فناوری نانو و فرآیندهای آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی، در صنایع فرآوری نانو مواد

شاید بتوان ادعا نمود که منشأ تاریخی استفاده از عملیات مکانیکی به برخی از اثرات بسیار ساده آن در کشف آتش به کمک اصطکاک و همچنین تسهیل انحلال نمک به وسیله ساییدن و آسیاب­کاری توسط انسان­های ماقبل تاریخ برمی­گردد. با این حال آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی به طور خاص برای اولین بار در دهه 70 میلادی جهت تولید آلیاژهای مقاوم شده با ذرات پراکنده­ی اکسیدی با قابلیت کار در دمای بالا مانند صنایع هوافضا مطرح شد. از آن به بعد تحقیقات گسترده­ای در زمینه تولید مواد پیشرفته مانند آلیاژهای غیربلوری با استفاده از این روش صورت گرفت و زمینه­ای نوین در مهندسی و علم مواد پدید آمد ]1[.

شکل 1- نمونه­هایی از محفظه و گلوله­های دستگاه انجام آلیاژسازی مکانیکی ]2[.

تهیه مواد نانوبلوری با روش آلیاژسازی مکانیکی برای اولین بار به سال 1987 میلادی برمی­گردد. به­طور معمول مواد با ساختار نانومتری به موادی اطلاق می­شود که حاوی دانه­ها و یا بلورهایی با اندازه کمتر از 100 نانومتر باشند. لذا در این مواد کسر زیادی از اتم­ها در مرزدانه­ها واقع شده و به علت برخورداری از چنین ساختار منحصر به فردی در مقایسه با موادی با اندازه دانۀ بیش از 1 میکرون دارای خواص فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و مغناطیسی ویژه­ای هستند. از جمله این خواص می­توان به استحکام بیشتر، سختی بالاتر، نفوذپذیری بیشتر و در نتیجه زمان تف­جوشی کمتر اشاره نمود. در جدول زیر نقاط عطف در پیشرفت و گسترش روش آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی در طول زمان نشان داده شده است ]1[.

جدول 1- نقاط عطف در پیشرفت و گسترش آلیاژسازی مکانیکی ]1[.

• اساس کار آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی در تولید نانومواد

برای انجام این فرایند باید پودر فلز یا آلیاژ مورد نظر را درون محفظه­هایی که با گلوله­های سخت پر شده­اند، ریخت. در اثر برخورد گلوله­ها و محفظه با ذرات پودر به تدریج اندازه دانه­های مادۀ مورد نظر کاهش پیدا می­کند و در نهایت به اندازه­های نانومتری می­رسد. از آنجاییکه در حین انجام فرایند آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی انرژی زیادی روی ذرات پودر اعمال می­شود و به طور کلی به سبب تغییر شکل پلاستیک شدید ذرات پودر حین آلیاژسازی مکانیکی، بلورها به شدت کرنش­دار شده و با ادامه آسیاب­کاری در نهایت ذرات پودر به دانه­های فرعی[1] با ابعاد نانومتری تبدیل می­شوند. در مقایسه با پودرهای نانوبلوری تهیه شده به روش­های معمولی، هرگاه این ذرات پودر به روش­های گرم فشرده شوند، ساختار نهایی قطعه حاوی دانه­های نانومتری تقریباً عاری از نابجایی است. به عبارت دیگر نواحی نانوبلوری در پودرهای تهیه شده به روش آلیاژسازی مکانیکی توسط مرزهایی با چگالی زیاد نابجایی­ها جدا شده­اند و خواص نهایی نانوپودرهای تهیه شده با آلیاژسازی مکانیکی نسبت به نانوپودرهای بدست آمده از روش­های معمول متفاوت است. در این حالت تقریباً 50 درصد اتم­ها در مرزدانه­ها قرار دارند که این موضوع باعث تغییرات زیاد در خواص مکانیکی و فیزیکی می­شود.

این فرآیند به طور معمول به منظور جلوگیری از آلودگی­های محیط اطراف در اتمسفر خنثی انجام شده و برای تهیه پودرهای فلزی و سرامیکی در حالت جامد استفاده می‌شود (شکل 2). جوش سرد و شکست دو پدیده عمده در آلیاژسازی مکانیکی هستند. فرآیند آلیاژسازی تنها تا زمانی ادامه می‌یابد که نرخ جوش خوردن با شکست به تعادل برسد.

