نانو کامپوزیت چیست؟ [تاریخچه، انواع و کاربردها]
در سالهای اخیر، دانش و مهندسی نانو گسترش چشمگیری داشته است و تحقیقات این حوزه از جمله نانو کامپوزیت ها دامنه وسیعی از سیستم های مواد و کاربردهای آنها را در بر میگیرد. نانوفناوری از دو کلمه ی نانو و فناوری تشکیل شده است و به معنای طراحی، ساخت و بکارگیری ذرات در ابعاد 1 الی 100 نانومتر میباشد. در واقع نانو فناوری عبارت است از تکنولوژی هایی که در ابعاد نانومتری عمل میکنند. نانومتر واحد اندازه گیری طول و برابر یک میلیاردیم متر است. با توجه به اینکه ابعاد اتم ها و ملکول ها در مقیاس نانو متر است، لذا میتوان با تغییر چیدمان اتم ها و ملکول ها با ساختارهایی با ویژگی های منحصر بفرد دست یافت. به همین علت، برای شناسایی ساختارهایی در گستره نانو، نیاز به ایجاد روش ها و تکنیک هایی به نام نانوتکنولوژی میباشد. واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 عنوان شده است. در واقع نانوتکنولوژی فهم و بکارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم ها در ابعاد نانو است که اثرات فیزیکی جدیدی که عمدتاً متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک است، از خود نشان میدهند. نانو تکنولوژی میتواند به عنوان ادامه دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح ریزی دانش کنونی بر پایه های جدیدتر و امروزی تر باشد.
پیشنهاد مکتبی نو: مواد کامپوزیتی
تاریخچه نانو فناوری
در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و بخصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند که مواد را میتوان آنقدر به اجزاء کوچک تقسیم کرد تا به ذراتی رسید که دیگر قابل کوچکتر شدن نیستند و این ذرات بنیان مواد را تشکیل میدهند. شاید بتوان دموکریتوس فیلیوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که در حدود 400 سال قبل ار میلاد مسیح او اولین کسی بود که واژه اتم را که به معنی تقسیم نشدنی درزبان یونانی است برای توصیف ذرات سازنده مواد بکار برد. نقطه شروع و توسعه اولیه فناوری نانو به طور دقیق مشخص نیست. شاید بتوان گفت که اولین نانو تکنولوژیستها شیشه گران قرون وسطایی بودهاند که با اضافه کردن طلا رنگ شیشه ها را تغییر میدادند. در آن زمان برای ساخت شیشه های کلیساهای قرون وسطایی از ذرات نانومتری طلا استفاده میکردند و با این کار شیشه هایی رنگی بسیار جذابی بدست میآوردند.
پیشنهاد مکتبی نو: سالیدورک چیست؟
در واقع یافتن مثال هایی برای استفاده از نانو ذرات فلزی چندان سخت نیست. رنگدانه های تزیینی جام مشهور لیکرگوس در روم باستان (قرن چهارم بعد از میلاد) نمونه ای از آنهاست. این جام هنوز در موزه بریتانیا قرار دارد و بسته به جهت نور تابیده به آن رنگهای متفاوتی دارد. آنالیز این شیشه حکایت از وجود مقادیر بسیار اندکی از بلورهای فلزی ریز nm 700 دارد، که حاوی نقره و طلا با نسبت مولی تقریبا 14 به 1 است که حضور این نانو بلورها باعث رنگ ویژه جام شده اس.
