-
سبد خرید شما خالی است!
آشنایی با نانوکامپوزیت ها
در این مقاله آموزشی به آموزش مقدماتی نانوکامپوزیت ها پرداخته می شود . نانو کامپوزیت ها کاربرد فراوانی در مهندسی مکانیک دارند و بسیاری از دانشجویان و فارغ التحصیلان این رشته با استفاده از آن به ارایه پژوهش ها , مقالات و انجام پروژه های کارشناسی ارشد می پردازند . در ادامه به آموزش و تعریف کامپوزیت و نانو کامپوزیت پرداخته می شود .
تعریف کامپوزیت یا ماده مرکب :
بنا به تعریف انجمن متالورژی امریکا ، به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند مادهی مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آنها وجود داشته باشد ، کامپوزیت گفته میشود . کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریس و تقویت کننده تشکیل شدهاست . ماتریس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه میدارد . تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار میگردد که در مقاله ای دیگر به آموزش مقدماتی و آشنایی با کامپوزیت ها پرداخته است که برای مطالعه این مقاله آموزشی می توانید بر روی کامپوزیت ها کلیک نمایید تا به این مقاله آموزشی دسترسی داشته باشید . در ادامه این مقاله آموزشی به تعریف نانو کامپوزیت ها و آموزش مقدماتی آن پرداخته می شود .
نانو مواد و نانوذرات :
موادی که حداقل یکی از ابعاد آنها در مقیاس ۱ الی ۱۰۰ نانومتر باشد ، مواد نانویی یا نانو مواد خوانده میشوند . یک نانومتر برابر با یک میلیاردم متر (۹-۱۰ متر) میباشد . این اندازه ۱۸۰۰۰ بار کوچکتر از قطر یک تار موی انسان است . به طور میانگین ۳ تا ۶ اتم در کنار یکدیگر طولی معادل یک نانومتر را میسازند که این خود به نوع اتم بستگی دارد . همچنین معمولا نام نانوذرات به ذراتی اشاره دارد که اندازهی آنها کمتر از 100 نانو متر باشد . میتوان این طور استدلال کرد که ذرات با اندازهی کمتر از 100 نانو متر دارای ویژگیهای متفاوتی در مقایسه با مقیاسهای دیگر همین مواد هستند . نانوذرات به طور کامل ویژگیهای جدید یا توسعه یافتهای امبتنی بر مشخصات خاصی در مقایسه با اندازههای حجیم همین ذرات از خود نشان میدهند . نانوذرات علاوهبر نوع فلزی ، عایقها و نیمه هادیها ، نانوذرات ترکیبی نظیر ساختارهای هستهلایه را نیز در بر میگیرند . همچنین نانولولهها ، نانوکرهها ، نانومیلهها ، و نانوفنجانها تنها اشکالی از نانوذرات در نظر گرفته میشوند . نانوذرات در اندازههای پایین نانوخوشه به حساب میآیند . نانوبلورها و نقاطکوانتومی نیمههادی نیز زیرمجموعه نانوذرات هستند . در ادامه مقاله به توضیح و آمزوش مقدماتی نانو کامپوزیت ها پرداخته می شود .
نانوکامپوزیت ها ( Nanocomposite ) :
نانوکامپوزیتها ( Nanocomposite ) به دستهی خاصی از کامپوزیتها گفته میشود که حداقل یکی از اجزای آنها نانومقیاس باشد . بیشتر نانوکامپوزیتها دارای مقدار کمی (عموماً کمتر از ۵ درصد وزنی) از پرکنندههای معدنی ، ورقهای و یا نانولولههای کربنیِ دارای ساختار منفرد میباشند . نانوکامپوزیتها بر اساس نوع مادهی پر کننده مانند خاک رس ، نانولولههای کربنی و سرامیکها دسته بندی میکنند . پرکنندهها مواد نانومقیاسی هستند که مقادیر نسبتاً کمی از آنها به یک بستر پلیمر اضافه میشود تا نانوکامپوزیتی با خواص ویژه (مقاومت کششی، مقاومت در برابر سوختن و غیره) به دست آید .
ویژگیهای عمومی نانوکامپوزیت ها :
به دلیل ابعاد نانو مقیاس پرکنندههای مورد استفاده در نانوکامپوزیت ها ، بر همکنش بین پرکننده و ماتریس با برهمکنش موجود در کامپوزیتهای معمولی متفاوت است . این برهمکنشها با شکلهای مختلف روی ویژگیهای فیزیکی Nanocomposite اثر میگذارد . در ادامه به بررسی این اثرات میپردازیم .
