نانوفناوري و صنعت خودرو
۱۳۸۸/۱۰/۱۸
نانوفناوري بهعنوان انقلاب صنعتي قرن آينده، اثرات فراواني در صنايع گوناگون خواهد داشت. يکي از چشماندازهاي اميدوارکننده اين فناوري پيشرفته، تحول در صنعت خودروسازي است. يکي از اصليترين موضوعات نانو فناوري، ساخت مواد با خواص جديد است. اين مواد، ارزش افزوده بسيار بالا و کارايي بالاتري در تمام صنايع خواهند داشت که صنعت خودرو نيز از آن مستثني نخواهد بود.
ساخت بدنههاي سبکتر و مقاومتر براي خودرو، ساخت لاستيکهايي با مقاومت سايشي بهتر، ساخت قطعات موتور با عمر چند برابر، کاهش مصرف سوخت خودرو، ساخت باتريهايي با انرژي بالا و دوام بيشتر، ساخت نانوساختارهايي مبتنيبر کربن بهعنوان سوپر اسفنج هيدروژني در خودروهاي پيل سوختي، ساخت حسگرهاي چندمنظوره براي کنترل فرايندهاي مختلف در خودرو، ساخت کاتاليزورهاي اگزوز خودرو براي کاهش آلودگي هوا، لايههاي بسيار محکم با خصوصيات ويژهاي مثل الکتروکروميک (رنگپذيري الکتريکي) با خود پاککنندگي براي استفاده در شيشهها و آينههاي خودرو و سازگار کردن خودرو با محيطزيست و بسياري از موارد ديگر، از جمله کاربردهاي نانو فناوري در صنعت خودرو است. همچنين، جايگزيني کربن سياه در تايرها با ذرات رس و پليمرهاي نانومتري، فناوري جديدي است که تايرهاي سازگار با محيطزيست و مقاوم در برابر ساييدگي را به ارمغان ميآورد. يکي از اثرات مثبت نانوفناوري، افزايش بازده موتورهاي درونسوز کنوني است. اين موتورها، حدود 15 درصد از انرژي ذخيره شده در بنزين را به نيروي محرکه تبديل ميکنند. ازديگرسو، وزن متوسط خودروهاي امروزي حدود 1500 کيلوگرم است. با استفاده از نانوفناوري پيشبيني ميشود که بتوان بازده را تا 5 برابر افزايش داد و نيز وزن وسايل نقليه را بهميزان 10 برابر کاهش داد. لذا ميتوان اميدوار بود که وسايل نقليه با استفاده از اين فناوري تا 50 درصد بهبود کارايي داشته باشند.
تعريف نانوفناوري
نانوفناوري، توانمندي توليد مواد، ابزار و سيستمهاي جديد با دردست گرفتن کنترل در سطوح ملکولي و اتمي و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر ميشود. از همين تعريف ساده برميآيد که نانوفناوري رشتهاي جديد نيست، بلکه رويکردي جديد در تمام رشتههاست. براي نانوفناوري کاربردهايي را در حوزههاي مختلف از غذا، دارو، تشخيص پزشکي و بيوفناوري تا الکترونيک، رايانه، ارتباطات، حملونقل، انرژي، محيطزيست، مواد، هوافضا و امنيت ملي برشمردهاند. کاربردهاي وسيع اين عرصه بههمراه پيامدهاي اجتماعي، سياسي و حقوقي آن، اين فناوري را بهعنوان يک زمينه فرارشتهاي و فرابخشي مطرح کرده است. هر چند آزمايشها و تحقيقات در زمينه نانوفناوري از ابتداي دهه 80 قرن بيستم بهطور جدي پيگيري شد، اما اثرات تحولآفرين، معجزهآسا و باورنکردني آن در روند تحقيق و توسعه، باعث شد تا نظر تمامي کشورهاي بزرگ به اين موضوع جلب شده و فناوري نانو را بهعنوان يکي از مهمترين اولويتهاي تحقيقاتي خويش طي دهه اول قرن بيستويکم، تلقي کنند.
