شکل دادن به فلزات در مقیاس نانو

آینده نگاری ها نشان می دهند که علوم مختلف در ده تا پانزده سال آینده زیر چتر نانو قرار می گیرند در واقع, فناوری نانو رشته های گوناگون علمی و فنی را به یکدیگر نزدیک می کند یکی از این رشته ها مهندسی مکانیک است

● مقدمه

آینده‌نگاری‌ها نشان می‌دهند که علوم مختلف در ده تا پانزده سال آینده زیر چتر نانو قرار می‌گیرند. در واقع، فناوری نانو رشته‌های گوناگون علمی و فنی را به یکدیگر نزدیک می‌کند. یکی از این رشته‌ها مهندسی مکانیک است.

امروزه کمتر زمینهٔ تولیدی و پژوهشی یافت می‌شود که از مهندسی مکانیک بی‌نیاز باشد. زمینه‌هایی نظیر خودروسازی، هواپیماسازی، رُباتیک، آبرسانی، پالایشگاه‌های نفت و گاز، هوش مصنوعی، بیومکانیک و بسیاری دیگر از این فنون و صنایع، با مهندسی مکانیک درآمیخته‌اند. در دنیای مکانیک، فرایند «شکل‌دهی» جایگاه ویژه‌ای دارد. به عنوان مثال، قطعات مختلفِ خودروهای سواری با روش‌های مختلفِ شکل‌دهی مانند کشش، خمش و... ساخته شده‌اند. با استفاده از فناوری نانو می‌توان بر کیفیت شکل‌دهی افزود و محصولات باکیفیت‌‌تری تولید کرد. این محصولات جدید یک ویژگیِ عمده دارند که همانا یکدستی در تمام محصولات است.

در مجموعهٔ مقالاتی که ارائه خواهد شد، به موضوع شکل‌دهی در مقیاس نانو خواهیم پرداخت.

● مفاهیم و موضوعات

در این مجموعه مقالات، عناوین مختلفی مورد بحث قرار می‌گیرند، مناسب است که در شروع کار، اولویت‌ها و عناوین مورد بحث را با هم مرور کنیم تا به چشم‌اندازی از مسیر و هدف نهایی برسیم. البته ممکن است در ابتدا با مفاهیمی روبه‌رو شوید که قدری ناآشنا هستند، اما سعی شده است تا حد ممکن مطالب ساده بیان شوند و با کمک مثال‌ها و تصاویر مختلف درک آنها سریع‌تر و بهتر صورت گیرد.

● شکل‌دهی و مفاهیم مرتبط با آن؛

مایکروشکل‌دهی به عنوان فرایندی صنعتی که در نزدیکترین مقیاس به حوزهٔ نانو صورت می‌گیرد؛

نانوشکل‌دهی.

اگر با این سلسله مقالات همراه شوید، در انتها پاسخ این سؤال اساسی را درخواهید یافت: نانوشکل‌دهی چیست؟

▪ شکل‌دهی

در طول روز با محصولات بسیاری روبه‌رو می‌شوید که با تغییر شکل ایجاد شده‌اند. وقتی این تغییر با کشیدن ورق فلزی ایجاد شود، به آن «کشش» می‌گویند؛ وقتی تغییر شکل با خم نمودن صورت بگیرد، «خمش» نامیده می‌شود، و البته در بسیاری از فرایندها از هر دو روش به طور همزمان استفاده می‌شود، مثلاً در تولید بدنهٔ خودروهای سواری.

