دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
مقدمه
سال 1959 سالی تاریخی برای علم و تکنولوژی است. در این سال فناوری مهندسی مولکولی (نانوتکنولوژی) اولین بار توسط ریچارد فاینمن ، برنده جایزه نوبل فیزیک که ملقب به پدر علم نانوتکنولوژی است مطرح شد. وی بیان کرد فضای زیادی در پایین وجود دارد . همین جمله پایه علم نانوتکنولوژی شد. در حقیقت او این نکته را مطرح ساخت که اصول علم فیزیک چیزی جز امکان ساختن اتم به اتم اشیاء بیان نمی کنند. او پیشنهاد کرد که می توان اتم های مجزا را دستکاری کرد و مواد و ساختارهای کوچکی را تولید نمود که خواص متفاوتی دارند.
در دهه 50 و 60 میلادی فعالیت های زیادی روی ذرات فلزی کوچک در حال انجام بود. در آن زمان این فعالیت ها را نانوتکنولوژی نمی نامیدند. تولید سیلیکون متخلخل در سال 1965 و یا کار روی تولید ذرات نانومتری فلزات قلیایی به وسیله تبخیر فلز سدیم ، پتاسیم و چگالش سریع آن ها، از جمله این فعالیت ها بود. سیال های مغناطیسی نیز در دهه 60 توسعه یافتند. این مواد شامل نانوذرات مغناطیسی هستند که در یک مایع توزیع شده اند.
1-2) نانوتکنولوژی چیست؟
پیشوند نانو در اصل یک کلمه یونانی است. معادل لاتین این کلمه، Dwarf است که به معنی کوتوله و قد کوتاه است. این پیشوند در علم مقیاس ها به معنی یک میلیاردم است.
بنابراین این یک نانومتر، یک میلیاردم متر است. این مقیاس را با ذکر مثال هایی عینی، بهتر می توان حس کرد. یک تار موی انسان بطور متوسط قطری حدود 50000 نانومتر دارد. کوچکترین اشیای قابل دید توسط چشم غیرمسلح اندازه ای حدود 10000 نانومتر دارند.
به بیان ساده تر علم نانو مطالعه اصول اولیه مولکول ها و ساختارهای با ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر است. این ساختارها را نانوساختار می نامیم. نانوتکنولوژی، کاربرد این ساختارها در دستگاه¬های با اندازه نانومتری است.
تعریف دیگری که می توان از نانوتکنولوژی ارائه نمود این است که نانوتکنولوژی شکل جدیدی از ساخت مواد بوسیله کنترل و دستکاری واحدهای ساختمانی آن ها در مقیاس نانو است. می توان گفت نانوتکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاه¬ها و سیستم ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته اند.
یکی از ویژگی های مهم نانوتکنولوژی، جنبه چندرشته ای بودن آن است. مفهوم چند رشته ای در نانوتکنولوژی بدان معناست که نیروی کاری نانوتکنولوژی باید دارای بینش وسیعی از مفاهیم زیست شناسی، فیزیک، شیمی، اصول مهندسی طراحی، کنترل فرآیند و محصولات باشد. برای درک مفاهیم پایه ای و تدوین قوانین در مقیاس نانو تقریباً به تمامی علوم نیاز است. اصل چند رشته ای بودن نانوتکنولوژی بیانگر این حقیقت است که این علم رشته جدیدی نیست بلکه رویکردی جدیدی در تمام رشته هاست و تمام عرصه های مختلف علم و فناوری را در برمی گیرد. آنچه باعث ظهورنانوتکنولوژی شده، نسبت سطح به حجم بالای نانو مواد است. این موضوع یکی از مهمترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو است. در مقیاس نانو، اشیاء شروع به تغییر رفتاری می کنند و رفتار سطوح بر رفتار توده ای ماده غلبه می کند.
