کامپوزيت ترکيبي است از چند مادة متمايز، به طوري که اجزاي آن به‌آساني قابل تشخيص از يکديگر باشند. يکي از کامپوزيت‌هاي آشنا بتُن است که از دو جزء سيمان و ماسه ساخته مي‌شود.
براي تغيير دادن و بهينه کردن خواص فيزيکي و شيميايي مواد، آنها را کامپوز يا ترکيب مي‌کنيم. به طور مثال، پُلي اتيلن{1} که در ساخت چمن‌هاي مصنوعي از آن استفاده مي‌شود، رنگ‌پذير نيست و بنابراين، رنگ اين چمن‌ها اغلب مات به نظر مي‌رسد. براي رفع اين عيب، به اين پليمر وينيل استات مي‌افزايند تا خواص پلاستيکي، انعطافي و رنگ‌پذيري آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ايجاد کامپوزيت، به دست آوردن ماده‌اي ترکيبي با خواص دلخواه است.
نانوکامپوزيت، همان کامپوزيت در مقياس نانومتر (9-10) است. نانوکامپوزيت‌ها در دو فاز تشکيل مي‌شوند. در فاز اول ساختاري بلوري در ابعاد نانو ساخته مي‌شود که زمينه يا ماتريس کامپوزيت به شمار مي‌رود. اين زمينه ممکن است از جنس پليمر، فلز يا سراميک باشد. در فاز دوم ذراتي در مقياس نانو به عنوان تقويت‌کننده{2} براي استحکام، مقاومت، هدايت الکتريکي و... به فاز اول يا ماتريس افزوده مي‌شود.
بسته به اينکه زمينة نانوکامپوزيت از چه ماده‌اي تشکيل شده باشد، آن را به سه دستة پُليمري، فلزي و سراميکي تقسيم مي‌کنند. کامپوزيت‌هاي پليمري به علت خواصي مانند استحکام، سفتي و پايداري حرارتي و ابعادي، چندين سال است که در ساخت هواپيماها به کار مي‌روند. با رشد نانوتکنولوژي، کامپوزيت‌هاي پليمري بيش از پيش به کار گرفته خواهند شد.
تقويت پليمرها با استفاده از مواد آلي يا معدني بسيار مرسوم است. از نظر ساختاري، ذرات و الياف معمولاً باعث ايجاد استحکام ذاتي مي‌شوند و ماتريس پليمري مي‌تواند با چسبيدن به مواد معدني، نيروهاي اعمال‌شده به کامپوزيت را به نحو يکنواختي به پُرکن يا تقويت‌کننده منتقل کند. در اين حالت، خصوصياتي چون سختي، شفافيت و تخلخلِ مادة درون کامپوزيت تغيير مي‌کند. ماتريس پليمري همچنين مي‌تواند سطحِ پُرکن را از آسيب دور نمايد و ذرات را طوري جدا از هم نگه دارد که رشد تَرَک به تأخير افتد. گذشته از تمام اين خصوصيات فيزيکي، اجزاي مواد نانوکامپوزيتي مي‌توانند بر اثر تعامل بين سطح ماتريس و ذرات پُرکن، ترکيبي از خواصّ هر دو جزء را داشته باشند و بهتر عمل کنند.
کامپوزيت‌هايي که بستر فلزي دارند، کم‌وزن و سبک‌اند و به علت استحکام و سختيِ بالا، کاربردهاي وسيعي در صنايع خودرو و هوا ـ فضا پيدا کرده‌اند. اما اين کاربردها به لحاظ ضعف در قابليت کشيده شدن در چنين کامپوزيت‌هايي، محدود شده‌اند. تبديل کامپوزيت به نانوکامپوزيت سبب افزايش بازده استحکامي و رفع ضعفِ بالا مي‌شود.
نانوکامپوزيت هاي نانوذره‌اي
در اين کامپوزيت‌ها از نانوذراتي همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقويت‌کننده استفاده مي‌شود. براي مثال، در نانوکامپوزيت‌هاي پليمري، از مقادير کمّيِ (کمتر از 10درصدِ وزني) ذرات نانومتري استفاده مي‌شود. اين ذرات علاوه بر افزايش استحکام پليمرها، وزن آنها را نيز کاهش مي‌دهند. مهمترين کامپوزيت‌هاي نانوذره‌اي، سبک‌ترين آنها هستند.
نانوکامپوزيت‌هاي نانولولهاي
نانولوله‌هاي کربني در دو گروه طبقه‌بندي مي‌شوند: نانولوله‌هاي تک‌ديواره و نانولوله‌هاي چندديواره. در اين نوع از کامپوزيت‌ها، اين دو گروه از نانولوله‌ها در بستري کامپوزيتي توزيع مي‌شوند. در صورتي که قيمت نانوله‌ها پايين بيايد و موانع اختلاط آنها رفع شود، کامپوزيت‌هاي نانولولهاي موجب رسانايي و استحکام فوق‌العاده‌اي در پليمرها مي‌شوند و کاربردهاي حيرت‌انگيزي همچون آسانسور فضايي براي آن قابل تصور است.
تحقيقات در زمينة توزيع نانولوله‌هاي کربني در پليمرها بسيار جديد هستند. علاقه به نانولوله‌هاي تک‌ديواره و تلاش براي جايگزين کردن آنها در صنعت، به علت خصوصيات عاليِ مکانيکي و رسانايي الکتريکي آنها است. (رسانندگي الکتريکي اين نانولوله¬ها در حد فلزات است.)
اما در دسترس بودن و تجاري بودن نانولوله‌هاي چندديواره، باعث شده است که پيشرفت بيشتري در اين زمينه صورت بگيرد. تا حدي که اکنون مي‌توان از محصولاتي نام برد که در آستانة تجاري شدنِ توليد هستند. براي نمونه، نانولوله‌هاي کربنيِ چندديواره در پودرهاي رنگ به کار رفته‌اند.
استفاده از اين نانولوله‌ها باعث مي‌شود که رسانايي الکتريکي در مقدار کمي از فاز تقويت‌کننده به دست آيد. از نظر نظامي نيز فراهم کردن هدايت الکتريکي فرصت‌هاي انقلابي به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از پوسته‌هاي الکتريکي ـ مغناطيسي گرفته تا کامپوزيت‌هاي رساناي گرما و لباس‌هاي سربازان آينده!
براي تغيير دادن و بهينه کردن خواص فيزيکي و شيميايي مواد، آنها را کامپوز يا ترکيب مي‌کنيم. به طور مثال، پُلي اتيلن{1} که در ساخت چمن‌هاي مصنوعي از آن استفاده مي‌شود، رنگ‌پذير نيست و بنابراين، رنگ اين چمن‌ها اغلب مات به نظر مي‌رسد. براي رفع اين عيب، به اين پليمر وينيل استات مي‌افزايند تا خواص پلاستيکي، انعطافي و رنگ‌پذيري آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ايجاد کامپوزيت، به دست آوردن ماده‌اي ترکيبي با خواص دلخواه است.
نانوکامپوزيت، همان کامپوزيت در مقياس نانومتر (9-10) است. نانوکامپوزيت‌ها در دو فاز تشکيل مي‌شوند. در فاز اول ساختاري بلوري در ابعاد نانو ساخته مي‌شود که زمينه يا ماتريس کامپوزيت به شمار مي‌رود. اين زمينه ممکن است از جنس پليمر، فلز يا سراميک باشد. در فاز دوم ذراتي در مقياس نانو به عنوان تقويت‌کننده{2} براي استحکام، مقاومت، هدايت الکتريکي و... به فاز اول يا ماتريس افزوده مي‌شود.
بسته به اينکه زمينة نانوکامپوزيت از چه ماده‌اي تشکيل شده باشد، آن را به سه دستة پُليمري، فلزي و سراميکي تقسيم مي‌کنند. کامپوزيت‌هاي پليمري به علت خواصي مانند استحکام، سفتي و پايداري حرارتي و ابعادي، چندين سال است که در ساخت هواپيماها به کار مي‌روند. با رشد نانوتکنولوژي، کامپوزيت‌هاي پليمري بيش از پيش به کار گرفته خواهند شد.
تقويت پليمرها با استفاده از مواد آلي يا معدني بسيار مرسوم است. از نظر ساختاري، ذرات و الياف معمولاً باعث ايجاد استحکام ذاتي مي‌شوند و ماتريس پليمري مي‌تواند با چسبيدن به مواد معدني، نيروهاي اعمال‌شده به کامپوزيت را به نحو يکنواختي به پُرکن يا تقويت‌کننده منتقل کند. در اين حالت، خصوصياتي چون سختي، شفافيت و تخلخلِ مادة درون کامپوزيت تغيير مي‌کند. ماتريس پليمري همچنين مي‌تواند سطحِ پُرکن را از آسيب دور نمايد و ذرات را طوري جدا از هم نگه دارد که رشد تَرَک به تأخير افتد. گذشته از تمام اين خصوصيات فيزيکي، اجزاي مواد نانوکامپوزيتي مي‌توانند بر اثر تعامل بين سطح ماتريس و ذرات پُرکن، ترکيبي از خواصّ هر دو جزء را داشته باشند و بهتر عمل کنند.
کامپوزيت‌هايي که بستر فلزي دارند، کم‌وزن و سبک‌اند و به علت استحکام و سختيِ بالا، کاربردهاي وسيعي در صنايع خودرو و هوا ـ فضا پيدا کرده‌اند. اما اين کاربردها به لحاظ ضعف در قابليت کشيده شدن در چنين کامپوزيت‌هايي، محدود شده‌اند. تبديل کامپوزيت به نانوکامپوزيت سبب افزايش بازده استحکامي و رفع ضعفِ بالا مي‌شود.
نانوکامپوزيت هاي نانوذره‌اي
در اين کامپوزيت‌ها از نانوذراتي همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقويت‌کننده استفاده مي‌شود. براي مثال، در نانوکامپوزيت‌هاي پليمري، از مقادير کمّيِ (کمتر از 10درصدِ وزني) ذرات نانومتري استفاده مي‌شود. اين ذرات علاوه بر افزايش استحکام پليمرها، وزن آنها را نيز کاهش مي‌دهند. مهمترين کامپوزيت‌هاي نانوذره‌اي، سبک‌ترين آنها هستند.
نانوکامپوزيت‌هاي نانولولهاي
نانولوله‌هاي کربني در دو گروه طبقه‌بندي مي‌شوند: نانولوله‌هاي تک‌ديواره و نانولوله‌هاي چندديواره. در اين نوع از کامپوزيت‌ها، اين دو گروه از نانولوله‌ها در بستري کامپوزيتي توزيع مي‌شوند. در صورتي که قيمت نانوله‌ها پايين بيايد و موانع اختلاط آنها رفع شود، کامپوزيت‌هاي نانولولهاي موجب رسانايي و استحکام فوق‌العاده‌اي در پليمرها مي‌شوند و کاربردهاي حيرت‌انگيزي همچون آسانسور فضايي براي آن قابل تصور است.
تحقيقات در زمينة توزيع نانولوله‌هاي کربني در پليمرها بسيار جديد هستند. علاقه به نانولوله‌هاي تک‌ديواره و تلاش براي جايگزين کردن آنها در صنعت، به علت خصوصيات عاليِ مکانيکي و رسانايي الکتريکي آنها است. (رسانندگي الکتريکي اين نانولوله¬ها در حد فلزات است.)
اما در دسترس بودن و تجاري بودن نانولوله‌هاي چندديواره، باعث شده است که پيشرفت بيشتري در اين زمينه صورت بگيرد. تا حدي که اکنون مي‌توان از محصولاتي نام برد که در آستانة تجاري شدنِ توليد هستند. براي نمونه، نانولوله‌هاي کربنيِ چندديواره در پودرهاي رنگ به کار رفته‌اند.
استفاده از اين نانولوله‌ها باعث مي‌شود که رسانايي الکتريکي در مقدار کمي از فاز تقويت‌کننده به دست آيد. از نظر نظامي نيز فراهم کردن هدايت الکتريکي فرصت‌هاي انقلابي به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از پوسته‌هاي الکتريکي ـ مغناطيسي گرفته تا کامپوزيت‌هاي رساناي گرما و لباس‌هاي سربازان آينده!
