zahra mohammadi
عضو جدید
[FONT=times new roman, times, serif]در بررسی خواص مواد نانوساختار مشکلات زیادی از جمله عدم امکان تهیه نمونه ی مطلوب ، وجود تخلخل و میکروترک ، تنش های داخلی شدید ، وجود ناخالصی ها و گازهای حبس شده و نیز عدم امکان ارزیابی برخی کمیت ها نظیر اندازه گیری کردنش به دلیل کوچک بودن نمونه ها وجود دارد ، وجود چنین مشکلاتی باعث شده تا داده های آزمایشگاهی برای این گروه از مواد محدود باشد . [/FONT]
http://www.www.www.iran-eng.ir/mhtml:file://C:\Users\ARYA\Desktop\نانو مواد_خواص,تولید,کاربرد -1.mht!x-usc:http://img.hexus.net/v2/news/via/nano-chip.jpg
[FONT=times new roman, times, serif]نفوذ در مواد نانوساختار [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]همانگونه که ذکر شد ، مواد نانوساختار دارای درصد حجمی بالائی از مرز دانه هستند . این امر باعث می شود که انتقال اتمی و نفوذ در مواد نانوساختار از آنچه در مواد تک کریستال و یا مواد با دانه های بزرگ تر اتفاق می افتد ، سریع تر باشد چرا که در جامدات نانوساختار ، فصل مشترک دانه ها مسیرهای بیشتری برای نفوذ اتم ها فراهم می کنند . به عبارت دیگر وجود این فصل مشترک های بین دانه ای زیاد باعث می شود که تقریباً درهمه ی دما ها نفوذ از طریق مرز دانه ها ف مکانیزم غالب باشد . این در حالی است که در مواد پلی کریستال معمولی د ردماهای بیش از نصف نقطه ذوب ، نفوذ از داخل دانه ها ( نفوذ حجمی ) ، مکانیزم غالب در نفوذ است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]- افزایش حد حلالیت در حالت جامد ، به عنوان مثال حد حلالیت بیسموت در مس معمولی حدود 10-4 در صد اتمی است د رحالی که این مقدار برای مس نانو ساختار حدود 4 در صد اتمی است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]- - تشکیل ترکیبات بین فلزی در دماهای بسیار کمتر ، در واقع چون سرعت نفوذ عناصر در هم افزایش یافته ، تشکیل چنین ترکیبات بین فلزی سریع تر و در دماهای کمتری نسبت به حالت معمولی رخ خواهد داد .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]- افزایش قابلیت سینتر شدن پودرهای نانو ، به دلیل افزایش نسبت سطح به حجم ذرات ، قابلیت نفوذ و سینتر شدن پودرها افزایش می یابد . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]لازم به ذکر است اگر مواد نانوساختار از طریق سینترینگ یا تف جوشی نانوذرات تولید شده باشند ، دارای تخلخل هایی با ابعاد نانومتر نیز هستند . بنابراین در این دسته از مواد ، تخلخل و حرکت مرز دانه ها از دیگر پدیده های مهم نفوذی هستند . در واقع تخلخل های احتمالی موجود در مواد نانوساختار باعث افزایش فصل مشترک ساختارها شده و در نهایت منجر به افزایش میزان نفوذ در این مواد خواهد شد .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]در ادامه توضیح داده خواهد شد که نفوذ در مواد به ساختار فصل مشترک ساختارها بستگی دارد . اما قبل از آن و برای درک بیشتر چگونگی نفوذ در جامدات نانوساختار به مطالعه ساختار فصل مشترک ساختارها پرداخته می شود . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]الف – معمولاً بررسی رفتار نفوذی مواد نانو ساختار در دماهای پایین انجام می گیرد . در این دماها نفوذ درون دانه بسیار کند صورت می گیرد و عمدتاً نفوذ در حضور تخلخل های نانومتری به همراه مهاجرت فصل مشترک ساختار اتفاق می افتد . در واقع به علت درصد حجمی بالای مرز دانه ها ، انرژی داخلی این مواد بالا ست که این امر منجر به رشد دانه ها در این مواد خواهد شد . این پدیده به وسیله مهاجرت فصل مشترک دانه ها اتفاق می افتد .