برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۱۰/۲۲ تا ۱۳۹۷/۱۰/۲۸

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۸,۶۳۷
  • بازدید این ماه ۷۴
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۷۱
  • قبول شدگان ۱۳۹
  • شرکت کنندگان یکتا ۸۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۳
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

کاربرد نانوفناوری در سازه‌های فلزی

از آن‌جایی که محصولات ساخته شده از طریق تکنولوژی نانو دارای مشخصات منحصر به فردی هستند، این تکنولوژی می‌تواند در بسیاری از فرآیندهای ساخت و طراحی به کار برده شود. این مشخصات منحصر به فرد قادر هستند که مشکلات کنونی در ساختمان‌سازی را حل کرده و در فرآیند ساخت تغییراتی را به وجود آورند. پیشرفت علم در حوزه نانوذرات فلزی و دستاوردهای بزرگ در این زمینه باعث بهبود ویژگی‌های فلزات ساختمانی از جمله فولاد شده است. اضافه کردن نانوذراتی مانند مس، مولیبدن و وانادیم باعث بهبود خواص مکانیکی فولاد و کاهش هزینه‌های ساخت شده است. ساخت نانوکابل‎ها، نانوپوشش‌هایی نظیر دی اکسید تیتانیم و استفاده از فناوری نانو در ساخت و تولید پیچ و مهره‎ها تحول عظیمی را در سازه‌ها ایجاد کرده است.

فناوری نانو و فولاد
فولاد یکی از مهمترین مواد ساختمانی است. خواصی نظیر استحکام، مقاومت به خوردگی و قابلیت جوشکاری آن در طراحی و ساخت بسیار مهم هستند [1]. این قابلیت‎ها باعث شده که نقش فولاد در صنعت ساخت و ساز بسیار پررنگ باشد.
موارد استفاده از فولاد در صنعت عمران عبارتند از:
- در ساختمان‎های اسکلت فلزی به عنوان تیر و ستون و بادبند و پلیت‌های کف، در ساختمان‌ها و سازه‎های بتنی به عنوان میل‌گرد
- پایه‎ها و کف پل‎ها، کابل‌های کششی پر مقاومت
- لوله‎های انتقال آب و گاز و نفت
- اجزای داخلی ساختمان‌ها مثل در و پنجره‎ها، پیچ‌ها و اتصالات
- استفاده در نمای ساختمان

معایب فولاد
خستگی و ترک خوردگی، خوردگی در مجاورت سیمان، آثار تبعی جوشکاری، نیاز به مقاومت‌های بالاتر، ضریب ارتجاعی بالاتر، نیاز به مقاومت بیشتر در مقابل خراشیدگی، از بین بردن آلودگی سطوح فلزی و ... از جمله معایب فولاد هستند.
کاربرد گسترده فولاد در صنعت ساختمان، مزایا و معایب این ماده و قابلیت‌های چشمگیر فناوری نانو، زمینه‌های متعدد تحقیقات در این صنعت را فراهم می‌کند.

فولاد و نانوذرات
خستگی مسأله بسیار حساسی است که می‌تواند منجر به شکست فولاد در سازه‌های تحت نیروی سیکلی (مانند پل و برج‌ها) شود. این موضوع می‌تواند در تنش‌هایی کمتر از تنش تسلیم مواد رخ دهد و در نتیجه عمر مفید سازه را کاهش دهد. افزایش تنش باعث شروع ترک و متعاقباً شکست خستگی می‌شود. تحقیقات نشان داده است که افزودن نانوذرات مس باعث کاهش ناهمواری‌های سطح فولاد شده و در نتیجه آن تعداد تنش‌ها محدود شده و بنابراین ترک ناشی از خستگی کاهش می‌یابد. پیشرفت در این فناوری منجر به افزایش ایمنی، نیاز کمتر به نظارت و استفاده بهتر از مواد در ساخت و سازهای مستعد به مسأله خستگی شده است [2].

