تأثیر نانوذرات در افزایش طول عمر قطعات و کاهش مصرف سوخت

تصور کنید خودرویی بخرید که به مدت ۱۰ سال نیاز به تعویض روغن موتور نداشته باشد و موتور این خودرو فاقد گیج روغن برای چک کردن میزان روغن باشد همچنین اگر بتوان با استفاده از روغن مناسب, اصطکاک را در خودروها کاهش داد, مصرف سوخت نیز کاهش خواهد یافت

تصور کنید خودرویی بخرید که به مدت ۱۰ سال نیاز به تعویض روغن موتور نداشته باشد و موتور این خودرو فاقد گیج روغن برای چک کردن میزان روغن باشد. همچنین اگر بتوان با استفاده از روغن مناسب، اصطکاک را در خودروها کاهش داد، مصرف سوخت نیز کاهش خواهد یافت.

روانسازهای نانو با نام تجاری نانولوب، اولین روغن‌‌‌‌‌‌‌‌‌های مصنوعی برپایه نانوذرات غیرآلی کروی شکل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌باشند. همانند دیگر روانسازها، نقش آنها کاهش سایش و اصطکاک بین قطعات متحرک (قطعات موتور، گیربکس، اکسل و ...) افزایش عملکرد و کارایی بالاتر است. در نتیجه از مصرف انرژی و ایجاد آلودگی پیشگیری کرده و مصرف سوخت نیز به میزان قابل توجهی کاهش می‌‌‌‌‌‌‌‌‌یابد.

جست‌‌‌‌‌‌‌‌‌وجو برای یافتن یک روانساز کامل که نیازی به تعویض ندارد، خواسته‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای دیرینه است. در قرن گذشته، افزودنی‌‌‌‌‌‌‌‌‌های مصنوعی باعث افزایش کارایی روانسازهای معمولی نظیر روغن‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها شده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اند. اغلب این افزودنی‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها سمی و از نظر زیست‌‌‌‌‌‌‌‌‌محیطی خطرناکند. مزیت «نانولوب» نسبت به روانسازهای جامد موجود، در توصیف آن «نانوذرات غیرآلی کروی» مستتر است.

از جمله نانوذرات قابل استفاده در روغن‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها می‌‌‌‌‌‌‌‌‌توان به نانو «فولرین» اشاره کرد که از نام کاشف امریکایی آن F. Buckminster Fuller اقتباس شده است و گاهی هم با نام «باکی بال» معرفی می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. فولرین‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها در واقع سومین آلوتروپ اصلی کربن (به غیر از الماس و گرافیت) می‌‌‌‌‌‌‌‌‌باشند که از مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌های بزرگ کروی چنداتمی با فرمول کلی CN که معمولاً بزرگ‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر از ۶۰ می‌‌‌‌‌‌‌‌‌باشد تشکیل یافته‌‌‌‌‌‌‌‌‌اند. شناخته‌‌‌‌‌‌‌‌‌ترین نوع فولرین شکل C۶۰ آن است که از ۲۰ شش‌‌‌‌‌‌‌‌‌وجهی و ۱۲ پنج‌‌‌‌‌‌‌‌‌وجهی تشکیل شده است و شکلی شبیه به توپ فوتبال دارد.

دانشمندان فیزیکی اصطکاکی که در زمینه فرایند اصطکاک و سایش مواد تحقیق می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند از این مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌های منحصربه‌‌‌‌‌‌‌‌‌فرد به‌‌‌‌‌‌‌‌‌دلیل شکل توپ مانند آنها استفاده کرده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اند. زمانی‌‌‌‌‌‌‌‌‌که گریس حاوی این توپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها باشد در واقع اصطکاک لغزشی غیرممکن می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و در واقع اصطکاک لغزشی جای خود را به اصطکاک غلتشی خواهد داد. این بدان معناست که از ضریب اصطکاک به میزان ۱۰۰۰ برابر کاسته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. بنابراین با کاهش اصطکاک، سایش نیز کاسته شده و فرسایش مکانیزم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها متوقف خواهد شد. فولرین‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها دانسیته و سختی بالاتری نسبت به الماس دارند. یعنی مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌ C۶۰ می‌‌‌‌‌‌‌‌‌تواند در برابر نیروهای بسیار سنگین نیز تاب آورد. بنابراین روغن حاوی این مواد بسیار قوی‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر است و قطعات اصطکاکی حتی در نیروهای بسیار بالا با هم تماس پیدا نمی‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند.

