برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۰۲ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۸

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۰۲۰
  • بازدید این ماه ۵
  • بازدید امروز ۴
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

کاربرد فناوری نانو در ادوات نظامی رادار گریز

مقدمه

یکی از صنایع بسیار مهم که می‌تواند با استفاده از فناوری نانو با سرعت بیش‌تری نسبت به گذشته پیشرفت نماید، صنایع نظامی است. امروزه بیش‌ترین استفاده از دانش نانو در صنایع نظامی استفاده از نانوکامپوزی‌ها است. نانوکامپوزیت‌ها شامل مواد چند فازی هستند که حداقل یکی از اجزای تشکیل دهنده آنها در یک بعد، اندازه‌ی کم‌تر از 100 نانومتر داشته باشد. نانوکامپوزیت از دو قسمت اصلی زمینه (ماتریس) و تقویت کننده تشکیل شده است که زمینه از لحاظ جنس می‌تواند پلیمری، فلزی و سرامیکی باشد. به طورکلی، نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند نسبت به نانومواد خالص، خواص بهبود یافته مکانیکی، الکتریکی، نوری، الکتروشیمیایی، کاتالیستی و ساختاری از خود نشان دهند. 

1- مواد رادارگریز چه موادی هستند؟

رادارها از انواع امواج الکترومغناطیس هستند. امواج الکترومغناطیس دارای دو مولفه موجی شکل الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم هستند. معمولا وقتی ماده‌ای قطبی در یک میدان الکترومغناطیسی قرار می‌گیرد بصورت نسبی با میدان مذکور برهم کنش دارد. بسته به مولکول‌های سازنده ماده، این برهم کنش از نوع جذب اثر میدان یا بازتاب آن است؛ برای مثال آب یک جاذب قوی میدان بخاطر وجود مولکول‌های فوق‌العاده قطبی‌اش است که از این اثر در مایکروویوها استفاده می‌شود. 
اگر یک ماده با تأثیر میدان مغناطیسی یا الکتریکی خود بتواند اثر این امواج را تخریب کند، نامرئی تلقی می‌شود و می‌توان گفت این مواد جاذب امواج رادارى ساطع شده هستند. 
از این خاصیت به منظور ساخت هواپیماها و زیردریایى‌هایى که به وسیله رادار قابل شناسایى نیستند، مورد استفاده قرار مى‌گیرد. لازم به ذکر است استفاده از این مواد نانوکامپوزیت رادارگریز سبک در مقایسه با جاذب رادارهای سنگین وزن بدنه را در حدود پنجاه درصد شناورهای سنتی کاهش داده و در نتیجه شناور می‌تواند محموله سنگین‌تری را نسبت به شناورهای سنتی حمل می‌کند.
لازم به ذکر است مواد در مواجه با میدان مغناطیسی به دو دسته فرومغناطیس و پارامغناطیس تقسیم می‌شوند. حوزه‌های مغناطیسی در مواد فرومغناطیس به راحتی با میدان مغناطیسی بیرونی هم راستا شده و آهن‌ربا می‌شوند ولی در مواد پارامغناطیس برای هم‌راستا سازی این حوزه‌ها نیاز به میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی‌تر است. (شکل 1)

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: برهم‌کنش دوقطبی‌های مغناطیسی یک ماده پارامغناطیس

بیشتر بدانید
منشاء ایجاد میدان مغناطیسی، میدان مغناطیسی بسیار کوچک ایجاد شده از حرکت زاویه‌ای الکترون به دور هسته است که به یک بوهر- مگنتون معروف بوده و اندازه‌ عددی‌اش برابر با 24-10×9.3 است. مقصود از دوقطبی مغناطیسی، میدان بین دو بار مثبت و منفی (مثل الکترون و پروتون) است که یکی حرکت زاویه‌ای دارد. به ظاهر یک بوهر مگنتون عددی کوچک است ولیکن پس از ضرب عدد آووگادرو برای یک مول ماده (که برابر با 1023×6.02 اتم از آن ماده است) در این عدد اندازه میدان مغناطیسی قابل توجه می‌شود. 

