انواع آبكاري (مواد نانوساختار)

[Avenger 19,333]

مقدمه

مواد نانوساختار هم‌اكنون در حال پيدا کردن مصارف گسترده‌اي به ويژه در الكترونيك، مكانيك، فوتونيك، مغناطيس و مواد زيست دارويي مي‌باشند. مواد نانوساختاري در مقايسه با مواد مشابهي كه داراي همان تركيب بوده ولي اندازه كريستالي معمولي دارند، داراي خواص بسيار بهتري هستند. خواص مكانيكي اين مواد نيز به علت اندازه مناسب ذراتشان بسيار مطلوب است [1].

اصلاح سطوح فلزي براي دستيابي به مقاومت در برابر سايش و خوردگي، روشي مناسب از لحاظ تجاري مي‌باشد. كروم سخت (ترسيب شده با الكترود) يكي از موادي است كه به صورت گسترده براي پوشش‌هاي محافظ به كار مي‌رود. پوشش‌هاي سراميكي ـ چه به شكل تك فازي و چه به شكل كامپوزيتي ـ نيز معمول مي‌باشند و با استفاده از روش پلاسما ـ اسپري به كار مي‌روند. در اين روش، ماده پوشاننده (غالباً به شكل پودر) درون يك جريان پلاسما پاشيده شده، در آن گرم شده، به سوي سطح مقصد شتاب داده مي‌شود. پس از پوشاندن سطح، سراميك به سرعت سرد شده و يك لايه پوششي ايجاد مي‌كند [2و3].

هر دو روش پوشش با كروم و سراميك داراي مشكلات مختلفي است كه مي‌تواند كاربرد آنها را محدود كند. در روش پوشش‌دهي الكترودي با كروم، از مواد خطرناكي استفاده مي‌شود. استفاده از انواع روش‌هاي حفاظت از محيط زيست، استفاده از كروم سخت را بسيار گران قيمت مي‌كند. پوشش‌هاي پلاسما ـ اسپري سراميكي با در نظر گرفتن هزينه‌هاي تميزكاري ارزان‌تر از كروم مي‌باشند؛ ولي ترد بوده و در چسبندگي به سطح داراي محدوديت مي‌باشند كه براي كروم سخت نيز به عنوان مشكل به حساب مي‌آيد، لذا نياز به مواد بهتر براي احساس مي‌شود و محققان هم‌اكنون به دنبال يافتن مواد جانشين مي‌باشند [2].

در پنج سال گذشته كنسرسيومي از شركت‌ها، دانشگاه‌ها و پرسنل نيروي دريايي ايالات متحده آمريكا به نوع جديدي از پوشش‌هاي سراميكي نانوساختار مقاوم در برابر سايش دست يافته‌اند. رهبري اين كنسرسيوم بر عهده Intrament و دانشگاه Connecticut بوده و اعضاي آن از اين قرارند: شركت A&A ، دانشگاه راتگرز، مؤسسه فناوري استيونز، مركز جنگ سطحي نيروي دريايي (بخش Carderock) و كارخانه كشتي‌سازي نيروي دريايي آمريكا. اين طرح را دفتر تحقيقاتي نيروي دريايي آمريكا تعريف كرده، موضوع آن دست يافتن به آن عده از خواص مكانيكي و سايشي مي‌باشد كه با استفاده از مواد معمول قابل دست‌يابي نيستند. منظور از مواد معمول، مواد با ساختار ميكروني يا بزرگ‌تر مي‌باشد [1].

نانوساختارها، ساختارهاي بسيار ريزي هستند كه ابعادي كمتر از 100 نانومتر دارند. اين اندازه مي‌تواند اندازه دانه، قطر ذره يا فيبر و يا ضخامت لايه باشد (شکل1). تغييرات عمده در خواص مواد با كوچك شدن اندازه ميكروساختارها به دو علت است: اول اينكه با كوچك شدن اندازه دانه، تعداد اتم‌ها در مرزها يا سطوح به شدت افزايش مي‌يابد. در يك ماده پلي‌كريستال با اندازه دانه 10 نانومتر، %50 از اتم‌ها در مرزهاي دانه حضور دارند كه باعث ايجاد ماده‌اي با خواص بسيار متفاوت از حالت معمول ماده مي‌شود و علت ديگر به اين قاعده مربوط مي‌شود كه بسياري از خواص فيزيكي تحت تأثير يك طول ويژه قرار دارند. وقتي اندازه ماده از اين مقدار كمتر مي‌شود خواص به شدت تغيير مي‌كند. تاكنون به علت ناتواني در توليد يكپارچه مواد با كيفيت بالا، اين تغييرات در خواص و مدهاي خستگي به خوبي

 

 

شکل 1- مواد نانو‌ساختار موادي با اندازه کمتر ازnm100مي‌باشند.[1]

 

شناخته نشده بود. اين وضعيت با دستيابي به موفقيت‌هايي در زمينه توليد نانومواد و همچنين يافتن روابط دروني بين خواص در مقياس نانو با ساختار و خواص در مقياس بزرگ به سرعت در حال تغيير است [1].

