کاربردهای فناوری نانو در مبارزه با خوردگی<\/h1>

در این پوشش‌های نانوکامپوزیتی لایه لایه، یون‌های بازدارنده خوردگی قرار داده می‌شود تا بتواند با نفوذ به سطح فلز پایه، آن‌ها را در برابر خوردگی محافظت کند و لایه انتهایی یک لایه سدکننده سیلیکاتی است. این پوشش‌ها نیز حفاظت خوردگی خوبی در مقایسه با پوشش‌های کروم نشان می‌دهد.

1- مقدمه
خوردگی یکی از معدود موارد طبیعی است که اثر خود را هم در مراحل ساخت، تولید و بهره‌برداری نمایان می‌سازد و هم منابع عظیمی را نیز در مرحله حفاظت و نگهداری به خود اختصاص می‌دهد؛ به این معنی که برای جلوگیری از خسارت‌های اقتصادی و زیست‌محیطی ناشی از خوردگی باید انرژی و هزینه مصرف شود. برای خوردگی تعاریف فراوانی ذکر شده است. در استاندارد 8804ISO، خوردگی به‌شکل واکنش فیزیکی – شیمیایی متقابل بین فلز و محیط اطرافش تعریف شده است که ماهیت الکتروشیمیایی داشته و نتیجة آن تغییر در خواص فلزی است. این تغییرات ممکن است منجر به از دست رفتن توانایی عملکرد فلز، محیط یا سیستم شامل آن‌ها شود.
خوردگی یک فرآیند کاملاً طبیعی است و منجر به کاهش سطح انرژی آزاد یک سیستم می‌شود.
خوردگی از 3 طریق به بشر زیان می‌رساند:
1- اتلاف ماده و انرژی
2- زیان‌های اقتصادی (خسارت مستقیم و غیرمستقیم از قبیل تعطیل کار،‌ آلودگی تولیدات و ...)
3- زیان‌های زیست‌محیطی و ایمنی

2- لزوم توجه به خوردگی
اهمیت خوردگی به این دلیل است که در اکثر محیط‌ها اتفاق می‌افتد، محیط‌های آبی، غیرآبی و حتی بدن انسان موارد قابل ذکری است که خوردگی در آن‌ها روی می‌دهد.
یکی از موارد حساس کاربردهای فلزات در بدن انسان است؛ به‌عنوان نمونه می‌توان از فولادهای ضدزنگ به‌عنوان چاقوهای جراحی و استفاده از پلاتین در بدن انسان در موارد شکستگی استخوان نام برد. اگر این چنانچه این فولادهای ضدزنگ بدون داشتن استانداردهای پزشکی مورد استفاده قرار گیرند، می‌تواند عوارض خطرناکی مثل فوت و یا قطع عضو را به‌همراه داشته باشد که این مقوله متاسفانه در کشور ما بسیار اتفاق می‌افتد.
مثال‌های مذکور در حیطه هزینه‌های غیرمستقیم قرار می‌گیرند. که این دست هزینه‌ها اغلب جایی ثبت نمی‌شود. آماری که کشورهای پیشرفته ارائه می‌دهند، مربوط به هزینه‌های مستقیم خوردگی است. بنابر مطالعه انجام شده توسط پروفسور اوهلیگ، در کشورهای پیشرفته حدود سه تا 5 درصد درآمد ناخالص ملی (GNP) صرف هزینه‌های مستقیم خوردگی می‌شود که آمار استخراج شده در سالهای 1970، 1985 و 1998 در آمریکا موید این مساله بوده است. متاسفانه در کشور ما به‌علت ناآشنایی مدیران صنایع با مقوله خوردگی، اغلب آماری ارائه نمی‌شود. بر اساس تخمین انجمن خوردگی ایران این رقم در ایران حدود 5 درصد درآمد ناخالص ملی است. بر اساس گزارش این انجمن در سال 1379 هزینه‌های خوردگی در ایران معادل 27000 میلیارد ریال برآورد شد که این رقم، رقمی نجومی برای اقتصاد ایران به‌حساب می‌آید. علاوه‌بر آن، مقادیر زیادی ارز کشور نیز برای خرید تجهیزات و مواد نگهدارنده (در جهت کاهش خوردگی) هزینه می‌شود.
بر اساس گزارش انجمن خوردگی ایران، هزینه‌های خوردگی در اقتصاد ایران را به 4 قسمت اصلی تقسیم می‌شوند:
1- گروه کشاورزی 2- گروه نفت 3- گروه صنایع و معادن 4- گروه خدمات
بیشترین هزینه‌های خوردگی مربوط به گروه خدمات و کم‌ترین آن مربوط به گروه کشاورزی است.
بر این اساس کل مبلغ هزینه‌ها در بخش خدمات 2/1320 میلیارد تومان، در بخش نفت 7/511 میلیارد تومان،‌ بخش صنایع و معادن 6/523 میلیارد تومان و بخش کشاورزی 373 میلیارد تومان بوده است.

