فناوري نانو و كاربرد ان در صنايع هوافضا

[sh_roshan2002 14]

صنعت هوافضا محيط مناسبي براي رشد و توسعه فناوري‌هاي نوظهور و علوم مربوط به آنها مي‌باشد اگر چه هنوز نانوفناوري در آغاز حيات خود قرار دارد، ولي در همين چند سال اخير اميدهاي زيادي را در بين دانشمندان براي دستيابي به مواد با قابليت‌هاي بالا و ساخت محصولات با عمر و كيفيت بالا ايجاد کرده است و باعث شده است كه تحقيقات در زمينه نانو به‌عنوان يك چالش اصلي علمي و صنعتي پيش روي جهانيان باشد.
نانوفناوري به معناي توسعه، ساخت، طراحي و استفاده از محصولاتي است كه اندازه ‌يكي از ابعاد آن‌ها در بازة 1 تا 100 نانومتر قرار دارند. در حقيقت نانوفناوري يك فناوري جديد نيست، بلكه يك مقياس جديد در فناوري‌ها و رويکردي جديد در تمام رشته‌ها است كه اين توانايي را به بشر مي‌دهد تا بتواند دخالت خود را در ساختار مواد گسترش دهد و در ابعاد بسيار ريز 9-10متر، به ساخت و طراحي دست بزند. اين توانايي در آينده در تمامي فنآوري‌هايي كه بشر تاکنون به آن دست يافته است، اثرگذار خواهد بود و باعث خلق فناوري‌هاي جديدي هم خواهد شد.
فناوري نانو هنوز در مراحل اوليه رشد خويش مي‌باشد. گرچه هم اکنون برخي از محصولات اين فناوري در بازار موجود است، ولي اين دانش بايستي قبل از تجاري شدن هم از جنبه‌هاي توليدي و هم از جنبه‌هاي علمي پيشرفت نمايد. فناوري نانو يكي از بازيگران اصلي در عرصه فناوري‌هاي نو مي‌باشد كه انتظار مي‌رود در سال‌هاي آتي تاثير زيادي بر كيفيت زندگي انسان بگذارد.
اين مسئله كه کاربردهاي نانوفناوري همراه با هزينه کمتر، دوام و عمر بيشتر، مصرف انرژي پايين‌تر، هزينه نگهداري کمتر و خواص فيزيكي بهتر است، از جمله دلايل جذابيت نانوفناوري براي صنايع هوافضا در حوزه‌هاي مختلف از جمله هوانوردي تجاري، حمل ونقل هوايي، هواپيماهاي نظامي، بالگردها، ماموريت‌هاي فضايي، هواپيماهاي بدون سرنشين و غيره مي‌باشد. به همين دليل رويکرد جديد و اولويت بسياري از مراكز تحقيقاتي در ارتباط با فناوري نانو است.

نانولوله‌ها

نانولوله‌ها همان چيدن ملكول‌ها به صورت ساختاري لوله‌مانند است كه باعث بوجود آمدن خواص فوق‌العاده‌اي از لحاظ فيزيكي در مواد تهيه‌شده با اين مواد مي‌شود. اين مواد در ميان‌مدت اثرات خود را در بازار خواهند گذاشت. اين ارتقا بيشتر در نانوكمپوزيتها در صنايع مرتبط با آن‌ها از جمله هوافضا خواهند بود. توليد نانولوله­ها تاكنون كم بوده است ولي در 5 تا 10 سال آينده نانولوله­ها كم­كم كاربردي خواهند شد. برخلاف نانوكامپوزيتهاي سيليكاتي كه نسبت استحكام به وزن را 20 الي 30 درصد افزايش مي­دهند نانولوله­ها اين نسبت را براحتي 100 درصد و حتي بيشتر افزايش مي­دهند. با كاهش قيمت اين مواد در آينده بكارگيري آنها در صنعت هوافضا حتمي خواهدبود و به علت اهميت پرامتر وزن و نقش اقتصادي آن در صنايع هوافضا استفاده از اين مواد در صنعت هوافضا سريعتر از ديگر صنايع خواهد بود. تحقيقات بر روي نانولوله­ها هنوز در مراحل ابتدايي خود قرار دارد. روش ساخت نانولوله‌هاي خالص در مقادير بالا از جمله اهداف اين تحقيقات مي‌باشد. براي توليد نانولوله­ها از مواد مختلفي استفاده مي‌شود نانولوله‌هاي كربني و نانولوله‌هاي نيتريدبور از انواع اين مواد هستند. نانولوله­هاي كربني توانايي تحمل دماهاي بالا را ندارند در حاليكه نانولوله‌هاي نيتريدبور مقاومت بسيار بالاتري به دما دارند.