توليد پوشش‌هاي نانوسراميك

راهبرد گسترش مواد پوششي نانوساختار، بر روي تركيبات پوشش‌هاي فعلي و استفاده از لوازم ته‌نشين‌سازي موجود براي توليد آنها متمركز شده است. تنها با تغيير اندازه ساختار پوشش‌ها، كاربرد آنها بسيار ساده‌تر شده است. يكي از پوشش‌هاي در حال گسترش، يك نانوسراميك با تركيبAl2O3-13TiO2 مي‌باشد. اين پوشش مقاومت سايشي و قدرت اتصالي بالايي از خود نشان مي‌دهد كه در سراميك‌هاي معمول ديده نمي‌شود. در حال حاضر از اين ماده در پوشش دادن سطح كشتي‌ها و زيردريايي‌هاي نيروي دريايي ايالات متحده آمريكا استفاده مي‌شود كه باعث كاهش هزينه‌هاي ناشي از خوردگي و سايش شده است [1و4].

روش پلاسما ـ اسپري كه براي توليد پوشش‌هاي سراميكي استفاده مي‌شود از لحاظ نظري بسيار ساده بوده، ولي در عمل بسيار پيچيده است. يك گاز بي‌اثر از درون

 

شکل 2- نماي شماتيک دستگاه پلاسما-اسپري [1].

 

يك منطقه تخليه الكتريكي مي‌گذرد و تا دماي بسيار بالا گرم مي‌شود (معمولاً K10000 تا 20000)، پلاسما كه سريعاً در حال انبساط است با فشار از درون يك نازل كه مقابل سطح مقصد قرار گرفته است با سرعتي بين 1200 تا 1500 متر بر ثانيه به بيرون رانده مي‌شود. ذرات به درون پلاسما پاشيده و در آن گرم شده، شتاب مي‌گيرند. چون پلاسما و ذرات هر دو داغ هستند نياز به گرم كردن سطح، حداقل مي‌باشد.

شماتيكي از يك تفنگ پلاسما در شكل2 آمده است. پيچيدگي، ناشي از تعداد زياد عواملي است كه بايد انتخاب شوند و مي‌توانند روي ساختار و خواص سطح تأثير بگذارند. دما و سرعت پلاسما به نيروي اعمالي بر تفنگ، نوع گاز و شدت جريان گاز مصرفي بستگي دارد. معمولاً دو گاز به كار مي‌رود، يك گاز بي‌اثر مثل هليوم يا آرگون و يك گاز ديگر مثل هيدروژن. عوامل ديگر تأثيرگذار عبارتند از : ساختار ذرات پودر، فاصله تفنگ تا سطح مقصد، محل و زاويه پاشنده‌هاي پودر و نحوه آماده‌سازي سطح مقصد [4].

پلاسما ـ اسپري كردن نانوساختارها با چند پيچيدگي روبه‌روست: اول اينكه نانوذرات نمي‌توانند با پاشش اجزا درون پلاسما پاشيده شوند. اجزاي خيلي كوچك فاقد مومنتوم كافي براي نفوذ به درون پلاسما يا برخورد به سطح مقصد هنگام نزديك شدن پلاسما به سطح مي‌باشند. براي پاشيده شدن، اجزا بايد كنار هم انباشته شوند تا ذراتي به قطر 100-30 ميكرون تشكيل دهند. براي نانوكامپوزيت Al2O3-13TiO2 اين كار از طريق پخش كردن نانوذرات آلومينيوم و تيتانيوم در يك مايع حاوي يك ماده منعقد‌كننده و خشك كردن پاششي انجام مي‌شود. اگر نياز باشد اجزاي ميكروني نيز براي تشكيل مجموعه‌هاي ساختاري در كنارهم قرار مي‌گيرند [2و3].

مشكل ديگر، شكل دادن يك پوشش نانوساختاري روي سطح مقصد است. اين مشكل تا وقتي كه دانه‌هاي ميكروني به حد كافي داغ و حتي تا قسمتي ذوب شده باشند (كه باعث گسترش سريع پوشش روي سطح مقصد مي‌شود)، چندان مهم نيست. سه سازوكار براي توليد و حفظ ميكروساختارهاي در اندازه نانو وجود دارد: پيشگيري از ذوب شدن يا رشد ذره در ورودي (بسيار سخت است)؛ احاطه ذرات با مواد داراي درجه ذوب خيلي بالا كه وقتي تمام اجزاي ديگر ذوب مي‌شوند جامد باقي مي‌ماند و يا شكل دادن يك نانوساختار در هنگام انجماد ماده پاشيده شده حين برخورد با سطح. ساز و كار اخير در كامپوزيت‌هايي كه داراي دو بخش مخلوط نشدني (مثلAl2O3 و TiO2 ) مي‌باشند اتفاق مي‌افتد و علت آن جدايش فاز نيمه‌پايدار جامد در هنگام انجماد سريع در زمان برخورد با سطح مي‌باشد. اين فاز نيمه‌پايدار متشكل از Al2O3 و TiO2 بسيار معيوب مي‌باشد [2].

