نانو­سیالات

نویسنده: محمد‌نجف‌پور و با تشکر از مهندس امین‌شمس       تاریخ انتشار: ۱۴۰۰/۱۲/۱۷        مدت زمان تقریبی مطالعه: ۴۰ دقیقه

۱-مقدمه:

علم انتقال گرما یا انتقال­‌حرارت (Heat transfer) به بررسی توزیع­‌دما و محاسبه آهنگ انتقال‌­گرما در سیستم­ها می‌پردازد. انتقال ­انرژی از طریق شارش گرما را نمی‌توان مستقیماً اندازه‌گیری کرد ولی این انتقال چون به یک کمیت قابل‌ اندازه‌گیری به نام دما ارتباط دارد، دارای مفهوم فیزیکی است. شرط انتقال­‌حرارت خودبه‌خودی، اختلاف­‌دما است. اگر دو سیستم در ارتباط با یکدیگر دارای دمای یکسان نباشند، گرما از ناحیه دما­بالا (گرم) به ناحیه دما­پایین (سرد) جریان می‌یابد و این جریان تا زمانی ادامه می‌یابد که دو سیستم هم‌­دما شوند. ازآنجاکه گرما به دلیل وجودِ گرادیان دمایی شارش می‌یابد، دانستن مفاهیم توزیع دما ضروری است.

شکل ۱ – تصویر شماتیک از انتقال حرارت

مسئلة توزیع­‌دما و شارش‌­گرما در بسیاری از شاخه‌های علوم­‌مهندسی مطرح است. مثلاً در طراحی دیگ‌های­‌بخار، چگالنده‌ها­ (کندانسورها)، مبدل‌های حرارتی و رادیاتورها، تحلیل انتقال­‌گرما برای محاسبه اندازه آنها لازم است. گرما به سه روش منتقل می‌شود:

1. رسانش
2. همرَفت (جابه‌جایی)
3. تابش

در این میان همرفت یا کنوکسیون (convection) از جایگاه ویژه‌ای برخوردار است. همرفت از جمله پدیده‌هایی است که هر روز هزاران نمونه از آن را شاهد هستیم بی‌آنکه متوجه آن باشیم. احساس سرمای ناشی از وزش باد، فوت­کردن چایی برای سریع‌تر خشک‌شدن و … از جمله مثال‌های این پدیده است.

سیالات در انتقال­‌حرارت همرفتی مهم‌ترین نقش را بازی می‌کند. پایین ­بودن ضریب­ رسانش­ گرمایی در سیالات رایج برای انتقال­‌حرارت مثل آب، روغن و اتیلن­‌گلیکول یک عامل محدودکنندة مهم در افزایش­‌عملکرد گرمایی بسیاری از تجهیزات مهندسی به­‌شمار می‌رود. برای غلبه بر این مقادیر پایین ضریب رسانش گرما ایده‌هایی برای تولید سیالات جدید با ضریب­‌رسانش­‌گرمایی بالا به­‌وجود­آمده است. از سال‌ها پیش مشخص­‌شده­‌بود که با اضافه­‌نمودن ذرات­‌جامد به‌صورت معلق به سیال­ پایه، انتقال­ حرارت افزایش خواهد­یافت چرا که ضریب­ هدایت­ حرارتی این ذرات، چندین برابربیشتر از سیالات ­پایه است. در نتیجه انتظار­می‌رود با استفاده از این ذرات در سیال ­پایه، انتقال­ حرارت سیال افزایش قابل‌ ملاحظه‌ای داشته باشد. ذرات­ جامدی که به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرند از انواع مختلفی نظیر ذرات­ فلزی، غیرفلزی و یا پلیمری هستند.

ماکسول در سال ۱۸۷۳ با انجام آزمایش‌هایی نشان­ داد که با افزایش کسر­حجمی ذرات­ جامد درون­ سیال می‌توان ضریب ­رسانش­ گرمایی سیال را افزایش داد. در این آزمایش‌ها از ذراتی در ابعاد میکرومتری یا حتی میلی‌متری استفاده شده بود. این ذرات موجب به‌وجودآمدن برخی مشکلات مثل سایش و خوردگی در لوله، خوشه‌ای­ شدن ذرات ­(Clustering) و حتی افت ­بار بیشتر می‌شدند. با پیشرفت تکنولوژی امکان تولید ذرات در ابعاد نانومتری به وجود آمد که باعث پیدایش نسل جدیدی از مخلوط‌های جامد – سیال موسوم به نانو­سیالات (Nanofluids) شد.

۲-نانو­سیال چیست؟

نانوسیالات دسته جدیدی از سیالات هستند که با پراکندگی­ مواد به اندازه نانومتر (نانوذرات، نانوالیاف، نانولوله‌ها، نانوسیم‌ها، نانومیله‌ها، نانوصفحات یا قطرات) در سیالات ­پایه مهندسی شده‌اند. به عبارت دیگر، نانوسیال‌ها سوسپانسیون‌های کلوئیدی در مقیاس نانو هستند که حاوی نانومواد متراکم هستند. آنها سیستم‌­های دو­فازی با یک­فاز (فاز جامد) در فاز دیگر (فاز مایع) می‌باشند. مشخص­‌شده‌­است که نانوسیالات دارای خواص ­ترموفیزیکی افزایش ­یافته­‌ای مانند هدایت­‌حرارتی، نفوذ­حرارتی، ویسکوزیته و ضرایب­ انتقال­ حرارت­ همرفتی در مقایسه با سیالات­ پایه مانند روغن یا آب هستند. افزودن مقدار خیلی کمی از نانوذرات­ جامد درون سیالات­ مرسوم موجب افزایش چشمگیری در رسانش ­گرمایی این سیالات می‌شود.

استمن و همکارانش در سال ۲۰۰۱ برخی از مزایای نانو­سیالات برای افزایش انتقال حرارت و کاهش پارامترهایی چون اندازه، وزن و هزینه ­ساخت دستگاه‌های­ گرمایی، بدون تحمیل هیچ‌گونه افت­ بار اضافی را به­ طور کمی مورد بررسی و تجزیه‌وتحلیل قرار دادند.

لی در سال ۱۹۹۰ ثابت کرد که نانو­سیالات با اکسیدهای­ فلزی مثل CuO یا Al2O3 در آب یا اتیلن­ گلیکول افزایش ضریب­ رسانش ­گرمایی را نسبت به سیال­ پایه از خود نشان می‌دهند. به­ طور­مثال با استفاده از نانوذرات Al2O3 با قطر­میانگین ۱۳nm و با کسر­حجمی ۴٫۳  % رسانش ­گرمایی آب را ۳۰  % افزایش دادند. از سوی دیگر ذرات­ بزرگ‌تر با قطر­میانگین ۴۰nm منجر به افزایشی در حدود ۱۰  % شدند. علاوه بر این افزودن نانوذرات فلزی Cu با قطر­میانگین ۱۰nm و کسر­حجمی ۰٫۳  % به سیال­ پایه اتیلن­ گلیکول موجب افزایش رسانش ­گرمایی موثر به میزان ۴۰  % نسبت به سیال ­پایه شد.

شکل ۲ – تصویر میکروسکوپی نانو­ذرات در سیال

۳-نانوسیالات چگونه تولید می­‌شوند:

۱-۳-روش دو مرحله­‌ای:

روش دو­مرحله ­ای پرکاربردترین روش برای تهیه نانوسیال است. نانوذرات، نانوالیاف، نانولوله­‌ها یا سایر نانومواد مورد استفاده در این روش ابتدا به صورت پودر­خشک با روش‌­های­ شیمیایی یا فیزیکی تولید می­‌شوند. سپس پودر در اندازه نانو در مرحله‌­دوم پردازش با کمک هم­زدن نیروی­ مغناطیسی­ شدید، هم­زدن اولتراسونیک، اختلاط با برش­ بالا، همگن­‌سازی و آسیاب­‌گلوله­‌ای در یک سیال پراکنده می­‌شود. روش دو­مرحله‌ای اقتصادی‌ترین روش برای تولید نانوسیال در مقیاس‌­بزرگ است، زیرا تکنیک‌های­‌سنتز نانوپودر قبلاً تا سطوح تولید صنعتی مقیاس‌بندی شده‌اند. نانوذرات به دلیل سطح بالای فعالیت­‌سطحی، میل به تجمع دارند. تکنیک­­‌مهم برای افزایش­‌پایداری­‌نانوذرات در سیالات، استفاده از Surfactants است. با این حال، عملکرد Surfactants در دمای­‌بالا نیز یک نگرانی­‌بزرگ است.