افزایش مقاومت کششی ، مدول و دمای اعوجاج حرارتی :
مقاومت کششی ، مدول و دمای اعوجاج حرارتی ، ویژگیهای اصلی قطعات مورد استفاده در کاربردهای ساختمانی هستند ، نانو مواد به دلیل دارا بودن نسبت سطح به حجم بالا مدول بالایی دارند و این مساله باعث میشود که نانوکامپوزیتها در بارگذاریهای نسبتا بالا تغییر شکلهای پایینی داشته باشند . معمولاً نانو مواد بدون تغییر دادن ویژگیهای ضربهای دمای پایین یک پلیمر ، دمای اعوجاج حرارتی آن را افزایش میدهند . در حالی که پرکنندههای معمولی با افزایش دمای اعوجاج حرارتی یک پلیمر ، شکل پذیری آن را در دماهای پایین کاهش میدهند و این مسئله به شکست تحت ضربه منجر میگردد .
رنگ و شفافیت :
پرکنندههای نانو مقیاس نور را به گونهای متفاوت با ذرات بزرگتر ، جذب و بازتابش میکنند ، زیرا اغلب اندازهی این مواد کوچکتر از طول موج نور است . به عنوان مثال ، ذرات دی اکسید تیتانیوم با ابعاد معمولی سفید رنگ هستند ، در حالی که رزین ادغام شده با نانوذرات دی اکسید تیتانیوم نیمه شفاف به نظر میرسد . این خصوصیت برای برخی از پوششهای نانوکامپوزیتی نقطه قوتی محسوب میشود ، زیرا ذرات موجود در این پوششها به دلیل کوچکی ، بر روی جلای سطوح نهایی اثر نمیگذارند . همچنین به کمک این ویژگی Nanocomposite ، میتوان مواد رسانای نیمه شفاف ساخت ، که یکی از اجزای مهم صفحات نمایش هستند .
رسانایی :
اکثر رزینهای ترموست و ترموپلاست ، نارسانا هستند و از آنها میتوان در ساخت عایقها استفاده کرد . اما برای کاربردهایی مانند مواد تخلیه الکترواستاتیک ، به یک پلیمر رسانا نیاز است ؛ بنابراین میتوان با ادغام نانولولههای کربنی با رزینهای ترموست و ترموپلاست ، آنها را رسانا کرد . البته میتوان این کار را با افزودن الیاف بزرگتر مانند الیاف کربنی یا فولادی انجام داد اما مزیت نانولولهها در این است که میتوان مقدار خیلی کمتری از آنها را به عنوان پرکننده استفاده کرد . کاهش مقدار پرکننده مانع از کاهش بسیاری از ویژگیهای مطلوب رزینها مانند پرداخت سطحی و نرخ ذوب-جریان ( melt/flow ) میشود .
مقاومت در برابر سوختن :
مقاومت در برابر سوختن برای بعضی از پلیمرهای با کاربردهای خاص (مانند عایقهای پلاستیکی سیمها و کابلهای الکتریکی درساختمانهای مسکونی و تجاری) مورد نیاز است . بیشتر نانوکامپوزیتها به خودی خود در برابر سوختن مقاوم نیستند اما میتوان از آنها به عنوان جزیی از یک مجموعه نسوز ، استفاده کرد .
ویژگیهای انسدادی :
ترموپلاستیکها برای جلوگیری از نفوذ گاز و رطوبت مورد استفاده قرار میگیرند . بسته بندیهای غذا به گونهای طراحی میشوند که مانع از ورود اکسیژن شده و بخار آب را در اطراف غذا حفظ کنند . عموماً ترموپلاستیکهای دارای خاک رس ، ویژگیهای انسدادی بهتری نسبت به رزینها دارند ، گرچه این مواد توان رقابت با پلیمرهای انسدادی مخصوص مانند EVOH را ندارند ولی نانوکامپوزیتها مزایای خاص خود را دارند و به ویژه برای مصرف کنندگان اروپایی ، به دلیل محدودیتهای موجود درباره هالوژن موجود در پوششهای بسته بندی ، مواد سودمندی میباشند .
ویژگیهای ضد خوردگی :
در حالت کلی ، اکسیدهای سرامیکی نانومقیاس ویژگیهای الکتروشیمایی متفاوتی نسبت به مواد حجیم دارند . هم اکنون از این نانوپودرها در ساخت پوششهای ضد خوردگی نانوکامپوزیتی استفاده میشود . این مواد میتوانند جایگزین مناسبی برای مواد سمی کنونی باشند .
در این مقاله آموزشی سعی بر آشنایی دانشجویان با نانوکامپوزیت ها شده است تا بتوانند با آموزش مقدماتی آن و آشنایی با نانو کامپوزیت ها در ارایه مقالات , پژوهش ها و پایان نامه های کارشناسی ارشد خود از نانو کامپوزیت ها استفاده نمایند .
برای مطالعه مقالات آموزشی در حوزه رشته مهندسی مکانیک گرایش جامدات می توانید از مقاله های زیر استفاده نمایید :
قابلیت ها و راهنمای نصب نرم افزار Matlab