ميكروساختار و خواص پوشش Al2O3-13TiO2

نانوساختار، شديداً به دماي پلاسما بستگي دارد. اين امر در تضاد كامل با پوشش‌دهي معمول قرار دارد. شكل3 نمودار تغييرات مقاومت در برابر ترك را برحسب عامل (نيروي اعمالي تقسيم بر شدت جريان اوليه گاز) نشان مي‌دهد. اين عامل نسبت مستقيم با دماي پلاسما دارد. مقادير براي هر دو پوشش معمول و نانوساختار نشان داده شده‌اند. يكي از مواردي كه مي‌توان از نمودار استنباط كرد اين است كه مقاومت در برابر رشد ترك در پوشش‌هاي معمولي تقريباً رابطه‌اي با دماي پلاسما ندارد؛ در حالي كه در پوشش‌هاي نانوساختار رابطه‌اي قوي بين مقاومت در برابر رشد ترك و دماي پلاسما ديده مي‌شود [1و2].

علت را مي‌توان با بررسي تاريخچه حرارتي ذرات پاشش شده فهميد. در پلاسما ـ اسپري معمولي Al2O3-13TiO2 منبع تغذيه، شامل ذرات بزرگ به هم‌چسبيده يا به هم فشرده مي‌باشد كه قبل از تراكم كاملاً ذوب شده‌اند. ذوب كامل به علت رسانش گرمايي بالاي ذرات به هم چسبيده و به هم فشرده در بازه دمايي وسيعي اتفاق مي‌افتد. عموماً پوشش داراي ضخامتي بيشتر از يك ميكرون مي‌باشد. وقتي توده‌هاي جوش‌خورده نانوذره‌اي در دماي بالاي مربوطه (شرايطي كه ذوب كامل ايجاد كند) پاشيده مي‌شوند، ساختار نانو تنها شامل ذراتي مي‌باشد كه از خروج فاز نيمه‌پايدار اسپينل از تركيب به وجود مي‌آيند.

[Avenger 19,333]

شكل3- نمودار تغييرات مقاومت در برابر ترك [2].

تفاوت ميكروذرات فلزي حاصل از به هم چسبيدن و تراكم ذرات با نانوساختارهاي متشكل از هم‌جوشي، در اثر تفاوت در درجه همگني ذرات مذاب ايجاد مي‌شود. به علت زمان كوتاه، مايع حاصل از ذوب ذراتِ به هم چسبيده و فشرده، شامل مناطق با غلظت بالاي آلومينيوم و تيتانيوم خواهد بود. وقتي اين مايع به سرعت منجمد مي‌شود، بزرگي ذرات تشكيل شده بيشتر از مقداري است

 

شکل 4- نماي مولکولي پوششAl2O3-13TiO2نانوساختار(a)پوشش شامل دو بخش‘F’کاملا ذوب شده و‘P’ذوب ناقص مي‌باشد؛(b)نماي بزرگ بخش‘P’؛

©نماي ذرات کوچکAl2O3در بخش‘P’؛(d)نماي ذرات درشت‌ترAl2O3در بخش [2] ‘P’.

 

كه براي مايع همگن انتظار مي‌رود [1].

اگر پلاسما ـ اسپري در دمايي پايين‌تر از دماي لازم براي ذوب كامل انجام شود، ذوب كمي ايجاد مي‌شود و ساختار پوشش شامل ذرات غيرهمساني خواهد بود كه باعث كاهش در رشد ذرات مي‌شوند. بازه دمايي حد وسط باعث ذوب ناقص ذرات هم‌جوش و ايجاد مناطقي از اجزاي ميكروني (ناشي از اجزاي ذوب نشده پس از رشد ذرات) مي‌شود كه به وسيله نانوذرات ناشي از مواد كاملاً ذوب شده احاطه شده‌اند (شکل 4). اين حالت در شكل5 نيز نشان داده شده است. اين ساختار دو قسمتي بهترين خواص را دارد و از ساختار نانواندازه همگن بهتر عمل مي‌كند [1].

خواص پوشش Al2O3-13TiO2 نانوساختار

عاملي كه براي قضاوت درباره پوشش ضدسايش استفاده مي‌شود، شدت سايش مي‌باشد. شدت سايش با كشيدن وسيله‌اي مخصوص بر روي سطح و اندازه‌گيري مقدار وزن از دست رفته سطح، اندازه‌گيري مي‌شود. براي بسياري از پوشش‌ها مخصوصاً پوشش‌هاي ترد مثل سراميك‌ها، اين عامل ممكن است گمراه‌كننده باشد [4].

معيار شدت سايش در پوشش‌هاي امروزي استفاده نمي‌شود. پوشش‌هاي ترد معمولاً با ساييده شدن از بين نمي‌روند؛ بلكه در اثر ترك خوردگي و ورقه ورقه شدن آسيب مي‌بينند. در نتيجه مقاومت پيوند (چسبندگي به سطح مقصد) و مقاومت در برابر شكست (توانايي تحمل فشار يا كرنش اعمالي)، حداقل به اندازه مقاومت در برابر سايش اهميت دارند. اين خصوصيات در پوشش نانوسراميك به شكل ناباورانه‌اي عالي مي‌باشند [4].

