پایان نامه بررسی فناوری نانو و تولید مواد در ابعاد نانومتری

چکیده :

فناوری نانو و تولید مواد در ابعاد نانومتری موضوع جذابی برای تحقیقات می باشد که در دهه اخیر توجه بسیاری را به خود معطوف داشته است. نانو کامپوزیت ها نیز به عنوان یکی از شاخه های این فناوری جدید ، اهمیت بسیاری یافته اند به عنوان یک تعریف ، نانوکامپوزیت ها مواد مرکبی هستند که لااقل یکی از اجزاء تشکیل دهنده آنها دارای ابعاد در محدوده ی nm100-1 می باشد  و خود شامل سه دسته پلیمری ، سرامیکی و فلزی هستند .درمواد نانو کامپوزیت به جزء پخش شونده که به صورت الیاف، صفحات مسطح ریز، ذرات  و یا حتی حفره ها و ترکها و.... در ابعاد نانو می باشند، فاز دوم یا فاز تقویت کننده و همچنین به جزء پیوسته که می تواند در ابعاد نانومتری و یا بالاتر باشد فاز زمینه می گویند.

در سال های اخیر مواد نانوکامپوزیتی به دلیل ویژگی های منحصر به فردی همانند استحکام زیاد، وزن کمتر ، کارایی بیشتر ، دوام و پایداری عالی و نیز رفتار مناسب در برابر آتش سوزی نسبت به مواد سختی نظیر بتن آلومینیوم  دارای بیشترین کاربرد در صنایع متعددی همچون صنعت هوا فضای صنعت نفت – گاز – صنایع پلاستیک ، صنعت برق و صنایع دریایی و صنعت خودروسازی می باشد.

کلمات کلیدی : نانو کامپوزیت – روش های تولید- استحکام نانوکامپوزیت  

فصل اول

مقدمه

علم مواد نانو کامپوزیت، توجه دانشمندان و مهندسان را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است. نتایج بررسی استفاده از بلوکهای ساختمانی در ابعاد نانو، طراحی و ایجاد مواد جدید با انعطاف پذیری و پیشرفتهای زیاد در خواص فیزیکی آنها را ممکن می سازد. قابلیت ارتقاء کامپوزیت ها با استفاده از بلوکهای ساختمانی با گونه های شیمیایی ناهمگن در رشته ها و بخش های مختلف علمی مطرح گردیده است. ساده­ترین مثالها از چنین طراحی­هایی، به صورت طبیعی در استخوان اتفاق می­افتد که یک نانوکامپوزیت ساخته شده از قرص های سرامیکی و چسبهای آلی می باشد. بدلیل این که اجزاء سازنده یک نانو کامپوزیت دارای ساختارها و ترکیبات مختلف و خواص مربوط به آنها می باشد، کاربردهای زیادی را ارائه می دهند. از اینرو موادی که از آنها تولید می شوند، می توانند چند کاره باشند. با الگو گرفتن از طبیعت و براساس نیازهای تکنولوژی های پدید آمده در تولید مواد جدید با کاربردهای مختلف در آن واحد برای مصارف گوناگون، دانشمندان استراتژی های ترکیبی زیادی را برای تولید نانوکامپوزیت ها بکار برده اند. این استراتژی ها دارای مزایای آشکاری در تولید مواد دانه درشت مشابه می باشند. نیروی محرکه در تولید نانو کامپوزیت­ها، این واقعیت است که آنها خواص جدیدی در مقایسه با مواد رایج ارائه می دهند.

