فلزات نانوساختار

فولاد یکی از پرمصرف ترین و مهم ترین مصالح ساختمانی است که از احیاء سنگ آهن به همراه کک و اکسیژن در کوره های بلندی که درجه حرارت بسیار بالایی دارند شکل می گیرد. این ماده با مشخصات منحصر بفردی که دارد، سال هاست در صنعت ساخت و ساز مورد استفاده قرار گرفته است.

فولاد نوعی آلیاژ از آهن و کربن است که میزان کربن آن کمتر از ۲ درصد است. از ویژگی های فولاد می توان به مواردی نظیر مقاومت بالا، قابلیت خمش پذیری، چکش خواری، جوش پذیری، سختی دینامیکی و استاتیکی، ضریب ارتجاعی بالا، همگن بودن، امکان استفاده از ضایعات و … اشاره نمود.

این ویژگی ها و قابلیت ها باعث شده فولاد به عنوان یک مصالح مقاوم در ساختمان سازی مورد استفاده قرار گیرد. امروزه با استفاده از فناوری نانو می توان مقاومت و کارکرد مصالح را بالا برد.

فناوری نانو نقش بسزایی در صنایع ساخت و ساز ایفا می کند. افزودن نانوذرات مس به فولاد باعث کاهش ناهمواری های سطحی فولاد شده و ترک خوردگی هایی که از خستگی فولاد ناشی می شود را محدود می کند.

یکی از مسائلی که منجر به ترک خوردن و شکست فولاد در سازه هایی مانند پل و برج می شود خستگی آن است، اما نانوذرات با محدود نمودن تعداد تنش های فولاد، ترک های ناشی از خستگی را کاهش می دهد.

استفاده از فناوری نانو در فولاد سازی ایمنی فولاد را بالا می برد و نیاز به نظارت و استفاده بهتر از مواد را در سازه هایی که احتمال خستگی در آن ها وجود دارد را کاهش می دهد.

فلزات نانوساختار دارای ذراتی با اندازه نانومتری هستند که همین امر سختی فلز را بالا می برد. این نوع فلزات دارای ویژگی هایی نظیر مقاومت و استحکام بسیار بالا، ضد زنگ و ضد اثر انگشت بودن هستند.

نانوذرات مس یک ساختار پایه ای در فولاد نانو در نظر گرفته می شوند که مرزهای اجزاء فولاد را شکل داده و تغییر در این ساختار، فولادی پایدار، جوش پذیر و مقاوم در برابر خوردگی ایجاد می کند.

فناوری نانو به منظور افزایش عملکرد مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرد. این مواد خواصی جدیدتر و متفاوت تر برای مصالح ایجاد می کنند و باعث متمایز شدن آن ها از مواد معمولی می شوند.

اصولاً موادی که با نانوذرات تقویت می شوند عملکردی چند منظوره دارند و برای کاربردهای گوناگون می توان از آن ها استفاده نمود. ظهور مواد نانوساختار در صنعت ساخت و ساز تحولی عظیم در این حوزه ایجاد کرده و خواص مصالح تا حد مطلوب و قابل توجهی تقویت شده است.

فولاد که به عنوان مهم ترین مصالح ساختمانی محسوب می شود، نقش قابل توجهی در صنعت ساخت و ساز ایفا می کند، به همین دلیل خواصی مانند قابلیت جوش پذیری، استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی از جمله ویژگی هایی هستند که اهمیت بسیاری در طراحی و ساخت دارند.

انواع فلزات نانو ساختار

از جمله فلزات نانوذرات می توان به موارد زیر اشاره نمود:

فولاد MMFX۲‌

MMFX۲ از جمله فولادهای اصلاح شده توسط فناوری نانو است که در مقایسه با فولادهای معمولی, ساختار متفاوتی دارد. ساختار فولاد MMFX۲ که به صورت لایه ای تکه تکه و منحصر بفرد است باعث شده این فلز نانوساختار از استحکام، انعطاف پذیری و مقاومت بالا در برابر خوردگی برخوردار باشد.

MMFX۲ در مسطح سازی سازه های بتنی کاربرد دارد و به دلیل تشابه آن با فولاد ضد زنگ می تواند جایگزین مناسبی برای آن باشد، زیرا هزینه آن از نظر اقتصادی مقرون بصرفه تر است. میلگرد MMFX۲ نیز در پیش ساخت تیرهای پل به عنوان رکاب کاربرد دارد.