فولاد Sanduk Nauoflex
در سال 1992، اداره کل بزرگراه (FHWA) همراه با سازمان آهن و فولاد آمریکا و نیروی دریایی ایالات متحده، فولادی کم کربن با عملکرد بالا (HPS) را برای پل‌ها تولید کردند. فولاد جدید مقاومت بالا در مقابل خوردگی و خاصیت جوش‌خوردگی بهتری را به خاطر وجود نانوذرات مس در مرزدانه‌های فولاد از خود نشان می‌دهد. این فولاد به نام فولاد Sanduk Nauoflex معروف است. Sanduk Nauoflex یک فولاد زنگ‌نزن جدید است که خواصی از جمله استحکام فوق‌العاده بالا، فرم‌پذیری خوب و کیفیت سطح تمام شده خوبی دارد. به دلیل عملکرد بالای این فولاد می‌توان از آن در کاربردهایی که نیاز به مواد سبک و محکم دارند، استفاده کرد. به دلیل استحکام و مدول الاستیسیته فوق‌العاده بالا، این فولاد حتی می‌تواند نازک‌تر و سبک‌تر از اجزایی که از آلومینیوم و تیتانیوم ساخته شده‎اند، باشد. مقاومت در مقابل خوردگی و سایش خوب آن می‌تواند باعث کاهش هزینه‌های ساخت و نگهداری شود [1].

فولاد MMFX2
MMFX2 یک فولاد اصلاح شده نانوساختار دیگر است که توسط شرکتی به همین نام ساخته شده است. در مقایسه با فولادهای معمولی، این نوع فولاد میکروساختار متفاوتی دارد: یک ساختار لایه‌ای تکه تکه شبیه به "تخته چند لایه". این ساختار منحصر به فرد باعث شده است که فولاد MMFX2 استحکام (سه برابر مستحکم‌تر)، انعطاف‌پذیری، چقرمگی و مقاومت به خوردگی قابل ملاحظه‌ای پیدا کند [1]. از این نوع فولاد می‎توان در مسلح‌سازی سازه‌های بتنی استفاده کرد [3]. از آن جایی که این فولاد مقاومت در مقابل خوردگی مشابهی با فولاد زنگ نزن دارد، می‌تواند به عنوان جایگزین استفاده شود زیرا از لحاظ اقتصادی به صرفه‌تر است [1]. همان طور که در شکل 1 در تصاویر گرفته شده به وسیله میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) نشان داده شده است، ترکیب شیمیایی و فرآیند تولید این فولاد باعث شده است که میکروساختار آن به صورت نانولایه‎های انتقال نیافته آستنیت در بین لایه‌های مارتنزیت باشد. این ساختار از تولید کاربید پیوسته جلوگیری می‌کند و در نتیجه ایجاد سلول‌های میکروگالوانیک را کاهش می‎دهد. بنابراین با کاهش سلول‌های میکروگالوانیک، فرآیند خوردگی به شدت کاهش می‌یابد. از این نوع فولاد در سازه‌های زیادی که در معرض خوردگی بوده‌اند، استفاده شده است. شکل 2 استفاده از فولاد MMFX 2 را در یکی از پل‌های ایالت اوکلاهاما در آمریکا نشان می‌دهد. از میل‌گرد MMFX 2 به عنوان رکاب در پیش ساخت تیرهای پل استفاده شده است [4].

 

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1. تصاویر TEM از میکروساختار فولاد MMFX 2

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2. استفاده از فولاد MMFX 2 در ساخت پل