شکل ۳ – روش دو­ مرحله‌­ای

با توجه به دشواری تهیه نانوسیالات‌­پایدار به روش دو­مرحله­‌ای، چندین تکنیک­‌پیشرفته برای تولید نانوسیالات از جمله روش یک مرحله­ای توسعه یافته­‌است. در قسمت بعدی روش تک مرحله ای را به تفصیل معرفی می­کنیم.

۲-۳-روش تک مرحله­‌ای:

برای کاهش تجمع نانوذرات، ایستمن و همکارانش یک روش تراکم­‌بخار­فیزیکی یک مرحله­ا‌ی را برای تهیه نانوسیالات مس/اتیلن­‌گلیکول توسعه دادند. فرآیند یک مرحله­‌ای شامل ساخت و پخش همزمان ذرات در سیال است. در این روش از فرآیندهای­‌خشک­‌کردن، ذخیره­‌سازی، حمل‌­و­نقل و پراکندگی نانوذرات اجتناب می­‌شود، بنابراین تجمع نانوذرات به حداقل می­‌رسد و پایداری سیالات افزایش می­‌یابد. فرآیندهای یک مرحله‌­ای می‌­توانند نانوذرات­‌پراکنده یکنواخت را آماده کنند و ذرات را می­توان به­‌طور پایدار در سیال­‌پایه معلق کرد. وکیوم-SANSS (سیستم­‌سنتز نانوذرات قوس‌­زیردریایی) روش کارآمد دیگری برای تهیه نانوسیال با استفاده از مایعات دی­‌ا‌لکتریک مختلف است. مورفولوژی­‌های مختلف عمدتاً تحت‌­تأثیر خواص هدایت­‌حرارتی مختلف مایعات دی­‌الکتریک قرار می­گیرند و تعیین می­شوند. نانوذرات تهیه شده دارای اشکال مورفولوژیکی سوزنی، چند ضلعی، مربعی و دایره­‌ای هستند. این روش به خوبی از تجمع ذرات­‌نامطلوب جلوگیری می­کند.

شکل ۴ – تصویر شماتیک از فرآیند انتقال¬فاز

با این­حال، معایبی برای روش یک مرحله­‌ای وجود دارد. مهم‌ترین آنها این‌­است که واکنش دهنده­‌های باقی‌مانده به دلیل واکنش ناقص یا تثبیت در نانوسیال باقی می­‌مانند. تشریح اثر نانوذرات بدون حذف این اثر ناخالصی دشوار است.

۴-پایداری نانوسیال:

تجمع نانوذرات نه تنها منجر­به نشست و گرفتگی میکروکانال‌ها می‌شود، بلکه رسانایی­‌حرارتی نانوسیال‌ها را نیز کاهش می‌دهد. بنابراین، بررسی پایداری نیز موضوعی کلیدی است که بر خواص نانوسیال‌ها برای کاربرد تأثیر می‌گذارد. این بخش شامل (الف) روش‌های ارزیابی پایداری نانوسیال‌ها، (ب) راه‌های افزایش پایداری نانوسیال‌ها، و (ج) مکانیسم‌های پایداری نانوسیال‌ها خواهد­بود.

۱-۴-روش‌های ارزیابی پایداری نانوسیال‌ها

۱-۱-۴-روش‌‌های ته­‌نشینی و سانتریفیوژ

روش‌های زیادی برای ارزیابی پایداری نانوسیال‌ها ایجاد شده ­است. ساده ترین روش، روش ته­‌نشینی است. وزن رسوب یا حجم رسوب نانوذرات در یک نانوسیال تحت یک میدان نیروی­‌خارجی، نشانه­‌ای از پایداری نانوسیال مشخص شده­‌است. تغییر­غلظت یا اندازه‌­ذرات­­­­‌رویی با زمان رسوب را می­‌توان با دستگاه­‌مخصوص به­‌دست‌­آورد. زمانی که غلظت یا اندازه‌­ذرات­‌رویی ثابت بماند، نانوسیال‌ها پایدار در­نظر گرفته می‌شوند. عکس رسوب‌گذاری نانوسیال‌ها در لوله‌های­ آ‌زمایش که توسط دوربین گرفته می‌شود نیز یک روش معمول برای مشاهده پایداری نانوسیال‌ها است. زو و همکارانش از روش تعادل رسوبی برای اندازه­‌گیری پایداری سوسپانسیون­‌گرافیت استفاده کردند. وزن نانوذرات رسوب در یک دوره معین اندازه‌­گیری شد. کسر سوسپانسیون نانوذرات­‌گرافیت در زمان معینی قابل محاسبه است. برای روش ته­‌نشینی، می­بایست مدت زمان زیادی صرف کرد. بنابراین، روش سانتریفیوژ برای ارزیابی پایداری نانوسیالات توسعه یافته­‌است. سینگ و همکارانش از روش سانتریفیوژ برای مشاهده پایداری نانوسیالات‌­نقره تهیه­‌شده توسط سنتز­مایکروویو در اتانول با احیای AgNO3 با PVP به عنوان عامل تثبیت­‌کننده استفاده کردند. مشخص شده­‌است که نانوسیال‌های به‌دست‌آمده بیش از ۱ ماه در حالت ساکن و بیش از ۱۰ ساعت تحت حرکت دورانی (سانتریفیوژ) با سرعت ۳۰۰۰دور بر دقیقه بدون ته‌­نشینی پایدار هستند. پایداری عالی نانوسیال به‌دست‌آمده به دلیل نقش محافظتی PVP است. لی کلوئیدهای پلی­‌آنیلین­‌آبی را تهیه کرد و از روش سانتریفیوژ برای ارزیابی پایداری کلوئیدها استفاده­‌کرد. نیروهای دافعه الکترواستاتیک بین نانوالیاف، پایداری طولانی مدت کلوئیدها را ممکن می­سازد.

۲-۱-۴-تحلیل پتانسیل‌­زتا

پتانسیل­‌زتا پتانسیل­‌الکتریکی در لایه­‌دوگانه­‌سطحی در صفحه لغزش در مقابل نقطه­‌ای در سیال حجیم دور از سطح مشترک است و تفاوت پتانسیل بین محیط پراکندگی و لایه­‌ثابت سیال­‌متصل به ذره پراکنده را نشان می­دهد. اهمیت پتانسیل­‌زتا در این است که مقدار آن می­تواند به پایداری پراکندگی­‌های کلوئیدی مرتبط باشد. بنابراین، کلوئیدهای با پتانسیل­‌زتا بالا­(منفی یا مثبت) از نظر الکتریکی تثبیت می­شوند، در حالی­که کلوئیدهایی با پتانسیل­‌زتا پایین تمایل به انعقاد یا لخته­‌شدن دارند. به­‌طور­کلی، مقدار ۲۵ میلی­‌ولت (مثبت یا منفی) را می­توان به عنوان مقدار دلخواه در­نظر گرفت که سطوح کم‌­بار را از سطوح با بار­زیاد جدا می­کند. اعتقاد بر­این­‌است که کلوئیدهای با پتانسیل‌­زتا از ۴۰ تا ۶۰ میلی‌­ولت پایدار هستند و آنهایی که بیش از ۶۰ میلی‌­ولت دارند پایداری عالی دارند. کیم و همکارانش نانوسیال طلا را حتی پس از ۱ ماه با پایداری فوق‌العاده آماده کردند، اگرچه هیچ ماده‌­پراکنده‌ای مشاهده نشد. این پایداری به­‌دلیل پتانسیل‌­زتا­منفی بزرگ نانوذرات طلا در آب است. تأثیر pH و سدیم‌­دودسیل بنزن­‌سولفونات (SDBS) بر پایداری دو نانوسیال مبتنی بر آب مورد مطالعه قرار­گرفت و تجزیه و تحلیل پتانسیل­‌زتا یک تکنیک مهم برای ارزیابی پایداری بود. زو و همکارانش پتانسیل­‌زتا نانوسیال را تحت مقادیر مختلف pH و غلظت‌های مختلف SDBS اندازه‌گیری کردند. برای محاسبه پتانسیل‌­های‌­جاذب و دافعه از نظریه Derjaguin-Laudau-Verwey-Overbeek (DLVO) استفاده شد. اندازه‌گیری‌های پتانسیل­‌زتا برای مطالعه مکانیسم‌های جذب Surfactants بر روی سطوح MWNT با کمک طیف‌های مادون قرمز تبدیل فوریه مورد استفاده قرار گرفت.