شکل 2– آسیاب ساینده به همراه بخش­های مختلف آن؛ a– شماتیک، b– نمونه واقعی ]1[.

• انواع روش­های آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی در تهیه نانومواد

از آنجاییکه ابزار مورد استفاده برای انجام آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی معمولاً آسیاب­های مختلف است، به این روش آسیاب­کاری مکانیکی نیز گفته می­شود. به طور کلی انواع مختلفی از آسیاب­ها وجود دارند، که از لحاظ ظرفیت، بازدهی و تجهیزات اضافی جهت گرم و سرد کردن با یکدیگر متفاوتند. بنابراین انتخاب نوع آسیاب و آگاهی از ویژگی­های مربوط به آن از اولین مراحل فرایند آسیاب­کاری و آلیاژسازی مکانیکی محسوب می­گردد. اما علی­رغم وجود این تفاوت­ها، اصول کلی عملیات در همه آن­ها یکسان است و ذرات پودر به طور مداوم در معرض جوش­سرد و خردایش قرار می­گیرند.

انواع آسیاب­های مورد استفاده در صنایع و مراکز تحقیقاتی عبارتند از:

• آسیاب گلوله­ای-ارتعاشی
• آسیاب ساینده
• آسیاب افقی غلتان
  • آسیاب افقی غلتان گلوله­ای
  • آسیاب افقی غلتان میله­ای
• آسیاب سیاره­ای

شکل 3– یک نمونه از آسیاب سیاره­ای مجهز به چهار محفظه ]1[.

• جنبه­های کاربردی آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی در فراوری نانومواد

از جمله قابلیت­های ویژه این روش امکان فرآوری گستره وسیعی از نانومواد است، به نحوی که تولید نانوپودرهای مواد خالص، مواد کامپوزیتی، مواد سرامیکی و دیرگداز، مواد غیربلوری، ترکیبات بین­فلزی و مواد مغناطیسی را دربر می­گیرد.

در این راستا مواد نانوبلوری متعددی نظیر عناصر Fe، Cr، Nb، W، Co، Zr، Hf، Ru، Al، Cu، Pd، Ni،Rh  و Ir همچنین ترکیباتی با ساختار نانومتری مانند CsCl، NiTi، CuEr، SiRu،AlRu  و MoSi₂ به روش آلیاژسازی مکانیکی تهیه شده‌اند. علاوه بر این تولید نانوپودر در سیستم‌های دوتایی  Al-Fe، Ag-Fe، Ni-Al، Ti-Mg، Al-Ti، W-Fe و بسیاری از سیستم‌های دیگر نیز گزارش شده است.

همچنین به سبب مصرف ترکیبات بین‌فلزی در کاربردهای دما بالا، تحقیقات زیادی در زمینه­ی تولید این مواد با روش آلیاژسازی مکانیکی صورت گرفته است. تهیه مواد سخت مانند نیتریدها، کاربیدها، بوریدها و اکسیدها از دیگر زمینه‌های تحقیقاتی فرآیند آلیاژسازی مکانیکی است. مثلا بوریدهای تیتانیم (TiB₂ و TiB)، کاربید تیتانیم و کاربید سیلسیوم از نمونه‌های مورد بررسی در این زمینه هستند. از جمله نیتریدهای تولیدشده از طریق این روش­ نیز می­توان به  TiN، Mg₃N₂، Cu3N، Si₃N₄، Mo₂N، BN، VN، ZrN  و  WNاشاره کرد. در شکل زیر شماتیکی از گستردگی روش آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی نشان داده شده است ]1 و 2[.

محصولات تولید شده به روش آسیاب­کاری و فعال­سازی مکانیکی کاربردهای مختلفی در صنایع هوایی، صنعت هوافضا، صنعت موتور، صنایع شیمیایی، دیرگدازها، معادن فلزی و غیرفلزی، صنعت ساختمان، صنعت برق و روشنایی دارند ]3[. به ویژه از این روش برای ساخت توربین­ها و اتصالات الکتریکی استفاده می­شود.

