تحقیق آشنایی با نانو کامپوزیت ها



فصل یکم

مقدمه ای بر نانوتکنولوژی

1-1) مقدمه
سال 1959 سالی تاریخی برای علم و تکنولوژی است. در این سال فناوری مهندسی مولکولی (نانوتکنولوژی) اولین بار توسط ریچارد فاینمن1، برنده جایزه نوبل فیزیک که ملقب به پدر علم نانوتکنولوژی است مطرح شد. وی بیان کرد فضای زیادی در پایین وجود دارد2. همین جمله پایه علم نانوتکنولوژی شد. در حقیقت او این نکته را مطرح ساخت که اصول علم فیزیک چیزی جز امکان ساختن اتم به اتم اشیاء بیان نمی کنند. او پیشنهاد کرد که می توان اتم های مجزا را دستکاری کرد و مواد و ساختارهای کوچکی را تولید نمود که خواص متفاوتی دارند.
در دهه 50 و 60 میلادی فعالیت های زیادی روی ذرات فلزی کوچک در حال انجام بود. در آن زمان این فعالیت ها را نانوتکنولوژی نمی نامیدند. تولید سیلیکون متخلخل در سال 1965 و یا کار روی تولید ذرات نانومتری فلزات قلیایی به وسیله تبخیر فلز سدیم ، پتاسیم و چگالش سریع آن ها، از جمله این فعالیت ها بود. سیال های مغناطیسی نیز در دهه 60 توسعه یافتند. این مواد شامل نانوذرات مغناطیسی هستند که در یک مایع توزیع شده اند.

1-2) نانوتکنولوژی چیست؟
پیشوند نانو در اصل یک کلمه یونانی است. معادل لاتین این کلمه، Dwarf است که به معنی کوتوله و قد کوتاه است. این پیشوند در علم مقیاس ها به معنی یک میلیاردم است.
بنابراین این یک نانومتر، یک میلیاردم متر است. این مقیاس را با ذکر مثال هایی عینی، بهتر می توان حس کرد. یک تار موی انسان بطور متوسط قطری حدود 50000 نانومتر دارد. کوچکترین اشیای قابل دید توسط چشم غیرمسلح اندازه ای حدود 10000 نانومتر دارند.
به بیان ساده تر علم نانو مطالعه اصول اولیه مولکول ها و ساختارهای با ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر است. این ساختارها را نانوساختار می نامیم. نانوتکنولوژی، کاربرد این ساختارها در دستگاههای با اندازه نانومتری است.
تعریف دیگری که می توان از نانوتکنولوژی ارائه نمود این است که نانوتکنولوژی شکل جدیدی از ساخت مواد بوسیله کنترل و دستکاری واحدهای ساختمانی آن ها در مقیاس نانو است. می توان گفت نانوتکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاهها و سیستم ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته اند.
یکی از ویژگی های مهم نانوتکنولوژی، جنبه چندرشته ای بودن آن است. مفهوم چند رشته ای در نانوتکنولوژی بدان معناست که نیروی کاری نانوتکنولوژی باید دارای بینش وسیعی از مفاهیم زیست شناسی، فیزیک، شیمی، اصول مهندسی طراحی، کنترل فرآیند و محصولات باشد. برای درک مفاهیم پایه ای و تدوین قوانین در مقیاس نانو تقریباً به تمامی علوم نیاز است. اصل چند رشته ای بودن نانوتکنولوژی بیانگر این حقیقت است که این علم رشته جدیدی نیست بلکه رویکردی جدیدی در تمام رشته هاست و تمام عرصه های مختلف علم و فناوری را در برمی گیرد. آنچه باعث ظهورنانوتکنولوژی شده، نسبت سطح به حجم بالای نانو مواد است. این موضوع یکی از مهمترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو است. در مقیاس نانو، اشیاء شروع به تغییر رفتاری می کنند و رفتار سطوح بر رفتار توده ای ماده غلبه می کند.
در این مقیاس برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربرد دارند، نقض می شوند. در حقیقت در این مقیاس، قوانین فیزیک کوانتوم وارد صحنه می شوند و امکان کنترل خواص ذاتی ماده از جمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد، بدون تغییر در ترکیب شیمیایی ماده وجود خواهد داشت.

1-3) عناصر پایه در فناوری نانو
تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مدنظر نیست، بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت به خوردگی و … تغییر می یابد.
در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگتر فرق می کند.
اولین و مهمترین عنصر پایه، نانو ذره3 است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتی با ابعاد نانومتری در هر سه بعد می باشد. نانوذرات می توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و … .
دومین عنصر پایه، نانوکپسول4 است. همان طور که از اسم آن مشخص است، کپسول هایی هستند که قطر نانومتری دارند و می توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد.
عنصر پایه بعدی نانو لوله کربنی5 است. این عنصر پایه در سال 1991 در شرکت NEC کشف شد و در حقیقت لوله هایی از گرافیت می باشند. اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شکل لوله در بیاوریم، به نانو لوله های کربنی می رسیم. این نانو لوله ها دارای اشکال و اندازه های مختلفی هستند و می توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند. این لوله ها خواص بسیاری جالبی دارند که منجر به ایحاد کاربردهای جالب توجهی از آنها می شود.
عناصر پایه گوناگون و متنوع دیگری نیز وجود دارند، مانند مواد نانو بلوری توده ای، مواد نانوحفره ای، نانوالیاف ها، نانو سیم ها، فولرین ها و … . در قسمت های بعدی، با توجه به کاربردی که این عناصر پایه در ساخت نانوکامپوزیت ها دارند، به توضیح برخی از آنها خواهیم پرداخت.

1-3-1) روش های ساخت عناصر پایه
به طور کلی عناصر پایه با دو رویکرد "بالا به پایین" و "پایین به بالا" قابل ساخت می باشند. در رویکرد بالا به پایین برای تولید محصول، یک ماده توده ای را، شکل دهی و اصلاح می کنند. در حقیقت دراین روش، یک ماده بزرگ را بر می داریم و با کاهش ابعاد و شکل دهی آن، به یک محصول با ابعاد نانو می رسیم. به عبارت دیگر، اگر اندازه یک ماده توده ای را به طور متناوب کاهش دهیم تا به یک ماده با ابعاد نانومتری برسیم، از رویکرد بالا به پایین استفاده کرده ایم. این کار اغلب و نه همیشه، شامل حذف بعضی از مواد به شکل ضایعات است. مثل ماشین کاری یک بخش فلزی از یک موتور یا نانو ساختاری کردن فلزات به طریق تغییر شکل دهی که شامل ضایعات نیست. از دیگر روشهای ساخت این نوع از مواد، می توان به لیتوگرافی، فرآوری مکانیکی، فرآوری حرارتی و ریسندگی اشاره کرد.
رویکرد پایین به بالا درست عکس رویکرد بالا به پایین می باشد. دراین رویکرد محصول از کنار هم قرار دادن مواد ساده تر بوجود می آید، مانند ساخت یک موتور از قطعات آن، در حقیقت کاری که در اینجا انجام میشود، کنار هم قراردادن اتم ها و مولکولها (که ابعاد کوچکتر از مقیاس نانو دارند) برای ساخت یک محصول نانومتری است. تصور کنید قادریم اتم ها و مولکول ها را به طور واقعی ببینیم و آنها را به طور دلخواه کنار هم قرار دهیم تا شکل مورد نظر حاصل شود. معمولاً روش های پایین به بالا ضایعاتی ندارند.
رسوبی دهی فاز گاز، رسوب دهی از فاز مایع، الگو برداری از نانو ساختارها، قوس الکتریکی، خودآرایی در محلول و …، برخی از روشهای ساخت مواد با رویکرد پایین به بالا هستند.

1-4) نانوذرات
نانو ذرات رایج ترین عناصر در علم و فناوری نانو بوده و خواص جالب توجه آنها باعث گردیده است کاربردهای بسیار متنوعی در صنایع شمیایی، پزشکی و دارویی، الکترونیک و کشاورزی داشته باشند.
طبق تعریف یک نانو ذره به ذره ای گفته ای می شود که ابعادی بین 1 تا 100 نانو متر داشته باشد. نانوذرات از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند. متداولترین و پرکارترین آنها، نانوذرات سرامیکی هستند. با توجه به تعریف نانوذرات ممکن است این ذهنیت بوجود آید که این ذرات با چنین ابعادی در هوا معلق خواهد ماند. اما در واقع چنین نیست و نیروهای الکترواستاتیکی بین این ذرات، آنها را در کنار هم قرار می دهد.
نانوذرات در اندازه های پایین نانو خوشه به حساب می آیند. همچنین نانوکره ها، نانو میله ها، و نانو فنجان ها تنها اشکالی از نانوذرات در نظر گرفته می شوند. نانو بلورها و نقاط کوانتومی نیمه هادی زیر مجموعه نانوذرات هستند.
چنین نانوذراتی در زمینه های مختلف الکترونیکی و الکتریکی و بیودارویی به عنوان حامل دارو و عوامل تصویر برداری کاربرد دارند.
تعیین مشخصات نانوذرات برای کنترل سنتز، خواص و کاربرد آنها ضروری است. مشخصات این ترکیبات با استفاده از روش های گوناگون نظیر آنالیز میکروسکوپ الکترونی، AFM طیف سنجی فوتوالکترونی، x-ray و FT-IR سنجیده می شود.

