کاربرد فناوری نانو در سیستم تعلیق خودرو

1- مقدمهمواد اصطکاکی مورد استفاده در سیستم ترمز خودرو به مواد نیمه‌فلزی، غیر آزبست آلی (NAO) و سرامیکی طبقه‌بندی می‌شود [1و2]. اکثر سیستم‌های تعلیق خودرو تشکیل شده‌اند از تعداد زیادی الیاف، پرکننده و اتصال‌دهنده پلیمری. مواد اصطکاکی نیمه فلزی شامل مقدار زیادی از الیاف فلزی (پشم فولاد، مس و تراشه برنجی) و ذرات (پودر آهن) است. مواد اصطکاکی NAO تشکیل شده‌اند از الیاف آلی و معدنی با مواد کم فلزی یا غیرفلزی. بیشتر الیاف آلی و معدنی مورد استفاده در فرمولاسیون NAO شامل پالپ آرامید، فیبر اکسیدی پلی اکریلو نیتریل، الیاف اکریلیک، الیاف سلولزی، الیاف کربن، الیاف شیشه، ولاستونیت و الیاف سرباره هستند. به منظور بهبود سروصدا، اخیراً مواد اصطکاکی سرامیکی تولید شده‌اند که شامل نمک راشل به عنوان تقویت‌کننده اصلی همراه با پالپ آرامید، برنج یا تراشه‌های مسی هستند. پرکننده‌های مورد استفاده در این سه نوع از مواد اصطکاکی شامل ساینده، روان‌کننده، مواد فضا و پرکننده‌های عملکردی است. ساینده‌ها از جمله ZrSiO₄، اکسید زیرکونیوم (ZrO₂)، اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) و کاربید سیلیکون (SiC) مقدار سختی بالاتر بین Mohs 7-9 دارند. گرافیت، ذغال سنگ، MoS₂ و Sb₂S₃ به‌عنوان روان‌کننده استفاده می‌شوند. BaSO₄، CaCO₃ وCa(OH)₂ به‌عنوان مواد پرکننده برای کاهش هزینه استفاده می‌شوند. میکا و ورمیکولیت را می‌توان به‌عنوان پرکننده‌های کاربردی برای بهبود سروصدا استفاده کرد. سیستم تعلیق نیازمند مواد اصطکاکی با ضریب اصطکاکی بالاتر و پایدارتر، نرخ سایش کم، بدون سروصدا، هزینه کم و دوستدار محیط زیست است. به منظور انتخاب صحیح مواد اصطکاکی، مواد خام بر اساس مقاومت سایش خود به دو گروه طبقه‌بندی می‌شوند.پشم فولاد، پالپ آرامید، Al₂O₃، گرافیت، ذغال سنگ، MoS₂ ، پودر لاستیک و رزین‌های فنولیک مقاومت به سایش خوبی دارند و در گروه یک قرار می‌گیرند. علاوه بر این، مواد موجود در گروه دو براساس مقاومت به سایش‌شان و ترکیب شدن با مواد گروه یک می‌توانند به دو زیرگروه تقسیم شوند. برای مثال ترکیب پالپ آرامید با شارپ تیتانات پتاسیم، ولاستونیت، ورمیکولیت، BaSO₄ و فیبر سرباره به دلیل داشتن مقاومت به سایش خوب ترکیب، در یک زیرگروه قرار می‌گیرند. ZrSiO₄، SiC، Sb₂S₃، MgO، Ca(OH)₂، الیاف پلی اکریلو نیتریل اکسیدشده CuS، Cu₂S، BN، B₂O₃، تراشه‌های برنجی ترکیب شده با پالپ آرامید به دلیل مقاومت به سایش ضعیف‌شان، جزء زیرگروه دو هستند. مواد گروه یک و زیرگروه یک جزء مواد اصطکاکی غیرفلزی با و بدون مواد ساینده هستند. هر دو گروه مواد اصطکاکی عملکرد اصطکاکی خوبی را نشان می‌دهند اما به خاطر عدم وجود مواد ساینده، ضریب اصطکاکی کم است. مواد ساینده معمولاً ضریب اصطکاک را کاهش می‌دهد اما دیسک چدنی را تخریب می‌کند. اگرچه ZrSiO₄ سایش ضعیفی از خود نشان می‌دهد، عملکرد منحصربه‌فردی به منظور افزایش ضریب اصطکاکی مخصوصاً در دماهای بالا دارد. درنتیجه ZrSiO₄  به طور وسیعی در مواد اصطکاکی به عنوان عامل ساینده با سختی Mohs 7 استفاده می‌شود . 