 

شکل 5- تاثير نحوه ذوب ذرات بر ساختمان پوشش نانو‌ساختار [2].

 

قدرت چسبندگي پوشش نانوسراميك حدوداً دو برابر انواع پوشش‌هاي معمولي است. مقاومت در برابر شكست پوشش نانوساختار Al2O3-13TiO2 بسيار فوق‌العاده است، چنان كه در شكل6 نشان داده شده است. اين شكل يك آزمايش فنجان را نشان مي‌دهد كه در آن يك كوپنِ پوشش داده شده با فشار به داخل يك توپ فولادي وارد مي‌شود كه اين عمل باعث تغيير شكل كوپن مي‌شود. در پوشش معمولي، ترك‌هايي كه در سراميك‌ها معمول است ديده مي‌شود. پوشش نانوساختاري به همراه سطح تغيير شكل مي‌دهد و هيچ ترك ماكروسكوپي در آن ديده نمي‌شود. يك ضربه چكش كه مي‌تواند سطح را تغييرشكل دهد قادر به ايجاد شكست در پوشش نانوساختار نمي‌باشد. اين مقاومت در برابر شكست بالا، باعث افزايش مقاومت سايشي پوشش نانوساختار مي‌شود كه دو تا چهار برابر بيشتر از پوشش‌هاي معمولي مي‌باشد [1و4].

مزيت ديگر افزايش مقاومت در برابر شكست پوشش، افزايش صافي‌پذيري مي‌باشد. تقريباً تمام پوشش‌هاي سراميكي پس از پاشش به سطح بايد پوليش‌زده شده و صاف شوند. زمان لازم براي عمليات پوليش‌زني و صاف‌كاري در پوشش‌هاي سراميكي نانوساختار تقريباً نصف زمان لازم براي پوشش‌هاي سراميكي معمولي است. چون عمليات پوليش‌زني و صاف‌كاري 40 درصد از قيمت تمام شده پوشش را شامل مي‌شود، كاربرد پوشش‌هاي نانوساختار كم‌هزينه‌تر خواهد بود [1].

نوع عملكرد پوشش‌هاي معمولي و نانوساختار زماني قابل فهم‌تر مي‌شود كه رشد ترك در اين مواد به درستي بررسي شود. در پوشش‌هاي معمولي ترك‌ها در هنگام رشد، مسير مرز دانه‌ها را طي مي‌كنند كه مرز بين مواد تشكيل‌ شده از هر قطره پاشيده شده را نشان مي‌دهند(شكل7). فلش‌ها در اين شكل مرز دانه‌ها را نشان مي‌دهند. يك ترك نيز ديده مي‌شود كه مسير مرز دانه‌ ديگري را دنبال كرده است. در كامپوزيت نانوسراميك، ترك مرز دانه‌ها را دنبال نمي‌كند؛ بلكه در ماده نانوساختار تشكيل شده به هنگام انجماد پخش مي‌شود تا به قسمت داراي ذرات بزرگ‌تر كه از ذرات نيمه ذوب شده تشكيل شده‌اند برسد. در اينجا ترك‌ها در كنار سطوح داراي سطح زبر متوقف شده، يا بازتابيده مي‌شوند. در شكل8 به وضوح ديده مي‌شود (با تعقيب فلش‌ها) كه ترك‌ها در كنار سطوح بزرگ تشكيل شده از ذرات ذوب نشده، متوقف شده‌اند.

 

شکل 6 - نتايج آزمايش فنجان در پوششAl2O3-13TiO2معمولي(a)ونانوساختار(b)[1]

 

هر كرنش ايجاد شده در پوشش نانوساختار باعث به وجود آمدن ترك‌هاي ميكروني مي‌شود، ولي اين ترك‌ها قبل از رشد كردن يا رسيدن به ترك‌هاي ديگر متوقف مي‌شوند. در نتيجه محصول ما يك ماده سراميكي است كه مي‌تواند بسيار بيشتر از سراميك‌هاي ترد معمول تغييرشكل دهد [1].

 

شکل 7- نحوه رشد ترک در پوشش‌ معمولي[1]

 

كاربردها

كاربرد پوشش‌هاي نانوساختار Al2O3-13TiO2 براساس خواص آنها طبقه‌بندي مي‌شود. ساده‌ترين كاربرد‌، جايگزيني پوشش‌هاي سراميكي معمول با پوشش‌هاي نانوساختار مي‌باشد. در اين موارد، نتيجه به دست آمده، طول عمر و قابليت اطمينان بيشتر است. حالت دوم، جايگزيني به جاي پوشش‌هاي كروم سخت مي‌باشد. مزاياي اين حالت نيز عبارتند از قيمت تمام شده كمتر، حذف مواد سمي خطرناك و در برخي موارد بهبود عملكرد [1].