فکر کنید
با توجه به آنکه مواد جاذب رادار با از بین بردن اثر الکتریکی یا مغناطیسی موج باعث جذب آن می‌شوند، درباره مکانیزم و انواع برهم‌کنش این مواد با رادار فکر کنید. همچنین درباره‌ نحوه استفاده از مواد جاذب رادار در ادوات نظامی فکر کنید که چگونه این مواد به این ادوات اضافه می‌شوند؟

2- از چه موادی برای کامپوزیت‌های مغناطیسی استفاده می‌شود؟

معمولا از فریت‌ها بعنوان ماده‌ی پایه جهت بازتاب امواج میکروویو و نامرئی کردن ادوات نظامی استفاده می‌شود. فریت‌ها ترکیبی از فلزات مغناطیسی آهن، نیکل و کبالت و با ساختار بلوری اسپینل (spinel structure) هستند. از خواص فریت‌های مغناطیسی آن است که وقتی در مواجه با یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند با آن هم‌راستا شده و بعد از قطع آن به راستای اولیه خود برنمی‌گردند و حلقه هیسترزیس ایجاد می‌کنند. 

بیشتر بدانید
اگر نمودار شدت میدان مغناطیسی (H) بر حسب میدان مغناطیسی اعمال شده (B) برای یک ماده فرومغناطیس رسم شود، شکل نمودار به صورت صعودی و از نوع نمایی است؛ در این نمودار مشخص است که با افزایش میدان مغناطیسی اعمال شده، و هم‌راستا شدن دوقطبی‌های مغناطیسی، شدت میدان مغناطیسی افزایش می‌یابد. تجربه‌های عملی نشان داده که با قطع میدان مغناطیسی و اعمال معکوس آن، نمودار روی مسیر اولیه خود بر نمی‌گردد؛ که این بخاطر آن است که دوقطبی‌های هم‌راستا شده با میدان بطور کامل به جهت اولیه خود باز نگشته و تشکیل حلقه پسماند مغناطیسی می‌دهد که به حلقه هیسترزیس معروف است.

نمونه حل شده:
برای بررسی رفتار ماده مغناطیسی در برابر اعمال میدان مغناطیسی، نیاز به رسم منحنی‌های هیسترزیس است. میدان مغناطیسی از دو روش به وجود می‌آید 1- سیم حامل جریان (که طبق نظریه فاراده از حرکت حامل‌های جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود) و 2- دیاپازون (که ایجاد کننده میدان‌های مغناطیسی است). میدان مغناطیسی ایجاد شده در فاصله 10 سانتی‌متری سیم حامل جریان 10 آمپر را حساب کنید؟

H: شدت میدان مغناطیسی     r: فاصله       μ: میزان عبوردهی میدان توسط هوا=4П× 10-7

H =I/2r    H=10/(2×0.1)=50 A/m
B= μ H = 4П× 10-7 ×50 = 6.28×10-5 Tesla= 0.628 G

بسته به میزان بزرگی حلقه هیسترزیس، مواد فرومغناطیس به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:

1- فرومغناطیس نرم: حلقه هیسترزیس کوچکی دارند، در مواجه با میدان مغناطیسی براحتی آهن‌ربا می‌شوند و با قطع میدان، خاصیت آهن‌ربایی خود را از دست می‌دهند.
2- فرومغناطیس سخت: حلقه هیسترزیس بزرگی دارند، در مواجه با میدان مغناطیسی بسختی آهن‌ربا می‌شوند و با قطع میدان به سختی خاصیت آهن‌ربایی خود را از دست می‌دهند. (شکل 2)

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: حلقه هیسترزیس برای دو ماده مغناطیسی، A فرومغناطیس سخت، B فرومغناطیس نرم 

3- فریت‌ها چگونه امواج رادار را بخود جذب می‌کنند؟

رفتار فریت‌های فرومغناطیس و مواد پارامغناطیس در مواجه با میدان مغناطیسی متفاوت است. دوقطبی‌های مغناطیسی در مواد فرومغناطیس هم‌سو با میدان شده و تشکیل حوزه‌های مغناطیسی می‌دهند؛ ولیکن دوقطبی‌ها در مواد پارامغناطیس در جهات مختلف و بصورت تصادفی پخش شده‌اند (شکل3).