در زمينه انرژي، نانوفناوري ميتواند بهطور قابل ملاحظهاي کارايي، ذخيرهسازي و توليد انرژي را تحت تاثير قرار داده و مصرف انرژي را پايين بياورد. بهعنوان مثال، شرکتهاي مواد شيميايي، مواد پليمري تقويت شده با نانوذرات را ساختهاند که ميتواند جايگزين اجزاي فلزي بدنه خودروها شود. استفاده گسترده از اين نانوکامپوزيتها ميتواند سالانه 5/1 ميليارد ليتر صرفهجويي مصرف بنزين بههمراه داشته باشد.
کاربردهاي نانوفناوري در صنعت خودرو
نانوفناوري، کاربردهاي بسياري در صنعت خودرو دارد که مهمترين آنها عبارتند از:
1. مواد ساختاري و پوششها
با توجه به اهميت نانوکامپوزيتها در صنعت خودرو و اينکه يکي از مصرفکنندگان بزرگ نانوکامپوزيتها، صنعت حملونقل است، ميتوان به موارد ذيل اشاره کرد:
الف- نانوکامپوزيتهاي پليمري
نياز اقتصادي رو به افزايش سوخت در عرصه حملونقل، تقاضا براي استفاده از مواد جديد سبکوزن مانند پلاستيک را که ميتواند جايگزين فلز شود، افزايش داده است. انواع خوب اين پلاستيکها گرانقيمت هستند. نانوکامپوزيتها، دسته جديدي از مواد موردمطالعه جهاني هستند که شامل پليمرهاي قديمي تقويت شده با ذرات نانومتري هستند. درواقع، نانوکامپوزيتها گروهي از پلاستيکهاي انباشته از مواد معدني هستند که شامل مقدار کمي (کمتر از 10 درصد) از ذرات ريز نانومقياس (اغلب خاکرس) هستند. در حالت نظري، اين مواد ميتوانند بهآساني بهصورت اکسترود يا قالب، به شکل نهايي درآيند. اين درحالي است که از استحکام و قدرت فلز برخوردار بوده و از آن سبکتر هستند.
خاصيت مهمي که براي نانولولههاي کربني بيان شده است، رسانايي الکتريکي آنهاست که باتوجه به اين ويژگي ميتوان با کاربرد آنها در بدنه خودرو و ديگر قسمتها، از روش رنگ الکترواستاتيکي براي رنگآميزي خودرو استفاده کرد.
ب- نانوکامپوزيتهاي فلزي
استفاده از نانوبلورهاي فلزي بهصورت ترکيبات ساختاري حجيم (Bulk) در صنعت خودرو، از فرصتهاي زيادي برخوردار است. استفاده از اين مواد در بدنه خودروها با نانوکامپوزيتهاست. مثلاً، نانوبلورهاي فولاد مزاياي زيادي در ارتقاي درجه استحکام ايجاد ميکنند. شرکت تويوتا از اين مواد در ساخت خودروهايش استفاده کرده است.
نانوبلورهاي فولاد، نسبت استحکام به وزن را بهنحوي قابلملاحظه بهبود ميبخشند. اين ويژگي ميتواند از افول صنعت فولاد و جايگزيني آن توسط کامپوزيتهاي پليمري، جلوگيري کند. در مجموع، نانوبلورهاي فلزي در قسمتهاي مختلف خودرو نظير موتور، باعث استحکام و سختي ميشوند.
سراميکها، از لحاظ سختي داراي قابليت رقابت با اينگونه مواد هستند، اما بسيار شکنندهاند. نانوبلورهاي سراميکي، بسيار بادوام بوده و قادرند ترکيباتي را که نياز به سختي، مقاومت فرسايش و اعوجاج گرمايي بالايي دارند، ارتقا بخشند. افزودن نانوذرات اکسيد آلومينيم به آلومينيوم، باعث ميشود تا مقاومت آن در برابر ساييدگي، مشابه بهترين ياتاقانهاي فولادي شود.
· رنگ و پوشش
استفاده از نانوفناوري در رنگ، باعث افزايش کيفيت رنگ و کاهش مصرف آن ميشود. نکته مهم در اين زمينه، جاذبه رنگ براي جلب توجه مشتري به محصول است. مثالي در اين مورد ميگويد: «رنگ، باعث فروش توليدات شما ميشود». رنگ، عاملي مهم در جلب توجه مشتري است. استفاده از رنگهاي مقاوم در برابر نور خورشيد، ساييدگي و همراه با خاصيت صيقلي بالا (جلاي زياد) در خودرو ضروري است. نانوفناوري به دو صورت به اين بخش کمک ميکند: يکي انتخاب مواد مناسب در رنگ و ديگري روشهاي بهينه رنگ کردن.