در اثر مهاجرت فصل مشترک دانه ها ، اتم های نفوذ کننده در فصل مشترک از مسیر های نفوذ خارج شده و درون دانه ها ثابت نگه داشته می شوند ( نفوذ در حجم دانه ها ناچیز است ). بنابراین معادلات نفوذی در مواد نانو ساختار ( معادله 3-2 ) با مشابه در مواد معمولی ( معادله 3-1 ) متفاوت خواهد بود *[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif] در این معادله c میزان غلظت است که معمولا ً برحسب تعداد اتم ها در واحد حجم بیان می شود ؛ t و x عمق و زمان نفوذ هستند و * ضریب نفوذ در فصل مشترک ساختار ها ست .*[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]دراین معادله * سرعت حرکت فصل مشترک ساختار هاست که ثابت فرض می شود و * زمان نفوذ است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif][/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]ب – نفوذ در فلزات نانو ساختار [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]در این قسمت نفوذ در فلزات نانو ساختار با متراکم ( بدون حضور تخلخل ) مورد بحث قرار می گیرد . تحقیقات انجام گرفته در مورد پالادیم نانو ساختار نشان می دهد که چگالی تئوری به وسیله فشردن نانو ذرات پالادیوم با فشاری معادل 4 گیگا پاسکال و در دمای 380 درجه سانتیگراد تحت شرایط خلا بدست می آید . در این ماده تقریبا تخلخلی وجود ندارد .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]برای مطالعه نفوذ در پالادیوم نانو ساختار بدون تخلخل ، از آهن به عنوان عنصر ردیاب استفاده شده است . نتایج بررسی ها نشان می دهد که در دماهای کمی بالاتر از دمای اتاق ، اهن خیلی سریع در پالادیوم نفوذ می کند . بنابراین انتقال اتمی و نفوذ آهن بیشتر در فصل مشترک دانه های پالادیوم رخ می دهد .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]ادامه فرآیند نفوذ و رشد دانه باعث مهاجرت و حرکت فصل مشترک دانه شده که با گذشت زمان از میزان فعل و انفعالات فصل مشترک کاسته شده و در نهایت منجر به کاهش سرعت نفوذ عنصر ردیاب می شود . علت مهاجرت فصل مشترک دانه ها در پالادیوم نانو ساختار به خاطر این است که طی این عمل فصل مشترک های با ساختار غیر تعادلی به ساختار تعادلی نزدیک می شوند. به بیان دیگر همانگونه که قبلا ً ذکر شد فصل مشترک دانه ها با مهاجرت خودشان باعث رشد دانه ها و کاهش مساحت مرز دانه ها در ماده و نهایتا کاهش انرژی داخلی آن می شوند . بنابراین در اثر مهاجرت فصل مشترک دانه ها میزان فضاهای خالی موجود در مرز دانه ها و همچنین کرنش داخلی ماده نانو ساختار کاهش خواهد یافت (4و3) . البته لازم به ذکر است که نفوذ شیمیایی و تشکیل ترکیبات بین فلزی و همچنین تشکیل اکسید های فلزی در مرز دانه هامی تواند عمل نفوذ را مختل نماید . به عنوان نمونه رفتار نفوذی بیسموت در مس بسیار جالب است . بیسموت در مس نانو ساختار نا محلول است . بنابراین تمایل زیادی به تجمع در فصل مشترک دانه ها دارد . بنابراین افزایش مقدار بیسموت در مس نانو ساختار می تواند منجر به کاهش انرژی مرز دانه های مس نانوساختار شود. با کمی دقت در این مثال در می یابیم که می توان با اضافه کردن برخی عناصر جلوی رشد ساختاری مواد نانو ساختاری مواد نانو ساختار را گرفت ، و این مواد را به حالت پایدار رساند . چنین پایدارسازی در مورد سرب حاوی زیر کنیم نیز قابل مشاهده است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]ج – نفوذ در سرامیک نانو ساختار نفوذ بین فازی بسیار مهم است چرا که این امر در افزایش نرخ سینترینگ و بهبود خواص شکل پذیری سرامیک ها اثرات چشم گیری دارد . به عبارت دیگر با افزایش میزان نفوذ فازهای موجود در سرامیک های نانو ساختار ، سرعت تف جوشی این مواد افزایش یافته و همچنین با افزایش ضریب نفوذ در این مواد تبدیل فازها به یکدیگر تسهیل یافته و بنابراین شکل پذیری آنها بهبود خواهد یافت چرا که شکل پذیری سرامیک ها به میزان تبدیل فازهای درون سرامیک ها وابسته است . بیشتر مطالعات نفوذی در مورد سرامیک های نانو ساختار ، روی اکسید های فلزات انتقالی * و انجام گرفته است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]سرامیک های دارای ترکیب استو کیومتری انرژی فعال سازی زیادی برای نفوذ در هم دارند که ناشی از پیوند قوی بین اجزای تشکیل دهنده آنهاست . انحراف از ترکیب استو کیومتری باعث افزایش انرژی داخلی ماده و کاهش میزان انرژی فعال سازی مورد نیاز برای نفوذ در این مواد می گردد . بنابراین استو کیومتری نقش بسیار مهمی در رفتار نفوذی سرامیک های نانو ساختار دارد . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]برای درک بیشتر نقش فصل مشترک ساختار ها در رفتار نفوذی مثالی را مرور می کنیم . در این مثال از اکسیژن به عنوان ردیاب استفاده شده و طیف سنجی جرم یونی ثانویه برای اندازه گیری خواص نفوذی مورد استفاده قرار گرفته است . اکسید زیر کونیم نانو ساختار دارای چگالی نسبی حدود 97% و متوسط اندازه دانه 80 نانومتر است که توسط فشردن نانو ذرات اکسید زیر کنیم در دمای سینتر ینگ 950 تا 970 درجه سانتیگراد به مدت 2 تا 3 ساعت به دست آمده است . نمودار نفوذ اکسیژن دو فرآیند نفوذی همزمان را نشان می دهد ؛ نفوذ حجمی در دانه ها * و نوذ در فصل مشترک دانه ها * . آنالیز نمودار و داده های نفوذ این ماده نشان می دهد که نفوذ در گستره دمایی 450 تا 950 درجه سانتیگراد ، در فصل مشترک یا مرز دانه ها ، 3 تا4 برابر بیشتر از نفوذ حجمی است . افزایش عمق نفوذ اکسیژن منتج از افزایش دمای آنیل نفوذی است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]در مقایسه با نتایج به دست آمده برای اکسید زیر کنیم ، اکسید تیتانیم نیز مورد بررسی قرار گرفته است . اکسید تیتانیم مورد بررسی دارای چگالی نسبی 95% و اندازه دانه حدود 30 نانومتر است که با سینترینگ نانو پودر اکسید تیتانیم در دمای 750 درجه سانتی گراد در فشار 5/1 گیگا پاسکال به دست آمده است . در اکسید تیتانیم نانو ساختار ، نفوذ اکسیژن بسیار سریع تر از اکسید تیتانیم معمولی است و انرژی فعال سازی نفوذ بسیار کمتری از اکسید تیتانیم معمولی دارد . نفوذ اکسیژن از فصل مشترک در اکسید تیتانیم بسیار سریع تر از اکسید زیرکنیم است . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]بنابراین به طور کلی می توان گفت مکانیزم غالب نفوذ در موارد نانوساختار به خاطر درصد حجمی بالای مرز دانه ها در این مواد نفوذ از طریق مرز دانه هاست و بسیار سریع تر و بیشتر از مواد معمولی و مرسوم است . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]تولید فلزات و آلیاژهای با اندازه ی دانه در حد 50 تا 100 نانومتر باعث دستیابی به موادی بااستحکام فوق العاده زیاد خواهد شد . در واقع کوچک کردن دانه ها در مواد ابزار قدرتمندی برای تولید میکروساختارهای با خواص مکانیکی عالی شناخته شده است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]نکته مهم این است که مکانیزم تغییر شکل و خواص مکانیکی مواد نانوساختار فقط به متوسط اندازه ی دانه ها بستگی ندارد ، بلکه شدیداً به توزیع اندازه به دانه ها و ساختار مرز دانه ها وابسته است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]در رابطه با استحکام و سختی مواد ، رابطه تجری هال – پیچ (معادله 3-3 ) نشان می دهد که با کاهش اندازه دانه ها ، استحکام و سختی ماده افزایش می یابد .***[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]در این معادله * استحکام تسلیم ماده ، * تنش اصطکاکی لازم برای به حرکت درآوردن نابجایی ها Kثابت معادله و d اندازه دانه است . رابطه مشابهی نیز برای سختی مواد بر اساس رابطه هال – پچ به صورت معادله (3-4 ) وجود دارد :**[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]در این معادله H سختی ماده ، Kh ثابت هال پچ ، H0 ثابت معادله و d اندازه دانه است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]استحکام مواد به ریزشدن دانه ها تا یک اندازه ی دانه بحرانی (dc) ، افزایش می یابد . این اندازه ی بحرانی برای اکثر مواد ، بین 10 تا 15 نانومتر گزارش شده است . با ریزتر شدن اندازه ی دانه ، به اصطلاح شیب نمودار هال – پیچ منفی شده و استحکام ماده کاهش می یابد .