*مینا*
20th January 2010, 09:21 PM
گفتيم که يکي از مهمترين عواملي که باعث شد بشر اقدام به پوشش برخي از مواد به وسيلة مواد ديگر کند، نياز به بهبود خواص مهندسي اين مواد بود. در اين قسمت، ابتدا خواص مهندسي مواد را در سه دستة خواص شيميايي، خواص مکانيکي و خواص فيزيکي توضيح مي‌دهيم و سپس خواص مهندسي پوشش‌هاي معمولي و نانوپوشش‌ها را مقايسه مي‌کنيم.
اختلاف نانوپوشش‌ها با پوشش‌هاي معمولي در ساختار و خواصشان است. پس با شناختن خواص و ساختار نانوپوشش‌ها مي‌توان متوجه اين اختلاف‌ها شد. خاصيت هر ماده مربوط به ذرات سازندة آن است. خواص پوشش، به دانه¬ و ذرات تشکيل‌دهندة آن بستگي دارد. خواص شيميايي، فيزيکي و مکانيکيِ نانوپوشش‌ها خواصي هستند از قبيل: مقاومت الکتريکي، نفوذپذيري، مقاومت نسبت به خوردگي، سايش، خاصيت مغناطيسي و... . اين خواص تابع ساختار و اندازة دانة پوشش‌ها هستند. روشن است که استفاده از اين خواص کاربردهاي زيادي فراهم مي‌کند. يکي از تفاوت‌هاي عمده ميان نانوپوشش‌ها و پوشش‌هاي معمولي، مقاومت بالاي نانوپوشش‌ها نسبت به خوردگي است.
خواص خوردگی
اتم‌ها در حوزه‌هايي به صورت منظم چيده شده‌اند. به اين حوزه‌هاي منظم «دانه» مي‌گويند. (مقالة «چه چيزي خواص مواد را مشخص مي كند؟» را ببينيد.) اگر سه دانه با هم برخورد کنند، به آن نقطه، «نقطة سه‌گانه» مي‌گويند. اين به آن مي‌ماند که سه دايره با هم برخورد کنند. به خاطر شکل هندسي دايره، فضاي خالي‌اي در محل اتصال ايجاد مي‌شود که به آن «مرز دانه» مي‌گويند. شكل زير را بينيد. (شکل 9)
http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating03/01.gif
اتم‌هايي که در مرز قرار دارند، متعلق به هيچ دانه‌اي نيستند. در نتيجه با اتم‌هاي کناري خود تعداد پيوند کمتري برقرار مي‌کنند. وقتي مادة خورنده در پوشش نفوذ مي‌کند، با اتم‌هاي مرزِ دانه پيوند تشکيل مي‌دهد و مواد جديدي درست مي¬کند. مثلاً وقتي آب در آهن نفوذ مي‌کند، زنگ آهن درست مي‌کند که از نظر ترکيب، هم با آب و هم با آهن فرق دارد. به اين ترتيب، باعث خوردگي مي¬شود.
با اين حساب، نانوپوشش‌ها بايد بيشتر در معرض خوردگي باشند. پس چرا مقاومترند؟ در نانوپوشش‌ها مساحت مرزِ دانه زياد است و اين موجب خوردگي بيش از اندازه مي‌شود. ولي اين خوردگي در مرز اتفاق مي‌افتد نه درون دانه. اما چون اين نقاط پراکندگي يکنواختي دارند، بنابراين خوردگي يکنواخت‌تر است و خوردگي موضعي که ترک و شکست ايجاد مي‌کند در کار نخواهد بود.