نانوذرات با اندازههاي مختلف، نورهايي با فرکانسهاي متفاوت ساطع ميکنند. لذا ميتوان از آنها براي توليد رنگهاي گوناگون استفاده کرد.
کاربرد جالب توجه در اين بخش، استفاده از نانولولههاي کربني در رنگ است. فيبريلها، ساختارهاي ويژهاي هستند که از نانولولههاي کربني ساخته ميشوند (استوانههايي متشکل از 8 لايه گرافيتي که از فاز بخار به عمل ميآيند) و خاصيت رسانايي بالايي دارند. فيبريلها از لحاظ شکل ظاهري شبيه به رشتههاي ماکاروني در ابعاد ميکروسکوپي هستند. قطر خارجي آنها 10 نانومتر و قطر داخلي آنها 5 نانومتر و طول آنها از 1 تا 10 ميکرون متغير است.
کاربرد فيبريلها در رنگ، باعث رسانايي آن ميشود و ميتوان از آن براي رنگکردن خودرو بهروش قطرههاي باردار شده استفاده کرد (روش رنگ الکترواستاتيکي). در اين روش، رنگ و قسمتهايي را که قرار است رنگ شوند، باردار ميکنند. تا جاذبه الکتريکي بين آنها باعث جذب رنگ شود. به اينترتيب، کارايي رنگ، چه از لحاظ کيفيت و چه از لحاظ کميت (ميزان رنگ مصرفي) ارتقا مييابد. در اين روش، رنگ بهطور دقيق روي سطح موردنظر مينشيند و از پراکنده شدن آن جلوگيري ميشود. لذا کارايي آن بالا رفته و سريع و تميز و مقرون بهصرفه ميشود. همچنين، اين روش باعث کاهش انتشارات سمي (VOC) ميشود (نمودار 1).
نمودار 1: کارايي رنگ الکترواستاتيک
کارايي رنگ الکترواستاتيکي، 4 برابر بيشتر از رنگ بهروش اسپري است. در روش الکترواستاتيکي 80 درصد از رنگ روي قسمت موردنظر مينشيند، اما در روشهاي ديگر اين مقدار به 20 درصد ميرسد.
فناوري پوششدهي مبتنيبر نانوفناوري، چه از طريق فرايندهاي سل – ژل و چه روشهاي نانوذرهاي، کاربردهايي را ارائه ميدهند که در صنعت خودرو داراي جذابيت تجاري هستند. در زمينه پنجرههاي فتوکروميک و الکتروميک يا پنجرههايي که بهترتيب تحت تاثير نور و الکتريسيته تغيير رنگ ميدهند، تحقيقاتي صورت گرفته است. با تعداد زيادي از روشهاي مبتنيبر نانوذرات و فرايند سل – ژل، ميتوان اينگونه شيشهها را توليد کرد.
پوششهاي سراميکي نانوذرات، موجب پايداري حرارتي و مقاومت به فرسايش در قطعات موتور ميشوند. پوششهاي مبتني بر نانوذرات، ويژگي مواد خود پاککننده را از خود نشان دادهاند (شرکت BMW بههمراه شرکت Creavis در اين زمينه فعال هستند).
آلودگي هوا براي اکثر کشورها بويژه کشورهاي اروپايي، معضلي جدي است. در فرانسه، 30 ميليون خودروي آلاينده هوا در حال تردد هستند. از آنجا که بهازاي 100 کيلوگرم کاهش وزن، 5/0 ليتر در مصرف سوخت در هر 100 کيلومتر صرفهجويي ميشود، استفاده از سيليسيم به معني کاهش آلودگي است.
استاندارد ميزان CO2 توليد شده توسط خودرو در اروپا تا سال 2008، حداکثر 140 گرم بر کيلومتر و تا 2012، حدود 120 گرم بر کيلومتر در نظر گرفته شده است.
