مزایا و کاربرد پوشش‌های نانوسرامیکی در صنایع دریایی

[P O U R I A]

مقدمه
مواد نانوساختار هم‌اکنون در حال پیدا کردن مصارف گسترده‌ای به ویژه در الکترونیک، مکانیک، فوتونیک، مغناطیس و مواد زیست دارویی می‌باشند. مواد نانوساختاری در مقایسه با مواد مشابهی که دارای همان ترکیب بوده ولی اندازه کریستالی معمولی دارند، دارای خواص بسیار بهتری هستند. خواص مکانیکی این مواد نیز به علت اندازه مناسب ذراتشان بسیار مطلوب است.
اصلاح سطوح فلزی برای دستیابی به مقاومت در برابر سایش و خوردگی، روشی مناسب از لحاظ تجاری می‌باشد. کروم سخت (ترسیب شده با الکترود) یکی از موادی است که به صورت گسترده برای پوشش‌های محافظ به کار می‌رود. پوشش‌های سرامیکی ـ چه به شکل تک فازی و چه به شکل کامپوزیتی ـ نیز معمول می‌باشند و با استفاده از روش پلاسما ـ اسپری به کار می‌روند. در این روش، ماده پوشاننده (غالباً به شکل پودر) درون یک جریان پلاسما پاشیده شده، در آن گرم شده، به سوی سطح مقصد شتاب داده می‌شود. پس از پوشاندن سطح، سرامیک به سرعت سرد شده و یک لایه پوششی ایجاد می‌کند.
هر دو روش پوشش با کروم و سرامیک دارای مشکلات مختلفی است که می‌تواند کاربرد آنها را محدود کند. در روش پوشش‌دهی الکترودی با کروم، از مواد خطرناکی استفاده می‌شود. استفاده از انواع روش‌های حفاظت از محیط زیست، استفاده از کروم سخت را بسیار گران قیمت می‌کند. پوشش‌های پلاسما ـ اسپری سرامیکی با در نظر گرفتن هزینه‌های تمیزکاری ارزان‌تر از کروم می‌باشند؛ ولی ترد بوده و در چسبندگی به سطح دارای محدودیت می‌باشند که برای کروم سخت نیز به عنوان مشکل به حساب می‌آید، لذا نیاز به مواد بهتر برای احساس می‌شود و محققان هم‌اکنون به دنبال یافتن مواد جانشین می‌باشند.
در پنج سال گذشته کنسرسیومی از شرکت‌ها، دانشگاه‌ها و پرسنل نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا به نوع جدیدی از پوشش‌های سرامیکی نانوساختار مقاوم در برابر سایش دست یافته‌اند. رهبری این کنسرسیوم بر عهده Intrament و دانشگاه Connecticut بوده و اعضای آن از این قرارند: شرکت A&A ، دانشگاه راتگرز، مؤسسه فناوری استیونز، مرکز جنگ سطحی نیروی دریایی (بخش Carderock) و کارخانه کشتی‌سازی نیروی دریایی آمریکا. این طرح را دفتر تحقیقاتی نیروی دریایی آمریکا تعریف کرده، موضوع آن دست یافتن به آن عده از خواص مکانیکی و سایشی می‌باشد که با استفاده از مواد معمول قابل دست‌یابی نیستند. منظور از مواد معمول، مواد با ساختار میکرونی یا بزرگ‌تر می‌باشد.
نانوساختارها، ساختارهای بسیار ریزی هستند که ابعادی کمتر از 100 نانومتر دارند. این اندازه می‌تواند اندازه دانه، قطر ذره یا فیبر و یا ضخامت لایه باشد. تغییرات عمده در خواص مواد با کوچک شدن اندازه میکروساختارها به دو علت است: اول اینکه با کوچک شدن اندازه دانه، تعداد اتم‌ها در مرزها یا سطوح به شدت افزایش می‌یابد. در یک ماده پلی‌کریستال با اندازه دانه 10 نانومتر، %50 از اتم‌ها در مرزهای دانه حضور دارند که باعث ایجاد ماده‌ای با خواص بسیار متفاوت از حالت معمول ماده می‌شود و علت دیگر به این قاعده مربوط می‌شود که بسیاری از خواص فیزیکی تحت تأثیر یک طول ویژه قرار دارند. وقتی اندازه ماده از این مقدار کمتر می‌شود خواص به شدت تغییر می‌کند. تاکنون به علت ناتوانی در تولید یکپارچه مواد با کیفیت بالا، این تغییرات در خواص و مدهای خستگی به خوبی شناخته نشده بود. این وضعیت با دستیابی به موفقیت‌هایی در زمینه تولید نانومواد و همچنین یافتن روابط درونی بین خواص در مقیاس نانو با ساختار و خواص در مقیاس بزرگ به سرعت در حال تغییر است.

