مزايا و كاربرد پوششهاي نانوسراميكي در صنايع دريايي
خلاصه :
مواد نانوساختار كه جديداً كاربردهاي زيادي در توليدات صنعتي يافتهاند، داراي خواص و مزايايي ميباشند كه توجه به آنها را ضروري ميكند. موضوع مورد بحث در اين مقاله پوششهاي نانوسراميكي است كه به تازگي به عنوان جايگزيني مناسب براي پوششهاي معمول مطرح شدهاند. فناوري پلاسما ـ اسپري اين پوششها، هماكنون وارد نيروي دريايي ايالات متحده آمريكا شده، يكي از پوششهاي كاربردي نيروي دريايي آمريكا به حساب ميآيد. تا به حال فناوري Al2O3-13TiO2 نانوساختار در چند كارخانه كشتي و زيردرياييسازي به كار گرفته شده است. اين نانوسراميك اولين پوشش نانوساختار ميباشد كه كاربردهاي نظامي نيز يافته است.
مقدمه
مواد نانوساختار هماكنون در حال پيدا کردن مصارف گستردهاي به ويژه در الكترونيك، مكانيك، فوتونيك، مغناطيس و مواد زيست دارويي ميباشند. مواد نانوساختاري در مقايسه با مواد مشابهي كه داراي همان تركيب بوده ولي اندازه كريستالي معمولي دارند، داراي خواص بسيار بهتري هستند. خواص مكانيكي اين مواد نيز به علت اندازه مناسب ذراتشان بسيار مطلوب است [1].
اصلاح سطوح فلزي براي دستيابي به مقاومت در برابر سايش و خوردگي، روشي مناسب از لحاظ تجاري ميباشد. كروم سخت (ترسيب شده با الكترود) يكي از موادي است كه به صورت گسترده براي پوششهاي محافظ به كار ميرود. پوششهاي سراميكي ـ چه به شكل تك فازي و چه به شكل كامپوزيتي ـ نيز معمول ميباشند و با استفاده از روش پلاسما ـ اسپري به كار ميروند. در اين روش، ماده پوشاننده (غالباً به شكل پودر) درون يك جريان پلاسما پاشيده شده، در آن گرم شده، به سوي سطح مقصد شتاب داده ميشود. پس از پوشاندن سطح، سراميك به سرعت سرد شده و يك لايه پوششي ايجاد ميكند [2و3].
هر دو روش پوشش با كروم و سراميك داراي مشكلات مختلفي است كه ميتواند كاربرد آنها را محدود كند. در روش پوششدهي الكترودي با كروم، از مواد خطرناكي استفاده ميشود. استفاده از انواع روشهاي حفاظت از محيط زيست، استفاده از كروم سخت را بسيار گران قيمت ميكند. پوششهاي پلاسما ـ اسپري سراميكي با در نظر گرفتن هزينههاي تميزكاري ارزانتر از كروم ميباشند؛ ولي ترد بوده و در چسبندگي به سطح داراي محدوديت ميباشند كه براي كروم سخت نيز به عنوان مشكل به حساب ميآيد، لذا نياز به مواد بهتر براي احساس ميشود و محققان هماكنون به دنبال يافتن مواد جانشين ميباشند [2].
در پنج سال گذشته كنسرسيومي از شركتها، دانشگاهها و پرسنل نيروي دريايي ايالات متحده آمريكا به نوع جديدي از پوششهاي سراميكي نانوساختار مقاوم در برابر سايش دست يافتهاند. رهبري اين كنسرسيوم بر عهده Intrament و دانشگاه Connecticut بوده و اعضاي آن از اين قرارند: شركت A&A ، دانشگاه راتگرز، مؤسسه فناوري استيونز، مركز جنگ سطحي نيروي دريايي (بخش Carderock) و كارخانه كشتيسازي نيروي دريايي آمريكا. اين طرح را دفتر تحقيقاتي نيروي دريايي آمريكا تعريف كرده، موضوع آن دست يافتن به آن عده از خواص مكانيكي و سايشي ميباشد كه با استفاده از مواد معمول قابل دستيابي نيستند. منظور از مواد معمول، مواد با ساختار ميكروني يا بزرگتر ميباشد [1].