عملیات‌ شکل‌دهی‌ فلزات‌ بسیار متنوع‌ است. ما در ابتدا به دو نمونهٔ ساده اشاره کردیم، اما هدف‌ اصلی‌ از انجام‌ همهٔ‌ آنها ایجاد تغییر شکل‌ مطلوب‌ است‌. در شکل‌ دادن‌ به فلزات،‌ نیروهای لازم برای شکل‌دهی و خواصّ مادهٔ تحت شکل‌دهی از اهمیت زیادی برخوردارند، زیرا باید از ابتدا بدانیم چه مقدار نیرو باید در چه جهتی وارد شود تا مثلاً یک کابل فلزی با روش کشش تولید گردد. شاید در فیزیک به تعریف نیرو دقت کرده باشید. حتماً به یاد دارید که جهت و مقدار از نکات اصلی آن هستند. از طرف دیگر باید بدانیم جنس مادهٔ تحت شکل‌دهی چیست تا بر اساس خواص آن نیروی لازم را وارد سازیم. مثلاً بین آلمینیوم، فولاد، مس یا چوب تفاوت‌های زیادی وجود دارد و اگر از آنها در جای مناسب استفاده نکنیم، هرگز به هدف مورد نظر نمی‌رسیم.

دو رشتهٔ‌ مهندسی‌ که‌ به ‌طور مستقیم‌ به موضوع شکل‌ دادن‌ فلزات‌ می‌پردازند، عبارتند از مکانیک‌ و متالورژی‌.

● شکل‌پذیری‌

یکی‌ از نگرانی‌های‌ مهم‌ در شکل‌ دادن‌ آن‌ است‌ که‌ آیا می‌توان‌ بدون‌ خراب‌ شدن‌ فلز، شکل‌ مطلوبی به‌ آن‌ بخشید یا نه‌؟ در فرایندی‌ مفروض‌ از تغییر شکل‌ معیّن‌، محدودیت‌های‌ شکل‌ دادن‌، از ماده‌ای‌ به‌ مادهٔ دیگر تغییر می‌کند.

حتماً مقاطع فلزی را که در ساختمان‌سازی به کار گرفته می‌شوند دیده‌اید. برای تولید این مقاطع، فرایند تغییر شکل شامل تبدیل آهن خام به مقاطع مستطیلی یا لانه زنبوری است. هندسهٔ تغییر شکل، آخرین وضعیتی است که از ابتدا به دنبال آن بوده‌ایم؛ یعنی مقطع فلزی مستطیلی یا لانه‌زنبوری .

بهتر است پیش از پرداختن به تعاریف مرتبط با شکل‌دهی و فرایندهای وابسته به آن، به مواد مهندسی و خواص آنها بپردازیم.

● مواد مهندسی‌ و مصالح‌ صنعتی‌

ادوار زندگی‌ بشر را با توجه‌ به‌ عناصر و موادی‌ که‌ در آن‌ اعصار کشف‌ شده‌اند‌، تقسیم‌بندی‌ کرده‌‌اند. در هر دوره‌، محدوده‌ و تنوع‌ این‌ یافته‌ها افزایش‌ یافت‌ و در نهایت،‌ مهمترین‌ و مفیدترین‌ یافتهٔ‌ بشر در آن‌ دوره‌، نام‌ آن‌ عصر را به ‌خود گرفت: عصر حجر، عصر برنز، عصر آهن‌... در حال‌ حاضر، بعد از اینکه‌ مواد پلاستیک‌ و کامپوزیت‌ها (مواد مرکب از چند مادهٔ مختلف که به آنها «چندسازه» می‌گویند) به وجود آمد، در «عصر مواد کامپوزیتی» ‌ هستیم‌ و با تحولات‌ سریع‌ فناوری‌ انتظار می‌رود که‌ در آینده‌ای‌ نه‌چندان‌ دور به‌ «عصر مواد هوشمند» وارد شویم؛ عصری که اکنون در گام‌های آغازین ورود به آن هستیم.

در استفاده از مواد مورد نیاز برای ساخت‌ دستگاه‌ها، ابزارآلات‌ و محصولات‌ صنعتی‌ و غیرصنعتی،‌ ‌باید خواص‌ مورد نیاز هر محصول‌ یا دستگاه‌ توسط‌ مادهٔ آن‌ تأمین‌ شود، زیرا ماده، خوراک اولیه برای شروع کار است؛ مانند سوخت خودرو که باید از ویژگی‌های خاصی برخوردار باشد، وگرنه ماشین دچار مشکلات فراوان می‌شود.