شکل 4- گستردگی مواد پیشرفته تهیه شده به روش آلیاژسازی مکانیکی ]2[.

از جمله دیگر کاربردهای مهم این روش تهیه آلیاژهای جدیدی است که بر اساس دیاگرام تعادلی در یکدیگر انحلال‌ناپذیر بوده و با سایر روش‌ها مانند انجماد سریع قابل تولید نیستند. همچنین با توجه به انجام کامل فرآیند در حالت جامد، محدودیت‌های موجود در دیاگرام‌های فازی در این روش وجود ندارد. برای مثال تشکیل ترکیبات بین‌فلزی در سیستم Ni-Al و Ti-Al به طور بسیار گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. البته با توجه به سیستم مورد استفاده، همه آلیاژها با روش آلیاژسازی مکانیکی قابل تهیه نیستند. به عنوان مثال با آسیاب­کاری Fe و Nd هیچ اتفاقی از نظر آلیاژسازی روی نمی‌دهد ]1[.

شکل 5- استفاده از آسیاب گلوله­ای برای تولید پودرهای نانوساختار ]4[.

• مزایای روش آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی

از مزایای روش آلیاژسازی مکانیکی در تهیه نانومواد می­توان به قابلیت این روش در تولید مقدار زیاد ماده به حالت جامد، استفاده از تجهیزات ساده و ارزان و به طور کل هزینه پایین عملیاتی نسبت به سایر روش­های موجود، بکارگیری این روش برای مواد مختلف و تولید ماده در دمای محیط، تهیه نانوپودرهای آلیاژی و ترکیباتی که تولید آن­ها با روش­های متداول ذوب و ریخته­گری مشکل و یا غیرممکن است به همراه خواص مکانیکی ویژه اشاره نمود.

شایان ذکر است که هرچند تولید این مواد همیشه در ابعاد نانومتری انجام نمی­شود، اما به علت خواص ویژه این مواد در مقیاس نانومتری عمده تلاش­های صورت گرفته در زمینه دست­یابی به مواد نانوساختار بوده است. به طوری که امروزه مهمترین کاربرد این روش تولید مواد با ساختار نانومتری می­باشد. علاوه بر این علی­رغم آنکه تولید این مواد اغلب در مقیاس آزمایشگاهی صورت می­گیرد اما در برخی موارد نیز از فرآیند آلیاژسازی مکانیکی در مقیاس صنعتی استفاده می­شود. به عنوان مثال می­توان به تولید آلیاژهای ODS اشاره نمود که از بدو معرفی روش درحد تجاری فراوری شده است. این دسته از آلیاژها شامل آلیاژهای پایه تیتانیم و سوپر آلیاژهای پایه نیکل است ]1[.

• مشکلات و معایب روش آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی

آلیاژسازی مکانیکی به عنوان یک روش موثر در تولید مواد نانویی، دارای معایب و مشکلاتی نیز می‌باشد. این مشکلات در سه گروه کلی آلودگی پودر، محدودیت‌های علمی و محدودیت‌های کاربردی خلاصه می‌شوند. به دلیل جدید بودن فرآیند، منابع علمی مرتبط با آلیاژسازی و به ویژه روابط و مسائل مرتبط با مکانیزم فعالسازی و انجام فرآیند بسیار ناچیز است. همچنین علی­رغم کارایی بالای این روش در تهیۀ انواع پودرها، علت و چگونگی کارکرد روش به وضوح روشن نیست که این مسئله محدودیت علمی برای این روش ایجاد کرده است. پودرهای بدست آمده در طی فرآیند آسیاکاری در مرحلۀ بعدی بدون از دست دادن ساختار نانومتری خود باید فشرده شوند. ولی در عمل، این فشردن باعث آگلومره شدن و همچنین گاهی باعث از دست رفتن ساختار ابتدایی آن­ها می­شود. به همین دلیل کاربردهای صنعتی این روش به دلیل وجود این محدودیت­های کاربردی کاهش می­یابد. در میان این محدودیت­ها، مسئلۀ آلودگی پودر ناشی از فرایند به علت تأثیر نامطلوب بر خواص محصول پودری، فرایندهای بعدی و حتی مشخصات محصول نهایی به عنوان جدی­ترین مشکل مطرح است. در حقیقت مسأله آلودگی پودر در حین آلیاژسازی مکانیکی باعث شده تا تولید برخی از پودرها با این روش ممکن نباشد. در مجموع منابع ورود آلودگی به سیستم عبارتند از:

