هندسة الأسطح

الموسوعة الحرة

هندسة الأسطح هي فرع من فروع علم المواد، وتختص بدراسة أسطح المواد الصلبة. ولها تطبيقات في الكيمياء والهندسة الميكانيكية والهندسة الكهربائية (وخاصة فيما يتعلق بتصنيع أشباه الموصلات ).

تتكون المواد الصلبة من مادة أساسية مغطاة بسطح. يُطلق على السطح الذي يحيط بالمادة الأساسية اسم الطور السطحي ، وهو بمثابة واجهة مع البيئة المحيطة. أما المادة الأساسية في المادة الصلبة فتُسمى الطور الأساسي .

تتفاعل الطبقة السطحية للمادة الصلبة مع البيئة المحيطة بها، وقد يؤدي هذا التفاعل إلى تدهورها بمرور الوقت. ويمكن أن ينتج التدهور البيئي للطبقة السطحية بمرور الوقت عن عوامل مثل التآكل ، والتآكل الكيميائي ، والإجهاد ، والزحف .

تتضمن هندسة الأسطح تعديل خصائص الطور السطحي للحد من تدهوره بمرور الوقت. ويتحقق ذلك بجعل السطح مقاومًا للبيئة التي سيُستخدم فيها. كما توفر هذه الهندسة مادة فعالة من حيث التكلفة لتصميمات متينة. وتشمل مجموعة واسعة من المواضيع التي تعكس الطبيعة المتنوعة لمجال هندسة الأسطح تقنيات الطلاء، وتقنيات النانو والتقنيات الناشئة، وهندسة الأسطح، وتوصيفها، واختبارها.

التطبيقات

تُستخدم تقنيات هندسة الأسطح في قطاعات السيارات، والفضاء، والصواريخ، والطاقة، والإلكترونيات، والطب الحيوي، والنسيج، والبترول، والبتروكيماويات، والكيماويات، والصلب، والأسمنت، وآلات التشغيل، والبناء، بما في ذلك رصف الطرق . تُتيح هذه التقنيات تطوير مجموعة واسعة من الخصائص الوظيفية، بما في ذلك الخصائص الفيزيائية والكيميائية والكهربائية والإلكترونية والمغناطيسية والميكانيكية، بالإضافة إلى مقاومة التآكل والتآكل الكيميائي، على أسطح الركائز المطلوبة. ويمكن طلاء جميع أنواع المواد تقريبًا، بما في ذلك المعادن والسيراميك والبوليمرات والمواد المركبة، على مواد متشابهة أو مختلفة. كما يُمكن تشكيل طبقات من مواد حديثة (مثل الزجاج المعدني، وبيتا-C3N4 ) ، ورواسب متدرجة، ورواسب متعددة المكونات، وغيرها. وقد تناول كتاب حديث [R. Chattopadhyay: Green Tribology, Green Surface Engineering and Global Warming, ASM International, USA, 2014] المواد المتقدمة وعمليات الترسيب، بما في ذلك التطورات الحديثة في المواد فائقة الصلابة مثل BAM (مركب AlMgB) .

في عام 1995، بلغت قيمة سوق هندسة الأسطح 10 مليارات جنيه إسترليني في المملكة المتحدة. وكانت الطلاءات، التي تهدف إلى جعل عمر الأسطح مقاومًا للتآكل والصدأ، تمثل ما يقرب من نصف السوق.

شهدت هندسة الأسطح في السنوات الأخيرة تحولاً جذرياً من الطلاء الكهربائي التقليدي إلى عمليات مثل الترسيب في الطور البخاري، والانتشار، والرش الحراري، واللحام باستخدام مصادر حرارية مثل الليزر، والبلازما، وشعاع الشمس، والميكروويف، والاحتكاك، والاحتراق النبضي، والقوس الأيوني والإلكتروني النبضي، والشرارة، والاحتكاك، والحث. [المرجع: ر. تشاتوبادياي: عمليات هندسة الأسطح المتقدمة المدعومة حرارياً، سبرينغر، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية، 2004]

تشير التقديرات إلى أن الخسائر الناجمة عن التآكل والصدأ في الولايات المتحدة تبلغ حوالي 500 مليار دولار. ويوجد في الولايات المتحدة حوالي 9524 منشأة (تشمل صناعات السيارات والطائرات والطاقة والبناء) تعتمد على الأسطح المصنعة هندسيًا، بدعم من 23466 قطاعًا صناعيًا.