خواص مکانيکی
پوشش‌دهي و نانوپوشش‌ها خواص مناسب ديگري هم دارند که موجب استفادة فراوان از آنها شده است. تصور کنيد که مادة نرمي داشته باشيد و براي شما مهم است اين ماده نرم باشد تا در برابر ضربه و ديگر بارها و نيروهاي مکانيکي که به صورت ناگهاني اعمال مي‌شوند نشکند. اما از طرفي اين ماده همواره در تماس با يک مادة زبر است و بين اين دو قطعه اصطکاک به وجود مي‌آيد. خوب واضح است که روي سطح مادة نرم شما همواره خش و خط مي‌افتد و قطعة شما از بين خواهد رفت. براي حل اين مشکل يک لايه از يک مادة سخت را روي سطح مادة اول مي‌نشانند تا در برابر نيروهايي که در سطح ماده اعمال مي‌شوند، مثل اصطکاک، مقاوم شود. از طرف ديگر، مغز قطعه هنوز نرم و انعطاف‌پذير است. بنابراين، قطعه در برابر نيروهاي ناگهاني مثل ضربه هم مقاوم خواهد بود. پس ديديد که چگونه خواص مکانيکي يک ماده ــ مثل سختي ــ را با پوشش‌دهي مي‌توان بهبود بخشيد.
حال توجه کنيد که ميزان سختي ــ يا همان مقاومت در برابر جسم فروروندة خارجي ــ به چند عامل بستگي دارد:
1. يکي از اين عوامل، نيروهاي بين اتميِ موادند. اين نيروها خاصيت ذاتي ماده‌اند. مثلاً نيروي بين اتم‌هاي آهن، به علت پيوند فلزي بين اتم‌هاي آهن خيلي بيشتر از نيروهاي اتمي بين اتم‌هاي گاز هليم‌اند که با پيوند واندروالسي به هم متصل مي‌شوند. اين امر در عمل هم قابل تصور است، چرا که اتم‌هاي گاز به‌راحتي، حتي با يک فوت، از هم جدا مي‌شوند. اين در حالي است که براي شکافت اتم‌هاي آهن بايد نيروي بسيار بسيار زيادي صرف کرد.
2. دومين عامل بسيار مؤثر در مقاومت مواد در برابر سختي، ساختار سطح مواد است. واضح است که اگر سطح مواد متخلخل و پر از ترک باشد، مقاومت مواد در برابر يک عامل فروروندة خارجي بسيار کمتر خواهد بود. با اين تصور، با استفاده از فناوري نانو مي‌توان ساختارهايي را توليد کرد که يا ترک‌هاي کمتري داشته باشند يا اندازة دانة آنها آن‌قدر کوچک باشند که وقتي عامل فروروندة خارجي به سطح ماده برخورد مي‌کند، عملاً به مرزهاي اين دانه‌ها برخورد کند و چون مرزها محل بي‌نظمي اتم‌ها هستند و انرژي پيوندها با پيوندهاي داخل دانه فرق دارند (به طوري که از خود مقاومت بيشتري در برابر مادة فروروندة خارجي نشان مي‌دهند)، پس مادة ريز دانة ما که دانه‌هايي در حد نانومتري دارد، مقاومت بيشتري در برابر سختي نشان مي‌دهد.
البته چنين پوشش‌هايي ساير خواص مکانيکي مثل خستگي را هم بهبود مي‌بخشند، که به‌اختصار به آنها مي‌پردازيم.
خستگی
براي درک خستگي، يک سيم را تصور کنيد. براي پاره کردن آن چه مي‌کنيد؟ آيا آن را مي‌کشيد؟ البته اگر سيم پلاستيک يا نايلوني باشد شايد بتوان به اين طريق سيم را پاره کرد، اما براي پاره کردن سيم فلزي بايد چند بار آن را بالا و پايين کرد. در واقع، بايد جهت نيرو را عوض کرد. نيروهايي که به اين صورت با تغيير جهت وارد مي‌شوند، در واقع مواد را خسته مي‌کنند. يکي از مهمترين ويژگي‌هاي مواد که مقاومت آنها را در برابر خستگي مشخص مي‌کند، ويژگي‌هاي سطحي آنهاست که با نانوساختار کردن سطح و ريزدانه کردن و البته کم کردن نقايص سطحي، مثل ترک، مي‌توان اين خواص را بهبود بخشيد.
