بررسی پوشش های نانو در صنعت خودرو

چکیده:  
امروزه صنعت خودرو یکی از عرصه­های تعیین کننده قدرت یک کشور است. فناوری­های نوین در این صنعت نیز به عنوان بخش مهمی از این عرصه جایگاه ویژه­ای دارد. با ورود فناوری­های نوین از جمله فناوری نانو به بازار ساخت صنایع مرتبط با خودرو و تجهیزات کاراتر، شناخت و کاربردهای این فناوری در صنعت خودرو برای پژوهشگران جهت جلوگیری از واردات بیش از حد و رقابت در این صنعت عظیم امری ضروری می­باشد. فناوری نانو در صنعت خودرو کاربردهای فراوانی دارد که یکی از بخش­های مهم این فناوری موضوع نانو پوشش­ها است.  پوشش­های نانوکامپوزیت­های پلیمری به علت خواصی مانند استحکام ، سفتی و پایداری حرارتی در ساخت موتور استفاده می­شوند. پوشش­های نانو کامپوزیت­های فلزی به علت استحکام و سختی بالا، کاربردهای وسیعی در شاسی و بدنه خودرو دارند. با توجه به کاربردهای بسیار گسترده نانو پوشش­ها، در این پژوهش علاوه بر بررسی نانو پوشش­ها و کاربرد آن در صنعت خودرو، به بررسی پیشرفت ایران در استفاده از آن پرداخته شده است. با توجه به این پژوهش نانو پوشش­ها به خصوص پوشش­های نانو کامپوزیت پلیمری کاربرد زیادی در صنعت خودرو دارد و ایران در این ضمینه گام­های بلندی برداشته ولی برای رقابت جهانی، استفاده از این نانو پوشش­ها ضروری می­باشد.
کلمات کلیدی: نانو پوشش، نانو کامپوزیت، صنعت خودرو
 

. مقدمه:
صنعت خودرو یکی از زمینه‌هایی است که شروع به بهره‌گیری از مزایای فناوری نانو در اجزا و سیستم‌های مختلف کرده است. این کاربردها، از مبدل‌های کاتالیزوری گرفته، تا پلاستیک‌ها و روکش‌های سبک وزنی که بهره سوخت و عمر خودرو را افزایش می‌دهند، شامل می‌شوند. تقریباً تمام قطعات خودرو را می‌توان به وسیله فناوری نانو، بهبود بخشید(1). رقابت در صنعت خودرو، از یک سو در زمینه تلاش برای کاهش هزینه و از دیگر سو، افزایش کارایی و غلبه بر مشکلات زیست‌محیطی است. عوامل اصلی رقابت در صنعت خودرو شامل قیمت، ایمنی و امنیت، کارایی سوخت، ارتباطات و اطلاعات، عملکرد بهتر، کاهش آلودگی هوا، زیبایی، راحتی می­باشد که در تمامی این زمینه ها، فناوری نانو نقش مهمی ایفا می­کند. در شکل 1 کاربردهای این فناوری در صنعت خودرو نشان داده شده است. برای بالا بردن کارایی قطعات خودرو از پوشش­های نانویی به عنوان مثال پوشش روی منسوجات خودرو مانند روکش صندلی، پوشش روی شیشه، رینگ، بدنه، و قطعات موتور، اجزای سیستم­های انتقال قدرت و شاسی و غیره استفاده می­شود. در این پژوهش نیز به بررسی و نانو پوشش­ها و کاربرد آن در صنعت خودرو پرداخته شده است.

 کاربرد فناوری نانو در صنعت خودرو

2. نانو پوشش­ها:
2-1. پوشش­های نانوکامپوزیتی در خودرو
نانو کامپوزیت ها در دو فاز تشکیل می شوند. در فاز اول، ساختاری بلوری در ابعاد نانو ساخته می­شود که زمینه (ماتریس) نانو کامپوزیت به شمار می­رود. زمینه ممکن است از جنس پلیمر ، فلز یا سرامیک باشد. در فاز دوم، ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای استحکام، مقاومت، هدایت الکتریکی و ... به فاز اول یا ماتریس افزوده می­شوند. بسته به­این­که زمینه نانوکامپوزیت از چه ماده­ای تشکیل شده باشد­، آن را به 3 دسته پلیمری، فلزی و سرامیکی تقسیم می­کنند. نانوکامپوزیت­های پلیمری به علت خواصی مانند استحکام، سفتی و پایداری حرارتی و نانو کامپوزیت­های فلزی به سبب سبکی، استحکام و سختی بالا، کاربردهای وسیعی در صنایع خودرو سازی دارند(2).  