سطوح فلزي كه براي دوره‌هاي زماني طولاني در تماس با آب دريا قرار دارند، رسوبات كربنات كلسيم را تشكيل مي‌دهند. سطوح داراي رسوبات كلسيمي مي‌توانند پس از بي‌مصرف شدن به محيط زيست آسيب بزنند. پوشش‌هاي عايق الكتريكي چنين رسوباتي از خود نشان نمي‌دهند. علاوه بر اين سراميك‌ها خاصيت تحريك خوردگي از خود نشان نمي‌دهند. اين خاصيت در هنگام تماس دو فلز غيرهمسان با يك رساناي الكتريكي مانند آب دريا رخ مي‌دهد. با وجود اين مزايا، پوشش‌هاي سراميكي معمول را نمي‌توان بر روي سطوح فلزي به كار

 

شکل 8- نحوه رشد ترک در پوشش‌Al2O3-13TiO2نانوساختار[1]

 

برد؛ زيرا چسبندگي و استحكام لازم را ندارند. سراميك‌هاي نانوساختار اين محدوديت را ندارند. هم‌اكنون پوشش‌هاي نانوساختار Al2O3-13TiO2 در زيردريايي‌ها براي پوشش دادن به اجزاي تيتانيومي جهت جلوگيري از تحريك خوردگي اجزاي فولادي در تماس به كار مي‌روند [1].

پوشش‌هاي نانوساختار Al2O3-13TiO2 همچنين داراي تلورانس كرنش براي پوشش دادن به سطوح با سايش بالا در شفت‌ها مي‌باشند. ايجاد توانايي در يك ماده جديد براي كاربردهاي نظامي روندي تقريباً پيچيده است. اين روند براي پوشش‌ نانوساختار Al2O3-13TiO2 بسيار ساده مي‌باشد، زيرا داراي تركيبي مشابه پوشش‌هاي معمول است و نيازمند وسايل و مراحل مشابهي مي‌باشد.

كاربردهاي زيادي در كشتي‌ها و زيردريايي‌ها در حال گسترش مي‌باشد. پتانسيل زيادي براي كاربرد نانوسراميك‌ها در كشتي‌ها، هواپيماها و خودروها وجود دارد كه مي‌تواند باعث صرفه‌جويي زيادي در قيمت‌هاي تمام‌شده شود. مثالي براي اين كاربردها ارائه مي‌شود:

قطعه نشان داده شده در شكل (9) يك چرخ‌دنده ساده از يك دستگاه تهويه مطبوع است كه در كشتي‌ها به كار مي‌رود. سطوح پوشش داده شده قطعه با فلش نشان داده شده‌اند. در حال حاضر چرخ دنده پس از شش سال تعويض مي‌شود. با كاربرد پوشش‌هاي تازه،مي‌توان به جاي تعويض چرخ دنده‌ها آنها را تعمير كرد. براي تعمير منطقه آسيب ديده صاف شده، با Al2O3-13TiO2

 

شکل 9- چرخ‌ دنده مورد استفاده در دستگاه تهويه مطبوع 80 تني (سطوح پوشش داده شده با فلش نشان داده شده‌اند).[1]

 

نانوساختار تعويض مي‌شود. تنها با اين كاربرد، مبلغ 500 هزار دلار در يك سال و 13 ميليون دلار طي عمر سي‌ساله كشتي صرفه‌جويي مي‌شود. با در نظر گرفتن تعداد زيادي از ديگر كاربردها، مانند پمپ‌ها، شيرها، موتورهاي الكتريكي، موتورهاي ديزل، بلبرينگ‌ها و محورها، رقم قابل ملاحظه‌اي صرفه‌جويي خواهد شد. بسياري از اين قطعات مخصوص كاربردهاي نظامي نيستند. پوشش‌ها هم‌اكنون در حال يافتن كاربردهاي گسترده اقتصادي هستند [1و4].

زماني كه ذرات سراميكي نانوساختار و فيلم‌هاي نازك استفاده گسترده يابند،Al2O3-13TiO2 نانوساختاري، اولين نانو سراميكي خواهد بود كه مصارف اقتصادي مي‌يابد. ديگر مواد پوششي نانوساختار نيز در دست تحقيق هستند و اميد مي‌رود كه به زودي در دسترس قرار گيرند. اين مواد شامل كربورهاي ملاط‌شده، مانند كبالت ـ كاربيد تنگستن (WC-CO) و ديگر سراميك‌ها، مانند اكسيد كروم و زيركونيم تثبيت‌شده با ايتريوم مي‌باشد. تمام اين پوشش‌ها دامنه كاربرد زيادي يافته‌اند. با توليد انبوه اين محصولات قيمت تمام شده نيز مقرون به صرفه خواهد بود [1و3].

