تأثير نانوذرات در افزايش طول عمر قطعات
و كاهش
مصرف سوخت
نويسنده : علي فرشيدفر
تصور کنيد خودرويي
بخريد که به مدت 10 سال نياز به تعويض روغن موتور نداشته باشد و موتور اين
خودرو فاقد گيج روغن براي چک کردن ميزان روغن باشد. همچنين اگر بتوان با
استفاده از روغن مناسب، اصطکاک را در خودروها کاهش داد، مصرف سوخت نيز کاهش
خواهد يافت.
روانسازهاي نانو با نام تجاري نانولوب، اولين روغنهاي مصنوعي برپايه
نانوذرات غيرآلي کروي شکل ميباشند. همانند ديگر روانسازها، نقش آنها
کاهش سايش و اصطکاک بين قطعات متحرک (قطعات موتور، گيربکس، اکسل و ...) افزايش
عملکرد و کارايي بالاتر است. در نتيجه از مصرف انرژي و ايجاد آلودگي پيشگيري
کرده و مصرف سوخت نيز به ميزان قابل توجهي کاهش مييابد.
جستوجو براي يافتن يک روانساز کامل که نيازي به تعويض ندارد،
خواستهاي ديرينه است. در قرن گذشته، افزودنيهاي مصنوعي باعث
افزايش کارايي روانسازهاي معمولي نظير روغنها شدهاند. اغلب
اين افزودنيها سمي و از نظر زيستمحيطي خطرناکند. مزيت
«نانولوب» نسبت به روانسازهاي جامد موجود، در توصيف آن «نانوذرات غيرآلي کروي»
مستتر است.
از جمله نانوذرات قابل استفاده در روغنها ميتوان به نانو
«فولرين» اشاره کرد که از نام کاشف امريکايي آن
F.Buckminster Fuller اقتباس
شده است و گاهي هم با نام «باکي بال» معرفي ميشود. فولرينها
در واقع سومين آلوتروپ اصلي کربن (به غير از الماس و گرافيت) ميباشند
که از مولکولهاي بزرگ کروي چنداتمي با فرمول کلي
Cn که معمولاً
بزرگتر از 60 ميباشد تشکيل يافتهاند.
شناختهترين نوع فولرين شکل
C60
آن است که از 20 ششوجهي و 12 پنجوجهي تشکيل شده است و شکلي
شبيه به توپ فوتبال دارد.
دانشمندان فيزيکي اصطکاکي که در زمينه فرايند اصطکاک و سايش مواد تحقيق
ميکنند از اين مولکولهاي منحصربهفرد
بهدليل شکل توپ مانند آنها استفاده کردهاند.
زمانيکه گريس حاوي اين توپها باشد در واقع اصطکاک لغزشي
غيرممکن ميشود و در واقع اصطکاک لغزشي جاي خود را به اصطکاک غلتشي
خواهد داد. اين بدان معناست که از ضريب اصطکاک به ميزان 1000 برابر کاسته
ميشود. بنابراين با کاهش اصطکاک، سايش نيز کاسته شده و فرسايش
مکانيزمها متوقف خواهد شد. فولرينها دانسيته و سختي بالاتري
نسبت به الماس دارند. يعني مولکول
C60 ميتواند در
برابر نيروهاي بسيار سنگين نيز تاب آورد. بنابراين روغن حاوي اين مواد بسيار
قويتر است و قطعات اصطکاکي حتي در نيروهاي بسيار بالا با هم تماس پيدا
نميکنند.
يکي ديگر از موادي که به ميزان قابلتوجهي در کاهش اصطکاک قطعات کاربرد
دارد «فورسان» است. فورسان، ترکيب معدني کريستال- مايع پيچيدهاي است
که نه تنها باعث بهبود چشمگير اجزاي مکانيکي ماشينها و
مکانيزمها ميشود، بلکه با تشکيل يک پوشش سراميک- فلز يا ضريب
اصطکاک بسيار پايين و مقاومت سايشي بسيار بالا در منطقه اصطکاکي، باعث ترميم
قطعات ساييده شده ميشود.
اگر در زيرميکروسکوپ به سطح ساييده شده نگاه کنيم، متوجه ميشويم که
اين سطح از برجستگيها و فرورفتگيها تشکيل شده است. بنابراين
در خلال عملکرد آن مکانيزم، بخشهاي برآمده يا تيز شده روي سطح ساييده
شده، باعث پاره شدن فيلم روغن ميشود.
