنوان شده می‌بینیم، فلزات نانوساختار کاربرد گسترده‌ای در بسیاری از صنایع دارد. فرآوری صنعتی فلزات نانوساختار همچنان با چالش‌های زیادی همراه است. فناوری ساخت انواع فلزات و فولاد نانوساختار همگام با پیشرفت فناوری نانو در حال پیشرفت است. با مطالعه و شناخت بیشتر این محصولات می‌توان از ویژگی‌های منحصربه‌فرد و جدید آن‌ها بهترین استفاده را نمود. شما چه نانوساختار آلیاژی را می‌شناسید؟ به نظر شما در آینده تکنولوژی ساخت فلزات نانوساختار تا چه میزان فراگیر خواهد بود؟