بحث و نتيجه‌گيري

در اين مقاله خلاصه‌اي از روش توليد پوشش نانوسراميكي Al2O3-13TiO2 ارائه شده و نتايج زير به دست مي‌آيد:

1ـ مقاومت اين نانوسراميك در برابر سايش بسيار خوب بوده، استفاده از آن را براي پوشش‌دهي مناسب مي‌سازد؛

2ـ پوشش جديد داراي مقاومت در برابر شكست و چسبندگي بسيار بهتري نسبت به انواع معمول مي‌باشد؛

3ـ خواص تغييرشكل‌پذيري اين پوشش نانوسراميكي بسيار مناسب بوده و مي‌تواند تا حد زيادي بدون بروز شكست به همراه سطح تغييرشكل دهد، تا حدي كه مي‌تواند در برابر ضربه‌اي كه قدرت شكستن قطعه اصلي را دارد مقاومت كند؛

4ـ به علت خواص مناسبي كه پوشش نانوسراميكي Al2O3-13TiO2 از خود نشان مي‌دهد، به خوبي مي‌توان از آن براي پوشش‌دهي سطوح خارجي كشتي‌ها و زيردريايي‌ها استفاده کرد. ضمناً کاربرد اين پوشش جديد در قطعات و لوازمي مثل چرخ دنده‌ها، پمپ‌ها، شيرها، موتورهاي الکتريکي، موتورهاي ديزل، بلبرينگ‌ها و محورها مي‌تواند باعث کارکرد بهتر، عمر طولاني‌تر و قيمت ارزان‌تر (با لحاظ هزينه نگهداري) در اين قطعات و لوازم شود.

[Avenger 19,333]

شكل3- نمودار تغييرات مقاومت در برابر ترك [2].

تفاوت ميكروذرات فلزي حاصل از به هم چسبيدن و تراكم ذرات با نانوساختارهاي متشكل از هم‌جوشي، در اثر تفاوت در درجه همگني ذرات مذاب ايجاد مي‌شود. به علت زمان كوتاه، مايع حاصل از ذوب ذراتِ به هم چسبيده و فشرده، شامل مناطق با غلظت بالاي آلومينيوم و تيتانيوم خواهد بود. وقتي اين مايع به سرعت منجمد مي‌شود، بزرگي ذرات تشكيل شده بيشتر از مقداري است

 

شکل 4- نماي مولکولي پوششAl2O3-13TiO2نانوساختار(a)پوشش شامل دو بخش‘F’کاملا ذوب شده و‘P’ذوب ناقص مي‌باشد؛(b)نماي بزرگ بخش‘P’؛

©نماي ذرات کوچکAl2O3در بخش‘P’؛(d)نماي ذرات درشت‌ترAl2O3در بخش [2] ‘P’.

 

كه براي مايع همگن انتظار مي‌رود [1].

اگر پلاسما ـ اسپري در دمايي پايين‌تر از دماي لازم براي ذوب كامل انجام شود، ذوب كمي ايجاد مي‌شود و ساختار پوشش شامل ذرات غيرهمساني خواهد بود كه باعث كاهش در رشد ذرات مي‌شوند. بازه دمايي حد وسط باعث ذوب ناقص ذرات هم‌جوش و ايجاد مناطقي از اجزاي ميكروني (ناشي از اجزاي ذوب نشده پس از رشد ذرات) مي‌شود كه به وسيله نانوذرات ناشي از مواد كاملاً ذوب شده احاطه شده‌اند (شکل 4). اين حالت در شكل5 نيز نشان داده شده است. اين ساختار دو قسمتي بهترين خواص را دارد و از ساختار نانواندازه همگن بهتر عمل مي‌كند [1].

خواص پوشش Al2O3-13TiO2 نانوساختار

عاملي كه براي قضاوت درباره پوشش ضدسايش استفاده مي‌شود، شدت سايش مي‌باشد. شدت سايش با كشيدن وسيله‌اي مخصوص بر روي سطح و اندازه‌گيري مقدار وزن از دست رفته سطح، اندازه‌گيري مي‌شود. براي بسياري از پوشش‌ها مخصوصاً پوشش‌هاي ترد مثل سراميك‌ها، اين عامل ممكن است گمراه‌كننده باشد [4].

معيار شدت سايش در پوشش‌هاي امروزي استفاده نمي‌شود. پوشش‌هاي ترد معمولاً با ساييده شدن از بين نمي‌روند؛ بلكه در اثر ترك خوردگي و ورقه ورقه شدن آسيب مي‌بينند. در نتيجه مقاومت پيوند (چسبندگي به سطح مقصد) و مقاومت در برابر شكست (توانايي تحمل فشار يا كرنش اعمالي)، حداقل به اندازه مقاومت در برابر سايش اهميت دارند. اين خصوصيات در پوشش نانوسراميك به شكل ناباورانه‌اي عالي مي‌باشند [4].

 

شکل 5- تاثير نحوه ذوب ذرات بر ساختمان پوشش نانو‌ساختار [2].

 

قدرت چسبندگي پوشش نانوسراميك حدوداً دو برابر انواع پوشش‌هاي معمولي است. مقاومت در برابر شكست پوشش نانوساختار Al2O3-13TiO2 بسيار فوق‌العاده است، چنان كه در شكل6 نشان داده شده است. اين شكل يك آزمايش فنجان را نشان مي‌دهد كه در آن يك كوپنِ پوشش داده شده با فشار به داخل يك توپ فولادي وارد مي‌شود كه اين عمل باعث تغيير شكل كوپن مي‌شود. در پوشش معمولي، ترك‌هايي كه در سراميك‌ها معمول است ديده مي‌شود. پوشش نانوساختاري به همراه سطح تغيير شكل مي‌دهد و هيچ ترك ماكروسكوپي در آن ديده نمي‌شود. يك ضربه چكش كه مي‌تواند سطح را تغييرشكل دهد قادر به ايجاد شكست در پوشش نانوساختار نمي‌باشد. اين مقاومت در برابر شكست بالا، باعث افزايش مقاومت سايشي پوشش نانوساختار مي‌شود كه دو تا چهار برابر بيشتر از پوشش‌هاي معمولي مي‌باشد [1و4].