نانوساختارها، ساختارهاي بسيار ريزي هستند كه ابعادي كمتر از 100 نانومتر دارند. اين اندازه ميتواند اندازه دانه، قطر ذره يا فيبر و يا ضخامت لايه باشد (شکل1). تغييرات عمده در خواص مواد با كوچك شدن اندازه ميكروساختارها به دو علت است: اول اينكه با كوچك شدن اندازه دانه، تعداد اتمها در مرزها يا سطوح به شدت افزايش مييابد. در يك ماده پليكريستال با اندازه دانه 10 نانومتر، %50 از اتمها در مرزهاي دانه حضور دارند كه باعث ايجاد مادهاي با خواص بسيار متفاوت از حالت معمول ماده ميشود و علت ديگر به اين قاعده مربوط ميشود كه بسياري از خواص فيزيكي تحت تأثير يك طول ويژه قرار دارند. وقتي اندازه ماده از اين مقدار كمتر ميشود خواص به شدت تغيير ميكند. تاكنون به علت ناتواني در توليد يكپارچه مواد با كيفيت بالا، اين تغييرات در خواص و مدهاي خستگي به خوبي
شکل 1- مواد نانوساختار موادي با اندازه کمتر ازnm100ميباشند.[1] شناخته نشده بود. اين وضعيت با دستيابي به موفقيتهايي در زمينه توليد نانومواد و همچنين يافتن روابط دروني بين خواص در مقياس نانو با ساختار و خواص در مقياس بزرگ به سرعت در حال تغيير است [1].
توليد پوششهاي نانوسراميك
راهبرد گسترش مواد پوششي نانوساختار، بر روي تركيبات پوششهاي فعلي و استفاده از لوازم تهنشينسازي موجود براي توليد آنها متمركز شده است. تنها با تغيير اندازه ساختار پوششها، كاربرد آنها بسيار سادهتر شده است. يكي از پوششهاي در حال گسترش، يك نانوسراميك با تركيبAl2O3-13TiO2 ميباشد. اين پوشش مقاومت سايشي و قدرت اتصالي بالايي از خود نشان ميدهد كه در سراميكهاي معمول ديده نميشود. در حال حاضر از اين ماده در پوشش دادن سطح كشتيها و زيردرياييهاي نيروي دريايي ايالات متحده آمريكا استفاده ميشود كه باعث كاهش هزينههاي ناشي از خوردگي و سايش شده است [1و4].
روش پلاسما ـ اسپري كه براي توليد پوششهاي سراميكي استفاده ميشود از لحاظ نظري بسيار ساده بوده، ولي در عمل بسيار پيچيده است. يك گاز بياثر از درون
شکل 2- نماي شماتيک دستگاه پلاسما-اسپري [1]. يك منطقه تخليه الكتريكي ميگذرد و تا دماي بسيار بالا گرم ميشود (معمولاً K10000 تا 20000)، پلاسما كه سريعاً در حال انبساط است با فشار از درون يك نازل كه مقابل سطح مقصد قرار گرفته است با سرعتي بين 1200 تا 1500 متر بر ثانيه به بيرون رانده ميشود. ذرات به درون پلاسما پاشيده و در آن گرم شده، شتاب ميگيرند. چون پلاسما و ذرات هر دو داغ هستند نياز به گرم كردن سطح، حداقل ميباشد.
شماتيكي از يك تفنگ پلاسما در شكل2 آمده است. پيچيدگي، ناشي از تعداد زياد عواملي است كه بايد انتخاب شوند و ميتوانند روي ساختار و خواص سطح تأثير بگذارند. دما و سرعت پلاسما به نيروي اعمالي بر تفنگ، نوع گاز و شدت جريان گاز مصرفي بستگي دارد. معمولاً دو گاز به كار ميرود، يك گاز بياثر مثل هليوم يا آرگون و يك گاز ديگر مثل هيدروژن. عوامل ديگر تأثيرگذار عبارتند از : ساختار ذرات پودر، فاصله تفنگ تا سطح مقصد، محل و زاويه پاشندههاي پودر و نحوه آمادهسازي سطح مقصد [4].