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]به عبارت دیگر با کوچکتر شدن اندازه ی دانه ، زیر 10 نانومتر ، استحکام کاهش می یابد . در واقع بیشترین استحکام و سختی ماده زمانی است که اندازه ی دانه ای حدود 10 تا 15 نانومتر داشته باشد ، علت این رفتار هنوز مورد بحث جوامع علمی است اما می توان گفت در مواد نانوساختار با اندازه دانه ی کمتر از اندازه ی دانه ی بحرانی ، منابع تولید نابجایی عمل نمی کنند و بنابراین مکانیزم حرکت نابجایی ها و تغییر شکل ماده مختل می شود . به علاوه در گزارشاتی اعلام شده که در موادی با این اندازه دانه ، تجمع نابجایی ها دیده نمی شود . در برخی موارد گفته می شود که وقتی اندازه ی دانه از اندازه ی دانه ی بحرانی کمتر شود ، مکانیزم خزشی کوبل و یا لغزش مرز دانه ها در تغییر شکل ماده نقش موثری دارند . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]کاترل ، تنش ردیف جلوی نابجایی ها را در مرز دانه تجمع یافته بودند ، محاسبه نمود . وی دریافت طول نابجایی های تجمع یافته ، وابسته به اندازه ی دانه d است . وقتی که تنش تولید شده در اثر تجمع نابجایی ها در دانه مجاور به میزان کافی برای فعال کردن منابع فرانک – رید برسد ، تسلیم در مرز دانه اتفاق می افتد و این تسلیم د رکل ماده رخ می دهد . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]با توجه به تئوری کاترل ، در اندازه دانه های بسیار ریز (کمی بیشتر از اندازه دانه ی بحرانی ) برای رسیدن به استحکام تئوری ماده ، نیاز به تجمع تعداد زیادی نابجایی درمرز دانه هاست تا بتوان منابع فرانک رید را در دانه ی مجاور فعال نمود . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]نیه و وادس ورث ، استحکام تسلیم تعداد زیادی فلز نانو ساختار را اندازه گیری کردند تا بدین وسیله بتوانند کوچکترین اندازه ی دانه ی لازم برای قرارگیری دو نابجایی را محاسبه کنند . ( حداقل تعداد نابجایی برای ایجاد یک توده ی نابجایی دو عدد است ) . مقدار استحکام در موادی با اندازه ی دانه ی زیر این مقدار بحرانی ، با کاهش بیشتر اندازه ی دانه ، ثابت باقی می ماند و یا حتی کاهش می یابد . این همان اندازه ی دانه ی بحرانی است که به آن اشاره شد . مدل های دیگری نیز برای توضیح رفتار هال – پیچ در مواد گوناگون ارائه شده اند که از اعتبار کمتری برخوردارند .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]اثر توزیع اندازه ی دانه در استحکام فلزات نانوساختار در مقالات زیادی اشاره شده است . در تمامی این مقالات فرض شده که برای یک تنش اعمالی مشخص ، همه ی دانه هایی که از اندازه ی بحرانی بزرگتر هستند متحمل تغییرشکل پلاستیک می شوند در حالیکه دانه های کوچکتر در محدوده الاستیک باقی می مانند . نشان دهنده ی منحنی های تنش کرنش برای یک متوسط اندازه دانه ی ثابت ، با توزیع اندازه دانه ی متفاوت است . مشاهده می شود که با کمی تغییر در میزان توزیع و پراکندگی اندازه ی دانه ها ، استحکام تسلیم به اندازه 0/2 ./ . تغییر می کند .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]قبل از اینکه بتوان مقایسه ای بین اندازه گیری خواص مکانیکی فلزات نانوساختارو پیش بینی های مدل های مختلف داشت ، لازم است اطمینان نمود که داده های آزمایشگاهی به علت حضور معایب موجود در نمونه ، مخدوش نشده باشند . همانطور که در ابتدای فصل اشاره شد بیشتر روش های تولید نمونه های نانوساختار منجر به ایجاد معایب ساختاری در این مواد می شود و همانگونه که در بخش قبل ملاحظه شد میزان توزیع و پراکندگی اندازه ی دانه ها در خواص مکانیکی ماده اثر گذار است و باید در محاسبات آزمایش منظور گردد . فاکتور دیگری که آزمایش های مکانیکی را ممکن است مخدوش کند ، اندازه ی کوچک بیشتر نمونه های نانوساختار است .[/FONT]
بخش اول