تصمیم برای بهبود خواص و پیشرفت ویژگی های مواد از طریق ایجاد نانو کامپوزیت های چند فازی مسئله جدیدی نیست. این نظریه از زمان آغاز تمدن و بشریت و با تولید مواد برای کارآمدی بیشتر برای اهداف کاربردی مورد نظر بوده است. علاوه بر تنوع وسیع نانو کامپوزیت های یافت شده در طبیعت و موجودات (مثل استخوان) , یک مثال عالی برای کاربرد نانو کامپوزیت های ترکیبی در روزگار باستان, کشف جدید ساختمان نقاشی های مایان می باشد که در دوران مسا مریکاس[1] بوجود آمدند. توصیف حالت هنر از این نمونه های نقاشی آشکار می سازد که ساختار رنگها, متشکل از ماتریسی از خاک رس آمیخته شده با مولکولهای رنگی آلی می باشد. آنها همچنین محتوی ناخالصی های ذرات نانوی فلزی محفوظ در یک لایه سیلیکاتی بی شکل همراه با ذرات نانوی اکسیدی روی لایه می باشند. این ذرات نانو تحت عملیات حرارتی و از ناخالص بوجود می آیند (Cr , Mn , Fe) که در مواد خام مثل خاک رس موجود می باشند ولی جمع و سایز آنها خصوصیات نوری رنگ نهائی را تحت تأثیر قرار می دهد. ترکیبی از خاک رس موجود که یک سوپر لاتیک می سازد که در ارتباط با ذرات نانوی فلزات و اکسیدی پشتیبانی شده روی لایه آمورف می باشد و این رنگ را یکی از اولین مواد مرکب مشابه نانو کامپوزیت های کاربردی مدرن می سازد. نانو کامپوزیت ها را می توان ساختارهای جامدی فرض کرد که دارای خواص مکرر بعدی با اندازه نانومتری بین فازهای مختلف سازنده ساختار می باشند. این مواد متشکل از یک جامد غیرآلی (بستر یا میزبان) محتوی یک جزء آلی و یا بالعکس می باشند و یا می توانند متشکل از دو یا چند فاز آلی/ غیرآلی در چند فرم ترکیبی باشند با این محدودیت که حداقل یکی از فازها یا ترکیبات, در ابعاد نانو باشد.

مثالهایی از نانو کامپوزیت عبارتند از پوششهای متخلخل، ژل ها و ترکیبی از پلیمرها، مثل ترکیبی از فازهای با ابعاد نانو با تفاوتهای فاحش در ساختار, ترکیب و خواص می توان فازهای با ساختار نانوی موجود در نانو کامپوزیت ها را صفر بعدی (مثل خوشه های اتمی تشکیل شده)، تک بعدی (یک بعدی مثل نانوتیوپ ها) و دو بعدی (پوشش های با ضخامت نانو) و سه بعدی (شبکه های جاسازی شده) در کل مواد نانو کامپوزیت می توانند دارای خواص مکانیکی, الکتریکی, الکتریکی، نوری، الکتروشیمی، کریستالی و ساختاری باشند، نسبت به مواردی که دارای اجزاء واحد و یگانه هستند. رفتار چند کاره برای هر ویژگی بخصوص ماده اغلب بیش از مجموع اجزاء تکی می باشد.

هر دو روش پیچیده و ساده برای ساختن ساختارهای نانو کامپوزیت وجود دارد یک سیستم عملی نانو کامپوزیت دو فازی، مثل کاتالیزرهای پشتیبان مورد استفاده در کاتالیزر محرک (ذرات نانوی فلزی جای گرفته روی پشتیبان های سرامیکی)، می توانند بسادگی با بخار دادن فلز روی لایه و یا پراکنده کردن توسط حلال شیمیایی آماده شوند. از طرف دیگر، ماده ای مثل استخوان که دارای ساختاری سلسله مراتبی با فازهای پلیمری و سرامیکی مرکب می باشد، با تکنیکهای ترکیبی حاضر, به سختی می تواند تکثیر شود. جدا از ویژگی های اجزاء تکی در یک نانو کامپوزیت، اشتراک اجزاءبا یکدیگر در بهبود یا محدود کردن خواص کلی یک سیستم نقش مهمی بر عهده دارند.