پلاسما ـ اسپري كردن نانوساختارها با چند پيچيدگي روبهروست: اول اينكه نانوذرات نميتوانند با پاشش اجزا درون پلاسما پاشيده شوند. اجزاي خيلي كوچك فاقد مومنتوم كافي براي نفوذ به درون پلاسما يا برخورد به سطح مقصد هنگام نزديك شدن پلاسما به سطح ميباشند. براي پاشيده شدن، اجزا بايد كنار هم انباشته شوند تا ذراتي به قطر 100-30 ميكرون تشكيل دهند. براي نانوكامپوزيت Al2O3-13TiO2 اين كار از طريق پخش كردن نانوذرات آلومينيوم و تيتانيوم در يك مايع حاوي يك ماده منعقدكننده و خشك كردن پاششي انجام ميشود. اگر نياز باشد اجزاي ميكروني نيز براي تشكيل مجموعههاي ساختاري در كنارهم قرار ميگيرند [2و3].
مشكل ديگر، شكل دادن يك پوشش نانوساختاري روي سطح مقصد است. اين مشكل تا وقتي كه دانههاي ميكروني به حد كافي داغ و حتي تا قسمتي ذوب شده باشند (كه باعث گسترش سريع پوشش روي سطح مقصد ميشود)، چندان مهم نيست. سه سازوكار براي توليد و حفظ ميكروساختارهاي در اندازه نانو وجود دارد: پيشگيري از ذوب شدن يا رشد ذره در ورودي (بسيار سخت است)؛ احاطه ذرات با مواد داراي درجه ذوب خيلي بالا كه وقتي تمام اجزاي ديگر ذوب ميشوند جامد باقي ميماند و يا شكل دادن يك نانوساختار در هنگام انجماد ماده پاشيده شده حين برخورد با سطح. ساز و كار اخير در كامپوزيتهايي كه داراي دو بخش مخلوط نشدني (مثلAl2O3 و TiO2 ) ميباشند اتفاق ميافتد و علت آن جدايش فاز نيمهپايدار جامد در هنگام انجماد سريع در زمان برخورد با سطح ميباشد. اين فاز نيمهپايدار متشكل از Al2O3 و TiO2 بسيار معيوب ميباشد [2].
خلاصه :
مواد نانوساختار كه جديداً كاربردهاي زيادي در توليدات صنعتي يافتهاند، داراي خواص و مزايايي ميباشند كه توجه به آنها را ضروري ميكند. موضوع مورد بحث در اين مقاله پوششهاي نانوسراميكي است كه به تازگي به عنوان جايگزيني مناسب براي پوششهاي معمول مطرح شدهاند. فناوري پلاسما ـ اسپري اين پوششها، هماكنون وارد نيروي دريايي ايالات متحده آمريكا شده، يكي از پوششهاي كاربردي نيروي دريايي آمريكا به حساب ميآيد. تا به حال فناوري Al2O3-13TiO2 نانوساختار در چند كارخانه كشتي و زيردرياييسازي به كار گرفته شده است. اين نانوسراميك اولين پوشش نانوساختار ميباشد كه كاربردهاي نظامي نيز يافته است.
مقدمه
مواد نانوساختار هماكنون در حال پيدا کردن مصارف گستردهاي به ويژه در الكترونيك، مكانيك، فوتونيك، مغناطيس و مواد زيست دارويي ميباشند. مواد نانوساختاري در مقايسه با مواد مشابهي كه داراي همان تركيب بوده ولي اندازه كريستالي معمولي دارند، داراي خواص بسيار بهتري هستند. خواص مكانيكي اين مواد نيز به علت اندازه مناسب ذراتشان بسيار مطلوب است [1].