خواص فيزيکی
يکي از مهمترين مزيت‌هاي پوشش‌دهي، بهبود خواص فيزيکي مثل هدايت الکتريکي است. همان‌طور که مي‌دانيد هدايت بارهاي الکتريکي به وسيلة ارتعاش اتم‌ها و برخورد آنها با هم انجام مي‌شود .(براي تصور درست از اين قضيه بازي «دستِش دِه» را به ياد آوريد.)
وقتي يک بارِ الکتريکي وارد مجموعه‌اي از اتم‌ها مي‌شود، اتم‌ها سر جاي خود مي‌لرزند و ارتعاش مي‌کنند. اين ارتعاش باعث مي‌شود بارهاي الکتريکي در داخل يک مجموعة اتمي انتقال پيدا کنند. واضح است که اگر در اين مجموعه جاي يک اتم خالي باشد در آن منطقه هدايت به‌خوبي انجام نمي‌شود. بنابراين، مادة هادي خوبي نخواهد بود و هر چه ماده منظم‌تر باشد اين هدايت راحت‌تر انجام مي‌شود. از طرف ديگر، بايد بدانيد که هر چه ماده بزرگتر مي‌شود، احتمال اينکه اتم‌ها سر جاي خودشان قرار گرفته باشند کاهش مي‌يابد و در واقع تعداد نقص‌هاي نقطه‌اي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک اتم نباشد، در واقع جاي خالي يا اتم اضافي)، يا نقص‌هاي خطي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک رديف اتم نباشد)، يا نقص‌هاي صفحه‌اي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک صفحة اتم نباشد) بيشتر مي‌شود و هر چقدر تعداد اين نواقص بيشتر باشد، خواص فيزيکي بيشتر افت مي‌کنند. از اين رو، در برخي از کاربردها مثل حسگرها (که در آنها يک انرژي به نوعي ديگر تبديل مي‌شود تا بتوان آن را آشکارسازي کرد) با نشاندن لايه‌هاي نازک، خواص الکتريکي ــ مثل هدايت ــ بهبود مي‌يابند.
منابع و توضیحات:
- استاد راهنما: مهدی حبیب نژاد
بر گرفته از نانو کلوپ
اختلاف نانوپوشش‌ها با پوشش‌هاي معمولي در ساختار و خواصشان است. پس با شناختن خواص و ساختار نانوپوشش‌ها مي‌توان متوجه اين اختلاف‌ها شد. خاصيت هر ماده مربوط به ذرات سازندة آن است. خواص پوشش، به دانه¬ و ذرات تشکيل‌دهندة آن بستگي دارد. خواص شيميايي، فيزيکي و مکانيکيِ نانوپوشش‌ها خواصي هستند از قبيل: مقاومت الکتريکي، نفوذپذيري، مقاومت نسبت به خوردگي، سايش، خاصيت مغناطيسي و... . اين خواص تابع ساختار و اندازة دانة پوشش‌ها هستند. روشن است که استفاده از اين خواص کاربردهاي زيادي فراهم مي‌کند. يکي از تفاوت‌هاي عمده ميان نانوپوشش‌ها و پوشش‌هاي معمولي، مقاومت بالاي نانوپوشش‌ها نسبت به خوردگي است.