http://www.www.www.iran-eng.ir/mhtml:file://C:\Users\ARYA\Desktop\نانو مواد_خواص,تولید,کاربرد -1.mht!x-usc:http://img.hexus.net/v2/news/via/nano-chip.jpg
[FONT=times new roman, times, serif]نفوذ در مواد نانوساختار [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]همانگونه که ذکر شد ، مواد نانوساختار دارای درصد حجمی بالائی از مرز دانه هستند . این امر باعث می شود که انتقال اتمی و نفوذ در مواد نانوساختار از آنچه در مواد تک کریستال و یا مواد با دانه های بزرگ تر اتفاق می افتد ، سریع تر باشد چرا که در جامدات نانوساختار ، فصل مشترک دانه ها مسیرهای بیشتری برای نفوذ اتم ها فراهم می کنند . به عبارت دیگر وجود این فصل مشترک های بین دانه ای زیاد باعث می شود که تقریباً درهمه ی دما ها نفوذ از طریق مرز دانه ها ف مکانیزم غالب باشد . این در حالی است که در مواد پلی کریستال معمولی د ردماهای بیش از نصف نقطه ذوب ، نفوذ از داخل دانه ها ( نفوذ حجمی ) ، مکانیزم غالب در نفوذ است .[/FONT]
http://www.www.www.iran-eng.ir/mhtml:file://C:\Users\ARYA\Desktop\نانو مواد_خواص,تولید,کاربرد -1.mht!http://www.nano.ir/images/news/n103-25-1.JPG
[FONT=times new roman, times, serif]افزایش ضریب نفوذ در مواد نانوساختار سبب تغییر برخی خواص مواد به شرحد زیر می شود :[/FONT][FONT=times new roman, times, serif]- افزایش حد حلالیت در حالت جامد ، به عنوان مثال حد حلالیت بیسموت در مس معمولی حدود 10-4 در صد اتمی است د رحالی که این مقدار برای مس نانو ساختار حدود 4 در صد اتمی است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]- - تشکیل ترکیبات بین فلزی در دماهای بسیار کمتر ، در واقع چون سرعت نفوذ عناصر در هم افزایش یافته ، تشکیل چنین ترکیبات بین فلزی سریع تر و در دماهای کمتری نسبت به حالت معمولی رخ خواهد داد .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]- افزایش قابلیت سینتر شدن پودرهای نانو ، به دلیل افزایش نسبت سطح به حجم ذرات ، قابلیت نفوذ و سینتر شدن پودرها افزایش می یابد . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]لازم به ذکر است اگر مواد نانوساختار از طریق سینترینگ یا تف جوشی نانوذرات تولید شده باشند ، دارای تخلخل هایی با ابعاد نانومتر نیز هستند . بنابراین در این دسته از مواد ، تخلخل و حرکت مرز دانه ها از دیگر پدیده های مهم نفوذی هستند . در واقع تخلخل های احتمالی موجود در مواد نانوساختار باعث افزایش فصل مشترک ساختارها شده و در نهایت منجر به افزایش میزان نفوذ در این مواد خواهد شد .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]در ادامه توضیح داده خواهد شد که نفوذ در مواد به ساختار فصل مشترک ساختارها بستگی دارد . اما قبل از آن و برای درک بیشتر چگونگی نفوذ در جامدات نانوساختار به مطالعه ساختار فصل مشترک ساختارها پرداخته می شود . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]الف – معمولاً بررسی رفتار نفوذی مواد نانو ساختار در دماهای پایین انجام می گیرد . در این دماها نفوذ درون دانه بسیار کند صورت می گیرد و عمدتاً نفوذ در حضور تخلخل های نانومتری به همراه مهاجرت فصل مشترک ساختار اتفاق می افتد . در واقع به علت درصد حجمی بالای مرز دانه ها ، انرژی داخلی این مواد بالا ست که این امر منجر به رشد دانه ها در این مواد خواهد شد . این پدیده به وسیله مهاجرت فصل مشترک دانه ها اتفاق می افتد .در اثر مهاجرت فصل مشترک دانه ها ، اتم های نفوذ کننده در فصل مشترک از مسیر های نفوذ خارج شده و درون دانه ها ثابت نگه داشته می شوند ( نفوذ در حجم دانه ها ناچیز است ). بنابراین معادلات نفوذی در مواد نانو ساختار ( معادله 3-2 ) با مشابه در مواد معمولی ( معادله 3-1 ) متفاوت خواهد بود *[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif] در این معادله c میزان غلظت است که معمولا ً برحسب تعداد اتم ها در واحد حجم بیان می شود ؛ t و x عمق و زمان نفوذ هستند و * ضریب نفوذ در فصل مشترک ساختار ها ست .