در این مقیاس برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربرد دارند، نقض می شوند. در حقیقت در این مقیاس، قوانین فیزیک کوانتوم وارد صحنه می شوند و امکان کنترل خواص ذاتی ماده از جمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد، بدون تغییر در ترکیب شیمیایی ماده وجود خواهد داشت.
1-3) عناصر پایه در فناوری نانو
تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مدنظر نیست، بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت به خوردگی و ... تغییر می یابد.
در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگتر فرق می کند.
اولین و مهمترین عنصر پایه، نانو ذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتی با ابعاد نانومتری در هر سه بعد می باشد. نانوذرات می توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و ... .
دومین عنصر پایه، نانوکپسول است. همان طور که از اسم آن مشخص است، کپسول هایی هستند که قطر نانومتری دارند و می توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد.
عنصر پایۀ بعدی نانو لوله کربنی است. این عنصر پایه در سال 1991 در شرکت NEC کشف شد و در حقیقت لوله هایی از گرافیت می باشند. اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شکل لوله در بیاوریم، به نانو لوله های کربنی می رسیم. این نانو لوله ها دارای اشکال و اندازه های مختلفی هستند و می توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند. این لوله ها خواص بسیاری جالبی دارند که منجر به ایحاد کاربردهای جالب توجهی از آنها می شود.
عناصر پایه گوناگون و متنوع دیگری نیز وجود دارند، مانند مواد نانو بلوری توده ای، مواد نانوحفره ای، نانوالیاف ها، نانو سیم ها، فولرین ها و ... . در قسمت های بعدی، با توجه به کاربردی که این عناصر پایه در ساخت نانوکامپوزیت ها دارند، به توضیح برخی از آنها خواهیم پرداخت.
1-3-1) روش های ساخت عناصر پایه
به طور کلی عناصر پایه با دو رویکرد «بالا به پایین» و «پایین به بالا» قابل ساخت می باشند. در رویکرد بالا به پایین برای تولید محصول، یک ماده توده ای را، شکل دهی و اصلاح می کنند. در حقیقت دراین روش، یک ماده بزرگ را بر می داریم و با کاهش ابعاد و شکل دهی آن، به یک محصول با ابعاد نانو می رسیم. به عبارت دیگر، اگر اندازه یک ماده توده ای را به طور متناوب کاهش دهیم تا به یک ماده با ابعاد نانومتری برسیم، از رویکرد بالا به پایین استفاده کرده ایم. این کار اغلب و نه همیشه، شامل حذف بعضی از مواد به شکل ضایعات است. مثل ماشین کاری یک بخش فلزی از یک موتور یا نانو ساختاری کردن فلزات به طریق تغییر شکل دهی که شامل ضایعات نیست. از دیگر روشهای ساخت این نوع از مواد، می توان به لیتوگرافی، فرآوری مکانیکی، فرآوری حرارتی و ریسندگی اشاره کرد.
رویکرد پایین به بالا درست عکس رویکرد بالا به پایین می باشد. دراین رویکرد محصول از کنار هم قرار دادن مواد ساده تر بوجود می آید، مانند ساخت یک موتور از قطعات آن، در حقیقت کاری که در اینجا انجام میشود، کنار هم قراردادن اتم ها و مولکولها (که ابعاد کوچکتر از مقیاس نانو دارند) برای ساخت یک محصول نانومتری است. تصور کنید قادریم اتم ها و مولکول ها را به طور واقعی ببینیم و آنها را به طور دلخواه کنار هم قرار دهیم تا شکل مورد نظر حاصل شود. معمولاً روش های پایین به بالا ضایعاتی ندارند.
رسوبی دهی فاز گاز، رسوب دهی از فاز مایع، الگو برداری از نانو ساختارها، قوس الکتریکی، خودآرایی در محلول و ...، برخی از روشهای ساخت مواد با رویکرد پایین به بالا هستند.
