مقالات
در حال خواندن
نانوکامپوزیت‌ها
4

نانوکامپوزیت‌ها

توسط مهدی شاهدی اصل۲۸ آبان, ۱۳۹۶

کشف مواد و پیشرفت آنها از پایه‌های تمدن بشری به شمار می‌روند به گونه‌ای که دوره‌های تاریخی را به نام مواد نامگذاری کرده‌اند: عصر سنگ، عصر مس، عصر برنز، عصر آهن، عصر سیلیسیم و عصر کربن (دوره کنونی). عصر نوین با شناخت یک ماده تازه آغاز نمی‌شود، بلکه می‌توان با بهینه کردن و آمیختن چند ماده از پیش شناخته شده بدان پای گذاشت.

دیباچه

از دیدگاه مهندسی، مواد با توجه به کاربرد آنها به سه گروه اصلی فلزها، سرامیک‌ها و پلیمرها دسته‌بندی می‌شوند (شکل ۱). هر چند امروزه گروه‌های دیگری همچون کامپوزیت‌ها، فوم‌ها، نیمه رساناها و زیست مواد را نیز می‌توان به این دسته‌بندی افزود. فلزها، موادی با استحکام بالا هستند که کاربرد گسترده‌ای در صنعت دارند. فلزها چکش‌خوار هستند و از انعطاف‌پذیری خوبی برخوردارند. رسانایی الکتریکی و گرمایی بالا از ویژگی‌های مهم فلزها است. فلزها نور را از خود عبور نمی‌دهند و در صورت صیقلی شدن سطح، دارای جلای فلزی می‌شوند. بیشتر سرامیک‌ها ترکیبی از مواد فلزی و نافلزی به شکل اکسیدها، نیتریدها، بوریدها و کاربیدها هستند. بیشتر سرامیک‌ها نارسانای گرما و برق هستند، استحکام فشاری بالایی دارند ولی از دسته مواد ترد و شکننده به شمار می‌روند. پلیمرها مولکول‌های رشته‌ای درازی بر پایه کربن و هیدروژن دارند که به صورت مواد لاستیکی و پلاستیکی هستند. ویژگی اصلی پلیمرها انعطاف‌پذیری، سبک بودن و مقاومت به خوردگی آنها است.

شکل ۱. جایگاه کامپوزیت در دسته‌بندی مواد مهندسی

تعریف کامپوزیت

کامپوزیت از واژه انگلیسیcompose  به معنی ترکیب کردن یا مخلوط کردن گرفته شده است که در زبان فارسی به آن ماده مرکب یا چندسازه نیز می‌گویند. کامپوزیت به ماده‌ای گفته می‌شود که از دو یا چند جزء ساخته شده باشد به شرطی که این اجزا در مقیاس ماکروسکوپی باهم خاصیتی را پدید آورند که در هیچ یک از آنها به تنهایی دیده نمی‌شود. بر اساس تعریف انجمن متالورژی آمریکا به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند ماده مجزا که سطح مشترک مشخصی میان آنها وجود داشته باشد، کامپوزیت گفته می‌شود. یک کامپوزیت چهار ویژگی زیر را دارد:

۱- حالت فیزیک آن جامد باشد.

۲- مصنوعی (ساخته دست بشر) باشد. بنابراین، چوب که یک کامپوزیت طبیعی متشکل از الیاف و چسب است، در این تعریف نمی‌گنجد.

۳- از دو یا چند فاز با خواص متفاوت تشکیل شده باشد که پراکنده کنار هم قرار گرفته‌اند.

۴- ویژگی‌های برتری داشته باشد که هیچ یک از فازهای تشکیل دهنده آن به تنهایی ندارند.

در ادامه به چند نمونه از کامپوزیت‌ها اشاره می‌شود (شکل ۲):

  • کاهگل: از ترکیب کاه و گل به دست می‌آید که هم از کاه و هم از گل قوی‌تر است.
  • بتن مسلح: بتن و فولاد ترکیب می‌شود تا بتن مسلح به دست آید.
  • تایر: کامپوزیتی از لاستیک با تقویت کننده‌ای چون فولاد، آرامید یانایلون است.