۳-۱-۴-آنالیز جذب­‌طیفی

آنالیز جذب­‌طیفی روش کارآمد دیگری برای ارزیابی پایداری نانوسیالات است. به طور کلی بین شدت‌­جذب و غلظت نانوذرات در سیال رابطه خطی وجود دارد. هوانگ و همکارانش ویژگی‌های پراکندگی سوسپانسیون‌های آلومینا و مس را با استفاده از روش رسوب‌گذاری مرسوم با کمک آنالیز­جذب با استفاده از اسپکتروفتومتر پس از ته‌نشینی سوسپانسیون‌ها به مدت ۲۴ ساعت ارزیابی کردند. بررسی پایداری سیستم‌های نانوذرات FePt کلوئیدی از طریق آنالیز­اسپکتروفتومتر انجام شد. سینتیک­‌رسوب را می­توان با بررسی جذب­‌ذره در محلول نیز تعیین کرد.

۲-۴-راه­‌های افزایش پایداری­‌نانوسیال‌­ها

۱-۲-۴-Surfactants مورد استفاده در نانوسیال‌­ها

Surfactants مورد استفاده در نانوسیال­‌ها نیز پراکنده­‌کننده نامیده می شوند. افزودن مواد­پراکنده‌­کننده در سیستم­های دوفاز روشی آسان و اقتصادی برای افزایش پایداری نانوسیالات است. پراکنده­‌کننده­‌ها می­توانند به طور قابل توجهی بر ویژگی­‌های سطح یک سیستم در مقادیر کم تأثیر بگذارند. پراکنده‌­کننده­‌ها از یک بخش دم­‌آبگریز، معمولاً یک هیدروکربن با زنجیره­‌بلند، و یک گروه سر­قطبی آب‌دوست تشکیل شده­‌است. پراکنده­‌کننده‌­ها برای افزایش تماس دو ماده به کار می­روند که گاهی اوقات به عنوان ترشوندگی شناخته می­شود. در یک سیستم دو­فازی، یک Disperser تمایل دارد در سطح مشترک دو فاز قرار گیرد، جایی که درجه‌­ای از پیوستگی بین نانوذرات و سیالات را معرفی می­کند. با توجه به ترکیب هد، Surfactants به چهار دسته تقسیم می‌شوند: Surfactants غیریونی بدون گروه‌های بار در سر (شامل اکسید­پلی‌­اتیلن، الکل‌ها و سایر گروه‌های قطبی)، Surfactants آنیونی با گروه‌های سر­بار­منفی (گروه‌های سر آنیونی شامل سرهای بلند اسیدهای چرب زنجیره‌ای، سولفوسوکسینات‌ها، آلکیل سولفات‌ها، فسفات‌ها و سولفونات‌ها)، Surfactants کاتیونی با گروه‌های­‌سر بار­مثبت (Surfactants کاتیونی ممکن است آمین‌های با زنجیره بلند پروتونه و ترکیبات آمونیوم چهارتایی با زنجیره‌­بلند) و Amphoteric surfactants با Jupiter Surfactants باشند. کلاس Amphoteric surfactants توسط بتائین­‌ها و لسیتین­‌های خاص نشان داده می­شود. به­‌طور­کلی، زمانی­‌که سیال­‌پایه نانوسیال­‌ها حلال­‌قطبی است، باید Surfactants محلول در آب را انتخاب کنیم. در غیر این صورت، موارد محلول در روغن را انتخاب می­کنیم. برای surfactants غیریونی، می‌توانیم حلالیت را از طریق مقدار تعادل آبدوست/لیپوفیل (HLB) ارزیابی کنیم. هرچه عدد HLB کمتر باشد، surfactants محلول در روغن بیشتری هستند و به نوبه خود، هر چه عدد HLB بیشتر باشد، surfactants محلول در آب بیشتری هستند. مقدار HLB را می­توان به راحتی توسط بسیاری از کتاب­‌های راهنما به‌­دست آورد. اگرچه افزودن surfactants روشی مؤثر برای افزایش قابلیت پخش نانوذرات است، surfactants ممکن است مشکلات متعددی ایجاد کنند. به عنوان مثال، افزودن surfactants ممکن است محیط انتقال­‌حرارت را آلوده کند. surfactants ممکن­‌ا‌ست هنگام گرم­‌کردن کف تولید کنند، در حالی که گرم­‌کردن و خنک­‌کردن فرآیندهای معمول در سیستم­‌های تبادل­‌حرارت هستند. علاوه‌بر­این، مولکول‌های surfactants متصل به سطوح نانوذرات ممکن است مقاومت حرارتی بین نانوذرات و سیال­‌پایه را افزایش دهند که ممکن است افزایش رسانایی گرمایی مؤثر را محدود کند.

۲-۲-۴-تکنیک­‌های اصلاح سطح: روش بدون سورفکتانت

استفاده از نانوذرات عامل­‌دار یک رویکرد امیدوارکننده برای دستیابی به پایداری طولانی مدت نانوسیال است. این موضوع تکنیک بدون Surfactants را نشان می­دهد. یانگ و لیو کار خود را در مورد سنتز نانوذرات سیلیس عامل دار (SiO2) با پیوند سیلان‌­ها به طور مستقیم به سطح نانوذرات سیلیس در محلول­‌های نانوذرات اصلی ارائه کردند. یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد نانوسیال‌ها این بود که هیچ لایه­‌رسوبی بر روی سطح گرم­‌شده پس از فرآیند جوشش استخر تشکیل نشد. هوانگ و همکارانش گروه­‌های­‌عاملی آبدوست را با واکنش مکانیکی شیمیایی روی سطح نانولوله ها معرفی کردند. نانوسیال­‌های آماده­‌شده، بدون آلودگی تا متوسط، سیالیت­‌خوب، ویسکوزیته­‌کم، پایداری­‌بالا و هدایت‌­حرارتی­‌بالا، کاربردهای بالقوه­ای به عنوان خنک­‌کننده در سیستم­‌های­‌حرارتی پیشرفته خواهند­داشت. یک واکنش مکانیکی مرطوب برای تهیه نانوسیالات بدون surfactants حاوی CNT های دو و تک­‌جداره استفاده شد. نتایج حاصل از طیف مادون قرمز و اندازه‌گیری‌های پتانسیل زتا نشان داد که گروه‌های هیدروکسیل بر روی سطوح CNT درمان شده وارد شده‌اند . اصلاح شیمیایی برای عامل­‌دار­کردن سطح نانولوله‌­های کربنی یک روش رایج برای افزایش پایداری نانولوله­‌های کربنی در حلال­‌ها است. در اینجا، ما یک بررسی در مورد اصلاح سطح نانولوله‌های کربنی ارائه می‌کنیم. از درمان پلاسما برای اصلاح خصوصیات سطحی نانوذرات الماس استفاده شد. از طریق تصفیه پلاسما با استفاده از مخلوط گاز متان و اکسیژن، گروه‌های قطبی مختلفی بر روی سطح نانوذرات الماس پخش شدند و خاصیت پراکندگی آن‌ها در آب را بهبود بخشیدند. پراکندگی پایدار نانوذرات تیتانیا در حلال آلی دی­‌اتیلن­‌گلیکول­‌دی‌­متیل­‌اتر­(دیگلیم) با موفقیت با استفاده از فرآیند آسیاب گلوله ای تهیه شد . به منظور افزایش پایداری پراکندگی محلول، اصلاح سطح ذرات تیتانیا پراکنده در طول فرآیند آسیاب مهره‌­گریز از مرکز انجام شد. اصلاح سطح با عوامل جفت­‌کننده سیلان، (۳-acryl-oxypropyl) trimethoxysilane و trimethoxypropylsilane استفاده شد. نانوذرات اکسید روی را می­توان با پلی‌­متاکریلیک­‌اسید (PMAA) در سیستم­‌آبی اصلاح کرد. گروه‌های هیدروکسیل سطح ذرات نانو روی می‌توانند با گروه‌های کربوکسیل PMAA برهم‌کنش داشته‌‌باشند و کمپلکس پلی (متااکریلات روی) را روی سطح نانو­اکسید­روی تشکیل دهند. PMAA پراکندگی ذرات نانو­اکسید روی در آب را افزایش داد. این اصلاح ساختار کریستالی نانوذرات اکسید روی را تغییر نداد.