نانوذرات زمینه های کاربردی زیادی دارند که مهم ترین آنها عبارتند از:
1- مواد کامپوزیت 7- باتری ها و پیل های سوختی
2- کامپوزیت های ساختاری 8- روان کننده ها
3- کاتالیزور 9- پزشکی و داروسازی
4- بسته بندی 10- محافظت کننده ها
5- روکش ها 11- آنالیززیستی و تشخیص پزشکی
6- افزودنی های سوخت و مواد منفجره 12- ساینده ها

1-4-1) خواص نانوذرات
با توجه به تعریفی که از نانو ذرات ارائه کردیم، یکی از سوال های مهم در تولید مواد نانو این است که آرایش هندسی و پایداری اتم ها با تغییر اندازه ذرات چه تغییری می کند؟
اولین اثر کاهش اندازه ذرات، افزایش سطح است. افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات باعث می شود که اتم های واقع در سطح، اثر بسیاری بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات، بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند. این ویژگی، واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهد که با استفاده از آن می توان کارآیی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو موثری بهبود بخشید و یا در تولید کامپوزیت ها با استفاده از این ذرات پیوندهای شمیایی مستحکم تری بین ماده زمینه و ذرات برقرار شده و استحکام کامپیوزیت به شدت افزایش می یابد. همچنین این ویژگی در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) نیز تاثیر گذار است.
تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و هندسه ذرات روی خواص الکترونیکی ماده هم تاثیرگذاراست که پی بردن به چگونگی این تغییرات و میزان آنها کاری مشکل است. اما پیچیده ترین تاثیر اندازه ذرات، تاثیر برخواص مغناطیسی ماده است، ممکن است این تصور بوجود آید که وقتی به اندازه های کوچکتر می رویم، به عنوان مثال در مورد نانوذرات، حوزه های مغناطیسی مشخصی دیده نمی شود. بنابراین تصورمی شود که در این مواد سیستم های ساده تری وجود خواهند داشت. اما در حقیقت چیزی برعکس این موضوع وجود دارد.
ذرات مغناطیسی کوچک و حتی جامدات غیرمغناطیسی با اندازه دانه کوچک، نوع جدیدی از خواص مغناطیسی را نشان می دهند. این خواص متاثر از خاصیت کوانتومی اندازه ذرات است. در جدول-1 خلاصه ای از رفتار مغناطیس مشاهده شده در فلزات به شکل ذرات ریز را در مقایسه با همان فلزات بصورت توده ای نشان می دهد.

فلز
توده ای
نانوذرات
K, Na
Fe, Co, Ni
Gd, Tb
Rh

پارامغناطیس
فرومغناطیس
فرومغناطیس
پارامغناطیس
فرومغناطیس
سوپرمغناطیس
سوپرمغناطیس
فرومغناطیس

1-4-2) روش های تولید نانوذرات
برای تولید نانوذرات روش های بسیاری متنوعی وجود دارد. این روش ها اساساً به سه دسته تقسیم می شوند:
چگالش از یک بخار، سنتز شمیایی و فرآیندهای حالت جامد نظیر آسیاب کردن.
روش چگالش از بخار که شامل تبخیر فلز جامد سپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوشه های نانومتری است که به صورت پودر ته نشین می شوند. روش تبخیر در خلاء بر روی مایعات روان (VERL)6 ، ذوب در محیط فوق سرد7 و روش سیم انفجاری جزء روش های چگالش از بخار محسوب می شوند.
روش سنتز شیمیایی شامل رشد نانوذرات در محیط مایع حاوی انواع واکنشگرها است. روش سل ژل8 نمونه چنین روشی است، در روش های شمیایی اندازه نهایی ذره را می توان با توقف فرآیند هنگامی که اندازه مطلوب به دست آمد یا با انتخاب مواد شمیایی تشکیل دهنده ذرات پایدار و توقف رشد در یک اندازه خاص کنترل نمود. این روش ها معمولاً کم هزینه و پر حجم هستند، اما آلودگی حاصل از آنها می تواند یک مشکل باشد.
از روش فرآیندهای جامد (آسیاب یا پودر کردن) می توان برا ایجاد نانوذرات استفاده نمود. ازاین روش می توان برای تولید نانوذرات از موادی استفاده نمود که در دو روش قبلی به آسانی تولید نمی شوند. در این روش خواص نانوذرات حاصل، تحت تاثیر نوع ماده آسیاب کننده، زمان آسیاب و محیط اتمسفری آن قرار می گیرد.

1-4-3) متداولترین نانوذرات
نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند، معمولی ترین آنها نانوذرات سرامیکی، فلزی و پلیمری و نانوذرات نیمه رسانا هستند.
نانوذرات نیمه رسانا که به آنها نقاط کوانتومی هم می گویند، نانو ساختارهایی سه بعدی هستند که در مصارف اپتیکی کاربرد زیادی دارند. این نقاط کوانتومی نیمه هادی با تحریک الکتریکی یا توسط گستره وسیعی از طول موج ها در فرکانس های کاملاً مشخص به فلورسانس می پردازند، به این شکل که فرکانسی از نور را جذب کرده و در فرکانسی مشخص- که تابع اندازه آنهاست- به نشر نور می پردازند. این ذرات همچنین می توانند بر حسب ولتاژ اعمال شده، به انعکاس، انکسار یا جذب نور بپردازند. این ویژگی کاربردهایی در موارد فتوکرومیک و الکتروکرمیک (موادی که ترتیب بر اثر اعمال نوریا الکتریسته تغییر رنگ می دهند) و پیل های خورشیدی خواهد داشت. از دیگر کاربردهای آنها می توان به لیزرهای دارای طول موج های بسیار دقیق و کامپیوترهای کوانتومی اشاره کرد.
نانوذرات سرامیکی، متداولترین هستند که به سرامیک های اکسید فلزی، نظیراکسیدهای تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن و نانوذرات سیلیکاتی که عموماً به شکل ذرات نانومقیاس خاک رس هستند، تقسیم می شوند. این مواد به علت داشتن نسبت سطح به حجم مناسب به عنوان کاتالیزور در زمینه هایی نظیر باتری ها، پیل های سوختی و انواع فرآیندهای صنعتی قابل استفاده هستند.
یکی از مهمترین کاربردهای این ذرات در کامپوزیت هاست. استفاده ا این نانوذرات در مواد کامپوزیتی می تواند استحکام آنها را افزایش یا وزن آنها را کاهش دهد، مقاومت شمیایی یا حرارتی آنها را زیاد کند، خصوصیات جدیدی نظیر هدایت الکتریکی را به آنها بیفزاید و فعل و انفعال آنها با نور یا دیگر تشعشعات را تغییر دهد. یکی از خواص کامپوزیت های نانو ذره ای سرامیکی در صنعت بسته بندی، کاهش نفوذ پذیری گازهاست. همچنین مقاومت در برابر آتش و مواد شمیایی نیز افزایش یافته و بازیافت این مواد نیز آسانتر می شود.
نانوذرات فلزی نیز دسته دیگری از این ذرات هستند که از فلزات مختلف بدست آمده و خواص جالبی را از خود نشان می دهند.ک این نانوذرات فلزی نیز در کامپوزیت ها به کار می روند، به خصوص کامپوزیتهایی که زمینه پلیمری دارند. این نانوکامپوزیت ها، به دلیل ممانعت خوبی که در مقابل تداخل الکترومغناطیسی به وجود می آورند، می توانند در رایانه و تجهیزات الکترونیکی به کار رود. نانوکامپوزیت های نانوذره ای فلزی قابلیت ها ویژه ای در هدایت گرمایی و الکتریکی دارند که کارآیی آنها را افزایش می دهد.

1-4-4) کاربردهای نانوذرات
همان طور که اشاره شد یکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت می توان کاتالیزورهای قدرتمندی را در ابعاد نانومتری تولید نمود.
بکارگیری نانوذرات در تولید مواد دیگر می تواند استحکام آن ها را افزایش دهد و یا وزن آن ها را کم کند، مقاومت شیمیایی و حرارتی آنها را بالا ببرد، و واکنش آن ها را در برابر نور و تشعشعات دیگر تغییر دهد. پس اولین کاربردی که برای نانوذرات می توان متصور شد، استفاده از این مواد در تولید نانوکامپوزیت هاست که در فصل بعدی به طور کامل به آنها خواهیم پرداخت.
از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده ها، زنگ ها، لایه های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه ها و عینک ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی ها و در حفاظ های الکترومغناطیسی شیشه های اتومبیل و در و پنجره استفاده می شود. پوشش های ضد نوشته برای دیوارها و پوشش های سرامیکی برای افزایش استحکام سلول های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده اند.