1-4) نانوذرات
نانو ذرات رایج ترین عناصر در علم و فناوری نانو بوده و خواص جالب توجه آنها باعث گردیده است کاربردهای بسیار متنوعی در صنایع شمیایی، پزشکی و دارویی، الکترونیک و کشاورزی داشته باشند.
طبق تعریف یک نانو ذره به ذره ای گفته ای می شود که ابعادی بین 1 تا 100 نانو متر داشته باشد. نانوذرات از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند. متداولترین و پرکارترین آنها، نانوذرات سرامیکی هستند. با توجه به تعریف نانوذرات ممکن است این ذهنیت بوجود آید که این ذرات با چنین ابعادی در هوا معلق خواهد ماند. اما در واقع چنین نیست و نیروهای الکترواستاتیکی بین این ذرات، آنها را در کنار هم قرار می دهد.
نانوذرات در اندازه های پایین نانو خوشه به حساب می آیند. همچنین نانوکره ها، نانو میله ها، و نانو فنجان ها تنها اشکالی از نانوذرات در نظر گرفته می شوند. نانو بلورها و نقاط کوانتومی نیمه هادی زیر مجموعه نانوذرات هستند.
چنین نانوذراتی در زمینه های مختلف الکترونیکی و الکتریکی و بیودارویی به عنوان حامل دارو و عوامل تصویر برداری کاربرد دارند.
تعیین مشخصات نانوذرات برای کنترل سنتز، خواص و کاربرد آنها ضروری است. مشخصات این ترکیبات با استفاده از روش های گوناگون نظیر آنالیز میکروسکوپ الکترونی، AFM طیف سنجی فوتوالکترونی، x-ray و FT-IR سنجیده می شود.
نانوذرات زمینه های کاربردی زیادی دارند که مهم ترین آنها عبارتند از:
1- مواد کامپوزیت 7- باتری ها و پیل های سوختی
2- کامپوزیت های ساختاری 8- روان کننده ها
3- کاتالیزور 9- پزشکی و داروسازی
4- بسته بندی 10- محافظت کننده ها
5- روکش ها 11- آنالیززیستی و تشخیص پزشکی
6- افزودنی های سوخت و مواد منفجره 12- ساینده ها
1-4-1) خواص نانوذرات
با توجه به تعریفی که از نانو ذرات ارائه کردیم، یکی از سؤال های مهم در تولید مواد نانو این است که آرایش هندسی و پایداری اتم ها با تغییر اندازه ذرات چه تغییری می کند؟
اولین اثر کاهش اندازه ذرات، افزایش سطح است. افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات باعث می شود که اتم های واقع در سطح، اثر بسیاری بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات، بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند. این ویژگی، واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهد که با استفاده از آن می توان کارآیی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو موثری بهبود بخشید و یا در تولید کامپوزیت ها با استفاده از این ذرات پیوندهای شمیایی مستحکم تری بین ماده زمینه و ذرات برقرار شده و استحکام کامپیوزیت به شدت افزایش می یابد. همچنین این ویژگی در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) نیز تاثیر گذار است.
تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و هندسه ذرات روی خواص الکترونیکی ماده هم تاثیرگذاراست که پی بردن به چگونگی این تغییرات و میزان آنها کاری مشکل است. اما پیچیده ترین تاثیر اندازه ذرات، تاثیر برخواص مغناطیسی ماده است، ممکن است این تصور بوجود آید که وقتی به اندازه های کوچکتر می رویم، به عنوان مثال در مورد نانوذرات، حوزه های مغناطیسی مشخصی دیده نمی شود. بنابراین تصورمی شود که در این مواد سیستم های ساده تری وجود خواهند داشت. اما در حقیقت چیزی برعکس این موضوع وجود دارد.