یکی دیگر از موادی که به میزان قابل‌‌‌‌‌‌‌‌‌توجهی در کاهش اصطکاک قطعات کاربرد دارد «فورسان» است. فورسان، ترکیب معدنی کریستال- مایع پیچیده‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای است که نه تنها باعث بهبود چشمگیر اجزای مکانیکی ماشین‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و مکانیزم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود، بلکه با تشکیل یک پوشش سرامیک- فلز یا ضریب اصطکاک بسیار پایین و مقاومت سایشی بسیار بالا در منطقه اصطکاکی، باعث ترمیم قطعات ساییده شده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود.

اگر در زیرمیکروسکوپ به سطح ساییده شده نگاه کنیم، متوجه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شویم که این سطح از برجستگی‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و فرورفتگی‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها تشکیل شده است. بنابراین در خلال عملکرد آن مکانیزم، بخش‌‌‌‌‌‌‌‌‌های برآمده یا تیز شده روی سطح ساییده شده، باعث پاره شدن فیلم روغن می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود.

اگر پوشش «فورسان» در داخل یک نگهدارنده نظیر: روغن، گریس روان‌‌‌‌‌‌‌‌‌کننده یا ضدیخ، بین دو سطح اعمال شود، در طول عملکرد یک لایه فلز- سرامیک بر روی سطح اصطکاکی تشکیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و در کنار سطح، واحدی یکپارچه تشکیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد.

کره‌‌‌‌‌‌‌‌‌های نانولوب می‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانند مانند بلبرینگ‌‌‌‌‌‌‌‌‌های مینیاتوری بر روی هم بلغزند، خنک‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر مانده و کارآیی خود را بیشتر حفظ کنند. ابعاد نانومتری آنها باعث می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود تا بتوانند به داخل منافذ بسیار ریز، نفوذ کنند و از دسته‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای‌شدن آنها کاسته شود. در نتیجه پوشش آنها بر روی سطوح سخت به میزان قابل‌‌‌‌‌‌‌‌‌توجهی افزایش می‌‌‌‌‌‌‌‌‌یابد و در نهایت، به‌‌‌‌‌‌‌‌‌عنوان ماده‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای غیرآلی، به‌‌‌‌‌‌‌‌‌گونه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای زیبا حتی در محیط‌‌‌‌‌‌‌‌‌های نامساعد عمل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند.

نانولوب باعث افزایش روانسازی برای قطعات و سطوح زبر می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. به گونه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای که تولیدکنندگان می‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانند زمان و هزینه کمتری را صرف ماشین‌‌‌‌‌‌‌‌‌کاری قطعات خود کنند.

از جنبه محیط‌‌‌‌‌‌‌‌‌زیست، استفاده از نانولوب باعث کاهش مصرف انرژی و در نتیجه کاهش آلودگی هوا می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. نانولوب به شیوه‌‌‌‌‌‌‌‌‌های مختلف زیر استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود:

ـ افزودنی در روغن‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها

ـ افزودنی در گریس‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها

ـ ماده اشباع‌‌‌‌‌‌‌‌‌کننده در قطعات

ـ جزئی از فیلم‌‌‌‌‌‌‌‌‌های کامپوزیتی پلیمری

ـ جزئی از پوشش‌‌‌‌‌‌‌‌‌های کامپوزیتی فلزی

ـ پودر

▪ مزایای نانولوب‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها عبارتند از:

ـ کاهش اصطکاک و سایش به میزان بسیار بیشتری نسبت به روانساز‌‌‌‌‌‌‌‌‌های دیگر، بویژه در بارگذاری‌‌‌‌‌‌‌‌‌های بالا