در سال 1959 ریچارد فاینمن مقالهای را دربارة قابلیتهای فناوری نانو در آینده منتشر ساخت. با وجود موقعیتهایی كه توسط بسیاری تا آن زمان كسب شده بود، ریچارد. پی. فاینمن را به عنوان پایه گذار این علم میشناسند. فاینمن كه بعدها جایزه نوبل را در فیزیك دریافت كرد درآن سال در یك مهمانی شام كه توسط انجمن فیزیك آمریكا برگزار شده بود، سخنرانی كرد و ایده فناوری نانو را برای عموم مردم آشكار ساخت. سخنرانی او شامل این مطلب بود كه میتوان تمام دایرهالمعارف بریتانیكا را بر روی یك سنجاق نگارش كرد. یعنی ابعاد آن به اندازه 25000/1 ابعاد واقعیش كوچك میشود. او همچنین از دوتاییكردن اتمها برای كاهش ابعاد كامپیوترها سخن گفت. در آن زمان ابعاد كامپیوترها بسیار بزرگتر از ابعاد كنونی بودند اما او احتمال میداد كه ابعاد آنها را بتوان حتی از ابعاد كامپیوترهای كنونی نیز كوچكتر كرد. او همچنین در آن سخنرانی توسعه بیشتر فناوری نانو را پیشبینی نمود
دوره ی جامع سالیدورک از صفر تا صد | کاملترین دوره سالیدورک
آموزش مهندسی معکوس با Geomagic Design X
آموزش جئومجیک سالیدورک (Geomagic for SolidWorks)
نانو کامپوزیت ها
واژه نانوکامپوزیت به کامپوزیت هایی که حداقل یکی از ابعاد پراکنده در آن در مقیاس نانو (متر) باشد، اطلاق میشود. در واقع یک یا چند جزء از آن، ابعادی کمتر از 100 نانو متر دارد. نانو کامپوزیت ها از دو فاز تشکیل شده اند. فاز اول یک ساختار بلوری است و از جنس پلیمر، فلز و یا سرامیک میتواند باشد که پایه یا ماتریس نانو کامپوزیت می نامند. فاز دوم نیز ذراتی در مقیاس نانو متر می باشند که به عنوان تقویت کننده که معمولا با درصد خیلی پایین (حداکثر 10 درصد) در درون فاز اول پراکنده میشود و مدول، استحکام و بسیاری خواص مکانیکی دیگر را بهبود می بخشد. نانو کامپوزیت ها پلیمری علاوه بر افزایش خواص مهندسی، در افزایش کارایی الکتریکی، پایدارسازی در مقابل UV، تاخیر اندازی آتش و کنترل کریستالیزاسیون پلیمر کارایی فوق العادهای نشان می دهند.
تقسیم بندی نانوکامپوزیت ها براساس ابعاد ذرات پرکننده
با کاهش ابعاد ذرات از میکرو به نانو تغیرات اساسی در خواص فیزیکی ذرات رخ میدهد. مواد در مقیاس نانو دارای سطح بزرگ نسبت به حجم را دارا میباشند. از آنجا که بسیاری از خواص مهم فیزیکی و شیمیایی وابسته به سطوح ذره است در نتیجه یک معیار مهم برای درک رابطه بین ساختار نانوکامپوزیت ها و خواص آنها ضریب نسبت سطح به حجم فاز تقویت کننده میباشد. بطور کلی نانوکامپوزیت ها را میتوان با توجه به ماده تقویت کننده در سه گروه کلی طبقه بندی نمود:
تقویت شده با ذرات (سیلیکا، فلزات، ذرات آلی و غیر آلی) هی سه بعد فاز پرکننده در مقیاس نانومتر است و نانو ذرات دارای ابعاد یکسان هستند، مانند ذرات سیلیکای کروی بدس آمده با روش های سل ژل یا پلمیریزاسیون و همچنین نانو کلاستر های نیمه رسانا که از انجام پلیمریزاسیون، مستقیما روی سطح ذرات بدست می آیند.
تقویت شده با مواد لایه ای (گرافیت، سیلیکات لایه ای و دیگر مواد معدنی لایه ای) دو بعد فاز پرکننده در مقیاس نانومتر بوده و بعد سوم بزرگتر است که در این حالت یک ساختار کشیده ایجاد می شود. در این قسمت می توان از نانولوله ها (مانند نانولوله های کربنی) نام برد.
تقویت شده با مواد رشته ای (نانو الیاف ها) فاز پرکننده فقط دارای یک بعد در مقیاس نانومتر است. در این مورد پرکننده بصورت ورق هایی با ضخامت یک یا چند نانومتر با طول صدها یا هزاران نانومتر می باشد. این خانواده کامپوزیت های متشکل از ماتریس پلیمری و پرکننده معدنی، نانو کامپوزیت های پلیمر کریستال لایه ای نامیده می شوند.