الف- نانو کامپوزیتهای پلیمری: اولین استفاده صنعتی از نانو کامپوزیت­های تقویت شده با خاک رس در زمینه­ی درست کردن پوشش زنجیر تایمینگ در خودرو است که بوسیله قالب­گیری تزریقی این کار صورت گرفته است. وزن حفاظتی دست یافته شده برای پوشش زنجیر تایمینگ 25% است که علت این امر به خاطر کمتر بودن محتوی فیبرهای آلی در مقایسه با نایلون یا پروپلین تکمیل شده با الیاف شیشه­ای می­باشد(4). این مواد صلبیت­ خوب و پایداری حرارتی بالایی از خود نشان می­دهند و در اوایل سال 1990 شرکت تویوتا از نانوکامپوزیت­ها در پوشش کمربند ایمنی خودرو استفاده کرد. در کنار فعالیت­های تویوتا شرکت میتسوبیشی نیز از نانو کامپوزیت­ها در روکش موتور استفاده نمود. ویژگی های نانو کامپوزیت­ها شامل استحکام و سختی زیاد با وزن کمتر، قابلیت جلوگیری از نشت گازها و مایعات، درجه اعوجاج گرمایی بالا، رسانایی الکتریکی، خاصیت ضد احتراقی و مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی و حرارت می­باشد(2). این نوع کامپوزیت ها در ترکیبات پوشش زیرین کاپوت خودرو بکار برده می­شوند. در حال حاضر، اکثر نانوکامپوزیت­های مورد مصرف در قطعات خودرویی در حقیقت از نوع نانوکامپوزیت پلیمر- فیلر می­باشند و ماده پلیمری می­تواند بر پایه PP، ABS، PA، SBR و ... انتخاب گردد. افزودنی نانویی بکار رفته در این کامپوزیت هم می­تواند نانوکلی، نانوتیوب کربنی یا سایر افزودنی­های نانویی معمول باشد. در حال حاضر، با افزودن مقادیر کمی از افزودنی­های نانوکلی به پایه­های پلیمری PP و ABS می­توان خواص پلیمر پایه را به میزان قابل قبولی بهبود بخشید. از جمله قطعات خودرویی که در ایران با نانوکامپوزیت­های پلیمری نمونه سازی شده­اند شامل نانوکامپوزیت­های پایه ABS (هاوزینگ چراغ خطر خوروی پژو 405، هاوزینگ چراغ خطر خودروی روآ، جعبه ECU و درب آن، قاب محافظ هواکش بخاری و ...) و نانوکامپوزیت­های پایه PP (هاوزینگ چراغ جلو، قاب ستون­های خانواده خودروی پژو 405، قطعات مجموعه داشبورد خودروها، پروانه فن رادیاتور، و قالپاق چرخ) می باشد. همچنین برای جلوگیری از باقی ماندن لک و کثیفی از پوشش­های نانو کامپوزیتی بر روی غربیلک فرمان و رینگ چرخ نیز استفاده شده است. حتی این پوشش ها را روی سطح داخلی باک ­های بنزین برای جلوگیری از نشت بخار بنزین مورد استفاده قرار گرفته است(3).
ب - نانو کامپوزیت­های فلزی: استفاده از نانو بلورهای فلزی به صورت ترکیبات ساختاری حجیم در صنعت خودرو دارای کاربرد زیادی می­باشد(5) .به­طوریکه با استفاده از پوشش دهی در بدنه ماشین آلات قادرند با نانو کامپوزیت­های جدید رقابت داشته باشند. به طور مثال نانو بلورهای فولاد مزایای زیادی در ارتقای درجه استحکام ایجاد می کنند و شرکت تویوتا از آن در خودروهایش استفاده کرده است. در حال حاضر برای پیشگیری از اتلاف انرژی سیلندرهای موتور با سرامیک­های نانوکریستالی نظیر زیرکونیا و آلومینا طوری پوشش داده شده است که حرارت را به طور مؤثرتری در خودرو نگه داشته و در نتیجه احتراق کامل و با کارائی بیشتری از سوخت به وقوع می­پیوندد. افزودن نانو ذرات اکسید آلومینیوم نیز باعث می شود که مقاومت آن در برابر ساییدگی همانند یاتاقان­های فولادی باشد(1).
