به گزارش «فرهیختگان آنلاین»، با پیشرفت روزافزون تکنولوژی و دستیابی محققان و پژوهشگران به دستاوردهای جدید علمی، محصولات موردنیاز یک جامعه نیز با کیفیت بهتر و بالاتری تولید می‌شود. طبیعتا تولید یک محصول باکیفیت که عمر طولانی و کارایی بیشتری داشته باشد، مطلوب همه است، مشروط براینکه درکنار کیفیت خوب محصول، تولید آن، هزینه‌های سنگینی را به صنعت کشور تحمیل نکند. دستاوردهای علمی محققان و نخبگان ایرانی طی چند سال اخیر نشان داده است بومی‌سازی و رسیدن به فناوری‌هایی که کشورهای توسعه‌یافته از آن برای تولید محصولات خود استفاده می‌کنند، سالانه موجب کاهش خروج ارز از کشور شده است. نمونه بارز این امر دستیابی به دانش نانوذرات توسط نخبگان ایرانی است که کاربرد آن در صنایع مختلف، علاوه‌بر تولید محصولات دانش‌بنیان و با فناوری بالا، امکان رقابت تولیدات داخلی را در بازارهای بین‌المللی فراهم کرده است. صنایع خودروسازی و صنایع هوافضا یکی از بستر‌های مهم استفاده از نانوذرات هستند. در این صنایع موادی به نام نانوکامپوزیت مورداستفاده قرار می‌گیرد که نوعی ماده مهندسی است و تکنولوژی و فناوری بالایی در ساخت آن به‌کار رفته است.
صنعت خودروسازی و نانوکامپوزیت
خودروهای پیشرفته از تجمع بزرگ اجزایی با مواد متفاوت ساخته شده‌اند. بسیاری از این اجزا دارای لایه محافظی هستند که برای بهبود ظاهر یا افزایش طول عمر زیرلایه مورداستفاده قرار می‌گیرند. در بیشتر پوشش‌های سطحی یک لایه شفاف به ضخامت بین 5 تا 50 میکرومتر قرار دارد که نه‌تنها از لایه زیرین در برابر تخریب شیمیایی محافظت می‌کند، بلکه مقابل تخریب مکانیکی درنتیجه خراش نیز مقاوم است. علاوه‌بر این فناوری نانوپوشش کاربردهای گسترده دیگری در صنعت خودرو دارد که ازجمله آن می‌توان به پوشش‌های خودتمیزشونده، ضد مه، ضد تیرگی و ضد زنگ اشاره کرد. کامپوزیت به مواد متشکل از دو یا چند جزء گفته می‌شود که هرکدام از چند جزء خواص خود را به‌صورت مجزا حفظ کرده و ترکیب آنها موجب بهبود خواص نهایی می‌شود. نانوکامپوزیت‌ها براساس پایه تشکیل آن به سه دسته پلیمری، فلزی و سرامیکی تقسیم می‌شوند.
درحال حاضر، اکثر نانوکامپوزیتهای موردمصرف در صنعت خودروسازی از نوع نانوکامپوزیت پلیمری هستند، این درحالی است که تنها دو کشور آمریکا و آلمان از نانوکامپوزیت فلزی به دلیل استحکام و انعطاف‌پذیری بیشتر نسبت به نانوکامپوزیتهای پلیمری در صنعت خودروسازی خود استفاده می‌کنند. تولید نانوکامپوزیتهای فلزی در ایران و استفاده از آن در صنعت خودروسازی یا تا به‌حال انجام نشده یا اینکه به‌دلیل هزینه‌های سنگین تولید این نوع کامپوزیت‌ها صرفه اقتصادی نداشته‌اند. برای درک بهتر تفاوت میان نانوکامپوزیت پلیمری با نانوکامپوزیت فلزی مثال ساده‌ای بیان می‌شود. فرض کنید دو خودرو حین حرکت با یکدیگر تصادف می‌کنند و دراثر برخورد خودروی شماره یک به بدنه خودروی شماره 2، یکی از درهای خودروی شماره 2 دچار فرورفتگی می‌شود. درواقع به‌دلیل اینکه در تولید بدنه این خودرو از کامپوزیت پلیمری استفاده شده، در مقابل ضربه واردشده، شکننده است. درحالی‌که اگر در ساخت بدنه خودرو از ترکیبات نانوکامپوزیت فلزی استفاده شود، به دلیل انعطاف‌پذیری و استحکام بیشتر، فرورفتگی در بدنه ایجاد نمیشود.