بخش محيطزيست ساپکو در زمينه بررسي کامپوزيت Al/SiC و کاربردهاي مختلف آن در صنعت خودروسازي و تهيه کامپوزيتهاي مختلف با درصدهاي متفاوت SiC اقدام به تحقيق و تهيه پودر نانو SiC کرده و صحت تشکيل آن توسط دستگاه تفرق اشعه X (XRD) دانشکده متالورژي دانشگاه تهران موردتاييد قرار گرفته است.
2. کاتاليستهاي زيست محيطي
از زمينههاي ديگر کاربردهاي مواد نانوساختاري، استفاده از آنها بهعنوان کاتاليزورهاي زيستمحيطي بهمنظور تصفيه خروجي اگزوز خودروها و پالايش آب و هواست.
استاندارد مربوط به گازهاي خروجي از اگزوز خودروها روزبهروز سختگيرانهتر و دقيقتر ميشود. از اينرو نياز به کاتاليزورهاي پيشرفته بيش از پيش احساس ميشود. کاتاليزورهاي رايج که اغلب داراي پايه پلاتين هستند اگرچه بازده کافي دارند، اما بسيار گرانقيمت هستند. بههمين جهت، کاتاليزورهاي نانوساختاري بهعنوان جايگزين ارزانقيمت کاتاليزورهاي فوق بسيار قابلتوجه قرار گرفتهاند. دو نمونه از اين کاتاليزورها عبارتاند از: TMOC، TMC که قابليت جذب فراوان آلايندههاي خروجي از اگزوز را دارند.
مورد استفاده ديگر کاتاليزورهاي زيستمحيطي، کاربرد آنها براي مصارف تصفيه آب و هوا و حذف فلز سنگين توسط فتوکاتاليستهاست. با استفاده از اين کاتاليزورهاي نوري، ترکيبات سمي مهلک به موادي بيخطر تبديل ميشوند. دياکسيد تيتانيوم مصرفي در اين نوع کاتاليزورها، مادهاي پايدار، ارزانقيمت، خود احياء و قابل بازيافت بوده و اثرات سوءزيست محيطي ناچيزي دارد.
3. مقاومت روکشهاي سطح خودرو در برابر خراش
روشهاي متفاوتي براي بهبود مقاومت در برابر خشپذيري روکشهاي سطح خودرو پيشنهاد شده است که از آن جمله ميتوان به استفاده از مواد افزودني اشاره نمود. در اين پژوهش، تاثير نوع و غلظت مواد افزودني سيليکوني و اکريلاتي بر روي مقاومت به خشپذيري روکشهاي شفاف خودرو بر پايه اکريليک ايزوسيانات موردبررسي قرار گرفته و از آزمونهاي خراشنده و سايش براي ارزيابي مقاومت به خشپذيري و خراش و از طيفسنجي مادون قرمز، اندازهگيري خواص کششي، مقاومت به جاميشدن و سختي براي بررسي و ارزيابي نحوه عملکرد مواد افزودني، استفاده شده است. نتايج نشان ميدهند که مواد افزودني سيليکوني در مقايسه با اکريلاتي، تاثير مثبتتري بر روي مقاومت به خراش و خشپذيري روکشهاي سطح اکريليک ايزوسيانات دارند و با کاهش قطبيت مواد افزودني سيليکوني اين تأثير محسوستر ميشود.
4. نانوکامپوزيتها
مواد کامپوزيتي، موادي مهندسي هستند که از دو يا چند جزء تشکيل شدهاند، بهگونهاي که اين مواد مجزا و در مقياس ماکروسکوپي قابل تشخيص هستند. کامپوزيت از دو قسمت اصلي ماتريکس (زمينه) و تقويتکننده (پرکننده) تشکيل شده است. ماتريکس با احاطه کردن تقويتکننده آن را در محل نسبي خودش نگه ميدارد و تقويتکننده موجب بهبود خواص مکانيکي ساختار ميشود.