2-2. پوشش­های نانویی بر روی شیشه خودرو
بروز تصادفات به علت عدم دید مناسب و کافی، به خصوص در شرایط جوی نامساعد مانند باران و گرد و غبار، نیازمندی صنعت خودرو را به ایجاد شیشه­ها و آینه­های ضدلک در خودرو ایجاد کرده است. با ظهور فناوری نانو، نه تنها در مورد خودروهای در حال ساخت این امکان فراهم شده است، بلکه روکش­های مخصوص این امر نیز برای به­کارگیری در مورد خودروهای موجود، ساخته شده است. این نوع روکش روی شیشه خودروها موجب دفع آب و ذرات گرد و غبار شده و به­راحتی می­توان سطح آن را تمیز کرد. این روکش همچنین ضدسایش بوده و علاوه بر مقاوم بودن در برابر پرتوهای فرابنفش، از دوامی طولانی برخوردار است. عمر این محصول، روی شیشه جلوی خودرو تا پنجاه هزار کیلومتر و روی شیشه پنجره­هایی که در جهت حرکت ماشین قرار ندارند تا پنج سال می­رسد. این شیشه می­تواند اشعه مادون قرمز که طول موج آن کمتر از 400 نانومتر و همچنین اشعه ماوراء بنفش که طول موج آن بیشتر از 800 نانومتر می­باشد را بطور کامل یا بخشی از آن جذب نماید و محدوده روشنایی که مورد نیاز برای بینایی انسان می­باشد و طول موج آن مابین 400 تا 800 نانومتر است را کاملاً عبور دهد. همچنین معمولاً از ورود گرما و سرما جلوگیری می­نمایند و این شیشه­ها نرخ تابش کمی دارند(3). از مواد نانوکریستال تولید شده به روش سل- ژل (آئروژل­ها) نیز می­توان به عنوان موادی برای شیشه­های هوشمند استفاده کرد که به هنگام تابش و درخشش شدید نور آفتاب تیره و مات می­شوند. وقتی که نور خورشید کمتر می­تابد این شیشه­ها روشن­تر می­شوند. همچنین این شیشه­ها خاصیت­ خود تمیز شوندگی دارند که ویژگی مفیدی برای حرکت خودرو در محیط های پرگرد و غبار می­باشد. روش­های پوشش­دهی برای شیشه­ها در خودرو شامل پوشش­دهی سل- ژل (در این روش، مرحله آنیل کردن وجود دارد که باعث می­شود سدیم از شیشه به فیلم اکسید تیتانیوم نفوذ کند و در نتیجه، خواص نهایی فتوکاتالیتیکی تخریب شود) و پوشش­دهی با بخار شیمیایی (در این روش، توسط واکنش­هایی که صورت می­گیرد، بعلت گرمای اعمال شده، زیرلایه فعال می­شود. ترکیب و ریزساختار ترکیبات رسوب داده شده، قابل کنترل هستند) می­باشد(6).
2-3. پوشش­های نانویی بر روی منسوجات  
بطور متوسط میزان منسوجات مورد استفاده و در معرض دید در یک خودرو، حدود 15 مترمربع است که عمدتاً پوشش سقف، صندلی­ها، رودری­ها، روکش طاقچه عقب وموکت کف را شامل می­شود. از جمله عوامل مؤثر در ایجاد کهنگی و کثیفی در این قطعات تزئینی می­توان به گرد و غبار، آلاینده­های هوا، چربی­ها، عرق دست، مایعات و ... اشاره کرد. از طرفی رشد و نمو باکتری­ها در اثر استفاده روزمره باعث بروز و شیوع بعضی از بیماری­ها می­شود که از میان آنها می­توان باکتری­های مولد اسهال، التهاب روده، بیماری­های گوارشی، عفونت سیستم ادراری و عفونت­های ریوی را نام برد. لذا، با توجه به پیشرفت نانوفناوری و استفاده آن در تولید پارچه­های ضدلک، ضدباکتری، ضد گرد و غبار و ضدبو می­توان با استفاده از آن به رضایتمندی بالاتر مشتری در صنعت خودرو دست یافت. اعمال پوشش­های نانویی بر روی پارچه­ها و قطعات منسج باعث کاهش سطح تماس مایعات با قطعه شده و از نفوذ آنها به داخل پارچه خودداری می­کند. لذا، نفوذ مایعات به داخل پارچه­ها و ایجاد لک و تغییر رنگ صورت نمی­گیرد و فضای داخلی اتاق همواره تمیز و مطلوب خواهد بود. در حال حاضر، در ایران پوشش­های نانویی بطور تحقیقاتی بر روی روکش­های صندلی، طاقچه عقب، پارچه رودری، موکت کف و عایق سقف خودروها در دست بررسی می­باشند. از نانو پوشش ضد انعکاس نور نیز در نمایشگرهای داخل خودرو برای استفاده در تمامی شرایط نوری مورد استفاده قرار گرفته است(3).