2- تأثیر مواد افرودنی مواد اولیه مورد استفاده در فرمولاسیون اصطکاک خودرو با استفاده از روش ترکیبی و براساس توانایی خود برای بهبود خواص سایشی مخلوط به‌وسیله کامپوزیت اصطکاکی دوفازی به دو گروه طبقه‌بندی می‌شوند. ترکیبات گروه یک، مقاومت سایش را بهبود می‌دهد و شامل: 1- افزودنی‌های نرم‌تر (گرافیت، MoS₂ و Twaron)، 2- مواد افزودنی سخت‌تر (Al₂O₃ و پشم فولاد) و 3-چسب آلی (benzoxazine) می‌شوند. مواد افزودنی نرم‌تر دارای ضریب اصطکاک (l) پایین، سایش کم و باقیمانده‌های به راحتی منتقل شده به سطح دیسک هستند. مواد افزودنی سخت‌تر دارای سایش متوسط و ضریب اصطکاک (l) متوسط هستند و از لایه‌های سطحی حاوی آهن ناشی از انتقال دیسک‌های آهن به پد مواد اصطکاکی تشکیل شده‌اند. Benzoxazine، دارای سایش بالا و ضریب اصطکاک بالاست. همچنین در این مواد، هیچ لایه انتقالی تشکیل شده بر هیچ یک از سطوح دیسک یا پد وجود ندارد. سایش مواد دوفازی را می‌توان با اضافه کردن Al₂O₃، گرافیت، MoS₂، پشم فولاد و Twaron به benzoxazine بهبود داد که چهار مکانیزم برای بهبود سایش پیشنهاد شده است: 1- مکانیزم روغن‌کاری (گرافیت و MoS₂)، 2- مکانیزم سایش (Al₂O₃)، 3- مکانیزم لایه اصطکاکی (پشم فولاد)، 4- مکانیزم تقویت شده (Twaron). ترکیبات گروه دو که از مقاومت به سایش ضعیفی تولید شده‌اند شامل: BaSO₄، BN، B₂O₃، تراشه برنجی، CaCO₃، Ca(OH)₂، بادام زمینی، تراشه‌های مسی، CuS ،Cu₂S، H₃BO₃، پودر آهن، MgO، الیاف PAN اکسیده شده، PMF (SiO₂+CaO)، Ultrafibe(CaSiO₃) و ZrSiO₄ می‌شوند [1-5]. 1-2- تأثیر ZrSiO₄ مطالعات بر روی ZrSiO₄ (سیلیکات زیرکونیوم یا زیرکون) به عنوان یک ساینده در عملکرد اصطکاک ترمز و اصطکاک لایه‌های غیرفلزی مواد اصطکاک ترمز نشان می‌دهد که ZrSiO₄ باعث افزایش ضریب اصطکاک اما کاهش نرخ سایش می‌شود. با این حال ZrSiO₄ می‌تواند نرخ سایش منفی اصطکاک مواد را بهبود بخشد. شکل‌گیری و توسعه لایه‌های اصطکاکی پیچیده است. در صورتی که لایه‌های اصطکاکی ایجاد شده در طی فرآیند اصطکاک به وسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی، میکروسکوپ نوری و پراش اشعه ایکس به دقت مورد بررسی قرار گیرند، ویژگی‌های زیر درمورد لایه‌های اصطکاکی شناسایی خواهدشد: 1- رفتار دینامیک (پویا): ساختار لایه‌های اصطکاکی در