موضوعات داغ فناوری نانو 2015: نانو کامپوزیت و نانو مواد با مقاومت بالا

 با پیشرفت فناوری نانو در زمینه ها و رشته های مختلف ،کاربرد آن در صنایع نیز گسترش یافته است . به خصوص با حضور موادی مانند کامپوزیتها ، این کاربردها نیز بیشتر شده است . نانو کامپوزیت می تواند یک ماتریس یک بعدی ، دو بعدی و یا سه بعدی باشد که ذراتی با اندازه ی کمتر از 100 نانو متر به آن اضافه شده است تا خواص آن را بهبود بخشد .وجود این مواد کامپوزیتی می تواند خواص ویژه ای همچون سختی ،رسانش الکتریکی و حرارتی ،چگالی ،مقاومت کششی ، شکل پذیری و مقاومت در برابر سایش را تقویت کند .

نانو کامپوزیتها را می توان از فلز ، پلیمر و یا سرامیک بدست اورد . نانو کامپوزیتهای ماتریس فلزی(MMNCs )هنوز در مرحله ی ابتدایی رشد خود قرار دارند اما تاکنون تعداد زیادی از این مواد سنتز شده است . MMNCs را می توان توسط متالورژی پودر ،فرآیند تغییر شکل ،فرآیند فاز بخار و فرآیند انجماد تولید کرد. متالورژی پودر شامل ترکیب مواد پودری با تقویت کننده هایی است که سپس توسط پخت مخلوط پودر ،کامپوزیت تشکیل می شود . با استفاده از این مکانیسم ، نانو کامپوزیت ماتریس فلزی زیادی همچون Mg-SiC ،Al-CNT ( نانو لوله کربنی )، Cu-CNT و Ti-SiC سنتز شده است .

فرآیند انجماد که یک فرآیند ارزان برای تولید این مواد است ،می تواند شامل سه مکانیسم مختلف باشد . این مکانیسم ها  در بر گیرنده ی انجماد سریع ،مخلوط کردن تقویت کننده های نانویی به مایع و نفوذ مایع در تقویت کننده توسط انجماد  است . با استفاده از این مکانیسم MMNCs مختلفی همچون Al-SiC, Mg-SiC, Al-CNT, Al-Diamond سنتز شده است .

توانایی هر نانو کامپوزیت فلزی برای بهبود خواص بستگی به عوامل مختلفی همچون خواص تقویت کننده و توزیع و قدرت بین تقویت کننده و ماتریس دارد . یکی ا ز چالش های موجود در Al-CNT  است که در طول فرآیند تولید، امکان تولید آلومینیوم کاربید نیز وجود دارد . تشکیل این ماده ی شکننده و بی دوام می تواند رسانش الکتریکی و خواص فیزیکی و مکانیکی نانو کامپوزیت را تحت تاثیر قرار دهد . برای جلوگیری از تولید چنین موادی در طول فرآیند ،روشهایی گسترش یافته اند تا اطمینان حاصل شود که پراکندگی و توزیع یکنواختی انجام خواهد گرفت .

کاربردهای صنعتی :

MMNCs با موفقیت در صنایع مختلفی همچون صنعت خودروسازی و هوا فضا به کار گرفته شده است .این محصولات می تواند استحکام و امنیت بیشتری برای مشتریان به همراه داشته باشد. به عنوان مثال ، نانو کامپوزیتها ، مقاومت در برابر سایش و رسانش بالایی در اجزای تشکیل دهنده ی سیستم های ترمز ایجاد کرده اند . در حالیکه پیش بینی می شود نانو کامپوزیتها باعث ایجاد صرفه جویی مهمی در مواد و انرژی شود  اما باید مطالعات بیشتری برای تولید مواد توده ای با نقوص کمتر و قیمت ارزانتر  انجام شود . صنعت هوا فضا  نیز موفقیتهای زیادی در کاربرد نانو کامپوزیتها از طریق نانو لوله های کربنی ،نانو ذرات رس ، نانو فیبرها ، فیبر شیشه ای  ،کامپوزیتهای کربن-کربن و سایر ساختارهای چند لایه ای داشته است .

همچنین نانو پوشش های سرامیکی مانند ZrO2 به خاطر حفاظت حرارتی خود در موتورهای توربوی هوا پیماها مورد استفاده قرار میگیرد.این حفاظهای  تک وچند لایه باعث ایجاد مقاومت حرارتی شده و از خوردگی و فرسایش جلوگیری میکند.

کامپوزیتهای گرافنی :

گرافن به خاطر انعظاف پذیری ، شفافیت ، استحکام و خاصیت رسانایی الکتریکی و حرارتی خود برای بهوبد خواص کامپوزیتهای پلیمری مورد استفاده قرار میگیرد. درسالهای گذشته ، آزمایشگاهها از به کارگیری موادی شبیه گرافن در کامپوزیتها ناموفق بودند زیرا پیوند ضعیفی که بین ورقه های گرافنی وجود داشت اغلب باعث ایجاد انبوهی از آنها شده و نامنظمی  هایی در کامپوزیتها ایجاد میکند. برای جلوگیری از این مشکل ،دانشمندان آزمایشگاه ملی Oak Ridge  ، کامپوزیتهایی با استفاده از  ورقه های گرافنی مسطح و یا لوله ای  ایجاد کرده اند . از طریق رسوب بخار شیمیایی ، این دانشمندان  قادر به ایجاد ورقه های گرافنی از بخار هیدروکربن برروی کاتالیستهای فلزی  مانند مس  شده اند .

 

توسعه نانوکامپوزیتها :

با گسترش تقاضاهای تجاری و صنعتی ، سازمانهایی مانند iGCAuto به همراه دانشگاه Sunderland در تولید انبوهی از نانوکامپوزیتهای گرافنی نقش عمده ای داشته اند .با استفاده از نانو کامپوزیتهای گرافنی وزن ماشینها 30 تا 50 درصد کاهش یافته است . همچنین مطالعات زیادی در مورد نقش مواد مبتنی بر گرافن در بهبود استحکام ، پایداری ، رفتار حرارتی انجام شده است . موسسه ی ملی برای ساخت نانو کامپوزیتها (IINM) نیز مطالعات کاربردی و اساسی در مورد تولید مواد نانوکامپوزیتی امن و پیشرفته انجام داده است . مطالعات انجام شده توسط این سازمان در صنعتهای مختلفی مانند مخابرات ، الکترونیک ، هوافضا ، خودور ، امنیت ، داروسازی و پزشکی موفقیت های بسیاری کسب کرده است .اپوکسی رزین رسانای الکتریکی یکی از این کامپوزیتهایی است که این شرکت توسعه  گسترش داده اند . این کامپوزیتها رسانایی الکتریکی کامپوزیتهای کربنی استفاده شده در هواپیما ها را افزایش داده است.

نتیجه :

توسعه ی تدریجی مواد نانوکامپوزیتی  ،سری جدید و گسترده ای از گزینه های بهبودی برای صنایع بی شماری  ارائه کرده است . این طیف گسترده ای از کاربردهای نانو کامپوزیتی ، پتانسیل صرفه جویی در هزینه را داراست .  در حالیکه محققان پیشرفتهای قابل توجهی در زمینه های علمی داشته اند ، تجزیه و تحلیل و آزمایشهای بیشتری برای اطمینان از امنیت و قابل اعتماد بودن این فناوری پیشرفته نیاز است .   

منبع : azonano.com