تکنولوژی نانو در صنعت خودرو

بیشترین کوشش سازندگان برای کاهش مصرف سوخت و آلودگی، استفاده از مواد سبک برای کاهش وزن خودرو است. اغلب سازندگان به جایگزینی بلوک سیلندرهای چدنی با چگالی ۸/۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب با بلوک سیلندرهای آلومینیم/ سیلسیم با چگالی ۷۹/۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب روی آورده‌اند. در این مورد، اغلب از آلیاژهای پایه آلومینیم و کامپوزیت‌های زمینه فلزی مانند A۳۶۰AL, A۳۹۰AL, A۳۵۶AL, A۳۱۹AL استفاده می‌شود، گرچه استفاده مستقیم از این آلیاژها در سیلندر، به دلیل مقاومت پایین در برابر خوردگی و جوش خوردگی موضعی بین سطوح آن، ممکن نیست. به همین دلیل، با توجه به مقاومت بالاتر چدن‌ها در برابر خوردگی، می‌توان از بوش سیلندرهای چدنی استفاده کرد که منجر به بزرگ شدن ابعاد سیلندر و سنگین شدن آن می‌شود.
● نقش پوشش‌ها در افزایش کارایی موتور
بعلاوه، اصطکاک‌های مکانیکی، مورد دیگری است که به توجه بیشتر نیاز دارد. سیستم پیستون، اصلی‌ترین تولیدکننده اصطکاک در موتور است.
سهم عمده مصرف سوخت از طریق تخریب سیلندر و ضعیف بودن سیستم آب‌بندی پیستون و رینگ پیستون به وجود می‌آید. زمانی که آلومینیم تحت تنش‌های سطحی قرار می‌گیرد، سایش نرم آن به سایش سخت تبدیل می‌شود، اما هنگامی که از ذرات تقویت‌کننده استفاده کنیم، این انتقال تا زمان رسیدن تنش به آستانه بحرانی، صورت نمی‌گیرد که لازمه آن شرایط زیر است:
۱) زمانی که احتراق شروع می‌شود و روغن‌کاری روی سطوح کامل انجام نشده
۲) تخریب سیلندر
با توجه به مطالب ارائه شده، برای بهبود خواص مربوط به سایش آلیاژهای آلومینیم و سیلندرهای ساخته شده با آن، از تکنیک‌های متعددی استفاده می‌کنیم. این تکنیک‌ها می‌توانند پوشش‌های جدید کامپوزیتی و یا پوشش‌هایی یکپارچه را داخل سیلندر ایجاد کنند. تعدادی از روش‌های مرسوم عبارتند از: پوشش‌های پلاسما اسپری (APS)ا۲، پوشش‌های (HVOF)ا۳ و غیره.
● نقش پوشش‌‌ها در افزایش کارایی موتور
در مورد موتور خودرو، با حذف نیاز سیلندر به بوش، در کنار کاهش ابعاد پیستون به‌طور مستقیم، حدود ۱ کیلوگرم کاهش وزن خواهیم داشت. این در حالی است که ابعاد کلی موتور نیز کاهش می‌یابد. کاهش حتی ۱ کیلوگرم از وزن خودرو، تأثیر زیادی در مصرف سوخت خواهد داشت. برای نمونه، در یک خودرو با وزن تقریبی ۱۱۰۰ کیلوگرم اگر کاهش وزنی حدود ۱۱۰ کیلوگرم داشته باشیم، در حدود ۷ درصد کاهش مصرف سوخت خواهیم داشت.
کاهش وزن خودرو، عامل مهمی در افزایش عمر موتور است. تکنولوژی‌ها و مواد جدید ما را در رسیدن به این هدف، یاری می‌کنند. با استفاده از مواد نانو، به اهداف بزرگتری خواهیم رسید. در سال‌های اخیر رویکرد زیادی به مواد نانومتری شده و این به دلیل خواص برجسته آنها در مقایسه با مواد میکرونی است.
چگالی عیوب در مواد نانو، بسیار زیاد است، اما به اندازه مواد «آمورف» نیست. مطابق شکل زیر و رابطه Hall- Petch (سختی برای مواد پلی کریستال با قطر میانگین) d و Hd(سختی تک کریستال، Ho+kd-۱/۲) با کاهش اندازه دانه، سختی و شارش تنش افزایش می‌یابد. هر چند در مواردی که اندازه دانه بسیار کوچک است (حدود ۱۰۰ نانومتر) مکانیزم تغییر شکل از لغزش نابجایی به لغزش مرز دانه تغییر می‌کند که در هر دو مورد، با افزایش پلاسیته روبه‌رو خواهیم بود.
اگر اندازه دانه باز هم کوچکتر شود، تقریباً به سمت آمورنی شدن می‌رود و مواد، رفتار Visco- Elastic از خود نشان می‌دهند. این ویژگی‌ها ما را به خواص ماکزیمم سختی، شارش، تنش، چقرمگی، انعطاف‌پذیری عایق حرارتی (چون هدایت مواد نانومتری بسیار کمتر از مواد فلزی معمول مانند AL با فنون‌های پراکنده و دارای چگالی عیوب بالاست) می‌رساند.
● تولید پوشش‌های نانوساختاری
اسپری حرارتی پوشش‌های نانوساختاری، باعث پیدایش روشی متحول کننده به منظور بهره‌گیری از خواص مکانیکی و فیزیکی مواد نانوساختاری (مثل سختی، قدرت و مقاومت در برابر خوردگی) می‌شود. در حالتی که اندازه دانه‌های یک ماده در مقیاس اتمی باشد، تعداد اتم‌های موجود در مرزهای دانه، در مقیاس با تعداد اتم‌های درون دانه، بسیار بالاست. به این ترتیب، با افزایش سطح ویژه مرز دانه‌ها میزان ناخالصی بر واحد مرز دانه‌ها، در مقیاس با موادی که دارای همان مقدار ناخالصی بوده اما دانه‌های درشت‌تری دارند، کاهش می‌یابد. این خالص‌سازی مرز دانه‌ها و البته به مورفولوژی خوردگی یکسان‌تر و مقاومت به خوردگی درون دانه‌ای بالاتر، نسبت به مواد دانه درشت است.
نتایج تحقیقات نشان می‌دهند که این دانه‌ها نه تنها ذاتاً پایداری حرارتی دارند (هوانگ و همکاران، ۱۹۹۶) بلکه حرکت موضعی آنها بسیار پایین است. این امر موجب سختی بسیار بالا و در برخی موارد سفتی بسیار بالا در این مواد می‌شود. دیگر مزیت ابعاد نانومتری دانه‌ها در روکش‌ها، کاهش تنش پسماند در روکش است که ساخت پوشش‌هایی با ضخامت چهار برابر مقدار قابل دسترس در مواد معمولی را امکان‌پذیر می‌سازد.
مقایسه بین خواص پوشش‌های نانوساختاری و انواع معمولی، میزان سختی میکروی انواع نانو ساختاری را بسته به ترکیب گاز و روش تولید، بین ۱۶ تا ۶۳ درصد بیشتر از انواع معمولی نشان داده است.