 

[P O U R I A]

تولید پوشش‌های نانوسرامیک

تولید پوشش‌های نانوسرامیک

تولید پوشش‌های نانوسرامیک
راهبرد گسترش مواد پوششی نانوساختار، بر روی ترکیبات پوشش‌های فعلی و استفاده از لوازم ته‌نشین‌سازی موجود برای تولید آنها متمرکز شده است. تنها با تغییر اندازه ساختار پوشش‌ها، کاربرد آنها بسیار ساده‌تر شده است. یکی از پوشش‌های در حال گسترش، یک نانوسرامیک با ترکیبAl[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB] می‌باشد. این پوشش مقاومت سایشی و قدرت اتصالی بالایی از خود نشان می‌دهد که در سرامیک‌های معمول دیده نمی‌شود. در حال حاضر از این ماده در پوشش دادن سطح کشتی‌ها و زیردریایی‌های نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا استفاده می‌شود که باعث کاهش هزینه‌های ناشی از خوردگی و سایش شده است.
روش پلاسما ـ اسپری که برای تولید پوشش‌های سرامیکی استفاده می‌شود از لحاظ نظری بسیار ساده بوده، ولی در عمل بسیار پیچیده است. یک گاز بی‌اثر از درون یک منطقه تخلیه الکتریکی می‌گذرد و تا دمای بسیار بالا گرم می‌شود (معمولاً K10000 تا 20000)، پلاسما که سریعاً در حال انبساط است با فشار از درون یک نازل که مقابل سطح مقصد قرار گرفته است با سرعتی بین 1200 تا 1500 متر بر ثانیه به بیرون رانده می‌شود. ذرات به درون پلاسما پاشیده و در آن گرم شده، شتاب می‌گیرند. چون پلاسما و ذرات هر دو داغ هستند نیاز به گرم کردن سطح، حداقل می‌باشد.

