کاربرد فناوری نانو در خودرو

کاربرد فناوری نانو در خودرو

فناوری نانو

فناوری نانو به سه سطح قابل تقسیم است: مواد، ابزارها و سیستم ها. موادی که در سطح نانو در این فناوری به کار می رود، را نانو مواد می گویند. ماده ی نانو ساختار، به هر ماده ای که حداقل یکی از ابعاد آن در مقیاس نانومتری (زیر ۱۰۰ نانومتر) باشد اطلاق می شود. این تعریف به وضوح انواع بسیار زیادی از ساختارها، اعم از ساخته دست بشر یا طبیعت را شامل می شود. منظور از یک ماده ی نانو ساختار، جامدی است که در سراسر بدنه آن انتظام اتمی، کریستال های تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی در مقیاس چند نانومتری گسترده شده باشند. در حقیقت این مواد متشکل از کریستال ها یا دانه های نانومتری هستند که هر کدام از آنها ممکن است از لحاظ ساختار اتمی، جهات کریستالوگرافی یا ترکیب شیمیایی با یکدیگر متفاوت باشند.

نانوکامپوزیت ها

مواد کامپوزیتی مواد مهندسی ای هستند که از دو یا چند جزء تشکیل شده اند به گونه ای که این مواد مجزا و در مقیاس ماکروسکوپی قابل تشخیص هستند. کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریکس(زمینه) و تقویت کننده(پرکننده) تشکیل شده است. ماتریکس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می دارد و تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار می گردد.

یکی از گسترده ترین کاربردهای فناوری نانو در صنعت خودرو تا کنون ساخت نانو کامپوزیت ها بوده است. از آنجا که در نانوکامپوزیت ها، ذرات بسیار ریز (نانوذرات)، استحکام و دوام رزین را بسیار بالا می برند، جایگزین مواد مرسوم مانند میکا و تالک شده اند. اما علاوه بر ویژگی های فیزیکی بهتر، این کامپوزیت ها دارای دو برتری دیگر نیز می باشند:

نخست اینکه نانوذرات با ایجاد ماتریکس (زمینه) یکنواخت و هموار به طور قابل توجهی زیبایی بیشتر را فراهم می کنند و بنابراین نانو کامپوزیت ها سطح زیبا تر و رنگ های شفاف تری دارند.

همچنین نانوکامپوزیت ها به دلیل نیاز به مواد تقویت کننده ی کمتر، تا حدود بیست درصد نسبت به کامپوزیت های رایج سبک ترند.

نانولایه ها:

در دنیای کنونی تغییرات سطحی به یک فرایند مهم و اساسی تبدیل شده است. در این مورد روش هایی شامل ایجاد لایه های نازک یا پوشش ها بر روی سطوح، افزایش کارآیی و محافظت سطوح را به دنبال دارد. رسوب یک لایه نازکنانولایه برای پوشش دهی در اکثر صنایع جایگاه مهمی یافته است. نانولایه ها دارای یک ساختار نانو ذره ای می باشند که این ساختار یا از توزیع نانوذرات در لایه ایجاد می شود و یا به وسیله یک فرایند کنترل شده، یک نانو ساختار در حین رسوب ایجاد می شود.  فیلم های نانویی لایه نازک، که بر روی سطح یک زیر پایه نشانده می شوند کاربردهای عمدتاً الکترونیکی دارند. همانند زیرلایه ها، خازن ها، قطعات حافظه، آشکارسازهای مادون قرمز و راهنماهای موجی.

کاربرد فناوری نانو در خودرو ها

• ۱- پیل سوختی
• ذخیره هیدروژن توسط نانولوله های کربنی
• سوخت ماشین هایی که با پیل سوختی کار می کنند، هیدروژن است. هیدروژن از هیدرولیز آب تهیه می شود. هیدروژن در آند پیل به هیدروژن با بار مثبت و الکترون تبدیل می شود. هیدروژن با بار مثبت از غشای پلیمری نانومتری که تنها هیدروژن با بار مثبت را با زده بالا از خود عبور می دهد، می گذرد. الکترون نیز در مدار باعث حرکت ماشین می گردد. در کاتد هیدروژن با بار مثبت عبوری با الکترون و اکسیژن موجود در هوا واکنش می دهد و بخار آب تشکیل می شود که از طریق لوله اگزوز ماشین خارج می شود.
• در ماشین مخازن ذخیره هیدروژن جاسازی می شود که در صورت استفاده از نانولوله های کربنی در این مخازن می توان مقدار زیادی هیدروژن را در فضای کم ذخیره نمود.
• استفاده از نانولوله های کربنی در الکترودهای پیل امکان تبادل الکترون بیشتری را فراهم می آورد.