خواص خوردگی
اتم‌ها در حوزه‌هايي به صورت منظم چيده شده‌اند. به اين حوزه‌هاي منظم «دانه» مي‌گويند. (مقالة «چه چيزي خواص مواد را مشخص مي كند؟» را ببينيد.) اگر سه دانه با هم برخورد کنند، به آن نقطه، «نقطة سه‌گانه» مي‌گويند. اين به آن مي‌ماند که سه دايره با هم برخورد کنند. به خاطر شکل هندسي دايره، فضاي خالي‌اي در محل اتصال ايجاد مي‌شود که به آن «مرز دانه» مي‌گويند. شكل زير را بينيد. (شکل 9)
http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating03/01.gif
اتم‌هايي که در مرز قرار دارند، متعلق به هيچ دانه‌اي نيستند. در نتيجه با اتم‌هاي کناري خود تعداد پيوند کمتري برقرار مي‌کنند. وقتي مادة خورنده در پوشش نفوذ مي‌کند، با اتم‌هاي مرزِ دانه پيوند تشکيل مي‌دهد و مواد جديدي درست مي¬کند. مثلاً وقتي آب در آهن نفوذ مي‌کند، زنگ آهن درست مي‌کند که از نظر ترکيب، هم با آب و هم با آهن فرق دارد. به اين ترتيب، باعث خوردگي مي¬شود.
با اين حساب، نانوپوشش‌ها بايد بيشتر در معرض خوردگي باشند. پس چرا مقاومترند؟ در نانوپوشش‌ها مساحت مرزِ دانه زياد است و اين موجب خوردگي بيش از اندازه مي‌شود. ولي اين خوردگي در مرز اتفاق مي‌افتد نه درون دانه. اما چون اين نقاط پراکندگي يکنواختي دارند، بنابراين خوردگي يکنواخت‌تر است و خوردگي موضعي که ترک و شکست ايجاد مي‌کند در کار نخواهد بود.
خواص مکانيکی
پوشش‌دهي و نانوپوشش‌ها خواص مناسب ديگري هم دارند که موجب استفادة فراوان از آنها شده است. تصور کنيد که مادة نرمي داشته باشيد و براي شما مهم است اين ماده نرم باشد تا در برابر ضربه و ديگر بارها و نيروهاي مکانيکي که به صورت ناگهاني اعمال مي‌شوند نشکند. اما از طرفي اين ماده همواره در تماس با يک مادة زبر است و بين اين دو قطعه اصطکاک به وجود مي‌آيد. خوب واضح است که روي سطح مادة نرم شما همواره خش و خط مي‌افتد و قطعة شما از بين خواهد رفت. براي حل اين مشکل يک لايه از يک مادة سخت را روي سطح مادة اول مي‌نشانند تا در برابر نيروهايي که در سطح ماده اعمال مي‌شوند، مثل اصطکاک، مقاوم شود. از طرف ديگر، مغز قطعه هنوز نرم و انعطاف‌پذير است. بنابراين، قطعه در برابر نيروهاي ناگهاني مثل ضربه هم مقاوم خواهد بود. پس ديديد که چگونه خواص مکانيکي يک ماده ــ مثل سختي ــ را با پوشش‌دهي مي‌توان بهبود بخشيد.
حال توجه کنيد که ميزان سختي ــ يا همان مقاومت در برابر جسم فروروندة خارجي ــ به چند عامل بستگي دارد:
1. يکي از اين عوامل، نيروهاي بين اتميِ موادند. اين نيروها خاصيت ذاتي ماده‌اند. مثلاً نيروي بين اتم‌هاي آهن، به علت پيوند فلزي بين اتم‌هاي آهن خيلي بيشتر از نيروهاي اتمي بين اتم‌هاي گاز هليم‌اند که با پيوند واندروالسي به هم متصل مي‌شوند. اين امر در عمل هم قابل تصور است، چرا که اتم‌هاي گاز به‌راحتي، حتي با يک فوت، از هم جدا مي‌شوند. اين در حالي است که براي شکافت اتم‌هاي آهن بايد نيروي بسيار بسيار زيادي صرف کرد.