پیچیدگی، ناشی از تعداد زیاد عواملی است که باید انتخاب شوند و می‌توانند روی ساختار و خواص سطح تأثیر بگذارند. دما و سرعت پلاسما به نیروی اعمالی بر تفنگ، نوع گاز و شدت جریان گاز مصرفی بستگی دارد. معمولاً دو گاز به کار می‌رود، یک گاز بی‌اثر مثل هلیوم یا آرگون و یک گاز دیگر مثل هیدروژن. عوامل دیگر تأثیرگذار عبارتند از : ساختار ذرات پودر، فاصله تفنگ تا سطح مقصد، محل و زاویه پاشنده‌های پودر و نحوه آماده‌سازی سطح مقصد.
پلاسما ـ اسپری کردن نانوساختارها با چند پیچیدگی روبه‌روست: اول اینکه نانوذرات نمی‌توانند با پاشش اجزا درون پلاسما پاشیده شوند. اجزای خیلی کوچک فاقد مومنتوم کافی برای نفوذ به درون پلاسما یا برخورد به سطح مقصد هنگام نزدیک شدن پلاسما به سطح می‌باشند. برای پاشیده شدن، اجزا باید کنار هم انباشته شوند تا ذراتی به قطر 100-30 میکرون تشکیل دهند. برای نانوکامپوزیت Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB] این کار از طریق پخش کردن نانوذرات آلومینیوم و تیتانیوم در یک مایع حاوی یک ماده منعقد‌کننده و خشک کردن پاششی انجام می‌شود. اگر نیاز باشد اجزای میکرونی نیز برای تشکیل مجموعه‌های ساختاری در کنارهم قرار می‌گیرند.
مشکل دیگر، شکل دادن یک پوشش نانوساختاری روی سطح مقصد است. این مشکل تا وقتی که دانه‌های میکرونی به حد کافی داغ و حتی تا قسمتی ذوب شده باشند (که باعث گسترش سریع پوشش روی سطح مقصد می‌شود)، چندان مهم نیست. سه سازوکار برای تولید و حفظ میکروساختارهای در اندازه نانو وجود دارد: پیشگیری از ذوب شدن یا رشد ذره در ورودی (بسیار سخت است)؛ احاطه ذرات با مواد دارای درجه ذوب خیلی بالا که وقتی تمام اجزای دیگر ذوب می‌شوند جامد باقی می‌ماند و یا شکل دادن یک نانوساختار در هنگام انجماد ماده پاشیده شده حین برخورد با سطح. ساز و کار اخیر در کامپوزیت‌هایی که دارای دو بخش مخلوط نشدنی (مثلAl2O3 و TiO2 ) می‌باشند اتفاق می‌افتد و علت آن جدایش فاز نیمه‌پایدار جامد در هنگام انجماد سریع در زمان برخورد با سطح می‌باشد. این فاز نیمه‌پایدار متشکل از Al2O3 و TiO2 بسیار معیوب می‌باشد.

 

[P O U R I A]

میکروساختار و خواص پوشش Al2O3-13TiO2

میکروساختار و خواص پوشش Al2O3-13TiO2

میکروساختار و خواص پوشش Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB]
نانوساختار، شدیداً به دمای پلاسما بستگی دارد. این امر در تضاد کامل با پوشش‌دهی معمول قرار دارد. شکل3 نمودار تغییرات مقاومت در برابر ترک را برحسب عامل (نیروی اعمالی تقسیم بر شدت جریان اولیه گاز) نشان می‌دهد. این عامل نسبت مستقیم با دمای پلاسما دارد. مقادیر برای هر دو پوشش معمول و نانوساختار نشان داده شده‌اند. یکی از مواردی که می‌توان از نمودار استنباط کرد این است که مقاومت در برابر رشد ترک در پوشش‌های معمولی تقریباً رابطه‌ای با دمای پلاسما ندارد؛ در حالی که در پوشش‌های نانوساختار رابطه‌ای قوی بین مقاومت در برابر رشد ترک و دمای پلاسما دیده می‌شود.
علت را می‌توان با بررسی تاریخچه حرارتی ذرات پاشش شده فهمید. در پلاسما ـ اسپری معمولی Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB] منبع تغذیه، شامل ذرات بزرگ به هم‌چسبیده یا به هم فشرده می‌باشد که قبل از تراکم کاملاً ذوب شده‌اند. ذوب کامل به علت رسانش گرمایی بالای ذرات به هم چسبیده و به هم فشرده در بازه دمایی وسیعی اتفاق می‌افتد. عموماً پوشش دارای ضخامتی بیشتر از یک میکرون می‌باشد. وقتی توده‌های جوش‌خورده نانوذره‌ای در دمای بالای مربوطه (شرایطی که ذوب کامل ایجاد کند) پاشیده می‌شوند، ساختار نانو تنها شامل ذراتی می‌باشد که از خروج فاز نیمه‌پایدار اسپینل از ترکیب به وجود می‌آیند.
تفاوت میکروذرات فلزی حاصل از به هم چسبیدن و تراکم ذرات با نانوساختارهای متشکل از هم‌جوشی، در اثر تفاوت در درجه همگنی ذرات مذاب ایجاد می‌شود. به علت زمان کوتاه، مایع حاصل از ذوب ذراتِ به هم چسبیده و فشرده، شامل مناطق با غلظت بالای آلومینیوم و تیتانیوم خواهد بود. وقتی این مایع به سرعت منجمد می‌شود، بزرگی ذرات تشکیل شده بیشتر از مقداری است که برای مایع همگن انتظار می‌رود.

اگر پلاسما ـ اسپری در دمایی پایین‌تر از دمای لازم برای ذوب کامل انجام شود، ذوب کمی ایجاد می‌شود و ساختار پوشش شامل ذرات غیرهمسانی خواهد بود که باعث کاهش در رشد ذرات می‌شوند. بازه دمایی حد وسط باعث ذوب ناقص ذرات هم‌جوش و ایجاد مناطقی از اجزای میکرونی (ناشی از اجزای ذوب نشده پس از رشد ذرات) می‌شود که به وسیله نانوذرات ناشی از مواد کاملاً ذوب شده احاطه شده‌اند. این حالت در شکل5 نیز نشان داده شده است. این ساختار دو قسمتی بهترین خواص را دارد و از ساختار نانواندازه همگن بهتر عمل می‌کند.

 

[P O U R I A]

خواص پوشش Al2O3-13TiO2 نانوساختار

خواص پوشش Al2O3-13TiO2 نانوساختار

خواص پوشش Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB] نانوساختار
عاملی که برای قضاوت درباره پوشش ضدسایش استفاده می‌شود، شدت سایش می‌باشد. شدت سایش با کشیدن وسیله‌ای مخصوص بر روی سطح و اندازه‌گیری مقدار وزن از دست رفته سطح، اندازه‌گیری می‌شود. برای بسیاری از پوشش‌ها مخصوصاً پوشش‌های ترد مثل سرامیک‌ها، این عامل ممکن است گمراه‌کننده باشد .
معیار شدت سایش در پوشش‌های امروزی استفاده نمی‌شود. پوشش‌های ترد معمولاً با ساییده شدن از بین نمی‌روند؛ بلکه در اثر ترک خوردگی و ورقه ورقه شدن آسیب می‌بینند. در نتیجه مقاومت پیوند (چسبندگی به سطح مقصد) و مقاومت در برابر شکست (توانایی تحمل فشار یا کرنش اعمالی)، حداقل به اندازه مقاومت در برابر سایش اهمیت دارند. این خصوصیات در پوشش نانوسرامیک به شکل ناباورانه‌ای عالی می‌باشند.

قدرت چسبندگی پوشش نانوسرامیک حدوداً دو برابر انواع پوشش‌های معمولی است. مقاومت در برابر شکست پوشش نانوساختار Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB] بسیار فوق‌العاده است، چنان که در شکل6 نشان داده شده است. این شکل یک آزمایش فنجان را نشان می‌دهد که در آن یک کوپنِ پوشش داده شده با فشار به داخل یک توپ فولادی وارد می‌شود که این عمل باعث تغییر شکل کوپن می‌شود. در پوشش معمولی، ترک‌هایی که در سرامیک‌ها معمول است دیده می‌شود. پوشش نانوساختاری به همراه سطح تغییر شکل می‌دهد و هیچ ترک ماکروسکوپی در آن دیده نمی‌شود. یک ضربه چکش که می‌تواند سطح را تغییرشکل دهد قادر به ایجاد شکست در پوشش نانوساختار نمی‌باشد. این مقاومت در برابر شکست بالا، باعث افزایش مقاومت سایشی پوشش نانوساختار می‌شود که دو تا چهار برابر بیشتر از پوشش‌های معمولی می‌باشد.