ذرات مغناطیسی کوچک و حتی جامدات غیرمغناطیسی با اندازه دانه کوچک، نوع جدیدی از خواص مغناطیسی را نشان می دهند. این خواص متأثر از خاصیت کوانتومی اندازه ذرات است. در جدول-1 خلاصه ای از رفتار مغناطیس مشاهده شده در فلزات به شکل ذرات ریز را در مقایسه با همان فلزات بصورت توده ای نشان می دهد.
فلز توده ای نانوذرات
K, Na
Fe, Co, Ni
Gd, Tb
Rh
پارامغناطیس
فرومغناطیس
فرومغناطیس
پارامغناطیس فرومغناطیس
سوپرمغناطیس
سوپرمغناطیس
فرومغناطیس
1-4-2) روش های تولید نانوذرات
برای تولید نانوذرات روش های بسیاری متنوعی وجود دارد. این روش ها اساساً به سه دسته تقسیم می شوند:
چگالش از یک بخار، سنتز شمیایی و فرآیندهای حالت جامد نظیر آسیاب کردن.
روش چگالش از بخار که شامل تبخیر فلز جامد سپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوشه های نانومتری است که به صورت پودر ته نشین می شوند. روش تبخیر در خلاء بر روی مایعات روان (VERL) ، ذوب در محیط فوق سرد و روش سیم انفجاری جزء روش های چگالش از بخار محسوب می شوند.
روش سنتز شیمیایی شامل رشد نانوذرات در محیط مایع حاوی انواع واکنشگرها است. روش سل ژل نمونه چنین روشی است، در روش های شمیایی اندازه نهایی ذره را می توان با توقف فرآیند هنگامی که اندازه مطلوب به دست آمد یا با انتخاب مواد شمیایی تشکیل دهنده ذرات پایدار و توقف رشد در یک اندازه خاص کنترل نمود. این روش ها معمولاً کم هزینه و پر حجم هستند، اما آلودگی حاصل از آنها می تواند یک مشکل باشد.
از روش فرآیندهای جامد (آسیاب یا پودر کردن) می توان برا ایجاد نانوذرات استفاده نمود. ازاین روش می توان برای تولید نانوذرات از موادی استفاده نمود که در دو روش قبلی به آسانی تولید نمی شوند. در این روش خواص نانوذرات حاصل، تحت تاثیر نوع ماده آسیاب کننده، زمان آسیاب و محیط اتمسفری آن قرار می گیرد.
1-4-3) متداولترین نانوذرات
نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند، معمولی ترین آنها نانوذرات سرامیکی، فلزی و پلیمری و نانوذرات نیمه رسانا هستند.
نانوذرات نیمه رسانا که به آنها نقاط کوانتومی هم می گویند، نانو ساختارهایی سه بعدی هستند که در مصارف اپتیکی کاربرد زیادی دارند. این نقاط کوانتومی نیمه هادی با تحریک الکتریکی یا توسط گستره وسیعی از طول موج ها در فرکانس های کاملاً مشخص به فلورسانس می پردازند، به این شکل که فرکانسی از نور را جذب کرده و در فرکانسی مشخص- که تابع اندازه آنهاست- به نشر نور می پردازند. این ذرات همچنین می توانند بر حسب ولتاژ اعمال شده، به انعکاس، انکسار یا جذب نور بپردازند. این ویژگی کاربردهایی در موارد فتوکرومیک و الکتروکرمیک (موادی که ترتیب بر اثر اعمال نوریا الکتریسته تغییر رنگ می دهند) و پیل های خورشیدی خواهد داشت. از دیگر کاربردهای آنها می توان به لیزرهای دارای طول موج های بسیار دقیق و کامپیوترهای کوانتومی اشاره کرد.
نانوذرات سرامیکی، متداولترین هستند که به سرامیک های اکسید فلزی، نظیراکسیدهای تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن و نانوذرات سیلیکاتی که عموماً به شکل ذرات نانومقیاس خاک رس هستند، تقسیم می شوند. این مواد به علت داشتن نسبت سطح به حجم مناسب به عنوان کاتالیزور در زمینه هایی نظیر باتری ها، پیل های سوختی و انواع فرآیندهای صنعتی قابل استفاده هستند.
