Civil Steel Material Performance의 나노 기술 영향

나노테크놀로지는 원자재 구조에 대한 정확한 제어를 가능하게함으로써 민간 엔지니어링 재료의 풍경을 재조합하고 있습니다. 이 문서는 나노 스케일 혁신이 건설용 강철의 강도, 내구성 및 지속 가능성 향상을 통해 현재의 응용 분야, 정밀 메커니즘 및 나머지 과제를 탐구하는 방법을 조사합니다.

나노 기술이란?

나노 기술은 약 1 및 100 나노 미터 사이의 치수에 대한 문제의 조작을 나타냅니다. 이 규모에서 재료는 부피 형태로 동일한 재료의 사람들로부터 멀리 제거되는 물리적, 화학 및 기계적 행동을 전시합니다. 예를 들어 표면 영역에서 볼륨 비율은 극적으로 증가하며, 양 효과는 지배 할 수 있으며, 결정 격자의 결함은 더 효과적으로 제어 할 수 있습니다.

나노미터는 나노미터의 입자 크기 (Nanocrystalline 또는 ultrafine-grained steel) 또는 나노 입자를 분산시키는 나노 입자의 재료의 미세 구조 설계를 포함한다. 이 수정은 강도, 강성, 내식성 및 피로 수명과 같은 급진적으로 성능 메트릭을 변경할 수 있습니다.

철강 성능 향상

나노기술을 토목강에 적용하여 구조적 무결성과 수명을 직접적으로 활용할 수 있는 여러 가지 퀄리티의 개선을 제공합니다.

증가된 힘

나노 구조의 강철은 기존의 미세 구조로 거의 가능한 덕트를 유지하면서 1,000 MPa를 초과하는 수율을 달성 할 수 있습니다. 이것은 주로 나노 입자가 분리 운동을 방해하는 곡물 (Hall-Petch Enhancing)을 통해 달성됩니다. 고층 열 또는 교량 케이블에 사용되는 것과 같은 매우 고강도 강철 등급은 더 가벼운 단면도에서 혜택을 누릴 수 있으며 안전 희생없이 재료 사용을 감소시킵니다.

향상된 내구성 및 내식성

이산화 티타늄 (TiO2) 또는 그래 핀 산화물과 같은 나노 입자는 강철 코팅 또는 강철 자체로 습기와 염화물에 대한 장벽을 형성할 수 있습니다. 또한 나노 구조 표면은 부식성 대리인의 접착을 줄일 수 있습니다. 일부 연구는 적절한 나노 코팅이 적용 될 때 부식 비율 50 ~ 70 %의 감소를보고, 해양 또는 탈 산화 염 환경에서 서비스 수명을 연장.

향상된 강성 및 피로 저항

나노프레임스 - 열 처리 - 핀 곡물 경계 및 힌지 균열 전파 중 형성되는 지속적인 입자. 이 뿐만 아니라 낮은 온도 (중성 인프라에 대한 경직)에 강인성을 증가뿐만 아니라 순환적 인 로딩의 밑에 피로 생활을 향상시킵니다. 교량 및 해상 플랫폼의 경우 피로가 지배적 인 실패 모드 인 나노 엔지니어링 스틸은 균열 시작 전에 사이클의 수를 두 배 이상 줄 수 있습니다.

열 및 전기 전도성 최적화

자석 성분 또는 전도성 구조상 성분에서 사용된 강철과 같은 전문화한 신청을 위해 - 나노 기술 열과 전기 재산을 달릴 수 있습니다. 예를 들면, 탄소 나노 튜브 또는 흑연 나노 판을 강철 모조에 추가하는 것은 구조상 힘, 각자 de-icing 교량 갑판 또는 통합 감지기를 위한 오프닝 가능성을 유지하면서 전기 전도도를 개량합니다.

철강의 나노 기술 뒤에 메커니즘

나노 기술이 내부 강철에서 작동하는 방법에 대해 이해하는 것은 3 가지 주요 메커니즘을 찾고 있어야합니다 : 곡물 정제, 강수 경화 및 나노 입자 분산.

곡물 정제

마이크로미터에서 나노미터까지의 평균 입자 크기를 극적으로 증가시키는 입자 경계의 수를 증가시킵니다. 이 경계는 플라스틱 변형의 1 차 형태 인 glide를 분리하는 장애물 역할을합니다. 홀 - 그림 관계는 강도를 산출하는 것은 곡물 크기의 사각형 뿌리에 비례합니다. 그러나 약 10 nm 이하 인 역 홀 - 그림 연화는 100 ~ 500 nm의 최적의 곡물 크기에 대한 산업 공정을 목표로합니다.