 

شکل ۲. چند نمونه از کامپوزیت‌ها: (الف) کاهگل، (ب) بتن مسلح و (پ) تایر

 اجزای تشکیل دهنده کامپوزیت عبارتند از فاز اصلی زمینه (Matrix) و فاز تقویت کننده (Reinforcement) به شرطی مقدار آن حداقل به اندازه ۵ درصد باشد. فاز تقویت کننده می‌تواند به شکل ذره (particle)، فیبر (fiber)، ویسکر (whisker) و یا ورقه (flake) به فاز زمینه کامپوزیت افزوده شود (شکل۳) 

شکل ۳. انواع شکل و مورفولوژی فاز تقویت کننده: (الف) ذره، (ب) فیبر، (پ) ویسکر و (ت) ورقه

                                                               

تعریف نانو کامپوزیت

چنانچه دست‌کم اندازه یکی اجزای سازنده کامپوزیت در مقیاس نانومتری (یک، دو یا سه بعد فاز تقویت کننده کمتر از ۱۰۰ نانومتر) باشد، به چنین ماده‌ای نانو کامپوزیت گفته می‌شود. فاز زمینه نانو کامپوزیت به صورت بلوری (فلز، سرامیک یا پلیمر) است و فازهای تقویت کننده، اغلب به شکل نانو ذره، نانو فیبر و نانو ورقه هستند. به دلیل افزایش چشمگیر نسبت سطح به حجم/ فصل مشترک فاز تقویت کننده با فاز زمینه، نانو کامپوزیت دارای خواص بهبود یافته‌تری نسبت به کامپوزیت مشابه خواهد بود. فناوری مواد نانو، به راستی فرصتی طلایی برای انقلاب در دنیای کامپوزیت‌ها است. کامپوزیت‌ها (نانو کامپوزیت‌ها) بر اساس جنس ماده فاز زمینه به سه گروه کامپوزیت‌های پایه پلیمری، کامپوزیت‌های پایه فلزی و کامپوزیت‌های پایه سرامیکی دسته‌بندی می‌شوند. در شکل ۴ مثالی از فازهای سازنده یک نانو کامپوزیت زمینه پلیمری تقویت شده با نانولوله کربنی نشان داده شده است.

شکل ۴. یک نانو کامپوزیت زمینه پلیمری تقویت شده با نانولوله کربنی

ویژگی‌ها و کاربرد نانو کامپوزیت‌ها

به طور کلی هدف از ساخت کامپوزیت‌ها، افزایش خواص مکانیکی ماده (مانند استحکام، سختی، انعطاف‌پذیری و چقرمگی)، ارتقای خواص فیزیکی ماده (همچون چگال شدن یا دستیابی به چگالی نظری، خواص نوری، خواص الکتریکی و خواص مغناطیسی) و یا بهبود خواص شیمیایی (مانند مقاومت به اکسید شدن) است. میزان، اندازه ، شکل (مورفولوژی) ، نحوه توزیع و چگونگی جهت‌گیری فاز تقویت کننده در فاز زمینه از عوامل موثر بر خواص نانو کامپوزیت‌ها به شمار می‌روند. از این رو و به سبب خواص ارتقا یافته این مواد، نانو کامپوزیت‌ها به شکل گسترده در صنایع دریایی، صنعت هوافضا، صنعت نفت، گاز و پتروشیمی، صنعت راه و ساختمان، صنایع بسته‌بندی مواد غذایی، صنایع دفاعی، صنایع خودرو سازی، صنایع انرژی، صنایع ورزشی و تفریحی و صنایع پزشکی کاربرد دارند. در ادامه به برخی از این کاربردها اشاره می‌شود (شکل ۵):

  • صنایع دریایی: به دلیل پایداری بسیار زیاد کامپوزیت‌های زمینه پلیمری و مقاومت بسیار خوب در محیط‌های خورنده در ساخت بدنه قایق‌ها و کشتی‌ها و تاسیسات فراساحلی به کار می‌روند.
  • صنعت هوافضا: کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی به خاطر خواص فوق دما بالای خود در ساخت دماغه و بال‌های فضاپیماها، بدنه هواپیماها، پره‌های بالگردها، پوشش رادار هواپیماها و لباس فضانوردان کاربرد دارند. سازمان فضایی آمریکا (ناسا) در حمایت از فناوری نانو بسیار فعال است. از مهم‌ترین اثرات فناوری نانو در فضاپیماها، هواپیماهای تجاری و حتی فناوری موشک، کاهش وزن مواد ساختمانی سازه‌های بزرگ درونی و بیرونی، جداره سیستم‌های درونی، اجزای موتور راکت‌ها یا صفحات خورشیدی است. در کشورمان ایران نیز در چند سال اخیر پژوهش‌های گسترده‌ای در این راستا به انجام رسیده است و همچنان ادامه دارد.
  • صنعت نفت، گاز و پتروشیمی: از مواد کامپوزیتی در ساخت و تقویت سازه‌ها و همچنین در بازسازی لوله های فرسوده انتقال نفت و گاز استفاده می‌شوند.
  • صنعت انرژی: کامپوزیت‌ها به عنوان عایق گرما برای دیواره توربین‌ها، قاب لامپ‌های روشنایی و همچنین در ساخت باتری‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
  • صنعت ساخت و ساز (عمران): تحمل بار کامپوزیت ۶ تا ۷ برابر بتون آرمه است و تنها ۲۰ درصد وزن آن را دارد. طول عمر آن نسبت به مواد مشابه فولادی و بتنی چند برابر است. عدم انقباض در فصل سرما، مقاومت به زنگ زدن در محیط مرطوب و عدم خوردگی در دریا از ویژگی‌های آن به شمار می‌رود. استفاده از این مواد، کاهش هزینه تولید سازه‌های پیش‌ساخته و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری را به دنبال دارد.
  • صنعت بسته بندی مواد غذایی: نانوکامپوزیت‌های زمینه پلیمری دارای بازدارندگی در برابر ورود اکسیژن و رطوبت و همچنین خروج گازها هستند. با جلوگیری از پیدایش باکتری و کپک به افزایش ماندگاری مواد غذایی می‌انجامند. زیست تخریب‌پذیر هستند و تولید زباله کمتری را در پی دارند. به هر حال، هنگام استفاده از این مواد باید به ملاحظات بهداشتی و سلامتی (عدم ورود نانو ذرات به غذا) توجه ویژه‌ای داشت.

