مدت زمان تقریبی مطالعه: 7 دقیقه
گرافن در روانکارها موضوعی نوظهور و کلیدی است ؛ بر اساس گزارش مؤسسه Grandview Research، ارزش بازار جهانی روانکارها در سال ۲۰۲۱ حدود ۱۳۰ میلیارد دلار بوده است و انتظار می‌رود این صنعت تا سال ۲۰۳۰ با نرخ رشد سالانه ۳.۷ درصد به رشد خود ادامه دهد. این افزایش عمدتاً ناشی از تقاضای فزاینده برای روانکارهای با عملکرد بالا در صنایع پیشرفته، حمل‌ونقل و انرژی است.
با این حال، روانکارهای متداول همچون روغن‌های پایه معدنی یا افزودنی‌هایی مانند گرافیت و اسید بوریک با محدودیت‌هایی جدی مواجه‌اند. این مواد اغلب پایداری حرارتی و مکانیکی کافی ندارند، در شرایط عملیاتی سخت دچار تخریب می‌شوند و نیازمند تجدید مداوم هستند. همچنین، برخی از آن‌ها اثرات زیست‌محیطی نامطلوبی بر جای می‌گذارند. در این زمینه، گرافن به‌عنوان ماده‌ای دوبعدی با ویژگی‌های منحصربه‌فرد، توجه بسیاری از پژوهشگران و صنعتگران را به خود جلب کرده است.
گرافیت و محدودیت‌های آن
گرافیت به‌طور سنتی به‌عنوان ماده اصلی در بسیاری از روانکارهای جامد به کار گرفته می‌شود. این ماده ساختاری لایه‌ای دارد که امکان لغزش صفحات کربنی را فراهم می‌سازد و اصطکاک را کاهش می‌دهد. با این حال، کارایی گرافیت به شدت وابسته به شرایط محیطی است.
برای مثال، گرافیت تنها در محیط‌های مرطوب عملکرد مطلوب دارد، زیرا حضور رطوبت موجب تسهیل حرکت لایه‌ها می‌شود. در محیط‌های خشک، اصطکاک افزایش یافته و کارایی کاهش می‌یابد.
مشکل دیگر گرافیت، شکنندگی لایه‌های آن در برابر بارهای مکانیکی شدید است. تحت فشار بالا، لایه‌ها دچار شکستگی می‌شوند و این امر باعث افزایش ضریب اصطکاک و کاهش طول عمر روانکار می‌گردد. چنین محدودیت‌هایی، نیاز به جایگزین‌های پیشرفته‌تر را برجسته کرده است.
گرافن: ساختار و ویژگی‌ها
گرافن از یک لایه منفرد از اتم‌های کربن تشکیل شده است که در یک شبکه دوبعدی لانه‌زنبوری چیده شده‌اند. این ساختار منحصربه‌فرد، ویژگی‌های برجسته‌ای به گرافن بخشیده است که آن را از سایر مواد کربنی متمایز می‌کند:
-
استحکام مکانیکی فوق‌العاده: مدول یانگ در حدود ۱ تراباسکال و استحکام کششی بیش از ۱۳۰ گیگاپاسکال.
-
رسانایی حرارتی بالا: تا ۵۰۰۰ W/mK، بسیار بیشتر از مس و آلومینیوم.
-
رسانایی الکتریکی چشمگیر: تحرک حامل‌ها بیش از ۲۰۰۰۰ cm²/V·s.
-
پایداری شیمیایی: مقاومت بالا در برابر اکسیداسیون و تخریب حرارتی.
این خصوصیات، گرافن را به گزینه‌ای جذاب برای استفاده در روانکارها تبدیل کرده است؛ به‌ویژه برای شرایطی که روانکارهای سنتی دچار شکست عملکرد می‌شوند.
مطلب مرتبط :
گرافن چیست ؟
انواع گرافن در روانکارها
پژوهش‌ها نشان داده‌اند که اشکال مختلف گرافن، بسته به شرایط، می‌توانند مزایای متفاوتی ارائه دهند:
-
گرافن مایع (Liquid-Based Graphene):با پراکندگی پایدار در روغن‌ها و گریس‌ها، برای موتور خودرو و ماشین‌آلات صنعتی مناسب است.
-
اکسید گرافن (GO):به دلیل گروه‌های عاملی اکسیژنی، پراکندگی بهتر و خواص ضدسایشی بهتری دارد.