مزیت های استفاده از فناوری پیل سوختی:

• عدم استفاده از سوخت های نفتی که تجدیدناپذیرند.
• عدم آلودگی هوا و در نتیجه زیان نرسیدن به محیط زیست

شیشه ضد آب در خودرو

• یکی از شناخته شده ترین مزیت های فناوری نانو اثر نیلوفری ست که سطوح خود تمیز شونده را امکان پذیر می سازد. به سبب ساختار بسیار صاف و یکنواخت سطح گل نیلوفر، قطرات آب و گرد غبار از روی گلبرگ ها می لغزند بی آنکه اثری روی آنها به جای گذارند.
• بنابراین اگر سطوح اجسام دارای ساختار بسیار صاف و صیقلی (در مقیاس نانو) باشند، ذرات آلودگی و همچنین آب روی آنها باقی نخواهد ماند.
• رنگ ها و پوشش های سقف خودرو که این اصل طبیعی را به کار می برند امروزه در بازار موجود می باشند. ساختار نانویی این سطوح، از جمع شدن ذرات آلودگی و قطرات بسیار ریز آب نیز جلوگیری می کند. همچنین رینگ های خود تمیز شونده نیز با استفاده از این ویژگی در حال تولید هستند.
• همچنین پوشش نانویی در حال تولید است که با اضافه کردن آن به سطح شیشه خودرو (برای مثال به روش اسپری کردن)،فرورفتگی های بسیار ریز سطح شیشه را پر کرده و سطح صاف و بدون پستی و بلندی ایجاد می کند و در نتیجه قطرات ریز آب و گرد و غبار روی شیشه باقی نمی ماند و بنابراین موجب افزایش دید راننده، استهلاک کمتر برف پاکن ها و نیاز کمتر به شستشوی شیشه و همچنین بهبود دید در شب در نتیجه کاهش انعکاس مضر نور می شود.

 

رنگ خودرو

• استفاده از نانو تکنولوژی در رنگ باعث افزایش کیفیت رنگ و کاهش مصرف آن می گردد . نانوتکنولوژی به دو صورت به این بخش کمک می کند ، یکی در انتخاب مواد مناسب در رنگ و دیگری در روش های بهینه رنگ کردن . نانو ذرات با اندازه های مختلف ، نورهایی با فرکانس های متفاوت ساطع می کند که می تواند برای تولید رنگ های گوناگون مورد استفاده واقع شوند .
  امروزه با گسترش تکنولوژی نانو، رنگ های پایه آبی نیز از این امر متأثر گشته اند ،  مزایای عالی این نوع رنگ ها با اعمال این تکنولوژی دو چندان شده است . این رنگها از رزین های دیسپرس شونده در آب با ابعاد نانو و نیز از نانو پیگمنت ها و افزودنی هایی در اندازه نانو استفاده می شودکه باعث کیفیت بهتر رنگهای معمولی پایه آبی گردیده است .

از جمله ویژگیهای این محصولات می توان به موارد ذیل اشاره نمود :

