ההשפעה של ננוטכנולוגיה על ביצועי חומר פלדה אזרחיים

ננוטכנולוגיה מעצבת מחדש את הנוף של חומרי הנדסה אזרחית, במיוחד פלדה, על ידי כך שהיא מאפשרת שליטה מדויקת על מבנים בקנה מידה אטומי. מאמר זה בוחן כיצד חידושים ננומטריים משפרים את העוצמה, עמידות, וקיימות של פלדה לבנייה, וחוקר את היישומים הנוכחיים, מנגנונים בסיסיים, אתגרים שנותרו.

מה זה ננוטכנולוגיה?

ננוטכנולוגיה מתייחסת למניפולציה של החומר במימדים בין 1 ל -100 ננומטרים. בקנה מידה זה, חומרים מציגים התנהגויות פיזיות, כימיות ומכניות נפרדות – לעתים רחוקות הרחק מאלה של אותו חומר בצורת רובה.לדוגמה, היחס השטח-לנפח גדל באופן דרמטי, אפקטים קוונטיים עשויים לשלוט, פגמים בלחמת גביש יכולים להיות נשלטים יותר ביעילות.

בהקשר של פלדה, ננוטכנולוגיה כוללת הנדסה של המיקרו-מבנה של החומר ב nanoscale לייצר גדלים דגנים בטווח ננומטר (nanocrystalline או אולטרה-Fine-gnate פלדה) או כדי לפזר חלקיקים (כגון carbides, nitrides, או תחמוצות) בתוך ממטרת פלדה.

שיפורים בביצוע פלדה

החלת ננוטכנולוגיה לפלדה אזרחית מניבה כמה שיפורים שניתן לכמתים באופן ישיר לטובת יושרה מבנית וארוכותיות.

כוח מוגבר

פלדה מובנת יכולה להשיג נקודות תשואות מעל 1,000 MPa תוך שמירה על דוקטריות - שילוב נדיר אפשרי עם מיקרו מבנים קונבנציונליים.זה מושג בעיקר באמצעות זיכוך דגנים (Hall-Petch חיזוק) שבו גרגרי ננומטריים מטלטלים תנועת פירוק. Ultra- high-Strength פלדה, כגון אלה המשמשים בעמודות גבוהות או כבלי גשר, תועלת מקטעים קלים יותר ולהפחית את השימוש ללא בטיחות הקרבה.

עמידות מוגברת ושחיתות קורוזיה

חלקיקים כגון דו תחמוצת טיטניום (TiO2) או תחמוצת גרפן ניתן לשלב ציפוי פלדה או פלדה עצמה כדי ליצור מחסום נגד לחות וכלורידים.בנוסף, משטחים nanostructured יכול להפחית את הדבקות של סוכנים קורוזיים. חלק מחקרים מדווחים על ירידה של 50-70% בשיעורי קורוזיה כאשר ציפוי ננוphase מתאימים הם, מרחיבים את החיים בשירות ימי או סביבות מלוחות.

שיפור הנפיחות וההתנגדות העייפות

ננופרו-תיכונים – חלקיקים tiny שנוצרו במהלך טיפול חום – גבולות דגנים ומניעים את ההתפשטות של סדקים.זה לא רק מגביר את הקשידות בטמפרטורות נמוכות ( קריטי עבור תשתיות קדחתניות) אלא גם משפר את חיי העייפות תחת עומס מחזורי.עבור גשרים ופלטפורמות offshore, שבו עייפות היא מצב כשלון דומיננטי, פלדה ננו-נגנית יותר מאשר מספר כפול של מחזורים לפני תחילת השבץ.

אופטימיזציה של Thermal וחשמליות

עבור יישומים מיוחדים - כגון פלדה בשימוש רכיבים מגנטיים או אלמנטים מבניים מוליכים - ננוטכנולוגיה יכול לכוון תכונות תרמיים וחשמליים.לדוגמה, הוספת צינורות פחמן או גרפן ננופלאס פלדה משפר את מוליכות החשמל תוך שמירה על כוח מבני, פתח אפשרויות עבור סיפון גשר מבוסס-עצמי או חיישנים משולבים.

מכניזם מאחורי ננוטכנולוגיה בפלדה

הבנת איך ננוטכנולוגיה פועלת בתוך פלדה דורשת התבוננות בשלושה מנגנונים עיקריים: זיכוך דגנים, משקעים קשיחים, ופיזור חלקיקים.

גרלין מסרב

הפחתת גודל הדגנים הממוצע ממיקרומטרים לנונומטרים מגדיל באופן דרמטי את מספר גבולות הדגנים.גבולות אלה פועלים כמכשולים לפירוק גלידת החנק, מצבה העיקרי של עיוות פלסטי.מערכת היחסים בין הול-פטריך קובע כי כוח הניב הוא יחסית הפוך לשורש גודל דגנים.עם זאת, מתחת ל -10 ננומטר, בתוך הול-כל הפוך, יכול להתרחש, כך תהליכים תעשייתיים עבור 100 גדלים אופטימליים של גרגר.

המונחים: Harding

ננומטרי precipitates - לעתים קרובות carbides של וניל, חנקום, או טיטניום - צורה במהלך עיבוד תרמומאני.הם מציבים גבולות דגנים בטמפרטורות גבוהות (הרחבת דגנים) ולאחר מכן מטלטלטלטלת פירוק בטמפרטורת החדר. שיטה זו כבר בשימוש ב high-Strent-ength low-alloy (HSLA) פלדה, אבל ננוטכנולוגיה מאפשרת שליטה מדויקת על פני גודל טרום-pitate, מקסימלי, ואפקטים, עבור התפשטות.