    شکل ۵. کاربرد گسترده نانو کامپوزیت‌ها در صنایع گوناگون

 

تجاری سازی نانوکامپوزیت‌ها

شرکت تویوتا در سال ۱۹۸۰ میلادی نانوکامپوزیت پلیمر- خاک رس را در خودرو سازی به کار برد. در سال ۱۹۸۸ میلادی، نخستین ترکیب نانومغناطیس توسط شرکت هیتاچی در ساخت مبدل‌ها مورد استفاده قرار گرفت. کاربرد نخستین نانو کامپوزیت سرامیکی به سال ۱۹۸۸ میلادی برمی‌گردد که شرکت اینفرامات از آن در ساخت سپرهای حرارتی بهره برد. اخیرا یک خودرو توسط شرکت جنرال‌موتورز طراحی شده است که به سبب استفاده از مواد نانوکامپوزیتی در بخش‌های مختلف آن، وزن خودرو نزدیک به ۸ درصد سبک‌تر از نمونه‌های مشابه پیشین است. افزون بر سبک بودن خودرو که کاهش مصرف سوخت را در پی دارد، چنین خودرویی در برابر تغییرات دمایی مقاومت‌تر است.

 بازار مصرف جهانی نانوکامپوزیت‌ها نرخ رشد بسیار بالایی در سال‌های اخیر داشته است و نمودار روند رشد آن در آمریکای شمالی در شکل ۶ به نمایش درآمده است. در شکل ۷ نیز نمودارهای مصرف جهانی نانوکامپوزیت‌ها بر حسب نوع و کاربرد آنها نشان داده شده‌اند.

شکل ۶. روند و پیشگویی بازار نانوکامپوزیت‌ها در آمریکای شمالی (میلیون دلار)

الف

ب

شکل ۶. مصرف جهانی نانوکامپوزیت‌ها بر حسب (الف) نوع و (ب) کاربرد آنها در سال‌های ۲۰۰۵ و ۲۰۱۱ میلادی

چشم‌انداز آینده نانوکامپوزیت‌ها

استفاده از فناوری نانو و نانو کامپوزیت‌ها در صنایع گوناگون موجب دگرگونی‌ها و پیشرفت‌های بزرگی شده است. به کارگیری این فناوری نوین موجب رفاه و رونق اقتصادی، بهبود کیفیت زندگی و توسعه پایدار را به دنبال دارد. فناوری نانو کامپوزیت‌ها با ساخت مواد نوین و بهینه‌سازی ویژگی‌های آنها به پیشرفت صنعتی کمک شایانی نموده است. ارتقای توان دفاعی کشور با استفاده از فناوری نانو کامپوزیت‌ها با توجه به موقعیت استراتژیک ایران، ضرورت بسیار بالایی دارد و به برنامه‌ریزی دقیق و تامین سرمایه لازم از جانب نهادهای مرتبط در راستای پیشرفت هر چه بیشتر در این زمینه نیاز است. افزون بر مقالات متعددی که در سال‌های اخیر در زمینه نانو کامپوزیت‌ها به انتشار درآمده است، کشورهای پیشرفته توجه ویژه‌ای به ثبت اختراع در زمینه داشته‌اند به گونه‌ای که سهم پتنت‌های درخواست داده شده برای ثبت حدود ۲۰ درصد کل موارد مرتبط با فناوری نانو را دربرمی‌گیرد. به نظر می‌رسد که پژوهشگران ایرانی هر چند در راستای چاپ مقالات نانو کامپوزیتی موفق عمل کرده‌اند ولی در زمینه ثبت پتنت، به توجه و اهتمام بیشتری نیاز است.

