نانوکامپوزیت‌های مقاوم با قابلیت کارکرد در کشتی‌سازی و هوافضا چگونه تولید شد؟

گروه استان‌های خبرگزاری آنا ـ حسین بوذری؛ to compose یعنی ترکیب‌کردن و کامپوزیت (composite) یعنی مرکب. مرکب، یعنی چیزی که از ترکیب چند چیز مختلف به دست آمده است. مواد کامپوزیتی به موادی گفته می‌شوند که از ترکیب چند نوع ماده به وجود آمده‌اند. وقتی می‌گوییم از ترکیب چند ماده، منظور این است که هرکدام از این مواد ترکیب‌شده، قابلیت استفاده به‌صورت یک ماده مستقل را دارند.

نخستین کامپوزیت چه زمانی ساخته شد؟

شاید نخستین کامپوزیتی که بشر با آن سروکار پیدا کرد، کاه‌گِل باشد. قدیم‌ها برای ساختن خانه از گل استفاده می‌کردند؛ اما چون گل بعد از خشک شدن ترک می‌خورد (وقتی آبِ گل تبخیر می‌شود، حجم آن کاهش پیدا می‌کند و چون گل خشک نمی‌تواند خودش را جمع کند، ترک می‌خورد)، مقداری کاه به آن افزودند تا حفره‌ها را پُر کند و مانع از ترک خوردن گل شود. شاید هم نخستین کامپوزیت را مصری‌ها ساخته باشند که در قایق‌هایشان به چوب بدنه مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن چوب باد نکند، اما مواد کامپوزیتی در سال‌های اخیر به‌عنوان یک ماده مهندسی پذیرفته شده‌ است.

چرا از کامپوزیت‌ها استفاده می‌کنیم؟

گِل به‌تنهایی و پس از خشک شدن ترک می‌خورد و کاه با خواص ارتجاعی خود این نقص گل را برطرف می‌کند؛ بنابراین مقداری از آن را به گل می‌افزایند. دلیل استفاده از کامپوزیت همین خواص است. یعنی ما برای اینکه خواص بدِ یک ماده را برطرف کنیم، ماده دیگری را که مکمل خواص ماده اولیه است به آن می‌افزاییم.

خواص مهندسی مواد کامپوزیتی چیست؟

برای ساخت قطعات، دستگاه‌‌ها، ساختمان‌ها و ... از مواد خاصی استفاده می‌کنیم؛ چراکه همه مواد خواص مورد نیاز ما را در آن دستگاه برآورده نمی‌کنند. به این خواص ماده که موجب می‌شود آن ماده دارای کاربردهای مهندسی شود، «خواص مهندسی مواد» می‌گویند. خواص مهندسی مواد عبارتند از خواص مکانیکی مانند خواص کشتی، خواص فیزیکی مانند هدایت الکتریکی و خواص شیمیایی مانند مقاومت در برابر خوردگی.

نمونه‌ای از این تغییر خواص شیمیایی را در زیر می‌بینید. اینجا با تبدیل میکروکامپوزیت به نانوکامپوزیت امکان شکل‌گیری ذغال به ماده اضافه شده است. با این کار از گسترش آتش جلوگیری می‌شود.

در سال‌های گذشته نانوکامپوزیت‌ها راه‌حل‌های متنوعی را برای صنعت هوافضا ارائه کرده‌اند.

انواع نانوکامپوزیت‌ها
نانوکامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی
سرامیک بخش عمده‌ای از این گروه کامپوزیت‌ها را تشکیل می‌دهد. بیشتر نانوکامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی یک فلز را به عنوان دومین ماده تشکیل می‌دهند. هر دو مؤلفه به خوبی در یکدیگر پراکنده شده‌اند. مشخص شد که نانوکامپوزیت‌های این ترکیبات دارای خواص نوری، الکتریکی، مغناطیسی و خواص محافظتی، مقاومت در برابر خوردگی و خوردگی هستند.