2. دومين عامل بسيار مؤثر در مقاومت مواد در برابر سختي، ساختار سطح مواد است. واضح است که اگر سطح مواد متخلخل و پر از ترک باشد، مقاومت مواد در برابر يک عامل فروروندة خارجي بسيار کمتر خواهد بود. با اين تصور، با استفاده از فناوري نانو مي‌توان ساختارهايي را توليد کرد که يا ترک‌هاي کمتري داشته باشند يا اندازة دانة آنها آن‌قدر کوچک باشند که وقتي عامل فروروندة خارجي به سطح ماده برخورد مي‌کند، عملاً به مرزهاي اين دانه‌ها برخورد کند و چون مرزها محل بي‌نظمي اتم‌ها هستند و انرژي پيوندها با پيوندهاي داخل دانه فرق دارند (به طوري که از خود مقاومت بيشتري در برابر مادة فروروندة خارجي نشان مي‌دهند)، پس مادة ريز دانة ما که دانه‌هايي در حد نانومتري دارد، مقاومت بيشتري در برابر سختي نشان مي‌دهد.
البته چنين پوشش‌هايي ساير خواص مکانيکي مثل خستگي را هم بهبود مي‌بخشند، که به‌اختصار به آنها مي‌پردازيم.
خستگی
براي درک خستگي، يک سيم را تصور کنيد. براي پاره کردن آن چه مي‌کنيد؟ آيا آن را مي‌کشيد؟ البته اگر سيم پلاستيک يا نايلوني باشد شايد بتوان به اين طريق سيم را پاره کرد، اما براي پاره کردن سيم فلزي بايد چند بار آن را بالا و پايين کرد. در واقع، بايد جهت نيرو را عوض کرد. نيروهايي که به اين صورت با تغيير جهت وارد مي‌شوند، در واقع مواد را خسته مي‌کنند. يکي از مهمترين ويژگي‌هاي مواد که مقاومت آنها را در برابر خستگي مشخص مي‌کند، ويژگي‌هاي سطحي آنهاست که با نانوساختار کردن سطح و ريزدانه کردن و البته کم کردن نقايص سطحي، مثل ترک، مي‌توان اين خواص را بهبود بخشيد.
خواص فيزيکی
يکي از مهمترين مزيت‌هاي پوشش‌دهي، بهبود خواص فيزيکي مثل هدايت الکتريکي است. همان‌طور که مي‌دانيد هدايت بارهاي الکتريکي به وسيلة ارتعاش اتم‌ها و برخورد آنها با هم انجام مي‌شود .(براي تصور درست از اين قضيه بازي «دستِش دِه» را به ياد آوريد.)
وقتي يک بارِ الکتريکي وارد مجموعه‌اي از اتم‌ها مي‌شود، اتم‌ها سر جاي خود مي‌لرزند و ارتعاش مي‌کنند. اين ارتعاش باعث مي‌شود بارهاي الکتريکي در داخل يک مجموعة اتمي انتقال پيدا کنند. واضح است که اگر در اين مجموعه جاي يک اتم خالي باشد در آن منطقه هدايت به‌خوبي انجام نمي‌شود. بنابراين، مادة هادي خوبي نخواهد بود و هر چه ماده منظم‌تر باشد اين هدايت راحت‌تر انجام مي‌شود. از طرف ديگر، بايد بدانيد که هر چه ماده بزرگتر مي‌شود، احتمال اينکه اتم‌ها سر جاي خودشان قرار گرفته باشند کاهش مي‌يابد و در واقع تعداد نقص‌هاي نقطه‌اي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک اتم نباشد، در واقع جاي خالي يا اتم اضافي)، يا نقص‌هاي خطي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک رديف اتم نباشد)، يا نقص‌هاي صفحه‌اي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک صفحة اتم نباشد) بيشتر مي‌شود و هر چقدر تعداد اين نواقص بيشتر باشد، خواص فيزيکي بيشتر افت مي‌کنند. از اين رو، در برخي از کاربردها مثل حسگرها (که در آنها يک انرژي به نوعي ديگر تبديل مي‌شود تا بتوان آن را آشکارسازي کرد) با نشاندن لايه‌هاي نازک، خواص الکتريکي ــ مثل هدايت ــ بهبود مي‌يابند.
منابع و توضیحات:
- استاد راهنما: مهدی حبیب نژاد
بر گرفته از نانو کلوپ