مواد نانوساختار بالک (1)

مواد نانوساختار بالک (Bulk Nanostructured Materials)

در اين مقاله خواص مواد نانوساختار مورد بحث قرار مي گيرد .مواد نانوساختار بالک (توده اي) جامداتي هستند که داراي ميکرو ساختار نانو سايز هستند .واحدهاي اساسي تشکيل دهنده ي اين جامدات، نانوپارتيکل (نانوذرات) هستند. نانو پارتيکل هاي اين مواد مي توانند به صورت غير منظم نسبت به همديگر قرار گيرند.
در اين مواد محورهاي تقارن به صورت رندوم جهت گيري کرده اند و موقعيت هاي فضاييشان تقارني را نشان نمي دهد. اين پارتيکل ها همچنين مي توانند آرايش شبکه اي داشته باشند و داراي تقارن باشند.

شکل 1- آ ساختار دو بعدي فرضي از نانو پارتيکل هاي 12AL را نشان مي دهد. اين نانو پارتيکل ها داراي شبکه هاي منظم مي باشند.

شکل 1- ب نيز نشان دهنده ي توده ي دو بعدي از نانو ساختار نامنظم اين نانو پارتيکل هاست.

1- نانوساختارهاي نامنظم جامد(Solid Disorderd Nanostructure)

1-1- روش هاي توليد(Methods of synthesis)

در اين بخش ما در مورد تعدادي از روش هاي توليد نانو ساختار نامنظم جامد صحبت مي کنيم. يکي از اين روش ها، روش فشرده سازي و جامد کردن( Compactionand Consolidation) است. به عنوان مثالي از اين پروسه بگذاريد بر روي نحوه ي بوجود آمدن آلياژهاي نانو ساختار آهن - مس متمرکز شويم. مخلوطي از پودرهاي آهن و مس با ترکيب شميايي fe85 cu15 به مدت 15 ساعت در دماي اتاق آسياب مي شوند. (نوع آسياب از نوع بال ميل است) . ماده ي حاصله سپس بوسيله ي يک قالب ازجنس کاربيد تنگستن فشرده مي شود(فشار مورد نياز براي قالب گيري يک گيگا پاسکال( Gfa) و زمان قالب گيري 24 ساعت است) .اين توده ي بهم فشرده سپس به مرحله ي فشرده سازي گرم (پرس گرم)، مي رود .در آنجا توده در دماي 400 درجه سانتيگراد به مدت 30 دقيقه پرس مي گردد. فشار مورد نياز براي پرس بايد بيش از 870 مگا پاسکال باشد. دانسيته نهايي توده ي متراکم 9902 درصد حداکثر دانستيه ي ممکن است.

شکل2- توزيع اندازه توده متراکم را نشان مي دهد. که نشان دهنده ي اين مطلب است که نانوپارتيکل هاي موجود در اين گستره ي اندازه اي 20-70 نانومتر هستند .که بيشترين تعداد اين ذرات داراي اندازه ي 40 نانومترند.

شکل3- يک منحني تنش - کرنش براي اين نمونه است. مدول يانگ اين نمونه که شيب منحني تنش -کرنش در ناحيه ي خطي است. شبيه به آهن معمولي است. وجود ناحيه ي غير خطي در اين منحني نشان دهنده ي وجود ناحيه ي انعطاف پذير پيش از اتفاق افتادن شکست در نمونه است. اين مسأله مي گويد که در اين ناحيه قطعه داراي ازدياد طول مي شود. داده هاي بدست آمده نشان دهنده ي اين مساله است که شکست در تنش 208 گيگا پاسکال رخ مي دهد. که اين رقم 5 برابر تنش شکست آهن داراي اندازه ي دانه ي بزرگتر است.( اين آهن داراي اندازه ي دانه اي در گسترده 150تا 50 ميکرومتر است).
اصلاح عالي خواص مکانيکي مواد نانوساختار غير منظم يکي از خواص مهم اين مواد است. نانو سايز کردن اندازه ي دانه هاي مواد باعث افزايش قابل لمس تنش تسليم(yield stress) مي گردد. که اين مسأله داراي کاربردهاي زيادي است مثلا از اين روش براي توليد مواد محکم تر براي بدنه ي اتومبيل ها استفاده مي کنند. دلايل تغيير در خواص مکانيک اين مواد نانوساختار در زير مورد بحث قرار گرفته است. مواد نانوساختار را مي توان بوسيله ي انجماد سريع تهيه کرد.

يک روش در شکل 4 نمايش داده شده است که به آن blockmelt spinning ohill مي گويند در اين روش پيچه هاي گرم کننده RF(Radiofrequency) براي ذوب کردن يک فلز استفاده شود. پس از ذوب فلز، مذاب از داخل يک نازل خارج مي گردد .مذاب پس از خروج از نازل به صورت يک رشته ي مذاب درمي آيد. اين رشته به طور مداوم بر روي سطح يک غلطت اسپري مي گردد.(شرايط تحت يک اتمسفر خنثي انجام مي شود). در اين پروسه نوارهايي با ضخامت بين 10 تا 100 ميکرومتر توليد مي شود. پارامترهايي که نانوساختار اين رشته ها را کنترل مي کند عبارتند از : اندازه اي که نازل، فاصله ي نازل با غلطک، فشار تزريق مذاب و سرعت چرخش غلطک فلزي.
نياز به مواد سبک و با استحکام بالا باعث شده است که آلياژهاي آلومينيومي توسعه يابند.که در آنها 85-94 درصد آلومينيوم با عناصري ديگر مانند نيکل و ايتريم وجود دارد. اين آلياژها با روش قبل توليد شدند. يک آلياژ از آلومينيوم - ايتريم- نيکل و آهن توليد شده است.که در آن پارتيکل هاي آلومينيوم با گستره ي اندازه اي بين 10تا 30 نانومتر در يک زمينه ي آمورف قرارگرفته اند.اين آلياژ مي تواند مقاومت کششي بيش از 102 مگاپاسکال از خود نشان دهد.البته مقادير بالاي اين آلياژ داراي عيب مي باشد. اين عيب شامل نبودن نانوپارتيکل ها در بخش هايي از اين آلياژ است. در روش ديگر براي توليد مواد نانو ساختار که اتوميزاسيون گازي( gas atamization) ناميده مي شود، يک باريکه ي گاز خنثي با سرعت زياد به يک مذاب فلزي برخورد مي کند. شما تيک دستگاه اتوميزاسيون گازي در شکل 5 نشان داده شده است.

هنگامي که گاز با فلز برخورد مي کند، قطرات فلزي با پراکندگي بالايي تشکيل مي شود. گاز باعث مي شود انرژي کنتيکي به مذاب انتقال يابد. اين روش را مي توان براي توليد مقادير زياد از پودرهاي نانو ساختار استفاده کرد. که از اين پودرهاي نانو ساختار نيز مي توان براي توليد قطعات بالک با روش پرس گرم استفاده کرد.
مواد نانو ساختار را همچنين مي توان به روش الکتروديپوزيشن( elect rodeposition) نيز تهيه کرد. براي مثال براي توليد يک صفحه ي نانو ساختار از مس مي توان از اين روش استفاده کرد. در واقع اين صفحه با قرار دادن دو الکترود در محلول الکتروليت مس سولفات و برقراري جريان الکتريکي بين دو الکترود توليد مي شود. با برقراري جريان بين دو الکترود يک لايه ي نانو ساختار از مس بر روي الکترود تيتانيم که قطب منفي است، تشکيل مي شود. در اين روش يک صفحه مسي با ضخامت 2 ميلي متر تشکيل مي شود.اين لايه داراي اندازه ي دانه ي ميانگين 27 نانومتر است که استحکام تسليم(yield Strengh ) آن 119 مگاپاسکال است.

1.2. مکانيزم هاي شکست در مواد با اندازه ي دانه ي متعارف

براي اينکه بدانيم دانه هاي نانوسايز چگونه بر روي ساختار بالک مواد تأثير مي گذارد، بايد در مورد شکست مکانيکي مواد با اندازه ي دانه ي متعارف بحث کنيم. يک ماده ي ترد قبل از اينکه متحمل ازدياد طول غير قابل برگشت شود، مي شکند. شکست بدليل وجود ترک در مواد رخ مي دهد.

شکل 6 مثالي از ترک در يک شبکه ي دو بعدي را نشان مي دهد.ترک اصولاً ناحيه اي از يک ماده است که درآن بين اتم هاي مجاور شبکه پيوندي وجود ندارد. اگر يک ماده ي داراي ترک تحت کشش قرارگيرد، ترک بوسيله ي جريان تنش رشد مي کند. تنش در محل پيوسته ي انتهايي ترک تمرکز پيدا مي کند. اين تمرکز تنش به حدي مي رسد که ممکن است تنش اعمالي در اين ناحيه از حد استحکام پيوند بيشتر مي شود و اين مسأله باعث شکستن پيوند در انتهاي ترک و پيشرفت آن مي گردد. سپس ترک تا حدي ادامه مي يابد که بوسيله ي تنش هاي اعمالي بر نمونه اتفاق مي افتد. اين پروسه ي پيشرفت ترک تا حدي ادامه مي يابد که ماده از نقطه ي ترک از هم جدا گردد. يک ترک مکانيزمي را پديد مي آورد که بوسيله آن يک نيروي ضعيف خارجي مي تواند پيوندهاي قوي تر را يک به يک بشکند. اين مسأله توضيحي است که مي گويد چرا تنش هاي ايجاد کننده ي شکست عملاً از پيوندهاي نگهدارنده ي اتم هاي ماده درکنار هم، ضعيف ترند.
نوع ديگر از شکست هاي مکانيکي، گذارتردي به نرمي(brittle -to- ductile transition)است. اين پديده در محلي که منحني تنش - کرنش از حالت خطي درمي آيد اتفاق مي افتد( همانگونه که در شکل 3 ديده مي شود). در اين ناحيه و تا قبل از شکست، مواد به طور بازگشت ناپذير ازدياد طول پيدا مي کند. پس از گذار تردي به نرمي، ماده حتي پس از برداشتن تنش نيز به طول اوليّه ي خود باز نمي گردد. گذار به نرمي نتيجه اي از نوع ديگري از عيوب شبکه اي است که نابجايي نام دارد. شکل7 يک نابجايي لبه اي را در يک شبکه ي دو بعدي نشان مي دهد.

البته علاوه بر اين نوع نابجايي نوع ديگري از نابجايي وجود دارد که به آن نابجايي پيچي گويند. نابجايي ها نواحي ذاتي شبکه هاي کريستالي است که اين عيوب موجب انحراف از ساختار منظم اتمي است که باعث بوجود آمدن تعداد زيادي فضاي خالي شبکه اي مي شود.برخلاف ترک، اتم هاي موجود در نواحي نابجايي به همديگر پيوند خورده اند ولي اين پيوندها از پيوندهاي نواحي معمولي ضعيف ترند. در نواحي نرم، يک سمت شبکه نسبت به سمت ديگر آن حرکت کند. اين چرخش در مقطع رخ مي دهد در واقع در نواحي وجود نابجايي در مقطع قطعه چرخش رخ مي دهد که در واقع پيوندهاي موجود در طول نابجايي ضعيف ترند. يک روش افزايش تنش که در گذار تردي به نرمي رخ مي دهد اين است که در محل هاي وجود ذرات ريز، تنش حاصل مي گردد.
اين فرآيند در توليد فولاد سخت شده استفاده مي شود. در اين نوع فولاد ذرات کاربيد آهن در فولاد رسوب داده مي شود. ذرات کاربيد باعث جلوگيري از حرکت نابجايي ها مي شود. در واقع ايجاد رسوب در آلياژهايي امکان پذير است که عناصر موجود در آلياژ داراي حد حلاليت در حالت جامد باشند.
منبع انگلیسی : Introduction to nanotechnology/charles p.poole Jr- Frank.J owns/WILEY
* استفاده از مطالب اين مقاله با ذکر منبع « راسخون » بلامانع مي باشد.