مزيت ديگر افزايش مقاومت در برابر شكست پوشش، افزايش صافي‌پذيري مي‌باشد. تقريباً تمام پوشش‌هاي سراميكي پس از پاشش به سطح بايد پوليش‌زده شده و صاف شوند. زمان لازم براي عمليات پوليش‌زني و صاف‌كاري در پوشش‌هاي سراميكي نانوساختار تقريباً نصف زمان لازم براي پوشش‌هاي سراميكي معمولي است. چون عمليات پوليش‌زني و صاف‌كاري 40 درصد از قيمت تمام شده پوشش را شامل مي‌شود، كاربرد پوشش‌هاي نانوساختار كم‌هزينه‌تر خواهد بود [1].

نوع عملكرد پوشش‌هاي معمولي و نانوساختار زماني قابل فهم‌تر مي‌شود كه رشد ترك در اين مواد به درستي بررسي شود. در پوشش‌هاي معمولي ترك‌ها در هنگام رشد، مسير مرز دانه‌ها را طي مي‌كنند كه مرز بين مواد تشكيل‌ شده از هر قطره پاشيده شده را نشان مي‌دهند(شكل7). فلش‌ها در اين شكل مرز دانه‌ها را نشان مي‌دهند. يك ترك نيز ديده مي‌شود كه مسير مرز دانه‌ ديگري را دنبال كرده است. در كامپوزيت نانوسراميك، ترك مرز دانه‌ها را دنبال نمي‌كند؛ بلكه در ماده نانوساختار تشكيل شده به هنگام انجماد پخش مي‌شود تا به قسمت داراي ذرات بزرگ‌تر كه از ذرات نيمه ذوب شده تشكيل شده‌اند برسد. در اينجا ترك‌ها در كنار سطوح داراي سطح زبر متوقف شده، يا بازتابيده مي‌شوند. در شكل8 به وضوح ديده مي‌شود (با تعقيب فلش‌ها) كه ترك‌ها در كنار سطوح بزرگ تشكيل شده از ذرات ذوب نشده، متوقف شده‌اند.

 

شکل 6 - نتايج آزمايش فنجان در پوششAl2O3-13TiO2معمولي(a)ونانوساختار(b)[1]

 

هر كرنش ايجاد شده در پوشش نانوساختار باعث به وجود آمدن ترك‌هاي ميكروني مي‌شود، ولي اين ترك‌ها قبل از رشد كردن يا رسيدن به ترك‌هاي ديگر متوقف مي‌شوند. در نتيجه محصول ما يك ماده سراميكي است كه مي‌تواند بسيار بيشتر از سراميك‌هاي ترد معمول تغييرشكل دهد [1].

 

شکل 7- نحوه رشد ترک در پوشش‌ معمولي[1]

 

كاربردها

كاربرد پوشش‌هاي نانوساختار Al2O3-13TiO2 براساس خواص آنها طبقه‌بندي مي‌شود. ساده‌ترين كاربرد‌، جايگزيني پوشش‌هاي سراميكي معمول با پوشش‌هاي نانوساختار مي‌باشد. در اين موارد، نتيجه به دست آمده، طول عمر و قابليت اطمينان بيشتر است. حالت دوم، جايگزيني به جاي پوشش‌هاي كروم سخت مي‌باشد. مزاياي اين حالت نيز عبارتند از قيمت تمام شده كمتر، حذف مواد سمي خطرناك و در برخي موارد بهبود عملكرد [1].

سطوح فلزي كه براي دوره‌هاي زماني طولاني در تماس با آب دريا قرار دارند، رسوبات كربنات كلسيم را تشكيل مي‌دهند. سطوح داراي رسوبات كلسيمي مي‌توانند پس از بي‌مصرف شدن به محيط زيست آسيب بزنند. پوشش‌هاي عايق الكتريكي چنين رسوباتي از خود نشان نمي‌دهند. علاوه بر اين سراميك‌ها خاصيت تحريك خوردگي از خود نشان نمي‌دهند. اين خاصيت در هنگام تماس دو فلز غيرهمسان با يك رساناي الكتريكي مانند آب دريا رخ مي‌دهد. با وجود اين مزايا، پوشش‌هاي سراميكي معمول را نمي‌توان بر روي سطوح فلزي به كار

 

شکل 8- نحوه رشد ترک در پوشش‌Al2O3-13TiO2نانوساختار[1]

 

برد؛ زيرا چسبندگي و استحكام لازم را ندارند. سراميك‌هاي نانوساختار اين محدوديت را ندارند. هم‌اكنون پوشش‌هاي نانوساختار Al2O3-13TiO2 در زيردريايي‌ها براي پوشش دادن به اجزاي تيتانيومي جهت جلوگيري از تحريك خوردگي اجزاي فولادي در تماس به كار مي‌روند [1].