*[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]دراین معادله * سرعت حرکت فصل مشترک ساختار هاست که ثابت فرض می شود و * زمان نفوذ است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif][/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]ب – نفوذ در فلزات نانو ساختار [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]در این قسمت نفوذ در فلزات نانو ساختار با متراکم ( بدون حضور تخلخل ) مورد بحث قرار می گیرد . تحقیقات انجام گرفته در مورد پالادیم نانو ساختار نشان می دهد که چگالی تئوری به وسیله فشردن نانو ذرات پالادیوم با فشاری معادل 4 گیگا پاسکال و در دمای 380 درجه سانتیگراد تحت شرایط خلا بدست می آید . در این ماده تقریبا تخلخلی وجود ندارد .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]برای مطالعه نفوذ در پالادیوم نانو ساختار بدون تخلخل ، از آهن به عنوان عنصر ردیاب استفاده شده است . نتایج بررسی ها نشان می دهد که در دماهای کمی بالاتر از دمای اتاق ، اهن خیلی سریع در پالادیوم نفوذ می کند . بنابراین انتقال اتمی و نفوذ آهن بیشتر در فصل مشترک دانه های پالادیوم رخ می دهد .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]ادامه فرآیند نفوذ و رشد دانه باعث مهاجرت و حرکت فصل مشترک دانه شده که با گذشت زمان از میزان فعل و انفعالات فصل مشترک کاسته شده و در نهایت منجر به کاهش سرعت نفوذ عنصر ردیاب می شود . علت مهاجرت فصل مشترک دانه ها در پالادیوم نانو ساختار به خاطر این است که طی این عمل فصل مشترک های با ساختار غیر تعادلی به ساختار تعادلی نزدیک می شوند. به بیان دیگر همانگونه که قبلا ً ذکر شد فصل مشترک دانه ها با مهاجرت خودشان باعث رشد دانه ها و کاهش مساحت مرز دانه ها در ماده و نهایتا کاهش انرژی داخلی آن می شوند . بنابراین در اثر مهاجرت فصل مشترک دانه ها میزان فضاهای خالی موجود در مرز دانه ها و همچنین کرنش داخلی ماده نانو ساختار کاهش خواهد یافت (4و3) . البته لازم به ذکر است که نفوذ شیمیایی و تشکیل ترکیبات بین فلزی و همچنین تشکیل اکسید های فلزی در مرز دانه هامی تواند عمل نفوذ را مختل نماید . به عنوان نمونه رفتار نفوذی بیسموت در مس بسیار جالب است . بیسموت در مس نانو ساختار نا محلول است . بنابراین تمایل زیادی به تجمع در فصل مشترک دانه ها دارد . بنابراین افزایش مقدار بیسموت در مس نانو ساختار می تواند منجر به کاهش انرژی مرز دانه های مس نانوساختار شود. با کمی دقت در این مثال در می یابیم که می توان با اضافه کردن برخی عناصر جلوی رشد ساختاری مواد نانو ساختاری مواد نانو ساختار را گرفت ، و این مواد را به حالت پایدار رساند . چنین پایدارسازی در مورد سرب حاوی زیر کنیم نیز قابل مشاهده است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]ج – نفوذ در سرامیک نانو ساختار نفوذ بین فازی بسیار مهم است چرا که این امر در افزایش نرخ سینترینگ و بهبود خواص شکل پذیری سرامیک ها اثرات چشم گیری دارد . به عبارت دیگر با افزایش میزان نفوذ فازهای موجود در سرامیک های نانو ساختار ، سرعت تف جوشی این مواد افزایش یافته و همچنین با افزایش ضریب نفوذ در این مواد تبدیل فازها به یکدیگر تسهیل یافته و بنابراین شکل پذیری آنها بهبود خواهد یافت چرا که شکل پذیری سرامیک ها به میزان تبدیل فازهای درون سرامیک ها وابسته است . بیشتر مطالعات نفوذی در مورد سرامیک های نانو ساختار ، روی اکسید های فلزات انتقالی * و انجام گرفته است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]سرامیک های دارای ترکیب استو کیومتری انرژی فعال سازی زیادی برای نفوذ در هم دارند که ناشی از پیوند قوی بین اجزای تشکیل دهنده آنهاست . انحراف از ترکیب استو کیومتری باعث افزایش انرژی داخلی ماده و کاهش میزان انرژی فعال سازی مورد نیاز برای نفوذ در این مواد می گردد . بنابراین استو کیومتری نقش بسیار مهمی در رفتار نفوذی سرامیک های نانو ساختار دارد . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]برای درک بیشتر نقش فصل مشترک ساختار ها در رفتار نفوذی مثالی را مرور می کنیم . در این مثال از اکسیژن به عنوان ردیاب استفاده شده و طیف سنجی جرم یونی ثانویه برای اندازه گیری خواص نفوذی مورد استفاده قرار گرفته است . اکسید زیر کونیم نانو ساختار دارای چگالی نسبی حدود 97% و متوسط اندازه دانه 80 نانومتر است که توسط فشردن نانو ذرات اکسید زیر کنیم در دمای سینتر ینگ 950 تا 970 درجه سانتیگراد به مدت 2 تا 3 ساعت به دست آمده است . نمودار نفوذ اکسیژن دو فرآیند نفوذی همزمان را نشان می دهد ؛ نفوذ حجمی در دانه ها * و نوذ در فصل مشترک دانه ها * . آنالیز نمودار و داده های نفوذ این ماده نشان می دهد که نفوذ در گستره دمایی 450 تا 950 درجه سانتیگراد ، در فصل مشترک یا مرز دانه ها ، 3 تا4 برابر بیشتر از نفوذ حجمی است . افزایش عمق نفوذ اکسیژن منتج از افزایش دمای آنیل نفوذی است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]در مقایسه با نتایج به دست آمده برای اکسید زیر کنیم ، اکسید تیتانیم نیز مورد بررسی قرار گرفته است . اکسید تیتانیم مورد بررسی دارای چگالی نسبی 95% و اندازه دانه حدود 30 نانومتر است که با سینترینگ نانو پودر اکسید تیتانیم در دمای 750 درجه سانتی گراد در فشار 5/1 گیگا پاسکال به دست آمده است . در اکسید تیتانیم نانو ساختار ، نفوذ اکسیژن بسیار سریع تر از اکسید تیتانیم معمولی است و انرژی فعال سازی نفوذ بسیار کمتری از اکسید تیتانیم معمولی دارد . نفوذ اکسیژن از فصل مشترک در اکسید تیتانیم بسیار سریع تر از اکسید زیرکنیم است . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]بنابراین به طور کلی می توان گفت مکانیزم غالب نفوذ در موارد نانوساختار به خاطر درصد حجمی بالای مرز دانه ها در این مواد نفوذ از طریق مرز دانه هاست و بسیار سریع تر و بیشتر از مواد معمولی و مرسوم است . [/FONT]
http://www.www.www.iran-eng.ir/mhtml:file://C:\Users\ARYA\Desktop\نانو مواد_خواص,تولید,کاربرد -1.mht!http://images.iop.org/objects/nano/news/7/10/12/071012-1.jpg
[FONT=times new roman, times, serif]خواص مکانیکی مواد نانوساختار [/FONT][FONT=times new roman, times, serif]تولید فلزات و آلیاژهای با اندازه ی دانه در حد 50 تا 100 نانومتر باعث دستیابی به موادی بااستحکام فوق العاده زیاد خواهد شد . در واقع کوچک کردن دانه ها در مواد ابزار قدرتمندی برای تولید میکروساختارهای با خواص مکانیکی عالی شناخته شده است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]نکته مهم این است که مکانیزم تغییر شکل و خواص مکانیکی مواد نانوساختار فقط به متوسط اندازه ی دانه ها بستگی ندارد ، بلکه شدیداً به توزیع اندازه به دانه ها و ساختار مرز دانه ها وابسته است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]در رابطه با استحکام و سختی مواد ، رابطه تجری هال – پیچ (معادله 3-3 ) نشان می دهد که با کاهش اندازه دانه ها ، استحکام و سختی ماده افزایش می یابد .***[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]در این معادله * استحکام تسلیم ماده ، * تنش اصطکاکی لازم برای به حرکت درآوردن نابجایی ها Kثابت معادله و d اندازه دانه است . رابطه مشابهی نیز برای سختی مواد بر اساس رابطه هال – پچ به صورت معادله (3-4 ) وجود دارد :**[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]در این معادله H سختی ماده ، Kh ثابت هال پچ ، H0 ثابت معادله و d اندازه دانه است .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]استحکام مواد به ریزشدن دانه ها تا یک اندازه ی دانه بحرانی (dc) ، افزایش می یابد . این اندازه ی بحرانی برای اکثر مواد ، بین 10 تا 15 نانومتر گزارش شده است . با ریزتر شدن اندازه ی دانه ، به اصطلاح شیب نمودار هال – پیچ منفی شده و استحکام ماده کاهش می یابد .