در سال 2009، GE Aviation، اوهایو اجزای کامپوزیت ماتریس سرامیکی سبک و بادوام را برای استفاده در یک موتور جت معرفی کرد. این کامپوزیت‌ها در مقایسه با فلزات دارای جرم کم و مقاومت بیشتری در برابر حرارت هستند. موتورهای کامپوزیت ماتریس سرامیکی به هوای خنک‌کننده کمتری نیاز دارند و در نتیجه موجب بهبود راندمان کلی موتور می‌شوند.

نانوکامپوزیت‌های ماتریس پلیمر
اضافه کردن نانوذرات به ماتریس پلیمر می‌تواند عملکرد آن را ارتقا بخشد. این رویکرد به‌ویژه در تولید کامپوزیت‌های با کارایی بالا مؤثر است.

زمانی که نانوذرات به‌خوبی پراکنده شوند و خواص پرکننده نانومقیاس بهتر از ماتریس باشد، پراکندگی نانوذرات در کامپوزیت می‌تواند خصوصیات جدیدی از قبیل تجزیه‌پذیری شتاب‌یافته یا مقاومت در برابر آتش را که در ماتریس‌های پرنشده وجود ندارد، معرفی کند و به‌طور مؤثر ماهیت ماتریس اصلی را تغییر دهد.

استفاده از نانوذرات در این ماتریس‌های پلیمری و در نتیجه ایجاد یک نانوکامپوزیت می‌تواند یک ماده چندمنظوره بهینه برای نیازهای هوافضا و سایر کاربردها به بار آورد.

نانوکامپوزیت‌های ماتریس فلزی

نانوکامپوزیت‌های ماتریس فلزی (MMC) که به‌عنوان کامپوزیت‌های ماتریس فلزی تقویت شده شناخته می‌شوند، می‌توانند به عنوان مواد تقویت شده مداوم و غیرمداوم طبقه‌بندی شوند.

کامپوزیت ماتریس فلز نانولوله‌های کربنی (CNT-MMC) یکی از مهم‌ترین نانوکامپوزیت‌ها برای استحکام کششی بالا و هدایت الکتریکی آنها است.

صنایع بورک (Bourque Industries) در حال تحقیق در مورد کاربردهای فناوری کریرون (Kryron) برای صنعت هوافضا است. کرینوزاسیون مواد تخصصی CNT-MMC را از انواع بسترهای اصلی تهیه می‌کند. ضریب مقاومت بالا به وزن، خصوصیات ضدخوردگی و غیرمغناطیسی، هدایت الکتریکی عالی و خاصیت دفع گرما از این مواد برای صنعت هوافضا استفاده می‌شود.

عملکرد نانوکامپوزیت‌ها در ساخت هواپیما
این نانوکامپوزیت به‌عنوان یک راه‌حل پیشرفته در ساخت هواپیماست. برخی از عناصر برنامه شامل موارد زیر است:

نانوکامپوزیت به عنوان تقویت‌کننده برای سازه‌هایی از قبیل قاب‌ها، نوارها یا به عنوان لایه بیرونی برای سازه‌های نوع لانه زنبوری که در بدنه و بال‌ها استفاده می‌شود، عمل می‌کند.

نانوکامپوزیت‌های زیرکونیا به عنوان محافظ حرارتی برای توربوژنین‌ها مورد استفاده قرار گرفتند.

کامپوزیت‌های نانوکربن به‌عنوان مواد پایه‌ای برای موشک‌ها، شاتل‌های فضایی و وسایل نقلیه عمل می‌کنند. همچنین از آن به‌عنوان مواد دیسک ترمز و لنت ترمز برای هواپیماهای نظامی و غیرنظامی استفاده می‌شود.