-
نانوپلیتلت‌های گرافنی (GNPs):به دلیل نسبت ابعادی بالا و استحکام مکانیکی، موجب کاهش سایش و بهبود راندمان سوخت می‌شوند.
اصلاحات شیمیایی و افزایش کارایی
یکی از چالش‌های اصلی در استفاده از گرافن، حفظ پایداری آن در ماتریس روانکار است. برای رفع این مشکل، پژوهشگران از اصلاحات شیمیایی بهره می‌گیرند. به‌عنوان مثال:
-
اصلاح با اسیدهای چرب، ضریب اصطکاک را کاهش داده و ظرفیت تحمل بار را بالا می‌برد.
-
مشتقات گرافن مانند گرافن اکسید می‌توانند تعادل مناسبی بین رسانایی و پایداری ایجاد کنند.
این اصلاحات، زمینه‌ساز طراحی روانکارهای پیشرفته با عملکرد سفارشی برای شرایط عملیاتی متنوع هستند.
مزایای روانکارهای گرافنی
- بهبود عملکرد روانکاری: کاهش ضریب اصطکاک تا ۵۰٪ و کاهش سایش تا ۳۰٪ در مقایسه با روانکارهای متداول.
- افزایش دوام سطوح: تشکیل لایه محافظ باعث افزایش طول عمر قطعات در صنایع خودروسازی، هوافضا و انرژی می‌شود.
- بهبود دفع حرارت: جلوگیری از داغ‌شدن بیش از حد و افزایش پایداری حرارتی.
- کاهش مصرف انرژی: روانکارهای حاوی گرافن می‌توانند مصرف انرژی را در سیستم‌های مکانیکی تا ۲۰٪ کاهش دهند.
- مقاومت در برابر اکسیداسیون: نفوذناپذیری گرافن در برابر گازها و مایعات مانع از واکنش‌های اکسیداسیونی می‌شود که معمولاً موجب تخریب روانکارها هستند.
روش‌های ادغام گرافن در روانکارها
سه رویکرد اصلی برای استفاده از گرافن در روانکارها عبارت‌اند از:
- مخلوط‌سازی با روغن‌های پایه: برای افزایش ظرفیت باربری و کاهش اصطکاک.
- پراکنش در حلال‌ها: استفاده از روش‌هایی مانند اولتراسونیک برای دستیابی به یکنواختی بهتر.
- پوشش‌دهی مستقیم سطوح: اعمال لایه‌های گرافنی به‌صورت پوشش نازک بر روی اجزای مکانیکی.
هر یک از این روش‌ها بسته به کاربرد صنعتی، مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارد.
آینده و چشم‌انداز پژوهش‌ها
روانکارها نقش حیاتی در کاهش اصطکاک، جلوگیری از سایش و افزایش طول عمر تجهیزات مکانیکی ایفا می‌کنند. بدون وجود روانکار، بسیاری از سیستم‌های صنعتی و خودرویی به سرعت دچار خرابی می‌شوند و هزینه‌های تعمیر و نگهداری به شدت افزایش می‌یابد.
گرافن پتانسیل دگرگون‌سازی فناوری روانکاری را دارد. مطالعات آزمایشگاهی نشان داده‌اند که تنها چند لایه گرافن می‌تواند اصطکاک فولاد بر روی فولاد را تا هفت برابر کاهش دهد و سایش را تا ده‌هزار برابر کمتر کند. چنین نتایجی نشان‌دهنده ظرفیت عظیم گرافن در بهبود کارایی و کاهش هزینه‌های نگهداری در صنایع مختلف است.
با این حال، مسیر تجاری‌سازی گسترده نیازمند تحقیقات بیشتر درباره ایمنی زیست‌محیطی، بازیافت و توسعه روش‌های تولید کم‌هزینه است.
جمع‌بندی
گرافن به دلیل خواص استثنایی مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی، به‌عنوان یکی از نویدبخش‌ترین افزودنی‌ها برای روانکارها مطرح است. توانایی آن در کاهش اصطکاک، افزایش حفاظت سطحی و بهبود دفع حرارت، زمینه‌ساز تحول در صنایع خودروسازی، هوافضا، انرژی و ماشین‌آلات صنعتی خواهد بود.
در عین حال، توجه به ریسک‌های ایمنی و توسعه فناوری‌های پایدار برای تولید و استفاده از گرافن، شرط لازم برای بهره‌برداری گسترده از این ماده تحول‌آفرین است.
منبع