مزیت دیگر افزایش مقاومت در برابر شکست پوشش، افزایش صافی‌پذیری می‌باشد. تقریباً تمام پوشش‌های سرامیکی پس از پاشش به سطح باید پولیش‌زده شده و صاف شوند. زمان لازم برای عملیات پولیش‌زنی و صاف‌کاری در پوشش‌های سرامیکی نانوساختار تقریباً نصف زمان لازم برای پوشش‌های سرامیکی معمولی است. چون عملیات پولیش‌زنی و صاف‌کاری 40 درصد از قیمت تمام شده پوشش را شامل می‌شود، کاربرد پوشش‌های نانوساختار کم‌هزینه‌تر خواهد بود.
نوع عملکرد پوشش‌های معمولی و نانوساختار زمانی قابل فهم‌تر می‌شود که رشد ترک در این مواد به درستی بررسی شود. در پوشش‌های معمولی ترک‌ها در هنگام رشد، مسیر مرز دانه‌ها را طی می‌کنند که مرز بین مواد تشکیل‌ شده از هر قطره پاشیده شده را نشان می‌دهند. فلش‌ها در این شکل مرز دانه‌ها را نشان می‌دهند. یک ترک نیز دیده می‌شود که مسیر مرز دانه‌ دیگری را دنبال کرده است. در کامپوزیت نانوسرامیک، ترک مرز دانه‌ها را دنبال نمی‌کند؛ بلکه در ماده نانوساختار تشکیل شده به هنگام انجماد پخش می‌شود تا به قسمت دارای ذرات بزرگ‌تر که از ذرات نیمه ذوب شده تشکیل شده‌اند برسد. در اینجا ترک‌ها در کنار سطوح دارای سطح زبر متوقف شده، یا بازتابیده می‌شوند. در شکل8 به وضوح دیده می‌شود (با تعقیب فلش‌ها) که ترک‌ها در کنار سطوح بزرگ تشکیل شده از ذرات ذوب نشده، متوقف شده‌اند.
هر کرنش ایجاد شده در پوشش نانوساختار باعث به وجود آمدن ترک‌های میکرونی می‌شود، ولی این ترک‌ها قبل از رشد کردن یا رسیدن به ترک‌های دیگر متوقف می‌شوند. در نتیجه محصول ما یک ماده سرامیکی است که می‌تواند بسیار بیشتر از سرامیک‌های ترد معمول تغییرشکل دهد.

 

[P O U R I A]

کاربردها
کاربرد پوشش‌های نانوساختار Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB] براساس خواص آنها طبقه‌بندی می‌شود. ساده‌ترین کاربرد‌، جایگزینی پوشش‌های سرامیکی معمول با پوشش‌های نانوساختار می‌باشد. در این موارد، نتیجه به دست آمده، طول عمر و قابلیت اطمینان بیشتر است. حالت دوم، جایگزینی به جای پوشش‌های کروم سخت می‌باشد. مزایای این حالت نیز عبارتند از قیمت تمام شده کمتر، حذف مواد سمی خطرناک و در برخی موارد بهبود عملکرد.
سطوح فلزی که برای دوره‌های زمانی طولانی در تماس با آب دریا قرار دارند، رسوبات کربنات کلسیم را تشکیل می‌دهند. سطوح دارای رسوبات کلسیمی می‌توانند پس از بی‌مصرف شدن به محیط زیست آسیب بزنند. پوشش‌های عایق الکتریکی چنین رسوباتی از خود نشان نمی‌دهند. علاوه بر این سرامیک‌ها خاصیت تحریک خوردگی از خود نشان نمی‌دهند. این خاصیت در هنگام تماس دو فلز غیرهمسان با یک رسانای الکتریکی مانند آب دریا رخ می‌دهد. با وجود این مزایا، پوشش‌های سرامیکی معمول را نمی‌توان بر روی سطوح فلزی به کار برد؛ زیرا چسبندگی و استحکام لازم را ندارند. سرامیک‌های نانوساختار این محدودیت را ندارند. هم‌اکنون پوشش‌های نانوساختار Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB] در زیردریایی‌ها برای پوشش دادن به اجزای تیتانیومی جهت جلوگیری از تحریک خوردگی اجزای فولادی در تماس به کار می‌روند.

