بايد توجه داشت كه تنها افزودن نانو ذرات به يك زمينه، منجر به ايجاد ويژگي هاي فوق العاده نخواهد شد. بلكه اين تركيب بايد شرايطي را داشته باشد. مثلاً فرض كنيد يكسري ورقه هاي پركننده به كامپوزيت افزوده شده باشد. اگر ورقه هاي كوچك معدني به شرط متراكم به هم چسبيده باشند، رفتار اين كامپوزيت تفاوت چنداني با كامپوزيت هاي معمولي ندارد. با عمليات حرارتي سطحي، فضاي بين ورقه هاي معدني افزايش يافته و مولكول هاي پليمر بهتر ميتوانند بين ورقه ها حركت كنند. نانو كامپوزيت ها به دو صورت ممكن است وجود داشته باشند. در حالت اول، زمينه ماده اي است با دماي ذوب پايين همانند پليمر، سراميك يا فلزي زود ذوب كه با فاز دومي از جنس مواد با دماي ذوب بالا همانند سراميك ها يا فلزات تقويت ميشوند. در حالت دوم، زمينه ماده اي سراميكي يا فلزي با دماي ذوب بالا و فاز دوم ماده اي پليمري، سراميكي يا فلزي است. به اين ترتيب انواع نانو كامپوزيت ها عبارت اند از:

1) نانو كامپوزيت هاي پليمري

2) نانو كامپوزيت هاي زمينه فلزي

3) نانو كامپوزيت هاي سراميكي

4) نانو كامپوزيت هاي سراميك – فلز

1-۷-11- روش توليد نانو كامپوزيت پليمري

نياز اقتصادي و رو به افزايش سوخت در عرصه هاي مختلف، تقاضا براي استفاده از مواد جديد سبك وزن مانند پليمرها را افزايش داده است. اما از طرفي با توجه به پايين تر بودن ميزان استحكام پليمرها در مقايسه با فلزات، تقويت آنها ضروري به نظر ميرسد. تقويت پليمرها با مواد رايج سبب لطمه خوردن به دو ويژگي اصلي پليمرها يعني سبكي سهولت فرآيند پذيري ميشود. از اين رو در تحقيقات اخير از مقادير كمي (كمتر از 10% وزني) نانو ذرات بعنوان تقويت كننده در پليمرها استفاده ميشود. نايلون 6 اولين پليمري بود كه توسط شركت تويوتا در سال 1990 براي تهيه نانو كامپوزيت ها بكار گرفته شد، اما امروزه از پليمرهاي ترموست نظير اپوكسي، پلي ايميد و پليمرهاي ترموپلاست نظير پلي پروپيلن، پلي استايرن به عنوان ماده زمينه اين كامپوزيت ها استفاده ميگردد. فاز تقويت كننده كه در نانو كامپوزيت ها استفاده ميشود شامل نانو ذرات، نانو صفحات، نانو الياف و همچنين نانو لوله ها ميباشد. نانو ذرات بيشترين كاربرد را بعنوان ماده تقويت كننده در نانو كامپوزيت ها دارند. نانو ذره اي كه در تهيه اغلب نانو كامپوزيت ها استفاده ميشود خاك رس است. اما اخيراً نانو ذرات ديگري همچون سيليكا، نانو ذرات فلزي و ذرات آلي و غيرآلي نيز مورد استفاده قرار ميگيرند. در توسعه مواد چند جزئي چه در مقياس نانو و يا ميكرو سه موضوع مستقل بايد مورد توجه قرار گيرند، انتخاب اجزا، توليد، فرآوري و كارايي. در مورد نانو كامپوزيت هاي پليمري هنوز در ابتداي راه بوده و با توجه به كاربرد نهايي آنها زمينه هاي بسياري براي توسعه وجود دارد. بطور كلي سه روش براي توليد نانو كامپوزيت هاي زمينه پليمري وجود دارد. اين روش ها شامل مخلوط سازي مستقيم، فرآوري محلول و پليمريزاسيون درجا ميباشد. در ادامه به شرح مختصري از اين روش ها پرداخته ميشود:

الف) مخلوط سازي مستقيم

در اين روش ابتدا نانو ذرات تهيه شده بصورت سوسپانسيون در يك حلال حل شده و سپس به محلول پليمري اضافه ميشود و مخلوط حاصله توسط يك پرس هيدروليك در يك قالب اكسترود ميشود و درنهايت صفحات نازك به دست مي آيند. در اين روش انتخاب بستر پليمري، انتخاب نوع ذرات و سازگاري اين دو گونه با يكديگر و نحوه توزيع ذرات از نكات حائز اهميتي است كه بايستي بر آن فائق آييم.