۳-۲-۴-مکانیسم‌های پایداری نانوسیالات

ذرات موجود در پراکنده­‌کننده‌­ها ممکن است به­‌هم بچسبند و توده‌هایی با اندازه بزرگتر تشکیل دهند که ممکن است به‌­دلیل گرانش ته­‌نشین شوند. پایداری به‌­این معنی است که ذرات با سرعت قابل‌­توجهی تجمع نمی‌­یابند. سرعت­‌تجمع به طور کلی با فراوانی برخوردها و احتمال انسجام در حین برخورد تعیین می­شود. Derjaguin، Verway، Landau، و Overbeek (DVLO) نظریه­‌ای را توسعه­‌دادند که با پایداری کلوئیدی سروکار داشت. تئوری DLVO می­‌گوید که پایداری یک ذره در محلول با مجموع نیروهای دافعه دولایه جاذب­‌واندروالسی و نیروی­‌دافعه دولایه الکتریکی که بین ذرات وجود دارد، هنگام نزدیک­‌شدن به یکدیگر به‌­دلیل حرکت­‌براونی که متحمل می‌شوند، تعیین می‌شود. اگر نیروی جاذبه بزرگتر از نیروی­‌دافعه باشد، دو ذره با­هم برخورد می­کنند و سوسپانسیون­‌ها پایدار نیستند. اگر ذرات دافعه­‌بالا و کافی داشته باشند، سوسپانسیون‌­ها در حالت پایدار خواهند بود. برای نانوسیالات یا کلوئیدهای­‌پایدار، نیروهای­‌دافعه بین ذرات باید غالب باشند. با توجه به انواع دافعه، مکانیسم‌های اساسی که بر پایداری­‌کلوئیدی تأثیر می‌گذارند به دو نوع تقسیم می‌شوند، یکی دافعه فضایی، و دیگری دافعه الکترواستاتیکی (بار) که در شکل ۵ نشان­‌داده­‌شده‌­است. برای تثبیت فضایی، پلیمرها همیشه در تعلیق درگیر می‌شوند. به عنوان مثال، نانوذرات اکسید روی اصلاح شده توسط PMAA سازگاری خوبی با حلال­‌های قطبی دارند. نانوسیال نقره به دلیل نقش محافظتی PVP بسیار پایدار می­باشد، زیرا رشد و تجمع نانوذرات را با اثر فضایی به تاخیر می‌­اندازد. PVP یک عامل کارآمد برای بهبود پایداری تعلیق گرافیت است. اثر فضایی پخش­‌کننده پلیمری با غلظت ماده پخش‌­کننده تعیین می­شود. اگر غلظت PVP کم باشد، سطح ذرات گرافیت به تدریج توسط مولکول­‌های PVP با افزایش PVP پوشش داده می­شود. کامیا و همکارانش اثر ساختار پخش­‌کننده پلیمری بر برهم‌کنش الکترواستری و رفتار سوسپانسیون آلومینا متراکم را مطالعه کردند. نسبت گروه آبدوست به آبگریز بهینه از حداکثر نیروی­‌دافعه و حداقل ویسکوزیته به‌­دست‌­آمد. برای تثبیت الکترواستاتیکی، بار سطحی از طریق یک یا چند مکانیسم زیر ایجاد می‌شود: (۱) جذب ترجیحی یون‌ها، (۲) تفکیک گونه‌های باردار سطحی، (۳) جایگزینی ایزومورفیک یون‌ها، (۴) تجمع یا تخلیه الکترون­‌ها در سطح، و (۵) جذب فیزیکی گونه­‌های باردار بر روی سطح.

شکل ۵ – انواع تثبیت کلوئیدی

۵-ویژگی­‌ها و کاربرد نانوسیالات در MQL و MQCL برای فرآیندهای برش پایدار:

اخیراً توجه فزاینده­ای به نانوسیالات به ویژه در صنعت صورت گرفته‌­است. امروزه افراد بیشتری شاهد کاربرد نانوذرات در زمینه‌های مختلف مانند خودروسازی، کشاورزی، پزشکی، ماشین‌کاری و غیره هستند. افزودن نانوذرات مختلف به سیالات مزایای بسیار زیادی را نشان داده‌­است، به ویژه برای بهبود کارایی و در نتیجه کاهش مصرف­‌انرژی فرآیندها برای رسیدگی به طیف گسترده­ای از چالش­‌های­‌جهانی مرتبط با انرژی و مشکلات زیست­‌محیطی. افزودنی‌های نانوذرات به کاهش ضریب­‌اصطکاک، کاهش مصرف انرژی و افزایش چشمگیر عمر ابزار با کاهش تنش­‌حرارتی کمک می‌کنند که در نتیجه کیفیت سطح قطعات تولید­شده بهبود می‌یابد. علاوه‌بر­این، کاربرد نانوذرات در برخی از فناوری‌های سبز مانند MQL و MQCL با استفاده از روغن‌های گیاهی، نه تنها خاصیت خنک‌کنندگی و روان‌کنندگی برتر را نشان می‌دهد و استفاده از سیالات برش را به حداقل می‌رساند، بلکه راه‌حل‌های جدیدی برای ماشین‌کاری، به‌ویژه برای برش‌های سخت ایجاد می‌کند.

تغییرات­‌اقلیمی به بزرگترین نگرانی­‌مردم در سراسر­جهان تبدیل شده‌­است. افزایش سریع جمعیت در نتیجه منجر به استفاده بیشتر از منابع‌­طبیعی و دفع­‌ضایعات بیشتر می­شود. آلودگی­‌هوا، آب و غذا باعث بسیاری از بیماری­های جدی انسان می­شود. بر­این­‌اساس، قوانین زیست‌­محیطی به طور مداوم برای محافظت از زمین­‌ ما سخت‌­تر می­شوند. به عنوان بخشی از زنجیره‌ ­تولید، از مهندسان‌ ­تولید خواسته می­شود که نه تنها محصولات را برای پاسخگویی به تقاضای فزاینده برای کیفیت و بهره‌­وری بالاتر تولید کنند، بلکه مسئول دستیابی به پایداری در تولید نیز باشند. در صنایع برش­‌فلز، سیالات برش مورد استفاده پس از استفاده برای خنک­‌کردن و روان‌کاری ناحیه تماس بیش‌ترین میزان دفع را (حدود ۳۰  %) دارند که در نهایت به عنوان آلودگی در رودخانه‌­ها منجر به آلودگی آب می­شود. بنابراین لازم است راه حل­‌هایی برای کاهش یا حذف استفاده از خنک­‌کننده‌­ها پیدا شود. در دهه‌های گذشته، مطالعات متعددی در مورد کاهش مصرف مایع خنک‌کننده در ماشین‌کاری انجام شد و فرآیندهای برش­‌خشک، روشی واقعاً دوست‌دار محیط‌زیست، بیش‌ترین توجه را به خود جلب­‌کرده بود و مزایای هزینه‌ای آشکار ناشی از حذف و تصفیه سیالات برش را نشان داد. با­این‌­حال، انتخاب ابزارهای برش یا درج­ه‌ای مناسب نقش بسیار مهمی برای اطمینان از عمر مناسب ابزار و دقت و دقت بالای قطعات ماشین‌کاری­‌شده ایفا می­کند و هم‌چنین باعث تأثیر شدید بر ویژگی­‌های فنی و اقتصادی می­شود. اخیراً، برای پاسخگویی به تقاضای روزافزون برای برش مواد سخت­‌برش با خواص­‌مکانیکی درجه­‌بالا و سختی‌­بالا، ابزارهایی با لبه‌های برش مشخص هندسی مستقیماً برای ماشین‌کاری­‌مواد عملیات­‌حرارتی با سختی معمولی ۴۵ استفاده می‌شوند. –۷۰ HRC. این فرآیندها را ماشین‌کاری­‌سخت می­‌نامند که به دلیل بهره­‌وری و دقت‌­بالا به روند تحقیقاتی در کاربردهای مکانیکی تبدیل شده‌­است. رویکرد جدید نه­‌تنها راه­‌حل جایگزین برای برش مواد­سخت را ارائه می­دهد، بلکه عملکرد برش را بهبود می­‌بخشد، مصرف مایع خنک­‌کننده را به میزان قابل توجهی کاهش می­دهد. از سوی دیگر، شوک­‌حرارتی ناشی از استفاده از سیالات برش باید به­‌طور جدی مورد توجه قرار ­می‌­گیرد تا از شکستگی جلوگیری شود، بنابراین خنک­‌کننده سیل معمولاً برای فرآیندهای ماشین‌کاری‌­سخت، به ویژه برای برش قطع­‌شده استفاده نمی­شود. علاوه بر این، گرمای­‌بسیار­زیاد و نیروهای زیاد ناشی از ناحیه برش چالش‌برانگیزترین مشکلات فرآیندهای برش سخت است که همیشه نیازمند استفاده مناسب از ابزارهای برش با درجه بالا مانند کاربید پوشش داده‌­شده، سرامیک، نیترید بور مکعبی پلی­کریستالی (PCBN) و الماس است. بر این اساس، روش حداقل مقدار روانکاری (MQL) پیشنهاد شد و برای استفاده ثابت شد و نتایج امیدوارکننده‌ای را در چند دهه گذشته نشان داد. سیالات برش در اشکال غبار روغن مستقیماً به منطقه برش پاشیده می شوند، بنابراین اثر روانکاری برای کاهش ضریب اصطکاک بسیار زیاد است، که از این طریق نیروهای برش، دمای­‌برش و سایش ابزار به طور قابل توجهی کاهش می­‌یابد و عمر ابزار افزایش می‌­یابد. استفاده حداقلی از مایع­‌برش، MQL را به یک تکنیک سازگار با محیط زیست تبدیل می­‌کند و روغن­های­‌گیاهی را می­توان برای برش سخت استفاده­‌کرد که به محافظت از محیط زیست کمک می­کند. اشکال اصلی روش MQL اثر خنک‌­کنندگی کم است که کاربرد و عملکرد برش ماشین‌کاری­‌سخت را محدود می­کند. به منظور توسعه تکنیک MQL، مطالعات‌­زیادی وجود دارد که راه‌حل‌های بسیار امیدوارکننده‌ای را برای افزایش عملکرد خنک‌کننده پیشنهاد می‌کنند، که شامل MQL با استفاده از نانوسیال، حداقل روغن‌کاری خنک‌کننده (MQCL) و MQCL با استفاده از افزودنی‌های نانو است.