یکی از مهمترین کاربردهای این ذرات در کامپوزیت هاست. استفاده ا این نانوذرات در مواد کامپوزیتی می تواند استحکام آنها را افزایش یا وزن آنها را کاهش دهد، مقاومت شمیایی یا حرارتی آنها را زیاد کند، خصوصیات جدیدی نظیر هدایت الکتریکی را به آنها بیفزاید و فعل و انفعال آنها با نور یا دیگر تشعشعات را تغییر دهد. یکی از خواص کامپوزیت های نانو ذره ای سرامیکی در صنعت بسته بندی، کاهش نفوذ پذیری گازهاست. همچنین مقاومت در برابر آتش و مواد شمیایی نیز افزایش یافته و بازیافت این مواد نیز آسانتر می شود.
نانوذرات فلزی نیز دسته دیگری از این ذرات هستند که از فلزات مختلف بدست آمده و خواص جالبی را از خود نشان می دهند.ک این نانوذرات فلزی نیز در کامپوزیت ها به کار می روند، به خصوص کامپوزیتهایی که زمینه پلیمری دارند. این نانوکامپوزیت ها، به دلیل ممانعت خوبی که در مقابل تداخل الکترومغناطیسی به وجود می آورند، می توانند در رایانه و تجهیزات الکترونیکی به کار رود. نانوکامپوزیت های نانوذره ای فلزی قابلیت ها ویژه ای در هدایت گرمایی و الکتریکی دارند که کارآیی آنها را افزایش می دهد.
1-4-4) کاربردهای نانوذرات
همان طور که اشاره شد یکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت می توان کاتالیزورهای قدرتمندی را در ابعاد نانومتری تولید نمود.
بکارگیری نانوذرات در تولید مواد دیگر می تواند استحکام آن ها را افزایش دهد و یا وزن آن ها را کم کند، مقاومت شیمیایی و حرارتی آنها را بالا ببرد، و واکنش آن ها را در برابر نور و تشعشعات دیگر تغییر دهد. پس اولین کاربردی که برای نانوذرات می توان متصور شد، استفاده از این مواد در تولید نانوکامپوزیت هاست که در فصل بعدی به طور کامل به آنها خواهیم پرداخت.
از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده ها، زنگ ها، لایه های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه ها و عینک ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی ها و در حفاظ های الکترومغناطیسی شیشه های اتومبیل و در و پنجره استفاده می شود. پوشش های ضد نوشته برای دیوارها و پوشش های سرامیکی برای افزایش استحکام سلول های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده اند.
فصل دوم
آشنایی با نانوکامپوزیت ها
2-1) مقدمه
مواد و توسعۀ آنها از پایه های تمدن بشربه شمار می روند. به طوری که دوره های تاریخی را با مواد نامگذاری کرده اند مثل عصرسنگ، عصر برنز، عصر آهن و... . عصر جدید با شناخت یک ماده جدید به وجود نمی آید، بلکه با بهینه کردن و ترکیب چند ماده می توان پا در عصر نوین گذاشت. در کاربردهای مهندسی، اغلب تلفیق خواص مورد نیاز است. به عنوان مثال در صنایع هوا و فضا، کاربردهای زیر آبی، حمل و نقل و امثال آنها، به موادی نیاز است که ضمن داشتن استحکام بالا، سبک باشند، مقاومت سایشی خوبی داشته باشند و... .
از آنجا که نمی توان ماده ای یافت که همه خواص مورد نظر را داشته باشد، باید به دنبال چاره ای دیگر بود. کلید این مشکل استفاده از کامپوزیتهاست. کامپوزیتها موادی چند جزئی هستند که خواص آنها در مجموع از هر کدام از اجزاء بهتراست. ضمن آنکه اجزای مختلف، کارآیی یکدیگررا بهبود می بخشد.
