تأثیر نانوذرات در افزایش طول عمر قطعات و کاهش مصرف سوخت نسخه متنی

اینجــــا یک کتابخانه دیجیتالی است

با بیش از 100000 منبع الکترونیکی رایگان به زبان فارسی ، عربی و انگلیسی

تأثیر نانوذرات در افزایش طول عمر قطعات و کاهش مصرف سوخت - نسخه متنی

نمايش فراداده ، افزودن یک نقد و بررسی
افزودن به کتابخانه شخصی
ارسال به دوستان
جستجو در متن کتاب
بیشتر
تنظیمات قلم

فونت

اندازه قلم

+ - پیش فرض

حالت نمایش

روز نیمروز شب
جستجو در لغت نامه
بیشتر
افزودن یادداشت
افزودن یادداشت جدید

تأثير نانوذرات در افزايش طول عمر قطعات و كاهش مصرف سوخت

تصور کنيد خودرويي بخريد که به مدت 10 سال نياز به تعويض روغن موتور نداشته باشد و موتور اين خودرو فاقد گيج روغن براي چک کردن ميزان روغن باشد. همچنين اگر بتوان با استفاده از روغن مناسب، اصطکاک را در خودروها کاهش داد، مصرف سوخت نيز کاهش خواهد يافت.

روانسازهاي نانو با نام تجاري نانولوب، اولين روغن هاي مصنوعي برپايه نانوذرات غيرآلي کروي شکل مي باشند. همانند ديگر روانسازها، نقش آنها کاهش سايش و اصطکاک بين قطعات متحرک (قطعات موتور، گيربکس، اکسل و ...) افزايش عملکرد و کارايي بالاتر است. در نتيجه از مصرف انرژي و ايجاد آلودگي پيشگيري کرده و مصرف سوخت نيز به ميزان قابل توجهي کاهش مي يابد.

جست وجو براي يافتن يک روانساز کامل که نيازي به تعويض ندارد، خواسته اي ديرينه است. در قرن گذشته، افزودني هاي مصنوعي باعث افزايش کارايي روانسازهاي معمولي نظير روغن ها شده اند. اغلب اين افزودني ها سمي و از نظر زيست محيطي خطرناکند. مزيت «نانولوب» نسبت به روانسازهاي جامد موجود، در توصيف آن «نانوذرات غيرآلي کروي» مستتر است.

از جمله نانوذرات قابل استفاده در روغن ها مي توان به نانو «فولرين» اشاره کرد که از نام کاشف امريکايي آن F.Buckminster Fuller اقتباس شده است و گاهي هم با نام «باکي بال» معرفي مي شود. فولرين ها در واقع سومين آلوتروپ اصلي کربن (به غير از الماس و گرافيت) مي باشند که از مولکول هاي بزرگ کروي چنداتمي با فرمول کلي Cn که معمولاً بزرگ تر از 60 مي باشد تشکيل يافته اند. شناخته ترين نوع فولرين شکل C60 آن است که از 20 شش وجهي و 12 پنج وجهي تشکيل شده است و شکلي شبيه به توپ فوتبال دارد.

دانشمندان فيزيکي اصطکاکي که در زمينه فرايند اصطکاک و سايش مواد تحقيق مي کنند از اين مولکول هاي منحصربه فرد به دليل شکل توپ مانند آنها استفاده کرده اند. زماني که گريس حاوي اين توپ ها باشد در واقع اصطکاک لغزشي غيرممکن مي شود و در واقع اصطکاک لغزشي جاي خود را به اصطکاک غلتشي خواهد داد. اين بدان معناست که از ضريب اصطکاک به ميزان 1000 برابر کاسته مي شود. بنابراين با کاهش اصطکاک، سايش نيز کاسته شده و فرسايش مکانيزم ها متوقف خواهد شد. فولرين ها دانسيته و سختي بالاتري نسبت به الماس دارند. يعني مولکول C60 مي تواند در برابر نيروهاي بسيار سنگين نيز تاب آورد. بنابراين روغن حاوي اين مواد بسيار قوي تر است و قطعات اصطکاکي حتي در نيروهاي بسيار بالا با هم تماس پيدا نمي کنند.

يکي ديگر از موادي که به ميزان قابل توجهي در کاهش اصطکاک قطعات کاربرد دارد «فورسان» است. فورسان، ترکيب معدني کريستال- مايع پيچيده اي است که نه تنها باعث بهبود چشمگير اجزاي مکانيکي ماشين ها و مکانيزم ها مي شود، بلکه با تشکيل يک پوشش سراميک- فلز يا ضريب اصطکاک بسيار پايين و مقاومت سايشي بسيار بالا در منطقه اصطکاکي، باعث ترميم قطعات ساييده شده مي شود.

