کامپوزیت‌ها

کامپوزیت ها

ایده ی مربوط به کامپوزیت ها، در واقع استفاده از بلوک های ساختاری با ابعاد نانومتری برای طراحی و ایجاد مواد جدید با انعطاف پذیری بی نظیر و بهبود قابل توجه در خواص فیزیکی می باشد. این جنبه از مواد، در بسیاری از مواد طبیعی مانند استخوان نیز مشاهده می شود. این مواد در واقع کامپوزیت هایی هستند که از ذرات سرامیکی و بایندرهای آلی، تشکیل شده اند. وقتی یک نانوکامپوزیت طراحی می شود، محققین می توانند اجزایی با ساختارها و ترکیبات مختلف را انتخاب کنند و از این رو، خواص آنها می تواند چند گانه باشد.
به عنوان یک تعریف عمومی، یک نانوکامپوزیت یک ماده ی متداول است که با ذرات نانومتری تقویت شده اند و یا یک ماده ی نانوساختار در داخل ماده ی بالک، قرار داده شده است. ماده ی پایه به خودی خود شامل یک زمینه ی غیر نانومتری است. نانوکامپوزیت ها به صورت نمونه وار شامل یک جامد غیر آلی است که در آن جزء آلی وجود دارد. حداقل، یکی از اجزا در این کامپوزیت ها باید در حالت نانومتری باشد. نانوکامپوزیت ها می توانند خواص مکانیکی، الکتریکی، نوری، الکتروشیمیایی، کاتالیستی و خواص ساختاری متفاوتی نسبت به تک تک اجزا، داشته باشد.
در این مقاله، نانوکامپوزیت ها به دو گروه اصلی طبقه بندی می شوند. در حقیقت، این مواد بر اساس زمینه ی غیر آلی انجام می شود.

نانوکامپوزیت های غیر آلی

سرامیک های با کارایی بالا در بسیاری از کاربردها استفاده می شود مثلا در توربین های گازی با بازده بالا، مواد مورد استفاده در صنایع هوایی، ماشین ها و ... . زمینه ای از سرامیک ها که بر روی خواص مکانیکی تمرکز دارند، سرامیک های ساختاری نامیده می شود.
تکنولوژی نانوکامپوزیت ها همچنین برای سرامیک های با عملکرد بالا مانند سرامیک های فروالکتریک، پیزوالکتریک، وریستورها و مواد رسانای یونی نیز کاربرد دارد. در میان این مواد، بررسی این مقاله تنها بر روی نانوکامپوزیت هایی است که دارای خواص مغناطیسی بهبود یافته ای هستند.