پوشش‌هاي نانوساختار Al2O3-13TiO2 همچنين داراي تلورانس كرنش براي پوشش دادن به سطوح با سايش بالا در شفت‌ها مي‌باشند. ايجاد توانايي در يك ماده جديد براي كاربردهاي نظامي روندي تقريباً پيچيده است. اين روند براي پوشش‌ نانوساختار Al2O3-13TiO2 بسيار ساده مي‌باشد، زيرا داراي تركيبي مشابه پوشش‌هاي معمول است و نيازمند وسايل و مراحل مشابهي مي‌باشد.

كاربردهاي زيادي در كشتي‌ها و زيردريايي‌ها در حال گسترش مي‌باشد. پتانسيل زيادي براي كاربرد نانوسراميك‌ها در كشتي‌ها، هواپيماها و خودروها وجود دارد كه مي‌تواند باعث صرفه‌جويي زيادي در قيمت‌هاي تمام‌شده شود. مثالي براي اين كاربردها ارائه مي‌شود:

قطعه نشان داده شده در شكل (9) يك چرخ‌دنده ساده از يك دستگاه تهويه مطبوع است كه در كشتي‌ها به كار مي‌رود. سطوح پوشش داده شده قطعه با فلش نشان داده شده‌اند. در حال حاضر چرخ دنده پس از شش سال تعويض مي‌شود. با كاربرد پوشش‌هاي تازه،مي‌توان به جاي تعويض چرخ دنده‌ها آنها را تعمير كرد. براي تعمير منطقه آسيب ديده صاف شده، با Al2O3-13TiO2

 

شکل 9- چرخ‌ دنده مورد استفاده در دستگاه تهويه مطبوع 80 تني (سطوح پوشش داده شده با فلش نشان داده شده‌اند).[1]

 

نانوساختار تعويض مي‌شود. تنها با اين كاربرد، مبلغ 500 هزار دلار در يك سال و 13 ميليون دلار طي عمر سي‌ساله كشتي صرفه‌جويي مي‌شود. با در نظر گرفتن تعداد زيادي از ديگر كاربردها، مانند پمپ‌ها، شيرها، موتورهاي الكتريكي، موتورهاي ديزل، بلبرينگ‌ها و محورها، رقم قابل ملاحظه‌اي صرفه‌جويي خواهد شد. بسياري از اين قطعات مخصوص كاربردهاي نظامي نيستند. پوشش‌ها هم‌اكنون در حال يافتن كاربردهاي گسترده اقتصادي هستند [1و4].

زماني كه ذرات سراميكي نانوساختار و فيلم‌هاي نازك استفاده گسترده يابند،Al2O3-13TiO2 نانوساختاري، اولين نانو سراميكي خواهد بود كه مصارف اقتصادي مي‌يابد. ديگر مواد پوششي نانوساختار نيز در دست تحقيق هستند و اميد مي‌رود كه به زودي در دسترس قرار گيرند. اين مواد شامل كربورهاي ملاط‌شده، مانند كبالت ـ كاربيد تنگستن (WC-CO) و ديگر سراميك‌ها، مانند اكسيد كروم و زيركونيم تثبيت‌شده با ايتريوم مي‌باشد. تمام اين پوشش‌ها دامنه كاربرد زيادي يافته‌اند. با توليد انبوه اين محصولات قيمت تمام شده نيز مقرون به صرفه خواهد بود [1و3].

بحث و نتيجه‌گيري

در اين مقاله خلاصه‌اي از روش توليد پوشش نانوسراميكي Al2O3-13TiO2 ارائه شده و نتايج زير به دست مي‌آيد:

1ـ مقاومت اين نانوسراميك در برابر سايش بسيار خوب بوده، استفاده از آن را براي پوشش‌دهي مناسب مي‌سازد؛

2ـ پوشش جديد داراي مقاومت در برابر شكست و چسبندگي بسيار بهتري نسبت به انواع معمول مي‌باشد؛

3ـ خواص تغييرشكل‌پذيري اين پوشش نانوسراميكي بسيار مناسب بوده و مي‌تواند تا حد زيادي بدون بروز شكست به همراه سطح تغييرشكل دهد، تا حدي كه مي‌تواند در برابر ضربه‌اي كه قدرت شكستن قطعه اصلي را دارد مقاومت كند؛

4ـ به علت خواص مناسبي كه پوشش نانوسراميكي Al2O3-13TiO2 از خود نشان مي‌دهد، به خوبي مي‌توان از آن براي پوشش‌دهي سطوح خارجي كشتي‌ها و زيردريايي‌ها استفاده کرد. ضمناً کاربرد اين پوشش جديد در قطعات و لوازمي مثل چرخ دنده‌ها، پمپ‌ها، شيرها، موتورهاي الکتريکي، موتورهاي ديزل، بلبرينگ‌ها و محورها مي‌تواند باعث کارکرد بهتر، عمر طولاني‌تر و قيمت ارزان‌تر (با لحاظ هزينه نگهداري) در اين قطعات و لوازم شود.