اگر در زيرميکروسکوپ به سطح ساييده شده نگاه کنيم، متوجه مي شويم که اين سطح از برجستگي ها و فرورفتگي ها تشکيل شده است. بنابراين در خلال عملکرد آن مکانيزم، بخش هاي برآمده يا تيز شده روي سطح ساييده شده، باعث پاره شدن فيلم روغن مي شود.

اگر پوشش «فورسان» در داخل يک نگهدارنده نظير: روغن، گريس روان کننده يا ضديخ، بين دو سطح اعمال شود، در طول عملکرد يک لايه فلز- سراميک بر روي سطح اصطکاکي تشکيل مي شود و در کنار سطح، واحدي يکپارچه تشکيل مي دهد.

کره هاي نانولوب مي توانند مانند بلبرينگ هاي مينياتوري بر روي هم بلغزند، خنک تر مانده و کارآيي خود را بيشتر حفظ کنند. ابعاد نانومتري آنها باعث مي شود تا بتوانند به داخل منافذ بسيار ريز، نفوذ کنند و از دسته اي شدن آنها کاسته شود. در نتيجه پوشش آنها بر روي سطوح سخت به ميزان قابل توجهي افزايش مي يابد و در نهايت، به عنوان ماده اي غيرآلي، به گونه اي زيبا حتي در محيط هاي نامساعد عمل مي کند.

نانولوب باعث افزايش روانسازي براي قطعات و سطوح زبر مي شود. به گونه اي که توليدکنندگان مي توانند زمان و هزينه کمتري را صرف ماشين کاري قطعات خود کنند.

از جنبه محيط زيست، استفاده از نانولوب باعث کاهش مصرف انرژي و در نتيجه کاهش آلودگي هوا مي شود. نانولوب به شيوه هاي مختلف زير استفاده مي شود:

• افزودني در روغن ها

• افزودني در گريس ها

• ماده اشباع کننده در قطعات

• جزئي از فيلم هاي کامپوزيتي پليمري

• جزئي از پوشش هاي کامپوزيتي فلزي

• پودر

مزاياي نانولوب ها عبارتند از:

• کاهش اصطکاک و سايش به ميزان بسيار بيشتري نسبت به روانساز هاي ديگر، بويژه در بارگذاري هاي بالا

• طول عمر

• افزايش قدرت موتور و کاهش سايش اجزاي آن

• کاهش مصرف روغن و سوخت

• کاهش صدا و لرزه

• قابليت کارکرد در نيروهاي بالا

• ذخيره انرژي و کاهش آلودگي

• ماده دوست دار طبيعت

• حفظ دقت قطعات ماشيني

• کاهش هزينه آماده سازي قطعات به دليل کارکرد موثر بر روي سطح زبر

• آسان تر شدن استارت زدن در حالت سرد

خصوصيات نانولوب عبارتند از:

ابعاد نانومتري

• قابليت نفوذ به داخل حفره ها و درزهاي بسيار ريز

• پيش گيري از تشکيل سطح

• امکان تهيه خود-روانسازهاي اشباع

شکل کروي

• از طريق غلتيدن، باعث کاهش بسيار بيشتري در اصطکاک نسبت به ترکيبات لايه اي مرسوم مي شود

• پايداري شيميايي به سبب نداشتن لبه هاي فعال

• عمر عملکرد بالا

• پايداري فيزيکي بالا

• عدم چسبندگي به سطح

ساختار تودرتو

• روانساز با قابليت خودسازي براي سيستم هاي بدون سويس و نگهداري

شيمي

• شيمي ساده غيرآلي

• قابليت تنظيم شدن خواص از طريق باز شدن صفحات نانومتري

• ساختار ويژه با تحمل درجه حرارت هاي بالا

شرکت Apnano در حال آزمون نانولوب در سيستم هاي مختلف بي نياز به تعمير و نگهداري شامل صنايع فضانوردي، پزشکي و دريايي، محيط هاي توليدي فوق تميز و ماشين آلات سنگين نظير توربين ها مي باشد، اما بهترين و جالب ترين رويکرد براي نانولوب، امکان سنجي درزبندي کامل موتورهاي خودرويي، بدون نياز هميشگي به تعويض روغن مي باشد.

با در نظر گرفتن حرارت و سايش به عنوان عوامل اوليه امروزي در خرابي موتور و سيستم هاي انتقالي، نقش اين مواد ضدسايش پررنگ تر خواهد شد. در برخي آزمون ها که با نانولوب انجام شده است، آزمايشگرها قادر به ايجاد اصطکاک کافي در روانساز براي توليد آسيب قابل اندازه گيري، حتي با افزايش زمان کاربرد نيز نبوده اند.