فصل دوم

آشنایی با نانوکامپوزیت ها

2-1) مقدمه
مواد و توسعه آنها از پایه های تمدن بشربه شمار می روند. به طوری که دوره های تاریخی را با مواد نامگذاری کرده اند مثل عصرسنگ، عصر برنز، عصر آهن و… . عصر جدید با شناخت یک ماده جدید به وجود نمی آید، بلکه با بهینه کردن و ترکیب چند ماده می توان پا در عصر نوین گذاشت. در کاربردهای مهندسی، اغلب تلفیق خواص مورد نیاز است. به عنوان مثال در صنایع هوا و فضا، کاربردهای زیر آبی، حمل و نقل و امثال آنها، به موادی نیاز است که ضمن داشتن استحکام بالا، سبک باشند، مقاومت سایشی خوبی داشته باشند و… .
از آنجا که نمی توان ماده ای یافت که همه خواص مورد نظر را داشته باشد، باید به دنبال چاره ای دیگر بود. کلید این مشکل استفاده از کامپوزیتهاست. کامپوزیتها موادی چند جزئی هستند که خواص آنها در مجموع از هر کدام از اجزاء بهتراست. ضمن آنکه اجزای مختلف، کارآیی یکدیگررا بهبود می بخشد.
دانشمندان علوم فیزیک، مواد و سایر علوم به این نتیجه رسیده اند که اگر بتوان مواد را در مقیاس های کوچک تری تهیه کرد، پیوندهایی که این ماده با فازهای اطراف خود برقرار می کند، به مراتب قویتر از مقیاسهای بزرگتر است. در همین راستا بود که نانوکامپوزیت ها تولید شدند که در این نوع مواد کامپوزیتی حداقل یکی از فازهای تشکیل دهنده ماده مرکب در ابعاد نانومتری قرار دارد. امروزه نانوکامپوزیت ها به دلیل خواص فوق العاده ای که از خود نشان می دهند به سرعت در حال گسترش هستند و از آن به عنوان " تحول بزرگ در مقیاس کوچک"9 نام می برند.

2-2 ) نانوکامپوزیت چیست؟
کامپوزیت همان طور که از نام آن پیداست از فعل to compose به معنای ترکیب کردن گرفته شده و کامپوزیت ( composite ) یعنی مرکب. مواد کامپوزیتی به موادی گفته می شوند که از ترکیب چند ماده به وجود آمده اند که هر یک از اجزاء تشکیل دهنده آن دارای خواص مختلفی هستند که ترکیب آنها با هم، سبب بهبود خواص ماده کامپوزیتی می شود.
با توجه به تعریف بالا کامپوزیتها از دو قسمت تشکیل شده اند: قسمت زمینه و قسمت تقویت کننده که به زمینه اضافه می شود تا دسته ای از خواص آن را بهبود بخشد. در تصویر-1 حالتهای مختلف قرارگیری فاز تقویت کننده در ماده زمینه دیده می شود.

اولین وظیفه زمینه احاطه ماده تقویت کننده است. به طوری که نگذارد ماده تقویت کننده پراکنده شود. وظیفه دوم، محافظت از ماده تقویت کننده در برابر عوامل شیمیایی است؛ و وظیفه سوم این است که چون مواد زمینه را نرم انتخاب می کنند، وقتی نیرو به ماده کامپوزیت وارد می شود، توسط زمینه به ماده تقویت کننده انتقال داده شود تا ماده تقویت کننده نیرو را تحمل کند.
تقویت کننده های موادی هستند که به صورت تکه تکه در یک زمینه پیوسته واردمی شوند تا خواص ماده زمینه را بهتر کنند، تقویت کننده ها می توانند به صورت یک صفحه، یک رشته (نخ) ، یا یک ذره (پودر) واردحجم زمینه شوند. (تصویر-2).

نانوکامپوزیت ، همان کامپوزیت در مقیاس نانومتر (9-10) است. نانوکامپوزیت ها در دو فاز تشکیل می شوند. در فاز اول ساختار بلوری در ابعاد نانو ساخته می شود که زمینه یا ماتریس کامپوزیت به شمار می رود.
در فاز دوم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده10 برای استحکام، مقاومت، هدایت الکتریکی و … به فاز اول یا ماتریس اضافه می شود.

2-2-1) طبقه بندی نانوکامپوزیت ها
انواع نانوکامپوزیت ها را می توان بر اساس ماده زمینه آن ها به شرح زیر طبقه بندی کرد:
نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری11
نانوکامپوزیت های زمینه سرامیکی12
نانوکامپوزیت های زمینه فلزی13
نانوکامپوزیت های زمینه بین فلزی14
در بین نانوکامپوزیت ها، بیشترین توجه به نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری معطوف است. کامپوزیت های پلیمری به علت خواصی مانند استحکام، سفتی و پایداری حرارتی و ابعادی چندین سال است که در ساخت هواپیماها به کار می روند. با رشد نانوتکنولوژی، کامپوزیت های پلیمری بیش از پیش به کار گرفته خواهند شد. کامپوزیت هایی که بستر فلزی دارند، کم وزن و سبک اند و به علت استحکام و سختی بالا، کاربردهای وسیعی در صنایع خودرو و هوا-فضا پیدا کرده اند. در ادامه بحث به شرح کامل هر یک ازا ین نوع مواد خواهیم پرداخت.
اما دسته بندی دیگری که برای نانوکامپوزیت ها وجود دارد، دسته بندی ابعادی نانوکامپوزیت هاست. در نانوکامپوزیت ها با توجه به آنکه فاز نانومتری چند بعدش در مقیاس نانومتر قرار دارد. به سه دسته تقسیم می شوند.
1- نانوکامپوزیت های هم بعد
2- نانوکامپوزیت های دوبعدی
3- نانوکامپوزیت های تک بعد
در نانوکامپوزیت های هم بعد، فاز یا فازهای نانومتری در هر سه بعد در مقیاس نانو قرار دارند. برای این دسته مواد میتوان به سیلیکای کروی تولید شده در فرآیند سل- ژل اشاره کرد.
نانوکامپوزیت های دو بعدی فاز نانومتری آنها در دو بعد آن در مقیاس نانو قرار دارد که لوله های نانو متری کربن یا ویسکرها مثالی برای این دسته می باشند. فاز نانومتری تقویت کننده در نانوکامپوزیت های تک بعدی تنها در یکی از ابعاد دارای مقیاس نانو است. این خانواده از نانوکامپوزیت ها تحت عنوان نانوکامپوزیت های پلیمر- کریستالهای لایه ای شناخته می شوند. در طبیعت از این نوع کریستالهای لایه ای شکل به وفور یافت می شود. امروزه نانوکامپوزیت های سیلیکاتی لایه ای به طور گسترده ای مورد مطالعه قرار می گیرند که علت آن را می توان سهولت دسترسی به خارک رس و همچنین خصوصیت نفوذپذیری آن نام برد.

2-3) نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری
همان طور که گفتیم در بین نانوکامپوزیت ها، نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری بیشترین کاربرد و استفاده را دارند و در درجه اول اهمیت قرار دارند. سیلیکات های لایه ای تا به امروز بیشترین کاربرد را در ساخت نانوکامپوزیت ها داشته اند. اخیراً به شدت از نانو لوله های کربنی در ساخت این نانوکامپوزیت ها استفاده می شود.
با توجه به خواص متنوع نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری، دلایل زیادی رامی توان برای گسترش نانوکامپوزیت های پلیمری نام برد. اولین دلیل، خواص بی نظیر مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی آن هاست. نانوکامپوزیت های پلیمری عموماً دارای استحکام بالا، وزن کم، پایداری حرارتی بالا، رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت شیمیایی بالایی هستند. با اضافه کردن درصد کمی از مواد نانو به یک پلیمر خالص، استحکام کششی، استحکام تسلیم و مدول یانگ افزایش چشمگیری می یابد. به عنوان مثال با افزودن تنها 04/0 درصد حجمی میکا (یک نوع سیلیکات) با ابعاد 50 نانومتر به اپوکسی مدول یانگ این ماده 58 درصد افزایش خواهد یافت.
همچنین با اضافه کردن 8/4 درصد حجمی میکای نانومتری به پلیآمیدها میزان نفوذ پذیری آب در آن ها 50 درصد کاهش می یابد. تحقیقات انجام گرفته در دهه اخیر نشان می دهد که استحکام کششی و مدول کششی کامپوزیت های زمینه پلیمری با پر کننده نانو سیلیکات لایه ای دو برابر می شود، بدون آنکه چقرمگی آنها دچار تغییر گردد. به عنوان مثال تعداد زیادی از پلیمرها نظیر نایلون، اولفین و نیز رزین هایی مانند اپوکسی15، اورتان، سیلوگزان با افزودن 2% حجمی سیلیکات لایه ای به خواص فوق رسیده اند.
دلیل دوم توسعه نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری و افزایش تحقیقات دراین زمینه، کشف نانولوله ها کربنی در سال 1991 میلادی است. استحکام و خواص الکتریکی نانولوله های کربنی به طور قابل ملاحظه ای با نانولایه های گرافیت و دیگر مواد پرکننده تفاوت دارد. این دسته از کامپوزیت ها به دلیل خواص منحصر به فردی که دارند به طور گسترده ای در صنایع خودرو، هوا- فضا و بسته بندی مواد غذایی گسترش یافته اند. چنانچه در صنعت خودرو به دلیل افزایش قیمت سوخت و پیمامدهای اقتصادی ناشی از آن، تقاضا برای استفاده از موادی نظیر نانوکامپوزیت ها پلیمری که هم سبکی لازم و هم استحکامی در حد فلزات دارند، افزایش یافته است.
از دیگر کاربردهای نانوکامپوزیت های پلیمری پوشش های مقاوم به سایش، پوشش های مقاوم به خوردگی، پلاستیک های رسانا، حسگرها، آسترهای مقاوم در دمای بالا و غشاهای جداسازی گازها و سیالات نفتی می باشند.
نکته مهم دیگر این است که ارزش نانوکامپوزیت های پلیمری فقط به خاطر بهبود خواص مکانیکی نمی باشد. در کامپوزیت ها کارآیی موردنیاز، هزینه و قابلیت فرآوری از موضوعات بسیاری مهم می باشد. نانوکامپوزیت های پلیمری بر این محدودیت ها غلبه کرده است.
با توجه به گسترده بودن پلیمرها و رزین ها و همچنین نانو مواد تقویت کننده و کاربردهای فراوان آنها موضوع نانوکامپوزیت های پلیمری بسیاری گسترده می باشد و زمینه های بسیاری برای توسعه آنها وجود دارد.

