کاربرد گرافن در فولاد سازی - ایران گرافن

در این بخش توضیحی کلی در مورد کاربرد گرافن در فولاد سازی خواهیم داد:

فولاد چیست؟

فولاد آلیاژی است که عمدتا از آهن و کربن به همرا عناصر دیگری مانند منگنر، کروم و نیکل تشکیل شده است محتوای کربن آن تا 2 درصد متغیر است (با محتوای کربن بالاتر، ماده به عنوان چدن تعریف می شود). فولاد تا حد زیادی پرمصرف ترین ماده برای ساخت زیرساخت ها و صنایع جهان است که برای ساخت همه چیز از سوزن خیاطی گرفته تا تانکرهای نفت استفاده می شود.

علاوه بر این، ابزار مورد نیاز برای ساخت و ساز چنین محصولاتی نیز از فولاد ساخته شده است. به عنوان نشانه ای از اهمیت نسبی این ماده، در سال 2013، تولید فولاد خام جهان حدود 1.6 میلیارد تن بود، در حالی که تولید مهم ترین فلز مهندسی بعدی، آلومینیوم، حدود 47 میلیون تن بود. دلایل اصلی محبوبیت فولاد، هزینه نسبتا پایین ساخت، شکل‌دهی و فرآوری آن، فراوانی دو ماده اولیه آن (سنگ آهن و قراضه)، و دامنه بی نظیر خواص مکانیکی آن است.

آهن در شکل خالص خود، نرم است و به طور کلی به عنوان یک ماده مهندسی مفید نیست. روش اصلی تقویت آن و تبدیل آن به فولاد با افزودن مقدار کمی کربن است. در فولاد جامد، کربن به طور کلی به دو شکل یافت می شود. یا در آستنیت و فریت در محلول جامد است یا به صورت کاربید یافت می شود. شکل کاربید می تواند کاربید آهن (Fe3C، معروف به سمنتیت)، یا می تواند کاربید یک عنصر آلیاژی مانند تیتانیوم باشد. از سوی دیگر، در آهن خاکستری، کربن به دلیل وجود سیلیکون که تشکیل کاربید را سرکوب می کند، به صورت تکه ها یا خوشه های گرافیت ظاهر می شود.

انواع فولاد

چندین هزار گرید فولادی در سرتاسر جهان منتشر، ثبت شده یا استاندارد شده وجود دارد که همگی ترکیبات شیمیایی متفاوتی دارند و سیستم های شماره گذاری ویژه ای در چندین کشور برای طبقه بندی تعداد زیادی از آلیاژها ایجاد شده است. علاوه بر این، تمام عملیات‌های حرارتی مختلف ممکن، ریزساختارها، شرایط شکل‌دهی سرد، شکل‌ها و پوشش‌های سطحی به این معنی است که تعداد زیادی گزینه در دسترس کاربر فولاد وجود دارد. خوشبختانه، فولادها را می‌توان به خوبی به چند گروه عمده با توجه به ترکیبات شیمیایی، کاربردها، شکل‌ها و شرایط سطح طبقه‌بندی کرد.

گرافن

گرافن یک نانو ماده شفاف دو بعدی است که هم بادوام و هم انعطاف پذیر است. به عنوان یک شکل آلوتروپیک کربن با اندازه یک لایه گرافیت طبقه بندی می شود. در سال 2004، زمانی که آندره گیم و کوستیا نووسلوف موفق به جداسازی یک لایه اتمی کربن شدند، گرافن برای اولین بار به جهان معرفی شد. از آن زمان، این ماده امیدوارکننده توجه بسیاری از محققان در حوزه علم مواد و مهندسی مکانیک را برای ساخت و بهره برداری از آن جلب کرده است.

بسیاری از تلاش‌های تحقیقاتی بر روی خصوصیات مکانیکی گرافن برای آزمایش مناسب بودن آن برای کاربردهای صنعتی متمرکز بود. مشخص شد که یک لایه گرافن دارای مدول الاستیسیته در حدود 1 TPa و استحکام کششی تقریباً 130 GPa است. همچنین، هدایت حرارتی قابل توجهی بالای 3000 Wm-1K-1 و تحرک الکترون عالی در دمای اتاق با مقادیر بیش از 15000 سانتی متر مربع V-1 s-1 نشان داد.

به دلیل خواص بسیار زیاد این ماده گرافن در فولاد سازی نیز مورد توجه قرار گرفته است.