دستیابی به فناوری نانوکامپوزیت فلزی در ایران
ابوالفضل بابازاده، دانشجوی رشته مکانیک دانشگاه تهران که پس از دو سال تحقیق و پژوهش درمورد نانوکامپوزیت با پایه فلزی موفق به تولید این ماده مهندسی شده است، در گفت‌وگو با «فرهیختگان» درمورد تولید این ماده می‌گوید: «نانوکامپوزیت فلزی طیف وسیعی از ویژگیهای فیزیک مکانیکی و خواصی مانند استحکام به وزن، مقاومت به‌خوردگی و انعطاف‌پذیری را دارد که در صنایع خودروسازی و هوافضا مورداستفاده قرار می‌گیرد. ساخت این نانوکامپوزیت اتفاق جدید و مهمی است که در دانشگاه تهران و با کمک اساتید دانشکده مکانیک انجام شده است.»
به گفته وی تا به‌حال کامپوزیت‌هایی که در ایران مورداستفاده قرار گرفته و حتی در صنایع خودروسازی بسیاری از کشورها استفاده می‌شود، کامپوزیت‌های زمینه پلیمری بوده و کامپوزیتی که زمینه فلزی داشته باشد، در سطح جهانی بسیار اندک‌شمار است. اهمیت تولید این نانوکامپوزیت زمانی معلوم می‌شود که با نانوکامپوزیتهای فلزی مقایسه شود. یک قطعه آهنی هر اندازه هم که محکم و مقاوم باشد بالاخره با افزایش نیرو برآن، خم شده یا می‌شکند. درحالی‌که با وارد آوردن دوبرابر این نیرو به نانوکامپوزیت فلزی، این ماده هرگز شکسته نمیشود، چراکه استحکام بسیار زیادی داشته و حالت خمیری پیدا می‌کند. درواقع خاصیت فلز این است که هرچقدر استحکام بیشتری داشته باشد، درصد شکنندگی آن نیز بیشتر و انعطاف آن کم می‌شود. اما خاصیت نانوکامپوزیت فلزی، انعطاف آن در عین استحکام است.
بابازاده ادامه می‌دهد: «زمانی که ایده اولیه تولید نانوکامپوزیت فلزی با اساتید دانشگاه مطرح شد، این موضوع مدنظر قرار گرفت که علاوه‌بر تولید یک محصول نو و جدید، از خواص و ویژگیهای منحصربه‌فردی برخوردار باشد. به‌عنوان مثال توجیه اقتصادی داشته باشد و بتوان خط تولید انبوه آن را ایجاد کرد. از آنجایی‌که تاکنون تولید این ماده مهندسی در ایران به‌صورت صفر تا 100 انجام نشده، بنابراین تولید آن می‌تواند تحول بزرگی درصنعت خودروسازی ایجاد کند. به‌ویژه اینکه در شرایط اقتصادی حال حاضر کشور و تشدید تحریم‌‌ها، بومی‌سازی این محصول، موجب قطع واردات آن و جلوگیری از خروج ارز می‌شود.»
وی با اشاره به اینکه کامپوزیت یک ماده مرکب است که حاصل ادغام شدن چند ماده دیگر است، می‌گوید: «نانوکامپوزیت فلزی از آلومینیوم و برخی نانوذرات تشکیل می‌شود؛ درحال حاضر دسترسی به آلومینیوم موردنیاز برای ساخت این ماده در کشور وجود دارد و استفاده از آن محدودیتی ندارد. از طرفی فناوری نانوذرات نیز در کشور وجود دارد و ترکیب این دو باهم منجر به تولید نانوکامپوزیت آلومینیوم می‌شود. تا پیش از سال 98 نانوذرات مورداستفاده در تولید این کامپوزیت از طریق واردات و با قیمت بسیار زیاد تامین می‌شد، اما درحال حاضر امکان تولید این کامپوزیت‌ها در کشور به‌طور کامل وجود دارد. مضاف براینکه روی کامپوزیت‌های ساخته‌شده تست‌ها و آزمایش‌های کیفی و مهندسی انجام شده و با استانداردهای جهانی کاملا مطابقت دارد و کاملا آماده به‌کارگیری در صنعت خودرو و صنایع هوافضاست.»
