همه چیز درباره ی نانو در مکانیک ؟! نانو مواد،نانو ذرات و ...

[nika6749]

نانوپليمرها: پليمرهايي با استفاده از مونومرهاي نانويي و کنترل نانويي و کنترلتوسط پليمريزاسيون آنها.
2) نانوکامپوزيتهاي پليمري: استفاده از پليمر به عنوانپايه در کامپوزيتها و تاثير فاز دوم در ابعاد نانو بر روي پليمر به منظور تشکيلکامپوزيت.

تاثير فناوري نانو بر پليمرها بيشتر از طريق نانوکامپوزيتهاي پليمريصورت ميگيرد زيرا اين مواد به طور همزمان مقاومت بالا و شکل پذيري از خود نشانميدهند، خواصي که معمولا در يکجا جمع نميشوند. همچنين داراي کاربرد و خواص بسياريهستند که تعدادي از آنها بيان ميشود. يکي از کاربردهاي نانوکامپوزيتهاي پليمري،جايگزيني مواد شيشه است و ميتوان شيشه آلي مقاوم در برابر شکستن و يا مواد جاذبضربه براي صنعت اتومبيل توليد کرد.

گذشته از اين، بکار بردن اين مواد درتکنولوژي الياف، باعث ايجاد توليدات جديدي در منسوجات خواهد شد. همچنين اين موادميتوانند جايگزين مناسبي براي فلزات باشند.

2) تاريخچهکامپوزيت:

كامپوزيتها يا مواد مركب، از جمله مواد مهندسي و ساختماني جديدي هستندكه در توسعه و كاربرد آنها متخصصين فراواني از رشته هاي مختلف مانند متالورژي‏‏،سراميك، پليمر و غيره سهم به سزايي دارند. استفاده از اين مواد، ايده جديدي نيست،به عنوان مثال چيني ها و مصريان قديم از جمله تمدنهاي باستاني بوده اند كه براياولين بار از مخلوط كاه وگل و شن براي بناسازي استفاده كرده اند تا اينكه استحكامگل افزايش پيدا كند. مصريان با چسباندن لايه هاي نازك چوب و پارچه به يكديگر و بااستفاده از طناب، قايقهاي خود را در برابر متورم شدن در آب تقويت مي كرده اند .
استفاده از كامپوزيتهاي مدرن، در حقيقت از اوائل 1940 شروع شد كه براي اولينبار از الياف شيشه جهت تقويت پلاستيكهاي مصرفي در ساخت پوشش پلاستيكي آنتن رادارهواپيما استفاده شد. در پي آن اولين کامپوزيت فايبرگلاس- پلاستيك در سال1942 ساختهشد و طي جنگ جهاني دوم و بلافاصله پس از كاربرد پلاستيكهاي تقويت شده با الياف درهواپيماسازي، كامپوزيتها موارد استفاده بيشتري يافتند و از سال 1956 صنايع فضايينيز استفاده وسيع از آنها را آغاز كرند.
واژه كامپوزيت composite)) از كلمهانگليسي to compose به معاني تركيب كردن، ساختن و مخلوط كردن مشتق شده است. كامپوزيت از تركيب و اختلاط چند ماده حاصل ميشود. در اينجا منظور تركيب و اختلاطفيزيكي است نه شيميايي، بهطوري كه اجزاي تشكيل دهنده، ماهيت شيميايي و طبيعي خود راكاملا حفظ ميكنند.]1[

3) كامپوزيتها و اجزاي آن:

کامپوزيتها موادي هستند کهخصوصيات زير را داشته باشند:
الف- جامد (تركيبات مايع از نظر خواص مكانيكي فاقدارزش اند.)
ب- مصنوعي (كامپوزيتهاي طبيعي مانند چوب و استخوان مدنظرنيستند.)
ج- متشكل از دو يا چند جزء (يا فاز) كه از نظر شيميايي يا فيزيكي كاملامتفاوتند و به صورت منظم يا پراكنده كنار هم قرارگرفته اند و لايه مشتركي بين آنهاوجود دارد و يا خواص مكانيكي يكي از فازها نسبت به فاز يا فازهاي ديگر متفاوت است. ]1[

1-3) زمينه ها:

با توجه به اينکه کامپوزيتها ترکيب دو يا چند ماده درهمديگر هستند، ميتوان گفت که يکي از اين فازها بايد در برگيرنده فازهاي ديگر باشد،به چنين فازي که درصد حجمي و وزني آن از ديگر فازها بيشتر است و بصورت پيوستهميباشد زمينه يا ماتريس گفته ميشود. اين زمينه ها در مواد مرکب صرفنظر از اينکهتوسط الياف تقويت ميشوند، خود نيز نقش چسباندن الياف به يكديگر جهت انتقال تنشهايوارد به فاز الياف، محافظت از الياف در برابر عوامل مكانيكي و جوي همچون رطويت رانيز به عهده دارند. فلزات، سراميكها و پليمرها به ويژه پلاستيكها از جملهپرمصرفترين مصالح موجودند و به اين جهت اين مواد مورد استفاده در كامپوزيتها راتشكيل ميدهند.