ـ طول عمر

ـ افزایش قدرت موتور و کاهش سایش اجزای آن

ـ کاهش مصرف روغن و سوخت

ـ کاهش صدا و لرزه

ـ قابلیت کارکرد در نیروهای بالا

ـ ذخیره انرژی و کاهش آلودگی

ـ ماده دوست‌‌‌‌‌‌‌‌‌دار طبیعت

ـ حفظ دقت قطعات ماشینی

ـ کاهش هزینه آماده‌‌‌‌‌‌‌‌‌سازی قطعات به دلیل کارکرد موثر بر روی سطح زبر

ـ آسان‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر شدن استارت زدن در حالت سرد

▪ خصوصیات نانولوب عبارتند از:

ـ ابعاد نانومتری

ـ قابلیت نفوذ به داخل حفره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و درزهای بسیار ریز

ـ پیش‌‌‌‌‌‌‌‌‌گیری از تشکیل سطح

ـ امکان تهیه خود-روانسازهای اشباع

ـ از طریق غلتیدن، باعث کاهش بسیار بیشتری در اصطکاک نسبت به ترکیبات لایه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای مرسوم می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود

ـ پایداری شیمیایی به سبب نداشتن لبه‌‌‌‌‌‌‌‌‌های فعال

ـ عمر عملکرد بالا

شرکت APNANO در حال آزمون نانولوب در سیستم‌‌‌‌‌‌‌‌‌های مختلف بی‌‌‌‌‌‌‌‌‌نیاز به تعمیر و نگهداری شامل صنایع فضانوردی، پزشکی و دریایی، محیط‌‌‌‌‌‌‌‌‌های تولیدی فوق تمیز و ماشین‌‌‌‌‌‌‌‌‌آلات سنگین نظیر توربین‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها می‌‌‌‌‌‌‌‌‌باشد، اما بهترین و جالب‌‌‌‌‌‌‌‌‌ترین رویکرد برای نانولوب، امکان‌‌‌‌‌‌‌‌‌سنجی درزبندی کامل موتورهای خودرویی، بدون نیاز همیشگی به تعویض روغن می‌باشد.

با در نظر گرفتن حرارت و سایش به‌‌‌‌‌‌‌‌‌عنوان عوامل اولیه امروزی در خرابی موتور و سیستم‌‌‌‌‌‌‌‌‌های انتقالی، نقش این مواد ضدسایش پررنگ‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر خواهد شد. در برخی آزمون‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها که با نانولوب انجام شده است، آزمایشگرها قادر به ایجاد اصطکاک کافی در روانساز برای تولید آسیب قابل اندازه‌‌‌‌‌‌‌‌‌گیری، حتی با افزایش زمان کاربرد نیز نبوده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اند.

برخی نانولوب‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها را در صنعت جاافتاده روانسازها، تبی زودگذر می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دانند. طبق تحقیقات، افزودنی‌‌‌‌‌‌‌‌‌های بی‌‌‌‌‌‌‌‌‌نهایت ضدسایش فروش جهانی در حدود یک بیلیون دلاری در مقایسه با بازار ۳۷ بیلیون دلاری روانسازها داشته‌‌‌‌‌‌‌‌‌اند، اما اگر نانولوب‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها موفق شوند، بازار آنها به میزان قابل‌‌‌‌‌‌‌‌‌توجهی رشد خواهد کرد و تولیدکنندگان بزرگی نظیر: FXON mobile, Shell و Chevron Texaco به سمت توسعه تکنولوژی‌‌‌‌‌‌‌‌‌های قابل رقابت با آن خواهند رفت.

عامل مهم دیگر در جذب بازار توسط نانولوب‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها این است که روانسازهایی «سبز» هستند. با افزایش دغدغه در خصوص آلودگی‌‌‌‌‌‌‌‌‌های زیست‌‌‌‌‌‌‌‌‌محیطی، تمایل بیشتری به استفاده از مواد دوستدار محیط‌‌‌‌‌‌‌‌‌زیست وجود خواهد داشت. روانسازهای جامد متداول، ترکیباتی لایه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای از دی سولفاید مولیبدن (MoS۲) و دی‌‌‌‌‌‌‌‌‌سولفاید تانگستن (WS۲) هستند که در واقع این لایه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها با لیزخوردن بر روی یکدیگر، باعث کاهش اصطکاک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند.