تقسیم بندی نانو کامپوزیت ها بر اساس نوع زمینه
نانو کامپوزیت های پایه پلیمری
این نوع کامپوزیت ها دارای زمینه آلی (پلیمری) و فاز دوم غیر آلی (سرامیکی، فلزی یا کربنی) در ابعاد نانومتر است و بیشتر تحت عنوان نانو کامپوزیت هیبریدی آلی و غیر آلی شناخته می شوند. از دلایل گسترش نانو کامپوزیت های پلیمری، خواص بی نظیر مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی آن است. نانو کامپوزیت های پلیمری عموما دارای استحکام بالا، وزن کم، پایداری حرارتی بالا، رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت شیمیایی بالا هستند. به نحوی که با افزایش درصد کمی از نانو ذرات به یک پلیمر خالص، استحکام کششی، استحکام تسلیم و مدول یانگ افزایش چشمگیری مییابد. از دیگر کاربردهای نانوکامپوزیت های پلیمری، پوشش های مقاوم به سایش، پوشش های مقاوم به خوردگی، پلاستیک های رسانا، حسگرها و غیره می توان نام برد.
نانو کامپوزیت های پایه سرامیکی
این مواد که بخش عمده تشکیل دهنده آنها مواد غیر فلزی و غیر آلی می باشند، از یک فاز تقویت کننده ریز (معمولا کوچکتر از 100 نانومتر) درون دانه های بزرگتر یک زمینه تشکیل شده اند. از جمله خواص آنها می توان به خواص مکانیکی شامل استحکام خمشی و مدول الاستیک قابل توجه آنها اشاره کرد. سرامیک ها به دلیل پیوند یونی و کوالانسی دارای چقرمگی شکست کم و نیز دارای تغییر شکل پلاستیک محدود می باشند که این مشکل را می¬توان با ساخت نانوکامپوزیت های سرامیکی برطرف نمود. به عنوان مثال می توان به نانوکامپوزیت هایی با پایه اکسید آلومینیم یا نیترات سیلیسیم اشاره نمود.
نانو کامپوزیت های فلزی/سرامیکی
این نوع کامپوزیت ها عمدتا دارای یک جزء سرامیکی با دمای ذوب بالا و یک جزء فلزی با دمای ذوب پایین هستند. در عمل جزء سرامیکی استحکام را در دمای بالا تامین می کند و جزء فلزی دارای پایداری و دوام بالایی است.
نانو کامپوزیت های پایه فلزی
کامپوزیت های زمینه فلزی، کم وزن، دارای استحکام و سختی بالایی و دارای قابلیت کششی محدود مباشند که که در نانوکامپوزیت های فلزی محدودیت کامپوزیت زمینه فلزی بر طرف شده است. تبدیل کامپوزیت به نانوکامپوزیت سبب افزایش استحکام و رفع محدودیت های مذکور می شود. نانو کامپوزیت های پایه منیزیم که در سال های اخیر به دلیل چگالی کم، استحکام بالا، مقاومت به خزش بالا و پایداری حرارتی مناسب گسترش چشمگیری داشته اند. نانو کامپوزیت های پایه منیزیم کاربرد های گسترده ای در صنایع هوایی و خودروسازی دارند. نانو کامپوزیت های پایه فلزی حاوی نانو لوله های کربنی نیز از اهمیت ویژه ای برخوردارند. نانو لوله ها می توانند سبب افزایش و یا بهبود خواصی نظیر رسانایی، استحکام، مقاومت و غیره در نانو کامپوزیت های پایه فلزی شوند.
کاربرد نانو کامپوزیت ها در صنایع مختلف
صنعت نفت
جهت ساخت مته های مورد استفاده برای حفاری با پوشش های نانو به منظور افزایش استحکام.
صنایع دریایی
جهت ساخت بدنه شناورها به منظور جذب ارتعاش، جذب صوت و افزایش استحکام
ساختمان سازی
ساخت بتن های تقویت شده با نانو ذرات
صنعت حمل و نقل
جهت افزایش استحکام به وزن خودرو ها به منظور کاهش مصرف سوخت
مطالب زیر را حتما مطالعه کنید
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) چیست؟
کاربرد هوش مصنوعی در مهندسی مکانیک
هیدرولیک چیست؟ | اجزا و انواع سیستم هیدرولیک
دیدگاهتان را بنویسید