فولاد Sanduk Nauoflex

Sanduk Nauofles نوعی فولاد ضد زنگ است که از شکل پذیری، مقاومت بالا و کیفیت عالی برخوردار است. این فولاد به دلیل داشتن نانوذرات مس در ساختار خود مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد و قابلیت جوش خوردگی آن در مرز دانه های فولاد بهتر است. مقاومت بالای این فولاد در برابر سایش و فرسودگی منجر به کاهش هزینه های ساخت و نگهداری سازه شده است.

نانوکابل ها

کابل های فولادی دارای مقاومت و استحکام بالایی هستند و در ساخت پل های معلق کاربرد دارند. این کابل های قوی زمان و هزینه های ساخت را کاهش می دهند.

پیچ و مهره های نانو

سازه های مقاوم و بلند به اتصالات محکم و بادوام نیاز دارند، بنابراین پیچ و مهره های نانو که مقاومت آن ها با سرد کردن و بازپخت محقق می شود در سازه ها کاربرد دارند. نانوذرات وانادیم و مولیبدن باعث تاخیر در شکست پیچ و مهره ها می شود، در اصل این ذرات اثر تردی هیدروژنی را کاهش می دهد و با کاهش فاز سمنتیت بین دانه ای ریزساختار فولاد را بهبود بخشیده و مقاومت پیچ و مهره را افزایش می دهد.

ویژگی های فلزات نانوساختار

فلزات نانوساختار دارای نقایص بسیار کمی هستند که این امر باعث شده مقاومت آن ها در برابر خوردگی بالا رود.

این فلزات برخلاف دارا بودن سختی و مقاومت بالا، ترد و شکننده هستند و شکل پذیری آن ها بسیار محدود است.

استحکام فلزات نانوساختار نسبت به سایر مواد بالاتر است و علت این امر وجود دانه های بسیار ریز با مساحت سطحی بالا در آن ها می باشد.

کاربرد فلزات نانو ذرات

فلزات نانوساختار در برابر خوردگی مقاومت بالایی دارند و از آن ها در ساخت قطعاتی مانند سرمته های حفاری، تیغه بلدوزرها، اسکلت های فلزی ساختمان و پل و … استفاده می شود. علاوه بر آن از فلزات نانوساختار در تولید وسایل نقلیه، قطعات موتور هواپیما، تجهیزات پزشکی نظیر اعضاء مصنوعی، چوب های اسکی و … نیز استفاده می شود.

روش های ساخت فلزات نانو ساختار

تغییر شکل

با اعمال تنش های مکانیکی مانند اکستروژن یا کشش، نورد زدن، تغییر شکل پلاستیکی شدید و یا با روش هایی چون Peening Shot که شامل بمباران ماده با استفاده از کره های کوچکی به نام shot می باشند، میکروساختارها شکسته می شوند و به نانو ذرات تبدیل می گردند. روش های تغییر شکل را می توان با حرارت دادن و سرد کردن آرام آرام و برای شکل دهی دوباره حالت بلوری سطح، بکار برد.

بلوری کردن شیشه

با تولید یک محلول جامد فوق اشباع خنک شده از پیش ماده ای به نام شیشه فلزی، می توان آرایه ای بی شکل از اتم های آلیاژ را بدون مرزهای بلوری تولید نمود. سپس این شیشه های گرم را به آرامی سرد می کنند و در نهایت، بلورهای مقیاس حاصل می شود.

آبکاری

از روش آبکاری به منظور پوشش دهی فلزات استفاده می شود. برای تولید فلزات نانوذرات با این روش، باید در یک سلول الکترولیتی، محلولی از یون های فلز موردنظر را بکار برد. این ماده به شکل نانوبلور بر روی کاتد سلول رسوب می کند. محلول الکترولیتی ممکن است شامل متریال دیگری برای کنترل اندازه دانه های فلزی نیز باشد.

کلمات کلیدی: بولت و مهره، تیرآهن،آبکاری فلزات، پروفیل ساختمانی، فولاد غرب آسیا،فولاد ناب تبریز،فولاد مبارکه