نانوتکنولوژی وصنعت خودرو

 

 

 بررسی جایگاه نانوتکنولوژی در صنعت خودرو 

 

.

نانوتکنولوژی و صنعت خودرو

صنعت خودرو از بزرگ‌ترین صنایع جهان و در کشور ما نیز از اهمیت خاصی برخوردار است، بنابراین توجه به فناوری‌های جدید نظیر نانوتکنولوژی، در این صنعت، ضروری است.

نانوتکنولوژی به عنوان انقلاب صنعتی قرن آینده، تأثیر فراوانی بر صنایع گوناگون خواهد داشت. یکی از چشم‌اندازهای امیدوارکننده این فناوری پیشرفته، تحول در صنعت خودروسازی می‌باشد.

یکی از اصلی‌ترین موضوعات نانوتکنولوژی، ساخت مواد با خواص جدید است. این مواد ارزش افزوده بسیار بالا و کارایی بالاتری در تمام صنایع خواهند داشت و صنعت خودرو نیز از آن مستثنی نیست.

ساخت بدنه‌های سبک‌تر و مقاوم‌تر برای خودرو، ساخت لاستیک‌هایی با مقاومت سایشی بهتر، ساخت قطعات موتور با عمر چندبرابر، کاهش مصرف سوخت خودرو، ساخت باتری‌هایی با انرژی بالا و دوام بیشتر، نانوساختارهایی مبتنی‌بر کربن به عنوان سوپر اسفنج هیدروژنی در خودروهای پیل‌سوختی، ساخت حسگرهای چند منظوره برای کنترل فرایندهای مختلف در خودرو، ساخت کاتالیزورهای اگزوز خودرو برای کاهش آلودگی هوا، لایه‌های محکم با خصوصیات ویژه‌ای نظیر الکتروکرومیک (رنگ‌پذیری الکتریکی) یا خودپاک‌کنندگی برای استفاده در شیشه‌ها و آینه‌های خودرو، سازگار کردن خودرو با محیط زیست و بسیاری از موارد دیگر از جمله کاربردهای نانوتکنولوژی در صنعت خودرو می‌باشد. همچنین جایگزینی کربن سیاه (Carbon Black) تایرها با ذرات رس و پلیمرهای نانومتری، فناوری جدیدی است که تایرهای سازگار با محیط‌زیست و مقاوم در برابر ساییدگی را به ارمغان می‌آورد.

تأثیر مثبت نانوتکنولوژی در افزایش کارایی موتورهای احتراق داخلی، حائز اهمیت است. این موتورها حدود 15درصد از انرژی ذخیره شده در بنزین را به نیروی محرکه تبدیل کنند. از دیگر سو وزن متوسط خودروهای امروزی، حدود 1500 کیلوگرم است. با استفاده از نانوتکنولوژی می‌توان بازده را تا 5 برابر افزایش و وزن وسایل نقلیه را 10 برابر کاهش داد. وسایل نقلیه با استفاده از فناوری نانو 50درصد بهبود کارایی خواهند داشت.

کل درآمد صنایع خودروسازی از یک تریلیون دلار فراتر می‌رود (مثلاً فروش شرکت جنرال‌موتورز که حدود 1/15درصد از بازار 2001 را در دست داشت، 3/177 میلیارد دلار بود).

الگوهای خرید وسایل نقلیه جدید، تابع اقتصاد جهانی است. در شرایط رکود فعلی، عواملی اقتصادی نظیر مصرف اندک سوخت و سوخت‌های جایگزین اهمیت فزاینده‌ای دارد. تولیدکنندگان خودرو و صنعت حمل و نقل با افزایش میزان تولید در سطح جهانی و کاهش سود و قدرت تصمیم‌گیری خریداران، بیش از همیشه خواهان اصلاحاتی در محصول و فرایند تولید هستند.

خصوصیات ویژه صنعت خودرو، آن را به بازاری مستعد برای ورود نانوتکنولوژی تبدیل کرده است. این بازار بسیار بزرگ است و با پیشرفت زمان، قابلیت مناسبی برای توسعه و ایجاد محصولات جدید دارد.

صنعت خودرو از سویی در معرض فشارهای ناشی از قیمت سوخت و مسائل ایمنی می‌باشد و از سوی دیگر به شدت تحت تأثیر سلایق و تنوع درخواست‌های مشتریان برای مدل‌های جدید خودرو می‌باشد. تمایل ورود فناوری‌های نوین در صنعت خودرو، زیاد است. خودرو نظیر البسه برای بسیاری از افراد صرفاً کالای ضروری نیست بلکه وسیله‌ای برای ابراز شأن، منزلت و سبک زندگی به شمار می‌رود. صنعت خودرو به دلایلی که ذکر شد از صنایعی است که آماده ورود فناوری‌های نوین و نوگرایی در آنها مطرح است. برای مثال پوشش‌های پنجره الکتروکرومیک، می‌توانند به صورت دلخواه یا خودکار شیشه‌ها را تیره کنند. این یکی از کاربردهای بالقوه نانوتکنولوژی است که احتمالاً پیش از نفوذ به دیگر بازارها همچون صنعت ساختمان در ساخت خودروهای پیشرفته جایگاه خاصی دارد.