مکان‌های سطحی متفاوت و در سراسر ضخامت نمونه تغییر می‌کند. 2- اصطکاک وابسته به شرایط: شکل‌گیری لایه اصطکاک بستگی به درجه حرارت، زمان و تاریخچه حرارتی از قبیل محو و بازیابی دارد. 3- وابستگی ترکیبی: ترکیبات سطح اصطکاک و حجم متفاوت هستند با این حال ترکیبات حجم تعیین‌کننده لایه‌های سطحی است. پدیده‌هایی از قبیل لایه‌های تغییریافته، تکه‌های آهن، مناطق ایجاد شده ناشی از کاهش زیرکون و فیلم باریته بر سطح اصطکاک مشاهده شدند. فیلم باریته بر روی سطوح اصطکاکی عناصر Zr-0 (نمونه بدون زیرکون) مشاهده شد. فیلم باریته اثرمثبت بر خواص سایشی دارد اما فیلم در حضور ZrSiO₄ ناپدید می‌شود. مقدار مواد کربن با افزایش ZrSiO₄ کاهش می‌یابد. فقط ضخامت ناچیزی از لایه‌های تغییریافته در سطوح اصطکاکی عناصر Zr-0 پیدا شد، در حالی که نمونه‌ای که شامل زیرکونیوم است، لایه‌های تغییریافته نسبتاً ضخیمی نشان می‌دهد. هر دو تکه‌های آهن و مناطق تهی از زیرکون، با محتوی ZrSiO₄ افزایش می‌یابد . 2-2- لاستیک‌های نانوپودر رایج‌ترین لاستیک‌های استفاده شده در مواد اصطکاکی، SBR و NBR هستند. لاستیک‌ها می‌توانند به دو صورت بالک و پودر به کارگرفته شوند. کاربرد لاستیک به صورت بالک در تولید مواد اصطکاکی تا حدودی پیچیده و کم بازده است، در حالی که کاربرد پودر لاستیک ساده‌تر است و اکثر صنایع فرآیند مخلوط‌سازی مستقیم را به کار می‌برند. فناوری لاستیک‌های نانوپودر، به وسیله صنایع شیمیایی مرکز مطالعات پکن و دانشگاه پکن (SINOPEC) تولید شد. بیش از سی اختراع ثبت شده با توجه به این فناوری واصل شده‌اند و در میان آن‌ها، 15 طرح در چین انجام شده و یک طرح به آمریکا صادر شده است. در این فناوری لاتکس به عنوان ماده خام برای اتصال عرضی مورد تابش و خشک کردن قرار گرفت و همچنین به عنوان ذره با اندازه ذرات یکسان در لاستیک استفاده شد. لاستیک نانوپودر بوتادین استایرن و لاستیک نانوپودر نترل-بوتادین، برای تولید فیسینگ کلاچ، لنت ترمز دیسکی و لنت ترمز استفاده می‌شود تا جایگزین لاستیک بوتادین استایرن و نترل-بوتادین معمولی شوند. نتایج حاصل از آزمون اصطکاک سرعت ثابت و دینانومتر نشان می‌دهد که لاستیک نانوپودر به طور قابل ملاحظه‌ای می‌تواند در بهبود خواص مواد اصطکاکی نقش داشته باشد. ضریب اصطکاک مواد اصطکاکی اصلاح شده با لاستیک نانوپودر به طور پیوسته با تغییر دما تغییر می‌کند و نرخ سایش مواد اصطکاکی با استفاده از لاستیک نانوپودر نسبتاً کم است. این نتایج نشان می‌دهد که لاستیک نانوپودر اثرات کاربردی ایده‌آلی بر مواد اصطکاکی متفاوت دارد و نوعی لاستیک اصلاح شده جدید برای مواد اصطکاکی است [4]. 