2-3-1) روش های تولید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری
به طور کلی سه روش برای تولید نانوکامپوزیت های پلیمری وجود دارد. این روشها شامل مخلوط سازی مستقیم16، فرآوری محلولی17 و پلیمریزاسیون درجا18 هستند در ادامه این سه روش مورد بررسی قرار می گیرد.

الف – مخلوط سازی مستقیم
در این روش سوسپانسیونی از مواد نانو به محلول پلیمری اضافه می شود. در ادامه پس از ایجاد اختلاط و اطمینان از توزیع یکنواخت مواد پر کننده در پلیمر و سازگاری آن با زمینه, مخلوط حاصله توسط یک پرس هیدرولیک در یک قالب اکسترود می شود و در نهایت صفحات نازک نانو کامپوزیت بدست می آیند.
محدودیت این روش میزان فاز تقویت کننده یا همان مواد پر کننده است. به عنوان مثال برای تولید نانوکامپوزیت سیلیکا/پلی پروپیلن حداکثر میزان نانوذرات سیلیکا 20 درصد وزنی می تواند باشد. البته به نظر می رسد آگلومره شدن ذرات نیز از دیگر محدودیت های این روش باشد.

ب- فرآوری محلولی
با استفاده از این روش می توان بر بعضی از محدودیت های روش مخلوط سازی مستقیم غلبه کرد، ضمن آنکه می توان میزان آگلومراسیون و کلوخه ای شدن نانوذرات در ماده پلیمری را کاهش داد. در این روش به دو صورت می توان نانوکامپوزیت های پلیمری را تولید کرد. اگر ماده زمینه پلیمری و مواد نانو تقویت کننده آن در یکدیگر قابل حل شدن باشند، محلول حاصل را می توان در یک قالب ریخته گری کرده و نانوکامپوزیت تولید نمود در غیر این صورت مخلوط مواد نانو کامپوزیت در یک حلال حل شده و در نهایت با تبخیر حلال، نانوکامپوزیت مورد نظر بدست می آید.

ج- پلیمریزاسیون درجا
در این روش مواد نانو را در منومر و یا محلول منومر پلیمر زمینه جاسازی کرده، و سپس با پلیمریزاسیون، منومر رشد کرده و مواد پر کننده نانومتری را در بر می گیرد. نکته کلیدی در این روش نحوه توزیع مواد نانو در منومر است. با کنترل پیوند بین مواد نانو و ماده زمینه می توان توزیع مورد نظر را بدست آورد.
بسیاری از نانو کامپوزیت های زمینه پلیمری را می توان با این روش تولید کرد.
نانوکامپوزیت هایی نظیر سیلیکا/نایلون 619 و تیتانیا / پلی متیل متاکریلیت20 از این دسته هستند.
نکته ای که در روشهای تولید نانوکامپوزیت های پلیمری اهمیت دارد و آن ها را از یکدیگری متمایز می کند، توزیع مناسب ماده پرکننده است. با اصلاح سطحی می توان این توزیع را به شکل یکنواخت به گونه ای انجام داد که از آگلومراسیون
اجزای نانومتری ماده پرکننده جلوگیری شود و توزیع مناسب فاز تقویت کننده فراهم گردد. در واقع نکته مهم در تمام این فرایندها اصلاح فصل مشترک بین پلیمر و اجزای نانومتری است و از آنجایی که مشتق پذیری21 پلیمرهایی نظیر اپوکسی بالاست، لذا برای اصلاح سطحی باید از مولکول هایی استفاده گردد که اتصال بین ماده پرکننده و پلیمر را بهبود بخشد.
در بحث اصلاح سطحی و بر هم کنش فصل مشترک ماده پرکننده و پلیمر، نوع ماده پرکننده و نسبت سطح تماس به حجم آن از اهمیت زیادی برخوردار است.
در تصویر-3 نسبت سطح تماس به حجم سه نوع ماده پرکننده نانوکامپوزیت ها یعنی ذره22، الیافت23 و مواد لایه ای24 با هم مقایسه شده است

.

در نانو کامپوزیت های زمینه پلیمری از نانوذرات، نانوصفحات25، نانوالیاف و همین طور نانولوله ها به عنوان ماده تقویت کننده استفاده می شود.
این در حالی است که عمدتاً در مورد نانو کامپوزیت های زمینه فلزی و سرامیکی از نانوذرات به عنوان ماده پر کننده استفاده می شود. در نانو کامپوزیت های پلیمری معمولا از پلیمرهای ترموست نظیر اپوکسی, پلی ایمید و پلیمرهای ترموپلاستیک نظیر نایلون 6 ، پلی اتراترکتون26، پلی پروپیلن27 و پلی استایرن28 به عنوان ماده زمینه این کامپوزیت ها استفاده می گردد.
در ادامه پس از ارائه شرح مختصری در خصوص رزین های اپوکسی, نایلون 6, پلی پروپیلن، پلی استایرن (جدول-1) به عنوان ماده زمینه این نانو کامپوزیت ها، توضیحات بیشتری راجع به هر کدام از این نانوکامپوزیت ها بر حسب نوع ماده پر کننده و همچنین چند نکته کلیدی در مورد طراحی نانوکامپوزیت های پلیمری ارائه می شود.

1- رزین های اپوکسی
رزین های اپوکسی به دلیل مقاومت شیمیایی زیاد، استحکام چسبندگی زیاد و چقرمگی در عین انعطاف پذیری بالا کاربردهای زیادی را به خود اختصاص داده اند. یک رزین اپوکسی شامل یک گروه اپوکسی است. انواع مختلفی از رزین های اپوکسی در ساخت کامپوزیت ها مورد استفاده قرار می گیرند. معمول ترین رزین اپوکسی مصرفی محصول واکنش بین بیس فنل A و اپی کلریدرین می باشد.

2- نایلون 6
نایلون 6 اولین پلیمری است که به عنوان ماده زمینه در تهیه نانوکامپوزیت های پلیمری استفاده شده است. نایلون به عنوان یک پلاستیک مهندسی مطرح است و به دلیل دارا بودن خواصی چون چقرمگی مناسب، ضریب اصطکاک کم و استحکام بالا به طور وسیع کاربرد دارد. این پلیمر یک پلی امید است.

3- پلی پروپیلن
در حال حاضر رمز موفقیت پروپیلن تجارتی در میزان نظم آن از لحاظ ساختاری می باشد. پلی پروپیلن تجاری، پلیمری چقرمه با مقاومت به ضربه خیلی خوب و خواص الکتریکی مناسب و مقاومت شیمیایی عالی در مقابل اسیدها، بازها و نمک ها است. به علاوه پلی پروپیلن مقاومت خوبی در مقابل آب گرم و شوینده ها از خود نشان می دهد.

4- پلی استایرن
برخلاف پلیمرهای اشاره شده در بالا، پلی استایرن ساختار بلوری منظمی ندارد و بنابراین بسیار شفاف است (فاقد نواحی بلوری جهت پخش نور می باشد) و ماهیت آمورف دارد. پلی استایرن به راحتی در انواع روش های اکستروژن، قالب گیری تزریقی و قالب گیری بادی برای تولید کامپوزیت ها بکار می رود.

2-3-2) نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری حاوی نانوذرات
نانوذرات بیشترین کاربرد را به عنوان ماده تقویت کننده در نانوکامپوزیت ها دارند. اضافه کردن ذراتی همچون سیلیکا، ذرات فلزی و همینطور ذرات آلی و غیرآلی، به ماده زمینه باعث افزایش و بهبود استحکام کششی و مدول الاستیک ماده زمینه می شود.
همانگونه که قبلا اشاره شد با کاهش اندازه ذرات موجود در نانو کامپوزیت های پلیمری در ابعاد نانومتری، خواص فیزیکی، مکانیکی، نوری و غیره در کامپویت ها بهبود می یابد. با جاسازی ذرات نانومتری شیشه ای در پلیمرها می توان نانوکامپوزیت هایی با شفافیت بالا29 معروف به نانو کامپوزیت های نوری تولید کرد. از این گروه می توان به پوشش های اپوکسی حاوی نانوذرات Sio2، که توانایی جذب اشعه ماوراء بنفش را دارد اشاره کرد.
نمونه ای دیگر از تغییر خواص کامپوزیت های زمینه پلیمری، بهبود چقرمگی شکست30 با کاهش اندازه ذرات است. به عنوان مثال اگر در رزین پلی استر31 از ذرات آلومینیوم با سه اندازه مختلف 20 ، 5/3 و nm100 استفاده شود، چقرمگی شکست برای هر یک از کامپوزیت ها مطابق تصویر-4 تغییرات متفاوتی خواهد داشت.