کاربردهای نانوتکنولوژی در صنعت خودرو

نانوتکنولوژی کاربردهای بسیاری در صنعت خودرو دارد که در اینجا به چند دسته از آن اشاره می‌شود:

مواد ساختاری و پوشش‌ها

نانوکامپوزیت‌ها در صنعت‏خودرو، اهمیت زیادی دارند و صنعت حمل و نقل، اصلی‌ترین نانوکامپوزیت‌ها می‌باشد.

الف- نانوکامپوزیت‌های پلیمری

نیاز روزافزون به سوخت در عرصه حمل و نقل، تقاضا برای استفاده از مواد جدید سبک‌وزن مانند پلاستیک را که بتواند جایگزین فلز شود، افزایش داده است. جنس مرغوب این پلاستیک‌ها، گران‌قیمت است. نانوکامپوزیت‌ها، دسته جدیدی از مواد هستند که شامل پلیمرهای قدیمی تقویت شده با ذرات نانومتری می‌باشند. نانوکامپوزیت‌ها دسته‌ای از پلاستیک‌های انباشته از مواد معدنی هستند که شامل مقدار کمی (کمتر از 10درصد) از ذرات ریز نانومقیاس (اغلب خاک رس)[1] می‌باشند. این مواد به آسانی به صورت اکسترود یا قالب به شکل نهایی در می‌آیند، اما دارای همان استحکام و قدرت فلز هستند و از آن سبک‌ترند.

 

 

شرکت تویوتا در اوایل سال 1990، از نانوکامپوزیت‌ها برای پوشش کمربند ایمنی خودرو استفاده کرد. شرکت میتسوبیشی نیز از نانوکامپوزیت‌ها برای قسمت‌های روکش موتور استفاده کرد. پس از آن شرکت‌های جنرال‌موتورز، فورد و ولوو نیز فعالیت خود را در این زمینه آغاز کردند.

تقاضای نانوکامپوزیت‌ها برای دهه آینده، حدود 1 میلیارد پوند خواهد بود در حال حاضر بازار جهانی نانوکامپوزیت‌ها حدود 3 میلیون پوند در سال است و 2 میلیون پوند آن نایلون تقویت شده برای ذرات نانومقیاس خاک‌رس می‌باشد که برای خودرو و صنایع بسته‌بندی استفاده می‌شود و محصول شرکت‌های Ube و Unitika در ژاپن است. یک میلیون پوند دیگر آلیاژ PPO/nylon است که از نانو لوله‌های کربن پر شده و در امریکای شمالی برای بدنه خودرو ساخته شده است.

بازار نانوکامپوزیت‌ها در سال 2009 به 2/1 میلیارد پوند خواهد رسید و از این مقدار، 1 میلیارد پوند متعلق به ترکیبات تقویت شده توسط نانوذرات خاک‌رس است. 160 میلیون پوند به محصولاتی اختصاص دارد که از نانولوله‌های کربنی پر شده است.

نانوکامپوزیت‌هایی که کمتر از 5درصد وزن خود از پرکننده‌های معدنی یا نانولوله کربنی تشکیل می‌شوند ساختار منحصر به‌فردی دارند.

یکی از ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌ها، شفافیت آنهاست. اندازه نانوذراتی که در این کامپوزیت‌ها دیسپرس می‌شوند کوچکتر از طول موج نور مرئی است پلیمرهای تقویت شده، شفاف باقی می‌مانند. این ویژگی آنها را بسیار کارا می‌کند.

ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌ها عبارتند از:

  • استحکام و سختی زیاد تا اندازه‌ای که با فلزات برابری می‌کنند اما با وزن کمتر
  • قابلیت پیشگیری از نشت گاز و مایعات
  • درجه اعوجاج گرمایی (HDT)[2] بالا
  • رسانایی الکتریکی
  • خاصیت ضد احتراقی (آتشگیر بودن پلاستیک‌ها)
  • پایداری ابعادی
  • قابلیت بازیافت
  • مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی، حرارت و...

نایلون 6، اولین پلیمری بود که شرکت تویوتا از آن برای توسعه نانوکامپوزیت‌ها استفاده کرد. امروزه از آن در ترکیبات مختلف نظیر: PP[3]، PET[4]، PVC[5]، آکریلیک و گروهی از الاستومرها مشابه ترموست‌های معمول، استفاده می‌شود.

در سال 1999 بیش از 70 شرکت، آژانس‌های دولتی و انستیتوهای علمی شناسایی شدند که در زمینه نانوکامپوزیت‌ها، تحقیق و توسعه داشتند. در حال حاضر، تعدادی اندکی از این فعالیت‌ها تجاری شده‌اند و از آن جمله می‌توان به تعدادی از تهیه‌کنندگان پرکننده‌های نانویی نظیر ذرات رس نانولوله‌های کربنی و شرکت‌هایی اشاره کرد که مواد نانوکامپوزیتی عرضه کرده‌اند. (شرکت‌های Unitika, Ube, RTP, Bayer).

در 10 سال آینده، ساخت نانوکامپوزیت‌های مبتنی‌بر خاک رس با استفاده از 20 پلیمر به صورت تجاری درمی‌آید. این نوع کامپوزیت‌ها به‌تازگی دو کاربرد تجاری پیدا کرده‌اند:

1.       در ترکیبات زیرین کاپوت خودرو (Under hood)

2.       در بسته‌بندی‌های مواد غذایی

نانوکامپوزیت‌ها از گروه وسیعی از پلیمرها، تشکیل شده‌اند(جدول 1). نانوذرات مصرفی در این ترکیبات، خاک‌رس است.

این ذرات، توسط شرکت Southern Clay Products و Nanocor تهیه می‌شوند. نانومواد جدیدی نیز در این نانوکامپوزیت‌ها استفاده می‌شود و کارایی آنها را افزایش می‌دهد، از جمله این نانومواد می‌توان به نانوساختارهای اکسید سیلیسیوم (Silica)، نانولوله‌های کربنی و نانوفیبرهای سرامیکی اشاره کرد.

استفاده از نانوکامپوزیت‌های PP و TPO در قسمت آبکاری بدنه خارجی خودرو در آینده نزدیک، آغاز خواهد شد. داده‌های Nanocor رشد 98درصدی از لحاظ استحکام و افزایش درجه اعوجاج گرمایی به میزان 52درجه فارنهایت را برای Nano PP نشان می‌دهد. در سال 2004، 30درصد از Nano PP در خودرو، استفاده خواهد شد.

نانوکامپوزیت‌ها مانع از انتشار بنزین، متانول و سایر حلال‌های ارگانیکی می‌شوند. شرکت Ube امریکا در حال توسعه نانوکامپوزیت‌هایی برای پیشگیری از نشت این مواد، در سیستم‌های سوختی خودرو می‌باشد (حدود 5درصد از نانوذرات رس را در مخلوط نایلون 6 و 66/6 به کار برده است). نایلون 6 با 2درصد نانوذرات رس، پنج برابر بیشتر از نایلون 6 معمولی در برابر نشت (نفوذ) بنزین مقاومت می‌کند.

تغییر انقلابی دیگر در استفاده از کامپوزیت‌ها در خودرو، ورود کامپوزیت‌های مبتنی‌بر نانولوله‌های کربنی خواهد بود که قدرتی بسیار بیشتر از نانوکامپوزیت‌های سیلیکاتی داشته باشند.

پیش‌بینی می‌شود که دسته‌های کم قطر نانولوله‌های تک لایه کربنی، بیشترین نسبت استحکام به وزن را نشان دهند و استحکام آنها یکصد برابر استحکام فولاد باشد اما وزنی معادل یک ششم وزن فولاد، داشته باشد. با توسعه این مواد، فرصت‌های ارزشمندی برای کاهش وزن خودروها و میزان سوخت مصرفی فراهم می‌شود.

خاصیت مهمی که برای نانولوله‌های کربنی ذکر شده است رسانایی الکتریکی آنهاست.

با توجه به این ویژگی و کاربرد آنها در بدنه خودرو و سایر قسمت‌ها می‌توان از روش رنگ الکترواستاتیکی برای رنگ کردن خودرو استفاده کرد.

ب- نانوکامپوزیت‌های فلزی

استفاده از نانوبلورهای فلزی به صورت ترکیبات ساختاری حجیم (Bulk) در صنعت خودرو مزایای فراوانی دارد و استفاده از نانوبلورهای فلزی در بدنه خودروها با نانوکامپوزیت‌های جدید، رقابت مطلوبی دارد. نانوبلورهای فولاد، مزایای زیادی در ارتقای درجه استحکام ایجاد می‌کنند و شرکت تویوتا از آنها در خودروهای خود استفاده می‌کند.

نانوبلورهای فولاد نسبت استحکام به وزن را به نحو قابل ملاحظه‌ای بهبود می‌دهند. این مسئله از افول صنعت فولاد و جایگزینی آن توسط کامپوزیت‌های پلیمری پیشگیری می‌کند. نانوبلورهای فلزی در قسمت‏های مختلف خودرو نظیر موتور باعث استحکام و سختی می‌شوند.

سرامیک ها از لحاظ سختی، رقیب این مواد هستند، اما بسیار شکننده‌اند. نانوبلورهای سرامیکی بسیار با دوامند و قادرند ترکیباتی را که نیاز به سختی، مقاومت فرسایش و اعوجاج گرمایی بالا دارند، ارتقا دهند.

افزودن نانوذرات اکسید آلومینیم به آلومینیم باعث می‌شود که مقاومت آن در برابر ساییدگی همانند بهترین یاتاقان‌های فولادی باشد.

ج- رنگ و پوشش

/ 0 نظر / 106 بازدید