يوجد حوالي 65 مؤسسة أكاديمية حول العالم تعمل في مجال البحث والتعليم في هندسة الأسطح.

تقنيات تنظيف الأسطح

التنظيف السطحي، المعروف أيضًا بالتنظيف الجاف، هو أسلوب تنظيف ميكانيكي يُستخدم لإزالة الأوساخ السطحية والغبار والأتربة وفضلات الحشرات والرواسب الأخرى. (التنظيف الجاف، كما يُستخدم في مجال صيانة الورق، لا يستخدم المذيبات العضوية). يمكن استخدام التنظيف السطحي كتقنية تنظيف مستقلة، أو كخطوة (عادةً الأولى) ضمن معالجة شاملة، أو كتمهيد لمعالجات أخرى (مثل الغمر في الماء) التي قد تتسبب في تثبيت الأوساخ بشكل دائم في ألياف الورق.

غاية

يهدف تنظيف الأسطح إلى تقليل احتمالية تلف القطع الورقية عن طريق إزالة المواد الغريبة التي قد تكون كاشطة أو حمضية أو ماصة للرطوبة أو مُتلفة. كما يُتخذ قرار إزالة الأوساخ السطحية لأسباب جمالية عندما تعيق وضوح الصور أو المعلومات. ويجب اتخاذ قرار يوازن بين العناية المحتملة بكل قطعة والمشاكل المحتملة المرتبطة بتنظيف الأسطح.

الفوائد البيئية

يؤدي تطبيق هندسة الأسطح على المكونات إلى تحسين عمرها الافتراضي (مثلاً، من خلال مقاومة التآكل) وكفاءتها (مثلاً، من خلال تقليل الاحتكاك)، مما يقلل بشكل مباشر من الانبعاثات المرتبطة بهذه المكونات. ويُمكن لتطبيق تقنيات هندسة الأسطح المبتكرة في قطاع الطاقة أن يُخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المكافئ السنوية بما يصل إلى 1.8 جيجا طن في عام 2050 و3.4 جيجا طن في عام 2100. ويعادل هذا انخفاضًا سنويًا بنسبة 7% و8.5% في قطاع الطاقة في عامي 2050 و2100 على التوالي. [ 1 ] وعلى الرغم من هذه الفوائد، فإن أحد أبرز عيوبها البيئية هو الخسائر التبددية التي تحدث طوال دورة حياة المكونات، وما يترتب عليها من آثار بيئية. وفي تطبيقات هندسة الأسطح بالرش الحراري، تحدث غالبية هذه الخسائر التبددية في مرحلة الطلاء (تصل إلى 39%)، حيث لا يلتصق جزء من المساحيق المرشوشة بالركيزة. [ 2 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ قدورة، محمد؛ ماجو-بيتيز، غيوم؛ أمور، بن؛ مورو، كريستيان؛ مارغني، مانويل (2022). "دراسة دور هندسة الأسطح في الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري لتقنيات الطاقة: نظرة مستقبلية حتى عام 2100" (ملف PDF) . المواد والتقنيات المستدامة . 32 : 425. Bibcode : 2022SusMT..3200425K . doi : 10.1016/j.susmat.2022.e00425 . S2CID 247751439 . 
  2. ↑ قدورة، محمد؛ ماجو-بيتيز، غيوم؛ أمور، بن؛ بوارييه، دومينيك؛ مارني، مانويل (2024). "تقدير وتقليل الفاقد التبددي في الرش الحراري: نهج تحليل تدفق المواد البارامتري" . مجلة الإنتاج الأنظف . 450 141978. Bibcode : 2024JCPro.45041978K . doi : 10.1016/j.jclepro.2024.141978 .
  • آر. تشاتوبادياي، "عمليات هندسة الأسطح المتقدمة المدعومة حرارياً"، دار نشر كلوير الأكاديمية، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية (الآن سبرينغر، نيويورك)، 2004، رقم ISBN 1-4020-7696-7، رقم الكتاب المعياري الدولي الإلكتروني 1-4020-7764-5.
  • آر. تشاتوبادياي، "تآكل الأسطح - التحليل والمعالجة والوقاية"، الجمعية الأمريكية للمعادن الدولية، ماتيريالز بارك، أوهايو، الولايات المتحدة الأمريكية، 2001، رقم ISBN 0-87170-702-0.
  • سانجاي كومار ثاكور و ر. جوبال كريشنان، "تطورات في هندسة الأسطح التطبيقية"، خدمات النشر البحثي ، سنغافورة، 2011، رقم ISBN 978-981-08-7922-8.