تاکنون يکي از گستردهترين کاربردهاي نانوفناوري در صنعت خودرو، ساخت نانوکامپوزيتها بوده است. از آنجا که در نانوکامپوزيتها، ذرات بسيار ريز (نانوذرات)، استحکام و دوام رزين را بسيار بالا ميبرند، جايگزين مواد مرسوم مانند ميکا و تالک شدهاند، اما علاوهبر ويژگيهاي فيزيکي بهتر، اين کامپوزيتها داراي دو برتري ديگر نيز ميباشند: نخست اينکه نانوذرات با ايجاد ماتريکس (زمينه) يکنواخت و هموار بهطور قابلتوجهي زيبايي بيشتر را فراهم ميکنند و بنابراين نانو کامپوزيتها سطح زيباتر و رنگهاي شفافتري دارند. همچنين نانو کامپوزيتها بهدليل نياز به مواد تقويتکنندهي کمتر، تا حدود 20 درصد نسبت به کامپوزيتهاي رايج سبکترند.
5. اثر نيلوفري و ساخت سطوح خود تميزشونده
يکي از شناختهشدهترين مزيتهاي نانوفناوري «اثر نيلوفري» است که سطوح خود تميزشونده را امکانپذير ميسازد. به سبب ساختار بسيار صاف و يکنواخت سطح گل نيلوفر، قطرات آب و گردوغبار از روي گلبرگها ميلغزند بيآنکه اثري روي آنها بر جاي بگذارند.
بنابراين اگر سطوح اجسام داراي ساختار بسيار صاف و صيقلي (در مقياس نانو) باشند، ذرات آلودگي و همچنين آب روي آنها باقي نخواهد ماند. رنگها و پوششهاي سقف خودرو که اين اصل طبيعي را بهکار ميبرند، امروزه در بازار موجود ميباشند. ساختار نانويي اين سطوح، از جمعشدن ذرات آلودگي و قطرات بسيار ريز آب نيز جلوگيري ميکند. همچنين رينگهاي خود تميزشونده نيز با استفاده از اين ويژگي در حال توليد هستند.
همچنين پوشش نانويي در حال توليد است که با اضافهکردن آن به سطح شيشه خودور (براي مثال بهروش اسپري کردن)، فرورفتگيهاي بسيار ريز سطح شيشه را پر کرده و سطح صاف و بدون پستي و بلندي ايجاد ميکند و در نتيجه قطرات ريز آب و گردوغبار روي شيشه باقي نميماند و بنابراين موجب افزايش ديد راننده، استهلاک کمتر برف پاککنها و نياز کمتر به شستشوي شيشه و همچنين بهبود ديد در شب در نتيجه کاهش انعکاس مضر نور ميشود.
6. شيشههاي نوين با توانايي بازتاب پرتو فروسرخ
نمونهاي ديگر از کاربردهاي نانوفناوري در صنعت شيشه خودرو، شيشههايي با قابليت بازتاب پرتو فروسرخ نور خورشيد است؛ بهاين ترتيب که لايهاي بسيار نازک بين دو لايهي شيشه قرار گرفتهاند که وظيفه آنها بازتاباندن پرتو فروسرخ خورشيد و در نتيجه جلوگيري از گرم شدن زياد داخل خودرو است.
7. مبدلهاي کاتاليستي
همانطور که ميدانيد اگر احتراق بهطور کامل و ايدهآل رخ دهد، خروجيهاي حاصل از آن، آب، نيتروژن (N2) و دياکسيدکربن (CO2) است و اگر احتراق در شرايط ايدهآل رخ ندهد، مثلاً براي احتراق هواي مناسب وجود نداشته و ... خروجيهاي حاصل از احتراق، گازهاي زيانآوري همچون مونواکسيدکربن (CO)، گروه گازهاي (NOX) و هيدروکربنهاي نسوخته (CH) است. وظيفه مبدل کاتاليستي که در مسير گازهاي خروجي از موتور قرار ميگيرد، اين است که گازهاي فوق را به گازهاي بيخطر تبديل کند.
يکي از ويژگيهاي نانوذرات استفاده شده در توليد مبدلهاي کاتاليستي، عبارت است از: سطح تماس ذرات با کاهش اندازه آنها و افزايش تعدادشان (بهطوري که جرم کلي مجموعه ثابت بماند) افزايش مييابد. يک دسته از واکنشهاي شيميايي روي سطح کاتاليستها رخ ميدهند و بنابراين سطح تماس بيشتر، کاتاليست فعالتري را موجب ميشود. از اينرو بهکارگيري نانوذرات در مبدلهاي کاتاليستي منجر به توليد مبدلهاي موثرتر خواهد شد.