با ترکیب ماتریس سرامیکی یکپارچه nanoadditive، نانوکامپوزیت‌ها یک راه‌حل بی‌نظیر برای رادوم هواپیماهای هیپرسونیک را نشان می‌دهند.
صنعت هوافضا علاوه بر توانایی در قالب‌گیری قطعات و اجزای کامپوزیت در اشکال خمیده و پیچیده به مواد کم وزن و مستحکمی نیاز دارد که این امر برای کاربردهای نظامی بسیار مهم است. در حقیقت کامپوزیت‌ها از زمان معرفی آنها به طور متوسط ​​25 درصد از وزن هواپیما را تشکیل می‌دهند.

تحولات اخیر در طراحی هواپیما که می‌توان در هواپیماهای Bombardier C Airbus A380 و هواپیماهای Boeing B787 مشاهده کرد، منجر به افزایش چشمگیر استفاده از کامپوزیت‌ها و افزایش متناظر در پیوند چسب سازه‌های اولیه در هواپیماها شده است.

به گزارش آنا، علی‌اصغر جهانگیری حسین‌آبادی دانشجوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساری به‌تازگی موفق به اختراع نانوکامپوزیت‌های مقاوم در نتیجه پایان‌نامه کارشناسی‌ارشد در رشته مهندسی مکانیک با راهنمایی یاسر رستمیان عضو هیئت‌علمی گروه مهندسی مکانیک این واحد دانشگاهی شده است.

خبرنگار آنا در این‌باره با یاسر رستمیان مسئول علمی آزمایشگاه تحقیقاتی نانوتکنولوژی و مواد پیشرفته واحد ساری و استاد راهنما در ساخت «نانوکامپوزیت‌های مقاوم به محیط خورنده و بهبود خواص مکانیکی از رزین فنولیک تقویت شده با الیاف کربن کوتاه با نانوذرات رس و SiO۲» گفتگو کرده است که مشروح آن در پی می‌آید:

آنا: ابتدا درباره اختراع نانوکامپوزیت که قابلیت کاربرد در صنعت کشتی‌سازی و هوافضا را دارد، توضیح دهید.

رستمیان: این اختراع محصول پایان‌نامه علی‌اصغر جهانگیری دانشجوی من است؛ این محصول با عنوان رزین‌های فنولی که در محیط‌های اسیدی تحت خوردگی هستند، مورد بررسی قرار گرفت، به‌طوری‌که آن را به‌‌عنوان کامپوزیت در معرض آسیب مورد آزمایش قرار دادیم.

کامپوزیت‌ها قابلیت تبدیل به ترکیبی از چند ماده مختلف را دارند

با نانوذرات استفاده شده محیط خورنده نمی‌تواند روی خواص مکانیکی تأثیر منفی بگذارد و از این جهت قابل توجه بوده و ثبت اختراع شده است.

آنا: ثبت اختراع نانوکامپوزیت چه زمانی نهایی شد؟

رستمیان: تقریباً دو هفته‌ای است که این اختراع به ثبت رسیده است، اما پروسه‌ آن طولانی بود.

آنا: جرقه‌ این اختراع از چه زمانی در ذهن شما و همکارانتان زده شد؟

رستمیان: بین سال‌های 1384 تا 1387 (پایان 87) به عنوان کارشناس فنی کارخانه کشتی‌سازی صنایع دریایی ایران (صدرا) در منطقه امیرآباد مازندران مشغول به فعالیت بودم. همواره این سؤال را از خودم می‌پرسیدم که چرا سازه‌های داخل آب در محیط‌هایی غیر از محیط‌های معمول استفاده می‌شود؟ به‌خصوص سازه‌های آبی یا آب شور در معرض خوردگی قرار دارند.

ضمن اینکه کامپوزیت‌ها نسل جدیدی از متریال هستند. برای اینکه سنتز (synthesis) به متریال تبدیل شود، باید مقابل محیط خوردگی از ابتدا مقاومت داشته باشد و این هزینه‌بر است؛ اما کامپوزیت‌ها این قابلیت را دارند که ترکیبی از چند ماده مختلف باشند.

