نانو وهوا وفضا

صنعت هوافضا ازجمله صنایعی است که تحت تاثیرات فناوری نانو، پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای کرده است. مهم‌ترین بخش‌های این صنعت که از فناوری نانو استفاده می‌کنند

عبارتند از:
۱. افزایش ایمنی
۲. کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری
۳. کاهش تشعشعات
۴. کاهش نویز
۵. افزایش ظرفیت
۶. آسانی پرواز
۷. افزایش انتقال بار
۸. افزایش سرعت
۹. هدایت بهتر هواپیما و استفاده بهتر از آن
برای رسیدن به چنین اهدافی مهم‌ترین اقدامات در زمینه مواد گسترش مواد جدید سبک‌تر، مستحکم‌تر، مقاوم‌تر در برابر خوردگی و آسیب‌دیدگی و امکان تعمیرات آسان در مواقع لازم است.

نانو پوشش‌ها
پوشش عبارت است از یک «لایه» با ضخامتی کمتر از ماده پایه که این لایه سطوحی را که در معرض آسیب‌های محیطی مانند باران، برف، نمک‌ها، رسوب‌های اسیدی، پرتوهای فرابنفش، نور آفتاب و رطوبت، خوردگی و آسیب قرار دارند محافظت می‌کند. باوجود این، پوشش‌ها نیز قابلیت خش برداشتن، تکه تکه شدن یا آسیب دیدن در زمان استفاده، ساخت و حمل‌ونقل را دارند بنابراین باید به دنبال پوشش‌هایی باشیم که در برابر این تغییرات مقاوم باشند. از آنجایی که اغلب قسمت‌های هواپیما در معرض انواع آسیب‌ها و محیط‌های مخرب قرار دارد، بنابراین نیاز به پوشش‌دهی این مناطق حساس، ضروری است؛ چراکه نباید در مراحل تولید، ورود به بازار و مهم‌تر از همه در زمان استفاده، ویژگی‌های خود را از دست بدهند. بنابراین صنایع هواپیمایی باید به دنبال یافتن راه‌حلی برای جلوگیری از آسیب دیدن سطح فلزات در مناطق مختلف بدنه و قسمت‌های آسیب‌پذیر باشند. در سال‌های اخیر با پیدایش فناوری نانو، تولید نانو پوشش‌های مقاوم در برابر انواع تهدیدات محیطی به‌عنوان راه‌حلی برای جلوگیری از آسیب‌دیدگی‌های هواپیمایی پیشنهاد شده است. استفاده از نانو ذرات به‌صورت پوشش لایه نازک می‌تواند پیوندهای قوی‌تری با زیرلایه برقرار و در نتیجه انعطاف‌پذیری بالاتر با اختلاف قیمت کمتری را ایجاد کند. این پوشش‌ها نرم‌تر، قوی‌تر و بادوام‌تر است. کاربرد این پوشش‌ها شامل سطوح خودتمیزشونده، خودترمیم، سطوح مقاومتی در برابر سایش، اکسایش و… است.

پوشش هوشمند خوردگی
خوردگی‌های پنهان به‌عنوان خطری همیشگی برای وسایل پرنده محسوب می‌شود. این خوردگی‌ها در بازرسی‌های دوره‌ای قابل مشاهده نبوده و بیشتر پس از تخریب سازه خود را نشان می‌دهد.
پوشش‌های هوشمند خوردگی (هشداردهنده و یا بازدارنده) می‌توانند این نوع آسیب‌ها را پیش از بروز حادثه گزارش دهند یا از گسترش خوردگی و تخریب سازه جلوگیری کنند.
در حسگرهای هوشمند برپایه پاسخ رنگی، پاسخ می‌تواند تغییر رنگ، فلورسنس یا فسفرسنس در نتیجه محرک‌های مختلف مانند تغییرات pH، واکنش‌های اکسایش- کاهش، حضور فلزات سنگین و… باشد.

