به‌كارگیری مواد كامپوزیت و هوشمند (یا حافظه‌دار) در صنایع هواپیمایی، همچون هواپیماهای ترابری نظامی و تجاری، جنگنده‌ها، بالگردها، موشك‌اندازها و ماهواره، رشد فزاینده‌ای داشته است. گرچه توسعه سریع مواد مركب در صنایع هوایی با مزیت نسبی قابل توجهی همراه بوده، اما صنایع حمل و نقل زمینی به دلایل ذیل لاك‌پشت‌وار در این راه گام بر می‌دارد:
گرانی مواد اولیه و فرایندهای تولید
طولانی بودن زمان تولید كه فرایند تولید انبوه را مختل می‌كند
این فناوری به دلیل هزینه بالای بهینه‌سازی فرایندها، تاكنون برای محصولاتی سفارشی نظیر خودروهای مسابقه‌ای به صرفه بوده است

شكل 1: خودروهای نوین دارای فناوری پیشرفته

توسعه كاربرد مواد مركب در هواپیما و خودرو در دهه‌های گذشته، در شكل 2 نشان داده شده است.
از سوی دیگر، تغییرات وزنی خودرو به تفكیك اجزای اصلی طی 20 سال گذشته، رو به فزونی است. براساس شكل 3، خودروی 900 كیلوگرمی «ریتمو» 1978 به خودروی 1400 كیلوگرمی استیلو تبدیل شده كه این امر، بحران افزایش وزن خودرو را نشان می‌دهد. همان‌طور كه در تقسیم‌بندی ذیل دیده می‌شود، طی 2 دهه گذشته افزایش وزن اسكلت و موتور خودرو، كمتر از افزایش وزن دیگر قطعات بوده است.
بنابراین، امروزه مجموع وزن قطعات برقی و تزئینی داخل خودرو، با وزن شاسی و بدنه برابری می‌كند كه كاهش قابل ملاحظه وزن در مجموعه نخست مدنظر طراحان خودرو است. اگر توابع جدید عملكردی همچون حسگرها، محرك‌ها و فرامین الكترونیكی، یكپارچه شوند، مواد مركب می‌تواند آینده روشنی را در خودرو به ارمغان آورد (شكل 4). این تغییر الگو1 جز با توجه به قیمت مواد هوشمند، قیمت مواد زمینه2 و هزینه‌های تولید ممكن نیست. مواد مركب چند منظوره، قادرند حدود 20 درصد از وزن قطعات الكتریكی و مكانیكی سنگین را كاهش دهند كه این خود می‌تواند كاهش قیمت خودرو را نیز در برداشته باشد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 2: جایگاه نانوكامپوزیت‌ها در حمل و نقل هوایی و زمینی

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 3: دو مدل هم كلاس از خودروی فیات

 

 

 

 

 

 

 

شكل 4: فرامین حسگر و محرك

مواد هوشمند یا حافظه‌دار
مواد هوشمند، موادی هستند كه توسط توابعی خاص به عواملی نظیر دما، میدان مغناطیسی، نور، PH، تنش، كرنش و... مربوطند. این مواد، می‌توانند جایگزین عملكرد محرك‌ها و حسگرهای خودرو شوند كه به نوبه خود تأثیر بسزایی در كاهش اندازه، وزن و قیمت اجزای مختلف خودرو دارد. به منظور وضوح مطلب، برخی از انواع این مواد معرفی می‌شوند:
مواد پیزوالكتریك3: این مواد با دریافت تنش، ولتاژ تولید می‌كنند و برعكس. به بیانی دیگر با دریافت ولتاژ مشخصی تنش متناسبی در نمونه ایجاد خواهد شد. این مواد می‌توانند به صور مختلف طراحی شوند مثلاً با تغییر ولتاژ قطعه خم شوند یا منقبض شوند.
مواد ترموپوزتیو4: این مواد در دماهای مختلف، اشكال هندسی مشخصی به خود می‌گیرند. فلزات حافظه‌دار یا پولیمرهای حافظه‌دار از این دسته‌اند. مثلاً آلیاژهای حافظه‌دار شكلی SMAا5 همان فلزاتی هستند كه شكل اولیه خود را به خاطر می‌آورند. این خصوصیات به دلیل استحاله فاز مارتزیتی وابسته به دما از ساختار كریستالوگرافی تقارن كم به تقارن زیاد بروز می‏كند. این ساختار كریستالی جدید همان فاز آستنیت6 یا گاما در مارتنزیت7 است. سه نوع اصلی از این آلیاژها عبارتند از: nickel-aluminum-copper, aluminum-zinc-copper و NiTi) titanium-nickel).
مواد حافظه‌دار مغناطیسی8 : این مواد با تغییرات مشخصی از میدان مغناطیسی شكل خود را تغییر می‌دهند.
موادهالوكرومیك9 : این مواد با تغییر اسیدیته یا PH از خود تغییر رنگ نشان می‌دهند.
مواد فوتوكرومیك: موادی كه با تغییر شدت نور، رنگ خود را تغییر می‌دهند.
نانو لوله‌های كربنی CNT : نانو لوله، یكی از مقاوم‌ترین مواد ساخت بشر است كه مقاومت مكانیكی و مدول الاستیسیته بالایی دارد. مقاومت مكانیكی 63 گیگا پاسكال و مدول الاستیسته یك تراپاسكال در قیاس با فولادهای با مقاومت مكانیكی بالا (1.2Gpa) تأمل برانگیز است.
سیال هوشمند: خصوصیات این سیال نظیر لزجت، با قرارگیری در میدان الكتریكی یا مغناطیسی تغییر می‌كند.
در مجموع، مواد هوشمند علاو‌بر اینكه در یك لحظه به عنوان حسگر و محرك عمل می‌كنند، می‌توانند عملیات مكانیكی كنترل شده‌ای را بدون داشتن مكانیزم اضافی، انجام دهند. همچنین، این مواد علاوه‌بر اشغال فضای بسیار كم، سازگاری مناسبی با محیط زیست دارند. بنابراین، برای در نظر گرفتن حداكثر مزایای كاربردی مواد هوشمند در صنعت خودرو می‌بایستی طراحی سیستم‌های جدید از مهندسی اجزای خودرو شروع شود. به بیانی دیگر، با طراحی مواد در اندازه‌های مولكولی، می‌توان به مهندسی مشخصات عملكردی تك‌تك اجزا پرداخت.
شكل 5، كاربردهای مواد هوشمند و مواد مركب چند منظوره در قسمت‌های مختلف خودرو را نشان می‌دهد.

