تست عنوان
close
باشگاه نانو | آموزش | 0780
EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
0780
filereader.php?p1=main_a7f74322de86ec382

موضوع: نانو مواد و نانو ساختارها

فصل: نانوکامپوزیت‌ها


بخش‌ اول:کامپوزیت ها
بخش دوم: نانوکامپوزیت‌ها
بخش سوم: روش‌های تولید نانوکامپوزیت‌های زمینه پلیمری
بخش چهارم: کاربرد نانوکامپوزیت‌ها



بخش‌اول: کامپوزیت‌ها


نویسنده: حسین فلاح دوست، محسن افسری ولایتی



مقدمه

تصور جهان پیشرفته کنونی بدون وجود مواد پلیمری مشکل است. امروزه این مواد جزیی از زندگی ما شده‌اند و در ساخت اشیای مختلف، از وسایل زندگی و مورد مصرف عمومی تا ابزار دقیق و پیچیده پزشکی و علمی بکار می روند. کلمه پلیمر از کلمه یونانی (Poly) به معنی چند و (Meros) به معنای واحد یا قسمت بوجود آمده است. در این میان ساختمان پلیمرها با مولکول‌های بسیار دراز زنجیرگونه با ساختمان فلزات کامل متفاوت است. این مولکول های بلند از اتصال و بهم پیوستن هزاران واحد کوچک مولکولی مرسوم به منومر تشکیل شده‌اند. مواد طبیعی مانند ابریشم، لاک، قیر طبیعی و سلولز ناخن دارای چنین ساختمان مولکولی هستند. البته تا اوایل قرن نوزدهم میلادی توجه زیادی به مواد پلیمری نشده بود. بومیان آمریکای مرکزی از برخی درختان شیرابه‌هایی استخراج می‌کردند که این شیرابه بعدها نام لاتکس به خود گرفت. در سال 1829، دانشمندان متوجه شدند که در اثر مخلوط کردن لاتکس طبیعی با سولفور و حرارت دادن آن ماده‌ای قابل ذوب ایجاد می‌شود که می‌توان از آن محصولات مختلفی نظیر چرخ ارابه یا توپ تهیه کرد. در سال 1909 میلادی فنل فرمالدئید موسوم به باکلیت ساخته شد که در تهیه قطعات الکتریکی، کلیدها، پریزها و سایر وسایل مصرف زیادی دارد. اما در کاربردهای مهندسی، امکان استفاده از یک نوع ماده که همه خواص مورد نظر را فراهم نماید، وجود ندارد و اغلب به تلفیق خواص مواد نیاز است. به عنوان مثال در صنایع هوافضا به موادی نیاز است که ضمن داشتن استحکام بالا، سبک باشند، مقاومت سایشی و UV خوبی داشته باشند.


بیشتر بخوانید:
تکپار یا مونومر، مولکول‌های کوچکی هستند که می‌تواند بصورت شیمیایی به همدیگر وصل شوند تا پلیمرها را تشکیل دهند. به عبارت دیگر یک پلیمر از تکرار اتصال چندین مونومر(واحدهای یکسان)ساخته می‌شود.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d


از آنجا که نمیتوان ماده‌ای یافت که همه خواص مورد نظر را دارا باشد، باید به دنبال چاره‌ای دیگر بود، کلید این مشکل، استفاده از کامپوزیت ها است. کامپوزیت ها موادی چند جزئی هستند که خواص آنها در مجموع از هرکدام از اجزاء بهتر است. ضمن آنکه اجزای مختلف، کارایی یکدیگر را بهبود می‌بخشند. کامپوزیت‌ها به علت داشتن مزایا و خواص مناسب، گستره کاربردی وسیعی بین مواد پیدا کرده اند که برخی از این کاربردها عبارت اند از: 1- مخازن سوخت و لوله‌ها، 2- صنایع نظامی، 3- صنایع خودرویی، 4- سازه‌های دریایی، 5- صنعت ساختمان، 6- تجهیزات ورزشی، 7- پزشکی و غیره. از اولین کامپوزیت‌ها یا همان چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به کاه گل وآجرهای گلی که در ساخت آنها از تقویت کننده کاه استفاده می شده است اشاره کرد. چون گل بعد از خشک شدن ترک می‌خورد، مقداری کاه به آن افزودند تا حفره‌ها را پُر کند و مانع از ترک خوردن گل شود. شاید هم اولین کامپوزیت را مصری‌ها ساخته باشند. آنها به چوب بدنه قایق هایشان مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن چوب باد نکند.


