zahra mohammadi
عضو جدید
کامپوزیت ترکیبی است که از لحاظ ماکروسکوپی از چند ماده متمایز ساخته شده باشد، بهطوری که این اجزاء به آسانی از یکدیگر قابل تشخیص باشند. به طور نمونه، یکی ازکامپوزیت های آشنا بتن است که از دو جزء سیمان و ماسه ساخته شده است.
برایایجاد تغییر و بهینه کردن خواص فیزیکی و شیمیایی مواد، آن ها را ترکیب یا کامپوزیتمی کنیم. به طور مثال پلی اتیلن (PE) که در ساخت چمن های مصنوعی از آن استفاده میگردد، رنگ پذیر نیست و به همین سبب رنگ این چمن ها اغلب مات است. برای برطرف نمودناین نقص به آن وینیل استات می افزایند تا خواص پلاستیکی، نرمیت و رنگ پذیری آناصلاح شود. در واقع، هدف از ایجاد کامپوزیت، به دست آوردن ماده ای ترکیبی با خواصمورد انتظار می باشد.
نانوکامپوزیت نیز همان کامپوزیت است که یک یا چند جزءاز آن، ابعاد کمتر از 100 نانومتر دارد. نانوکامپوزیت ها از دو فاز تشکیل شده اند. فاز اول یک ساختار بلوری است که در واقع پایه یا ماتریس نانوکامپوزیت محسوب می شودو ممکن است از جنس پلیمر، فلز و یا سرامیک باشد. فاز دوم نیز ذراتی در مقیاسنانومتر می باشند که به عنوان تقویت کننده (مواد پرکننده Filler) به منظور اهدافخاص از قبیل استحکام، مقاومت، هدایت الکتریکی، خواص مغناطیسی و ... در درون فاز اول (ماده پایه) توزیع می شوند.
در بحث نانومواد، نانوکامپوزیت ها از جایگاهویژه ای برخوردار هستند. حضور ذرات و الیاف در ساختار نانوکامپوزیت ها معمولاً باعثایجاد استحکام در ماده ی پایه می شود. در واقع هنگامی که ذرات و یا الیاف درون یکماده ی پایه توزیع شوند، نیروهای اعمال شده به کامپوزیت به طور یکنواختی به ذرات یاالیاف منتقل می شود. با توزیع مواد پرکننده درون ماده پایه خصوصیاتی نظیر استحکام،سختی، خواص تربیولوژیکی و تخلخل تغییر می کند. ماده ی پایه می تواند ذرات را بهگونه ای از هم جدا نگه دارد که رشد ترک به تأخیر افتد. به علاوه اجزاء نانوکامپوزیتها بر اثر برهمکنش سطحی بین ماده ی پایه و مواد پرکننده، از خواص بهتری برخوردار میشوند. نوع و میزان برهمکنش ها نقش مهمی در خواص مختلف نانوکامپوزیت ها همچونحلالیت، خواص نوری، خواص الکتریکی و مکانیکی آن ها دارد.
. طبقه بندینانوکامپوزیت ها
انواع نانوکامپوزیت را می توان بر اساس ماده پایه آن ها بهشرح زیر طبقه بندی کرد:
1. نانوکامپوزیت های پایه پلیمری Polymer matrix nanocomposites (PMNCs)
2. نانوکامپوزیت های پایه سرامیکی Ceramic matrix nanocomposites (CMNCs)
3. نانوکامپوززیت های پایه فلزی Metal matrix nanocomposites (MMNCs)
در ادامه به بررسی خواص و کاربرد هر یک از ایننانوکامپوزیت ها پرداخته می شود.