خواص مواد بسیارند. مانند خواص مکانیکی، فیزیکی، سطحی، تولیدی و زیبایی‌شناسانه. به عنوان مثال، خواص فیزیکی مربوط به ویژگی‌های ذاتی ماده مثل مقاومت الکتریکی و حرارتی و خواص مغناطیسی است و از ماده‌ای به مادهٔ دیگر فرق می‌کند و مثلاً مس یا آلمینیوم هادی خوبی برای الکتریسیته و حرارت به شمار می‌روند.

خواص مکانیکی نیز به جنس ماده وابسته‌اند. اینکه هر ماده چقدر در مقابل نیروی واردشده مقاومت می‌کند یا اینکه چقدر باید بر هر ماده نیرو وارد کرد تا از هم گسیخته نشود، به خواص مکانیکی آن مربوط می‌شود.

مواد و مصالح‌ صنعتی‌ به‌طور کلی‌ به‌ دو دسته‌ تقسیم‌بندی‌ می‌شوند:

(۱) فلزات‌ و آلیاژهای‌ فلزی،‌ و

(۲) مواد غیرفلزی.‌

۱) فلزات‌ و آلیاژهای‌ فلزی‌

فلزات‌ و آلیاژهای‌ فلزی‌ جزء پُرمصرف‌ترین‌ موادی‌ به شمار می‌روند که‌ در صنعت‌ کاربرد دارند. این‌ مواد به‌ علت خواص ‌متنوعشان، در بخش‌های‌ مختلف‌ صنعت‌ به‌ کار می‌روند. فلزات‌ از مواد معدنی‌ استخراج‌ می‌شوند و از عناصر فلزی‌ نظیر آهن‌، آلمینیوم‌ و مس‌ تشکیل می‌گردند.

ویژگی‌هایی نظیر مقاومت‌، قابلیت‌ شکل‌پذیری‌، قابلیت‌ جوشکاری‌، قابلیت‌ رسانایی‌ الکتریکی‌ و حرارتی‌ که‌ در حد بسیار بالایی‌ در فلزات‌ و آلیاژهای‌ فلزی‌ قابل‌ دسترسی‌اند، جایگاه‌ ویژه‌ای‌ به‌ این‌ مواد در صنعت‌ داده‌ است‌.

البته‌ فلزات‌ مختلف‌ دارای‌ خواص‌ یکسانی‌ نیستند و همین‌ امر سبب‌ شده‌ است که‌ هر فلز کارآیی‌ خاصی‌ داشته‌ باشد. از جمله‌ مهمترین‌ عناصر فلزی‌ که‌ در صنعت‌ مورد استفاده‌ قرار می‌گیرند (بر حسب‌ اهمیت)‌ عبارتند از: آهن‌ و آلیاژهای‌ آن‌ نظیر فولاد و چدن‌ و نیز آلمینیوم‌، مس‌، برنج‌، و برنز.

از آنجا که بخش‌ عمدهٔ کاربرد فلزات‌ و آلیاژهای‌ فلزی‌ از آهن‌ و آلیاژهای‌ آن‌ است، گروه‌ فلزات‌ را به‌ دو زیرگروه‌ تقسیم‌ می‌کنند:

الف‌) فلز آهن‌ و آلیاژهای‌ آهنی‌ (Ferrous & Alloys)

ب‌) فلزات‌ غیرآهنی‌ و آلیاژهای‌ آنها (Nonferrous & Alloys)

۲) مواد غیرفلزی

مواد غیرفلزی‌ به‌ علت‌ طبیعت‌، خواص‌، مزایا و ویژگی‌های‌ خاص‌ خود، همواره‌ مورد توجه‌ در ساخت‌ و تولید اجزای ماشین‌ بوده‌اند. صنعتگران‌‌ بر اساس‌ تجربه،‌ انواع‌ مختلف‌ چوب‌، پلاستیک‌ها و سرامیک‌ها را در اجزای مختلف‌ ماشین‌، با هدف‌ حذف‌ فلز و سبک‌سازی‌ آن مورد استفاده‌ قرار می‌دهند تا در نهایت انرژی کمتری مصرف شود و هزینهٔ تولید محصول کاهش یابد. به ‌طور کلی، ‌مواد غیرفلزی‌‌ شامل‌ این مواردند:

الف‌ ) پلاستیک‌‌ها

ب‌ ) الاستومرها

ج‌) سرامیک‌‌ها

د ) مواد مرکب‌ (کامپوزیت‌ها)

پلاستیک‌‌ها گروهی‌ از موادند که‌ مولکول‌های‌ بزرگ دارند و از اتصال ‌مولکول‌های‌ کوچک‌ حاصل‌ می‌شوند.

▪ ویژگی‌های‌ عمدهٔ‌ این‌ مواد عبارت‌اند از:

الف‌) چگالی‌ کم‌

ب‌ ) مقاومت‌ کافی‌ در برابر خوردگی‌

ج ) هزینهٔ‌ تولید پایین‌‌

از نظر‌ علم‌ شیمی‌، بیشترِ این‌ مواد، ترکیبات‌ آلی‌ و شامل‌ عناصری‌ نظیر هیدروژن‌، اکسیژن‌، کربن‌ و نیتروژن‌اند. پلیمرها دستهٔ‌ بزرگی‌ از مواد آلی‌ هستند که‌ به‌ چند گروه‌ و خانواده‌ تقسیم‌ می‌شوند. تنوع‌ این‌ مواد به‌ حدی‌ است‌ که‌ در حال‌ حاضر حدود چهار هزار نوع‌ مواد پلیمری‌ با فرمول‌های‌ مختلف‌ سنتز و ایجاد شده‌اند. از این ‌میان،‌ ۴ یا ۵ نوع‌ پلیمر بیشترین‌ استفادهٔ تجاری‌ و صنعتی‌ را دارند.

پلیمرها را می‌توان به‌ دو دستهٔ‌ عمده‌ تقسیم کرد. گروه‌ اول‌ پلاستیک‌های «گرمانَرم» (ترموپلاستیک)‌ هستند. به‌ این‌ معنا که‌ قابلیت‌ ذوب‌ مجدد و بازیابی‌ دارند و همان‌طور که از نام آنها پیداست با وارد کردن مقدار مناسبی حرارت نرم و در انتها ذوب می‌شوند. در مقابل، دستهٔ‌ دوم، ‌پلاستیک‌های‌ «گرماسخت» (ترموست)اند که‌ پس‌ از شکل‌گیری‌ِ اولیه‌ دیگر نمی‌توان‌ آنها را مورد استفادهٔ مجدد قرار داد، یعنی در مقابل حرارت و گرما بسیار مقاوم‌اند.

● خواص مکانیکی مواد

منظور از خواص‌ مکانیکی‌، واکنش مواد در برابر نیروها و بارهاست‌. عکس‌العمل‌ مواد در برابر نیروهای‌ واردشونده،‌ به‌ ساختمان‌ مولکولی‌ آن‌‌‌‌‌ها بستگی‌ دارد. آن‌ قسمت‌ از علم‌ مکانیک‌ که‌ صرفاً به‌ بررسی‌ نیروها و واکنش‌ها می‌پردازد «استاتیک‌» نامیده‌ می‌شود و بخشی از آن که‌ واکنش ماده‌ به نیروهای‌ اعمال‌شده‌ و تغییر شکل‌های‌ جزئیِ‌ ناشی این از نیروها را مورد بررسی‌ قرار گیرد، «مقاومت‌ مصالح» نام دارد.