اگر پوشش «فورسان» در داخل يک نگهدارنده نظير: روغن، گريس روانکننده
يا ضديخ، بين دو سطح اعمال شود، در طول عملکرد يک لايه فلز- سراميک بر روي سطح
اصطکاکي تشکيل ميشود و در کنار سطح، واحدي يکپارچه تشکيل
ميدهد.
کرههاي نانولوب ميتوانند مانند بلبرينگهاي
مينياتوري بر روي هم بلغزند، خنکتر مانده و کارآيي خود را بيشتر حفظ
کنند. ابعاد نانومتري آنها باعث ميشود تا بتوانند به داخل منافذ بسيار
ريز، نفوذ کنند و از دستهايشدن آنها کاسته شود. در نتيجه پوشش آنها
بر روي سطوح سخت به ميزان قابلتوجهي افزايش مييابد و در
نهايت، بهعنوان مادهاي غيرآلي، بهگونهاي
زيبا حتي در محيطهاي نامساعد عمل ميکند.
نانولوب باعث افزايش روانسازي براي قطعات و سطوح زبر ميشود. به
گونهاي که توليدکنندگان ميتوانند زمان و هزينه کمتري را صرف
ماشينکاري قطعات خود کنند.
از جنبه محيطزيست، استفاده از نانولوب باعث کاهش مصرف انرژي و در
نتيجه کاهش آلودگي هوا ميشود. نانولوب به شيوههاي مختلف زير
استفاده ميشود:
• افزودني در روغنها
• افزودني در گريسها
• ماده اشباعکننده در قطعات
• جزئي از فيلمهاي کامپوزيتي پليمري
• جزئي از پوششهاي کامپوزيتي فلزي
• پودر
مزاياي نانولوبها عبارتند از:
• کاهش اصطکاک و سايش به ميزان بسيار بيشتري نسبت به روانسازهاي ديگر،
بويژه در بارگذاريهاي بالا
• طول عمر
• افزايش قدرت موتور و کاهش سايش اجزاي آن
• کاهش مصرف روغن و سوخت
• کاهش صدا و لرزه
• قابليت کارکرد در نيروهاي بالا
• ذخيره انرژي و کاهش آلودگي
• ماده دوستدار طبيعت
• حفظ دقت قطعات ماشيني
• کاهش هزينه آمادهسازي قطعات به دليل کارکرد موثر بر روي سطح زبر
• آسانتر شدن استارت زدن در حالت سرد
خصوصيات نانولوب عبارتند از:
ابعاد نانومتري
• قابليت نفوذ به داخل حفرهها و درزهاي بسيار ريز
• پيشگيري از تشکيل سطح
• امکان تهيه خود-روانسازهاي اشباع
شکل کروي
• از طريق غلتيدن، باعث کاهش بسيار بيشتري در اصطکاک نسبت به ترکيبات
لايهاي مرسوم ميشود
• پايداري شيميايي به سبب نداشتن لبههاي فعال
• عمر عملکرد بالا
• پايداري فيزيکي بالا
• عدم چسبندگي به سطح
ساختار تودرتو
• روانساز با قابليت خودسازي براي سيستمهاي بدون سويس و نگهداري
شيمي
• شيمي ساده غيرآلي
• قابليت تنظيم شدن خواص از طريق باز شدن صفحات نانومتري
• ساختار ويژه با تحمل درجه حرارتهاي بالا
شرکت
Apnano
در حال آزمون نانولوب در سيستمهاي مختلف بينياز به تعمير و
نگهداري شامل صنايع فضانوردي، پزشکي و دريايي، محيطهاي توليدي فوق
تميز و ماشينآلات سنگين نظير توربينها ميباشد، اما
بهترين و جالبترين رويکرد براي نانولوب، امکانسنجي درزبندي
کامل موتورهاي خودرويي، بدون نياز هميشگي به تعويض روغن ميباشد.
با در نظر گرفتن حرارت و سايش بهعنوان عوامل اوليه امروزي در خرابي
موتور و سيستمهاي انتقالي، نقش اين مواد ضدسايش پررنگتر
خواهد شد. در برخي آزمونها که با نانولوب انجام شده است، آزمايشگرها
قادر به ايجاد اصطکاک کافي در روانساز براي توليد آسيب قابل
اندازهگيري، حتي با افزايش زمان کاربرد نيز نبودهاند.