نانولوله­هاي كربني

نانولوله­هاي كربني مقاومتر از فولاد و سبكتر از آلومينيوم هر صنعتي را كه نيازمند پارامتر استحكام و وزن است را مجذوب مي­نمايد.
هم‌اكنون صنعت هوافضا به سمت استفاده از نانولوله­ها در طراحي بدنه هواپيماها پيش مي‌رود استفاده از چنين مواد مقاوم و سبكي صنعت
هوافضا را در آينده متحول خواهد نمود. استفاده از كامپوزيتهاي پليمري كه توسط نانولوله­هاي كربني تقويت شده­اند [1] يكي از كاربردهاي
نانولوله‌هاي كربني خواهد بود. اين مواد جديد به علت استحكام بيشتر و سبكي قادر خواهند بود به صورت بهتري شكل مورد نظر طراحان ايروفويل
را تأمين كنند به اين ترتيب با كاهش نيروي پسآي هواپيما، هواپيما راندمان بهتري خواهد داشت مصرف سوخت كاهش يافته و برد افزايش مي­يابد.
هواپيما در زمان كوتاهتري از زمين بلند مي­شود و هزينه تعمير نگهداري نيز كاهش مي­يابد.

كامپوزيتهاي پليمري تقويت شده توسط نانولوله­هاي كربني 50 درصد سبكتر و 6 برابر مقاومتر از كامپوزيتهاي فيبركربني كنوني خواهد بود.
در زير مقايسه‌اي از چند ماده مورد استفاده در صنعت هوافضا با مواد جديدي كه توسط نانولوله‌ها تقويت شده‌اند را مشاهده مي‌نماييد.

ماده چگالي (gr/cc) ضريب استحكام (Gpa) استحكام (MPa)

استيل با كربن بالا 6.7 207 676
تيتانيوم 5.4 83 241
آلومينيوم 2024 8.2 70 486
كامپوزيتهاي فيبر كربني 7.2 140 2505
كامپوزيتهاي پليمري
تقويت شده با نانولوله‌هاي كربني 2.1 147 15220

سراميك‌ها:

كاربرد سراميكهاي توليد شده توسط فناوري نانو را ميتوان به دو دسته تقسيم نمود. دسته اول: سراميكهاي در ابعاد نانو يا نانوپودرهاي سراميكي هستند. دسته دوم: سراميكهايي هستند كه ابعاد دانه‌بندي آنها در حد نانو ميباشد.
يكي از مشكلات سراميكها شكنندگي آنهاست كه در تحقيقات انجام شده براي حل اين تمركز ويژه­اي بر روي دانه­بندي سراميكها شده است تا به اين ترتيب خواص ترمومكانيكي اين مواد بهبوديافته و سراميكي‌هايي با قابليت شكل‌پذيري بهتر توليد گردد.
با استفاده از نانوپودرها دماي ذوب كاهش يافته و زمان تثبيت مواد سراميكي نيز كاهش مي­يابد به اين ترتيب هزينه توليد اين مواد كاهش مي­يابد. بهبود خواص ترمومكانيكي تكنيك­هاي ساخت جديدي مانند پردازش فلز و سراميك با هم را ممكن مي­سازد كه اين موضوع نيز در كاهش هزينه­هاي توليد مؤثر خواهد بود. در توليد نانوپودرهاي سراميكي از فرآيندهاي فاز مايع و گاز استفاده مي­شود و با روش‌هاي موجود مي‌توان نانوپودرهاي سراميكي با خلوص شيميايي بالا و مقادير قابل توجه توليد نمود. البته يكي از مشكلات سراميكهاي كنوني شكل‌دهي و نحوه اتصال آنها به اجزاي ديگر است كه تحقيقات جديد اميدهايي را براي حل اين مشكل ايجاد كرده است.
در كاربردهاي هوافضايي سراميكها در حفاظت حرارتي و شيميايي مورد استفاده قرار مي­گيرند. به عنوان مثال براي پوشش­دهي كامپوزيتها تقويت شده با نيتريدبور به عنوان حافظ شيميايي بكار برده مي­شود. كاربرد سراميك‌هاي ساخته شده با فناوري نانو در سنسورها، الكترونيك نوري و سازه­هاي فضايي در حال گسترش است.
يكي از موضوعات مورد توجه ساخت سراميكهاي بزرگ شفاف و با استحكام بالا مي‌باشد. از ديگر كاربردهاي سراميك استفادة اين مواد در سنباده­ها مي­باشد مؤسسه فرانهوفرIKTS روشي را براي توليد سراميكهاي سنباده با ساختارهاي كوچكتر از ميكرون را دنبال مي­كند. سنباده­هايي با استفاده از اكسيدآلومينيومAl2O3 با مقاومت بالا (MPa 900-600) توليد شده­اند كه در مقابل خراش و شفافيت بسيار مقاوم هستند.
روشهاي كنترل رشد دانه در طول فرآيند توليد اين امكان را بوجود آورده است كه بافتهايي چگال و بدون تخلخل توليد شود كه تضمين­كننده استحكام خواهند بود اين سراميكها در سطوح خارجي شفاف و پوسته فضاپيماها مورد استفاده قرار مي­گيرند




دانشجويان اوكراين.

[SAEID 2,832]

مطلب جالب و مفیدی بود. تشکر. icon_biggrin