پايان نامه بررسي فناوري نانو و توليد مواد در ابعاد نانومتري

چكيده :

فناوري نانو و توليد مواد در ابعاد نانومتري موضوع جذابي براي تحقيقات مي باشد كه در دهه اخير توجه بسياري را به خود معطوف داشته است. نانو كامپوزيت ها نيز به عنوان يكي از شاخه هاي اين فناوري جديد ، اهميت بسياري يافته اند به عنوان يك تعريف ، نانوكامپوزيت ها مواد مركبي هستند كه لااقل يكي از اجزاء تشكيل دهنده آنها داراي ابعاد در محدوده ي nm100-1 مي باشد و خود شامل سه دسته پليمري ، سراميكي و فلزي هستند .درمواد نانو كامپوزيت به جزء پخش شونده كه به صورت الياف، صفحات مسطح ريز، ذرات و يا حتي حفره ها و تركها و…. در ابعاد نانو مي باشند، فاز دوم يا فاز تقويت كننده و همچنين به جزء پيوسته كه مي تواند در ابعاد نانومتري و يا بالاتر باشد فاز زمينه مي گويند.

در سال هاي اخير مواد نانوكامپوزيتي به دليل ويژگي هاي منحصر به فردي همانند استحكام زياد، وزن كمتر ، كارايي بيشتر ، دوام و پايداري عالي و نيز رفتار مناسب در برابر آتش سوزي نسبت به مواد سختي نظير بتن آلومينيوم داراي بيشترين كاربرد در صنايع متعددي همچون صنعت هوا فضاي صنعت نفت – گاز – صنايع پلاستيك ، صنعت برق و صنايع دريايي و صنعت خودروسازي مي باشد.

كلمات كليدي : نانوكامپوزيت – روش هاي توليد- استحكام نانوكامپوزيت

علم مواد نانو كامپوزيت، توجه دانشمندان و مهندسان را در سالهاي اخير به خود جلب كرده است. نتايج بررسي استفاده از بلوكهاي ساختماني در ابعاد نانو، طراحي و ايجاد مواد جديد با انعطاف پذيري و پيشرفتهاي زياد در خواص فيزيكي آنها را ممكن مي سازد. قابليت ارتقاء كامپوزيت ها با استفاده از بلوكهاي ساختماني با گونه هاي شيميايي ناهمگن در رشته ها و بخش هاي مختلف علمي مطرح گرديده است. ساده­ترين مثالها از چنين طراحي­هايي، به صورت طبيعي در استخوان اتفاق مي­افتد كه يك نانوكامپوزيت ساخته شده از قرص هاي سراميكي و چسبهاي آلي مي باشد. بدليل اين كه اجزاء سازنده يك نانو كامپوزيت داراي ساختارها و تركيبات مختلف و خواص مربوط به آنها مي باشد، كاربردهاي زيادي را ارائه مي دهند. از اينرو موادي كه از آنها توليد مي شوند، مي توانند چند كاره باشند. با الگو گرفتن از طبيعت و براساس نيازهاي تكنولوژي هاي پديد آمده در توليد مواد جديد با كاربردهاي مختلف در آن واحد براي مصارف گوناگون، دانشمندان استراتژي هاي تركيبي زيادي را براي توليد نانوكامپوزيت ها بكار برده اند. اين استراتژي ها داراي مزاياي آشكاري در توليد مواد دانه درشت مشابه مي باشند. نيروي محركه در توليد نانو كامپوزيت­ها، اين واقعيت است كه آنها خواص جديدي در مقايسه با مواد رايج ارائه مي دهند.

مواد از طريق ايجاد نانو كامپوزيت هاي چند فازي مسئله جديدي نيست. اين نظريه از زمان آغاز تمدن و بشريت و با توليد مواد براي كارآمدي بيشتر براي اهداف كاربردي مورد نظر بوده است. علاوه بر تنوع وسيع نانو كامپوزيت هاي يافت شده در طبيعت و موجودات (مثل استخوان) , يك مثال عالي براي كاربرد نانو كامپوزيت هاي تركيبي در روزگار باستان, كشف جديد ساختمان نقاشي هاي مايان مي باشد كه در دوران مسا مريكاس[1] بوجود آمدند. توصيف حالت هنر از اين نمونه هاي نقاشي آشكار مي سازد كه ساختار رنگها, متشكل از ماتريسي از خاك رس آميخته شده با مولكولهاي رنگي آلي مي باشد. آنها همچنين محتوي ناخالصي هاي ذرات نانوي فلزي محفوظ در يك لايه سيليكاتي بي شكل همراه با ذرات نانوي اكسيدي روي لايه مي باشند. اين ذرات نانو تحت عمليات حرارتي و از ناخالص بوجود مي آيند (Cr , Mn , Fe) كه در مواد خام مثل خاك رس موجود مي باشند ولي جمع و سايز آنها خصوصيات نوري رنگ نهائي را تحت تأثير قرار مي دهد. تركيبي از خاك رس موجود كه يك سوپر لاتيك مي سازد كه در ارتباط با ذرات نانوي فلزات و اكسيدي پشتيباني شده روي لايه آمورف مي باشد و اين رنگ را يكي از اولين مواد مركب مشابه نانو كامپوزيت هاي كاربردي مدرن مي سازد. نانو كامپوزيت ها را مي توان ساختارهاي جامدي فرض كرد كه داراي خواص مكرر بعدي با اندازه نانومتري بين فازهاي مختلف سازنده ساختار مي باشند. اين مواد متشكل از يك جامد غيرآلي (بستر يا ميزبان) محتوي يك جزء آلي و يا بالعكس مي باشند و يا مي توانند متشكل از دو يا چند فاز آلي/ غيرآلي در چند فرم تركيبي باشند با اين محدوديت كه حداقل يكي از فازها يا تركيبات, در ابعاد نانو باشد.

مثالهايي از نانو كامپوزيت عبارتند از پوششهاي متخلخل، ژل ها و تركيبي از پليمرها، مثل تركيبي از فازهاي با ابعاد نانو با تفاوتهاي فاحش در ساختار, تركيب و خواص مي توان فازهاي با ساختار نانوي موجود در نانو كامپوزيت ها را صفر بعدي (مثل خوشه هاي اتمي تشكيل شده)، تك بعدي (يك بعدي مثل نانوتيوپ ها) و دو بعدي (پوشش هاي با ضخامت نانو) و سه بعدي (شبكه هاي جاسازي شده) در كل مواد نانو كامپوزيت مي توانند داراي خواص مكانيكي, الكتريكي, الكتريكي، نوري، الكتروشيمي، كريستالي و ساختاري باشند، نسبت به مواردي كه داراي اجزاء واحد و يگانه هستند. رفتار چند كاره براي هر ويژگي بخصوص ماده اغلب بيش از مجموع اجزاء تكي مي باشد.

هر دو روش پيچيده و ساده براي ساختن ساختارهاي نانو كامپوزيت وجود دارد يك سيستم عملي نانو كامپوزيت دو فازي، مثل كاتاليزرهاي پشتيبان مورد استفاده در كاتاليزر محرك (ذرات نانوي فلزي جاي گرفته روي پشتيبان هاي سراميكي)، مي توانند بسادگي با بخار دادن فلز روي لايه و يا پراكنده كردن توسط حلال شيميايي آماده شوند. از طرف ديگر، ماده اي مثل استخوان كه داراي ساختاري سلسله مراتبي با فازهاي پليمري و سراميكي مركب مي باشد، با تكنيكهاي تركيبي حاضر, به سختي مي تواند تكثير شود. جدا از ويژگي هاي اجزاء تكي در يك نانو كامپوزيت، اشتراك اجزاءبا يكديگر در بهبود يا محدود كردن خواص كلي يك سيستم نقش مهمي بر عهده دارند.

با توجه به فصل مشترك زياد و وسيع ساختارهاي نانو, نانو كامپوزيت ها ارائه كننده فصل مشترك هاي زيادي بين فازهاي ادغام شده تشكيل دهنده مي باشند. خواص ويژه نانو كامپوزيت ها اغلب از اثر متقابل و تداخل فازهاي آن در فصل مشترك ها حاصل مي شوند. يك مثال عالي براي اين مطلب, رفتار مكانيكي كامپوزيت هاي پليمري پر شده با نانوتيوپ ها مي باشد. هر چند افزودن نانوتيوپ ها مي تواند امكان استحكام پذيري پليمرها را افزايش دهد، يك فصل مشترك بـدون تـداخل فازها فقط براي بوجود آوردن مناطق ضعيف در كامپوزيت كارائي دارد و هيچ بهبودي در خواص مكانيكي آن بوجود نخواهد آمد. برخلاف مواد نانو كامپوزيت, فصل مشترك ها در كامپوزيت هاي موسوم, تشكيل دهنده يك شكستگي بسيار كوچكتر در فلزات بالك مي باشد.