کاربردهاي ديگر نانوفناوري در خودروسازي
· بهکارگيري لايههاي نازک بر روي بلبرينگها و قطعات تحت اصطحکاک به جاي استفاده از روانکنندهها
· فيلترهاي الکتروستاتيک جديد
· کاتاليزورهاي جديدي که از مواد بسيار متخلخل و سطوح انتخابگر شيميايي بهره ميبرند.
· نانوذرات در افزودنيهاي رنگها بهکار رفته و اثرات رنگي جديد، سختي بيشتر، و دوام بالاتر را موجب ميشوند.
· مواد نانوساختار
· مواد سبک
· افزايش استحکام و سختي
· افزايش طول عمر
· مواد ضدآتش و محافظتکننده دمايي
· مواد مهندسي شده
· حسگري و پايش
· مواد هوشمند
· افزايش شفافيت
· پنجرههايي با قابليت کنترل ميزان نور و گرماي خورشيد
· پنجرههاي تميز
· محافظت در برابر آلودگي
· پلاستيک ضدنشت
· مواد فوقالعاده چسبناک
· رنگهاي داراي کارکرد خاص
· خودتميز شوندگي
· ضدخوردگي
نتيجه گيري
نانوفناوري تاثيرات زيادي در بخشهاي مختلف خودرو، از جمله: رنگ، شيشه، بدنه، لاستيک، پيل سوختي و بسياري از ديگر موارد خواهد داشت.
کشور ما با داشتن منابع غني معدني و مخازن عظيم نفتي، بايد انگيزه بيشتري براي دستيابي به اين فناوري داشته باشد. تأثيرات فناوري نانو بر ارتقاي کيفيت مواد بهکار رفته در قسمتهاي مختلف خودرو و خصوصيات ويژهاي که پيدا ميکنند، مهمترين مقولهاي است که بايد به آن توجه کرد. تأثير بسزايي که استفاده از اين فناوري در محيط زيست ميگذارد، قابل توجه است. مواد اوليه موردنياز براي هر صنعت، نقش مهمي در کيفيت، قيمت و قابليتهاي محصول توليد شده آن صنعت دارد. اگر بتوان از موادي با کيفيت بهتر، قيمت کمتر و کارايي بيشتر در ساخت قطعات خودرو استفاده کرد، خودروهاي آينده علاوهبر آلودگي کمتر، از قيمت مناسب و قابليتهايي بيشتر برخوردار خواهند بود.
با توجه به هوشياري روزافزون جهاني در بخش فناوري نانو و اقدامات صنايع مختلف از جمله صنعت خودروسازي در جهان، ما نيز بايد درصدد باشيم که سهمي هر چند اندک از اين بازار را در دست بگيريم. با مطالعه کارهاي تجاري شرکتهاي خودروسازي درمييابيم که شرکتهاي بزرگ در اين زمينه کارهاي تجاري کوچکي را انجام دادهاند، گرچه در زمينهي تحقيقات فعاليت فراواني کردهاند، اما در توليد تجاري مثلاً با استفاده از فناوري نانو دست به توليد رکاب براي يک خودرو زدهاند (شرکت جنرال موتورز) يا يک قاب آينه (شرکت فورد) که شايد از اهميت خاصي برخوردار نيست، اما در حقيقت تلاش تجاري آنها بهمنظور در دست گرفتن بازار بوده است تا کارهاي تحقيقاتي و آزمايشگاهيشان را با ارزيابيهاي تجاري در آينده بهصورت توليد انبوه درآورند.
منابع:
1. Nanotechnology, nanoelectronic, Fahrner. W.R (ED) 2005,XVL 269 p, 218ilus.
2. Nanochemistry, G.B.serqeev Elsevier, feb2006, edition 1.
3. Core concepts in supramulecular Chemistry and nanochemistry, jonathan W. steed, 2007, 307 pages.
نويسنده : زهرا طلابيان
0 ارسال نظرات:
ارسال یک نظر
با نظرات خود ما را در هر چه بهتر کردن وبلاگ یاری کنید