معمولا ً براي توليد نانو كامپوزيت هاي زمينه پليمري حاوي نانو الياف كربني از اين روش استفاده ميشود. محدوديت اين روش ميزان فاز تقويت كننده يا همان مواد پركننده است. به عنوان مثال براي توليد نانو كامپوزيت سيليكا/پليپروپيلن حداكثر ميزان نانو ذرات سيليكا 20 درصد وزني ميتواند باشد. البته به نظر ميرسد آگلومره شدن (به هم چسبيدن) ذرات نيز از ديگر محدوديت هاي اين روش است.

ب) فرآوري محلول

با استفاده از اين روش ميتوان بر بعضي از محدوديت هاي روش مخلوط سازي مستقيم غلبه كرد، ضمن آنكه ميتوان ميزان آگلومراسيون و كلوخه اي شدن نانو ذرات در ماده پليمري را كاهش داد. در اين روش به دو صورت ميتوان نانو كامپوزيت هاي پليمري را توليد كرد. اگر ماده زمينه پليمري و نانو ذرات تقويت كننده آن در يكديگر قابل حل شدن باشند، محلول حاصل را ميتوان در يك قالب؛ ريخته گري كرده و نانو كامپوزيت توليد نمود. در غير اين صورت مخلوط مواد نانو كامپوزيت در يك حلال حل شده و در نهايت با تبخير حلال، نانو كامپوزيت مورد نظر بدست مي آيد.

ج) پليمريزاسيون درجا

در اين روش پليمريزاسيون بستر پليمري در حضور نانو ذرات انجام ميشود و منومر در حين رشد، ذرات پركننده را در برمي گيرد. نكته كليدي در اين روش نحوه توزيع ذرات نانو در منومر است. با كنترل پيوند بين ذرات نانو و ماده زمينه، ميتوان توزيع مورد نظر را به دست آورد. بسياري از نانو كامپوزيت هاي زمينه پليمري را ميتوان با اين روش توليد كرد. بطور مثال نانو كامپوزيت هاي حاوي نانو لايه هاي گرافيت كه داراي هدايت الكتريكي بالا و نفوذپذيري كمي هستند، از اين روش توليد ميشوند. براي توليد اين نانو كامپوزيت ها ابتدا با امواج مافوق صوت، لايه هاي گرافيت در منومر بصورت يكنواخت توزيع ميشوند و در نهايت با پليمريزاسيون درجا نانو كامپوزيت به دست مي آيد. نكته اي كه در روش هاي توليد نانو كامپوزيت هاي پليمري اهميت دارد و آن را از يكديگر متمايز ميكند، توزيع مناسب ماده پركننده است. با اصلاح سطحي ميتوان اين توزيع را به شكل يكنواخت به گونه اي انجام داد كه از آگلومراسيون اجزاي نانومتري ماده پركننده جلوگيري شود و توزيع مناسب فاز تقويت كننده فراهم گردد. در واقع نكته مهم در تمام اين فرآيندها، اصلاح فصل مشترك بين پليمر و نانو ذره است. استفاده از فرآيندهاي سطحي سبب توزيع يكنواخت فاز تقويت كننده در بستر پليمري شده، افزايش مدول و استحكام نانو كامپوزيت را به دنبال خواهد داشت.

۲-۷-۱۱- روش توليد نانو كامپوزيت فلزي

به طور كلي سه روش براي توليد نانو كامپوزيت هاي زمينه فلزي وجود دارد. اين روش ها شامل روش ريخته گري، متالورژي پودر و آلياژسازي مكانيكي ميباشد. در ادامه به شرح مختصري از اين روش ها پرداخته ميشود:

الف) روش مايع (ريخته گري)

در روش ريخته گري، ذرات تقويت كننده به فلز مذاب اضافه شده و بصورت مكانيكي در داخل فلز توزيع ميشوند. مهمترين معايب روش ريخته گري جدا شدن ذرات از فاز مذاب است. تر نشدن ذرات فاز دوم به وسيله ي آلومينيوم مذاب و جدا شدن فاز نانو ذره، منجر به ايجاد ساختاري ناهمگن ميگردد. گاهي نيز انجام واكنش بين نانو ذرات و فاز مذاب سبب افت خواص مكانيكي مي گردد. يانگ و همكارانش اخيراً روش جديدي را براي ساخت نانو كامپوزيت هاي زمينه فلزي ابداع كرده اند كه در آن نانو ذرات به فلز مذاب افزوده شده و با اعمال امواج مافوق صوت (اولتراسونيك) به فلزمذاب، از چسبيدن ذرات به يكديگر جلوگيري ميگردد. در اين روش از طريق امواج مافوق صوت، هزاران ميكرو حباب در داخل فلزمذاب تشكيل شده كه با واپاشي آنها در زماني بسيار كوتاه، تجمع ذرات نانومتري از بين ميرود و امكان چسبيدن ذرات به يكديگر كاهش مييابد. لذا ذرات داخل فلز مذاب پخش شده و توزيع يكنواختي از نانو ذرات در داخل ساختار به وجود مي آيد. اين روش كاملاً مبتني بر ريخته گري است و محققان در اين روش نانو ذرات را پس از ذوب زمينه، از بالاي بوته اضافه ميكنند. نكته قابل توجه افزايش ويسكوزيته فلز مذاب با افزايش درصد حجمي نانو ذرات است كه براي حل اين مشكل، دماي مذاب را افزايش ميدهند.

ب) روش متالورژي پودر

در اين روش، پودرهاي آلياژي يا خالص فلزي با نانو ذرات مخلوط ميگردند و سپس با پرس كردن ذرات پودر در داخل قالب و تف جوشي، ذرات پودري به يكديگر متصل ميشوند و با كاهش درصد حفره ها، چگالي افزايش مي یابد. روش متالورژي پودر در مقايسه با روش ريخته گري داراي مزاياي زير است:  در حالت جامد- جامد، واكنش بين فاز دوم و زمينه به حداقل مقدار ممكن ميرسد.

 امكان كنترل دقيق حجم فاز دوم به اين روش ممكن است.

 امكان كنترل ضريب انبساط حرارتي و مدول كامپوزيت متناسب با كاربرد آن در اين روش وجود دارد. اين روش البته، معايبي هم دارد. از قبيل: احتمال تجمع ذرات فاز تقويت كننده و توزيع غير يكنواخت آنها در ساختار كامپوزيت، تفاوت اندازه ذرات فاز زمينه و تقويت كننده. اختلاف چگالي ذرات و باردارشدن آنها مهمترين دليل توزيع غير يكنواخت فاز تقويت كننده و تجمع ذرات است. يكي از روش هاي مبتني بر متالورژي پودر، روش پرس با سينتر همزمان است كه در طي آن ميكرو پودرهاي زمينه با نانو ذرات تقويت كننده در محفظه اي به مدت چند ساعت و با سرعت مشخص مخلوط ميشوند تا درنهايت، تحت فشاري باهم فشرده شوند.

ج) روش آلياژسازي مكانيكي

در حال حاضر آلياژسازي مكانيكي مهمترين روش توليد نانو كامپوزيت هاي زمينه ي فلزي است. در اين روش، ذرات نانو پودري دو فاز با يكديگر آسياب ميشوند، و با تغيير شكل، جوش خوردن و شكست ذرات بصورت مكرر انتقال مواد صورت مي پذيرد. درصورتيكه ذرات نانو پودر تركيب شيميايي يكساني داشته باشند و با عمليات فقط اندازه ي ذرات كاهش يابد، فرايند آسياب مكانيكي اتفاق مي افتد، ولي چنانچه آسياب مكانيكي با انجام واكنش شيميايي در حالت جامد- جامد و يا جامد- گاز همراه باشد، فرايند آسياب واكنشي ناميده ميشود. براي ايجاد پودرهاي كامپوزيتي ميتوان با اضافه كردن مستقيم ذرات فاز تقويت كننده به ذرات زمينه و آسياب همزمان اين ذرات، نانو پودرهاي كامپوزيتي تهيه كرد. با افزايش زمان آسياب كردن تحت انرژي زياد، ميتوان ابعاد فاز تقويت كننده و حتي اندازه دانه هاي زمينه را تا حد نانو متر كاهش داد. قابل ذكر است كه آسياب همزمان، توزيع يكنواختي از ذرات نانومتري تقويت كننده در فاز زمينه را بدست ميدهد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

این قسمت نباید خالی باشد
این قسمت نباید خالی باشد
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.

نوزده − دوازده =