۲-۵-ماشین‌کاری‌سخت تحت شرایط MQL با استفاده از نانوسیال

استفاده از افزودنی‌های نانو­معلق در سیالات مبتنی بر MQL، رویکرد جدیدی را برای ماشین‌کاری­‌مواد برش سخت ایجاد کرده­‌است و هم‌چنین یک موضوع تحقیقاتی به‌روز است که نگرانی‌های فزاینده‌ای را به‌ویژه برای مواجهه با تغییرات آب‌وهوایی جلب می‌کند. انواع مختلفی از نانوذرات مانند TiO2، MoS2،SiO2 ،Al2O3 ، CuO ،ZrO2 ، CNT ، ND و غیره وجود دارند که برای بهبود خواص تریبولوژیکی، هدایت حرارتی و ویسکوزیته استفاده می شوند.

۱-۲-۵-بهبود عملکرد برش

برای بکارگیری این تکنیک در عمل ماشین‌کاری، پارامترهای MQL (سیال مبتنی بر فشار هوا، سرعت­‌جریان) و نانوسیال (نوع، اندازه و غلظت نانوذرات) برای مطالعه و بهینه­‌سازی مورد­نیاز است، زیرا اثرات قوی دارند. در مورد فرآیند­برش اگر مقادیر نامناسب هر پارامتر انتخاب شود، اثربخشی اندک و حتی تأثیر منفی ممکن است در پاسخ‌های­‌ماشین‌کاری رخ دهد.

لی و همکارانش فرآیند آسیاب MQL را برای آلیاژ مبتنی بر Ni با استفاده از شش نوع مختلف نانوسیال بررسی کردند. نتایج نشان داد که ویسکوزیته و هدایت­ حرارتی نانوسیالات در مقایسه با سیالات­ پایه به طور قابل توجهی بهبود می­یابد. نویسندگان همچنین خاطرنشان کردند که افزودنی‌های­‌نانو CNT بالاترین ضریب انتقال­‌حرارت را نشان می‌دهند. از این رو، دما و نیرو برش کاهش می­یابد. مشاهده دیگری که توسط الی و همکارانش انجام شده است، نشان می­دهد که ویسکوزیته نانولوبریکانت­‌های Al2O3 و TiO2 افزایش می­یابد در حالی­‌که ویسکوزیته سینماتیکی آنها اندکی کاهش می­یابد. از طریق آزمایش‌ها، ضریب‌­اصطکاک، مصرف انرژی و نرخ سایش به‌­دلیل عملکرد غلتشی همراه با تشکیل لایه‌های سه‌گانه ایجاد شده توسط نانوذرات Al2O3 بسیار کاهش یافت. علاوه‌­بر­این، مشخصات­‌فنی و غلظت نانوذرات نقش بسیار مهمی دارد و به شدت بر پاسخ‌های ماشین‌کاری تأثیر می‌گذارد. برای برش­‌نهایی، باید از نانوذرات با اندازه دانه کوچکتر و غلظت بالاتر برای بهبود کیفیت سطح و کاهش نیروهای برش استفاده شود. ولمن و همکارانش گزارش کردند که بهبود زیادی در زبری سطح در فرآیند آسیاب سوپر­آلیاژ اینکونل ۷۳۸ در مقایسه با شرایط خشک و سیلابی به­ترتیب حدود ۶۲/۱۶ و ۳۶/۳۶ درصد است. افزایش اثر روانکاری نیز در آسیاب تحت MQL با استفاده از نانوسیال MOS2 گزارش شد که از آن ضریب اصطکاک برای افزایش عمر ابزار و بهبود کیفیت سطح کاهش یافت. وجود نانوذرات در سیال مبتنی بر MQL نه تنها اثرات خنک­‌کنندگی و روانکاری را بهبود می­بخشد، بلکه عملکرد برش بهتری را برای ماشین‌کاری مواد­برش­‌سخت به ارمغان می­‌آورد. علاوه بر این، این رویکرد با موفقیت جایگزین شرایط خشک و سیل خواهد­‌شد که الزامات فنی، اقتصادی و زیست محیطی مناسب برای تولید مدرن را برآورده می­کند. بررسی عملکرد آسیاب انتهایی فولاد SKD 11 با استفاده از ابزار HSS تحت نانوسیال MQL در انجام است. آزمایش‌ها تنظیم و در شکل ۶ نشان داده شده‌اند. شرایط برش شامل سه مقدار سرعت برش ۱۸، ۲۴، و ۳۰ متر­‌بردقیقه، نرخ تغذیه ۰٫۰۱ میلی‌متر بر دندان، و عمق برش محوری ۳ میلی‌متر است. قطر آسیاب انتهایی ۱۰ میلی متر است. افزودنی­‌های­‌نانو Al2O3 (0.5 درصد وزنی) در امولسیون و روغن مبتنی بر دانه سویا غنی شده اند.

شکل ۶ – راه اندازی آزمایشی

از طریق نتایج تجربی، مولفه­‌های نیروی­برش Fx، Fy، و Fz هنگام تغییر­سرعت برش و سیال مبتنی­‌بر­آن در شکل­های ۷_۱۰ نشان داده شده است. تحت NFMQL با روغن مبتنی بر امولسیون، نیروهای برشی Fx، Fy و Fz با افزایش سرعت برش از ۱۸ به ۳۰ متر در دقیقه کاهش می‌یابند. در سرعت برش ۳۰ متر در دقیقه، مقایسه بین امولسیون و روغن سویا برای یافتن تأثیر سیال مبتنی بر پاسخ‌های ماشین‌کاری انجام می‌شود. به وضوح می­توان مشاهده­‌کرد که نیروهای برش به‌­دلیل عملکرد روانکاری بهتر روغن سویا در مقایسه با سیال امولسیونی کاهش می­یابد.

شکل ۷ – رابطه سرعت برش و نانوسیال با نیروی برش Fy                                                                شکل ۸ – رابطه سرعت برش و نانوسیال با نیروی برش Fz              

شکل ۹ – رابطه سرعت برش و نانوسیال با نیروی برش Fx                                                      شکل ۱۰ – رابطه سرعت برش و نانوسیال با نیروی برش Fy