پوشش‌های خودترمیم‌شونده
در این نوع پوشش‌ها خواص ماده در پاسخ به تغییرات محیطی تغییر می‌کند. این تغییرات محیطی می‌تواند تغییرات pH، واکنش‌های اکسایش- کاهش، حضور فلزات سنگین و… باشد. همچنین در این پوشش‌ها نوع تحریک و پاسخ، نوع حسگر، سازوکار تشخیص و نوع کاربرد مهم است. استفاده از مواد هوشمند برای شناسایی خوردگی برپایه موادی است که در محیط خورده‌شده دچار تغییر می‌شوند برای مثال میکرو/نانو کپسول‌های حاوی عوامل ترمیم‌کننده که دارای قابلیت پلیمریزه شدن در واکنش با یک کاتالیست هستند با پوشش‌های پلیمری مخلوط شده و پس از اعمال روی سطح درصورت ایجاد ترک، آزاد شده و ترک‌ها را پر می‌کنند.
اگر افزودنی‌های مقاوم در برابر خوردگی داخل میکرو/نانوکپسول‌ها قرار گیرند از آنها می‌توان برای محافظت در برابر خوردگی استفاده کرد.
اصول پوشش‌های هوشمند و ارتباط آنها با بازدارندگی خوردگی شامل این موارد است:
* آزادسازی مواد بازدارنده از غشای میکرو/نانوکپسول بر اثر تخریب مکانیکی کپسول‌ها در پوشش
* آزادسازی مواد بازدارنده از سطح نانومخزن‌ها در اثر پاسخ به عوامل محیطی
* استفاده از رنگدانه‌هایی که مواد شیمیایی خورنده را جذب یا مواد بازدارنده آزاد می‌کنند به همراه یا بدون تغییر رنگ.
پوشش‌های فوق آب‌گریز
سطوح غیرخیس شونده با قابلیت تماس بالا و قابلیت سرخوردن آسان قطره‌ها در اصطلاح سطوح فوق‌آبگریز نامیده می‌شوند. فوق آب‌گریزی، هم به‌وسیله ترکیب شیمیایی و هم خواص ژئومتری سطح جامد کنترل می‌شود.
استفاده از مواد فوق آب‌گریز که از جذب آب یا دیگر موادی که باعث خوردگی می‌شوند ممانعت می‌کند، می‌تواند به‌عنوان نخستین خط تدافعی در برابر خوردگی عمل کند و طول عمر آلیاژهای فلزی را افزایش دهد.
برای سنتز این دسته از نانوپوشش‌ها از مواد و ترکیبات فوق آب‌گریز استفاده می‌شود.
به تازگی تلاش‌های بسیاری برای توسعه سطوح یخ‌گریز با الهام گرفتن از فرآیند طبیعی لوتوس فوق‌آب‌گریز انجام شده است. در این سطوح به‌دلیل وجود حفره‌های میکرو نانومتری در سطح آن، پوشش خاصیت آب‌گریزی می‌یابد.
پوشش‌های‌جاذب‌امواج
قابلیت رادارگریزی بـا استفـاده از یک یا ترکیبی از این روش‌ها ایجاد می‌شود:
* انحراف سیگنال‌های شناسایی در جهت مطلوب
* جذب سیگنال‌های شناسایی
* ایجاد اختلال در سیگنال‌های شناسایی
رنگ و پوشش‌های جاذب امواج رادار از نظر تقسیم‌بندی در دسته دوم از روش‌های بالا قرار می‌گیرد. استفاده از مواد ضدرادار به‌صورت پوشش روی وسایل پرنده که باعث کاهش و در مواقعی صفرشدن سطح مقطع راداری می‌شود، موضوع بسیاری از پژوهش‌ها در حوزه صنعت دفاعی است. سازوکار این پوشش‌ها تضعیف موج الکتریکی و مغناطیسی امواج الکترومغناطیسی است. مواد جاذبی که این دو موج را همزمان تضعیف می‌کنند باند جذب پهن‌تر و تضعیف بیشتری دارند. این مواد ترکیبی از مواد دی‌الکتریک و فرومغناطیس (بیشتر فریت‌ها) در کنار هم است. در برخی گزارش‌ها رنگ‌های نانویی رادار گریز بر پایه نانولوله‌های کربنی بیان شده‌اند. نانولوله‌های کربنی قادرند ۹۹درصد از امواج در منطقه مرئی، فرابنفش و رادیویی را جذب کنند. این نانولوله‌ها در انواع ساختارها و بسترها مورد استفاده قرار می‌گیرند. نحوه لایه‌نشانی این مواد رادارگریز روی سطح وسیله پرنده از نظر استحکام مکانیکی، مقاومت به خوردگی، دوام، چسبندگی و… بسیار مهم است. از این‌رو برای پوشش این مواد روی بستر وسایل پرنده از روش‌های مختلفی ازجمله الکتروشیمیایی، تبخیر شیمیایی و فیزیکی استفاده می‌شود. نکته دیگر در نوع روش لایه‌نشانی این مواد، سنتز پوشش‌هایی با ساختارهای خاص است. اگر لایه ایجادشده دارای مورفولوژی خاصی مانند ساختارهای مرتب یا ساختارهای تکرارشونده باشد، موج تابشی بیشتر در داخل ساختار محبوس شده که این امر موجب میرا شدن بیشتر موج می‌شود.

پوشش‌های آنتی‌استاتیک
یکی از الزامات مهم برای قسمت‌های خارجی یک پرنده محافظت در برابر رعد و برق است. با تغییر جنس بدنه از فلزی به کامپوزیت و نبود هدایت الکتریسیته در کامپوزیت‌ها با چالشی جدید در این زمینه روبه‌رو خواهیم بود.
حساس‌ترین نواحی برای شروع برق‌گرفتگی دماغه، لبه‌های حمله، دم و بال‌هاست. در بین این نواحی، بال‌ها به علت وجود سلول‌های سوختی در نزدیکی آنها از حساسیت بیشتری برخوردارند.
برای رفع این خطر به موادی نیاز داریم که نه تنها هدایت الکتریکی مناسبی داشته باشند بلکه در شرایط محیطی نیز پایداری مناسبی (خواص مکانیکی مناسب) داشته باشند. برای این منظور بدنه هواپیما را از کامپوزیت‌های هادی (پلیمرهای هادی به همراه افزودنی‌های فلزی یا CNT می‌سازند. )
برای جلوگیری از صدمات ناشی از رعد و برق در نانوکامپوزیت‌های تقویت‌شده با فیبرهای کربنی، پوشش‌دهی این فیبرها با نانوذرات نقره بررسی شده است.