امکان تولید روزانه هزار تا 2هزار کامپوزیت
بابازاده درمورد استفاده از نانوکامپوزیت در صنعت هوافضا می‌گوید: «از این ماده می‌توان در ساخت ماهواره‌ها و پنلهای ماهواره‌ای استفاده کرد. مهندسان و فعالان صنعت هوافضا می‌توانند بدون وارد کردن مواد اولیه یا همان نانوذرات برای ساخت ماهواره و پنلهای ماهواره‌ای از نانوکامپوزیتهای فلزی که در داخل کشور تولید می‌شوند، استفاده کنند. دراین راستا نکته مهم‌تر اینکه، با تایید و اذعان فعالان صنعتی و اساتید و مهندسان کشور نانوکامپوزیت تولیدشده توجیه اقتصادی زیادی داشته و قابلیت بومی‌سازی و تولید انبوه دارد. شرکت‌های خودروسازی می‌توانند در خط‌تولید خود روزانه هزار تا دوهزار عدد از این ماده مهندسی را تولید کنند و در تولید خودرو مورداستفاده قرار دهند.»
وی می‌گوید: «تحقیقات انجام‌شده روی این نانوکامپوزیت، برای دانشگاه‌ها و ژورنال‌های معتبر خارجی نیز ارسال شده و درحالی که انتظار نمی‌رفت، مورد تایید و تشویق اساتید خارجی نیز قرار گرفته است. با توجه به اینکه سردمداران تولید این نوع نانوکامپوزیت در جهان آلمان و آمریکا هستند، ایران نیز می‌تواند در زمره کشورهای دارای این فناوری قرار بگیرد. البته کشور هند نیز در چند سال اخیر اقداماتی را در این زمینه انجام داده است و به مرور در تلاش است تا نقش خود را به‌عنوان یکی از کشورهای دارنده این فناوری در جهان ایفا کند.»
ضرورت سیاستگذاری درست برای تولید انبوه
به نظر می‌رسد برای استفاده از نانوکامپوزیت فلزی در صنعت خودروسازی و ایجاد تحول در این صنعت، باید امکانات ویژه‌ای به خطوط تولید خودروسازان افزوده شود. بابازاده در توضیح این موضوع می‌گوید: «قراردادن یک فضای اختصاصی در کارخانههای تولید خودرو به تولید نانوکامپوزیت به سیاستگذاری خودروسازان باز می‌گردد. با توجه به اینکه برخی کارخانههای خودروسازی دولتی هستند، تحقق این امر نیازمند سرمایه‌گذاری بخش دولتی است، بنابراین فعالان این صنعت می‌توانند برای ساخت بدنه خودرو به‌جای استفاده از فلز، از نانوکامپوزیتهای فلزی استفاده کنند. اما برخی شرکت‌های خودروسازی دولتی نیست و بالطبع قطعاتی که در این شرکت‌ها استفاده می‌شود نیز با سرمایه‌گذاری بخش خصوصی تامین می‌شود. بنابراین بخش خصوصی می‌تواند این کامپوزیت‌ها را به‌صورت مستقیم در کارخانه خودروسازی تولید کند یا به‌صورت برون‌سپاری به شرکت‌های تولیدکننده بسپارد که طبیعتا صرفه اقتصادی بیشتری نیز دارد و بازار رقابتی به وجود می‌آید.»
وی ادامه می‌دهد: «امکانات لازم برای تولید این نانوکامپوزیت که از جنس آلومینیوم است در دانشکده مکانیک دانشگاه تهران وجود نداشت، بنابراین برای تکمیل مراحل تولید و تحقیق از امکانات دانشکده مواد دانشگاه تهران استفاده کردیم، به‌ویژه برای بخش ریخته‌گری مواد، امکاناتی که دراختیار دانشکده مواد بود، کمک شایانی به ما در روند تولید این کامپوزیت کرد.»