لبه‌‌‌‌‌‌‌‌‌های این لایه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها از نظر شیمیایی واکنش‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهنده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اند وهمین امر، باعث تخریب و جدایش تدریجی آنها و در نتیجه چسبیدن آنها به سطح فلزات خواهد شد.

از طرفی بزرگی نسبی اندازه این صفحات مانع از ورود آنها به حفره‌‌‌‌‌‌‌‌‌های قطعات فلزی می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود، به‌‌‌‌‌‌‌‌‌همین دلیل آنها معمولاً بر روی سطحی که قرار است آن را لیز کنند می‌‌‌‌‌‌‌‌‌چسبند. این عوامل در نهایت باعث کاهش قابلیت لیزکنندگی آنها شده و در نتیجه قطعات فلزی به‌‌‌‌‌‌‌‌‌هم ساییده شده و پس از مدتی از بین می‌‌‌‌‌‌‌‌‌روند. بنابراین دستیابی به روانسازهای جامد ریزتر و پایدارتر، امری ضروری به نظر می‌‌‌‌‌‌‌‌‌رسد.

ساختار برجسته کروی تودرتوی ذرات نانولوب، ساختاری شبیه پوست پیاز را تشکیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهند و اندازه ذرات ریز آنها سبب می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود که روانسازی را با غلتیدنی شبیه به بلبرینگ‌‌‌‌‌‌‌‌‌های مینیاتوری انجام دهند. درواقع، مکانیزم روانسازی این مواد، ترکیبی از غلتیدن میلیون‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها بلبرینگ مینیاتوری و تشکیل فیلم انتقالی بسیار نازکی ‌‌‌‌‌‌‌‌‌بین سطوح در تماس است. این مکانیزم ترکیبی باعث ایجاد پدیده منحصربه‌‌‌‌‌‌‌‌‌فرد «فوق روانسازی» خواهد شد.

بررسی‌‌‌‌‌‌‌‌‌های جامع در زمینه این مواد، حاکی از آن است که نانولوب‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها نسبت به دیگر روانسازهای جامد، کاهش قابل توجهی در اصطکاک، سایش و درجه حرارت بویژه در بارگذاری‌‌‌‌‌‌‌‌‌های بالا، ایجاد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. به همین دلیل از کندگی، از کارافتادگی و لب‌پرشدن سطوح فلزی در اثر سایش کاسته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود.

نانولوب‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها می‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانند ساختاری شبیه به تیوب‌‌‌‌‌‌‌‌‌های کربنی تک‌‌‌‌‌‌‌‌‌دیواره (CSWNT)، تیوب‌‌‌‌‌‌‌‌‌های کربنی چنددیواره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای (CMWNT)، چنددیواره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای گرافیته، پیازهای نانوکربنی و تیوب‌‌‌‌‌‌‌‌‌های کربنی تک‌‌‌‌‌‌‌‌‌دیواره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای فلورینه شده داشته باشند و به‌‌‌‌‌‌‌‌‌صورت افزودنی به روانسازهای مایع و گریس‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها، پوشش فلزی کامپوزیتی، فیلم پلیمری کامپوزیتی یا حتی به تنهایی به صورت پودر مورد استفاده قرار گیرند.

نانولوب‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها با وارد شدن به درزها و حفرات سطوح و پخش آهسته آنها در هنگام عملکرد، به‌‌‌‌‌‌‌‌‌خوبی بر روی سطوح نسبتاً زبر عمل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. درواقع سطوح قطعات ماشین‌کاری شده نیازی به عملیات تکمیلی برای صاف کردن و صیقل شدن نخواهند داشت. تا پیش از این، به منظور کاهش اصطکاک لازم بود که سطوح قطعات متحرک در حال تماس، مانند قطعات موتور، با ماشین‌‌‌‌‌‌‌‌‌کاری و عملیات مختلف تا سرحد امکان صاف و صیقلی شود.

