نانوپوشش‌های تریبولوژیکی

نانوپوشش های تریبولوژیکی

پوشش های تریبولوژیکی نقش مهمی در کارایی اجزای مکانیکی داخلی یک وسیله مانند موتور و انتقال نیرو، ایفا می کنند. با کاهش میزان اصطکاک و سایش، این پوشش ها عمر مفید مواد کاری را افزایش می دهند در حالی که موجب کاهش اتلاف انرژی مانند اتلاف انرژی گرمایی می شود و بنابراین، موجب افزایش بهره وری قطعات متحرک می شود. وقتی این پوشش ها به ابزارها و ماشین ها اعمال می شود، پوشش های تریبولوژیکی می توانند نیاز به روان سازی با مواد مختلف را نداشته باشند. این پوشش ها همچنین موجب افزایش سرعت برش، نرخ حذف مواد و کاهش هزینه های نگهداری و کاهش زمان سیکل فرایند خواهد شد.
مواد سنتی مورد استفاده در پوشش های تریبولوژیکی، عبارتند از: کاربیدها، کاربیدهای سمنته، اکسیدهای فلزی، نیتریدها، و پوشش های بر پایه ی کربن. از آنجایی که ریزساختار بسیاری از خواص فیزیکی مربوط به پوشش را کنترل می کند، داشتن یک ریزساختار نانومقیاس ممکن است منجر به بهبود قابل توجه در خواص مکانیکی پوشش (مانند سختی)، خواص شیمیایی (مانند مقاومت به خوردگی) و خواص الکتریکی شود. پوشش های نانوکامپوزیتی امروزه به عنوان جایگزینی برای روش های سنتی محسوب می شوند. یک نوع از پوشش های نانوکامپوزیتی در حقیقت فیلم های نازک چند لایه ای است که از لایه های مختلفی تشکیل شده اند. این لایه ها ضخامتی در حد نانومتری دارند. این لایه ها اغلب موجب بهبود سختی و مدول الاستیک مواد می شوند. این ویژگی ها در پوشش های چند لایه بهتر از پوشش های تک لایه می باشد. پوشش های چند لایه ی تجاری در ابزارهای برش صنعتی استفاده می شوند. سایر مثال ها عبارتند از لایه های متناوب TiN و NbN یا لایه های متناوب TiAlN/CrN که در حقیقت مؤثرتر از تک لایه های TiAlN هستند.

نانوپوشش های پاسخگو

نانوپوشش های پاسخگو در حقیقت آنهایی هستند که مواد موجود در پوشش نسبت به شرایط محیطی واکنش می دهد. مثلا این مواد در برابر حرارت و نور، به صورت اکتیو یا پسیو، واکنش می دهند. این پوشش ها موجب می شوند تا خواص برخی از مواد مانند شیشه ها، با توجه به محیط، تغییر کند.
استفاده از شیشه، در ساختمان های مدرن، متداول می باشد. در حقیقت استفاده از شیشه موجب می شود تا ساختمان های شفاف با میزان مصرف نور خورشید بالا ایجاد شود. به هر حال، شفافیت نسبتاً بالا در برابر نور مرئی و فروسرخ، یکی محدودیت های شیشه ها محسوب می شود زیرا این مسئله منجر به انتقال حرارت قابل توجه در فصول گرم مانند تابستان می شود. این مسئله در زمستان عکس است و در حقیقت گرما از شیشه هدر می رود. به منظور آدرس دهی این مشکلات، انواع مختلفی از نانوپوشش ها ابداع شده اند که موجب تعدیل عبور نور از شیشه می شوند. این پوشش ها موجب کاهش در حرارت وارد در تابستان و حرارت خارج شده در زمستان می شود. این کار موجب افزایش صرفه جویی در انرژی می شود. یک نوع از این پوشش ها که به آن پوشش های با انتشار پایین می گویند، بر اساس لایه ی نازک نقره تولید شده اند. این لایه های نازک 10 نانومتر ضخامت دارند و بوسیله ی لایه های دی الکتریکی در هم پیچیده شده اند. لایه های فلزی نیز به صورت گسترده ای برای افزایش انعکاس نور از سطح شیشه، استفاده می شود. البته پوشش های فلزی موجب می شوند تا ظاهری آیینه ای ایجاد شود. نقره ظاهر فلزی خود را در زمانی که در مقیاس نانو می رود، از دست می دهد. بنابراین، این مشکل نیز با استفاده از پوشش نانومتری حل می شود. یک چنین پوشش هایی به صورت تجاری بوسیله ی Von Ardenne به بازار عرضه شده اند.
پوشش های با انتشار پایین یک نوع از نانوپوشش های پسیو است زیرا خواص لایه های مختلف آن، در طی کار، تغییر نمی کنند. یکی دیگر از گروه های پوشش هایی که در شیشه ها استفاده می شوند، آنهایی هستند که اغلب شیشه های هوشمند نامیده می شوند. در این مورد، شرایط محیطی مانند شدت تابش و یا دما، موجب القای ویژگی های خاص به پوشش می شوند (مثلا تیره شدن پنجره ها). وقتی این شیشه ها، بر اثر عوامل محیطی تغییر رنگ می دهند و یا از حالت شفاف به غیر شفاف تبدیل می شوند، به این مواد مواد هوشمند کروموژنیک می گویند. این تغییر می تواند به صورت اکتیو با فشار یک دکمه ایجاد شود. در مورد پوشش های الکتروکروماتیکی، اعمال یک ولتاژ کوچک، موجب می شود تا میزان عبور نور تغییر کند. همچنین در مورد پوشش های گاز کرومیکی، تغییر در عبور با اعمال یک گاز خاص انجام می شود. لعاب های گازکرومیکی، با استفاده از خواص مربوط به اکسید تنگستن توید شده اند در حقیقت لایه های نازک از اکسید تنگستن با حضور هیدروژن و یک کاتالیست مناسب، به رنگ آبی در می آید. پنجره های گازکرومیکی دارای یک مدل دوتایی است. در حقیقت در این پوشش ها، یک لایه اکسید تنگستن و یک لایه کاتالیست وجود دارد.
گاز هیدروژن به داخل شکاف ایجاد کننده ی رنگ، وارد می شود. برای تغییر رنگ یک گاز دیگر مانند اکسیژن وارد محفظه می شود. پوشش های هوشمند می توانند به صورت پسیو خواص نور خود را تغییر دهند. این مسئله به دلیل تغییر در دمای داخلی (ترموکرومیک) و یا برخورد نور (فوتوکرومیک)، ایجاد می شود. یک مثال دیگر از نانوتکنولوژی و اعمال پوشش های هوشمند، استفاده از خانواده ای از پوشش های با طول موج انتخابی برای تولید آیینه های نوری است. یکی از این مواد، ایندیوم قلع اکسید (ITO) است که یک جاذب نور فروسرخ است. یک پوشش 300 نانومتری از ITO بر روی شیشه موجب می شود تا بیش از 80 % عبور در طول موج های نور انجام شود و طول نورهای فروسرخ، عبور نکند. خواص عبوری مربوط به این پنجره ها، می تواند با تغییر در ضخامت و ترکیب ماده ی موجود در پوشش، تغییر کند. به نحوی که یک ترکیب از مواد می تواند برای تولید پنجره های هوشمندی استفاده شود که انرژی خورشیدی را در تابستان انعکاس دهند اما همین انرژی را در زمستان، جذب کنند.