חלקיקים

הוספת חלקיקים אקסוגניים (למשל, סיליקון carbide, אלומיניום, או פחמן ננו-tubes) ישירות לתוך התכת פלדה או באמצעות אבקת מתכתלורגי יכול לשפר את העוצמה, ללבוש התנגדות, או תכונות תרמיות. האתגר הוא להשיג פיזור אחיד ללא הדבקה.התקדמות אחרונה בשילוב טכניקות ותפקוד הפנים שיפרו את האמינות, מה שהופך את הפיזור הסטרואנטים לאחר מכן מסחרי יותר.

יישומים בהנדסה אזרחית

פלדה ננוטכנולוגיה-enhanced כבר מופיעה בפרויקטים של הנדסה אזרחית בעולם האמיתי, לעתים קרובות כאשר חומרים קונבנציונליים לא יכולים לעמוד בדרישות ביצועים קיצוניות.

בניינים גבוהים

פלדה ננודורת גבוהה מאפשרת עמודות דקות יותר וטווחים ארוכים יותר, הגדלת שטח הרצפה ניתן להשגה.ה-FLT:0Burj KhalifaFLT:1 משתמש פלדה גבוהה סטרגנט בלבה המבני, ומגדלי סופר חדשים יותר לציין יותר ויותר ננו-כלים מחוונים כדי להפחית במשקל ועומסי יסוד.

גשרים ומבנה Offshore

גשרים שנחשפו לסביבות ימיות או עירוניות corrosive תועלת מציפויים ננו-מותיים כי העצמי או דוחים כלורידים באופן פעיל.לדוגמה, FLT:0 the Millau ViaductigtveFLT:1 משתמש פלדה מתקדמת מזג אוויר, אבל עיצובים עתידיים יכולים לשלב טיפולים חלקיקים-infused כדי להרחיב את מרווחי תחזוקה נוספים.

תשתיות ארוכות

דמים, מנהרות ומערכות תפירה דורשות חומרים המתנגדים להתקפה כימית ומוחש. ציפויים ננוקריסטליים החלים על חיזוקי פלדה בטון (רבר) הראו ירידה משמעותית בשיעורי קורוזיה בסביבות כלור-עשירות, ובכך הרחיבו את חיי השירות של מבנים קונקרטיים מתחזקים בעשורים.

טכניקות בנייה בר קיימא

ננוטכנולוגיה מאפשרת בנייה "נקיה": פחות חומר נדרש כדי להשיג את אותה כוח, צמצום פחמן מגולמת.כמה ניסוחים ננו-סטרל ניתן גם למחזר ביעילות רבה יותר, כי מיקרו-מבנה האלקטרו-מחוסנים שלהם לא coarsen באופן מוגזם במהלך remelting. Research at FLT:0 The National Nanotechnology InitiativeFLT:1 לחקור ייצור סגורה שבו הוא מעובד חזרה לתוך מוצר מינימלי עם אנרגיה.

אתגרים ו-Outlook עתידיים

למרות הבטחתו, אימוץ ננוטכנולוגיה בפלדה אזרחית עומד בפני כמה מכשולים שיש לטפל בהם לשימוש נרחב.

עלויות הייצור

הפחתת גרגרי ננומטרי או פיזור אחיד של חלקיקים דורש מ"ל מתגלגל מיוחד, שיעורי קירור מבוקרים, או אבקה ציוד מתכתי.עלויות נוכחיות יכול להיות 2-5 פעמים גבוה יותר מאשר פלדה קונבנציונלית, הגבלת יישומים לפרויקטים פרימיום.

סקלאה

הצלחות מעבדה לעתים קרובות לא לתרגם חלקה לייצור המוניות.שמירה על אחידות ננומטרית על פני טון פלדה היא מאתגרת.עם זאת, הליהוק מתמשך עם בקרת קירור דינמי וטיפולים בחום באינטרנט הראו הבטחה לייצור מוצרי ריבר ועמודי נייר nanostructured בשיעורים תעשייתיים.

איכות הסביבה ובטיחות הבריאות

חלקיקים, במיוחד אלה בעלי חיים חופשיים, יכולים להוות סיכונים נשימתיים או אקולוגיים אם ישוחררו במהלך הייצור, חיתוך או הריסת.תעשיית הפלדה חייבת ליישם את ההחזקה, ניטור ופרוטוקולים של מחזור החיים מצביעים על כך שעקב סביבתי הכולל של ננו-steel יכול להיות נמוך יותר אם חיסכון במשקל ותוחלת חיים מורחבת לפצות על השפעות ייצור מראש.

תקנים והסמכת

בניית קודים וסטנדרטים חומריים (למשל, ASTM, EN) עדיין לא שילבו לחלוטין את ציוני הפלדה הננו-הנסד.בדיקת שיטות לנכסים ננומטריים ואמינות ארוכת טווח עדיין מתפתחת.

מסקנה

ננוטכנולוגיה היא לא רק סקרנות מעבדה עבור פלדה - זה כלי מעשי שכבר מספק רווחים למדידה כוח, עמידות וקיימות. כמו עלויות הייצור ירידה, קנה מידה משתפר, ומסגרות רגולטוריות בוגר, פלדה ננו-הנדסד תהפוך לסטנדרט יותר ויותר בבניינים גבוהים, גשרים, תשתיות קריטיות.