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3: رفتار دو ماده پارا مغناطیس و فرومغناطیس در مواجه با میدان مغناطیسی

در فریت‌های مغناطیسی با افزایش شدت میدان مغناطیسی اعمال شده، مرزهای حوزه‌های مغناطیسی به سمت همدیگر حرکت کرده و یکی می‌شوند. با یکی شدن مرزها حوزه‌های مغناطیسی در هم ادغام شده و تشکیل یک حوزه مغناطیسی هم سو با میدان می‌دهند که به این پدیده آهن‌ربا شدن می‌گویند (شکل 4).

لازم به ذکر است در فرومغناطیس‌های نرم مقاومت دیواره‌ها در برابر حرکت ناشی از هم سو شدن با میدان در مقایسه با مقاومت دیوارها در فرومغناطیس سخت، بسیار کم‌تر است. این بدان معنی است که در فرومغناطیس سخت، هم‌سو شدن با میدان در شدت‌های بیشتری نسبت به مواد فرومغناطیس نرم است.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4: حرکت و یکی شدن دیوارهای مغناطیسی در یک ماده فرومغناطیس در مواجه با میدان اعمالی

وقتی یک فریت (که از نوع مواد فرومغناطیس سخت است) در مواجه با یک موج الکترومغناطیس مثل رادار قرار می‌گیرد، با مولفه مغناطیسی موج برهم‌کنش می‌کند؛ با عنایت به مطالب فوق‌الذکر، دیواره‌های مغناطیسی حرکت کرده و هم‌راستا با میدان مغناطیسی موج می‌شوند و فریت دچار پدیده آهن‌ربایش می‌شود که با این آهن‌ربایش، مقداری از انرژی مغناطیسی موج تلف شده و به خرج هم سویی حوزه‌ها با میدان می‌رود. با عبور یا قطع موج (و با توجه به تعریف پسماند هیسترزیس بزرگ در فرومغناطیس‌های سخت مثل فریت‌ها) تمامی حوزه‌های مغناطیسی به جهت و جای اولیه خود برنمی‌گردند و آهن‌ربایش را درخود نگه می‌دارند. این آهن‌ربایش ناشی از پسماند خود می‌تواند برای تلف کردن (پخش کردن) مولفه مغناطیسی موج بعدی موثر باشد. لذا می‌توان گفت معمولاً فریت‌های مغناطیسی هادی ضعیف امواج میکروویو بوده و با میدان مغناطیسی خود اثر آن را تخریب کرده و میدان را بازتاب می‌کنند.

4- دلیل استفاده از نانوفریت‌ها بجای فریت‌های معمولی در مواد جاذب رادار

می‌توان از نقاط ضعف فریت‌ها به کاهش یا از بین رفتن اثر آنها با گرما می‌توان اشاره کرد. وقتی فریت‌های فرومغناطیسی در مواجه با افزایش دما قرار می‌گیرند در دمای خاصی (که به دمای کوری معروف است) حوزه‌های مغناطیسی‌شان از بین رفته و تبدیل به پارامغناطیس می‌شوند. (شکل 5)

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5: از بین رفتن خاصیت یک ماده فرومغناطیس در دمای کوری برای سه فریت معروف 

نانوکامپوزیت‌های مغناطیسی مانند نانوکامپوزیت مگنتیت به دلیل ماهیت و ساختار کرسیتالی ویژه خود (ساختار اسپینلی) به دلیل بسیار بیش‌تر بودن و مقاوم‌تر بودن دیواره‌های مغناطیسی نسبت به فریت‌های معمولی در مواجه با امواج الکترومغناطیسی دیرتر به اشباع می‌رسد و پایداری بیشتری در مقابل تغییر درجه حرارت دارد. این نانوکامپوزیت به دلیل تأثیرپذیری مغناطیسی بالا وقتی در مواجه با میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد با خطوط میدان هم‌راستا شده و ایجاد آهن‌ربا می‌کند و با قطع میدان خاصیت آهن‌ربایی را نسبت به فریت‌های معمولی بیش‌تر در خود نگه می‌دارد (چون حلقه هیسترزیس بزرگ دارد و از فرومغناطیس‌های سخت است). 