نانوپوشش‌های سد حرارتی:
این نوع پوشش‌ها اغلب در موتور هواپیما و مناطقی که در معرض شوک حرارتی هستند به‌کار می‌روند تا از نفوذ و انتقال گرما به لایه‌های دیگر جلوگیری کنند. بنابراین باید این ترکیبات در مقابل گرما نفوذپذیری کمی داشته باشند. این پوشش‌ها به شکل گسترده‌ای در قطعات مقاطع داغ موتورهای توربین گازی مانند محفظه سوخت، تیغه‌ها و پره‌های توربین استفاده می‌شود. پوشش‌های سپر حرارتی نانوساختار نسبت به پوشش‌های معمولی از خواص حرارتی، مکانیکی و ترمودینامیکی بهتری برخوردار بوده و موجب افزایش طول عمر و پایداری قطعات موتورهای مورد استفاده در صنعت هوایی می‌شوند. اغلب این پوشش‌ها شامل پوشش رویه‌ای سرامیکی عایق حرارت و پوشش میانی مقاوم در برابر اکسیداسیون است. هدف اصلی از ساخت این سیستم دو لایه، کاهش دمای سطحی قطعات، افزایش دمای احتراق و درنتیجه بهبود عملکرد یا طول عمر قطعه است. به منظور دستیابی به بازده بالاتر توربین‌های گازی و طول عمر بیشتر پوشش، از پوشش‌های نانوساختار زیرکونینای پایدارشده با ایتریا استفاده می‌شود. پوشش‌های نانوساختار به‌دلیل خواص فوق‌العاده‌شان توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. این پوشش‌ها اغلب می‌توانند باعث عملکرد بهتر یک ماده جایگزین بدون نیاز به طراحی دوباره قطعه کامل شوند. پوشش‌های سپر حرارتی نانوساختار، هدایت حرارتی پایین‌تر، ضریب انبساط حرارتی بالاتر و خواص ترمودینامیکی و مکانیکی عالی از لحاظ سیکل حرارتی در محیط توربین گازی از خود نشان می‌دهند.

نانوپوشش‌های مقاوم به سایش
استفاده از پوشش‌هایی با ضریب اصطکاک پایین برای مثال در قسمت‌هایی از موتور هواپیما به منظور جلوگیری از سایش می‌تواند فواید فراوانی داشته باشد. نانوکامپوزیت‌های پلیمری با اضافه کردن برخی عناصر فلزی یا سرامیکی را می‌توان به عنوان پوشش‌های کم‌اصطکاک در دماهای بالا استفاده کرد. همچنین پوشش‌های کبالت فسفری نانوکریستالی مقاومت به فرسایش خوبی داشته و ضرایب سایشی پایینی دارد. رنگ‌های نانو (پودر نانو تالک، نانو تفلون و نانو گرافیت) برای کاهش سایش روی سطوح در حال پژوهش و بررسی است. این سطوح قابلیت روان‌کنندگی بالا و گاه خودروان‌کنندگی دارند.

نانوپوشش‌های سخت
پودرهای سرامیکی، سرمت‌ها (سرامیک- فلزها) و مواد با ساختار نانو می‌توانند پوشش‌هایی را ایجاد کنند که سختی، مقاومت به سایش و پایداری بالایی داشته باشند. این پوشش‌ها به لحاظ هزینه می‌توانند جایگزین مناسبی برای آبکاری کروم سخت در صنعت هوایی باشند. همانطور که می‌دانید آبکاری کروم به‌دلیل سمی بودن و خطرات زیست‌محیطی توسط دولت‌ها بسیار محدود شده است. به‌دلیل این محدودیت‌ها تلاش‌های بسیاری برای جایگزینی این پوشش شده است. این پوشش به‌عنوان پوشش در توربین‌های گازی و موتورهای جت استفاده می‌شود درحالی‌که کاربرد فیلم‌های نانوسرامیکی سخت برای حفاظت سطوح تیغه پروانه هواپیما در مراحل تحقیق و توسعه است.

پوشش‌های خودتمیزشونده
سطوح آیرودینامیک هواپیما را با مواد فوتوکاتالیستی خودتمیزشونده پوشش می‌دهند تا نیاز به زدودن آلودگی‌های آلی و حشرات و… کاهش یابد. با این پوشش آشفتگی در لایه مرزی جریان هوا ناشی از آلودگی‌های آلی کاهش یافته و در نتیجه بهبود کارآیی با کاهش نیروی درگ اتفاق می‌افتد. این نوع پوشش با پوشش‌دهی سطح سازه وسایل پرنده با مواد نانوساختار نیمه‌رسانا مانند نانوذرات تیتانیوم به روش سل-ژل ایجاد می‌شود.