علاوه بر این، عمر ابزار تحت NFMQL با استفاده از روغن سویا بسیار بهبود می‌یابد و بیش از دو برابر بیشتر از مورد استفاده از مایع امولسیونی است (شکل ۱۱). بررسی سایش ابزار در شکل های ۱۲_۱۵ نشان داده شده است. آنها به وضوح نشان می­دهند که سایش بریدگی و فرسایش پهلو در آسیاب­های­‌انتهایی HSS با افزایش سرعت برش از ۱۸ به ۳۰ متر در دقیقه تحت MQL با استفاده از امولسیون افزایش می­یابد. علاوه بر آن، علائم سوختگی ناشی از بدتر­شدن گرما ایجاد می­شود. می­توان توضیح داد که فولاد ابزار SKD 11 به دلیل کربن و کروم بالا (۱۲٪ کروم) در ترکیب شیمیایی، دارای خواص بسیار بالا در برابر سایش است که از آن در مواد برش سخت گروه‌­بندی می­شود. در افزایش سرعت برش از ۱۸ به ۳۰ متر در دقیقه، MQL با سیال مبتنی بر امولسیون اثرات روانکاری کافی را ارائه نکرد، بنابراین دمای برش به سرعت افزایش یافت تا به آسیاب های انتهایی آسیب برساند. در مقابل، روغن سویا ویسکوزیته بالاتری نسبت به امولسیون دارد و وجود افزودنی‌های نانوذرات  Al2O3 به بهبود عملکرد خنک‌کاری و روان‌کاری کمک می‌کند. بنابراین، نانوسیال مبتنی بر روغن سویا به دلیل تشکیل راحت‌تر غبار روغن، اثرات روان‌کاری برتری را برای کاهش ضریب اصطکاک در ناحیه برش نشان می‌دهد. در این مطالعه فرآیند آسیاب نهایی فولاد SKD 11 قبل از عملیات حرارتی، حرارت برش از دمای اشتعال روغن سویا تجاوز نکرد. این دلیل اصلی استفاده از نانوسیال مبتنی بر سویا در MQL است. علاوه بر این، نانوذرات Al2O3 با مورفولوژی تقریباً کروی معلق در غبار روغنی به عنوان «غلتک‌ها» نقش مهمی در بهبود اثرات خنک‌کننده و روان‌کنندگی دارند. به همین­‌دلیل، سایش بریدگی و فرسایش پهلو در آسیاب­‌های‌­انتهایی HSS در سرعت برش Vc= 30 متر بر دقیقه به طور قابل توجهی کاهش می­یابد. سطوح سایش بریدگی و کناری پس از ۸۵ دقیقه برش حتی کمتر از مواردی است که در مورد MQL با استفاده از نانوسیال مبتنی بر امولسیون پس از ۴۰ دقیقه برش استفاده می‌شود. کاهش قابل توجه علائم سوختگی نشان می­دهد که عملکرد خنک کنندگی و روانکاری نانوسیال مبتنی بر دانه سویا بهتر است و همچنین به دلیل استفاده از روغن نباتی برای تولید پایدار مناسب است. از این رو، عمر ابزار آسیاب انتهایی حتی در سرعت برش ۳۰ متر در دقیقه به ۸۵ دقیقه افزایش می‌یابد که این نیز بالاتر از توصیه‌های سازنده است. طبق ISO 8688-2:1989 (en)، سرعت برش برای فولادهای نرم با استفاده از آسیاب­‌های­‌انتهایی HSS معمولی حدود ۳۰ تا ۳۵ متر در دقیقه توصیه می­شود، اما برای فولادهای سخت برش مانند SKD 11، با سختی. ۲۰۰-۲۵۰ HB، سرعت برش باید به ۱۴-۱۸ متر در دقیقه کاهش یابد تا از عملکرد مناسب برش و عمر ابزار اطمینان حاصل شود. علاوه بر این، سرعت برش نیز با استفاده از نانوسیال مبتنی بر امولسیون MQL از ۱۸ به ۳۰ متر در دقیقه افزایش می‌یابد که اثرات خنک‌کنندگی و روان‌کاری بهتری را در مقایسه با سیالات خالص نشان می‌دهد.

شکل ۱۱ – رابطه سرعت برش و سیالات نانو برش با عمر ابزار

شکل ۱۲ – سایش بریدگی و سایش پهلو (Vc= 24 m/min، نانوسیال مبتنی بر امولسیون)

 

 

 

 

 

شکل ۱۳- سایش بریدگی و سایش پهلو (Vc= 30 m/min، نانوسیال مبتنی بر دانه سویا) در ۸۵ دقیقه

 

 

 

 

 

 

 

شکل ۱۴ – سایش بریدگی و سایش پهلو (Vc= 18 m/min، نانوسیال مبتنی برامولسیون)

 

 

 

 

 

شکل ۱۵ – سایش بریدگی و سایش پهلو (Vc= 30 m/min، نانوسیال مبتنی بر امولسیون) در ۴۰ دقیقه

پارامتر غلظت نانوذرات غنی‌شده در سیالات­‌پایه یکی از تأثیرگذارترین پارامترها بر خروجی و هزینه‌های ماشین‌کاری است، بنابراین برای یافتن مقادیر مناسب و بهینه مورد مطالعه قرار گرفته است. گارگ و همکاران اثر غلظت نانوذرات را بر فرآیند میکرو حفاری تحت شرایط MQL بررسی کرد. نتایج تجربی نشان داد که این پارامتر باعث کاهش قابل توجه گشتاور حفاری و توان مصرفی شده است. در مطالعه لی و همکارانش ، غلظت مناسب نانوذرات الماس با ۰٫۰۵ درصد وزنی یافت شد که از این میزان کاهش ضریب اصطکاک به میزان ۲۳ درصد مشاهده شد. نویسندگان به این نتیجه رسیدند که نانوسیال الماس دارای اثرات ضد سایش و روان کنندگی عالی است. ژانگ و همکارانش پارامتر غلظت MOS2 و مواد افزودنی نانو CNT را در آسیاب MQL مورد مطالعه قرار داد. بهبود عملکرد روانکاری به افزایش کیفیت سطح کمک می­کند. علاوه بر این، نانوسیالات هیبریدی CNT-MOS2 روانکاری خنک‌کنندگی برتری را در مقایسه با سیال با یک نوع نانوذرات ارائه می‌کنند. لو و همکاران نانوذرات Al2O3 غنی شده در سیال مبتنی بر MQL را مورد مطالعه قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که نانوسیال Al2O3 توانایی مقاومت خوبی برای دمای بالا از خود نشان می‌دهد. سپس، دمای برش بالا نیست تا باعث کاهش نرخ سایش شود، که بسیار کمتر از شرایط خشک است. ییلدیریم و همکارانش مطالعه فرآیند تراشکاری MQL فولاد سخت برش Inconel 625 را با استفاده از افزودنی های نانو hBN انجام داده بود. عملکرد بهتر روانکاری و زبری سطح از نتایج به‌دست‌آمده گزارش شده است که منجر به کاهش ضریب اصطکاک و نرخ سایش شده‌­است. نویسندگان همچنین نتیجه گرفتند که غلظت بهینه نانوذرات hBN 0.5 درصد وزنی است. مطالعه تجربی بر روی غلظت نانوذرات Al2O3 مورد استفاده به عنوان سیال مبتنی بر MQL در آسیاب سخت با استفاده از روش تجزیه و تحلیل ANOVA و سطح پاسخ (RSM) انجام شد که جهت تحقیق برای بهینه‌سازی متغیر غلظت انجام شد. شکل‌های ۱۶_۱۷ نمودارهای سطح پاسخ رابطه زبری سطح و نیروی­‌برش در مقابل غلظت نانو (np)، سرعت­‌برش Vc و نرخ تغذیه F را نشان می‌دهند. از شکل ۱۷ می‌توان به وضوح مشاهده کرد که برای زبری سطح بهتر، مقدار کم غلظت نانوذرات حدود ۰٫۵ درصد وزنی نسبت به نانوذرات بزرگتر (۱٫۰ و ۱٫۵ درصد وزنی) ارجح­تر است. در مقابل، غلظت بیشتر (حدود ۱٫۰ و ۱٫۵ درصد وزنی) در مقایسه با غلضت پایین­تر (۰٫۵ درصد وزنی) به کاهش‌­نیروهای­‌برش و دمای برش کمک می­کند. از این میان، نرخ سایش با افزایش غلظت نانوذرات Al2O3 به ۱٫۰-۱٫۵ درصد وزنی کاهش می‌یابد، بنابراین عمر ابزار طولانی‌تر می‌شود. بر این اساس، غلظت نانوذرات باید نه تنها برای اطمینان از عمر خوب ابزار، بلکه برای حفظ کیفیت بالای سطح انتخاب شود.