دانشمندان علوم فیزیک، مواد و سایر علوم به این نتیجه رسیده اند که اگر بتوان مواد را در مقیاس های کوچک تری تهیه کرد، پیوندهایی که این ماده با فازهای اطراف خود برقرار می کند، به مراتب قویتر از مقیاسهای بزرگتر است. در همین راستا بود که نانوکامپوزیت ها تولید شدند که در این نوع مواد کامپوزیتی حداقل یکی از فازهای تشکیل دهنده ماده مرکب در ابعاد نانومتری قرار دارد. امروزه نانوکامپوزیت ها به دلیل خواص فوق العاده ای که از خود نشان می دهند به سرعت در حال گسترش هستند و از آن به عنوان " تحول بزرگ در مقیاس کوچک" نام می برند.
2-2 ) نانوکامپوزیت چیست؟
کامپوزیت همان طور که از نام آن پیداست از فعل to compose به معنای ترکیب کردن گرفته شده و کامپوزیت ( composite ) یعنی مرکب. مواد کامپوزیتی به موادی گفته می شوند که از ترکیب چند ماده به وجود آمده اند که هر یک از اجزاء تشکیل دهندۀ آن دارای خواص مختلفی هستند که ترکیب آنها با هم، سبب بهبود خواص ماده کامپوزیتی می شود.
با توجه به تعریف بالا کامپوزیتها از دو قسمت تشکیل شده اند: قسمت زمینه و قسمت تقویت کننده که به زمینه اضافه می شود تا دسته ای از خواص آن را بهبود بخشد. در تصویر-1 حالتهای مختلف قرارگیری فاز تقویت کننده در ماده زمینه دیده می شود.
اولین وظیفه زمینه احاطه ماده تقویت کننده است. به طوری که نگذارد ماده تقویت کننده پراکنده شود. وظیفه دوم، محافظت از ماده تقویت کننده در برابر عوامل شیمیایی است؛ و وظیفه سوم این است که چون مواد زمینه را نرم انتخاب می کنند، وقتی نیرو به ماده کامپوزیت وارد می شود، توسط زمینه به ماده تقویت کننده انتقال داده شود تا ماده تقویت کننده نیرو را تحمل کند.
تقویت کننده های موادی هستند که به صورت تکه تکه در یک زمینه پیوسته واردمی شوند تا خواص ماده زمینه را بهتر کنند، تقویت کننده ها می توانند به صورت یک صفحه، یک رشته (نخ) ، یا یک ذره (پودر) واردحجم زمینه شوند. (تصویر-2).
نانوکامپوزیت ، همان کامپوزیت در مقیاس نانومتر (9-10) است. نانوکامپوزیت ها در دو فاز تشکیل می شوند. در فاز اول ساختار بلوری در ابعاد نانو ساخته می شود که زمینه یا ماتریس کامپوزیت به شمار می رود.
در فاز دوم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای استحکام، مقاومت، هدایت الکتریکی و ... به فاز اول یا ماتریس اضافه می شود.
2-2-1) طبقه بندی نانوکامپوزیت ها
انواع نانوکامپوزیت ها را می توان بر اساس ماده زمینه آن ها به شرح زیر طبقه بندی کرد:
نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری
نانوکامپوزیت های زمینه سرامیکی
نانوکامپوزیت های زمینه فلزی
نانوکامپوزیت های زمینه بین فلزی
در بین نانوکامپوزیت ها، بیشترین توجه به نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری معطوف است. کامپوزیت های پلیمری به علت خواصی مانند استحکام، سفتی و پایداری حرارتی و ابعادی چندین سال است که در ساخت هواپیماها به کار می روند. با رشد نانوتکنولوژی، کامپوزیت های پلیمری بیش از پیش به کار گرفته خواهند شد. کامپوزیت هایی که بستر فلزی دارند، کم وزن و سبک اند و به علت استحکام و سختی بالا، کاربردهای وسیعی در صنایع خودرو و هوا-فضا پیدا کرده اند. در ادامه بحث به شرح کامل هر یک ازا ین نوع مواد خواهیم پرداخت.