연금술

나노 스케일은 열역학 가공 중에 바나듐, 니오브, 또는 티타늄의 카바이드를 생성합니다. 그들은 고온 (직경 성장)에 곡물 경계를 덮고 나중에 방 온도에서 분리 모션을 펼칩니다. 이 방법은 이미 고강도 저 합금 (HSLA) 강철에서 사용되지만 나노 기술은 크기, 형태학 및 최대 효과를 위해 정확한 제어를 허용합니다.

나노 입자 분산

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토목 공학의 응용

나노기술-enhanced steel는 이미 실제 세계 시민 엔지니어링 프로젝트에 나타나고, 종종 기존 재료가 극한 성능 요구 사항을 충족시킬 수 없습니다.

높은 건물

초고 강도 나노 구조 강철은 슬림 한 열과 긴 스팬을 허용, 우연 한 바닥 면적 증가. Burj Khalifa는 구조 코어에 고강도 강철을 사용, 그리고 더 새로운 슈퍼 타워는 점점 무게와 기초 부하를 줄이기 위해 나노 합금 등급을 지정합니다.

교량 및 해양 구조

부식성 바다 또는 도시 환경에 노출되는 교량은 자기 치유 또는 적극적으로 반송하는 나노에 의하여 지배되는 코팅에서 혜택을 줍니다. 예를 들면, Millau Viaduct]는 진보된 풍화 강철을 사용하, 그러나 미래 디자인은 정비 간격을 확장하기 위하여 nanoparticle-infusion 지상 처리를 통합할 수 있었습니다. 해안 바람 터빈 기초와 기름 플랫폼은 또한 nano-enhanced 강철에 의존하는 부식과 피로를 저항하기 위하여 의존합니다.

인프라 Longevity

댐, 터널 및 하수구 시스템은 화학적 공격과 마모에 저항하는 재료가 필요합니다. 콘크리트 (rebar)의 강철 보강에 적용 된 나노 크리스탈 코팅은 염화물이 풍부한 환경에서 부식 속도를 크게 감소 시켰습니다. 수십 년 동안 강화된 콘크리트 구조물의 수명을 연장합니다.

지속 가능한 건설 기술

나노 기술은 "lean"건설을 가능하게합니다. 재료가 동일한 강도를 달성하는 데 필요한 적은 재료는 탄소를 감소시킵니다. 일부 나노 강철 정립은 미세 곡물 미세 구조가 용융 중에 과도하게 콜라보레이션하지 않기 때문에 더 효율적으로 재활용 할 수 있습니다. ] 국립 나노 기술 이니셔티브는 강철 스크랩이 최소 에너지 입력으로 나노 등급 제품으로 처리되는 폐쇄 루프 제조를 탐구합니다.

도전과 미래 전망

약속에도 불구하고, 민간 강철의 나노 기술 채택은 광범위한 사용을 위해 해결해야 할 몇 가지 장벽을 직면.

제조 비용

나노 스케일 곡물 또는 균일하게 분산 나노 입자는 특수 압연 밀, 제어 냉각 속도, 또는 분말 야금 장비가 필요합니다. 현재 비용은 기존의 강철보다 2 ~ 5 배 더 높을 수 있으며 프리미엄 프로젝트에 응용 프로그램을 제한합니다. 스케일 및 처리 혁신 (예 : 동등한 채널 각도 프레스와 같은 심한 플라스틱 변형 기술)의 경제는 점차적으로이 프리미엄을 줄입니다.

확장성

실험실은 종종 대량 생산에 매끄럽게 번역하지 않습니다. 강철의 톤의 맞은편에 나노 스케일 균일도를 유지하고 있습니다. 그러나 동적 냉각 제어와 인라인 열처리를 가진 연속 주조는 나노 구조의 철근 및 판금 제품을 산업 속도에서 생산하기위한 약속을 보여주었습니다.

환경 및 건강 안전

나노 입자, 특히 자유롭고 강력한 하나, 제조, 절단, 또는 철망 중 출시되는 경우 호흡 또는 생태 위험 감소를 잃을 수 있습니다. 철강 산업은 포함, 모니터링 및 처리 프로토콜을 구현해야합니다. 수명주기 평가는 나노 스틸의 전체 환경 발자국이 전방 생산 충격에 대한 무게 절감 및 장시간 수명 보상을 낮추는 경우 낮을 수 있음을 나타냅니다.

표준 및 인증

건축 코드와 재료 표준 (예 : ASTM, EN)은 아직 완전히 통합 된 나노 enhanced 강철 등급이 없습니다. 나노 스케일 특성 및 장기 신뢰성을위한 테스트 방법은 여전히 진화하고 있습니다. 학계 및 표준 조직 간의 협업 노력은 2030의 광범위한 민간 응용 분야에 대한 광범위한 가이드 라인을 개발하는 것을 목표로합니다.