مراجع

  1. علی رسولی، کامپوزیت‌های زمینه پلیمری، ویراستار: مهدی شاهدی اصل، انتشارات آرتا پژوهش کاوه، ۱۳۹۲.
  2. مهدی شاهدی اصل، احمد بهمنی و فرید انوشه‌پور، دانش مواد، چاپ دوم، انتشارات آرتا پژوهش کاوه، ۱۳۹۶.
  3. ایمان فرح‌بخش، صاحبعلی منافی، مهدی شاهدی اصل و بهزاد نایبی، روش‌های اندازه‌گیری در مقیاس نانو، سازمان چاپ و انتشارات دانشگاه آزاد اسلامی، ۱۳۹۵.
  4. ایمان فرح‌بخش و مهدی شاهدی اصل، تاثیر متغیرهای فرآیند بر چگالش نانو سرامیک دی‌بورید زیرکونیم ساخته شده به روش پرس گرم تحت خلاء، نانومواد، ۱۳۹۴.
  5. Mehdi Shahedi Asl, Iman Farahbakhsh, Behzad Nayebi, Characteristics of multi-walled carbon nanotube toughened ZrB۲–SiC ceramic composite prepared by hot pressing, Ceramics International, Volume 42, Issue 1, Part B, 2016.
  6. Mehdi Shahedi Asl, Mahdi Ghassemi Kakroudi, Characterization of hot-pressed graphene reinforced ZrB۲–SiC composite, Materials Science and Engineering: A, Volume 625, 2015.
  7. Abbas Sabahi Namini, Maziyar Azadbeh, Mehdi Shahedi Asl, Effect of TiB۲ content on the characteristics of spark plasma sintered Ti–TiBw composites, Advanced Powder Technology, Volume 28, Issue, 2017.
  8. Mehdi Shahedi Asl, Microstructure, hardness and fracture toughness of spark plasma sintered ZrB۲–SiC–Cf composites, Ceramics International, Volume 43, Issue 17, 2017.
  9. علی عباسی (مترجم)، نانو کامپوزیت‌ها: انواع، کاربردها و بازار، به سفارش: ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، ۱۳۹۰.

 

نویسنده: دکتر مهدی شاهدی اصل – عضو هیئت علمی دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه محقق اردبیلی

واکنش شما چیست؟
I like it
94%
interested
6%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
مهدی شاهدی اصل

دکتر مهدی شاهدی اصل – عضو هیئت علمی دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه محقق اردبیلی

  • دکتر محمدرضا فروزانمهر (کانادا)
    ۳۰ آبان, ۱۳۹۶ در ۱۳:۳۸

    سلام استاد،
    امیدوارم که خوب و خوش باشی.
    من مقاله نانوکامپوزیتها رو خواندم و بنظرم مقاله خیلی خوبیه و برای معرفی به مخاطب عامی میتونه خیلی مثمر ثمر باشه
    چند تا پیشنهاد داشتم.
    در بحث اجزا تشکیل دهنده بد نیست وظایف هر جز گفته بشه مثلا اینکه وظیفه ماتریس(زمینه) نگهداری تقویت کننده در کنار هم، انتقال بار بین آنها و حتی حفاظت از تفویت کننده در برابر محیطهای خورنده است.
    یک نکته اساسی دیگه که خیلی خوبه اضافه بشه جز فصل مشترک(interface) و میان فاز (interphase) . چون تقریبا تمام خصوصیات فیزیکی و مکانیکی کامپوزیتها به اینها وابسته هستن.
    اگر چه به فاکتورهای دیگه اساره شده مثل مورفولوژی ولی از فصل مشترک نام برده نشده. نکته آخر در مورد کاربردها در صنایع راه ساختمان کامپوزیتهایی که داره استفاده میشه FRP فایبر رینفورس پلیمر هست که نود درصد هم GFRP گلس فایبر رینفورس پلیمرن.
    در بحث نانو هنوز در حد تحقیقات وبعنوان افزودنی برای افزایش خواص استفاده میشه و کاربرد گسترده ندارن.

    ۲

    ۰
    • مهدی شاهدی اصل
      ۳۰ آبان, ۱۳۹۶ در ۱۹:۲۴

      درود بر شما دکتر جان
      از دیدگاههای ارزشمند شما سپاسگزارم
      حتما در نسخه های آتی این مقاله، نقطه نظرات ارزنده جنابعالی اعمال خواهد شد

      ۱

      ۰
  • Researcher
    ۲۸ آبان, ۱۳۹۶ در ۲۲:۵۲

    خیلی مفید و جامع بود! 👌👌👌

    ۲

    ۰

پاسخ بدهید