فناوري نانو در خودروهاي آينده

نويسنده : حميدرضا بهرامپوري - پروژه موتور ملي شركت ساپ

رشد تكنولوژي خودرو، مشابه آنچه كه در سال‌هاي اخير رخ داده به صورت موروثي از صنايع بالادستي هوا و فضا صورت پذيرفته است. مثلاً، نوع ساده‌اي از سيستم ترمز ABS براي اولين بار در 1952 در هواپيما به كار گرفته شد. بنابراين، پرداختن به موضوع نانو تكنولوژي در خودرو، بدون شناسايي كاربردهاي هوانوردي اين فناوري، ميسر نيست. طي نيم قرن گذشته، استفاده از مواد كامپوزيت و هوشمند در صنايع هواپيما، گسترش قابل توجهي داشته است. در اين مقاله، سعي شده است ضمن معرفي كاربردهاي مواد اشاره شده در خودرو، علل كندي رشد استفاده از اين تكنولوژي در صنعت حمل و نقل زميني مورد بررسي قرار گيرد.

به‌كارگيري مواد كامپوزيت و هوشمند (يا حافظه‌دار) در صنايع هواپيمايي، همچون هواپيماهاي ترابري نظامي و تجاري، جنگنده‌ها، بالگردها، موشك‌اندازها و ماهواره، رشد فزاينده‌اي داشته است. گرچه توسعه سريع مواد مركب در صنايع هوايي با مزيت نسبي قابل توجهي همراه بوده، اما صنايع حمل و نقل زميني به دلايل ذيل لاك‌پشت‌وار در اين راه گام بر مي‌دارد:

گراني مواد اوليه و فرايندهاي توليد

طولاني بودن زمان توليد كه فرايند توليد انبوه را مختل مي‌كند

اين فناوري به دليل هزينه بالاي بهينه‌سازي فرايندها، تاكنون براي محصولاتي سفارشي نظير خودروهاي مسابقه‌اي به صرفه بوده است

توسعه كاربرد مواد مركب در هواپيما و خودرو در دهه‌هاي گذشته، در شكل 2 نشان داده شده است.

از سوي ديگر، تغييرات وزني خودرو به تفكيك اجزاي اصلي طي 20 سال گذشته، رو به فزوني است. براساس شكل 3، خودروي 900 كيلوگرمي «ريتمو» 1978 به خودروي 1400 كيلوگرمي استيلو تبديل شده كه اين امر، بحران افزايش وزن خودرو را نشان مي‌دهد. همان‌طور كه در تقسيم‌بندي ذيل ديده مي‌شود، طي 2 دهه گذشته افزايش وزن اسكلت و موتور خودرو، كمتر از افزايش وزن ديگر قطعات بوده است.

بنابراين، امروزه مجموع وزن قطعات برقي و تزئيني داخل خودرو، با وزن شاسي و بدنه برابري مي‌كند كه كاهش قابل ملاحظه وزن در مجموعه نخست مدنظر طراحان خودرو است. اگر توابع جديد عملكردي همچون حسگرها، محرك‌ها و فرامين الكترونيكي، يكپارچه شوند، مواد مركب مي‌تواند آينده روشني را در خودرو به ارمغان آورد . اين تغيير الگو1 جز با توجه به قيمت مواد هوشمند، قيمت مواد زمينه2 و هزينه‌هاي توليد ممكن نيست. مواد مركب چند منظوره، قادرند حدود 20 درصد از وزن قطعات الكتريكي و مكانيكي سنگين را كاهش دهند كه اين خود مي‌تواند كاهش قيمت خودرو را نيز در برداشته باشد.

مواد هوشمند يا حافظه‌دار

مواد هوشمند، موادي هستند كه توسط توابعي خاص به عواملي نظير دما، ميدان مغناطيسي، نور، PH، تنش، كرنش و... مربوطند. اين مواد، مي‌توانند جايگزين عملكرد محرك‌ها و حسگرهاي خودرو شوند كه به نوبه خود تأثير بسزايي در كاهش اندازه، وزن و قيمت اجزاي مختلف خودرو دارد. به منظور وضوح مطلب، برخي از انواع اين مواد معرفي مي‌شوند:

مواد پيزوالكتريك3: اين مواد با دريافت تنش، ولتاژ توليد مي‌كنند و برعكس. به بياني ديگر با دريافت ولتاژ مشخصي تنش متناسبي در نمونه ايجاد خواهد شد. اين مواد مي‌توانند به صور مختلف طراحي شوند مثلاً با تغيير ولتاژ قطعه خم شوند يا منقبض شوند.

مواد ترموپوزتيو4: اين مواد در دماهاي مختلف، اشكال هندسي مشخصي به خود مي‌گيرند. فلزات حافظه‌دار يا پوليمرهاي حافظه‌دار از اين دسته‌اند. مثلاً آلياژهاي حافظه‌دار شكلي SMAا5 همان فلزاتي هستند كه شكل اوليه خود را به خاطر مي‌آورند. اين خصوصيات به دليل استحاله فاز مارتزيتي وابسته به دما از ساختار كريستالوگرافي تقارن كم به تقارن زياد بروز مي‏كند. اين ساختار كريستالي جديد همان فاز آستنيت6 يا گاما در مارتنزيت7 است. سه نوع اصلي از اين آلياژها عبارتند از: nickel-aluminum-copper, aluminum-zinc-copper و NiTi) titanium-nickel).