• -دارای خواص مکانیکی ویژه ای هستند .
  –   دارای خواص ضد خوردگی ویژه ای هستند .
  –   استفاده از نانو پیگمنت ها باعث افزایش نفوذ این نوع پوششها به درون شکافها و منافذ بسیارریز موجود در سطح فلز میگردد .
  –   با استفاده از رنگهای نانو چسبندگی روی سطح هفتاد مرتبه بیشتر می شود .
  –   ضخامت اعمال سیستم پوششی نانو فقط ۳۰ میکرون می باشد که در مقایسه با ضخامت رنگهای معمولی بسیار پایین می باشد و موجب صرفه جویی در مصرف رنگ می شود .
  –   به دلیل پایین بودن درصد حلالهای فرار با محیط زیست سازگارند .
  –   از لحاظ ظاهری فیلم حاصله بسیار صاف و براق است .
• از دیگر تأثیرات نانو در صنعت رنگ ، تولید رنگهایی در مقیاس نانو است که دود را می بلعند . در این نوع رنگ نانو ذرات کروی شکل دی اکسید تیتانیوم و کلسیم کربنات با قطر حدود ۳۰ نانومتر بایک پلیمر پایه سیلیکونی (پلی سیلواکسان) مخلوط می شوند ، این پلیمر متخلخل است و همین مزیت موجب میگردد که گازهای NOx  با نامهای کلی نیتریک اکساید و نیتروژن دی اکساید ، کاملاً جذب آن گردد . سپس گازها به ذرات تیتانیوم دی اکساید می چسبند ، اشعه ماوراء بنفش نور خورشید جذب ذرات می‌شود و با استفاده از این انرژی NOx در یک واکنش شیمیایی به اسید نیتریک تبدیل می شود و اسید حاصله یا با باران شسته می شود و یا بوسیله کلسیم کربنات بازی خنثی می گردد .به علت ریز بودن ذرات رنگ حاصله بسیار شفاف و روشن است برای به دست آوردن رنگ دلخواه می توان از رنگدانه های مناسب استفاده کرد ، اولین محصولی که به بازار عرضه خواهد شد سفید می باشد .عمر مفید این رنگ با توجه به دوام کربنات کلسیم  در حدود پنج سال می باشد .
• از دیگر کاربردهای جالب توجه استفاده از نانو لوله های کربنی در رنگ می باشد . فیبریل ها ساختارهای ویژه ای می باشند که از نانو لوله های کربنی ساخته می شوند و خاصیت رسانایی بالایی دارند . فیبریل ها از لحاظ شکل ظاهر شبیه به رشته های ماکارونی در ابعاد میکروسکوپی هستند ، قطر خارجی آنها ۱۰ نانومتر و قطر داخلی آنها ۵ نانومتر و طول آنها از ۱ تا ۱۰ میکرون متغیر می باشد .
  کاربرد فیبریل ها در رنگ باعث رسانایی آن می گردد و می توان از آن برای رنگ کردن خودرو به طریق قطره های باردار شده استفاده نمود .
•  در این روش (الکترواستاتیکی)رنگ و قسمت هایی را که قرار است رنگ شوند ، باردار می کنند تا جاذبه الکتریکی بین آن دو باعث جذب رنگ توسط آن قسمت شود و بدین ترتیب کارایی رنگ چه از لحاظ کیفیت و چه از لحاظ کمیـّت ( میزان رنگ مصرفی ) ارتقا می یابد . در این روش رنگ بطور دقیق روی سطح مورد نظر می نشیند و از پراکنده شدن آن جلوگیری می شود و در نتیجه کارایی آن بالا رفته و سریع و تمیز و مقرون به صرفه می‌شود . همچنین این روش باعث کاهش انتشارات سمی
  فرار می‌شود .
  کارایی رنگ الکترواستاتیکی چهار برابر بیشتر از رنگ به روش اسپری می باشد . به این معنی که ۸۰% از رنگ در روش الکترواستاتیکی روی قسمت مورد نظر می نشیند در صورتیکه این مقداردر روش‌های معمول ۲۰% می باشد .
• فناوری پوشش دهی مبتنی بر نانو تکنولوژی ،چه از طریق فرایند های سل- ژل و چه روش‌های نانو ذره ای کاربردهایی را ارائه می دهند که در صنعت خودرو دارای جذابیت تجاری می باشند .
  در زمینه پنجره های فتوکرومیک و الکترومیک ( پنجره هایی که به ترتیب تحت تأثیر نور و الکتریسیته تغییر رنگ می دهند ) تحقیقاتی صورت گرفته است و با تعداد زیادی از روش های مبتنی بر نانو ذرات و فرایند سل- ژل می توان آنها را تولید کرد .

استفاده از رنگ نانو در خودرو

 

 