1-کامپوزیت چیست ؟

کامپوزیت شامل یک فاز زمینه (ماتریکس) و یک یا چند فاز تقویت‌کننده (پرکننده یا فیلر) است (شکل 1 و 2). البته ترکیب مواد در کامپوزیت یک ترکیب فیزیکی و ماکروسکوپی است؛ یعنی اجزای تشکیل‌دهنده یک کامپوزیت با هم به صورت شیمیایی ترکیب نمی‌شوند، به طوریکه اجزای تشکیل دهنده ماهیت شیمیایی و طبیعی خود را کاملا حفظ می¬کنند و سطح مشترک مشخصی بین اجزا وجود دارد. به عنوان نمونه، یکی از کامپوزیت های آشنا بتن است که از دو جزء سیمان و ماسه ساخته شده است.


filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

شکل1- فاز زمینه یک پلیمر


filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636

شکل2- کامپوزیت شامل زمینه و تقویت کننده


2-انواع کامپوزیت ها بر مبنای نوع مواد زمینه

کامپوزیت ها را می توان بر مبنای نوع مواد زمینه به سه گروه فلزی، سرامیکی و پلیمری تقسیم کرد. که زمینه‌های پلیمری خود به دو دسته گرما نرم و گرما سخت تقسیم می شوند. در شکل 3 انواع تقسیم بندی زمینه های تشکیل دهنده کامپوزیت ها آمده است.


ترموپلاست:

یا پلاستیک های گرما نرم، مواد پلاستیکی هستند که توسط حرارت به مایع تبدیل می شوند، پس از شکل گیری و حذف گرما شکل نهایی خود را می یابند و هر چند بار که بخواهیم می توانیم آن را بارها ذوب کرده و تغییر فرم داد. مثل: نایلون

ترموست ها:

یا پلاستیک های گرما سخت پلاستیک هایی هستند که پس از پخت و شکل گیری، دیگر نمی توان با استفاده از حرارت شکل آنها را تغیر داد. ترموست ها دارای سختی بالا، سفتی، مقاومت در برابر حرارت و حلال های شیمیایی و مقاومت الکتریکی بالایی هستند. مانند: ملامین


filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

شکل3- دسته بندی کامپوزیت ها بر اساس نوع مواد زمینه


1.کامپوزیت های زمینه پلیمری

به دلیل قابلیت شکل‌پذیری آسان، وزن کم و خواص مکانیکی مطلوب، پلیمر به عنوان یک ماده آیده ال در زمینه کامپوزیت ها به شمار میرود. رایج‌ترین زمینه های پلیمری، رزین های اپوکسی و رزین های پلی استر هستند. از این رو رزین هایی که توانایی کار در دمای بالا را دارند به طور گسترده مورد توجه قرار دارند. چنانچه مواد زمینه از جنس پلاستیک باشد، به این کامپوزیت ها، پلاستیک های مقاوم شده نیز گفته می‌شود.


2.کامپوزیت های زمینه فلزی

استحکام بالا، چقرمگی شکست و سفتی از جمله خواصی است که موجب گسترش مصارف کامپوزیت های زمینه فلزی در مقایسه با کامپوزیت های زمینه پلیمری شده است. این مواد مقاومت بیشتری در محیط‌های خورنده و درجه حرارت های بالا نسبت به پلیمرها دارند. بیشتر فلزات و آلیاژها می توانند به عنوان فاز زمینه در کامپوزیت‌ها استفاده شوند. تیتانیوم، آلومینیوم و منیزیم از جمله فلزات مرسومی هستند که عموما در کامپوزیت های مصرفی در قطعات هواپیما به عنوان بکار می روند. چنانچه کامپوزیت زمینه فلزی با استحکام بالا مورد نیاز باشد، لازم است که از تقویت کننده هایی با مدول بالا استفاده شود. نقطه ذوب، خواص فیزیکی و شیمیایی کامپوزیت ها در دماهای مختلف، تعیین کننده دمای مناسب برای استفاده از آنها است.


چقرمگی شکست:
در علم مواد، چقرمگی شکست یا تافنس شکست خاصیتی است که مقاومتی را که اجسام دارای شکاف در برابر شکست نشان می‌دهند توصیف می‌کند. این پارامتر برای همه کاربردهای طراحی جامدات، مهم است و با KIc نشان داده می‌شود. چقرمگی شکست یک روش محاسباتی برای شکست ترد است در زمانی که در ماده ترک وجود داشته باشد. اگر چقرمگی شکست یک ماده کم باشد، آن ماده به صورت ترد می شکند و هرچه چقرمگی شکست بالاتر روداحتمال شکست نرم افزایش می یابد.