پوشش های ابرآب دوست

یک مثال دیگر از نانوپوشش های عامل دار، پوشش های فوتوکاتالیستی هستند که از خواص کاتالیستی دی اکسید تیتانیم استفاده می کنند. وقتی نور UV به آنها تابیده می شود، پوشش ابرآب دوست می شوند و بنابراین، آب باران بر روی شیشه می چسبد و موجب تمیز شدن شیشه می شود. شیشه های خود تمیزشونده ای به صورت تجاری وجود دارند که در واقع حاوی پوشش های فوتوکاتالیستی می باشند. در حقیقت، تمیزکاری این شیشه ها، آسان تر است.
پوشش های ابر آب دوست همچنین برای جلوگیری از ایجاد دود بر روی سطوح شیشه ای نیز مناسب می باشند. این پوشش ها در واقع یک محلول و یا کلوئید تولید می کنند که موجب کاهش کشش سطحی ماده می شوند. موادی که می توانند به عنوان عوامل ضد بخار در نظر گرفته شوند، عبارتند از مواد سورفکتانت مانند صابون ها، هیدروژل ها، نانوذرات آب دوست و کلوئیدها، می باشند. عوامل ضد بخار یک لایه ی نازک ایجاد می کنند که اجازه ی تشکیل قطرات آب بر روی سطح شیشه را نمی دهد. این لایه ها، موجب کاهش کشش سطحی مایع می شوند. در مورد آب، کشش سطحی بسیار بالاست. عوامل ضد بخار یک سطح ابر آب دوست ایجاد می کند به نحوی که نور پراکنده نمی شود و این بدین معناست که چشم ما، این سطوح را شفاف می بیند. این مسئله به واسطه ی این حقیقت توصیف می شود که مولکول های آب به جای قرارگیری به شکل مدور، به صورت مسطح بر روی سطح قرار می گیرند. در حقیقت کاهش کشش سطحی دلیل اصلی این مسئله می باشد. اتصال دهی به سطح از طریق پیوندهای هیدروژنی انجام می شود. این نیروها، نیروهای ضعیفی هستند که نمی توانند نور را متفرق کنند. در حقیقت این امر موجب می شود تا شیشه در نظر ما، شفاف باشد و ما بتوانیم چیزها را به خوبی از پشت آن نگاه کنیم. این نوع از تکنولوژی به ما کمک می کند تا از ایجاد بخار بر روی عینک و دیگر سطوح، جلوگیری کنیم.

سطوح ابر آب گریز

برخلاف سطوح آب دوست، سطوح آب گریز وجود دارد که در واقع آب را دفع می کنند. قطرات آب بر روی این سطوح دارای زاویه ی قرارگیری بسیار بالایی است و این مسئله موجب می شود تا آب با قرارگیری بر روی این سطوح، به صورت گلوله در آمده و از سطح خارج شود. پوشش های ابر آب گریز دارای سطوحی هستند که از سطوح ابر آب گریز موجود در طبیعت، تقلید کرده اند. این پوشش ها از سطح نیلوفر آبی تقلید شده اند و در کاربردهایی از آنها استفاده می شود که نیازمند مقاومت بالا در برابر کثیف شدن و یا سهولت تمیزکاری هستیم.

منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff