فناوری نانو چشم انداز مواد مهندسی عمران، به ویژه فولاد، با فعال کردن کنترل دقیق بر ساختارهای مقیاس اتمی، این مقاله بررسی می کند که چگونه نوآوری های نانومقیاس قدرت، دوام و پایداری فولاد برای ساخت و ساز را افزایش می دهند و برنامه های فعلی، مکانیزم های اساسی و چالش های باقی مانده را بررسی می کنند.

فناوری نانو چیست؟

فناوری نانو به دستکاری ماده در ابعاد بین حدود 1 تا 100 نانومتر اشاره می کند، در این مقیاس، مواد رفتارهای فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی متمایز را نشان می دهند - اغلب از همان مواد به صورت عمده حذف می شوند.

در زمینه فولاد، نانوتکنولوژی شامل مهندسی میکروساختار مواد در مقیاس نانو برای تولید اندازه دانه در محدوده نانومتر (نانو کریستالی یا فولاد فوق العاده دانه ای) یا برای پراکنده کردن نانوذرات (مانند کاربیدها، نیتیدها یا اکسیدها) در داخل ماتریس است.

افزایش عملکرد فولاد

استفاده از نانوتکنولوژی به فولاد مدنی چندین پیشرفت قابل اندازه گیری را به دست می آورد که به طور مستقیم به یکپارچگی ساختاری و طول عمر سود می برد.

افزایش قدرت

فولاد نانوساختار یافته می تواند نقاط قوت بیش از 1000 PSI را در حالی که حفظ انعطاف پذیری - ترکیبی که به ندرت با میکروساختارهای معمولی امکان پذیر است، به دست آورد، این در درجه اول از طریق اصلاح دانه (تیل-Petch تقویت) که در آن دانه های نانو مقیاس مانع حرکت می شوند، مانند کسانی که در ستون های بلند یا کابل های پل استفاده می شوند، بهره گیری از بخش های سبک تر و کاهش ایمنی مواد بدون قربانی کردن مواد.

افزایش دور بودن و مقاومت در برابر خوردگی

نانوذرات مانند دی اکسید تیتانیوم (TiO2) یا اکسید گرافن را می توان در پوشش های فولادی یا فولاد گنجانده شده است تا یک مانع در برابر رطوبت و کلرید ایجاد کند، علاوه بر این، سطوح نانوساختار یافته می تواند چسبندگی مواد منفجره مواد منفجره را کاهش دهد. برخی مطالعات گزارش می دهند 50 تا 70٪ کاهش در نرخ خوردگی زمانی که پوشش های مناسب نانو، گسترش خدمات زندگی یا محیط های نمک دریایی.

افزایش سختی و مقاومت خستگی

نانوپیش بینی - ذرات دائمی تشکیل شده در طول درمان گرما - مرزهای دانه و مانع گسترش ترک می شود، این نه تنها سختی در دمای پایین (بحران برای زیرساخت های قوسی) را افزایش می دهد، بلکه زندگی خستگی را در زمان بارگذاری چرخه ای برای پل ها و سیستم عامل های دریایی بهبود می بخشد، جایی که خستگی یک حالت شکست غالب است، فولاد نانو موتور سیکلت می تواند بیش از دو برابر تعداد چرخه های قبل از شروع ترک باشد.

بهینه سازی حرارتی و هدایت الکتریکی

برای کاربردهای تخصصی – مانند فولاد مورد استفاده در اجزای مغناطیسی یا عناصر ساختاری رسانا – نانوتکنولوژی نمی تواند خواص حرارتی و الکتریکی را تنظیم کند.به عنوان مثال، اضافه کردن نانولوله های کربنی یا نانوپلن به ماریک های فولادی هدایت الکتریکی را بهبود می بخشد در حالی که حفظ قدرت ساختاری، باز کردن امکانات برای عرشه های خود-de-icing یا سنسورهای یکپارچه.

مکانیسم های پشت فناوری نانو در فولاد

درک اینکه چگونه فناوری نانو در داخل فولاد کار می کند، نیاز به بررسی سه مکانیسم اصلی دارد: اصلاح دانه، سخت شدن بارش و پراکندگی ذرات نانو.

اصلاح مجدد دانه

کاهش اندازه دانه های متوسط از میکرومترها به نانومترها به طور چشمگیری تعداد مرزهای دانه را افزایش می دهد.این مرزها به عنوان موانع دررفتگی گلد عمل می کنند، حالت اولیه تغییر شکل پلاستیک. The Hall-Petch می گوید که قدرت به طور معکوس متناسب با ریشه مربع اندازه دانه است.

دانلود فیلم Harding

پیش بینی های مقیاس نانو - اغلب کاربیدهای وانیوم، niobium یا تیتانیوم - در طول پردازش الکترومکانیکی، آنها مرزهای دانه را در دمای بالا (پیش بینی رشد دانه) قرار می دهند و سپس مانع حرکت دررفتگی در دمای اتاق می شوند.این روش در حال حاضر در فولادهای با قدرت پایین (HSLA) استفاده می شود، اما فناوری نانو اجازه می دهد تا کنترل دقیق بر اندازه پیش بینی، و حداکثر اثر توزیع.

توزیع کننده های نانوذرات

اضافه کردن نانوذرات بیرونی (به عنوان مثال، کاربید سیلیکون، آلومینا یا نانولوله های کربنی) به طور مستقیم به ذوب فولاد یا از طریق متالورژی پودر می تواند قدرت، مقاومت سایش یا خواص حرارتی را افزایش دهد.چالش در دستیابی به پراکندگی یکنواخت بدون شتابمراسیون است.

برنامه های کاربردی در مهندسی عمران

فولاد نانو تکنولوژی در حال حاضر در پروژه های مهندسی عمران در دنیای واقعی ظاهر می شود، که اغلب مواد معمولی نمی توانند تقاضای عملکرد شدید را برآورده کنند.

ساختمان های بلند

فولاد نانوساختار بالا به ستون های باریک تر و طول طولانی تر اجازه می دهد، افزایش مساحت کف قابل استفاده (FLT:0) Burj Khalifa از فولاد با قدرت بالا در هسته ساختاری خود استفاده می کند و برج های فوق العاده جدیدتر به طور فزاینده ای نمرات نانو-کار را برای کاهش وزن و بارهای پایه مشخص می کنند.

پل ها و ساختارهای دریایی

پل هایی که در معرض محیط های دریایی یا شهری قرار دارند از پوشش های نانو- ⁇ بهره مند می شوند که خود شفا یا به طور فعال از کلرید دفع می شوند.به عنوان مثال، مایلau Viaduct از فولاد پیشرفته آب و هوا استفاده می کند، اما طرح های آینده می توانند درمان های سطح نانو ذرات را به گسترش فواصل نگهداری بیشتر، ترکیب کنند.

طولانی مدت زیرساخت

سدها، تونل ها و سیستم های فاضلاب نیازمند موادی هستند که در برابر حمله شیمیایی و آتش سوزی مقاومت می کنند. پوشش های نانو کریستالی که برای تقویت فولاد در بتن (بار) اعمال می شوند، میزان خوردگی در محیط های غنی از کلرید را به طور قابل توجهی کاهش داده اند، در نتیجه زندگی خدمات ساختارهای بتنی تقویت شده را تا دهه ها افزایش داده اند.

تکنیک های ساخت و ساز پایدار

فناوری نانو ساخت و ساز "lean" را امکان پذیر می کند: مواد کمتری برای دستیابی به همان قدرت، کاهش کربن تجسم شده، برخی از فرمول های نانو- Steel همچنین می تواند به طور موثر بازیافت شود زیرا ساختار ریز مصنوعی آنها در هنگام بازسازی مواد زائد بیش از حد ضخیم نمی شود.

چالش ها و چشم انداز آینده

علی رغم وعده های آن، پذیرش فناوری نانو در فولاد مدنی با موانع متعددی مواجه است که باید برای استفاده گسترده مورد توجه قرار گیرد.

هزینه های تولید

تولید دانه های نانومقیاس یا نانوذرات پراکنده به کارخانه های مخصوص نورد، نرخ خنک کننده کنترل شده یا تجهیزات متالورژی پودر نیاز دارد.هزینه های فعلی می تواند 2 تا 5 برابر بالاتر از فولاد معمولی باشد، محدود کردن برنامه های کاربردی به پروژه های برتر. Economies ofscale و پردازش نوآوری (به عنوان مثال، تکنیک های سبک پلاستیکی شدید مانند زاویه برابر) به تدریج کاهش این حق بیمه.

مقیاس پذیری

موفقیت های آزمایشگاهی اغلب به طور روان به تولید انبوه ترجمه نمی کنند، حفظ یکنواختی نانو در سراسر تن از فولاد چالش برانگیز است، با این حال، ریخته گری مداوم با کنترل خنک کننده پویا و درمان های حرارتی در خط وعده برای تولید نانوساختار مجدد و محصولات ورق در نرخ های صنعتی است.

محیط زیست و ایمنی بهداشت

نانوذرات، به ویژه آنهایی که دارای شرایط آزاد هستند، می توانند خطرات تنفسی یا زیست محیطی را در صورت آزاد شدن در طول تولید، برش یا تخریب ایجاد کنند. صنعت فولاد باید شاملment، نظارت و دفع پروتکل های ارزیابی چرخه عمر را پیاده سازی کند.

استانداردهای و گواهینامه

کدهای ساختمانی و استانداردهای مواد (به عنوان مثال، ASTM، EN) هنوز به طور کامل نانو درجه بندی شده فولاد را ثبت نکرده اند. روش های تست برای خواص نانومقیاس و قابلیت اطمینان بلند مدت هنوز در حال تکامل است.

نتیجه گیری

فناوری نانو صرفا یک کنجکاوی آزمایشگاهی برای فولاد نیست – یک ابزار عملی است که در حال حاضر دستاوردهای قابل اندازه گیری در قدرت، دوام و پایداری را ارائه می دهد، زیرا هزینه های تولید کاهش می یابد، مقیاس پذیری بهبود می یابد و چارچوب های نظارتی بالغ، فولاد نانو مقاوم سازی شده به طور فزاینده ای در ساختمان های بلند، پل ها و زیرساخت های حیاتی استاندارد خواهد شد.