برخي نانولوب ها را در صنعت جاافتاده روانسازها، تبي زودگذر مي دانند. طبق تحقيقات، افزودني هاي بي نهايت ضدسايش فروش جهاني در حدود يک بيليون دلاري در مقايسه با بازار 37 بيليون دلاري روانسازها داشته اند، اما اگر نانولوب ها موفق شوند، بازار آنها به ميزان قابل توجهي رشد خواهد کرد و توليدکنندگان بزرگي نظير: Exon mobile, Shell و Chevron Texaco به سمت توسعه تکنولوژي هاي قابل رقابت با آن خواهند رفت.

عامل مهم ديگر در جذب بازار توسط نانولوب ها اين است که روانسازهايي «سبز» هستند. با افزايش دغدغه در خصوص آلودگي هاي زيست محيطي، تمايل بيشتري به استفاده از مواد دوستدار محيط زيست وجود خواهد داشت. روانسازهاي جامد متداول، ترکيباتي لايه اي از دي سولفايد موليبدن (MoS2) و دي سولفايد تانگستن (WS2) هستند که در واقع اين لايه ها با ليزخوردن بر روي يکديگر، باعث کاهش اصطکاک مي شوند.

لبه هاي اين لايه ها از نظر شيميايي واکنش دهنده اند وهمين امر، باعث تخريب و جدايش تدريجي آنها و در نتيجه چسبيدن آنها به سطح فلزات خواهد شد.

از طرفي بزرگي نسبي اندازه اين صفحات مانع از ورود آنها به حفره هاي قطعات فلزي مي شود، به همين دليل آنها معمولاً بر روي سطحي که قرار است آن را ليز کنند مي چسبند. اين عوامل در نهايت باعث کاهش قابليت ليزکنندگي آنها شده و در نتيجه قطعات فلزي به هم ساييده شده و پس از مدتي از بين مي روند. بنابراين دستيابي به روانسازهاي جامد ريزتر و پايدارتر، امري ضروري به نظر مي رسد.

ساختار برجسته کروي تودرتوي ذرات نانولوب، ساختاري شبيه پوست پياز را تشکيل مي دهند و اندازه ذرات ريز آنها سبب مي شود که روانسازي را با غلتيدني شبيه به بلبرينگ هاي مينياتوري انجام دهند. درواقع، مکانيزم روانسازي اين مواد، ترکيبي از غلتيدن ميليون ها بلبرينگ مينياتوري و تشکيل فيلم انتقالي بسيار نازکي بين سطوح در تماس است. اين مکانيزم ترکيبي باعث ايجاد پديده منحصربه فرد «فوق روانسازي» خواهد شد.

بررسي هاي جامع در زمينه اين مواد، حاکي از آن است که نانولوب ها نسبت به ديگر روانسازهاي جامد، کاهش قابل توجهي در اصطکاک، سايش و درجه حرارت بويژه در بارگذاري هاي بالا، ايجاد مي کنند. به همين دليل از کندگي، از کارافتادگي و لب پرشدن سطوح فلزي در اثر سايش کاسته مي شود.

نانولوب ها مي توانند ساختاري شبيه به تيوب هاي کربني تک ديواره (CSWNT)، تيوب هاي کربني چندديواره اي (CMWNT)، چندديواره اي گرافيته، پيازهاي نانوکربني و تيوب هاي کربني تک ديواره اي فلورينه شده داشته باشند و به صورت افزودني به روانسازهاي مايع و گريس ها، پوشش فلزي کامپوزيتي، فيلم پليمري کامپوزيتي يا حتي به تنهايي به صورت پودر مورد استفاده قرار گيرند.

نانولوب ها با وارد شدن به درزها و حفرات سطوح و پخش آهسته آنها در هنگام عملکرد، به خوبي بر روي سطوح نسبتاً زبر عمل مي کنند. درواقع سطوح قطعات ماشين کاري شده نيازي به عمليات تکميلي براي صاف کردن و صيقل شدن نخواهند داشت. تا پيش از اين، به منظور کاهش اصطکاک لازم بود که سطوح قطعات متحرك در حال تماس، مانند قطعات موتور، با ماشين کاري و عمليات مختلف تا سرحد امکان صاف و صيقلي شود.

در حال حاضر شرکت نيسان از تکنولوژي اصطکاک بسيار پايين ذرات نانو براي کاهش اصطکاک بين قطعات موتور، استفاده مي کند. در اين سيستم، فيلمي نانومتري از روغن حاوي افزودني هاي با اصطکاک پايين به کربن بدون هيدروژن (DLC) که شبيه الماس است جذب مي شود.

درواقع کربن شبيه الماس (DLC) فيلم سختي است که از کربني با خواص شبيه الماس ساخته مي شود و داراي مقاومت سايشي بسيار بالا و ضريب ا

/ 1