3-کاربردهای نانوفناوری در کنترل خوردگی
به‌طور کلی 6 روش برای کنترل خوردگی مطرح شده است:
«طراحی، انتخاب مواد، پوشش، استفاده از بازدارنده، حفاظت کاتدی و آندی»
در دنیا بر روی نانوپوشش‌ها بسیار کار شده است و نانوپوشش‌های بسیاری گسترش پیدا کرده است. اما نفوذ نانوفناوری در روش‌های دیگر کنترل خوردگی بسیار ضعیف بوده است.

- نانوپوشش‌ها
1- پوشش‌های نانوهیدروکسی‌آپاتید برای ایمپلنت‌های مورد استفاده در بدن انسان
شرکت IMCO با استفاده از تکنیک الکتروفورتیک در دمای محیط نانوساختار هیدروکسی آپاتید را بر روی انواع ایمپلنت‌ها پوشش می‌دهد. این ایمپلنت‌ها کاربردهای مختلف در دندانپزشکی و اورتوپدی دارند. روش‌های قدیمی شامل پاشش حرارتی و رسوب‌دهی شیمیایی می‌شدند که ورود نانون به این عرصه، دو فایده اساسی را به‌دنبال داشت:
فایده اول افزایش استحکام باند می‌باشد. در روش‌های قدیمی اعمال پوشش هیدروکسی آپاتید، استحکام چسبندگی پوشش بسیار پایین است. به‌طوری‌که به اصطلاح عملی، در روش پاشش حرارتی، MPa30 و در رسوب‌دهی شیمیایی MPa 14 است. اما این روش باعث می‌شود که استحکام چسبندگی به حدود MPa60 برسد.
فایده دوم، بهبود مقاومت خوردگی است. این پوشش‌های نانویی 100% فشرده و 100% کریستالی است، که باعث می‌شود مشکل انحلال آمورفی این پوشش حل شود و البته فشرده بودن باعث می‌شود که مایعات بدن تحت تماس با فلز قرار نگیرند. جریان پلاریزاسیون خوردگی در این حالت 300 بار کمتر از حالتی است که به 2 روش قدیمی پاشش حرارتی و رسوب‌دهی شیمیایی پوشش داده شده است.

2- پوشش‌های چند لایه‌ای نانویی برای مصارف نظامی و غیرنظامی
اخیراً پوشش‌هایی گسترش پیدا کردند که دارای چندین لایه هستند که هر لایه در این پوشش، هدف خاصی را دنبال می‌کنند. این پوشش‌ها با توجه به گزارش‌هایی که شده است دارای مصارف نظامی و غیرنظامی است. این پوشش‌ها هدف‌های چندی را دنبال می‌کند که عبارتند از:
«1- کاهش هزینه چرخه عمر 2- کاهش هزینه نگهداری تجهیزات 3- کاهش آلودگی‌های محیطی»
این پوشش‌ها در چرخنده‌ها، موتورها، سوئیچ‌های الکترونیکی و سنسورها کاربرد فراوان دارد.
یکی از خصوصیات منحصر به فرد این پوشش این است که زمانی که پوشش‌ها آسیب دیده و باید عوض شوند، به‌راحتی از روی سطح برداشته می‌شود. همچنین در بین لایه‌های این پوشش از لایه‌های حس‌گر استفاده می‌شود که قادر است آسیب‌دیدگی مکانیکی و خوردگی را تشخیص دهد.
شرکت NANOMAG، پوشش‌هایی از جنس نانو کامپوزیت که مقاوم در برابر خوردگی می‌باشد، تولید می‌کند که این پوشش‌ها جایگزین پوشش‌های پایه کروم خطرناک می‌شود که برای آلیاژهای منیزیم مخصوصاً برای احتیاجات صنایع خودروسازی، هوا – فضا و هوانوردی مناسب می‌باشد.
منیزیم که یک سوم از آلومینیوم و 80 درصد از فولاد سبک‌تر است به‌طور فزاینده‌ای از زمان اولین حضورش در ماشین‌های مسابقه در طول سال‌های 1920، برای این هدف استفاده شده است. کاربردهای آلیاژهای پایه منیزیم هم‌اکنون تا پوشش‌های دنده، لوله‌های چندشاخه ورودی، و پوشش‌های سرسیلندرها نیز امتداد پیدا کرده و حتی چرخ‌ها، بخش‌های بدنه و قسمت‌های اصلی فرمان را نیز در بر گرفته است.