مواد حافظه‌دار مغناطيسي8 : اين مواد با تغييرات مشخصي از ميدان مغناطيسي شكل خود را تغيير مي‌دهند.

موادهالوكروميك9 : اين مواد با تغيير اسيديته يا PH از خود تغيير رنگ نشان مي‌دهند.

مواد فوتوكروميك: موادي كه با تغيير شدت نور، رنگ خود را تغيير مي‌دهند.

نانو لوله‌هاي كربني CNT : نانو لوله، يكي از مقاوم‌ترين مواد ساخت بشر است كه مقاومت مكانيكي و مدول الاستيسيته بالايي دارد. مقاومت مكانيكي 63 گيگا پاسكال و مدول الاستيسته يك تراپاسكال در قياس با فولادهاي با مقاومت مكانيكي بالا (1.2Gpa) تأمل برانگيز است.

سيال هوشمند: خصوصيات اين سيال نظير لزجت، با قرارگيري در ميدان الكتريكي يا مغناطيسي تغيير مي‌كند.

در مجموع، مواد هوشمند علاو‌بر اينكه در يك لحظه به عنوان حسگر و محرك عمل مي‌كنند، مي‌توانند عمليات مكانيكي كنترل شده‌اي را بدون داشتن مكانيزم اضافي، انجام دهند. همچنين، اين مواد علاوه‌بر اشغال فضاي بسيار كم، سازگاري مناسبي با محيط زيست دارند. بنابراين، براي در نظر گرفتن حداكثر مزاياي كاربردي مواد هوشمند در صنعت خودرو مي‌بايستي طراحي سيستم‌هاي جديد از مهندسي اجزاي خودرو شروع شود. به بياني ديگر، با طراحي مواد در اندازه‌هاي مولكولي، مي‌توان به مهندسي مشخصات عملكردي تك‌تك اجزا پرداخت.

كاربردها

مواد مركب چند منظوره هوشمند در طراحي آيروديناميك سقف خودرو را نشان مي‌دهد. اين ساختار شامل اجزاي ذيل است:

- مواد فعال با فيبرهاي مختلط

- لايه توزيع شده حسگر قابل تغيير شكل

- ساختار كامپوزيت هوشمند

جموعه اين ساختار، باعث بهبود عملكرد آيروديناميكي سقف در سرعت‌هاي مختلف خودرو مي‌شود. به كمك اين مواد، ضمن كاهش صداي زوزه سقف خودرو به صورت فعال، اغتشاش هواي عبوري از قسمت عقب خودرو قابل كنترل است.

2. ساخت ضربه‌گيرهاي هوشمند سپر براي برخورد كم خطر عابر پياده با خودرو، از ديگر كاربردهاي اين مواد است. در استانداردهاي جديد اروپايي، قواعد خاصي براي محافظت از عابر به هنگام برخورد با خودرو تعريف شده است. اين قانون براي افزايش حفاظت از عابر پياده، چگونگي برخورد سر وي با درب موتور10 را ارزيابي مي‌كند (شكل 7). بنابراين، با قرار دادن مجموعه‌هاي نازك پيزو پليمري يا فيبر نوري در طول ضربه‌گير، به كمك واحد كنترل الكترونيكي (ECU)، سيگنال‌هاي دريافتي ضربه‌گير، تحليل شده و سپس الگوريتم محافظت از عابر پياده با تغيير شكل قسمت‌هاي مختلف نظير درب موتور استخراج مي‌شود.

3. نانوكامپوزيت‌هاي مغناطيسي در توليد حسگرهاي دما، موقعيت و فشار به‌كار مي‌روند. سيكل هيسترسيس موادمركب مغناطيسي مي‌تواند براساس نانو ذرات مغناطيسي طراحي و بهينه شود. بنابراين، مي‌توان رفتارهاي هيسترسيس حسگرها را حذف كرد كه سبب حساسيت و دقت بيشتر حسگرها خواهد شد. چسب‌هاي فعال11 با چگالي متغير نوعي ديگر از اين نانوكامپوزيت‌ها هستند. اين نوع چسب در دماي زير 80 درجه سانتي‌گراد به صورت جامد بوده و در دماي بالاتر تغيير چگالي داده و نرم مي‌شود. امواج ميكروويو، سبب تغيير حالت چسب شده و در نتيجه فرايند توليد، تسريع مي‌شود. بتازگي اين چسب توسط شركت فيات براي چسباندن اجزاي سقف خودرو به كار رفته است.

منابع:

1. francesco.butera@crf.it

2. Limpert, R., "Brake design ad safety", SAE International, P. 361, 1992.

3. www.nanotec.it

4 . «گزارشي از كاربردهاي نانوتكولوژي در صنعت خودرو»، كميته مطالعات سياست نانوتكنولوژي، 1382.

5 . «بررسي جايگاه نانوتكنولوژي در صنعت خودرو»، ماهنامه صنعت خودرو، شماره 84، سال هشتم، ارديبهشت 1383.

1. Paradigm

2. Matrix

3. Materials Piezoelectric

4. Thermo responsive materials

5. Shape memory alloy

6. Austenite

7. Martensite

8. Magnetic Shape memory alloys

9. halochromic

10. hood

11. Hot-melt