پس می‌توان گفت که تأثیر نانوکامپوزیت‌های مغناطیسی در مواجه با مولفه مغناطیسی امواج رادار بسیار بالاتر از تأثیر فریت‌های معمولی است؛ یعنی برای تأثیر مساوی با نانوکامپوزیت‌ها باید مواد بیش‌تر و با ضخامت بیش‌تری از فریت‌های معمولی در سطح مورد نظر به کار رود و این باعث سنگین‌تر شدن بیجای ادوات نظامی می‌شود. (حسن بعدی استفاده از نانوکامپوزیت‌های مغناطیسی به جای فریتهای معمولی، سبک‌تر بودن آنهاست.)

5- روش مرسوم تولید نانوکامپوزیت‌های فریتی

همان طور که ذکر شد فریت‌ها ترکیباتی از سه فلز مغناطیسی آهن، کبالت و نیکل هستند. برای تولید نانوکامپوزیت فریتی، مواد اولیه شامل این سه فلز (معمولاً پودر اکسید آنها) با روش‌های کنترل شده با هم ترکیب شده و با رژیم خاص آزمایشگاهی در اندازه‌های نانو، رشد داده می‌شوند.

بیشتر بدانید
امروزه روش مرسوم تولید نانوکامپوزیت‌های فریتی، تولید شیشه سرامیک از اکسید این مواد است. در روش شیشه سرامیک، مواد اولیه با یک ماده شیشه ساز مثل سیلیس حرارت داده شده و پس از ذوب، سریع سرد می‌شوند تا شیشه تشکیل شود. بسته به ترکیب مورد نظر و با رژیم حرارتی خاص (با اعمال دماهای بحرانی تبلور فازها، که از آنالیز حرارتی نانوکامپوزیت استخراج می‌شود) بلور کامپوزیت مورد نظر و در ابعاد نانو کنترل می‌شود. در مرحله بعدی با اسید HF شیشه خورده شده و پودر کامپوزیت بدست می‌آید.

نتیجه‌گیری:

صنایع نظامی با استفاده از فناوری نانو می‌تواند پیشرفت زیادی داشته باشد. یکی از دستاوردهای علم نانو در ادوات نظامی، تجهیز آنها با مواد جاذب رادار است. با استفاده از مواد جاذب رادار ادوات تجهیز شده توسط رادار آشکار نمی‌شوند و به اصطلاح رادارگریز می‌شوند. مواد جاذب رادار اغلب فریت‌ها هستند که جزء مواد فرومغناطیس سخت هستند که با برهم‌کنش با مولفه مغناطیسی امواج رادار آن را به خود جذب کرده و اثر آن بر ادوات نظامی را تلف می‌کنند. از نقاط ضعف فریت‌ها وجود دمای کوری است که در آن خاصیت فرومغناطیسی این مواد از بین می‌رود؛ با تولید نانوکامپوزیت این فریت‌ها این دمای کوری بیش‌تر می‌شود. همچنین نانوکامپوزیت‌های فریتی از مواد فریتی بسیار سبک‌تر هستند که این سبک بودن در صنایع نظامی یک امتیاز محسوب می‌شود. 

منابـــع و مراجــــع

James D. Livingston, Electronic Properties Of Engineering Materials, 1999, John Wiley & Sons

Harris Benson, University Physics Revised Edition, 1995, John Wiley & Sons

R M Cornell and U Schwermann, The Iron Oxides, 2003, Wiley-VCH 2d ed

Air Force Link, Lockheed F-117A Nighthawk fact sheet, October 2005

Barry Fox, Stealth wallpaper keeps company secrets safe, 8 August 2004, New Scientist

A J Baden Fuller, Microwaves 3rd edition - an introduction to microwave theory and techniques, 1990, Pergamon Pr

Ralph D Lorenz, Calorimetric radar absorptivity measurement using a microwave oven, Meas. Sci. Technol. 10 (1999) L29–L32. Printed in the UK