نانوکامپوزیت های ساختاری

هم اکنون حتی بهترین سرامیک ها نیز دارای مشکلاتی از جمله مقاومت ضعیف در برابر خزش، خستگی و شوک حرارتی هستند و خواص آنها در دماهای بالا تخریب می شود. این مواد همچنین تافنس شکست پایینی دارند و استحکام کششی آنها نیز به نسبت پایین است. برای حل این مشکلات، یک روش استفاده از یک فاز ثانویه مانند ذرات، صفحات کوچک، ویسکرها و یا الیاف در گستره ی میکرومتر در مرزدانه های فاز زمینه، می باشد. به هر حال، نتایج بدست آمده از این روش ها، عموماً مایوس کننده است. اخیراً مفهوم نانوکامپوزیت ها در نظر گرفته شده است. در واقع در این مواد، فاز ثانویه در ابعاد نانومتری است. بهبودهای قابل توجه در تافنس شکست و استحکام یک سرامیک، می تواند اغلب با استفاده از ذرات نانومتری قرار داده شده در فاز زمینه، ایجاد شود. این مسئله با استفاده از نانوسرامیک ها در سرامیک های بالک، یک نانوفلز در یک سرامیک و یا یک نانوسرامیک در یک فلز، انجام شود. یکی دیگر از احتمال ها، استفاده از یک پلیمر در یک سرامیک می باشد. بدون بررسی جزئی، مثال های زیر، مثال هایی از نانوکامپوزیت هایی می باشند که دارای خواص ساختاری بهبود یافته هستند.
• استفاده از نانوذرات SiC یا سیلیکون نیترید در زمینه ی آلومینا که در حقیقت اولین نانوکامپوزیت ساختاری تولید شده، می باشد. پراکنده شدن این ذرات موجب بهبود تافنس شکست از میان 3 به 4.8 MPa می شود. در زمان افزودن 5 % حجمی SiC، استحکام این نانوکامپوزیت ها نیز از 350 به 1050 MPa افزایش می یابد.
• یکی دیگر از روش های تولید سرامیک های ساختاری پیشرفته، پراکنده کردن ذرات فلزی فاز ثانویه در داخل سرامیک هاست. این کار موجب بهبود خواص مکانیکی مانند تافنس شکست ماده می شود و همچنین سایر رخواص مانند خواص نوری و مغناطیسی ماده را نیز تحت تأثیر قرار می دهد. نانوکامپوزیت های این نوعی عبارتند از نانوکامپوزیت های آلومینا/ تنگستن یا اکسید منیزیم/ آهن. فیلم های گرانولی نیز می توانند با یک فاز سرامیکی قرار داده شده در داخل گرانول های نانوسایز، تولید شوند. یک چنین فیلم هایی اغلب خواص مغناطیسی، نوری و انتقالی بهبود یافته ای دارند. استفاده از نانوفلزات در داخل لایه های نازک سرامیکی می تواند موجب شود تا لایه ی نازک از حالت عایق به رسانا، تبدیل شود. • یکی دیگر از روش ها، افزودن تقویت کننده های سرامیکی صلب در داخل یک فلز داکتیل و یا زمینه ی آلیاژی می باشد. این تقویت می تواند هم در ذرات، هم در الیاف و هم در مخلوطی از آنها، انجام شود. مواد تولید شده با این روش، به طور خاص در صنعت هوافضا، اتومبیل و هواپیماسازی، استفاده می شوند. مزیت کامپوزیت های زمینه ی فلزی این است که آنها خواص فلزی را با خواص سرامیکی ترکیب کرده اند و منجر به تولید موادی سخت تر و با مقاومت دمایی بالاتر شده اند. خواص کامپوزیت های زمینه فلزی بوسیله ی اندازه و کسر حجمی مربوط به تقویت کننده، و همچنین طبیعت سطح مشترک زمینه/ تقویت کننده، تعیین می شود. توجه های در این زمینه، معطوف به استفاده از نانوذرات و یا نانوتیوب ها برای کاربردهای ساختاری می باشد زیرا این مواد موجب می شوند تا بهبود قابل توجهی در خواص فیزیکی، مکانیکی و تریبولوژیکی این کامپوزیت ها، ایجاد شود.
• پودر سرامیکی نانومقیاس با نانوتیوب های کربنی نیز روشی دیگر برای ایجاد کامپوزیت های زمینه سرامیکی دانس می باشد که خواص مکانیکی بهبود یافته ای دارند. برای مثال، آلومینای حاوی نانوتیوب های کربنی که به روش پرس گرم تولید شده است، موجب تولید کامپوزیت های سبک وزنی می شود که دارای خواص مکانیکی بهبود یافته و تافنس شکست بالایی در مقایسه با آلومینای پلی کریستالی هستند. شرایط فرآوری مربوط به این مواد اثر قابل توجهی بر روی خواص این مواد دارد. در کامپوزیت های زمینه فلزی، استفاده از نانوتیوب های کربنی بسیار موفق بوده است زیرا این مواد دارای استحکام بالاتر، سفتی و همچنین رسانایی الکتریکی بالاتری نسبت به فلزات متداول هستند.