اصلاح سطوح فلزي براي دستيابي به مقاومت در برابر سايش و خوردگي، روشي مناسب از لحاظ تجاري ميباشد. كروم سخت (ترسيب شده با الكترود) يكي از موادي است كه به صورت گسترده براي پوششهاي محافظ به كار ميرود. پوششهاي سراميكي ـ چه به شكل تك فازي و چه به شكل كامپوزيتي ـ نيز معمول ميباشند و با استفاده از روش پلاسما ـ اسپري به كار ميروند. در اين روش، ماده پوشاننده (غالباً به شكل پودر) درون يك جريان پلاسما پاشيده شده، در آن گرم شده، به سوي سطح مقصد شتاب داده ميشود. پس از پوشاندن سطح، سراميك به سرعت سرد شده و يك لايه پوششي ايجاد ميكند [2و3].
هر دو روش پوشش با كروم و سراميك داراي مشكلات مختلفي است كه ميتواند كاربرد آنها را محدود كند. در روش پوششدهي الكترودي با كروم، از مواد خطرناكي استفاده ميشود. استفاده از انواع روشهاي حفاظت از محيط زيست، استفاده از كروم سخت را بسيار گران قيمت ميكند. پوششهاي پلاسما ـ اسپري سراميكي با در نظر گرفتن هزينههاي تميزكاري ارزانتر از كروم ميباشند؛ ولي ترد بوده و در چسبندگي به سطح داراي محدوديت ميباشند كه براي كروم سخت نيز به عنوان مشكل به حساب ميآيد، لذا نياز به مواد بهتر براي احساس ميشود و محققان هماكنون به دنبال يافتن مواد جانشين ميباشند [2].
در پنج سال گذشته كنسرسيومي از شركتها، دانشگاهها و پرسنل نيروي دريايي ايالات متحده آمريكا به نوع جديدي از پوششهاي سراميكي نانوساختار مقاوم در برابر سايش دست يافتهاند. رهبري اين كنسرسيوم بر عهده Intrament و دانشگاه Connecticut بوده و اعضاي آن از اين قرارند: شركت A&A ، دانشگاه راتگرز، مؤسسه فناوري استيونز، مركز جنگ سطحي نيروي دريايي (بخش Carderock) و كارخانه كشتيسازي نيروي دريايي آمريكا. اين طرح را دفتر تحقيقاتي نيروي دريايي آمريكا تعريف كرده، موضوع آن دست يافتن به آن عده از خواص مكانيكي و سايشي ميباشد كه با استفاده از مواد معمول قابل دستيابي نيستند. منظور از مواد معمول، مواد با ساختار ميكروني يا بزرگتر ميباشد [1].
نانوساختارها، ساختارهاي بسيار ريزي هستند كه ابعادي كمتر از 100 نانومتر دارند. اين اندازه ميتواند اندازه دانه، قطر ذره يا فيبر و يا ضخامت لايه باشد (شکل1). تغييرات عمده در خواص مواد با كوچك شدن اندازه ميكروساختارها به دو علت است: اول اينكه با كوچك شدن اندازه دانه، تعداد اتمها در مرزها يا سطوح به شدت افزايش مييابد. در يك ماده پليكريستال با اندازه دانه 10 نانومتر، %50 از اتمها در مرزهاي دانه حضور دارند كه باعث ايجاد مادهاي با خواص بسيار متفاوت از حالت معمول ماده ميشود و علت ديگر به اين قاعده مربوط ميشود كه بسياري از خواص فيزيكي تحت تأثير يك طول ويژه قرار دارند. وقتي اندازه ماده از اين مقدار كمتر ميشود خواص به شدت تغيير ميكند. تاكنون به علت ناتواني در توليد يكپارچه مواد با كيفيت بالا، اين تغييرات در خواص و مدهاي خستگي به خوبي
توليد پوششهاي نانوسراميك
راهبرد گسترش مواد پوششي نانوساختار، بر روي تركيبات پوششهاي فعلي و استفاده از لوازم تهنشينسازي موجود براي توليد آنها متمركز شده است. تنها با تغيير اندازه ساختار پوششها، كاربرد آنها بسيار سادهتر شده است. يكي از پوششهاي در حال گسترش، يك نانوسراميك با تركيبAl2O3-13TiO2 ميباشد. اين پوشش مقاومت سايشي و قدرت اتصالي بالايي از خود نشان ميدهد كه در سراميكهاي معمول ديده نميشود. در حال حاضر از اين ماده در پوشش دادن سطح كشتيها و زيردرياييهاي نيروي دريايي ايالات متحده آمريكا استفاده ميشود كه باعث كاهش هزينههاي ناشي از خوردگي و سايش شده است [1و4].