پوشش‌های نانوساختار Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB] همچنین دارای تلورانس کرنش برای پوشش دادن به سطوح با سایش بالا در شفت‌ها می‌باشند. ایجاد توانایی در یک ماده جدید برای کاربردهای نظامی روندی تقریباً پیچیده است. این روند برای پوشش‌ نانوساختار Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB] بسیار ساده می‌باشد، زیرا دارای ترکیبی مشابه پوشش‌های معمول است و نیازمند وسایل و مراحل مشابهی می‌باشد.
کاربردهای زیادی در کشتی‌ها و زیردریایی‌ها در حال گسترش می‌باشد. پتانسیل زیادی برای کاربرد نانوسرامیک‌ها در کشتی‌ها، هواپیماها و خودروها وجود دارد که می‌تواند باعث صرفه‌جویی زیادی در قیمت‌های تمام‌شده شود. مثالی برای این کاربردها ارائه می‌شود:
در حال حاضر چرخ دنده پس از شش سال تعویض می‌شود. با کاربرد پوشش‌های تازه،می‌توان به جای تعویض چرخ دنده‌ها آنها را تعمیر کرد. برای تعمیر منطقه آسیب دیده صاف شده، با Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB]
نانوساختار تعویض می‌شود. تنها با این کاربرد، مبلغ 500 هزار دلار در یک سال و 13 میلیون دلار طی عمر سی‌ساله کشتی صرفه‌جویی می‌شود. با در نظر گرفتن تعداد زیادی از دیگر کاربردها، مانند پمپ‌ها، شیرها، موتورهای الکتریکی، موتورهای دیزل، بلبرینگ‌ها و محورها، رقم قابل ملاحظه‌ای صرفه‌جویی خواهد شد. بسیاری از این قطعات مخصوص کاربردهای نظامی نیستند. پوشش‌ها هم‌اکنون در حال یافتن کاربردهای گسترده اقتصادی هستند.
زمانی که ذرات سرامیکی نانوساختار و فیلم‌های نازک استفاده گسترده یابند،Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB] نانوساختاری، اولین نانو سرامیکی خواهد بود که مصارف اقتصادی می‌یابد. دیگر مواد پوششی نانوساختار نیز در دست تحقیق هستند و امید می‌رود که به زودی در دسترس قرار گیرند. این مواد شامل کربورهای ملاط‌شده، مانند کبالت ـ کاربید تنگستن (WC-CO) و دیگر سرامیک‌ها، مانند اکسید کروم و زیرکونیم تثبیت‌شده با ایتریوم می‌باشد. تمام این پوشش‌ها دامنه کاربرد زیادی یافته‌اند. با تولید انبوه این محصولات قیمت تمام شده نیز مقرون به صرفه خواهد بود.


بحث و نتیجه‌گیری
در این مقاله خلاصه‌ای از روش تولید پوشش نانوسرامیکی Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB] ارائه شده و نتایج زیر به دست می‌آید:
1ـ مقاومت این نانوسرامیک در برابر سایش بسیار خوب بوده، استفاده از آن را برای پوشش‌دهی مناسب می‌سازد؛
2ـ پوشش جدید دارای مقاومت در برابر شکست و چسبندگی بسیار بهتری نسبت به انواع معمول می‌باشد؛
3ـ خواص تغییرشکل‌پذیری این پوشش نانوسرامیکی بسیار مناسب بوده و می‌تواند تا حد زیادی بدون بروز شکست به همراه سطح تغییرشکل دهد، تا حدی که می‌تواند در برابر ضربه‌ای که قدرت شکستن قطعه اصلی را دارد مقاومت کند؛
4ـ به علت خواص مناسبی که پوشش نانوسرامیکی Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]-13TiO[SUB]2[/SUB] از خود نشان می‌دهد، به خوبی می‌توان از آن برای پوشش‌دهی سطوح خارجی کشتی‌ها و زیردریایی‌ها استفاده کرد. ضمناً کاربرد این پوشش جدید در قطعات و لوازمی مثل چرخ دنده‌ها، پمپ‌ها، شیرها، موتورهای الکتریکی، موتورهای دیزل، بلبرینگ‌ها و محورها می‌تواند باعث کارکرد بهتر، عمر طولانی‌تر و قیمت ارزان‌تر (با لحاظ هزینه نگهداری) در این قطعات و لوازم شود.
​

افراد مقاله : ‌ مهدی واعظ زاده (نویسنده مسئول) - مهدی نیک عمل (نویسنده همکار)​