2-4. پوشش­های نانویی در رنگ خودرو
نانوذرات با اندازه­های مختلف، نورهایی با فرکانس­های متفاوت ساطع می­کنند. لذا، می­توان از آنها برای تولید رنگ­های گوناگون استفاده کرد. کاربرد جالب توجه در این بخش، استفاده از نانولوله­های کربنی در رنگ است. فیبریل­ها، ساختارهای ویژه­ای هستند که از نانولوله­های کربنی ساخته می­شوند (استوانه­هایی متشکل از 8 لایه گرافیتی که از فاز بخار به عمل می­آیند) و خاصیت رسانایی بالایی دارند. کاربرد فیبریل­ها در رنگ، باعث رسانایی آن می­شود و می­توان از آن برای رنگ کردن خودرو به روش قطره­های باردار شده استفاده کرد (روش رنگ الکترواستاتیکی). در این روش، رنگ و قسمت­هایی را که قرار است رنگ شوند، باردار می­کنند تا جاذبه الکتریکی بین آنها باعث جذب رنگ شود. به این ترتیب، کارآیی رنگ، چه از لحاظ کیفیت و چه از لحاظ کمیت (میزان رنگ مصرفی) ارتقا می­یابد. فناوری نانو در رنگ­کاری جدید، مرزها را شکسته و نوید ویژگی­های منحصربفردی را می­دهد(5). لاک تمیزکننده جدید که با دستگاه از فناوری نانو تولید شده، باعث می­شود تا رنگ خودرو بسیار ضدخراش­تر از رنگ­های قدیمی شود. با توسعه و تولید رنگ­های خودمحافظ و فناوری پلی­پلکسین تی 11، صاحبان خودرو دیگر به شستشو و رنگ کردن دوباره آن نیازی ندارند. این رنگ­ها، در برابر آثار مخرب پرتو فرابنفش و نمک­ها، مقاوم هستند، بطوری­که با به­کارگیری آنها دیگر نیازی به شستشوی خودرو یا رنگ مجدد نیست. شرکتEurochem Auto Chemicals آخرین توسعه خود در زمینه محافظ رنگ خودرو را اعلام کرده است. سیستم پیشرفته فناوری نانوی P.E.F.E Polyglasplexin راه حل منحصربه­فردی برای دفع دوده جاده، آلودگی، اسید حشرات فضله پرندگان، مواد رادیواکتیو جوی و بدتر از همه، تمام نور ماورای بنفشی که باعث می­شوند، رنگ خودرو به تدریج از بین برود ارائه کرده است(5).
2-5. پوشش­های نانویی در صنعت لاستیک
در روسیه، پوشش­های الماس نانومتری با درصدهای مختلف به لاستیک طبیعی، برای ساخت لاستیک­هایی که در صنعت کاربرد دارند از قبیل کاربرد در تایر اتومبیل، لوله های انتقال آب و... مورد استفاده استفاده قرار گرفته است. با اضافه کردن پوشش­های نانومتری الماس به لاستیک ها خواص آنها به شکل قابل توجهی بهبود می­یابد(7). این لاستیک­ها دارای 4 الی 5 برابر خاصیت انعطاف پذیری بالاتر، افزایش 2 تا 5/2 برابری درجه استحکام، افزایش حد شکستگی، 3 برابر شدن قدرت بریده شدن، افزایش مقاومت لاستیک در برابر سایش، افزایش استحکام مکانیکی و کاهش قابلیت اشتعال می­باشند(1).