اما دسته بندی دیگری که برای نانوکامپوزیت ها وجود دارد، دسته بندی ابعادی نانوکامپوزیت هاست. در نانوکامپوزیت ها با توجه به آنکه فاز نانومتری چند بعدش در مقیاس نانومتر قرار دارد. به سه دسته تقسیم می شوند.
1- نانوکامپوزیت های هم بعد
2- نانوکامپوزیت های دوبعدی
3- نانوکامپوزیت های تک بعد
در نانوکامپوزیت های هم بعد، فاز یا فازهای نانومتری در هر سه بعد در مقیاس نانو قرار دارند. برای این دسته مواد میتوان به سیلیکای کروی تولید شده در فرآیند سل- ژل اشاره کرد.
نانوکامپوزیت های دو بعدی فاز نانومتری آنها در دو بعد آن در مقیاس نانو قرار دارد که لوله های نانو متری کربن یا ویسکرها مثالی برای این دسته می باشند. فاز نانومتری تقویت کننده در نانوکامپوزیت های تک بعدی تنها در یکی از ابعاد دارای مقیاس نانو است. این خانواده از نانوکامپوزیت ها تحت عنوان نانوکامپوزیت های پلیمر- کریستالهای لایه ای شناخته می شوند. در طبیعت از این نوع کریستالهای لایه ای شکل به وفور یافت می شود. امروزه نانوکامپوزیت های سیلیکاتی لایه ای به طور گسترده ای مورد مطالعه قرار می گیرند که علت آن را می توان سهولت دسترسی به خارک رس و همچنین خصوصیت نفوذپذیری آن نام برد.
2-3) نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری
همان طور که گفتیم در بین نانوکامپوزیت ها، نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری بیشترین کاربرد و استفاده را دارند و در درجه اول اهمیت قرار دارند. سیلیکات های لایه ای تا به امروز بیشترین کاربرد را در ساخت نانوکامپوزیت ها داشته اند. اخیراً به شدت از نانو لوله های کربنی در ساخت این نانوکامپوزیت ها استفاده می شود.
با توجه به خواص متنوع نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری، دلایل زیادی رامی توان برای گسترش نانوکامپوزیت های پلیمری نام برد. اولین دلیل، خواص بی نظیر مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی آن هاست. نانوکامپوزیت های پلیمری عموماً دارای استحکام بالا، وزن کم، پایداری حرارتی بالا، رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت شیمیایی بالایی هستند. با اضافه کردن درصد کمی از مواد نانو به یک پلیمر خالص، استحکام کششی، استحکام تسلیم و مدول یانگ افزایش چشمگیری می یابد. به عنوان مثال با افزودن تنها 04/0 درصد حجمی میکا (یک نوع سیلیکات) با ابعاد 50 نانومتر به اپوکسی مدول یانگ این ماده 58 درصد افزایش خواهد یافت.
همچنین با اضافه کردن 8/4 درصد حجمی میکای نانومتری به پلی¬آمیدها میزان نفوذ پذیری آب در آن ها 50 درصد کاهش می یابد. تحقیقات انجام گرفته در دهه اخیر نشان می دهد که استحکام کششی و مدول کششی کامپوزیت های زمینه پلیمری با پر کنندۀ نانو سیلیکات لایه ای دو برابر می شود، بدون آنکه چقرمگی آنها دچار تغییر گردد. به عنوان مثال تعداد زیادی از پلیمرها نظیر نایلون، اولفین و نیز رزین هایی مانند اپوکسی ، اورتان، سیلوگزان با افزودن 2% حجمی سیلیکات لایه ای به خواص فوق رسیده اند.