2.1. نانوکامپوزیت های پایه پلیمری
در بین نانوکامپوزیت ها بیشترین توجه به نانوکامپوزیت های پایه پلیمریمعطوف است. یکی از دلایل گسترش نانوکامپوزیت های پلیمری، خواص بی نظیر مکانیکی،شیمیایی و فیزیکی آن است. نانوکامپوزیت های پلیمری عموماً دارای استحکام بالا، وزنکم، پایداری حرارتی بالا، رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت شیمیایی بالایی هستند. تقویت پلیمرها با استفاده از مواد آلی و معدنی بسیار مرسوم می باشد. بر خلاف تقویتکننده های مرسوم که در مقیاس میکرون می باشند، در نانوکامپوزیت ها تقویت کننده هاذراتی در ابعاد نانومتر می باشند. با افزودن درصد کمی از نانوذرات به یک پلیمرخالص، استحکام کششی، استحکام تسلیم و مدول یانگ افزایش چشمگیری می یابد. به عنوانمثال، با افزودن تنها 0.04 درصد حجمی میکا (یک نوع سیلیکات) با ابعاد 50 نانومتر بهاپوکسی (Epoxy)، مدول یانگ این ماده 58 درصد افزایش خواهد یافت.
دلیل دومتوسعه نانوکامپوزیت های پایه پلیمری و افزایش تحقیقات در این زمینه، کشف نانولولههای کربنی در سال 1991 میلادی است. استحکام و خواص الکتریکی نانولوله های کربنی بهطور قابل ملاحظه ای با نانولایه های گرافیت و دیگر مواد پرکننده تفاوت دارد. نانولوله های کربنی موجب رسانایی و استحکام فوق العاده ای در پلیمرها می شوند بهطوری که کاربردهای حیرت انگیزی همچون آسانسور فضایی را برای آن می توان متصور شد. از نظر نظامی نیز فراهم کردن هدایت الکتریکی در پلیمرها فرصت های انقلابی را بهوجود خواهد آورد. به عنوان مثال از پوسته های الکتریکی-مغناطیسی گرفته تاکامپوزیتهای رسانای گرما و لباس های سربازان آینده!
این دسته از کامپوزیت ها به دلیلخواص منحصر به فردی که دارند به طور گسترده ای در صنایع خودرو، هوا-فضا و بسته بندیمواد غذایی گسترش یافته اند. از دیگر کاربردهای نانوکامپوزیت های پلیمری پوشش هایمقاوم به سایش، پوشش های مقاوم به خوردگی، پلاستیک های رسانا، حسگرها، آسترهایمقاوم در دمای بالا و غشاهای جداسازی گازها و سیالات نفتی می باشند. به عنوان مثالمی توان به نوعی غشاء نانوکامپوزیتی ساخته شده از یک نوع پلیمر و نانولایه هایسیلیکا اشاره کرد که توسط محققان دانشگاه کارولینای شمالی ساخته شده است. این غشاءتوانایی فوق العاده ای در جداسازی مولکول های آلی از گازها دارد.
2.2. نانوکامپوزیت های پایه سرامیکی
به مواد (معمولاً جامد) ی که بخش عمده یتشکیل دهنده آن ها غیرفلزی و غیرآلی باشد، سرامیک گفته می شود. سرامیک ها خواصبسیار خوبی نظیر مقاومت حرارتی بالا، پایداری شیمیایی خوب و استحکام مکانیکی مناسبیدارند، اما به دلیل پیوندهای یونی و کووالانس موجود در سرامیک ها چقرمگی شکست آن هاپایین است و تغییر شکل پلاستیک این مواد محدود می باشد. به منظور رفع این مشکل بااضافه کردن و جداسازی الیاف و ذرات مناسب، می توان چقرمگی شکست را بالا برد. اگراین تقویت کننده ها ابعاد نانومتری داشته باشند بالاترین چقرمگی شکست به دست میآید.
به طور مثال در شکل1 نانوکامپوزیت نیترید سیلیسیم حاوی نانولوله هایکربنی چند دیواره، نشان داده شده است. برای ساخت این نانوکامپوزیت از پرسایزواستاتیک گرم استفاده می شود. از خواص مکانیکی قابل توجه این نانوکامپوزیت ها میتوان به استحکام خمشی و مدول الاستیک قابل توجه آن ها اشاره کرد.
3.2. نانوکامپوزیت های پایه فلزی
کامپوزیت های پایه فلزی،کم وزن و سبک بوده و به علت استحکام و سختی بالا کاربردهای وسیعی در صنایع خودرو وهوا-فضا پیدا کرده اند. اما این کاربردها به لحاظ کم بودن قابلیت کشش در اینکامپوزیت ها محدود شده است. تبدیل کامپوزیت به نانوکامپوزیت سبب افزایش استحکام ورفع محدودیت های مذکور می شود.
نانوکامپوزیت های پایه فلزی اصولاً مشابهروش های متالوژی پودر تولید می شوند. این نانوکامپوزیت ها کاربردهای متفاوتی دارندخصوصاً نانوکامپوزیت های پایه منیزیم که در سال های اخیر به دلیل چگالی کم، استحکامبالا، مقاومت به خزش بالا و پایداری حرارتی مناسب، گسترش چشمگیری داشته اند. نانوکامپوزیت های پایه منیزیم کاربردهای گسترده ای در صنایع هوایی و خودروسازیدارند.
نانوکامپوزیت های پایه فلزی حاوی نانولوله های کربنی نیز از اهمیتویژه ای برخوردارند. نانولوله ها می توانند سبب افزایش و یا بهبود خواصی نظیررسانایی، استحکام، مقاومت و .. در فلزات شوند.
3. نانوکامپوزیت وفردا
مهمترین تأثیر نانوکامپوزیت ها در آینده از طریق کاهش وزن خواهد بود. اخیراً کامپوزیت های نانوذره سیلیکاتی به بازار خودروها وارد شده اند. در سال 2001هم جنرال موتور و هم تویوتا شروع تولید محصول با این مواد را اعلام کردند. مزیت اینمواد استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفه جویی در سوخت را نیز به همراه خواهدداشت.
علاوه بر این نانوکامپوزیت ها به صنعت بسته بندی مواد غذایی نیز راهیافته اند تا سدی بزرگتر در برابر نفوذ گازها و کاهش فساد باشند. محققان معتقدند کهافزودن دو درصد نانوذره رس به بسته بندی، 75 درصد تبادل اکسیژن و دی اکسید کربن راکاهش می دهد که این امر به افزایش طول مدت نگهداری مواد غذایی کمک می کند. در موردضدباکتریهایی نظیر نانوذرات نقره، این نانوذرات از رشد عوامل زنده فاسده کننده موادغذایی مانند باکتریها و قارچ ها جلوگیری می کنند.
خواص تعویق آتشگیرینانوکامپوزیت های حاوی نانوذرات سیلیکا، می تواند به خوبی مصارفی در سرویس خواب،پرده ها و محصولاتی از این دست پیدا کند.
برایایجاد تغییر و بهینه کردن خواص فیزیکی و شیمیایی مواد، آن ها را ترکیب یا کامپوزیتمی کنیم. به طور مثال پلی اتیلن (PE) که در ساخت چمن های مصنوعی از آن استفاده میگردد، رنگ پذیر نیست و به همین سبب رنگ این چمن ها اغلب مات است. برای برطرف نمودناین نقص به آن وینیل استات می افزایند تا خواص پلاستیکی، نرمیت و رنگ پذیری آناصلاح شود. در واقع، هدف از ایجاد کامپوزیت، به دست آوردن ماده ای ترکیبی با خواصمورد انتظار می باشد.
نانوکامپوزیت نیز همان کامپوزیت است که یک یا چند جزءاز آن، ابعاد کمتر از 100 نانومتر دارد. نانوکامپوزیت ها از دو فاز تشکیل شده اند. فاز اول یک ساختار بلوری است که در واقع پایه یا ماتریس نانوکامپوزیت محسوب می شودو ممکن است از جنس پلیمر، فلز و یا سرامیک باشد. فاز دوم نیز ذراتی در مقیاسنانومتر می باشند که به عنوان تقویت کننده (مواد پرکننده Filler) به منظور اهدافخاص از قبیل استحکام، مقاومت، هدایت الکتریکی، خواص مغناطیسی و ... در درون فاز اول (ماده پایه) توزیع می شوند.
در بحث نانومواد، نانوکامپوزیت ها از جایگاهویژه ای برخوردار هستند. حضور ذرات و الیاف در ساختار نانوکامپوزیت ها معمولاً باعثایجاد استحکام در ماده ی پایه می شود. در واقع هنگامی که ذرات و یا الیاف درون یکماده ی پایه توزیع شوند، نیروهای اعمال شده به کامپوزیت به طور یکنواختی به ذرات یاالیاف منتقل می شود. با توزیع مواد پرکننده درون ماده پایه خصوصیاتی نظیر استحکام،سختی، خواص تربیولوژیکی و تخلخل تغییر می کند. ماده ی پایه می تواند ذرات را بهگونه ای از هم جدا نگه دارد که رشد ترک به تأخیر افتد. به علاوه اجزاء نانوکامپوزیتها بر اثر برهمکنش سطحی بین ماده ی پایه و مواد پرکننده، از خواص بهتری برخوردار میشوند. نوع و میزان برهمکنش ها نقش مهمی در خواص مختلف نانوکامپوزیت ها همچونحلالیت، خواص نوری، خواص الکتریکی و مکانیکی آن ها دارد.
. طبقه بندینانوکامپوزیت ها
انواع نانوکامپوزیت را می توان بر اساس ماده پایه آن ها بهشرح زیر طبقه بندی کرد:
1. نانوکامپوزیت های پایه پلیمری Polymer matrix nanocomposites (PMNCs)
2. نانوکامپوزیت های پایه سرامیکی Ceramic matrix nanocomposites (CMNCs)
3. نانوکامپوززیت های پایه فلزی Metal matrix nanocomposites (MMNCs)
در ادامه به بررسی خواص و کاربرد هر یک از ایننانوکامپوزیت ها پرداخته می شود.
2.1. نانوکامپوزیت های پایه پلیمری
در بین نانوکامپوزیت ها بیشترین توجه به نانوکامپوزیت های پایه پلیمریمعطوف است. یکی از دلایل گسترش نانوکامپوزیت های پلیمری، خواص بی نظیر مکانیکی،شیمیایی و فیزیکی آن است. نانوکامپوزیت های پلیمری عموماً دارای استحکام بالا، وزنکم، پایداری حرارتی بالا، رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت شیمیایی بالایی هستند. تقویت پلیمرها با استفاده از مواد آلی و معدنی بسیار مرسوم می باشد. بر خلاف تقویتکننده های مرسوم که در مقیاس میکرون می باشند، در نانوکامپوزیت ها تقویت کننده هاذراتی در ابعاد نانومتر می باشند. با افزودن درصد کمی از نانوذرات به یک پلیمرخالص، استحکام کششی، استحکام تسلیم و مدول یانگ افزایش چشمگیری می یابد. به عنوانمثال، با افزودن تنها 0.04 درصد حجمی میکا (یک نوع سیلیکات) با ابعاد 50 نانومتر بهاپوکسی (Epoxy)، مدول یانگ این ماده 58 درصد افزایش خواهد یافت.
دلیل دومتوسعه نانوکامپوزیت های پایه پلیمری و افزایش تحقیقات در این زمینه، کشف نانولولههای کربنی در سال 1991 میلادی است. استحکام و خواص الکتریکی نانولوله های کربنی بهطور قابل ملاحظه ای با نانولایه های گرافیت و دیگر مواد پرکننده تفاوت دارد. نانولوله های کربنی موجب رسانایی و استحکام فوق العاده ای در پلیمرها می شوند بهطوری که کاربردهای حیرت انگیزی همچون آسانسور فضایی را برای آن می توان متصور شد. از نظر نظامی نیز فراهم کردن هدایت الکتریکی در پلیمرها فرصت های انقلابی را بهوجود خواهد آورد. به عنوان مثال از پوسته های الکتریکی-مغناطیسی گرفته تاکامپوزیتهای رسانای گرما و لباس های سربازان آینده!
این دسته از کامپوزیت ها به دلیلخواص منحصر به فردی که دارند به طور گسترده ای در صنایع خودرو، هوا-فضا و بسته بندیمواد غذایی گسترش یافته اند. از دیگر کاربردهای نانوکامپوزیت های پلیمری پوشش هایمقاوم به سایش، پوشش های مقاوم به خوردگی، پلاستیک های رسانا، حسگرها، آسترهایمقاوم در دمای بالا و غشاهای جداسازی گازها و سیالات نفتی می باشند. به عنوان مثالمی توان به نوعی غشاء نانوکامپوزیتی ساخته شده از یک نوع پلیمر و نانولایه هایسیلیکا اشاره کرد که توسط محققان دانشگاه کارولینای شمالی ساخته شده است. این غشاءتوانایی فوق العاده ای در جداسازی مولکول های آلی از گازها دارد.
2.2. نانوکامپوزیت های پایه سرامیکی
به مواد (معمولاً جامد) ی که بخش عمده یتشکیل دهنده آن ها غیرفلزی و غیرآلی باشد، سرامیک گفته می شود. سرامیک ها خواصبسیار خوبی نظیر مقاومت حرارتی بالا، پایداری شیمیایی خوب و استحکام مکانیکی مناسبیدارند، اما به دلیل پیوندهای یونی و کووالانس موجود در سرامیک ها چقرمگی شکست آن هاپایین است و تغییر شکل پلاستیک این مواد محدود می باشد. به منظور رفع این مشکل بااضافه کردن و جداسازی الیاف و ذرات مناسب، می توان چقرمگی شکست را بالا برد. اگراین تقویت کننده ها ابعاد نانومتری داشته باشند بالاترین چقرمگی شکست به دست میآید.
به طور مثال در شکل1 نانوکامپوزیت نیترید سیلیسیم حاوی نانولوله هایکربنی چند دیواره، نشان داده شده است. برای ساخت این نانوکامپوزیت از پرسایزواستاتیک گرم استفاده می شود. از خواص مکانیکی قابل توجه این نانوکامپوزیت ها میتوان به استحکام خمشی و مدول الاستیک قابل توجه آن ها اشاره کرد.
3.2. نانوکامپوزیت های پایه فلزی
کامپوزیت های پایه فلزی،کم وزن و سبک بوده و به علت استحکام و سختی بالا کاربردهای وسیعی در صنایع خودرو وهوا-فضا پیدا کرده اند. اما این کاربردها به لحاظ کم بودن قابلیت کشش در اینکامپوزیت ها محدود شده است. تبدیل کامپوزیت به نانوکامپوزیت سبب افزایش استحکام ورفع محدودیت های مذکور می شود.
نانوکامپوزیت های پایه فلزی اصولاً مشابهروش های متالوژی پودر تولید می شوند. این نانوکامپوزیت ها کاربردهای متفاوتی دارندخصوصاً نانوکامپوزیت های پایه منیزیم که در سال های اخیر به دلیل چگالی کم، استحکامبالا، مقاومت به خزش بالا و پایداری حرارتی مناسب، گسترش چشمگیری داشته اند. نانوکامپوزیت های پایه منیزیم کاربردهای گسترده ای در صنایع هوایی و خودروسازیدارند.
نانوکامپوزیت های پایه فلزی حاوی نانولوله های کربنی نیز از اهمیتویژه ای برخوردارند. نانولوله ها می توانند سبب افزایش و یا بهبود خواصی نظیررسانایی، استحکام، مقاومت و .. در فلزات شوند.
3. نانوکامپوزیت وفردا
مهمترین تأثیر نانوکامپوزیت ها در آینده از طریق کاهش وزن خواهد بود. اخیراً کامپوزیت های نانوذره سیلیکاتی به بازار خودروها وارد شده اند. در سال 2001هم جنرال موتور و هم تویوتا شروع تولید محصول با این مواد را اعلام کردند. مزیت اینمواد استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفه جویی در سوخت را نیز به همراه خواهدداشت.
علاوه بر این نانوکامپوزیت ها به صنعت بسته بندی مواد غذایی نیز راهیافته اند تا سدی بزرگتر در برابر نفوذ گازها و کاهش فساد باشند. محققان معتقدند کهافزودن دو درصد نانوذره رس به بسته بندی، 75 درصد تبادل اکسیژن و دی اکسید کربن راکاهش می دهد که این امر به افزایش طول مدت نگهداری مواد غذایی کمک می کند. در موردضدباکتریهایی نظیر نانوذرات نقره، این نانوذرات از رشد عوامل زنده فاسده کننده موادغذایی مانند باکتریها و قارچ ها جلوگیری می کنند.
خواص تعویق آتشگیرینانوکامپوزیت های حاوی نانوذرات سیلیکا، می تواند به خوبی مصارفی در سرویس خواب،پرده ها و محصولاتی از این دست پیدا کند.