نانوکامپوزیت ها با خواص مغناطیسی بهبود یافته

مواد با ویژگی های مغناطیسی قابل توجه تقاضای بالایی را در زمینه ی مواد مهندسی دارند. مثلا این مواد در صنایع الکتریکی، مکانیکی، الکتروموتورهای توان بالا، موتورهای کوچک سازی شده، المان های کامپیوتری، وسایل ثبت داده ی با دانسیته بالا، ارتباطات از راه دور، ناوبری، هوانوردی، عملیات های فضایی، پزشکی، روش های سنسوری، یخچال های مغناطیسی و کاربردهای خانگی و ... دارد. توسعه های اخیر در زمینه ی مواد مغناطیسی موجب شده است تا مواد نانوکریستال تولید شوند. این مواد می توانند به صورت توده ای، لایه نازک و یا لایه های با ضخامت نانومتری باشند.
نانوساختارسازی مواد مغناطیسی بالک منجر به تولید آهنرباهای نرم و سختی می شود که دارای خواص بهبود یافته هستند. یک مثال از این مواد، آلیاژ مغناطیسی نرم نانوکریستالی با نام تجاری Finemet است. این ماده حاوی آلیاز Fe-Si-B ذوب ریزی شده است که حاوی مقادیر اندکی نیوبیوم و مس نیز می باشد. وقتی این مواد در دماهای بالاتر از دمای کریستالی شدن، آنیل شوند، فاز آمورف Fe-Si-B-Nb-Cu به جامد کریستالی با اندازه ی دانه ی 10 نانومتر، تبدیل می شود. این آلیاژها دارای خواص مغناطیسی استثنایی هستند و نفوذپذیری بالایی دارند. همچنین میدان کوهرسیویتی این مواد نیز بسیار کوچک است.
پودرهای مغناطیسی نانوسایز نیز دارای خواص استثنایی هستند و در هیچ دمایی هیسترسیس، ندارند. این مواد ابرپارامغناطیس، نامیده می شوند. یک مثال از این مواد، پودر نانوسایز آلیاژ Ni-Fe-Co است.
نانوساختارسازی در مورد آهنرباهای سخت (آهنرباهای دائمی) نیز مورد بررسی قرار گرفته است. قوی ترین آهنربای شناخته شده تا تاکنون، آهنربای حاوی نئودیم، آهن و بور است. در این مواد، این فهمیده شده است که میدان کوهرسیویتی به طور قابل توجهی در اندازه های زیر 40 نانومتر، کاهش می یابد و در این حالت، مغناطش باقیمانده، افزایش می یابد. یکی دیگر از روش های بهبود نمودار مغناطش مربوط به آهنرباهای دائمی، تولید نانوکامپوزیت های تشکیل شده از فازهای مغناطیسی سخت در داخل زمینه ای ازمواد مغناطیسی نرم می باشد. اثر ایجاد این کامپوزیت ها، افزایش میدان باقیمانده می باشد.
اندازه ی دانه ی این مواد همچنین بر روی نقطه ی اشباع مغناطیسی، مؤثرند. برای مثال، مغناطیسی شدن فریت به طور قابل توجهی در زیر اندازه ی دانه ی 20 نانومتر، افزایش می یابد. بنابراین، کاهش در اندازه ی دانه در آهنربا، منجر به افزایش محصول انرژی یعنی معناطیسی شدن و کوهرسیویتی می شود. کوهرسیویتی همچنین با کاهش اندازه ی دانه، افزایش می یابد. در مورد لایه نازک های نانوکامپوزیتی، این مسئله در صورتی صحیح است که دانه ها ایزله شده باشند اما وقتی دانه های در تماس باشند و به هم ضربه بزنند، کوهرسیویتی به سرعت با کاهش دانه، افت می کند. کوهرسیویتی در حقیقت در حالت تراوش، بیشترین مقدار خود است. در این زمان، دانه ها همدیگر را لمس می کنند. این اثر در مورد طراحی نانوکامپوزیت های لایه نازک مهم می باشد.