قطعات‌ بر اثر اِعمال نیرو نباید از بین‌ بروند؛ بنابراین برای ای‌‌‌‌‌نکه مطمئن بشویم قطعه مورد نظر خواص فیزیکی لازم را دارد، باید هنگام انتخاب‌ جنس‌، شکل‌، اندازه‌ و طرز ساخت‌، محاسبه‌‌‌‌‌هایی انجام دهیم. مثلاً برای تولید رینگ‌های خودرو، باید محاسبات اولیه‌ای انجام دهیم تا شرایط مادهٔ مورد نیاز بر حسب نوع خودرو، حداکثر سرعت و حداکثر بار قابل حمل توسط آن، مشخص شود.

▪ در این‌‌‌‌‌جا به برخی‌ از اصطلاحات‌ رایج می‌پردازیم که مؤلفه‌های‌ مؤثر در بررسی‌ خواص‌ مکانیکی را توضیح می‌دهند‌.

۱) تنش - ‌ stress‌ :

عبارت‌ است‌ از «مقدار نیروی‌ وارد‌ بر واحد سطح‌». مقدار تنش‌ از تقسیم‌ نیروی‌ وارد‌ بر جسم‌ بر مساحت‌ سطح‌ مقطع‌ جسم‌ به دست‌ می‌آید. شاید فکر کنید این تعریف به مفهوم فشار در فیزیک دبیرستان خیلی نزدیک است، اما همان‌طور که دقت کرده‌اید، در این‌‌‌‌‌جا شرط عمود بودن مؤلفه‌‌‌‌‌ی نیروی وارد بر سطح، وجود ندارد.

۲) خستگی - fatigue :

گاهی در قطعه‌ای از یک ماشین کارخانه، شکستگی‌هایی به وجود می‌آید. ولی پس از بررسی مشخص می‌شود که میزان تنش وارد بر قطعه، از حد مجاز کمتر بوده. اما چرا گسیختگی ایجاد شده است؟ علت این پدیده آن است که بطور پیوسته مقدار بار معینی بر قطعه وارد می‌شود. یعنی مقدار تنش خاصی، به‌دفعات بر آن وارد شده است. به این گسیختگی‌ها، «گسیختگی خستگی» می‌گویند.

۳) کُرنش - ‌ strain:

به طور کلی، تمام‌ مواد بر‌ اثر نیرویی هرچند ناچیز، دچار تغییر شکل‌ (تغییر ابعاد) می‌شوند. به تغییر ابعاد یا اندازه‌های جسم، بر اثر تنش‌ «کُرنش»‌ می‌گویند؛ مثل فنری که به‌‌‌‌‌واسطه وارد کردن نیرو بر آن کشیده یا فشرده می شود.

تعریف‌‌‌‌‌های ذکر شده، اصلی‌ترین مفاهیمِ خواص مکانیکی‌اند. گروهی دیگر از اصطلاحات هستند که از این تعریف‌‌‌‌‌ها ناشی می‌شوند. مثلاً به مقاومت ماده در برابر تغییر شکل «استحکام» می‌گویند و یا مقاومت ماده در برابر خراشیدن، ساییدگی، بُراده‌برداری و بُرش را «سختی» می‌نامند.

● فرایندهای شکل‌دهی

پیش از آن‌‌‌‌‌که به فرایندهای شکل‌دهی بپردازیم، باید به این سؤال پاسخ دهیم که اصلاً چرا از شکل‌دهی استفاده می‌کنیم؟

از زمانی که بشر به فکر ساختن ابزار افتاد، راه‌های بسیاری را تجربه کرد. مثلاً گاهی با بُراده‌برداری از چوب، کمان ساخت تا به شکار بپردازد. زمانی قطعات چوب را بُرید یا آن‌‌‌‌‌ها را سوراخ کرد. اما در نهایت، لازم داشت از مادهٔ موجود - بدون آنکه از مقدار آن بکاهد – حداکثر استفاده را بکند. فکر اولیه‌‌‌‌‌ی شکل‌دهی از این‌‌‌‌‌جا ناشی شد. البته به مرور زمان این تعریف تغییر کرده است، بطوری‌‌‌‌‌که گاهی طول فرایند شکل‌دهی به مقدار ماده کم می‌شد.

---