2-6. پوشش­های نانومتری در موتور خودرو
از روش آبکاری کرم برای پوشش رینگ پیستون استفاده می­شود، گونه­های مختلف پودرهای پایه آهنی حاوی Ti، V، C، Si، Sn، Cr، Mo، Cu و B اغلب برای پوشش­دهی آلومینیوم در موتور استفاده می­شود. برای این نوع پوشش­ها می­توان از روش APS و مهندسی نیروی سطح (LSE) استفاده کرد(8). از آنجا که موتورهای دیزل در معرض حمله مواد سولفور هستند، خوردگی در برابر اسید سولفوریک برای پوشش­های پایه فلزی حاوی آلومینات که در این نوع موتورها مورد استفاده قرار می­گیرند، اهمیت ویژه­ای دارد. نیکل کرومیم و کرومیم کاربید را می­توان ارزش­های APS و HVOF پوشش­دهی کرد. عموماً از پوشش کرومیم اکساید به روش پلاسما اسپری، بر روی موتورهای دیزل پرقدرت استفاده می­شود. معمولاً از پوشش­های مقاوم در برابر حرارت (TBC) مانند زیرکونیا یا آلومینات تیتانیوم، به منظور کاهش دمای کاری و افزایش دوام اجزای تیغه­های توربین­های گازی استفاده می­شود. این پوشش­ها می­توانند کارایی موتور را با افزایش دمای کاری و کاهش اتلاف حرارت اجزا بالا ببرند. الیتریوم تثبیت شده با زیرکونیا (YSZ) هدایت حرارتی بسیار کمتری نسبت به سوپرآلیاژهای پایه نیکل دارد. از پوشش­های YSZ به شکل بسیار گسترده­ای برای پوشش­دهی تاج پیستون استفاده می­کنند(8). پوشش­ها باید از چسبندگی مناسبی با پایه برخوردار باشند تا بتوانند در برابر شوک­های حرارتی موجود در موتور مقاومت کنند. باندهای استحکام از                 روش­های پلاسما اسپری HVOF و Magnetron Sputtering به­وجود می­آید و به­شدت به زبری سطح بستگی دارد. بیشترین ضخامت پوشش به ضریب انبساط حرارت و خواص مکانیکی پوشش بستگی دارد. اگر انبساط حرارت پوشش با پایه اختلاف زیادی داشته باشد و یا الاسیته و داکتیلیته پوشش بسیار کم باشد، پوشش­های ضخیم نمی­توانند چسبندگی مناسبی با پایه ایجاد کنند. پوشش­های با پایه Mo/Cr پوشش­های مناسبی برای مقاومت در برابر خوردگی در دمای بالا در موتور بکار می­رود(8).
 
3. بحث و نتیجه گیری:
همانطور که ملاحظه می­شود نانوپوشش­ها تأثیرات زیادی در بخش­های گوناگون صنعت خودرو خواهد داشت. از جمله رینگ، رنگ، شیشه، بدنه، لاستیک، اجزای موتور و بسیاری از موارد دیگر که بدان پرداخته شد. کشور ما با داشتن منابع غنی معدنی و مخازن عظیم نفتی باید انگیزه بیشتری برای دستیابی به این فناوری داشته باشد. تأثیرات نانو پوشش­ها بر ارتقاء کیفیت مواد بکار رفته در قسمت های مختلف خودرو و خصوصیات ویژه­ای که آن مواد پیدا می­کنند، مهمترین مقوله­ای است که باید به آن توجه­ کرد. اگر بتوان از موادی با کیفیت بهتر، قیمت کمتر و کارایی بیشتر در ساخت قطعات استفاده کرد، خودروهای آینده علاوه بر آلودگی کمتر، از قطعات مناسب و قابلیت­های بیشتر برخوردار خواهند بود. با توجه به این پژوهش نانو پوشش­ها به خصوص پوشش­های نانو کامپوزیت پلیمری کاربرد زیادی در صنعت خودرو دارد و ایران در این ضمینه گام­های بلندی برداشته ولی برای رقابت جهانی، استفاده از این نانو پوشش­ها ضروری می­باشد.
 
4. منابع:
1. معلمی اوره، عباس؛ بررسی جایگاه فناوری نانو در صنعت خودرو، همایش ملی نانو مواد و نانو تکنولوژی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد، 1388.
2. WWW. Principaconsulting.com
 3. ساپکو، گزارش امور مهندسی و تحقیقات ساپکو، 1389.
4. http://www.nano.ir
5. دادگستر، محمدرضا؛ استفاده از نانو تکنولوژی در پوشش­های خودرو، ماهنامه مهندسی خودرو و صنایع وابسته، شماره 5، 1388.
6. وطن خواه دولت سرا، جعفر؛ نانوتکنولوژی علم پایه و تکنولوژی نوظهور، نشر طرح، بهار 1385.
7. بی نام، سمت و سوی­های تحقیقات نانو تکنولوژی، کمیته مطالعات سیاست نانو، 1382.
8. هازلی، کاوان؛ امینی، ششاهین؛ پوشش­های نانومتری و کاربرد آنها در موتور، پوشش­های سطحی، سال 8، شماره 33، 1389.