• ناخالصی موجود در ترکیب پودر اولیه
• اجزای در معرض سایش آسیاب (جداره داخلی محفظه­ها و گلوله­ها)
• اتمسفر آسیاب­کاری
• عوامل کنترل کننده فرایند ]1[.

شکل 6- انجام آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی در اتمسفر خنثی به منظور جلوگیری از ورود آلودگی­های محیط اطراف به اتمسفر انجام فرایند ]1[.

• برخی از فعالیت­های صنعتی و پژوهشی انجام شده

این روش در سراسر جهان تجاری سازی شده است و به عنوان یک روش مناسب و صنعتی در تولید انواع پودرها به کار برده می­شود. به عنوان نمونه شرکت روسی به نام Active-Nano برای ساخت مواد پیشرفته از روش­های مختلف آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی بهره می­برد. این شرکت به منظور تولید آلیاژهایی بر پایه فلزاتی چون نیکل، آهن، کبالت، مس، آلومینیوم، تیتانیوم، تولید کامپوزیت­هایی مانند Al/Al2O3 و Al/NiTi، پودرهای آمورف سرامیک­ها و مواد بین فلزی از آسیاب سیاره­ای استفاده می­کند که تصاویر آن در زیر نشان داده شده است.

شکل 7– آسیاب­های سیاره­ای مورد استفاده در شرکت Active nano روسیه. آسیاب سیاره­ای مدل MPP-4 (سمت راست) و آسیاب سیاره­ای مدل MP-5 (سمت چپ)، به ترتیب توان تولید حداکثر 3 و 5 تن پودر با ابعادی کوچکتر از 10 میکرومتر در ساعت ]5[.

کامپوزیت­های تولیدی با این روش دارای چسبندگی عالی ذره به زمینه و توزیع خیلی خوب ذرات در زمینه می­باشند. همینطور برای سنتزهای شیمیایی مکانیکی از آسیاب سیاره­ای، گلوله­ای و لرزشی استفاده ­می­شود. از طرفی این شرکت پتنتی در رابطه با روش اعمال پوشش فلزی بر روی پودرهای تولیدی نیز به ثبت رسانده است ]5[. در سال 2004 تا 2007 پروژه ای با نام فعالسازی[2] با همکاری 12 مؤسسه از 7 کشور اروپایی (روسیه، انگلیس، آلمان، اسپانیا، یونان، لهستان و ترکیه) انجام شد. در این بین 4 دانشگاه، 2 مرکز تحقیقاتی از جمله مؤسسه تحقیقاتی هوافضای آلمان و 6 شرکت صنعتی مطرح دنیا مشارکت داشتند ]6[. این پروژه در رابطه با آسیاب کاری پرانرژی مواد سخت بود که به منظور گسترش مواد پیشرفته و تکنولوژی­های جدید انجام پذیرفت. دستاورد این پروژه تولید مواد نانومتری پیشرفته در تولید انبوه باقیمت مناسب بود. همچنین در این شرکت پروژه­های زیادی از جمله پروژه­های هوایی مرتبط با آسیاب­های سیاره­ای انجام گرفته است. برنامه هفتم توسعه اتحادیه­ی اروپا[3] با بودجه­ی 50 میلیارد یورویی از سال 2007 تا 2013 انجام گرفت، که در حمایت از تولید نانومواد، نانوکامپوزیت­ها و روش­های جدید تولید این مواد بود ]5[.