در حال حاضر شرکت نیسان از تکنولوژی اصطکاک بسیار پایین ذرات نانو برای کاهش اصطکاک بین قطعات موتور، استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. در این سیستم، فیلمی نانومتری از روغن حاوی افزودنی‌‌‌‌‌‌‌‌‌های با اصطکاک پایین به کربن بدون هیدروژن (DLC) که شبیه الماس است جذب می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود.

درواقع کربن شبیه الماس (DLC) فیلم سختی است که از کربنی با خواص شبیه الماس ساخته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و دارای مقاومت سایشی بسیار بالا و ضریب اصطکاکی بسیار پایین است. به دلیل اصطکاک بین صدها قطعه در یک موتور، انرژی به میزان زیادی اتلاف می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود، اما با استفاده از فناوری نانو، اصطکاک به میزان ۴۰ درصد نسبت به موتورهای معمولی کاسته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود.

در حال حاضر می‌‌‌‌‌‌‌‌‌توان اصطکاک کلی موتور را با اعمال این تکنولوژی بر روی قطعات موتور ، به میزان ۲۵ درصد کاهش داد.

● نتیجه‌‌‌‌‌‌‌‌‌گیری

با توجه به اینکه قطعات موتور، حساس‌‌‌‌‌‌‌‌‌ترین و مهم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ترین قطعات خودرو به شمار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌روند، افزایش کارآیی و طول عمر آنها امری ضروری به نظر می‌‌‌‌‌‌‌‌‌رسد. به منظور دستیابی به این هدف باید از ساییده شدن این اجزا، پیشگیری شود. از دیگرسو، هر چه نیروهای اصطکاکی و بازدارنده در بین قطعات موتور کاهش یابد، به مراتب نیروهای اتلافی کمتر شده و راندمان موتور افزایش می‌‌‌‌‌‌‌‌‌یابد. یکی ازمهم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ترین مزایای این امر، کاهش قابل توجه مصرف سوخت است که می‌‌‌‌‌‌‌‌‌تواند، گامی بسیار موثر در برخورد با مشکلات امروزی سوخت و جیره‌‌‌‌‌‌‌‌‌بندی بنزین باشد.

استفاده از نانوتکنولوژی و افزودنی‌‌‌‌‌‌‌‌‌های نانو در روغن‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها، گریس‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و به‌‌‌‌‌‌‌‌‌طور کلی روانسازهای خودرو، می‌‌‌‌‌‌‌‌‌تواند گامی کاملا مؤثر در دستیابی به اهداف ذکر شده باشد. بنابراین در این مسیر، تحقیقاتی در پژوهشگاه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ صنعت نفت ایران در حال انجام است. به گونه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای که پژوهشگران این مرکز موفق شده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اند با افزودن ترکیب فولرین یا C۶۰ به روغن و انجام واکنش‌‌‌‌‌‌‌‌‌های شیمیایی، باعث کاهش نقطه ریزش روغن و اصطکاک، افزایش چسبندگی، تحمل فشار و ماندگاری سیال بودن روغن در سرما شوند. به گفته معاون تحقیقات و امور بین‌‌‌‌‌‌‌‌‌الملل پژوهشگاه صنعت نفت، با مصرف کردن روغن حاوی نانوفولرین در یکی از خودروهای ساخت داخل کشور، به میزان ۲/۳ تا ۷/۳ درصد کاهش مصرف سوخت مشاهده شده است. این ترکیب می‌‌‌‌‌‌‌‌‌تواند به عنوان مکمل به روغن‌‌‌‌‌‌‌‌‌های مصرفی کنونی افزوده شود تا گامی موثر در کاهش مصرف سوخت در کشور و کاهش واردات بنزین باشد.

تحقیق و بررسی گسترده‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر در خصوص استفاده از نانوذرات در روغن‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و همچنین تولید این ترکیبات شیمیایی در داخل کشور با یافتن بازار مواد اولیه ارزان قیمت، امری ضروری برای اصلاح روانسازها، پیشگیری از اصطکاک و سایش قطعات موتور، آلودگی هوا، کاهش مصرف سوخت و واردات بنزین خواهد بود.

اکبر آجامی

http://www.ajcar.blogfa.com