3.کامپوزیت های زمینه سرامیکی

سرامیک ها به عنوان مواد جامدی که پیوندهای یونی بسیار قوی و در برخی موارد پیوندهای کوالانسی دارند، شناخته می شوند. نقطه ذوب بالا، مقاومت در برابر خوردگی مناسب، پایداری در دمای بالا و استحکام فشاری خوب، باعث شده است که کامپوزیت های زمینه سرامیکی در ساختار قطعاتی که در دمای بالاتر از 1500 درجه سانتیگراد کار می کنند، مورد استفاده قرار بگیرند. مدول الاستیسیته بالا و کرنش کششی پایین در اکثر مواد سرامیکی منجر به شکست این قطعات می شود، لذا استفاده از تقویت کننده هایی که استحکام را بهبود ببخشند، لازم بنظر می رسد که بدین منظور تقویت کننده هایی با مدول الاستیسیته بالا توصیه می‌شود. چنانچه سرامیک زمینه ضریب انبساط حرارتی بالاتری از مواد تقویت کننده داشته باشد، این امر منجر به عدم بالا رفتن استحکام در کامپوزیت تولیدی میگردد. بنابراین در انتخاب مواد تقویت کننده در تولید این نوع کامپوزیت ها، علاوه بر مدول الاستیسیته می بایست به ضریب انبساط حرارتی نیز توجه شود.


مدول الاستیسیته:
مدول الاستیسیته یا مدول یانگ به نسبت تنش به کرنش مواد جامد خطی در پایین‌تر از استحکام تسلیم گفته می‌شود که در این حالت قانون هوک صادق بوده و مدول الاستیک ثابت است. از آنجا که تنش از جنس فشار است و کرنش کمیتی بی‌بعد است، مدول یانگ نیز از جنس فشار بوده و واحد آن در سیستم SI پاسکال.


3- طبقه بندی کامپوزیت ها بر مبنای فاز تقویت کننده


1.کامپوزیت های لایه ای

از لایه های مختلف مواد در کنار یکدیگر ساخته شده است. این لایهها معمولا فلزی، سرامیکی و یا از پلیمرهای تقویت شده هستند که به صورت متناوب در کنار یکدیگر قرار می گیرند. سازه لایه ای را می توان بدون نیاز به فرآیندهای ساخت پیچیده تهیه و خواص جالبی از آنها به دست آورد. به عنوان مثال برای ساخت تانک ها از سازه های لایه ای استفاده می شود.


2.کامپوزیت های ذره ای

در این نوع کامپوزیت، فاز پراکنده شده از ذرات ریز تشکیل می شود. طیف وسیعی از ذرات برای استفاده در کامپوزی  ها کاربرد دارند ولی عمده ذرات مورد استفاده در کامپوزیت ها، ذرات اکسیدی به خصوص Al2O3 و ذرات غیراکسیدی مانند SiC، TiC، C، B است. این ذرات بسیار ارزان‌تر از رشته ها هستند و سبب افزایش صلبیت یا مدول الاستیک ساختار می شوند. استفاده از آنها در کامپوزیت های فلزی و پلیمری سبب بالا رفتن استحکام و کاهش چقرمگی می شوند. همچنین ماسه و پودرهای رزینی در دسته تقویت کننده های ذره ای قرار می گیرند.


3.کامپوزیت های الیافی

فاز تقویت کننده در این مواد رشته‌ای شکل هستند. این دسته از تقویت کننده ها بسیار گسترده اند و صنعت کامپوزیت های پیشرفته براساس این تقویت کننده های مصنوعی الیافی است. این تقویت کننده ها به دو بخش سیم و یا رشته-لیف تقسیم می-شوند؛ چنانچه این الیاف فلزی باشند به آن سیم و چنانچه سرامیکی یا پلیمری باشند به آن رشته-لیف گفته می شود.


4.کامپوزیت های ورقه ای

در این کامپوزیت، فاز پراکنده شده در زمینه از ورقه های مسطح ساخته می شود. ورقه های فلزی در زمینه پلیمری می توانند هادی جریان الکتریسیته و حرارت باشند در حالیکه ورقه های میکا و شیشه در زمینه پلیمری مقاوم در برابر حرارت و نارسانا هستند.


5.کامپوزیت های حجمی

در این نوع از کامپوزیت ها زمینه یک فاز پیوسته است و فاز تقویت کننده به صورت یک ماده ثانویه درون آن قرار دارد. کامپوزیت های سرمتی جزء این دسته محسوب می شوند که دارای ساختار متخلخل و اسفنجی سرامیکی بوده و فلز تقویت کننده درون تخلخل های آن وارد شده است. با این کار همان خصوصیات سرامیک ها با چقرمگی بیشتر به دست می آید. .


filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9

شکل4- انواع کامپوزیت ها بر مبنای فاز تقویت کننده







filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


  • سیستم جامع آموزشی فناوری نانو edu.nano.ir ،
  • مرکز یادگیری سایت تبیان