2-3-3) نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری حاوی نانولایه ها
در این دسته از نانوکامپوزیت ها معمولا دو نوع نانولایه برای تقویت ماده زمینه بکار برده می شود؛ خاک رس32 (لایه های سیلیکات) و گرافیت33 که خود جزء مواد لایه ای34 شناخته می شوند.
در حال حاضر خاک رس مونت موریلونیت35 بیشترین استفاده را به عنوان ماده پر کننده برای این نوع نانوکامپوزیت ها دارد. این خاک رس، سبک، سخت و به صورت ورقه ای است که برای استفاده آن در نانوکامپوزیت ها می توان صفحات به دست آمده را با ورقه ورقه کردن، به صفحاتی به عرض 200 تا 400 نانومتر و ضخامت 1 نانومتر رساند.
نانوکامپوزیت های پلیمری با ماده پرکننده رسی نظیر نانوکامپوزیت های پلی پروپیلن/ رس استفاده زیادی در صنعت خودروسازی دارند و به شکل گسترده ای در قطعات اتومبیل استفاده می شوند. با افزودن ذرات نانومتری خاک رس به لاستیک خودروهای سواری، علاوه بر افزایش استحکام مکانیکی و مقاومت لاستیک در برابر سایش، اعوجاج حرارتی و قابلیت اشتعال لاستیک به طور چشم گیری کاهش می یابد.
مصرف این نانوکامپوزت در شرکت جنرال موتورز 300000 کیلوگرم در سال است. در حال حاضربازار جهانی برای نانو کامپوزیت های زمینه نایلونی سالیانه حدود 3 میلیون پوند می باشد که 2 میلیون آن نایلون تقویت شده توسط ذرات خاک رس نانومتری جهت استفاده درصنایع خودرو و بسته بندی است و یک میلیون پوند دیگر، نایلون تقویت شده با نانولوله های کربنی است که در آمریکا در بدنه خودرو استفاده می شود. انتظار می رود که طی 10 سال آینده ساخت نانوکامپوزیت های بر پایه خاک رس با استفاده از 20 پلیمر به صورت تجاری در آید. این نانوکامپوزت ها اخیرا دو کاربرد تجاری یکی در اجزای زیرین کاپوت خودرو و دیگری در بسته بندی مواد غذایی پیدا کرده اند.
نانوکامپوزیت های پلیمری حاوی خاک رس همچنین می توانند مانع از انتشار بنزین، متانول و سایر حلال های آلی شوند. به عنوان مثال نانوکامپوزیت نایلون 6 حاوی 5 درصد وزنی خاک رس، پنج برابر بیشتر از نایلون 6 معمولی مانع از نشت سوخت می گردد.
نکته حائز اهمیت در این نانوکامپوزیت ها آن است که برای استفاده مناسب از نانو لایه های رسی، این لایه ها باید به شکل مجزا و جدا از هم در ماده زمینه پخش شوند.

به طور کلی دو حالت برای این نانو کامپوزیت ها حاصل می شود که عبارتند از حالت جاداده شده36 و حالت ورقه ورقه ای37. در حالت جاداده شده، مولکول های پلیمری زمینه، بین لایه های منظم رسی قرار می گیرند و منجر به افزایش فضای بین لایه ای خواهند شد ولی همچنان لایه ها به صور منظم باقی می ماند. از طرف دیگر در حالت ورقه ورقه ای لایه های رس از هم مجزا هستند و درون ماده زمینه توزیع شده اند.
حالت ایده آل برای بهبود استحکام و خواص حرارتی این گروه از نانوکامپوزیت ها، در حالت ورقه ورقه ای کامل و توزیع مناسب بدست می آید اما بدست آوردن این حالت دشوار بوده و معمولا این کامپوزیت ها به صورت ورقه ورقه ای جزئی یا جا داده شده بدست می آیند.
درتصویر-5 مورفولوژی حالات مختلف توزیع لایه های سیلیکات دریک نانوکامپوزیت پلیمری ارائه شده است.

در این شکل ملاحظه می شود که سه حالت توزیع لایه ها به صورت a, b, c وجود دارد. این حالات به ترتیب در حالت a جاسازی کامل در حالت b ورقه ورقه ای شدن کامل و در حالت c ورقه ای شدن و جاسازی جزئی صورت گرفته است.
از مزایای عمده نانو کامپوزیت پلیمری با تقویت کننده خاک رس میتوان به پایداری حرارتی ، کاهش نفوذ پذیری ، کاهش ضریب انبساط حرارتی و افزایش سختی ، استحکام و چقرمگی اشاره کرد .
در جدول 2 این خواص در نایلون 6 و نانو کامپوزیت زمینه نایلون 6 حاوی 4.2 درصد وزنی نانو لایه های مونت موریلونیت مقایسه شده است .

همانگونه که قبلا اشاره شد از گرافیت ورقه ای نیز برای ساخت نانو کامپوزیت های پلیمری می توان استفاده کرد. در این گروه از نانو کامپوزیت ها ، ضخامت لایه های گرافیت با ضخامت خاک رس یکسان است . با نگاهی اجمالی به برخی خصوصیات گرافیت و مقا یسه آن با خاک رس، می توان به برخی تغییرات حاصله در نانو کامپوزیت های حاوی ورقه های گرافیت پی برد . در جدول-3 برخی خواص گرافیت و خاک رس با هم مقایسه شده است .
پایین بودن مقاومت الکتریکی گرافیت از خصوصیات بارز آن است که باعث افزایش هدایت الکتریکی نانو کامپوزیت ها می گردد. گرافیت لایه ای نسبت به دوده کربنی، الیاف کربنی و بخار کربن مقاومت الکتریکی کمتری دارد .

بهبود هدایت الکتریکی مواد پلیمری با افزودن مقادیر کمی از نانو لایه های گرافیتی باعث می شود که حرارت ایجاد شده در قطعات الکتریکی و تجهیزات کامپیوتری کاهش یافته و قابل کنترل باشد.
با توجه به خواص ارائه شده ، کامپوزیت های حاوی نانو لایه های گرافیت، دارای هدایت الکتریکی بالا و نفوذ پذیری کمی هستند . برای تولید این نانو کامپوزیت ها ابتدا با امواج مافوق صوت لایه های گرافیت در منومر به صورت یکنواخت توزیع می شوند و در نهایت با پلیمریزاسیون در جا بدست می آید . نمونه ای از این نانو کامپوزیت ها در تصویر-6 ارائه شده است. در این تصویر توزیع نانو لایه های گرافیت در زمینه پلی استایرن مشخص است .
2-3-4) نانو کامپوزیت های زمینه پلیمری حاوی نانو الیاف کربنی
نانو الیاف کربنی به عنوان ماده پر کننده در پلیمر های مختلف نظیر پلی پروپیلن، پلی کربنات نایلون و اپوکسی ، پلی اترسولفن استفاده می شوند. قطر نانوالیاف کربنی که در نانو کامپوزیت ها استفاده می شوند بین 50 تا 200 نانو متر است . این نانو الیاف مورفولوژیهای متعددی دارند که ساختار نی شکل و چیدمان فنجانی دو نوع از این مورفولوژی ها هستند . تصاویر TEM این ساختار ها در تصویر-7 آمده است .

خواص نانو کامپوت های حاوی نانو الیاف کربنی نظیر چگالی پایین ، انبساط حرارتی کم ، مقومت بالا در برابر شوک های حرارتی و استحکام بالا در دماهای بالا باعث شده که این نانو کامپوزیت ها در صنایع خودرو و هوا-فضا مورد توجه زیادی قرار گیرند . بسیاری از خواص نانو کامپوزیت های حاوی نانو الیاف به مراحل ساخت نانو کامپوزیت ، خصوصیات نانو الیاف کربنی ، نحوه توزیع نانو الیاف و چسبندگی آن ها به زمینه ارتباط دارند.
اصولا برای تولید این نانو کامپوزیت ها با توریع یکنواخت الیاف ، از مکانیزم های با نیروی برشی شدید مثل اکستروژن که در روش مخلوط سازی مستقیم توضیح داده شد، استفاده می شود. محدودیت اصلی این روش تمایل به اکسیداسیون است که با اصلاح سطحی و یا افزودن پر کننده های سرامیکی مناسب ، می توان این مشکل را تا حدودی کم کرد .

2-3-5 ) نانو کامپوزیت های پلیمری حاوی نانو لوله های کربنی
تحقیقات در زمینه توزیع نانو لوله های کربنی در پلیمر ها بسیار جالب است . نانو لوله های کربنی به جز بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمر ها باعث بهبود خواص حرارتی و الکتریکی رزین ها نیز می شوند . قطر نانو لوله های کربنی که در نانو کامپوزیت استفاده می شوند بین 1 تا 100 نانو متر و نسبت طول به قطر آن ها بین 100 تا 1000 است . در ادامه پس از بررسی برخی از خواص نانو لوله های کربنی به روشهای تولید نانو کامپوزیت های پلیمری حاوی نانو لوله های کربنی پرداخته می شود.

الف- نانو لوله های کربنی ، تک دیواره و چند دیواره
هر دو نوع نانولوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره به عنوان ماده تقویت کنده در نانو کامپوزیت ها قابل استفاده هستند. اما علاقه بیشتر به استفاده از نانو لوله های تک دیواره به دلیل خصوصیات برتر مکانیکی و الکتریکی آنهاست .
این درحالی است که نانولوله های چند دیواره به علت پیوند های داخلی ضعیف تر، استحکام کمتری نسبت به تک دیواره ها دارند و کمتر مورد استفاده قرار می گیرند .
چگالی نانو لوله های تک دیواره حدود 44/1 – 33/1 است که نصف چگالی آلومینیم است . مدول الاستیک نانو لوله های کربنی تک دیواره در حدود الماس و استحکام کششی آن ها خیلی بیشتر از فولادهاست. ضمن آنکه قابلیت خم شدن و تغییر شکل آن ها بالاست به طوری که تحت زوایای مختلف بدون ایجاد شکست خم می شوند. قابلیت انتقال جریان الکتریکی این مواد است. در حالیکه این مقدار برای مس حدود است.
مولنی38 و همکارانش برای درک بهتر تاثیر شرایط اعمال نیرو به نانو لوله های کربنی در زمینه پلیمری و بر هم کنش بین لوله ها و زمینه پلیمری، حالات اعمال نیرو به نانولوله های کربنی را مورد بررسی قرار دادند. بدین منظور از نانو لوله های کربنی دو دیواره جهت بررسی نیروهای واندروالس و اثر آن ها بر تغییر شکل نانو لوله ها استفاده شد و دو حالت بار گذاری مد نظر قرار گرفت.
در حالت اول بار کششی بر روی انتهای لایه خارجی و در حالت دوم بار کششی بر انتهای هر دو لایه خارجی و داخلی اعمال گردید. آنها دریافتند در هر دو حالت اتم های انتهای لایه خارجی دچار تغییر مکان جزئی شده اند، اما جابجایی اتم های انتهای لایه داخلی در دو حالت تفاوت زیادی با هم دارند. این بدان معنی است که از طریق پیوندهای واندروالس نیرو به دیواره داخلی هم انتقال یافته است. بنابراین مشخص گردید که تغییر شکل نانولوله کربنی چند دیواره اغلب منجر به جدایش لایه ها از هم میشود. همچنین مطالعات آن ها نشان داد که با افزایش ضخامت دیواره نانو لوله ها تنش های برشی بین لایه ها و زمینه افزایش می یابد. در این راستا پیشنهاد شده که اصلاح سطحی نانو لوله ها و ایجاد پیوند بین ماده زمینه و نانو لوله ها می تواند نیروهای اعمالی به نانو لوله ها را کنترل نماید.

ب- روش های تولید نانو کامپوزیت پلیمری حاوی نانو لوله های کربنی
در نانو کامپوزیت ها خصوصاً نانو کامپوزیت های پلیمری، کارآیی ماده تقویت کننده به توانایی انتقال بار از ماده زمینه به تقویت کننده بستگی دارد. برای رسیدن به این هدف توزیع یکنواخت نانو لوله های کربنی افزایش چسبندگی و مشتق پذیری آن ها و هم راستا بودن آن ها از عوامل اصلی در طراحی و ساخت نانو کامپوزیت های پلیمری حاوی نانو لوله های کربنی است.
همانگونه که قبلاً اشاره شد نانو کامپوزیت های پلیمری را با سه روش مخلوط سازی مستقیم، فرآوری محلولی و پلیمریزاسیون درجا میتوان تولید کرد. عمدتاً نانو کامپوزیت های پلیمری حاوی نانو لوله های کربنی نیز با استفاده از روش های فوق تولید می شوند، اما برای پخش و توزیع نانو لوله ها در محلول یا منومر از تعدادی روش های خاص استفاده می شود. در روش های جدید با ایجاد امواج پالسی و مافوق صوت، نانو لوله ها را درون ماده پلیمری پخش می کنند. اما این روش تنها برای توزیع دسته های کوچک آگلومره شده نانولوله ها قابل استفاده است، زیرا در دسته های بزرگتر فاصله گرفتن نانو لوله ها از نوک پروبی که امواج را ساطع می کند، مانع از رسیدن انرژی لازم به آن ها میشود. از دیگر عیوب این روش پارگی نانو لوله ها به خاطر تمرکز انرژی روی آن هاست.
این امر باعث افت خواص نانو لوله ها میشود. لذا روش های جدید و متفاوتی در دست بررسی است. که برخی از آن ها در قالب دو مثال، یکی مربوط به روش های تولید نانو کامپوزیت اپوکسی/ نانو لوله های دو دیواره39 و دیگری مربوط به روش تولید نانو کامپوزیت پلی استایرن/ نانو لوله های کربنی چند دیواره40 در ادامه توضیح داده می شود.
تولید نانوکامپوزیت اپوکسی/ نانو لوله های دو دیواره بر اساس یک روش جدید موسوم به مخلوط کردن برشی است که مشابه روش مخلوط سازی مستقیم می باشد. این روش به عنوان یک راه مناسب و استاندارد برای توزیع ذرات میکرومتری در کامپوزیت ها و پوشش ها است. اما تحقیقات نشان داده که از این ایده می توان برای توزیع مواد نانومتری در یک زمینه پلیمری هم استفاده کرد. در این روش ابتدا نانو لوله ها با رزین اپوکسی مخلوط می شوند، سپس جهت توزیع نانو لوله ها در رزین اپوکسی، مخلوط وارد دستگاهی موسوم به Calander می شود. دستگاه Calander دارای 3 غلتک از جنس است که با فاصله از هم قرار دارند، به طوری که غلتک اول با سرعت rpm 20 و غلطک دوم و سوم به ترتیب با سرعت های rpm 60 و rpm 180 در حال چرخیدن هستند. مخولط به مدت 2 دقیقه و به شکل گردابی در بین غلطک ها ورزیده می شود و پس از خروج و عملیات نهایی نانو کامپوزیت تولید می شود.
برای تولید نانو کامپوزیت نانو لوله های کربنی چند دیواره/ پلی استایرن نیز طبق روش مخلوط سازی مستقیم می توان از یک قالب استفاده کرد که وظیفه آن توزیع نانو لوله های کربنی چند دیواره در پلیمر است.
نتایج نشان می دهد که در این روش بسیاری از نانو لوله ها به صورت ردیف شده نیستند و به صورت تصادفی در زمینه توزیع شده اند، ضمن آنکه اکثرا با زوایای مختلف نسبت به هم قرار گرفته اند. لذا برای ردیف کردن نانو لوله ها و توزیع یکنواخت آن ها در زمینه ، مخلوط پلیمر مذاب و نانو لوله ها از یک قالب مستطیلی کشیده می شود و به صورت فیلم هایی در می آید که نانو لوله ها در آن ها ردیف شده اند. نتایج آزمایش انجام گرفته بر روی این نانو کامپوزیت ها نشان داده که نانو کامپوزیت های تولید شده در این روش استحکام و مدول الاستیک بالاتری نسبت به روش های دیگر دارند به گونه ای که مدول الاستیک در این حالت پنج برابر بیشتر از نانو کامپیوزیتی است که با روش مخلوط سازی مستقیم تولید شده باشد. درتصویر-8 تصویر TEM از یک لایه نازک نانو کامپوزیت با 5 درصد وزنی نانو لوله کربنی چند دیواره نشان داده شده است که در آن نانو لوله ها به صورت ردیف شده آمده اند.

2-3-6) طراحی نانو کامپوزیت های پلیمری
از مباحث مهمه و کلیدی در طراحی نانو کامپوزیت های پلیمری، می توان به اصلاح سطحی و مکانیزم های اتلاف انرژی اشاره نمود که در ادامه به بررسی آن ها پرداخته می شود.

الف- اصلاح سطحی
در فرآیندهای تولید نانو کامپوزیت ها، جاسازی و توزیع نانو لوله ها به شکل یکنواخت در ماده زمینه پلیمری اهمیت زیادی دارد. ایجاد اتصال بین ماده زمینه و نانو لوله ها در نانو کامپوزیت باعث انتقال و توزیع تنش وارده بین نانو لوله ها و ماده زمینه می گردد.
در تمامی روش های تولید نانو کامپوزیت های حاوی نانو لوله کربنی، تعداد پیوندهای دو سویه بین ماده زمینه و نانو لوله ها کم می باشد. این موضوع باعث لغزش نانو لوله ها و در نتیجه عدم توزیع یکنواخت آن ها در ماده زمینه و کاهش استحکام برشی نانو کامپوزیت می شود. این در حالی است که اگر تنها یک درصد از اتم های دیواره نانو لوله ها با پلیمر پیوند کووالانس برقرار کنند، بدون تغییر در مدول یانگ، استحکام برشی افزایش قابل ملاحظه ای می یابد.
برای ایجاد اتصال مناسب بین نانو لوله و ماده زمینه دو راه اصلی وجود دارد:
1. استفاده از روش شیمیایی
2. استفاده از پرتو افکنی الکترونی و یونی
روش های شیمیایی بر اساس ایجاد پیوندهای شیمیایی برای اتصال دوسر نانو لوله ها و یا دیواره های آن ها به ماده زمینه می باشد. دو سر نانولوله ها به دلیل انحنا، واکنش پذیری بالایی دارند و در حضور اسیدهای قوی حل شده و از هم جدا می شوند. به عنوان مثال اگر نانو لوله کربنی تک دیواره در محلول غلیظ اسید سولفوریک و یا اسید نیتریک قرار گیرد به قطعات کوچکتر بدون سر (دو سر باز) تبدیل می شود. دو انتهای باز شده نانو لوله ناپایدار هستند و می توانند با گروه های (-COOH) واکنش داده که در نتیجه با ایجاد پیوندهای کووالانسی پایدار شوند.
دیواره نانولوله های کربنی را نیز می توان به وسیله عناصر فعالی نظیر فلوئور فعال و اصلاح نمود. اتمهای فلوئور به طور شیمیایی در دمای اتاق بر روی دیواره نانو لوله ها می چسبند و هر گاه نانولوله ها در دمای 500 تا 600 درجه سانتیگراد قرار گیرند از طریق ایجاد پیوند با دیواره نانو لوله ها، باعث بالا رفتن سختی آن ها می شوند.
برای نانو لوله های کربنی چند دیواره نیز این اصلاح را می توان انجام داد. با ایجاد اتصال بین نانو لوله کربنی چند دیواره و اسید کربو کسیلیک اتصال بهتری بین نانو لوله کربنی چند دیواره و اپوکسی برقرار می گردد. اگر BGE نیز به اسید کربو کسیلیک بچسبد زنجیره حاصل باعث اتصال بهتر و مستحکم تر نانو لوله کربنی چند دیواره با اپوکسی می گردد (تصویر-9).

در تصویر-10 مدول الاستیک برای حالت های مختلف مورد مقایسه قرار گرفته است. همان طور که نشان داده شده برای پلی کربناتی که با BGE و اسید کربو کسیلیک به نانو لوله کربنی اتصال برقرار کرده است، بیشترین مدول الاستیک بدست آمده است.

عملیات آماده سازی سطحی نانو لوله ها را می توان از طریق پرتو افکنی یونی یا الکترونی نیز انجام داد. پرتو افکنی الکترونی باعث تخریب اتم هاو خارج شدن برخی از اتم ها از سطح نانو لوله می شود. پرتو افکنی یونی نیز با ایجاد اتصالات عرضی بین لایه ها و دیواره های نانو لوله کربنی چند دیواره می تواند باعث انتقال بار در میان لایه ها گردد. همچنین از طریق پرتو یونی چند اتمی می توان این اصلاح سطحی را بین پلی استایرن و نانو لوله کربنی تک دیواره انجام داد.
در شبیه سازی مولکولی یک کامپوزیت از جنس پلی استیرن/ نانو لوله کربنی تک دیواره مشاهده میشود که از طریق بر خورد پرتو چند اتمی C3F5+پیوندهای عرضی کووالانس ایجاد شده وادامه اتصال بین نانو لوله کربنی تک دیواره و پلی استایرن بر قرار می شود.
استفاده از فرآیندهای سطحی فوق که باعث توزیع یکنواخت نانو لوله ها در زمینه می شود، افزایش مدول و استحکام نانو کامپوزیت را به دنبال خواهد داشت.

ب- مکانیزم های اتلاف انرژی در نانو کامپوزیت های پلیمری
از آنجایی که اندازه مواد پر کننده نانو کامپوزیت ها نظیر طول و قطر نانو الیاف، قطر ذرات و ضخامت نانو لایه ها بسیار کمتر از پر کننده های موجود در کامپوزیت های معمولی است، لذا شباهت ها و تفاوت های زیادی بین آن ها وجود دارد که بررسی آن ها به شناخت و ارزیابی خواص نانو کامپوزیت ها کمک خواهد کرد.
هنگامی که یک کامپوزیت تحت تنش فشاری قرار می گیرد، فشردگی محوری در الیاف تقویت کننده کامپوزیت رخ می دهد که ممکن است با ایجاد خمش در رشته ها، ایجاد ترک و در نتیجه تغییر در موقعیت الیاف ایجاد گردد.
تصویر-11 تشکیل باند لغزش را در کامپوزیت زمینه آلومینیمی مبتنی بر الیاف آلومینا نشان می دهد. مشاهده این مکانیزم و خمش احتمالی در نانو لوله های کربنی که به عنوان تقوین کننده در نانو کامپوزیت ها استفاده شده اند، به دلیل اندازه خیلی کوچک آن ها بسیار مشکل است.
تاستنسن41 و همکارانش بر اساس یک مدل اتمی از خمش الاستیک نانو لوله های کربنی چند دیواره به نتایج خوبی دست یافتند. در تصویر (11-b) این خمش نانو لوله های کربنی چند دیواره در زمینه پلیمر قابل مشاهده است. چندین مکانیزم اساسی اتلاف انرژی، ناشی از ایجاد ترک در الیاف کامپیوزیت ها شناسایی شده اند که شامل شکست الیاف، ترک در زمینه، خروج الیاف، پل زدن زمینه و گیر کردن الیاف هستند.
جالب است که تمامی این مکانیزم ها درنانو کامپوزیت های مبتنی بر نانو لوله های کربنی دیده شده است.

2-4) نمونه هایی از نانو کامپوزیت های با زمینه پلیمری:
همان طور که گفته شد نانو کامپوزیت های زمینه پلیمری، جزء مهمترین دسته از نانو کامپوزیت ها هستند و بیشترین کاربرد را دارند. در بخش قبل تا حدودی به معرفی این نانو کامپوزیت ها پرداختیم و برخی از خواص و کاربردهای آنها را مورد بررسی قرار دادیم. در این بخش قصد داریم به معرفی 2 نمونه از این نانو کامپوزیت ها که حاوی نانو لایه های خاک رس هستند و کاربردهای وسیعی در صنایع مختلف دارند، بپردازیم.

2-4-1) نانو کامپوزیت های پلیمر- خاک رس
وقتی که خاک رس و پلیمر را با هم مخلوط می کنیم تا بتوانیم نانو کامپوزیت تولید کنیم، اگر در حین فرآیند پلیمریزاسیون، پلیمر نتواند بین لایه های سیلیکاتی نفوذ کند، در این صورت کامپوزیت معمولی خواهیم داشت. اما هنگامی که پلیمر بتواند بین لایه های سیلیکانی نفوذ کند، نانو کامپوزیت تولید خواهد شد که در اینجا نانو کامپوزیت یا به صورت اینترکالیت42 خواهد بود یا به صورت نانو کامپوزیت ورقه ای شده43. در نانو کامپوزیت های اینترکالیت آرایش لایه ها حفظ می شود ولی در نانو کامپوزیت ورقه ای شده آرایش لایه ها تا حدود زیادی به هم می خورد و لایه های سیلیکاتی در ماتریس پلیمری به صورت منفرد پراکنده می شوند. میانگین فاصله بین لایه های سیلیکاتی متغییراست و از روی میزان بار خاک رس در پلیمر محاسبه می شود.
در ساخت مواد کامپیوزیتی خاک رس سعی می شود بیشتر از آرایش کامپیوزیت های غیر یکنواخت استفاده شود، چون خواص فیزیکی بهتری خواهند داشت.
سیلیکاتهای لایه ای مورد استفاده:
عموما برای ساخت نانو کامپوزیت پلیمر – خاک رس دو دسته سیلیکات لایه ای مورد استفاده قرار می گیرد که این دو دسته عبارتند از: کانیهای اسمکتیت و اسیدهای سیلیسیک لایه ای، که از این میان برای ساخت نانو کامپوزیت بیشتر از کانیهای اسمکتیت استفاده می شود که دارای خواص ساختمانی یکسانی با بیشتر کانیهای شناخته شده مانند تالک و میکا است. ساختار کریستالی اسمکتیت دارای یک لایه سیلیکات به ضخامت 96% نانومتر است که از دو ورق تتراهیدرال سیلیس که به قسمت انتهایی یک ورق اکتاهدرال جزئی منیزیمی یا آلومینیوم وصل شده است، تشکیل می یابد.
جانشینهای ایزومورف (هم شکل) در داخل لایه های سیلیکاتی باعث تولید بارهای منفی می شوند که این بارها اتم اکسیژن پیرامون خود را احاطه می کنند. این لایه های باردار عموماً توسط فلزات قلیایی هیدراته یا قلیایی خاکی خنثی می شوند.
باید به این نکته توجه کرد که تعویض کاتیونهای بین لایه ای نسبتاً راحت تر است و ظرفیت این کاتیونهای تعویضی (CEC) در محدوده g100/ meq120- 60 است. گروههای اسید سیلیسیک لایه ای 5 نوع هستند که آنها را در زیر نشان داده ایم.
Kanemite (NaHSio5.7H2O ;d001=1/03 nm)
Makatite (Na2Si4O9. 5H2O ;d001=0/903 nm)
Kenyaite (Na2Si20O41.H2O ;d001=1/2 nm)
Octasilicate (Na2Si18O17. 9H2O ;d001=1/1 nm)
Megadite (Na2Si14O29. 10H2O;d001=1/56 nm)