كاربردها
1. شكل 6، مواد مركب چند منظوره هوشمند در طراحی آیرودینامیك سقف خودرو را نشان می‌دهد. این ساختار شامل اجزای ذیل است:
- مواد فعال با فیبرهای مختلط
- لایه توزیع شده حسگر قابل تغییر شكل
- ساختار كامپوزیت هوشمند

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 5: استفاده از مواد مركب در قسمت‌های مختلف خودرو

 

 

 

 

 

شكل 6: مواد مركب فعال چند منظوره

 

 

 

 

 

 

شكل 7: ضربه‌گیر فعال

مجموعه این ساختار، باعث بهبود عملكرد آیرودینامیكی سقف در سرعت‌های مختلف خودرو می‌شود. به كمك این مواد، ضمن كاهش صدای زوزه سقف خودرو به صورت فعال، اغتشاش هوای عبوری از قسمت عقب خودرو قابل كنترل است.
2. ساخت ضربه‌گیرهای هوشمند سپر برای برخورد كم خطر عابر پیاده با خودرو، از دیگر كاربردهای این مواد است. در استانداردهای جدید اروپایی، قواعد خاصی برای محافظت از عابر به هنگام برخورد با خودرو تعریف شده است. این قانون برای افزایش حفاظت از عابر پیاده، چگونگی برخورد سر وی با درب موتور10 را ارزیابی می‌كند (شكل 7). بنابراین، با قرار دادن مجموعه‌های نازك پیزو پلیمری یا فیبر نوری در طول ضربه‌گیر، به كمك واحد كنترل الكترونیكی (ECU)، سیگنال‌های دریافتی ضربه‌گیر، تحلیل شده و سپس الگوریتم محافظت از عابر پیاده با تغییر شكل قسمت‌های مختلف نظیر درب موتور استخراج می‌شود.
3. نانوكامپوزیت‌های مغناطیسی در تولید حسگرهای دما، موقعیت و فشار به‌كار می‌روند. سیكل هیسترسیس موادمركب مغناطیسی می‌تواند براساس نانو ذرات مغناطیسی طراحی و بهینه شود. بنابراین، می‌توان رفتارهای هیسترسیس حسگرها را حذف كرد كه سبب حساسیت و دقت بیشتر حسگرها خواهد شد. چسب‌های فعال11 با چگالی متغیر نوعی دیگر از این نانوكامپوزیت‌ها هستند. این نوع چسب در دمای زیر 80 درجه سانتی‌گراد به صورت جامد بوده و در دمای بالاتر تغییر چگالی داده و نرم می‌شود. امواج میكروویو، سبب تغییر حالت چسب شده و در نتیجه فرایند تولید، تسریع می‌شود. بتازگی این چسب توسط شركت فیات برای چسباندن اجزای سقف خودرو به كار رفته است.

پانوشت‌ها:
1. Paradigm
2. Matrix
3. Materials Piezoelectric
4. Thermo responsive materials
5. Shape memory alloy
6. Austenite
7. Martensite
8. Magnetic Shape memory alloys
9. halochromic
10. hood
11. Hot-melt


منابع:
1. francesco.butera@crf.it
2. Limpert, R., "Brake design ad safety", SAE International, P. 361, 1992.
3. www.nanotec.it
4 . «گزارشی از كاربردهای نانوتكولوژی در صنعت خودرو»، كمیته مطالعات سیاست نانوتكنولوژی، 1382.
5 . «بررسی جایگاه نانوتكنولوژی در صنعت خودرو»، ماهنامه صنعت خودرو، شماره 84، سال هشتم، اردیبهشت 1383.

نوشته شده در تاریخ شنبه 5 بهمن 1387    | توسط: Farzad Yosef-Lavi    |    |
نظرات()