فناوری نانو و جوشکاری
نقاط جوشکاری شده و منطقه حرارت دیده مجاور جوش (HAZ) ترد و شکننده هستند. هنگامی که این مناطق تحت نیروهای دینامیکی قرار می‌گیرند، سبب شکست ناگهانی می‌شوند. چقرمگی جوش مسأله قابل ملاحظه‌ای به خصوص در نواحی زلزله‌خیز است. گسیختگی و شکست جوش و مناطق HAZ پس از واقعه زمین لرزه سال 1994 نورث ریج در لس آنجلس، منجر به ارزیابی مجدد اصول جوشکاری و اتصالات سازه‌ای فلزات شد. بر اساس این موضوع، فلسفه کلی مبتنی بر انتخاب نقاطی از سازه که به عمد ضعیف شده‌اند، بود تا بتوان تغییر فرمی کنترل شده به دور از مناطق اتصال ترد را به وجود آورد. با اتخاذ این رویکرد همچنین از افزایش عمدی ابعاد سازه‌ای که باعث پایین نگه داشتن تنش‌ها می‌شود، پیشگیری می‌شود. تحقیقات نشان داده‎اند که اضافه کردن نانوذرات منیزیم و کلسیم، دانه‎های مناطق HAZ را در فولاد ساده ریزتر می‌کند (حدود یک پنجم اندازه معمولی) که این امر موجب افزایش چقرمگی جوش می‌شود. افزایش چقرمگی در اتصالات جوش نه تنها باعث پایداری و بالا رفتن ایمنی سازه می‌شود، بلکه نیاز به منابع برای برقراری اتصالات را کاهش داده و در نتیجه باعث محدود شدن تنش‌ها در حد مجاز می‌شود [2].

پوشش‌های نانو
پوشش‌های شامل نانوذرات یا نانولایه‎ها برای اهداف به خصوصی به وجود آمده‌اند. در واقع این پوشش‌ها یکی از کاربردهای اصلی تکنولوژی نانو در ساختمان‌سازی هستند. به عنوان مثال، پوشش دی اکسید تیتانیم به وسیله واکنش کاتالیتیکی قوی می‌تواند آلودگی‌های آلی را شکسته و متلاشی کند [1]. عملکرد فوتوکاتالیتیکی شامل دو فرایند هم‌زمان با شیوه‌های عمل متفاوت است: 1- فرایند فوتوشیمی که در آن انرژی به وسیله تابش فراهم می‌شود. 2- فرایند کاتالیتیکی که بر روی سرعت واکنش تأثیر می‌گذارد. در واقع فوتوکاتالیست دی اکسید تیتانیم با جذب تابشی که انرژی آن بیشتر یا برابر با شکاف انرژی آن است، باعث برانگیخته شدن الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش می‌شود. در نتیجه حفره‌هایی در نوار ظرفیت ایجاد خواهند شد. بعد از برانگیختگی، الکترون و حفره جدا شده ممکن است وارد چندین مسیر متفاوت شوند. با مهاجرت الکترون‌ها و حفره‌ها به سطح دی اکسید تیتانیم، انتقال الکترون به مواد آلی یا معدنی که جذب سطحی شده‎اند، یا حلال صورت می‌گیرد. همچنین انتقال الکترون می‌تواند از مواد آلی یا معدنی که جذب سطحی شده‎اند یا حلال به سطح دی اکسید تیتانیم صورت گیرد. در نتیجه این جابه‌جایی الکترون، واکنش‌های کاهش و اکسایش بر روی سطح فوتوکاتالیست انجام می‌شود. باید به این نکته اشاره کرد که در فوتوکاتالیست‎ها هر چه اندازه ذرات کوچک‌تر باشد، چون سطح فعال فوتوکاتالیست بیشتر می‌شود، بنابراین، این فوتوکاتالیست‎ها فعال‌تر از فوتوکاتالیست‎هایی با اندازه ذرات بزرگ‌تر عمل می‌کنند [5]. به دلیل آب‌دوست بودن اکسید تیتانیم در حضور نور، آب روی سطح این پوشش به صورت یکنواخت پخش شده و باعث زدودن آلودگی‎های متلاشی شده از سطح آن می‌شود [1]. شکل 1 مکانیزمی از عملکرد فوتوکاتالیست را نشان می‌دهد [6].

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3. مکانیزم عملکرد فوتوکاتالیست

نانوکابل‎ها
کابل‌های فولادی با استحکام بالا در ساخت پل‌ها به خصوص پل‌های معلق مورد استفاده قرار می‌گیرند. استفاده از کابل‌های قوی باعث کاهش هزینه‌ها و زمان ساخت سازه‌ها می‌شود. مطالعات و تحقیقات در زمینه اصلاح فاز سمنتیت (Fe3C) فولاد در ابعاد نانو باعث تولید کابل‎های قوی شده است [7].