خواصی مانند قدرت بالا نسبت به وزن (در مقایسه با ضریب وزن) و ارتعاش‌گیری خوب (جذب ارتعاش) صدا و لرزش، با استفاده از تکنیک‌های ریخته‌گری تحت فشار، تولید آسان قطعات را به‌همراه دارد و استفاده متداول و رایجی در بخش‌هایی مانند هوا – فضا و دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل دارد. اما منیزیم به‌دلیل واکنش‌پذیری بالا، مقاومت پایینی در برابر خوردگی دارد، از این‌رو نیاز استفاده از پوشش‌های مناسب برروی سطوح منیزیمی بسیار احساس می‌شود.
از هدفهای رشد و توسعه پروژه NaNoMAG فراهم آوردن امکانی می‌باشد که از طریق آن روکش‌های نانوکامپوزیتی (مرکب) که تمیز و سازگار با طبیعت هستند شکل گیرد که اقتصادی‌تر و مقرون به صرفه‌تر نیز خواهد بود. همچنین این پوشش‌ها مقاومت‌های بهتری هم برای خوردگی و ساییدگی خواهند داشت.
برای ایجاد این پوشش‌ها از روش‌های پلاسمایی رسوب شیمیایی بخار (PECVD)، پلاسمایی رسوب فیزیکی بخار (PEPVD) و همچنین فناوری Sol-gel استفاده می‌شود.

3- پوشش‌های نانو با یون‌های بازدارنده خوردگی
شرکت نامادیکس (Namadics) بر روی نوعی از پوشش‌های کامپوزیت فعالیت می‌کند که اثر حفاظتی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد. این پوشش‌ها با استفاده از تکنیک Layer-by-Layer assembly و یا electrostatic self assembly ساخته می‌شود. در این پوشش‌های نانوکامپوزیتی لایه لایه، یون‌های بازدارنده خوردگی قرار داده می‌شود تا بتواند با نفوذ به سطح فلز پایه، آن‌ها را در برابر خوردگی محافظت کند و لایه انتهایی یک لایه سدکننده سیلیکاتی است. این پوشش‌ها نیز حفاظت خوردگی خوبی در مقایسه با پوشش‌های کروم نشان می‌دهد و می‌تواند جایگزین مناسبی برای آن‌ها باشد (با توجه به این‌که پوشش-های کروم به علت آلودگی‌های زیست محیطی در حال انقراض است).

4- پوشش‌های استثنایی آلیاژی با ساختار نانو مقاوم در برابر خوردگی
تحقیقات انستیتوی شیمی با همکاری انستیتوی Semi conductors (نیمه رساناها) باعث خلق و ابداع تعداد زیادی پوشش‌های جدید از آلیاژهای فلزی با ساختار نانو شده‌اند که برای مقاومت در برابر خوردگی فوق‌العاده بالایشان، مورد توجه قرار گرفته‌اند. این پوشش‌ها از طریق پاشش مغناطیسی فلز شکل گرفته‌اند. ساختار نانوکریستال‌های این پوشش‌ها لایه‌های اثرناپذیر پایدار را به‌وجود می‌آورند که ویژگی‌های ناقص و معیوب پوشش‌های قدیمی را ندارند. مشاهده شده است که پوشش‌ها با ساختار نانوکریستال، نسبت به پوشش‌ها دارای ساختار بی‌شکل، مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند.

- فولاد ضدزنگ با مقاومت خوردگی فوق‌العاده بالا:
مشکل اصلی آلیاژهای فولادی استحکام پایین آن است که مصرف آن را در کاربردهای مقابله با خوردگی کاهش می‌دهد. شرکت Sandvik با استفاده از فناوری نانو و با اضافه کردن نانو ذرات در مرحله ذوب توانسته آلیاژهای فولاد ضدزنگ با مقاومت خوردگی بالا، انعطاف‌پذیری مناسب قبل از عملیات حرارتی و استحکام بالا بعد از عملیات حرارتی تولید کند. با استفاده از این فناوری می‌توان فولاد ضدزنگ را جایگزین آلومینیوم کرد. با این آلیاژ قادریم با هزینه کمتر، همان استحکام و وزن را بدست آوریم. کاربردهای قابل تصور برای این آلیاژ در شاسی (بدنه ماشین) سبک وزن، ابزار ورزشی و تجهیزات پزشکی است.

نتیجه‌گیری
1- بر اساس آمار ارایه شده در متن گزارش هزینه‌های خوردگی تاثیر بالایی بر اقتصاد کشور دارد که بایستی توجه لازم به آن مبذول شود.
2- در دنیا بر روی نانوپوشش‌ها (نانو هیدروکسی‌آپاتید و نانومگ و پوشش‌های نانوکامپوزیتی) بسیار کار شده است و نانوپوشش‌های بسیاری گسترش پیدا کرده است. اما نفوذ نانوفناوری در روش‌های دیگر کنترل خوردگی بسیار ضعیف بوده است.
3- پیشرفت در حوزه های دیگر حفاظت از خوردگی مثل حفاظت کاتدی و آندی و ممانعت‌کننده، نیازمند ایده‌پردازی و تشکیل جلساتی با حضور متخصصین خوردگی و نانوفناوری می‌باشد