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]به عبارت دیگر با کوچکتر شدن اندازه ی دانه ، زیر 10 نانومتر ، استحکام کاهش می یابد . در واقع بیشترین استحکام و سختی ماده زمانی است که اندازه ی دانه ای حدود 10 تا 15 نانومتر داشته باشد ، علت این رفتار هنوز مورد بحث جوامع علمی است اما می توان گفت در مواد نانوساختار با اندازه دانه ی کمتر از اندازه ی دانه ی بحرانی ، منابع تولید نابجایی عمل نمی کنند و بنابراین مکانیزم حرکت نابجایی ها و تغییر شکل ماده مختل می شود . به علاوه در گزارشاتی اعلام شده که در موادی با این اندازه دانه ، تجمع نابجایی ها دیده نمی شود . در برخی موارد گفته می شود که وقتی اندازه ی دانه از اندازه ی دانه ی بحرانی کمتر شود ، مکانیزم خزشی کوبل و یا لغزش مرز دانه ها در تغییر شکل ماده نقش موثری دارند . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]کاترل ، تنش ردیف جلوی نابجایی ها را در مرز دانه تجمع یافته بودند ، محاسبه نمود . وی دریافت طول نابجایی های تجمع یافته ، وابسته به اندازه ی دانه d است . وقتی که تنش تولید شده در اثر تجمع نابجایی ها در دانه مجاور به میزان کافی برای فعال کردن منابع فرانک – رید برسد ، تسلیم در مرز دانه اتفاق می افتد و این تسلیم د رکل ماده رخ می دهد . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]با توجه به تئوری کاترل ، در اندازه دانه های بسیار ریز (کمی بیشتر از اندازه دانه ی بحرانی ) برای رسیدن به استحکام تئوری ماده ، نیاز به تجمع تعداد زیادی نابجایی درمرز دانه هاست تا بتوان منابع فرانک رید را در دانه ی مجاور فعال نمود . [/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]نیه و وادس ورث ، استحکام تسلیم تعداد زیادی فلز نانو ساختار را اندازه گیری کردند تا بدین وسیله بتوانند کوچکترین اندازه ی دانه ی لازم برای قرارگیری دو نابجایی را محاسبه کنند . ( حداقل تعداد نابجایی برای ایجاد یک توده ی نابجایی دو عدد است ) . مقدار استحکام در موادی با اندازه ی دانه ی زیر این مقدار بحرانی ، با کاهش بیشتر اندازه ی دانه ، ثابت باقی می ماند و یا حتی کاهش می یابد . این همان اندازه ی دانه ی بحرانی است که به آن اشاره شد . مدل های دیگری نیز برای توضیح رفتار هال – پیچ در مواد گوناگون ارائه شده اند که از اعتبار کمتری برخوردارند .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]اثر توزیع اندازه ی دانه در استحکام فلزات نانوساختار در مقالات زیادی اشاره شده است . در تمامی این مقالات فرض شده که برای یک تنش اعمالی مشخص ، همه ی دانه هایی که از اندازه ی بحرانی بزرگتر هستند متحمل تغییرشکل پلاستیک می شوند در حالیکه دانه های کوچکتر در محدوده الاستیک باقی می مانند . نشان دهنده ی منحنی های تنش کرنش برای یک متوسط اندازه دانه ی ثابت ، با توزیع اندازه دانه ی متفاوت است . مشاهده می شود که با کمی تغییر در میزان توزیع و پراکندگی اندازه ی دانه ها ، استحکام تسلیم به اندازه 0/2 ./ . تغییر می کند .[/FONT]
[FONT=times new roman, times, serif]قبل از اینکه بتوان مقایسه ای بین اندازه گیری خواص مکانیکی فلزات نانوساختارو پیش بینی های مدل های مختلف داشت ، لازم است اطمینان نمود که داده های آزمایشگاهی به علت حضور معایب موجود در نمونه ، مخدوش نشده باشند . همانطور که در ابتدای فصل اشاره شد بیشتر روش های تولید نمونه های نانوساختار منجر به ایجاد معایب ساختاری در این مواد می شود و همانگونه که در بخش قبل ملاحظه شد میزان توزیع و پراکندگی اندازه ی دانه ها در خواص مکانیکی ماده اثر گذار است و باید در محاسبات آزمایش منظور گردد . فاکتور دیگری که آزمایش های مکانیکی را ممکن است مخدوش کند ، اندازه ی کوچک بیشتر نمونه های نانوساختار است .[/FONT]
بخش اول