نانو و پیچ و مهره‌ها
سازه‌های بلند نیاز به اتصالات با استحکام بالا دارند که این موضوع به نوبه خود استفاده از پیچ و مهره‌های مستحکم را ضروری می‌کند. حضول استحکام بالای پیچ و مهره‎ها معمولاً از طریق کوئنچ (سرد کردن) و تمپر (بازپخت) تحقق می‌یابد. ریزساختار این گونه محصولات شامل مارتنزیت (ساختاری سخت از فولاد) تمپر شده است. هنگامی که استحکام کششی فولاد شامل مارتنزیت تمپر شده از MPa1200 بیشتر شود، حتی وجود مقدار کمی هیدروژن باعث ترد شدن مرزدانه‌ها شده و در نتیجه منجر به شکست مواد فولادی در هنگام استفاده می‌شود. این پدیده که معروف به شکست با تأخیر است، مانع افزایش استحکام بیشتر پیچ و مهره‌های فلزی می‌شود. بالاترین مقدار استحکام آن‌ها در محدوده 1000 تا 1200 مگاپاسگال است. تحقیقات بر روی نانوذرات وانادیم و مولیبدن نشان داده است که این مواد می‌توانند شکست تأخیری را در پیچ و مهره‌ها بهبود بخشند. در واقع نانوذرات با کاهش اثر تردی هیدروژنی و بهبود ریزساختار فولاد، با کاهش فاز سمنتیت بین دانه‎ای، باعث افزایش استحکام پیچ و مهره‌ها می‌شوند [7].

بحث و نتیجه‌گیری
استفاده از فناوری نانو در سازه‌هایی مانند پل‌ها و برج‌ها باعث افزایش خواص مکانیکی این سازه‌ها شده است. استفاده از نانوذرات مس در ساخت فولاد باعث افزایش استحکام و نقطه ذوب آن می‌شود. همچنین این نوع فولادها قابلیت انعطاف‌پذیری بیشتر و درخشش قابل توجهی دارند. از فولادهای حاوی نانوذرات مس در ساخت پل‌ها استفاده بسیار زیادی می‌شود زیرا این نوع فولاد مقاومت به خوردگی قابل ملاحظه‌ای دارد. اشاره به این نکته ضروری است که نانوذرات در فولادها باعث افزایش نسبت استحکام به وزن می‌شوند. استفاده از فناوری نانوفلزات در ساختمان‌سازی باعث تولید کامپوزیت‌های سبک‌تر و مقاوم‌تر ساختمانی شده است. همچنین تولید نانوپوشش‎هایی که نیاز به نگهداری و تعمییر کمتری دارند مورد توجه بوده‌اند. اضافه کردن نانوذراتی مانند مولیبدن و وانادیم به پیچ و مهره‎های فولادی نیز باعث افزایش استحکام این تجهیزات شده است.
 

منابـــع و مراجــــع

1.Zhi Ge, Zhili Gao “Applications of nanotechnology and nano materials in construction” Advancing and Integration Construction Education,Research & Practice, 2008, Karachi, Pakistan.

2.Saurav “Application of nanotechnology in building materials” International Journal of Engineering Research and Applications, Vol. 2, Issue5, pp.1077-1082, (2012).

3.http://rebar.ecn.purdue.edu/ect/links/technologies/civil/mmfx.aspx

4.دکتر محمود گلابچی، دکتر کتایون تقی زاده، احسان سروش نیا، "نانو فناوری در معماری و مهندسی ساختمان"، انتشارات دانشگاه تهران، 1390.

5.Amy L. Linsebigler, Guangquan Lu, John T. Yates Jr. “ Photocatalysis on TiO2 surfaces: Principles, mechanisms, and selected results” Chem, Rev. pp.735-758, (1995).

6.http://www.mchnanosolutions.com/mechanism.html

7.http://www.nanoforum.org