3- اصلاح کننده‌های سرامیکی اخیراً مواد اصطکاکی سرامیکی که سومین نوع مواد اصطکاکی هستند، با استفاده از الیاف و پرکننده‌های سرامیکی تولید شده‌اند. درواقع مواد اصطکاکی سرامیکی به دلیل اتصال دهنده‌های پلیمری که مصرف می‌کنند، زیرگروهی از NAO هستند. در مقایسه با سیستم‌های اصطکاکی کامپوزیتی آلی شبه فلزی یا غیرآزبست، مواد اصطکاکی سرامیکی مزایای بسیار زیادی از قبیل ضریب اصطکاک محدود اما پایدار، سایش کمتر، عدم سروصدا و لرزش، پایداری حرارتی، استحکام مناسب و طول عمر زیاد دارند. به منظور آماده شدن لنت‌های ترمز سرامیکی با عملکرد اصطکاکی بیشتر و هزینه کمتر، تحقیقاتی پیرامون مواد اصطکاکی ترکیبی انجام شد. مواد اولیه مورد استفاده توسط چهار معیار معرفی شدند. مربع لاتین همراه با رویکرد بخش طلایی برای طراحی فرمول‌های تجربی استفاده شد. سری‌های حساسیت و شاخص جامع به دست آمده از مواد خام از تحلیل درجه رابطه برای رتبه‌بندی تأثیر هر عنصر بر عملکرد اصطکاک استفاده شد. شایستگی ارزیابی هر یک از فرمول‌های دریافت شده از روش فازی، شایستگی کلی برای قضاوت بهترین فرمول استفاده شده است. هر دو شاخص جامع و ارزیابی شایستگی دو پارامتر جدید هستند که برای بهینه‌سازی چند هدفه از مواد اصطکاکی معرفی و به کار برده شدند. بهینه‌سازی اصطکاک و فرمول سرامیک در سه مرحله انجام شده است: الف) حذف نمونه بهینه از نه فرمولاسیون اولیه بر اساس ویژگی‌های اصطکاکی آن‌ها، ب) بر اساس شاخص ارزیابی جامع، کسر حجمی از باصرفه‌ترین مواد تشکیل‌دهنده برای عملکرد اصطکاکی افزایش پیدا کرد و نامطلوب‌ترین نسبت، کاهش یافته بود، ج) کسر حجمی باندها متغیر بود و سایر مقادیر اجزاء به همان نسبت دچار تغییر شد. در نهایت بهترین حالت بعد از انجام 16 فرمولاسیون انتخاب شد . 4- بحث و نتیجه‌گیری استفاده از ترکیبات گروه اول که باعث ایجاد سایش کم می‌شود، به عنوان یکی از روش‌های پیشنهاد شده برای انتخاب مواد خام در فرمولاسیون اصطکاک مطرح می‌شو‌د. ترکیبات گروه دو می‌توانند به عنوان مکمل استفاده شوند. با استفاده از ترکیب مواد گروه‌های بیان شده، ضریب اصطکاک کاهش می‌یابد اما سایش بدون تغییر باقی می‌ماند. میزان ماده منتقل شده بین مواد اصطکاکی و دیسک‌های چدنی، وابسته به سختی افرودنی‌های استفاده شده است. نتایج آزمون اصطکاکی سرعت ثابت و دینانومتری نشان داد که لاستیک‌های نانوپودر می‌توانند به میزان قابل توجهی خواص مواد اصطکاکی را بهبود بخشند. ضریب اصطکاک مواد اصطکاکی اصلاح شده با لاستیک نانوپودر به طور یکنواخت با تغییر دما تغییر می‌یابد و نرخ سایش مواد اصطکاکی با استفاده از لاستیک نانوپودر کاهش می‌یابد. این نتایج نشان می‌دهد که لاستیک‌های نانوپودر اثرات کاربردی ایده‌آلی بر مواد اصطکاکی متفاوت دارند و لاستیک اصلاح شده جدیدی برای مواد اصطکاکی است.