در دوره جدید مدیریتی دانشگاه آزاد اسلامی طرح خوبی به نام «پایش آزاد» آمده و در این طرح، مازندران به عنوان استان شمالی مأمور شده اشکالات حوزه‌های دریا را احصا کرده و روی آنها کار کند. این دو موضوع دست به دست هم داد تا در نهایت به سمت تولید نانوکامپوزیت‌های مقاوم با قابلیت کارکرد در صنعت کشتی‌سازی و هوافضا پیش برویم.

از آنجایی که رئیس مرکز خدمات آزمایشگاهی تحقیقاتی استان مازندران نیز هستم، سعی کردم با مسئولان کشتی‌سازی صدرا برای راه‌اندازی شناورهای سبک یک اتاق تحقیق و توسعه مشترک وارد عمل شوم، چراکه این موضوع برای اختراع جدید می‌توانست گره‌گشا باشد.

سازه‌های شناور سبک با بدنه‌های کامپوزیتی در دنیا خیلی مرسوم است و این موضوع موجب شد با مسئولان کشتی‌سازی صدرا وارد فاز همکاری شویم و در عین حال در خط مشی دانشگاه حرکت کنیم و برای رفع مشکلات مملکت گام برداریم، چراکه مقام معظم رهبری تأکید دارند و دانشگاه باید به آنها حساسیت داشته باشد.

آنا: این مواد کامپوزیتی به تولید انبوه رسیده است؟

رستمیان: خیر. فعلاً که در مقیاس آزمایشگاهی و کار پایان‌نامه‌ای این دانشجو است؛ اما جهانگیری دانشجوی خوبی است و اکنون روی موضوعات مشابه دیگر کار می‌کند؛ البته من به او وکالت داده‌ام که در این زمینه یک ثبت شرکت نیز انجام دهد تا بتوانیم کم‌کم مشتریان این محصول را پیدا کرده و آن را به سمت تولید انبوه و تجاری‌سازی ببریم.

آنا: بودجه‌ای که برای این کار در نظر گرفتید، چقدر بود؟

رستمیان: بنده یک مرکز تحقیقات کامپوزیت و مواد پیشرفته‌ای از قبل داشتم، مقداری متریال داشتیم و به علی‌اصغر جهانگیری کمک کردیم؛ اما فکر می‌کنم برای تست نمونه‌های اولیه‌ 4 تا 5 میلیون تومان هزینه شده است.

نکته‌ تأسف‌برانگیز نبود گرنت است. در دوره‌های گذشته در دانشگاه آزاد اسلامی مازندران مشمول گرنت بودم و تقریباً 15 میلیون گرنت در اختیارم بود و به مخترعان می‌دادم؛ اما این گرنت اکنون حذف شده و عملاً ما و دانشجو برای اینکه یک پروژه‌ای به ثمر برسد، هزینه‌ شخصی می‌کنیم، مخصوصاً پروژه‌های کاربردی که روی آنها کار می‌کنیم.

گرنت (به انگلیسی: Grant) یا وام بلاعوض، بودجه‌ای است که به نهادها، مؤسسات، شرکت‌ها یا افراد اعطا می‌شود. گرنت پژوهشی، گرنتی است که برای انجام طرح پژوهشی اعطا می‌شود.

کاربرد مواد نانوکامپوزیت در صنایع هوافضا چیست؟

حال یک موقع مدل‌سازی است و موقعی دیگر تحلیل ریاضیاتی و اینها نیاز به هزینه‌های مادی زیادی ندارد و زمان می‌برد؛ اما پروژه‌هایی که ما کار می‌کنیم و بحث «ساختن» را به همراه دارد، قاعدتاً هزینه‌بر است و حتماً باید یک نهاد پشتیبانی وجود داشته باشد، بنابراین باید گرنت (کمک پژوهشی) دانشگاه آزاد اسلامی حتماً اعطا  شود تا این نوع پروژه‌ها استارت بخورد.