نانوکامپوزیت های پلیمری

نانوکامپوزیت های پلیمری موادی هستند که در آنها یک پلیمر با ترکیبات مصنوعی غیر آلی و یا طبیعی پر می شود. بدین صورت، برخی از خواص ماده ی حاصله، بهبود می یابد. این بهبود خواص در مورد مقاومت حرارتی یا استحکام مکانیکی، مشاهده می شود. علاوه بر این، با استفاده از این پرکننده ها، برخی از خواص ماده افت می کند مثلا رسانایی الکتریکی و نفوذ پذیری گازهایی مانند اکسیژن یا بخار آب. مواد با خواص چند گانه نیز برای تولید کامپوزیت هایی استفاده می شود که در آنها، نیازمند وجود ویژگی های قابل توجهی هستیم. مثلا استفاده از الیاف کربنی با مدول بالا به پلیمرهای با مدول پایین که منجر به تولید یک کامپوزیت سبک وزن با تافنس بالا می شود. کامپوزیت های پلیمری کنونی که در حقیقت پلیمرهای پرشده هستند زیرا در این مواد، برهمکنش هایی در سطح مشترک میان دو ماده، وجود ندارد. پیشرفت ها در این زمینه، موجب می شود تا پرکننده ها از حالت ماکروسکوپیک، به حالت میکروسکوپیکی تبدیل شوند.
در سال های اخیر، محققین شروع به بررسی روش های تولید جدید کامپوزیت های پلیمری کردند. در این کامپوزیت ها، از پرکننده های نانومقیاس استفاده شده است و در حقیقت پرکننده ها، حداقل در یک بعد، نانومتری بوده اند. پرکننده های نانومتری شامل نانوذرات، نانوتیوب ها و مواد غیر آلی مانند رس ها می باشند (شکل 1).
شکل 1
اگر چه برخی از کامپوزیت های حاوی پرکننده های نانومتری برای بیش از یک قرن است که استفاده می شده اند (مانند کربن بلک و پلیمرهای حاوی دوده ی سیلیسی)، محققین تنها در سال های اخیر توانسته اند که به صورت سیستماتیکی این مواد را مطالعه و بررسی کنند. در حقیقت محرک این مسئله، ایجاد خواص بهبود یافته و ترکبی است که در برخی از نانوکامپوزیت های پلیمری، یافت می شود. این مسئله با توسعه ی پایدار در فرایندهای شیمیایی مربوط به تولید نانوذرات و همچنین تولید نانوکامپوزیت های درجا، منجر به کنترل بی سابقه بر روی مورفولوژی این مواد شده است.
یکی از دلایل متداول در زمینه ی افزودن پرکننده به پلیمرها، بهبود کارایی مکانیکی آنهاست. در کامپوزیت های سنتی، این مسئله معمولاً موجب افزایش انعطاف پذیری پلیمر می شود و همچنین در برخی موارد نیز اثر منفی بر روی استحکام آنها دارد. علت این مسئله، تمرکز تنشی است که بوسیله ی این پرکننده ها، ایجاد می شود. پرکننده های نانومتری که به خوبی پراکنده می شوند، مانند نانوذرات و نانوتیوب ها، می توانند مدول و همچنین استحکام مربوط به کامپوزیت را بهبود دهند و علاوه بر این، میزان انعطاف پذیری را نیز حفظ کنند. علت این مسئله، در حقیقت این است که ذرات ریز موجب ایجاد تمرکز تنش قابل توجه نمی شوند. برای تمام پرکننده های نانومتری، مسئله ی کلیدی، پراکنده سازی یکنواخت پرکننده در داخل زمینه ی پلیمری می باشد. همانگونه که در بخش بعدی گفته می شود، در بسیاری موارد، این مسئله یکی از مسائل مهم در تحقیقات انجام شده در این زمینه، می باشد.
اگر چه جوامع علمی پیشرفت های قابل توجهی در این زمینه و در طی چند سال گذشته داشته اند، نانوکامپوزیت های پلیمری همچنان در مراحل تحقیقاتی به سر می برند. بسیاری از سوال های تحقیقاتی نیز هنوز پاسخ داده نشده اند. چیزی که تاکنون مشخص شده است، این است که استفاده از پرکننده های نانومتری موجب می شود تا راهی برای توسعه ی موادی با خواص استثنایی، فراهم آید. برای مثال، نانوذرات به طور قابل توجهی نور را متفرق نمی کنند و این مسئله موجب می شود تا کامپوزیت پلیمری بدون تغییر در خواص نوری، متحمل تغییرات مکانیکی و الکتریکی شوند. نانوذرات همچنین نه تنها به دلیل اندازه ی کوچک مورد توجه هستند، بلکه همچنین به دلیل خواص ممتاز ذاتی نیز مورد توجه می باشند. نانوتیوب های کربنی در این مورد می توانند بالاترین مقدار برای مدول الاستیک را ایجاد کنند. برخی از کامپوزیت های حاوی این ماده دارای مدول 1TPa می باشند. استحکام این مواد نیز می تواند تا 500 GPa برسد. این مسئله موجب می شود تا تولید کامپوزیت های پلیمری با خواص استحکام و انعطاف پذیری استثنایی، تسهیل شود.
یکی دیگر از خواص جالب توجه ، در مورد استفاده از پرکننده های نانومقیاس و تولید نانوکامپوزیت هایی با خواص قابل توجه، ایجاد مساحت سطح مشترک بزرگ می باشد. افزایش در مساحت سطح در ابعاد زیر 100 نانومتر، قابل توجه است. سطح مشترک در واقع میزان برهمکنش میان پرکننده و پلیمر را کنترل می کند. بنابراین، بزرگترین چالش در مورد علم نانوکامپوزیت ها، یادگیری نحوه ی کنترل برهمکنش می باشد.
پرکننده های نانومقیاس به صورت بالقوه، موجب ایجاد انواع مختلفی از مواد پلیمری می شوند که دارای خواص پیشرفته می باشند. عموماً المان های تقویت کننده ی ماکروسکوپیک این محدودیت را دارند که موجب ایجاد نقص ساختاری می شوند، اما وقتی تقویت کننده کوچک و کوچکتر شود، عیوب نیز می توانند کوچک تر شوند. تقویت کننده های ایده آل باید ابعادی مولکولی و یا اتمی داشته باشند و به طور فوری به پلیمر متصل شوند. استفاده از پرکننده ای نانومقیاس همچنین یک سری چالش های تولید را نیز ایجاد می کنند. به دلیل اندازه ی بسیار کوچک این مواد، پراکنده سازی هموژن آنها سخت است. این مسئله منجر به ایجاد مخلوط هایی از ذره – زمینه می شود که دارای ویسکوزیته های بالایی می باشند. این کار در واقع فرآوری این مواد را با چالش روبرو می کند. نتیجه در اینجا، این است که نانوکامپوزیت های پلیمری دارای کسر بسیار اندکی از ذرات می باشند و خواص مکانیکی آنها به نسبت افت می کند. بنابراین، نانوکامپوزیت های پلیمری نوع جالب توجهی از مواد پیشرفته می باشند که می توانند در کاربردهای مختلفی، استفاده شوند اما توسعه ی آنها، هنوز در مراحل اولیه می باشد.

منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff