كاربرد

مقدمه

رشته مواد نانو كامپوزيت توجه دانشمندان و مهندسان را در سالهاي اخير به خود جلب كرده است. نتايج بررسي استفاده از بلوكهاي ساختماني در ابعاد نانو, طراحي و ايجاد مواد جديد با انعطاف پذيري و پيشرفتهاي زياد در خواص فيزيكي آنها را ممكن مي سازد. قابليت ارتقاء كامپوزيت ها با استفاده از بلوكهاي ساختماني با گونه هاي شيميايي ناهمگن در رشته ها و بخش هاي مختلف علمي مطرح گرديده است. ساده ترين مثالها از چنين طراحي هايي, به صورت طبيعي در استخوان اتفاق 
مي افتد كه يك نانوكامپوزيت ساخته شده از قرص هاي سراميكي و چسبهاي آلي مي باشد. بدليل اين كه اجزاء سازنده يك نانو كامپوزيت داراي ساختارها و تركيبات مختلف و خواص مربوط به آنها
مي باشد، كاربردهاي زيادي را ارائه مي دهند. از اينرو موادي كه از آنها توليد مي شوند, مي توانند چند كاره باشند. با الگو گرفتن از طبيعت و براساس نيازهاي تكنولوژي هاي پديد آمده در توليد مواد جديد با كاربردهاي مختلف در آن واحد براي مصارف گوناگون, دانشمندان استراتژي هاي تركيبي زيادي را براي توليد نانو كامپوزيت ها بكار برده اند. اين استراتژي ها داراي مزاياي آشكاري در توليد مواد دانه درشت مشابه مي باشند. نيروي محركه در توليد نانو كامپوزيت ها, اين واقعيت است كه آنها خواص جديدي در مقايسه با مواد رايج ارائه مي دهند.

تصميم براي بهبود خواص و پيشرفت ويژگي هاي مواد از طريق ايجاد نانو كامپوزيت هاي چند فازي مسئله جديدي نيست. اين نظريه از زمان آغاز تمدن و بشريت و با توليد مواد براي كارآمدي بيشتر براي اهداف كاربردي مورد نظر بوده است. علاوه بر تنوع وسيع نانو كامپوزيت هاي يافت شده در طبيعت و موجودات (مثل استخوان) , يك مثال عالي براي كاربرد نانو كامپوزيت هاي تركيبي در روزگار باستان, كشف جديد ساختمان نقاشي هاي مايان مي باشد كه در دوران مسا مريكاس[1] بوجود آمدند. توصيف حالت هنر از اين نمونه هاي نقاشي آشكار مي سازد كه ساختار رنگها, متشكل از ماتريسي از خاك رس آميخته شده با مولكولهاي رنگي آلي مي باشد. آنها همچنين محتوي ناخالصي هاي ذرات نانوي فلزي محفوظ در يك لايه سيليكاتي بي شكل همراه با ذرات نانوي اكسيدي روي لايه مي باشند . اين ذرات نانو تحت عمليات حرارتي و از ناخالص بوجود مي آيند (Cr , Mn , Fe) كه در مواد خام مثل خاك رس موجود مي باشند ولي جمع و سايز آنها خصوصيات نوري رنگ نهائي را تحت تأثير قرار مي دهد. تركيبي از خاك رس موجود كه يك سوپر لاتيك مي سازد كه در ارتباط با ذرات نانوي فلزات و اكسيدي پشتيباني شده روي لايه آمورف مي باشدو اين رنگ را يكي از اولين مواد مركب مشابه نانو كامپوزيت هاي كاربردي مدرن مي سازد.

نانو كامپوزيت ها را مي توان ساختارهاي جامدي فرض كرد كه داراي خواص مكرر بعدي با اندازه نانومتري بين فازهاي مختلف سازنده ساختار مي باشند. اين مواد متشكل از يك جامد غيرآلي (بستر يا ميزبان) محتوي يك جزء آلي و يا بالعكس مي باشند و يا مي توانند متشكل از دو يا چند فاز آلي / غيرآلي در چند فرم تركيبي باشند با اين محدوديت كه حداقل يكي از فازها يا تركيبات, در ابعاد نانو باشد.

توان فازهاي با ساختار نانوي موجود در نانو كامپوزيت ها را صفر بعدي (مثل خوشه هاي اتمي تشكيل شده), تك بعدي (يك بعدي مثل نانوتيوپ ها) و دو بعدي (پوشش هاي با ضخامت نانو) و سه بعدي (شبكه هاي جاسازي شده) در كل مواد نانو كامپوزيت مي توانند داراي خواص مكانيكي, الكتريكي, الكتريكي, نوري, الكتروشيمي, كريستالي و ساختاري باشند, نسبت به مواردي كه داراي اجزاء واحد و يگانه هستند. رفتار چند كاره براي هر ويژگي بخصوص ماده اغلب بيش از مجموع اجزاء تكي مي باشد.

هر دو روش پيچيده و ساده براي ساختن ساختارهاي نانو كامپوزيت وجود دارد يك سيستم عملي نانو كامپوزيت دو فازي, مثل كاتاليزرهاي پشتيبان مورد استفاده در كاتاليزر محرك (ذرات نانوي فلزي جاي گرفته روي پشتيبان هاي سراميكي), مي توانند بسادگي با بخار دادن فلز روي لايه و يا پراكنده كردن توسط حلال شيميايي آماده شوند. از طرف ديگر, ماده اي مثل استخوان كه داراي ساختاري سلسله مراتبي با فازهاي پليمري و سراميكي مركب مي باشد, با تكنيكهاي تركيبي حاضر, به سختي مي تواند تكثير شود.

جدا از ويژگي هاي اجزاء تكي در يك نانو كامپوزيت, اشتراك اجزاءبا يكديگر در بهبود يا محدود كردن خواص كلي يك سيستم نقش مهمي بر عهده دارند.

با توجه به فصل مشترك زياد و وسيع ساختارهاي نانو, نانو كامپوزيت ها ارائه كننده فصل مشترك هاي زيادي بين فازهاي ادغام شده تشكيل دهنده مي باشند. خواص ويژه نانو كامپوزيت ها اغلب از اثر متقابل و تداخل فازهاي آن در فصل مشترك ها حاصل مي شوند. يك مثال عالي براي اين مطلب, رفتار مكانيكي كامپوزيت هاي پليمري پر شده با نانوتيوپ ها مي باشد. هر چند افزودن نانوتيوپ ها مي تواند امكان استحكام پذيري پليمرها را افزايش دهد, يك فصل مشترك بدون تداخل فازها فقط براي بوجود آوردن مناطق ضعيف در كامپوزيت كارائي دارد و هيچ بهبودي در خواص مكانيكي آن بوجود نخواهد آمد. برخلاف مواد نانو كامپوزيت, فصل مشترك ها در كامپوزيت هاي موسوم, تشكيل دهنده يك شكستگي بسيار كوچكتر در فلزات بالك مي باشد.

ذكر اين نكته حائز اهميت است كه تحقيقات در مورد كاربرد و روشهاي توليد نانو كامپوزيت ها در طول دهه اخير در بسياري از كشورهاي دنيا و در كشور ايران گسترش يافت و در دنياي پيششرفته كنوني باعث تكامل صنايع مختلف نظير صنعت هوا و فضا ،صنايع خودرو سازي و صنايع پزشكي و … گريده است اين پروژه در حال حاضر مروري بر سيستم هاي نانو كامپوزيت و نحوه فرايند توليد و خصوصيات و كاربردهاي آنها دارد.

2-2- تاريخچه توليد كامپوزيت هاي زمينه فلزي

توليد MMCs [2]به سال1940 ميلادي حين بهبود سرمت[3]باز مي گردد .در گذشته اجزاي غير فلزي (سراميكي) داخل فلزات يا آلياژها را به عنوان عواملي كه باعث تخريب خواص مكانيكي از جمله استحكام و انعطاف پذيري مي شود ، مي دانستند . در اواسط دهه ي 60 نيكل پوشش داده شده توسط پودر گرافيت را به وسيله جريان گاز آرگون در مذابي از آلياژ آلومينيوم وارد كردند. اين سرآغاز توليد و بررسي كامپوزيت هاي زمينه فلزي بود و تحت نام MMPC معرفي شد . در سال 1968 در انجمن تكنولوژي هندوستان در كنپور ، شخصي به وسيله ي روش به هم زدن موجبات اتصال ذرات آلومين به آلومينيوم را فراهم نمود و باعث بوجود آمدن كامپوزيت هاي آلومينيوم – آلومين گرديد . اين اختراع تحت نام روش ريخته گري به هم زدني ناميده شد[1].

 اوايل دهه ي هفتاد انجمن تكنولوژي ماساچوست روشي را به ثبت رساند كه در آن اجزاي غير فلزي را در آلياژهاي شبه جامد در درجه حرارتي بين شاليدوس وليكوئيدوس براي همان آلياژ در مخلوط قرار مي داد و توليدكامپوزيت مي كرد . در اين پروسه تاخير در تر شدن و دير تر شدن ذرات باعث افزايش ويسكوزيته آلياژ شبه جامد مي شد . در دانشگاه رودكي يك ترتيب و نظمي براي فرو بردن ناخالصيها (ذرات) معرفي شد . اين ترتيب و نظم به اين شكل بود كه ابتدا به وسيله به هم زدن ، مذاب و پارتكيل ها را به صورت دوغاب در آمده و نيازي به هم زدن تا انتهاي كار نباشد. در روشهاي پراكنده سازي ذرات و روش آلياژهاي شبه جامد مي توان متد هاي گوناگوني را بكار برد اما مقدار ذرات مصرفي محدود مي باشد چرا كه دوغاب مذاب حاوي ذرات براي ريخته گري يك حداقل سياليت را لازم دارد. بقيه ي روشهاي توليد كامپوزيت زمينه فلزي را در اين بخش به طور مختصر، و در فصل روش هاي تلفيق به طور كامل توضيح داده مي شود. مهمترين حسن اين گروه حفظ خواص در دماي بالا مي باشد. از ديگر مزايا مي توان به استحكام كششي نهايي بالا، مقاومت به ضربه بالا، توانايي آزاد سازي تنش (بدليل قابليت تغيير شكل پلاستيك) و مقاومت به خوردگي بالا اشاره كرد [1].

در توليد MMCs بايد پارامترهاي زيادي مد نظر قرار گيرند كه مهمترين آن ها عبارتند از :

1. در انتخاب مواد بايد دقت شود . با توجه به اينكه اغلب ، فاز دوم داراي جنس سراميك مي باشند و بيشتر سراميك ها با فلزات واكنش مي دهند و توليد تركيبات بين فلزي[4]اين مواد بسيار ترد و شكننده هستند و خواص را كاهش مي دهند (البته بايد در نظر داشت كه واكنش بايد انجام گيرد ).
2. چون هدف بدست آوردن يك ماده سبك است پس بيشترين كاربرد راMg ،Al تا حدودي و در بعضي موارد خواهند داشت[1] .

خيس شوندگي ذرات بايد در نظر گرفته شود . زمينه بايد قابليت تر شوندگي سراميك را داشته باشد