آنا: کاربرد و تأثیر مواد نانوکامپوزیت ساخته شده در صنایع هوافضا، کشتیرانی و ساختمان‌سازی چگونه است.

رستمیان: در صنایع هوافضا به‌صورت کلی اصل سبک‌سازی سازه‌ها و در عین حال حفظ مقاومت‌ها از جمله مکانیکی اصل مهمی در این صنایع است، درغیر این‌صورت صنایع ما تمایل دارند که سازه‌هایشان سبک‌تر بوده و در عین حال مقاومت بیشتری داشته باشند.

به‌عنوان مثال جایگزین کردن متریال‌هایی مانند آهن در سازه‌هایی که فلزی هستند با سازهای جایگزینی که سبک‌تر بوده و در عین حال بتواند مقاومت سازه‌های قبلی را ارائه دهد و این موضوع مد نظر و مورد استقبال صنعت است.

از این نظر به صورت کلی کامپوزیت‌ها می‌توانند جایگزین بسیار خوبی باشند. حال چرا سراغ کشتی‌سازی رفتیم؟ به دلیل اینکه درگیر با آب و محیط خورنده است و از این جهت اهمیت پیدا می‌کند.

فرض کنید در یک محیط بالاتر از محیط جوّ قرار می‌گیرید یا در صنایع نظامی، متریالی باید استفاده شود که در عین حال که سبک است، مقابل ضربات سرعت بالای گلوله مقاومت داشته باشد. از این جهت هر سازه کامپوزیتی یا سازه جایگزینی، شاید مناسب نباشد و باید روی این موضوع کار شود.

حال کاری که ما در مرکز انجام دادیم این بود که سراغ ساخت اندیش‌پنل‌های کامپوزیتی رفتیم که هسته‌های شبکه‌ای دارند تا با الیاف مختلف هیدروکربن، کفلار و الیاف مختلف توانسته باشیم سازه‌های با نسبت استحکام به وزن بسیار بالا (در اینجا وزن تنها ملاک نیست) را آزمایش کنیم.

ممکن است شما فولاد را داشته باشید که استحکام بالایی داشته باشد؛ اما وقتی روی کسری که دارای استحکام صورت و وزن مخرج کسر است، قائدتاً چون وزن آن بالاست، عدد بزرگی نمی‌شود، اما وقتی روی یک سازه کامپوزیتی یک اندیش‌پنلی که دارای استحکام بسیار بالایی است و در عین حال وزن پایینی دارد، کار می‌کنید این در مقایسه با مورد بالا مزیت نسبی پیدا می‌کند.

البته سعی کردیم این تئوری را کاربردی‌تر کنیم. در ساخت مخازن پرتابل در صنایع گاز شهری بسیاری از مکان‌های صعب‌العبور وجود دارد که شاید نتوانید خط لوله را بکشید و تا آنجا ببرید؛ بنابراین مجبور می‌شوید سراغ مخازن پرتابل و قابل جابه‌جایی کردن بروید.

ارتباط صنعت و دانشگاه واقعی نیست

مخازن تحت فشار در عین حال که وزن بسیار سبکی دارند، مقاومت‌شان باید مقابل فشارهای بالا زیاد باشد. اینها از جمله اهدافی است که دانشجویان دکتری من در این زمینه‌ها کار می‌کنند و فکر می‌کنم، موفقیت‌های بسیار خوبی در مسیر چاپ مقالات‌ و ثبت اختراعات‌ نصیب این دانشجویان شده است.

آنا: یک سؤال تکراری. آیا ارتباط صنعت و دانشگاه واقعی شده است و اینکه تأثیر این موضوع بر اختراع محصولات صنعتی چقدر است؟

رستمیان: صنایع ما باید حتماً سراغ دانشگاه بروند. همواره در مورد ارتباط صنعت و دانشگاه صحبت کرده‌ایم؛ اما اگر به فرمایش‌های رهبر معظم انقلاب توجه کنید، درمی‌یابید که ایشان تأکید می‌کنند که این ارتباط باید واقعی شود.

در استان مازندران یا هر استان دیگری صنایع ما به‌صورت واقعی دنبال نخبگان  دانشگاهی نمی‌روند و این پروسه کوتاه‌مدت نیز نیست. امروز شاید تحریم‌ها تأثیری بر ارتباط صنعت و دانشگاه گذاشته باشد؛ اما طی چند سال گذشته وقت کافی داشتیم.

همانگونه که صنعت به ما اجازه می‌دهد در دانشگاه حضور داشته باشیم، یک صندلی نیز باید در صنعت داشته باشیم تا روی پروژه‌های آنها کار کنیم و با این حساب دیگر سراغ مقالات را نمی‌گیریم.

انتقاد از آموزش عالی در پروسه ارتقای استادان و هدایت دانشجویان

البته این انتقاد به مجموعه آموزش عالی ما نیز وارد است که پروسه ارتقای استادان و هدایت دانشجویان‌ را به صورتی پیش می‌برد (اگر به آقایان برنخورد) که فکر می‌کنم بیش از اینکه خدمت به مملکت خودمان باشد، خدمت به کشورهای توسعه‌یافته است، باید استعدادها را شناسایی کنند و در نهایت جمع‌بندی کرده و وارد صنعت‌ خودشان کنند. از این جهت انتقاد وارد است.

آنا: مواد تولیدی نانوکامپوزیت برای نخستین‌بار است که در ایران تولید می‌شود؟

رستمیان: نمی‌توان به ضرس قاطع گفت؛ اما وقتی با نتایج کسب شده و ثبت اختراع که از فیلترهای مختلف عبور می‌کند و داوری‌های مختلفی می‌شود، به نظر می‌آید که موضوع جدید و کاربردی است و به درد مملکت می‌خورد.

آنا: در دنیا چطور؟

رستمیان: در دنیا روی این زمینه کار می‌کنند. صنایع دریایی (off-shore) با این مسائل درگیر است و کشتی‌های سبک در دنیا خیلی پیشرفته‌تر از ما هستند، به دلیل اینکه در این زمینه‌ها کار کرده‌اند، ما هم باید در آن مسیر حرکت کنیم؛ اما اینکه بگوییم نه، دنیا روی این موضوع کار نکرده‌ و ما در رتبه نخست هستیم، اینگونه نیست.

آنا: در فرایند اختراع مواد نانوکامپوزیتی تحریم روی کار شما تأثیر گذاشته بود؟

رستمیان: بله، هزینه‌های ساخت را خیلی بالا می‌برد و تمایل علاقه‌مندان را برای کار در زمینه‌های آزمایشگاهی و اکسپرمینتال (Experimental) کمتر می‌کند و کسانی که سعی دارند به زمینه‌های کاربردی ورود کنند را با چالش و موانع بیشتری مواجه می‌کند که فکر می‌کنم راه‌حل این است که پروژه‌های مشخصی از طرف صنعت تعریف شود.

همچنین باید به جوانان مملکت‌مان اعتماد شود، من خودم یکی از جوان‌ترین دانشیارهای دانشگاه آزاد اسلامی هستم، فرصت برای رفتن زیاد بود؛ اما وقتی می‌مانید و می‌خواهید کار کنید، می‌گویند (تا که از جانب معشوق نباشد کششی. کوشش عاشق بیچاره به جایی نرسد).

آنا: قطعات محصول تولید شده (مواد نانوکامپوزیتی) ایرانی است؟

رستمیان: بله، قطعات این محصول را در ایران داریم.

انتهای پیام/4078/