شکل ۱۶ – نمودارهای سطح پاسخ زبری سطح در مقابل غلظت نانو و سرعت برش (a) و غلظت نانو و نرخ تغذیه (b)

شکل ۱۷ – نمودارهای سطح پاسخ نیروی برش Fz در مقابل غلظت نانو و سرعت برش (a)، و غلظت نانو و نرخ تغذیه (b)

مقدار زیاد گرمای تولید شده از برش سخت همیشه چالش بزرگی برای انتخاب ابزار برش و شرایط برش است و در عین حال از الزامات فنی، بهره‌وری و هزینه ساخت مناسب اطمینان حاصل می‌شود. از این رو، ارائه اثرات خنک­‌کنندگی و روانکاری مناسب در ناحیه برش نقش حیاتی در توسعه فرآیندهای ماشین‌‍کاری سخت دارد. کاربرد آن­ها را می­توان در برخی یا همه فرآیندهای آسیاب سنتی افزایش داد. تکنیک MQCL برای برآوردن نیازهای خنک­‌کننده و روانکاری پیشنهاد و توسعه یافته­‌است و همچنین راه­‌حلی برای بهبود روش MQL است. تا به حال، MQCL توجه زیادی را به خود جلب کرده است و در سال­های‌اخیر مورد مطالعه قرار گرفته­‌است. مارودا و همکارانش این مطالعه را بر روی پارامترهای MQCL با استفاده از مایع مبتنی بر امولسیون در فرآیند تراشکاری سخت انجام دادند. نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که غبار روغن امولسیونی تشکیل­‌شده در شرایط MQCL نقش مهمی در بهبود عملکرد روانکاری­‌خنک‌کننده در ناحیه برش و افزایش شرایط برش دارد. تشکیل لایه‌های تریبو به راحتی با قطرات با اندازه کوچک‌تر اتفاق می‌افتد که به کاهش ضریب اصطکاک، نیروهای برشی و نرخ سایش کمک می‌کند. اثرات خنک­‌کنندگی و روانکاری بهتر تکنیک MQCL نیز از طریق شکل تراشه و کاهش ضریب­‌ضخیم­‌شدن تراشه منعکس می­‌شود. پروایز و همکارانش عملکرد MQCL را در فرآیند چرخش مواد سخت برش Ti6Al4V مطالعه کردند. نویسندگان نتیجه گرفت که نیروهای برش و سایش ابزار در مقایسه با شرایط خشک و سیلابی کاهش­‌یافته و کیفیت سطح بهبود یافته است. این اثرات خنک­‌کنندگی و روانکاری بهتر تکنیک MQCL را نشان می­دهد. Krolczyk به همراه همکارانش توصیف پارامتری و ناپارامتری توپوگرافی سطح را در شرایط خشک و MQCL با استفاده از مایع‌­پایه‌­امولسیونی بررسی کردند. نتایج مطالعه نشان داد که فاصله نازل بیشترین تأثیر را بر قطر قطرات دارد. برجسته ترین یافته این تحقیق این است که می­توان پارامترهایی را برای تشکیل غبار روغن در زمان معینی انتخاب کرد که برای ایجاد اثرات خنک­‌کنندگی و روانکاری و سپس تبخیر در اثر گرمای تولید شده از ناحیه برش کافی است. بر اساس یک بررسی کوتاه، می­توان به وضوح مشاهده کرد که اطلاعات کمی از تکنیک MQCL وجود دارد و بیشتر مطالعات بر روی سیال مبتنی بر اثر خنک­‌کنندگی مانند روغن امولسیون برای تشکیل روش MQCL تکیه کرده‌­اند. استفاده از یک روش خنک­‌کننده واقعی به کمک تکنیک MQL برای تشکیل شرایط MQCL یک رویکرد جدید است. در این بخش، نویسنده جدیدترین پیشرفت‌ها را در استفاده از اصل لوله گرداب Ranque-Hilsch برای جداسازی گاز­‌فشرده به جریان‌های گرم و سرد از هوای معمولی ارائه می‌کند، به این صورت که جریان سرد برای ایجاد اثرات خنک‌کننده همراه با روش MQL برای تشکیل MQCL مطالعه عمیق بر روی آسیاب سخت فولاد SKD 11 (52-60 HRC) از نظر کیفیت سطح تحت شرایط MQCL انجام شد و نتایج با شرایط خشک و MQL مقایسه شد. از شکل ۱۸، آسیاب­‌سخت تحت روش MQCL زبری سطح بهتری را نسبت به شرایط خشک و MQL نشان داد. دلیل اصلی این است که تکنیک MQCL اثرات خنک­‌کنندگی و روانکاری کافی به ویژه اثر خنک‌­کننده را ارائه می­دهد که به کاهش دمای برش و سایش ابزار کمک می­کند.

شکل ۱۸ – مقادیر متوسط زبری سطح راندر در شرایط مختلف خنک‌کاری و روانکاری (سرعت برش Vc= 110 متر بر دقیقه، نرخ تغذیه F= 0.012 میلی‌متر بر دندان، عمق برش = ۰٫۱۲ میلی‌متر، سختی ۵۶ HRC)

میکروسکوپ دیجیتال KEYENCE VHX-6000 (شرکت Keyence، اوزاکا، ژاپن) برای مطالعه ریزساختار سطح و پروفایل سطح مورد استفاده قرار گرفت. سطوح ماشین‌کاری­‌شده تحت شرایط خنک‌­کاری و روانکاری مختلف بررسی شده­‌اند (شکل­های ۲۰-۲۴). لایه سفید و علائم سوختگی در شرایط MQL و MQCL در مقایسه با برش‌­خشک به دلیل افزایش خنک‌کنندگی و روانکاری به طور قابل توجهی کاهش می یابد. علائم سوختگی در شرایط MQCL به دلیل عملکرد خنک‌کننده بهتر، کمتر از مواردی است که در روش MQL وجود دارد. علاوه بر این، در مقایسه با شرایط خشک و MQL، فشرده‌سازی سطح ماشین‌کاری شده مشاهده‌شده از نمایه سطح بسیار کاهش می‌یابد.

شکل ۱۹ – میکروسکوپ دیجیتال KEYENCE VHX-6000 برای مطالعه توپوگرافی سطح ماشینکاری شده.

شکل ۲۰ – ریزساختار سطح (a) و مشخصات (b) تحت شرایط MQL                                       شکل ۲۱ – ریزساختار سطح (الف) و پروفیل (ب) در شرایط خشک

شکل ۲۲ – ریزساختار سطح (a) و مشخصات (b) تحت شرایط MQCL                         شکل ۲۳ – ریزساختار سطح (a) و مشخصات (b) تحت شرایط MQCL

با استفاده از نانوسیال مبتنی بر امولسیون از MoS2 0.2 درصد وزنی.                                  با استفاده از مایع مبتنی بر امولسیون خالص.

شکل ۲۴ – ریزساختار سطح (a) و مشخصات (b) در شرایط MQCL با استفاده از نانوسیال مبتنی بر امولسیون از MoS2 0.5 درصد وزنی.

۷-ماشینکاری سخت MQCL با استفاده از نانوسیال

نانوسیالات مورد استفاده برای MQL با موفقیت ثابت شده­است که راه حلی جایگزین برای موادی هستند که برش سختی دارند و در عین­‌حال ویژگی سازگار با محیط زیست خود را حفظ می­کنند. بر اساس این ایده، استفاده از افزودنی‌های نانو در روش MQCL راه‌حل امیدوارکننده‌ای را برای افزایش عملکرد ماشینکاری سخت به ارمغان می‌آورد. مطالعه کیفیت سطح تحت MQCL با استفاده از نانوسیال MOS2 برای آسیاب­‌سخت اولین تلاش برای بررسی اثرات خنک‌­کنندگی و روانکاری است. از نتایج به‌دست‌آمده، مقادیر زبری سطح Raunder MQCL با استفاده از نانوسیال کمتر از شرایط­‌خشک و MQL است. با استفاده از غلظت نانوذرات MOS2 در ۰٫۲ و ۰٫۵ درصد وزنی، زبری سطح حتی کمی بهتر از MQCL با سیال خالص است، اما Ravalue با افزایش غلظت به ۰٫۸ درصد وزنی به سرعت افزایش می‌یابد. می­توان توضیح داد که مورفولوژی MOS2 نانوذرات بیضی شکل با ضریب اصطکاک کم تا ۰٫۰۳-۰٫۰۵ یا حتی کمتر است، که توسط آن اثر روانکاری بهتر به بهبود کیفیت سطح کمک می­کند. از سوی دیگر، نانوذرات دارای سطح بزرگی هستند که روی سطح ماشین کاری­‌شده باقی می‌مانند تا یک لایه محافظ نازک تشکیل دهند که با افزایش غلظت نانوذرات تقویت می‌شود. علاوه­‌بر­این، به راحتی به تشکیل فیلم سه‌گانه MoS2 کمک می‌کند، که می‌توان آن را از ریزحباب‌های روی سطح ماشین‌کاری­‌شده مشاهده کرد (شکل‌های ۲۴_۲۵). لایه محافظ با افزایش غلظت به ۰٫۸ درصد کاهش می­یابد و ناپدید می شود که باعث تأثیر منفی بر کیفیت سطح می شود. علاوه بر این، لایه سفید و علائم سوختگی به دلیل عملکرد عالی خنک‌کنندگی و روانکاری تحت شرایط MQCL با استفاده از نانوسیال بسیار کاهش می‌یابد. از این میان، توانایی ماشین‌کاری­‌سخت ابزارهای کاربید معمولی به طور قابل توجهی بهبود می­یابد و حدود ۱۵۷  ٪ بیشتر از توصیه­‌ای سازنده است. این برجسته‌ترین یافته این تحقیق است و همچنین غلظت مناسب نانوذرات MOS2 در سیال مبتنی بر امولسیون حدود ۰٫۲ و ۰٫۵ درصد وزنی گزارش شده‌­است که راهنمای­‌فنی‌­بسیار­مهمی برای تحقیقات و تولیدکنندگان بعدی است. تحقیقات بیشتری برای ایجاد دستورالعمل­‌های فنی و بهینه‌­سازی پارامترهای نانوسیال ضروری است.