ذكر اين نكته حائز اهميت است كه تحقيقات در مورد كاربرد و روشهاي توليد نانو كامپوزيت ها در طول دهه اخير در بسياري از كشورهاي دنيا و در كشور ايران گسترش يافت و در دنياي پيشرفته كنوني باعث تكامل صنايع مختلف نظير صنعت هوا و فضا ،صنايع خودرو سازي و صنايع پزشكي و … گريده است اين پروژه در حال حاضر مروري بر سيستم هاي نانو كامپوزيت و نحوه فرايند توليد و خصوصيات و كاربردهاي آنها دارد.

 كامپوزيت

محرك پيشرفت علم كامپوزيت را مي توان بدست آوردن خواص جديد براي رفع نيازهاي علوم جديد با توجه به تركيب مواد دانست. كامپوزيت ماده اي است مشتكل از چندين جزء كه به صورت محكم به هم چسبيده باشد. اين تعريف بسيار گسترده است و شامل بسياري از مواد نظير چوب، بدن انسان و … مي شود. اما در صنايع و علم جديد كامپوزيت داراي تعريف محدودي مي باشد. كامپوزيت ماده اي است مشتكل ازاجزاي اوليه كه به صورت فيزيكي به هم مخلوط شده اند و خواص بدست آمده از اين اختلاط درتك تك اجزا به صورت جدا مشاهده نمي شود. اين تعريف كامپوزيت را از مواد چند فازي كه از تركيب چند فاز و استحاله هاي فازي به وجود آمده است (كامپوزيت درجا) جدا مي كند [1].

اصطلاح زمينه[2] و تقويت كننده[3] در علم كامپوزيت استفاده مي شود. زمينه يك فاز نرمي است با قابليت شكل پذيري انتقال حرارت و چكش خواري خوب كه فاز سخت تقويت كننده داراي سختي بالا ضريب انبساط حرارتي كم مي باشد را در خود جاي داده است. فاز تقويت كننده مي تواند پيوسته يا ناپيوسته باشد. كامپوزيت ها با توجه به فاز زمينه كه مي تواند پليمر، سراميك، فلز باشد و همچنين فاز تقويت كننده كه شامل طبيعت شيميايي آنها (اكسيدها، كاربيدها و نيتريدها) و نوع شكل آنها (الياف پيوسته، الياف كوتاه و ويسكرز كروي) و جهت گيري آنها و روش توليد آنها طبقه بندي مي شوند. كه اين طبقه بندي عبارتست از:

1- كامپوزيت زمينه پليمري

2- كامپوزيت زمينه فلزي

3- كامپوزيت زمينه سراميكي [1]

به دليل اينكه اين پروژه در مورد كامپوزيت زمينه فلزي است به بحث راجع اين نوع كامپوزيت  مي پردازيم.

2-2- تاريخچه توليد كامپوزيت هاي زمينه فلزي

توليدMMCs[4] به سال1940 ميلادي حين بهبود سرمت2 باز مي گردد. در گذشته اجزاي غير فلزي (سراميكي) داخل فلزات يا آلياژها را به عنوان عواملي كه باعث تخريب خواص مكانيكي از جمله استحكام و انعطاف پذيري مي شود ، مي دانستند . در اواسط دهه ي 60 نيكل پوشش داده شده توسط پودر گرافيت را به وسيله جريان گاز آرگون در مذابي از آلياژ آلومينيوم وارد كردند. اين سرآغاز توليد و بررسي كامپوزيت هاي زمينه فلزي بود و تحت نام MMC معرفي شد. در سال 1968 در انجمن تكنولوژي هندوستان در كنپور ، شخصي به وسيله ي روش به هم زدن موجبات اتصال ذرات آلومين به آلومينيوم را فراهم نمود و باعث بوجود آمدن كامپوزيت هاي آلومينيوم- آلومين گرديد. اين اختراع تحت نام روش ريخته گري به هم زدني ناميده شد[1].