روش های استفاده از گرافن در صنعت فولاد:

گرافن در فولاد سازی به دو صورت مورد استفاده قرار می گیرد: 1. افزودن گرافن به عنوان آلیاژ در فولاد 2. استفاده به عنوان پوشش ضد خوردگی بر روی فولاد

مزیت های استفاده از گرافن در فولاد:

1. افزایش استحکام: گرافن دارای استحکام کششی بسیار بالایی است که در حدود 200 برابر قوی تر از فولاد می باشد. با ترکیب گرافن در فولاد، می تواند به طور قابل توجهی استحکام و دوام مواد را افزایش دهد که این کاربرد گرافن در فولاد سازی بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
2. بهبود سختی: سختی گرافن با الماس قابل مقایسه است و آن را به یک افزودنی عالی برای افزایش سختی فولاد تبدیل می کند. این می تواند به ویژه در کاربردهایی که مقاومت در برابر سایش بسیار مهم است، مانند ابزارهای برش یا ماشین آلات صنعتی مفید باشد.
3. رسانایی افزایش یافته: این ماده رسانای عالی گرما و الکتریسته است. هنگامی که گرافن در فولاد اضافه می شود، می تواند رسانایی الکتریکی و حرارتی مواد را بهبود بخشد، و آن را برای کاربردهای مورد نیاز به اتلاف گرما یا هدایت الکتریکی کارآمد، مناسب می کند. بنابراین فولاد را برای کاربردهایی که شامل  انتقال انرژی، الکترونیک و مدیریت گرما می شوند، مناسب می کند.
4. سبک بودن: گرافن علیرغم استحکام استثنایی اش، بسیار سبک وزن است. با ترکیب گرافن در فولاد، می تواند به کاهش وزن محصول نهایی و حفظ یکپارچگی ساختاری آن کمک کند. این می تواند در صنایعی مانند خودروسازی یا هوافضا مفید باشد، جایی که کاهش وزن عاملی حیاتی برای بهره وری و عملکرد سوخت است و از خواص جالبی است که گرافن در فولاد سازی ممکن کرده است.
5. مقاومت در برابر خوردگی: فولاد زمانی که در معرض رطوبت یا مواد شیمیایی قرار می گیرد، مستعد فرسودگی و خوردگی است. با این حال، گرافن دارای خواص بازدارندگی عالی است که می تواند با عمل به عنوان یک لایه محافظ بر روی سطح فولاد از خوردگی جلوگیری کند. این باعث می شود فولاد تقویت شده با گرافن در برابر زنگ زدگی و تخریب مقاوم تر شود. این ویژگی می تواند طول عمر محصولات و سازه ها را افزایش داده و هزینه های نگهداری را کاهش دهد.
6. انعطاف پذیری و دوام: گرافن ذاتا انعطاف پذیر است و می تواند سطوح بالایی از تغییر شکل را بدون شکستگی تحمل کند. ترکیب گرافن در فولاد مقاومت آن در برابر شکستگی را بهبود می بخشد.
7. خواص سد: گرافن به شکل اکسید گرافن، توانایی ایجاد سد غیرقابل نفوذ در برابر گازها و مایعات را دارد. ترکیب گرافن در پوشش ها یا سازه های فولادی می تواند مقاومت آن ها را در برابر خوردگی افزایش داده و از زوال ناشی از قرار گرفتن در معرض رطوبت، مواد شیمیایی یا عوامل محیطی مختلف جلوگیری کند.
8. تاثیرات زیست محیطی: یکی دیگر از کاربرد های شگفت انگیز گرافن در فولاد سازی این است که تولید فولاد به دلیل فرآیند استخراج و نیازهای انرژی بالا، دارای ردپای زیست محیطی قابل توجهی است. از سوی دیگر، گرافن را می توان با استفاده از تکنیک های پایدارتر مانند رسوب شیمیایی بخار تولید کرد. مواد مبتنی بر گرافن همچنین قابلیت بازیافت، کاهش ضایعات و اثرات کلی زیست محیطی را دارند.

گرافن در فولاد سازی به دلیل ماهیت خنثی شیمیایی و نفوذ ناپذیری در برابر گازها و مایعات ، به یک کاندید بالقوه مهم برای پوشش های سطحی در برابر خوردگی تبدیل شده است. روانکاری فوق العاده و اصطکاک بسیار کم آن، پوشش مبتنی بر گرافن را بیشتر قادر می سازد تا خواص مطلوبی از جمله مقاومت در برابر سایش و خراش بالا را نشان دهد. علاوه بر این، خواص دیگری مانند هدایت حرارتی و پتانسیل عامل دار شدن نیز برای حفظ خواص عملکردی فلز زیر پوشش بسیار مهم هستند. علاوه بر این، به دلیل ضخامت اتمی (حدود 0.34 نانومتر)، گرافن به طور قابل توجهی حجم مواد پوشش را در مقایسه با سایر مواد پوشش سنتی تر کاهش می دهد.

توجه به این نکته مهم است که اگر چه گرافن در رفع این معایب نوید بخش است، اما پذیرش گسترده آن در صنایع مختلف به دلیل چالش های موجود در تولید در مقیاس بزرگ و مقرون به صرفه بودن همچنان محدود است. با این وجود، تحقیقات و توسعه مداوم برای کشف کاربردهای بالقوه گرافن برای بهبود محدودیت های مواد سنتی مانند فولاد ادامه دارد در این راستا گروه ایران گرافن با تولید گرافن در مقیاس صنعتی در نظر دارد چالش های مربوط به این ماده را در صنعت رفع نموده و با ارائه گرافن با قیمت مناسب و کیفیت بالا استفاده از این مواد را در صنعت کشور مانند کاربرد گرافن در فولاد سازی را ممکن پذیر نماید.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092150931400803X

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452262721000209