روش پلاسما ـ اسپري كه براي توليد پوششهاي سراميكي استفاده ميشود از لحاظ نظري بسيار ساده بوده، ولي در عمل بسيار پيچيده است. يك گاز بياثر از درون
شماتيكي از يك تفنگ پلاسما در شكل2 آمده است. پيچيدگي، ناشي از تعداد زياد عواملي است كه بايد انتخاب شوند و ميتوانند روي ساختار و خواص سطح تأثير بگذارند. دما و سرعت پلاسما به نيروي اعمالي بر تفنگ، نوع گاز و شدت جريان گاز مصرفي بستگي دارد. معمولاً دو گاز به كار ميرود، يك گاز بياثر مثل هليوم يا آرگون و يك گاز ديگر مثل هيدروژن. عوامل ديگر تأثيرگذار عبارتند از : ساختار ذرات پودر، فاصله تفنگ تا سطح مقصد، محل و زاويه پاشندههاي پودر و نحوه آمادهسازي سطح مقصد [4].
پلاسما ـ اسپري كردن نانوساختارها با چند پيچيدگي روبهروست: اول اينكه نانوذرات نميتوانند با پاشش اجزا درون پلاسما پاشيده شوند. اجزاي خيلي كوچك فاقد مومنتوم كافي براي نفوذ به درون پلاسما يا برخورد به سطح مقصد هنگام نزديك شدن پلاسما به سطح ميباشند. براي پاشيده شدن، اجزا بايد كنار هم انباشته شوند تا ذراتي به قطر 100-30 ميكرون تشكيل دهند. براي نانوكامپوزيت Al2O3-13TiO2 اين كار از طريق پخش كردن نانوذرات آلومينيوم و تيتانيوم در يك مايع حاوي يك ماده منعقدكننده و خشك كردن پاششي انجام ميشود. اگر نياز باشد اجزاي ميكروني نيز براي تشكيل مجموعههاي ساختاري در كنارهم قرار ميگيرند [2و3].
مشكل ديگر، شكل دادن يك پوشش نانوساختاري روي سطح مقصد است. اين مشكل تا وقتي كه دانههاي ميكروني به حد كافي داغ و حتي تا قسمتي ذوب شده باشند (كه باعث گسترش سريع پوشش روي سطح مقصد ميشود)، چندان مهم نيست. سه سازوكار براي توليد و حفظ ميكروساختارهاي در اندازه نانو وجود دارد: پيشگيري از ذوب شدن يا رشد ذره در ورودي (بسيار سخت است)؛ احاطه ذرات با مواد داراي درجه ذوب خيلي بالا كه وقتي تمام اجزاي ديگر ذوب ميشوند جامد باقي ميماند و يا شكل دادن يك نانوساختار در هنگام انجماد ماده پاشيده شده حين برخورد با سطح. ساز و كار اخير در كامپوزيتهايي كه داراي دو بخش مخلوط نشدني (مثلAl2O3 و TiO2 ) ميباشند اتفاق ميافتد و علت آن جدايش فاز نيمهپايدار جامد در هنگام انجماد سريع در زمان برخورد با سطح ميباشد. اين فاز نيمهپايدار متشكل از Al2O3 و TiO2 بسيار معيوب ميباشد [2].