با توجه به فصل مشترک زیاد و وسیع ساختارهای نانو, نانو کامپوزیت ها ارائه کننده فصل مشترک های زیادی بین فازهای ادغام شده تشکیل دهنده می باشند. خواص ویژه نانو کامپوزیت ها اغلب از اثر متقابل و تداخل فازهای آن در فصل مشترک ها حاصل می شوند. یک مثال عالی برای این مطلب, رفتار مکانیکی کامپوزیت های پلیمری پر شده با نانوتیوپ ها می باشد. هر چند افزودن نانوتیوپ ها می تواند امکان استحکام پذیری پلیمر ها را افزایش دهد، یک فصل مشترک بدون تداخل فازها فقط برای بوجود آوردن مناطق ضعیف در کامپوزیت کارائی دارد و هیچ بهبودی در خواص مکانیکی آن بوجود نخواهد آمد. برخلاف مواد نانو کامپوزیت, فصل مشترک ها در کامپوزیت های موسوم, تشکیل دهنده یک شکستگی بسیار کوچکتر در فلزات بالک می باشد.  

ذکر این نکته حائز اهمیت است که تحقیقات در مورد کاربرد و روشهای تولید نانو کامپوزیت ها در طول دهه اخیر در بسیاری از کشورهای دنیا و در کشور ایران گسترش یافت و در دنیای پیشرفته کنونی باعث تکامل صنایع مختلف نظیر صنعت هوا و فضا  ،صنایع خودرو سازی و صنایع پزشکی و ... گریده است این پروژه در حال حاضر مروری بر سیستم های نانو کامپوزیت و نحوه فرایند تولید و خصوصیات و کاربردهای آنها دارد.

فصل دوم

مروری بر منابع

1-2- کامپوزیت

محرک پیشرفت علم کامپوزیت را می توان بدست آوردن خواص جدید برای رفع نیازهای علوم جدید با توجه به ترکیب مواد دانست. کامپوزیت ماده ای است مشتکل از چندین جزء که به صورت محکم به هم چسبیده باشد. این تعریف بسیار گسترده است و شامل بسیاری از مواد نظیر چوب، بدن انسان و ... می شود. اما در صنایع و علم جدید کامپوزیت دارای تعریف محدودی می باشد. کامپوزیت ماده ای است مشتکل ازاجزای اولیه که به صورت فیزیکی به هم مخلوط شده اند و خواص بدست آمده از این اختلاط درتک تک اجزا به صورت جدا مشاهده نمی شود. این تعریف کامپوزیت را از مواد چند فازی که از ترکیب چند فاز و استحاله های فازی به وجود آمده است (کامپوزیت درجا) جدا می کند [1].

اصطلاح زمینه[2] و تقویت کننده[3] در علم کامپوزیت استفاده می شود. زمینه یک فاز نرمی است با قابلیت شکل پذیری انتقال حرارت و چکش خواری خوب که فاز سخت تقویت کننده دارای سختی بالا ضریب انبساط حرارتی کم می باشد را در خود جای داده است. فاز تقویت کننده می تواند پیوسته یا ناپیوسته باشد. کامپوزیت ها با توجه به فاز زمینه که می تواند پلیمر، سرامیک، فلز باشد و همچنین فاز تقویت کننده که شامل طبیعت شیمیایی آنها (اکسیدها، کاربیدها و نیتریدها) و نوع شکل آنها (الیاف پیوسته، الیاف کوتاه و ویسکرز کروی) و جهت گیری آنها و روش تولید آنها طبقه بندی می شوند. که این طبقه بندی عبارتست از:

1- کامپوزیت زمینه پلیمری

2- کامپوزیت زمینه فلزی

3- کامپوزیت زمینه سرامیکی [1]

به دلیل اینکه این پروژه در مورد کامپوزیت زمینه فلزی است به بحث راجع این نوع کامپوزیت           می پردازیم.