با توجه به خواصي که ما از کامپوزيتها انتظار خواهيم داشت، زمينههاي مختلفي در كامپوزيتها بکار ميروند. از جمله زمينه ها عبارتنداز: زمينه هاي فلزي (مقاومت به ضربه بالا)، زمينه هاي سراميكي (مقاومت حرارتي بالا) و زمينه هايپليمري(مقاومت شيميايي بالا)

2-3) تقويت کننده ها:

علاوه بر زمينه ها بهدسته اي از تقويت کننده ها نياز است که در ذيل انواع آن آورده شده است:
الف) تقويت¬کننده¬هاي ذره¬اي:
تقويت¬کننده¬هاي ذره¬اي يا پرکننده¬ها، ذرات جامد ازنوع معدني يا آلي هستند که از نظر ساختاري و ترکيب شيميايي از يکديگر متمايزمي¬شوند. اين ذرات داراي ابعاد کوچکي در سه بعد هستند به¬همين خاطر به آنها ذرهگفته مي¬شود.
تقويت، معاني مختلفي دارد از جمله ممكن است واژه تقويت به¬عنوانمثال به افزايش همزمان استحکام کششي و مدول اطلاق شود. ]1[

ب) تقويت¬کننده¬هايليفي يا رشته¬اي:

تقويت¬کننده¬هاي رشته¬اي ممکن است به شکل الياف و به¬صورتپيوسته يا منقطع وجود داشته باشند. اکثر مواد در شکل ليفي خود محکمتر و سفت¬تر ازديگر اشکال خود هستند و به اين دليل تقويت¬کننده¬هاي ليفي مصرف بيشتري دارند. اليافشيشه با دانسيته بسيار کم، استحکام بسيار بالا و سفتي بسيار زياد دارند. ]1[

ج) تقويت¬كننده¬هاي ورقه¬اي يا سطحي:

نوع ديگري از تقويت¬كننده¬ها وجود دارد كهبصورت ورقه¬اي است و استحكام فوق¬العاده¬اي نسبت به تقويت¬كننده¬هاي ليفي و ذره¬اياز خود نشان مي¬دهد. علت اصلي آن، قرار گرفتن اين تقويت¬كننده¬ها در دو محور اصلياست. در حالي كه در تقويت¬كننده¬هاي رشته¬اي، زمينه فقط از يك طرف تقويتمي¬شود.

4) نانوكامپوزيت:

فناوري نانو و توليد مواد در ابعاد نانومتريموضوع جذابي براي تحقيقات است كه در دهة اخير توجه بسياري را به خود معطوف داشتهاست. نانوكامپوزيت¬ها نيز به¬عنوان يكي از شاخه‌‌هاي اين فناوري جديد، اهميت بسيارييافته است و يكي از زمينه‌هايي است که کاربردهاي صنعتي پيدا کرده است. تلاش¬هاياوليه موفقيت‌آميز در تهيه نانوکامپوزيتها به دهه‌هاي شصت و هفتاد قرن بيستم ميلاديباز مي‌گردد. اما در 1980 با تهيه نانوکامپوزيت¬هايبر پايه نايلون6-خاك¬رس به¬صورتتجاري به¬وسيله شركت تويوتاي ژاپن، تحقيقات براي ساخت اين مواد شدت و سرعت بيشتريپيدا كرد و شركت¬هاي يوبي، يوني¬كيتا، هاني¬ول و باير نيز نانوكامپوزيت¬هايي را برپايه نايلون6 ارائه نمودند كه عمده كاربرد آنها در خودروسازي و صنايع بسته‌بنديبود. از آن به بعد تعداد ديگري از شركت¬ها، نانوكامپوزيت¬ها را به¬منظور كاربردهايتجاري مورد مطالعه قرار دادند و در اواخر سال 2001 ميلادي شركت¬هاي جنرال موتورز وباسل اولين كاربرد نانوكامپوزيت¬هاي بر پايه اولفين¬هاي گرما¬نرم را در قطعات خارجياتومبيل ارائه نمودند. ,2]1[

1-4) تعريف نانوکامپوزيت¬ها:

نانوكامپوزيت¬هاشامل تركيب ذرات در حوزه مولكولي يا نانو در زمينه پليمري، فلزي يا سراميكيمي‌باشد. در همه موارد مشاهده مي‌شود كه مقدار نانوذرات در اين زمينه¬ها مي‌تواندبه¬طور كامل خواص اين مواد را تغيير دهد اين نانوذرات به¬عنوان تقويت¬كننده زمينه وهمچنين تغييردهنده رفتار الكتريكي مواد پايه به¬كار مي¬روند.

بايد توجه كرد كهتنها با اضافه كردن نانوذرات به يك زمينه به خواص فوق¬العاده‌اي نمي‌رسيم بلكه دراين تركيب بايد شرايطي را رعايت كرد. مثلا فرض كنيد يكسري ورق¬هاي پركننده‌اي را بهكامپوزيت¬ها اضافه كرده باشيم، اگر ورق¬هاي كوچك معدني به¬صورت متراكم به هم چسبيدهباشند رفتارشان خيلي متفاوت از مواد كامپوزتي معمولي نمي‌باشد.

اما به¬عنوان يكتعريف، نانوكامپوزيت، مواد مركبي هستند كه لااقل يكي از اجزاء تشكيل¬دهنده آنهاداراي ابعادي در محدوده نانومتري، در محدودة nm100- 1، باشد؛ اما يكسري پودرهاينانوكامپوزيت نيز داريم كه اين پودرها شامل ذرات با ابعادي مختلف در محدودهنانومتري هستند.

در مواد نانوكامپوزيت، به جزء پخش¬شونده كه به¬صورت الياف،صفحات، مسطح ريز، ذرات و يا حتي حفره‌ها، تركها و غيره در ابعاد نانومتري باشند،فاز دوم اطلاق مي‌شود و همينطور به جزء پيوسته در نانوكامپوزيت¬ها كه مي‌تواند درابعاد نانومتري و يا بالاتر باشد فاز زمينه مي‌گويند. ,2]1[

2-4) دسته¬بندينانوکامپوزيت¬ها:

در دسته¬اي از مواد نانوكامپوزيت، فاز دوم، موادي با دماي ذوببالا مانند سراميك¬ها و يا فلزات بوده، فاز زمينه ماده‌اي با دماي ذوب پايين مانندپليمر و سراميك و فلز با دماي ذوب پايين است. اما در دسته ديگر، فاز زمينه ماده‌ايسراميكي يا فلزي با دماي ذوب بالا و فاز دوم ماده‌اي پليمري يا سراميكي و يا فلزيبا دماي ذوب پايين¬تر است. به¬همين ترتيب، مواد نانوكامپوزيت، از نظر نوع موادتشكيل¬دهنده، حداقل داراي سه گروه زير هستند:

الف) مواد نانوكامپوزيت سراميك- فلز: اين نوع مواد نانوكامپوزيت، عمدتا داراي جزيي سراميكي با دماي ذوب بالا و جزييفلزي با دماي ذوب نسبتا پايين هستند و در ساخت قطعات عملياتي كاربرد دارند.
ب) مواد نانوكامپوزيت پليمر-سراميك (يا فلز): اين نوع مواد نانوكامپوزيت كه داراي فاززمينه آلي (پليمري) و فاز دوم نانومتري غيرآلي(سراميكي يا فلزي) هستند بيشتر تحتعنوان مواد نانوكامپوزيت هيبريدي آلي-غيرآلي شناخته مي‌شوند.

ج) موادنانوكامپوزيت سراميك-سراميك: مواد نانوكامپوزيت سراميك-سراميك كه دماي ذوب يك جزءبالاتر از جزء ديگر است، عمدتا داراي چگالي بالا و ميزان تخلخل پايين هستند. (شکلروبرو نانوکامپوزيتهاي AlN/SiCرا نشان مي¬دهد)

از ديگر دسته‌هاي نانوکامپوزيتمي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
مواد نانوکامپوزيت سراميكي
نانوكامپوزيت¬هايسراميك-فلز
نانوكامپوزيت¬هاي زمينه فلزي
نانوكامپوزيت¬هاي فيلم نازك
نانوكامپوزيت¬هاي برپايه نانولوله كربني ,6]1[

3-4) بهبود خواص درنانوکامپوزيت¬ها:

خواصي كه بر اثر وجود نانومواد در کامپوزيت¬ها بهبود مي‌يابندعبارتنداز: خواص فيزيكي مثل دماي واپيچش گرمايي، پايداري حرارتي، شفافيت، و خواصمکانيکي مثل خواص كششي، خواص خمشي و غيره[2]

4-4) كاربردهاينانوکامپوزيت¬ها:

كاربرد نانوكامپوزيتها در تهيه بخش¬هاي خارجي خودرو بر پايهاولفين¬هاي گرمانرم نظير پروپيلن، در فيلم¬هاي بسته‌بندي نايلوني، در بطري¬هاينگهداري مواد نوشيدني، در لوله‌هاي پليمري و در پوشش¬هاي كابل و سيم و غيره در حالگسترش است.

اخيرا جنرال موتورز تهيه اولين قطعات نانوكامپوزيت پلي¬اولفيني(PO- خاك¬رس) را كه حاوي تنها 5/2 درصد پرکننده معدني است، گزارش كرده است. اين محصول ازلحاظ سفتي معادل اولفين گرمانرم حاوي ده برابر پركننده تالك است و موجب 20 درصدصرفه¬جويي در وزن مي‌شود. اين قطعات در صفحه¬هاي بدنه خارجي استيشن‌هاي مدل2002استفاده شده است. برآورد شده كه استفاده گسترده نانوكامپوزيت¬ها در خودروها تنها درآمريكا مي‌تواند يك و نيم ميليارد ليتر در سوخت ساليانه صرفه‌جويي ايجاد كند و باعثكاهش توليد دي¬اكسيدكربن به ميزان پنج ميليارد كيلوگرم در سال شود.

شركت آرگون،خواص عبوردهي نانوكامپوزيتهاي استفاده شده در بسته‌بندي را تا حدود 2500 درصد اصلاحمي‌كند. يك نوع جديد از اين مواد موم¬هاي از جنس نانوكامپوزيت است كه مي¬تواند بهخوبي كاغذ، جهت روكش تجهيزات استفاده گردد.

از ديگر زمينه¬هاي كاربردنانوكامپوزيت¬ها مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

ضدحريق كردن پلاستيك¬ها، تهيهالياف و فيلم¬ها، كاربردهاي الكتريكي، سامانه¬هاي انتقال دارو، مهندسي بافت،ساختمان¬سازي، لوازم خانگي و... . ,5]1[

5-4) مزايا و معايبنانوكامپوزيتها:

ظهور مواد نانوكامپوزيت، تحولي اساسي در خواص مكانيكي و حرارتيمواد ايجاد كرده است. خواص منحصر به فرد مواد نانوکامپوزيت را مي‌توان به صورت زيربيان كرد:
- پودرهاي نانوکامپوزيت نسبت سطح به حجم بالايي دارند. اين نسبت درحالت بي‌شكل نسبت به حالت بلوري، بيشتر است.
- كسر زيادي از اتمها در سطح ذراتپودرهاي نانوکامپوزيت و يا در مرز دانه‌هاي ريزساختار نانوکامپوزيت¬ها قراردارند.
به دليل دو خاصيت اخير، پودرهاي نانوکامپوزيت، قابليت تفت‌جوشي (زينتر) بالايي دارند. در ساخت نانوكامپوزيت¬ها از پودرهاي نانوکامپوزيت يا پودرهاينانومتري، به دليل كنترل فرآيند در مقياس نانومتري، ريزساختاري كاملا يكنواخت بدستمي‌آيد. نانوکامپوزيت¬ها خواص فيزيكي و مكانيكي از قبيل استحكام، سختي، چقرمگي ومقاومت حرارتي بالايي در محدوده وسيعي از دما دارند. افزودن پنج تا ده درصد حجميفاز دوم به فاز زمينه، باعث افزايش چشمگيري در خواص فيزيكي و مكانيكينانوکامپوزيت¬ها مي‌شود. لذا جديدترين فناوري¬ها، مربوط به طراحي ريزساختارينانوکامپوزيت¬ها براي بهبود خواص فيزيكي و مكانيكي آن مي‌باشد.
در مقابل خواصمنحصر به فرد مواد نانوکامپوزيت، در ساخت نانوکامپوزيت¬ها مشكلات فرآيندي قابلتوجهي وجود دارد كه نقش تعيين¬كننده‌اي دارند. از اساسي‌ترين اين مشكلات مي‌توان بهموارد زير اشاره كرد:

- عدم توزيع يكنواخت فاز دوم در فاز زمينه درنانوکامپوزيت¬ها، خواص مكانيكي نانوکامپوزيت¬ها را كاهش مي‌دهد. تجمع ذرات پودربسيار ريز در نانوکامپوزيت¬ها موجب افزايش انرژي سطحي آنها شده، كاهش خواص مكانيكينانوکامپوزيت¬ها را به دنبال دارد.

- همچنين استفاده از مواد شيميايي گران¬قيمتبراي توزيع يكنواخت فاز دوم در داخل فاز زمينه و جلوگيري از بهم چسبيدن ذرات پودرنانوکامپوزيتي و ساخت نانوکامپوزيت¬هايي با ريزساختاري همگن و خواص مكانيكي بالا،باعث غيراقتصادي شدن و همچنين پيچيده‌تر شدن فرآيند مي‌گردد. ,3]1[