دلیل دوم توسعه نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری و افزایش تحقیقات دراین زمینه، کشف نانولوله ها کربنی در سال 1991 میلادی است. استحکام و خواص الکتریکی نانولوله های کربنی به طور قابل ملاحظه ای با نانولایه های گرافیت و دیگر مواد پرکننده تفاوت دارد. این دسته از کامپوزیت ها به دلیل خواص منحصر به فردی که دارند به طور گسترده ای در صنایع خودرو، هوا- فضا و بسته بندی مواد غذایی گسترش یافته اند. چنانچه در صنعت خودرو به دلیل افزایش قیمت سوخت و پیمامدهای اقتصادی ناشی از آن، تقاضا برای استفاده از موادی نظیر نانوکامپوزیت ها پلیمری که هم سبکی لازم و هم استحکامی در حد فلزات دارند، افزایش یافته است.
از دیگر کاربردهای نانوکامپوزیت های پلیمری پوشش های مقاوم به سایش، پوشش های مقاوم به خوردگی، پلاستیک های رسانا، حسگرها، آسترهای مقاوم در دمای بالا و غشاهای جداسازی گازها و سیالات نفتی می باشند.
نکته مهم دیگر این است که ارزش نانوکامپوزیت های پلیمری فقط به خاطر بهبود خواص مکانیکی نمی باشد. در کامپوزیت ها کارآیی موردنیاز، هزینه و قابلیت فرآوری از موضوعات بسیاری مهم می باشد. نانوکامپوزیت های پلیمری بر این محدودیت ها غلبه کرده است.
با توجه به گسترده بودن پلیمرها و رزین ها و همچنین نانو مواد تقویت کننده و کاربردهای فراوان آنها موضوع نانوکامپوزیت های پلیمری بسیاری گسترده می باشد و زمینه های بسیاری برای توسعه آنها وجود دارد.
2-3-1) روش های تولید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری
به طور کلی سه روش برای تولید نانوکامپوزیت های پلیمری وجود دارد. این روشها شامل مخلوط سازی مستقیم ، فرآوری محلولی و پلیمریزاسیون درجا هستند در ادامه این سه روش مورد بررسی قرار می گیرد.
الف – مخلوط سازی مستقیم
در این روش سوسپانسیونی از مواد نانو به محلول پلیمری اضافه می شود. در ادامه پس از ایجاد اختلاط و اطمینان از توزیع یکنواخت مواد پر کننده در پلیمر و سازگاری آن با زمینه, مخلوط حاصله توسط یک پرس هیدرولیک در یک قالب اکسترود می شود و در نهایت صفحات نازک نانو کامپوزیت بدست می آیند.
محدودیت این روش میزان فاز تقویت کننده یا همان مواد پر کننده است. به عنوان مثال برای تولید نانوکامپوزیت سیلیکا/پلی پروپیلن حداکثر میزان نانوذرات سیلیکا 20 درصد وزنی می تواند باشد. البته به نظر می رسد آگلومره شدن ذرات نیز از دیگر محدودیت های این روش باشد.
ب- فرآوری محلولی
با استفاده از این روش می توان بر بعضی از محدودیت های روش مخلوط سازی مستقیم غلبه کرد، ضمن آنکه می توان میزان آگلومراسیون و کلوخه ای شدن نانوذرات در ماده پلیمری را کاهش داد. در این روش به دو صورت می توان نانوکامپوزیت های پلیمری را تولید کرد. اگر ماده زمینه پلیمری و مواد نانو تقویت کنندۀ آن در یکدیگر قابل حل شدن باشند، محلول حاصل را می توان در یک قالب ریخته گری کرده و نانوکامپوزیت تولید نمود در غیر این صورت مخلوط مواد نانو کامپوزیت در یک حلال حل شده و در نهایت با تبخیر حلال، نانوکامپوزیت مورد نظر بدست می آید.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 116 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