روغن ‌ها و روان کننده ها

• بعضی از نانومواد معدنی فولرین، می توانند به عنوان روان کننده استفاده شوند. این روغن‌ها نسبت به روغن های رایجی که دارای افزودنی های روان کننده هستند، خاصیت روان کنندگی بسیار موثرتری دارند. به این معنی که نانو مواد معدنی فولرین‌مانند(Ifs) نسبت به روغن های قدیمی خوردگی و فرسایش کمتری را در سطح تماس قطعات ایجاد می کنند. این نانومواد از راههای مختلفی سنتز شده و به صورت خالص به دست می‌آیند. البته یافتن فرایند سنتز مناسب جهت تولید به مقدار فراوانی از محصول باهزینه پایین اولویت برنامه محققان است چرا که با تولید انبوه و ارزان این محصول می توان آن را به صورت صنعتی به بازار ارائه داد. به مجرد این که برای اولین بار فولرین ها و نانولوله های کربنی کشف و ارائه شدند، نانومواد فولرین‌شکل بدون کربن از WS2( دی سولفید تنگستن) و نانولوله های WS2 نیز در سال ۱۹۹۲توسط Tenne و همکارانش ارائه شد. این دسته از مواد با ساختاری که توصیف شد مواد معدنی فولرین‌مانندWS2 نام گذاری شدند.
• از میان Ifs ها، آن دسته که دارای سولفید فلزات واسطه است(Ifs- WS2 ) به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد خود، بیش از دیگران مورد توجه محققان قرارگرفته است. در کنار خاصیت روان کنندگی عالی این مواد، Ifs ها برای مصارف مختلف دیگری نیز به کارگرفته می شوند که از آن جمله می توان به استفاده آنها در ادوات الکترونی، کاتالیست‌ها، تجهیزات ذخیره هیدروژن بصورت الکتروشیمیایی، جاذب ها، فیلم های حساس به نور و نوکهای(Tip) فوق العاده حساس برای پیمایش میکروسکوپی اشاره کرد.
• به دلیل همین کاربردهای متنوع و خواص جالب توجه Ifs ها، دانشمندان شدیدا علاقمند به یافتن راههای جدیدی برای سنتز اقتصادی تر این دسته از مواد هستند. پروفسور Haibin Yang who و دکتر Shikai liu نویسنده گزارش مربوط به این خبر، معتقد هستند که آینده تجاری نانومواد فولرین‌مانند مانند Ifs- WS2 درخشان است، البته منوط به این که فرآیند سنتز آنها نیزمقرون به‌صرفه باشد. پروفسور Yang در مصاحبه با Nanowerk توضیح داد که آنها توانسته‌اند با استفاده از یک روش ساده، نانومواد Ifs- WS2 را سنتز کنند. این سنتز از طریق واکنش پودر گوگرد (S) با نانوذرات تری اکسید تنگستن در اتمسفر هیدروژن و دمای ۵۰۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی گراد انجام شده است. کنترل این فرآیند بسیار ساده بوده و از طریق آن می توان Ifs- WS2 ها را بصورت خالص و با هزینه کم به تولید انبوه رساند.

 

لاستیک

• موارد استفاده از فناوری نانو در لاستیک عبارت از نانو فیلرها و نانو کامپوزیت ها می باشد . این مواد به لاستیک ها خواص ویژه ای می بخشد . بر اساس آمار BSF بازار نانو کامپوزیت در سال ۲۰۰۵ به میزان ۲۰۰ بیلیون یورو و در سال ۲۰۱۵ به میزان۱۲۰۰بیلیون یورو پیش بینی شده است . با توجه به تحقیقات بعمل آمده چهار ماده نانومتری در صنعت لاستیک سازی کاربرد فراوانی پیدا کرده اند . این چهار ماده عبارتند از :
  –   اکسید روی نانومتری
  –   نانو کربنات کلسیم
  –   الماس نانومتری
  –   ذرات نانومتری خاک رس
• با افزودن این مواد به ترکیبات لاستیک به دلیل پیوند هایی که در مقیاس اتمی بین این مواد و ترکیبات لاستیک صورت می گیرد ، علاوه بر بهبود خواص فیزیکی باعث افزایش مقاومت سایشی ، افزایش استحکام ، بهبود خاصیت مکانیکی ، افزایش حد پارگی و حد شکستگی نیز می گردد .
  در زیبائی ظاهری لاستیک نیز تأثیر گذاشته و باعث لطافت ، همواری ، صافی و ظرافت شکل ظاهری لاستیک می گردد .

استفاده نانو در لاستیک خودرو

مبدل های کاتالیستی

• همانطور که می دانید اگر احتراق به طور کامل و ایده آل رخ دهد خروجیهای حاصل از آن، آب، نیتروژن (N2) و دی اکسید کربن (CO2) می باشد و اگر احتراق در شرایط ایده آل رخ ندهد مثلا برای احتراق هوای مناسب وجود نداشته و…. در اینصورت خروجیهای حاصل از احتراق، گازهای زیان آوری همچون مونو اکسید کربن (CO)، گروه گازهای (NOx) و هیدروکربنهای نسوخته (CH) می باشند. وظیفه مبدل کاتالیستی که در مسیر گازهای خروجی از موتور قرار می گیرد این است که گازهای فوق را به گازهای بی خطر تبدیل کند.
• یکی از ویژگی های نانوذرات که در تولید مبدل های کاتالیستی استفاده شده چنین است: سطح تماس ذرات با کاهش اندازه آنها و افزایش تعدادشان (به طوری که جرم کلی مجموعه ثابت بماند) افزایش می یابد. یک دسته از واکنش های شیمیایی روی سطح کاتالیست ها رخ می دهند و بنابراین سطح تماس بیشتر، کاتالیست فعال تری را موجب می شود. از این رو به کارگیری نانوذرات در مبدل های کاتالیستی منجر به تولید مبدل های موثر تر خواهد شد.

 

گردآورنده :مهندس علی عبدالهی (مشهد مقدس ۱۳۸۸)