وی استفاده از شیوه مهندسی معکوس در ساخت این کامپوزیت را رد می‌کند و می‌گوید: «برای تولید به روش مهندسی معکوس باید نمونه‌ای دراختیار داشته باشیم؛ اولا تولید این کامپوزیت یک کار جدید در سراسر دنیاست بنابراین برای به دست آوردن نمونه خارجی آن باید هزینه سنگینی پرداخت می‌شد تا بتوانیم نمونه‌ای از این نانوکامپوزیت را وارد کنیم. دراین زمینه، هستند شرکت‌هایی که چنین نانوکامپوزیت‌هایی را وارد می‌کنند، اما استفاده از آن نیز امکان‌پذیر نبود، چراکه برای مهندسی معکوس باید روی نمونه اولیه برش زده می‌شد و آزمایش‌های شناسایی انجام داده می‌شد و درنتیجه نمونه به کلی دگرگون شده و قابل استفاده نبود.»
صنعت خودروسازی و انواع نانوکامپوزیت‌ها
نانوکامپوزیتهای زمینه پلیمری: اولین محصول تجاری از نانوکامپوزیتهای پلیمری در صنعت خودروسازی به‌عنوان پوشش تسمه تایم ماشین با سختی و پایداری حرارتی اصلاح‌شده در محصول مورداستفاده قرار گرفت. در اوایل سال 1990 شرکت تویوتا از نانوکامپوزیتهای پلیمری در پوشش کمربند ایمنی خودرو استفاده کرد. درکنار فعالیت‌های تویوتا شرکت میتسوبیشی نیز از نانوکامپوزیت‌ها در روکش موتور استفاده کرد. این مواد صلبیت خوب و پایداری حرارتی بالایی از خود نشان می‌دهند. ویژگیهای نانوکامپوزیت‌ها شامل استحکام و سختی زیاد با وزن کمتر، قابلیت جلوگیری از نشت‌گازها و مایعات، درجه اعوجاج گرمایی بالا، رسانایی الکتریکی، خاصیت ضداحتراقی و مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی و حرارت می‌شود. ازجمله قطعات خودرویی که در ایران با نانوکامپوزیتهای پلیمری نمونه‌سازی شده‌اند شامل نانوکامپوزیتهای پایه ABS محفظه چراغ‌خطر خودروی پژو ۴05، محفظه چراغ‌خطر خودروی روآ، جعبه ECU و در آن، قاب محافظ هواکش بخاری و... و نانوکامپوزیتهای پایه PP محفظه چراغ‌جلو، قاب ستون‌های خانواده خودروی پژو ۴05، قطعات مجموعه داشبورد خودروها، پروانه فن رادیاتور و قالپاق چرخ است.
نانوکامپوزیت فلزی: پوشش‌های نانوکامپوزیتی فلزی به دلیل مقاومت به سایش و روانسازی قطعات درگیر در اتومبیل کاربردهای فراوانی پیدا کرده است. نمونه ساخت پوشش‌های کامپوزیتی زمینه فلزی به سال 1928 برمی‌گردد. مطالعاتی روی پوشش‌های مس-گرافیت برای یاتاقان وسایل نقلیه موتوری در ایالات‌متحده انجام شد. از دیگر پوشش‌های نانوکامپوزیتی فلزی مورداستفاده در خودروها و وسایل نقلیه پوشش‌های خود‌روانکار است. پوشش‌های خود‌روانکار به پوشش‌هایی گفته می‌شود که بدون‌کمک روانساز خواص سایش و اصطکاکی مطلوبی را در تماس با مواد دیگر نشان می‌دهد.
نانوکامپوزیت سرامیکی: پوشش‌های نانوکامپوزیتی زمینه سرامیکی به دلیل مقاومت در مقابل دمای بالا و سایش از دیگر پوشش‌هایی هستند که در قطعات خودرو که در معرض حرارت بالا و سایش قرار دارند، می‌توان به کار برد. یکی از مشکلات مواد سرامیکی با وجود مقاومت به دمای بالا، شوک‌ناپذیری به دلیل ترد و شکننده‌بودن این مواد است. از دیگر کاربردهای نانوپوشش‌های کامپوزیتی سرامیکی در بلبرینگ خودرو است. عملکرد این قطعه شدیدا تحت‌تاثیر سیستم روانکار آن است. با اعمال پوشش مذکور روی قطعات فولادی بلبرینگ مقاومت به سایش آن بهبود چشمگیری پیدا می‌کند.
* نویسنده: زهرا فریدزادگان، روزنامه نگار