2-2- تاریخچه تولید کامپوزیت های زمینه فلزی

تولیدMMCs[4] به سال1940 میلادی حین بهبود سرمت2 باز می گردد. در گذشته اجزای غیر فلزی (سرامیکی) داخل فلزات یا آلیاژها را به عنوان عواملی که باعث تخریب خواص مکانیکی از جمله استحکام و انعطاف پذیری می شود ، می دانستند . در اواسط دهه ی 60 نیکل پوشش داده شده توسط پودر گرافیت را به وسیله جریان گاز آرگون در مذابی از آلیاژ آلومینیوم وارد کردند. این سرآغاز تولید و بررسی کامپوزیت های زمینه فلزی بود و تحت نام MMC معرفی شد. در سال 1968 در انجمن تکنولوژی هندوستان در کنپور ، شخصی به وسیله ی روش به هم زدن موجبات اتصال ذرات آلومین به آلومینیوم را فراهم نمود و باعث بوجود آمدن کامپوزیت های آلومینیوم- آلومین گردید. این اختراع تحت نام روش ریخته گری به هم زدنی نامیده شد[1].

در اوایل دهه ی هفتاد انجمن تکنولوژی ماساچوست روشی را به ثبت رساند که در آن اجزای غیر فلزی را در آلیاژهای شبه جامد در درجه حرارتی بین شالیدوس ولیکوئیدوس برای همان آلیاژ در مخلوط قرار می داد و تولیدکامپوزیت می کرد. در این پروسه تاخیر در تر شدن و دیر تر شدن ذرات باعث افزایش ویسکوزیته آلیاژ شبه جامد می شد. در دانشگاه رودکی یک ترتیب و نظمی برای فرو بردن ناخالصیها (ذرات) معرفی شد . این ترتیب و نظم به این شکل بود که ابتدا به وسیله به هم زدن، مذاب و پارتکیل ها را به صورت دوغاب در آمده و نیازی به هم زدن تا انتهای کار نباشد. در روشهای پراکنده سازی ذرات و روش آلیاژهای شبه جامد می توان متد های گوناگونی را بکار برد اما مقدار ذرات مصرفی محدود می باشد چرا که دوغاب مذاب حاوی ذرات برای ریخته گری یک حداقل سیالیت را لازم دارد. بقیه ی روشهای تولید کامپوزیت زمینه فلزی را در این بخش به طور مختصر، و در فصل روش های تلفیق به طور کامل توضیح داده می شود. مهمترین حسن این گروه حفظ خواص در دمای بالا می باشد. از دیگر مزایا می توان به استحکام کششی نهایی بالا، مقاومت به ضربه بالا، توانایی آزاد سازی تنش (بدلیل قابلیت تغییر شکل پلاستیک) و مقاومت به خوردگی بالا اشاره کرد [1].

Abstarct

The field of nanocomposites involves the study of multiphase material where at least one of the constituent phases has one dimension less than 100 nm. The romise of nanocomposites lies in their multifunctionality, the possibility of realizing unique combinations of properties unachievable with traditional materials. The challenges in reaching this promise are tremendous. They include control over the distribution in size and dispersion of the nanosize constituents, tailoring and understanding the role of interfaces between structurally or chemically dissimilar phases on bulk properties.Large scale and controlled processing of many nanomaterials has yet to be  achieved. Our mentor as we make progress down this road is mother Nature and her quintessential nanocomposite structures, for example, bone.                                                                          

We realize that a book on a subject of such wide scope is a challenging endeavour.                                           

The recent explosion of research in this area introduces another practical limitation.                                            

What is written here should be read from the perspective of a dynamic and emerging field of science and technology. Rather than covering the entire spectrum of nanocomposite science and technology, we have picked three areas that provide the basic concepts and generic examples that define the overall nature of the field. In the first chapter we discuss nanocomposites based on inorganic materials and their applications. In the second chapter polymer based nanoparticle filled composites are detailed with an emphasis on interface engineering to obtain nanocomposites with optimum performance.                                                                     

The third chapter is about naturally occurring systems of nanocomposites and current steps towards naturally inspired synthetic nanocomposites. Finally a short chapter contributed by our colleagues highlights the possibility of using theoretical models and simulations for understanding nanocomposite properties. We hope our readers will find the book of value to further their research interests in this fascinating and fast evolving area of nanocomposites.                                                                                                                                         

Key words : Nanocomposites , Multifunctionality , Nanoparticle .