برخي نانولوبها را در صنعت جاافتاده روانسازها، تبي زودگذر
ميدانند. طبق تحقيقات، افزودنيهاي بينهايت ضدسايش
فروش جهاني در حدود يک بيليون دلاري در مقايسه با بازار 37 بيليون دلاري
روانسازها داشتهاند، اما اگر نانولوبها موفق شوند، بازار
آنها به ميزان قابلتوجهي رشد خواهد کرد و توليدکنندگان بزرگي نظير:
Exon mobile, Shell و
Chevron Texaco به سمت
توسعه تکنولوژيهاي قابل رقابت با آن خواهند رفت.
عامل مهم ديگر در جذب بازار توسط نانولوبها اين است که روانسازهايي
«سبز» هستند. با افزايش دغدغه در خصوص آلودگيهاي زيستمحيطي،
تمايل بيشتري به استفاده از مواد دوستدار محيطزيست وجود خواهد داشت.
روانسازهاي جامد متداول، ترکيباتي لايهاي از دي سولفايد موليبدن (MoS2) و ديسولفايد
تانگستن (WS2)
هستند که در واقع اين لايهها با ليزخوردن بر روي يکديگر، باعث کاهش
اصطکاک ميشوند.
لبههاي اين لايهها از نظر شيميايي
واکنشدهندهاند وهمين امر، باعث تخريب و جدايش تدريجي آنها و
در نتيجه چسبيدن آنها به سطح فلزات خواهد شد.
از طرفي بزرگي نسبي اندازه اين صفحات مانع از ورود آنها به حفرههاي
قطعات فلزي ميشود، بههمين دليل آنها معمولاً بر روي سطحي که
قرار است آن را ليز کنند ميچسبند. اين عوامل در نهايت باعث کاهش
قابليت ليزکنندگي آنها شده و در نتيجه قطعات فلزي بههم ساييده شده و
پس از مدتي از بين ميروند. بنابراين دستيابي به روانسازهاي جامد ريزتر
و پايدارتر، امري ضروري به نظر ميرسد.
ساختار برجسته کروي تودرتوي ذرات نانولوب، ساختاري شبيه پوست پياز را تشکيل
ميدهند و اندازه ذرات ريز آنها سبب ميشود که روانسازي را با
غلتيدني شبيه به بلبرينگهاي مينياتوري انجام دهند. درواقع، مکانيزم
روانسازي اين مواد، ترکيبي از غلتيدن ميليونها بلبرينگ مينياتوري و
تشکيل فيلم انتقالي بسيار نازکي بين سطوح در تماس است. اين مکانيزم
ترکيبي باعث ايجاد پديده منحصربهفرد «فوق روانسازي» خواهد شد.
بررسيهاي جامع در زمينه اين مواد، حاکي از آن است که
نانولوبها نسبت به ديگر روانسازهاي جامد، کاهش قابل توجهي در اصطکاک،
سايش و درجه حرارت بويژه در بارگذاريهاي بالا، ايجاد ميکنند.
به همين دليل از کندگي، از کارافتادگي و لبپرشدن سطوح فلزي در اثر سايش کاسته
ميشود.
نانولوبها ميتوانند ساختاري شبيه به تيوبهاي کربني
تکديواره (CSWNT)،
تيوبهاي کربني چندديوارهاي (CMWNT)، چندديوارهاي
گرافيته، پيازهاي نانوکربني و تيوبهاي کربني
تکديوارهاي فلورينه شده داشته باشند و بهصورت
افزودني به روانسازهاي مايع و گريسها، پوشش فلزي کامپوزيتي، فيلم
پليمري کامپوزيتي يا حتي به تنهايي به صورت پودر مورد استفاده قرار گيرند.
نانولوبها با وارد شدن به درزها و حفرات سطوح و پخش آهسته آنها در
هنگام عملکرد، بهخوبي بر روي سطوح نسبتاً زبر عمل ميکنند.
درواقع سطوح قطعات ماشينکاري شده نيازي به عمليات تکميلي براي صاف کردن و صيقل
شدن نخواهند داشت. تا پيش از اين، به منظور کاهش اصطکاک لازم بود که سطوح قطعات
متحرك در حال تماس، مانند قطعات موتور، با ماشينکاري و عمليات مختلف
تا سرحد امکان صاف و صيقلي شود.