۸-نتیجه:

کاربرد نانوسیالات همچنان در علوم پایه و فناوری ماشینکاری مورد توجه قرار گرفته­‌است. همانطور که نشان داده­شد، افزودنی‌های نانو در سیال مبتنی بر روش‌های MQL و MQCL، اثرات خنک‌کنندگی و روان‌کاری و همچنین خواص تریبولوژیکی را بهبود می‌بخشند، بنابراین عملکرد برش را به‌ویژه برای مواد برش سخت افزایش می‌دهند. راه حل‌­های جایگزین را برای بهبود بهره­‌وری و کاهش هزینه‌­های تولید به ارمغان می­آورد. از این میان، روش کاربردی MQL که ویژگی سازگار با محیط زیست دارد در ماشین‌کاری­‌سخت بزرگ‌تر شده­‌است. علاوه بر این، استفاده از انواع مختلف روغن‌های گیاهی می‌تواند عملکرد خنک‌کنندگی و روان‌کاری را با معلق‌­کردن نانوذرات انجام دهد، که یک موضوع تحقیقاتی جالب است و نتایج بسیار امیدوارکننده‌ای را نشان می‌دهد. از سوی دیگر، MQCL به عنوان رویکرد دیگری برای توسعه MQL برای غلبه­‌بر اثر خنک­‌کننده کم در نظر گرفته­‌شده است. در این فصل، لوله گرداب Ranque-Hilsch، یک روش خنک‌کننده واقعی، که برای ایجاد اثر خنک‌کننده از هوای فشرده ­معمولی به جای سایر منابع گاز برای تشکیل روش MQCL استفاده می‌شود، اولین تلاشی است که برای فرآیندهای برش سخت اعمال می‌شود. همچنین نانو افزودن­‌های غنی­‌شده در سیالات مبتنی بر MQCL جدیدترین پیشرفت­‌ها در زمینه مطالعه تکنیک­‌های MQL و MQCL است. پارامترهای نانوسیال، مانند انواع و اندازه نانوذرات، غلظت و سیال پایه، نقش کلیدی در کاربردهای موفق در عمل برش فلز دارند و مطالعات بیشتری برای توسعه بیشتر و بهینه­‌سازی این متغیرها مورد نیاز است. آن روش­های خنک­‌کننده و روانکاری برتر ارائه شده به راه حل­‌هایی برای کاهش/حذف مایعات­‌برش و جایگزینی شرایط­‌خشک و مرطوب کمک می­کند. این برای حفاظت از محیط زیست ما مناسب است و هدف آن تولید پایدار است. در کارهای آینده، توجه بیشتری به انواع دیگر نانوذرات، غلظت و پارامترهای روش‌های MQL و MQCL خواهد شد.

برای دانلود PDF این مطلب بر روی لینک کلیک نمایید.

منابع

• V. Trisaksri and S. Wongwises, “Critical review of heat transfer characteristics of nanofluids
• Z. H. Han, F. Y. Cao, and B. Yang, “Synthesis and thermal characterization of phase-changeable indium/polyalphaolefin nanofluids
• W. Yu, H. Xie, and W. Chen, “Experimental investigation on thermal conductivity of nanofluids containing graphene oxide nanosheets,” Journal of Applied Physics, vol. 107, no. 9, Article ID 094317, 2010
• W. Yu, H. Xie, and D. Bao, “Enhanced thermal conductivities of nanofluids containing graphene oxide nanosheets,” Nanotechnology, vol. 21, no. 5, Article ID 055705, 2010
• L. Zhang, J. Xia, Q. Zhao, L. Liu, and Z. Zhang, “Functional graphene oxide as a nanocarrier for controlled loading and targeted delivery of mixed anticancer drugs,” Small, vol. 6, no. 4, pp. 537–۵۴۴, ۲۰۱۰
• D. X. Peng, C. H. Chen, Y. Kang, Y. P. Chang, and S. Y. Chang, “Size effects of SiO₂ nanoparticles as oil additives on tribology of lubricant,” Industrial Lubrication and Tribology, vol. 62, no. 2, pp. 111–۱۲۰, ۲۰۱۰
• S. Chen and D. H. Mao, “Study on dispersion stability and self-repair principle of ultrafine-tungsten disulfide particulates,” Advanced Tribology, vol. 995, 2010
• B. Wang, X. Wang, W. Lou, and J. Hao, “Rheological and tribological properties of ionic liquid-based nanofluids containing functionalized multi-walled carbon nanotubes,” Journal of Physical Chemistry C, vol. 114, no. 19, pp. 8749–۸۷۵۴, ۲۰۱۰
• E. Sani, S. Barison, C. Pagura et al., “Carbon nanohorns-based nanofluids as direct sunlight absorbers,” Optics Express, vol. 18, p. 4613, 2010
• T. P. Otanicar, P. E. Phelan, R. S. Prasher, G. Rosengarten, and R. A. Taylor, “Nanofluid-based direct absorption solar collector,” Journal of Renewable and Sustainable Energy, vol. 2, no. 3, Article ID 033102, 13 pages, 2010
• S. Wu, D. Zhu, X. Zhang, and J. Huang, “Preparation and melting/freezing characteristics of Cu/paraffin nanofluid as phase-change material (PCM),” Energy and Fuels, vol. 24, no. 3, pp. 1894–۱۸۹۸, ۲۰۱۰
• L. Yang, K. Du, B. Cheng, and Y. Jiang, “The influence of Al2O3 nanofluid on the falling film absorption with ammonia-water,” in Proceedings of the Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC ’10), 2010
• M. Kole and T. K. Dey, “Thermal conductivity and viscosity of Al2O3 nanofluid based on car engine coolant,” Journal of Physics D, vol. 43, no. 31, Article ID 315501, 2010
• H. Xie, W. Yu, and W. Chen, “MgO nanofluids: higher thermal conductivity and lower viscosity among ethylene glycol-based nanofluids containing oxide nanoparticles,” Journal of Experimental Nanoscience, vol. 5, no. 5, pp. 463–۴۷۲, ۲۰۱۰
• G. Paul, M. Chopkar, I. Manna, and P. K. Das, “Techniques for measuring the thermal conductivity of nanofluids: a review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, p. 1913, 2010
• W. Yu, D. M. France, D. Singh, E. V. Timofeeva, D. S. Smith, and J. L. Routbort, “Mechanisms and models of effective thermal conductivities of nanofluids,” Journal of Nanoscience and Nanotechnology, vol. 10, no. 8, pp. 4824–۴۸۴۹, ۲۰۱۰
• K. V. Wong and O. de Leon, “Applications of nanofluids: current and future,” Advances in Mechanical Engineering, vol. 2010, Article ID 519659, 11 pages, 2010
• I. Popa, G. Gillies, G. Papastavrou, and M. Borkovec, “Attractive and repulsive electrostatic forces between positively charged latex particles in the presence of anionic linear polyelectrolytes,” Journal of Physical Chemistry B, vol. 114, no. 9, pp. 3170–۳۱۷۷, ۲۰۱۰
• K. A. Wepasnick, B. A. Smith, J. L. Bitter, and D. H. Fairbrother, “Chemical and structural characterization of carbon nanotube surfaces,” Analytical and Bioanalytical Chemistry, vol. 396, no. 3, pp. 1003–۱۰۱۴, ۲۰۱۰
• L. Chen and H. Xie, “Surfactant-free nanofluids containing double- and single-walled carbon nanotubes functionalized by a wet-mechanochemical reaction,” Thermochimica Acta, vol. 497, no. 1-2, pp. 67–۷۱, ۲۰۱۰

بازدیدها: 610