با مثال­های ذکر شده در بالا به خوبی می­توان اهمیت روش آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی در تولید نانومواد را در صنایع مختلف و شرکت­های سراسر جهان پی برد. آمار منتشر شده در برخی پایگاه­های اینترنتی نشان ­می­دهد که پژوهشگران برخی کشورها با سرعت بیشتری در حال تحقیق و توسعه روش آلیاژسازی مکانیکی هستند. به عنوان مثال با آمار منتشر شده از تحقیق در مورد تولید نانوکامپوزیت WC/MgO به روش آلیاژسازی مکانیکی، این نتیجه بدست آمد که کشور ایران در جایگاه چهارم در دنیا قرار دارد (شکل 8) ]7[.

شکل 8– مقایسه توجه 5 کشور برتر به پژوهش­ در زمینۀ تولید نانوکامپوزیت WC/Mgo به روش آلیاژسازی مکانیکی ]7[.

تعداد پتنت­های ثبت شده در رابطه با روش­های آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی در پایگاه بین­المللی ثبت پتنت به بیش از 1000 مورد می­رسد که جزئیات بیشتر این آمار در جدول 2 و نمودارهای زیر نشان داده شده است ]8[.

جدول 2- تعداد پتنت­های مرتبط با انواع روش­های آلیاژسازی مکانیکی و فعالسازی مکانیکی ثبت شده در پایگاه بین­المللی ثبت پتنت اوربیت ]8[.

شکل 10– مقایسه آماری تعداد پتنت­های ثبت شده در پایگاه بین­المللی ثبت پتنت اوربیت در مورد روش­های مختلف آسیاب کاری و فعالسازی مکانیکی ]8[.

خوشبختانه در چند سال­ اخیر فعالیت­های پژوهشی انجام گرفته در زمینه آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی در داخل کشور به شدت مورد توجه قرار گرفته است. تعداد پایان­نامه­های دانشجویی ثبت شده در پایگاه فناوری نانو در مقاطع تحصیلات تکمیلی 190 مورد بوده است که 166 مورد از آن­ها مربوط به پایان­نامه­های کارشناسی ارشد و 24 مورد از آن­ها جزء پایان نامه­های دکتری تخصصی بوده است ]9[.

از طرفی همزمان با رشد فعالیت­های پژوهشی در داخل کشور، شرکت­های صنعتی متعددی نیز در زمینه تولید نانومواد و نانوپودرها از طریق روش­های آسیاب­کاری و فعالسازی مکانیکی و همچنین تولید دستگاه­های مختلف این روش­ها فعالیت خود را گسترش داده­اند. به عنوان مثال شرکت امین آسیا فناور پارس ]10[ در زمینه طراحی و تولید آسیاب­های گلوله­ای سیاره­ای مشغول به فعالیت می­باشد. همچنین شرکت فنی مهندسی نانو پارس لیما ]11[ قادر به تولید نانوپودرهایی از طریق این روش می­باشد. شرکت­ صنعتکاران ایده پرداز ]12[ فعالیت­های پژوهشی درباره روش­های آلیاژسازی مکانیکی انجام می­دهد. همچنین شرکت نانومواد پارس ]13[ با در اختیار داشتن آسیاب­های گلوله­ای و سیاره­ای قادر به تولید نانوپودرهای مختلف (مثلاً نانوپودر کاربید تیتانیوم) و کامپوزیت­های متنوع می­باشد. تجربیات این شرکت در این زمینه در تولید پودرهای نانو و کامپوزیت­های زمینه فلزی می­باشد.

• منابع و مراجع

1- عطایی ابوالقاسم، شیبانی سعید، و همکاران، آلیاژسازی و فعالسازی مکانیکی فناوری تهیه نانومواد، انتشارات جهاد دانشگاهی، 1385.

2- www.edu.nano.ir

3- www.studymode.com

4- www.lmt.uab.es

5- www.active-nano.com

6- www.mred.tuc.gr

7-http://www.intechopen.com/books/statistics/advances-in-nanocomposites-synthesis-characterization-and-industrial-applications/mechanical-alloying-for-formation-of-nanocomposite-wc-mgo-materials

8- www.orbit.com

9- www.nano.ir

10- www.amin-asia.com

11- www.nano24.ir

12- www.eng-manufactures.ir

13- www.parsnanomaterials.com

————————

[1] Sub-grains

[2] Activation

[3] 7^th Framework EU program (FP7)

———————————————————————

تهیه و تنظیم: ساعد صیاد رضایی نژاد

بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================