شكل1: اثر نيرو بر ضريب اصطكاكي در روانسازهاي مختلف
در حال حاضر شرکت نيسان از تکنولوژي اصطکاک بسيار پايين ذرات نانو براي کاهش
اصطکاک بين قطعات موتور، استفاده ميکند. در اين سيستم، فيلمي نانومتري
از روغن حاوي افزودنيهاي با اصطکاک پايين به کربن بدون هيدروژن (DLC) که شبيه الماس است جذب
ميشود.
شكل2: مكانيزم عملكرد پوششهاي
DLC
درواقع کربن شبيه الماس (DLC)
فيلم سختي است که از کربني با خواص شبيه الماس ساخته ميشود و داراي
مقاومت سايشي بسيار بالا و ضريب اصطکاکي بسيار پايين است. به دليل اصطکاک بين
صدها قطعه در يک موتور، انرژي به ميزان زيادي اتلاف ميشود، اما با
استفاده از فناوري نانو، اصطکاک به ميزان 40 درصد نسبت به موتورهاي معمولي
کاسته ميشود.
شكل3: نقش پوششهاي
DLC
در كاهش ضريب اصطكاك
در حال حاضر ميتوان اصطکاک کلي موتور را با اعمال اين تکنولوژي بر روي
قطعات موتور، که در شکل 4، ارائه شده است، به ميزان 25 درصد کاهش داد.
شكل4: قطعاتي كه با اين تكنولوژي پوشش داده ميشوند
نتيجهگيري
با توجه به اينکه قطعات موتور، حساسترين و مهمترين قطعات
خودرو به شمار ميروند، افزايش کارآيي و طول عمر آنها امري ضروري به
نظر ميرسد. به منظور دستيابي به اين هدف بايد از ساييده شدن اين اجزا،
پيشگيري شود. از ديگرسو، هر چه نيروهاي اصطکاکي و بازدارنده در بين قطعات موتور
کاهش يابد، به مراتب نيروهاي اتلافي کمتر شده و راندمان موتور افزايش
مييابد. يکي ازمهمترين مزاياي اين امر، کاهش قابل توجه مصرف
سوخت است که ميتواند، گامي بسيار موثر در برخورد با مشکلات امروزي
سوخت و جيرهبندي بنزين باشد.
استفاده از نانوتکنولوژي و افزودنيهاي نانو در روغنها،
گريسها و بهطور کلي روانسازهاي خودرو، ميتواند گامي
کاملا مؤثر در دستيابي به اهداف ذکر شده باشد. بنابراين در اين مسير، تحقيقاتي
در پژوهشگاه صنعت نفت ايران در حال انجام است. به گونهاي که
پژوهشگران اين مرکز موفق شدهاند با افزودن ترکيب فولرين يا
C60 به روغن و انجام
واکنشهاي شيميايي، باعث کاهش نقطه ريزش روغن و اصطکاک، افزايش
چسبندگي، تحمل فشار و ماندگاري سيال بودن روغن در سرما شوند. به گفته معاون
تحقيقات و امور بينالملل پژوهشگاه صنعت نفت، با مصرف کردن روغن حاوي
نانوفولرين در يکي از خودروهاي ساخت داخل کشور، به ميزان 2/3 تا 7/3 درصد کاهش
مصرف سوخت مشاهده شده است. اين ترکيب ميتواند به عنوان مکمل به
روغنهاي مصرفي کنوني افزوده شود تا گامي موثر در کاهش مصرف سوخت در
کشور و کاهش واردات بنزين باشد.
تحقيق و بررسي گستردهتر در خصوص استفاده از نانوذرات در
روغنها و همچنين توليد اين ترکيبات شيميايي در داخل کشور با يافتن
بازار مواد اوليه ارزان قيمت، امري ضروري براي اصلاح روانسازها، پيشگيري از
اصطکاک و سايش قطعات موتور، آلودگي هوا، کاهش مصرف سوخت و واردات بنزين خواهد
بود.
منابع:
1.www.apnano.com
2.www.israe121c.org
3.www.azonano.com
4.Application
of micro and
nanotechnology in the automotive industry, MNT, University of
Oxford
5.www.chm.bris.ac.uk/webprojects2002/mjames/carbon.html
سایت تخصصی خودرو
www.gerdavari.com