از بین این گروه ها فقط ساختار کریستالی لایه ماکاتیت شناخته شده است و تحقیقات برای شناخت کریستالی گروه های دیگر ادامه دارد. کانیهای اسمکتیت و اسیدهای سیلیسیک آب گریز هستند و از هیدراتاسیون فلزات قلیایی و قلیایی خاکی بین لایه ای به وجود می آیند. بنابراین آنها با بسیاری از سیستم های پلیمری ناسازگار هستند، با وجود این واکنشهای تبادل یونی با سورفکتانت های کاتیونی، لایه های سیلیکاتی آلی دوست به وجود می آورند. کاتیونها بر هم کنش بین لایه ای را به وسیله پایین آوردن موثر انرژی فصل مشترک سیلیکات، اصلاح می کنند.
بعلاوه آنها می توانند بر هم کنش های بین لایه ای را کاتالیست کنند، پلیمریزاسیون را شروع کنند یا نقاط تکیه گاهی را برای ماتریس فراهم کنند و بنابراین قدرت فصل مشترک بین پلیمر و ماده غیر آلی را بهبود بخشند.
مشاهدات نشان می دهد، هنگامی که چگالی فضای بین لایه ای یا طول زنجیرها کاهش می یابد، زنجیرهای موجود بین لایه ها آرایش نامنظم تری پیدا می کنند و ساختار بین لایه ها دارای خواصی شبیه خواص مایعات می شود.
سیلیکات های لایه ای آلی یا خاک رس اصلاح شده در صنعت به عنوان عامل های ژلینگ (gelling) ، ضخیم کننده و فیلر استفاده می شود. اما عمده کاربرد آنها در نانو کامپوزیت خاک رس- پلیمر حاوی سور فکتانت های آلکیل آمونیوم است. با درنظر گرفتن توزیع لایه های سیلیکات در داخل نانوکامپوزیت پلیمر- خاک رس ، 3 نوع ساختار می تواند شناسایی شود. مواد بلورین (تاکتویید) ، ذرات اولیه و ذرات توده ای.
صفحات سیلیکاتی می توانند به عنوان پلیمرهای غیر آلی صلب، متشکل از سیلیکون و اکسیژن و مقدار کمی آلومینیوم و منیزیم و یونهای فلزی دیگر مورد توجه قرار گیرند. کانیهای خاک رس متورم شونده، دارای فلزات قلیایی بین صفحات سیلیکاتی می باشند و می توانند در حلالهای قطبی از قبیل آب متورم شوند. 44MMT یک مثال نوعی می باشد، به این معنی که سیلیکاتهای
لایه ای از قبیل تالک (talk) و کورالین، هیچ فلز قلیایی بین لایه هایشان وجود ندارد بنابراین نمی توانند متورم شوند و در نتیجه آنها به صورت خاک رس های متورمنشونده45 طبقه بندی می شوند. معمولاً انرژی شبکه کانیهای خاک رس متورم، آنقدر بزرگ است که حتی در دماهای خیلی بالا نیز می توانند پایدار باشند. با وجود این در حلالهای قطبی فاصله اساسی صفحات سیلیکات بوسیله سولواسیون حلالهای قطبی منبسط می شود و در نهایت صفحات سیلیکات از ورقه ورقه شدن به صورت صفحات تنها در می آیند.

کریستالیزه شدن نانو کامپوزیت:
بر طبق مشاهداتی که با XRD صورت گرفته برای یک نانو کامپوزیت نایلون 6، نشان می دهد که نایلون خالص دارای پراشهای پیک در 20 و 24 درجه است که هر دو آنها از ساختار کریستالی نوع  نایلون 6 ناشی می شود، در حالی که نانو کامپوزیت دارای یک پراش اضافی در21 درجه است که از ساختار  آن نتیجه می شود. با توجه به اینکه نانو کامپوزیت دارای گروه های آمونیومی پروتون دار است که پیوندهای یونی با بارهای منفی صفحات سیلیکاتی می دهد، به نظر میرسد که کریستال نوع  بواسطه تجدید آرایش مولکولی پلیمری که در کمند ورقه های سیلیکاتی هستند ایجاد می شوند. (تصویر-12) .

همچنین مطالعات صورت گرفته بر روی منحنی DSC نانو کامپوزیت نشان می دهد که نانو کامپوزیت در طی فرآیند خنک کردن در یک محدوده دمایی محدودتر کریستالیزه می شود که این نشان دهنده سرعت بالای کریستالیزه شدن درنانو کامپوزیت است.

اثر ورقه های سیلیکات به عنوان تقویت کننده:
تصویر-13 اثر تقویت کنندگی ورقه های سیلیکاتی در نانو کامپوزیت را در مقایسه با تقویت کننده های عادی مانند الیاف شیشه ای و تالک را نشان می دهد. آشکار است که ورقه های سیلیکاتی اثر خیلی بهتری در تقویت کردن نسبت به تقویت کننده های عادی، حتی در مقدار کم دارند.

2-4-2) روشهای ساخت نانو کامپوزیت پلیمر- خاک رس
طبق تحقیقاتی که شرکت تویوتا ژاپن انجام داده، به این نتیجه رسیده که لایه های سیلیکات کانیهای خاک رس می توانند در یک سطح نانو متری پراکنده شوند. روشهای کلی که این گروه برای ساخت نانو کامپوزیت مورد نظر ارائه داده است شامل 5 روش است که در ادامه توضیح داه خداهند شد.
الف- روش اینتر کالیش مونومر46
در این روش پلیمریزاسیون در داخل لایه های کانیهای خاک رس اتفاق می افتد و در نتیجه طی عمل پلیمریزاسیون یک انبساط در داخل لایه ها صورت می گیرد و لایه های سیلیکات به صورت هموژن پراکنده می شوند.
تصویر-14 شمایی کلی از این روش را نشان می دهد. شرکت تویوتا برای اولین بار توانست نانو کامپوزیت پلیمر- خاک رس را به روش نفوذ ماتریس های نایلون- 6 به دست آورد. موفقیت این امر به خاطر عدم وابستگی بین لایه های سیلیکاتی ماده معدنی MMT و مونومر کاپرولاکتام، نایلون- 6 بود.

ب- روش اصلاح مونومر47
رزین های اکریلیک، پلیمرهای مفیدی برای پوشش دهی مواد و رنگ ها
می باشند که با کوپلیمریزاسیون مونومر اکریلیک بدست می آیند.
اکریل آمیدها یکی از مهمترین مونومرها برای تولید رنگ های رزین اکریلیک مقاوم در برابر آب می باشند. چهار نوع نانو کامپوزیت اکلریلیک رزین- خاک رس بوسیله توزیع MMT در یک سوسپانسیون آبی رزین های اکریلیک بدست می آید. یک سوسپانسیون آبی نانو کامپوزیت اکریلیک زرین- خاک رس دارای ویژگی های سیالات شبه پلاستیک است که این ویژگی ها با افزایش بیش از 3% وزنی خاک رس بدست می آید. همچنین فیلم های نانو کامپوزیت اکریلیک رزین- خاک رس شفاف هستند و قابلیت نفوذ گاز در این لایه ها تا حدود 50% با افزودن 3% وزنی MMT کاهش می یابد.
ج- روش ولکانیزاسیون توام48
معمولا برای بهبود خواص مکانیکی لاستیک های ولکانیزه شده میتوان از دوده استفاده کرد، ولی باید به این موضوع توجه کرد که استفاده زیاد از دوده اغلب فرآیند پذیری ترکیبات لاستیکی را کاهش می دهد.
از سوی دیگر مواد معدنی با اشکال مناسب سوزنی برای تقویت کردن هستند اما آنها بر هم کنش ضعیف با لاستیک دارند. بنابراین مطلوب است که لایه های سیلیکات در ابعاد نانومتری توزیع شوند.
لاستیک ها آب گریزتر از نایلون- 6 هستند، در نتیجه بدست آوردن توزیع لایه های سیلیکات در ماتریس MMT به عمل آمده با آلکیل آمونیوم مشکل است. تنش کششی در نانو کامپوزیت خاک رس- لاستیک که حاوی 10% MMT است، در مقایسه با یک لاستیک حاوی 40% دو برابر می شود. در این نانو کامپوزیت قابلیت نفوذ هیدروژن و آب پس از اضافه کرن 9/3% حجمی MMT ، 70% کاهش می یابد.

د- روش حلال مشترک49
پلی آمیدها به خاطر پایداری شیمیایی، مقاومت حرارتی و خصوصیات الکتریکی عالی که دارند به طور وسیع در صنایع الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرند. مخصوصاً در صنایع میکرو الکترونیک، چون پلی آمیدها ضریب انبساط حرارتی، میزان جذب رطوبت و ثابت دی الکتریکی را به اندازه انتظار کاهش می دهند.
در ساخت این مواد، زمانی که یون دو دسیل آلونیوم به عنوان عامل اصلاح مورد استفاده قرار میگیرد،MMT به صورت همگن دردی متیل استامید (DMAC) پراکنده می شود و DMAC حلال تهیه پلی آمید است. MMT در DMAC به همراه پلی آمیک اسید( ماده تشکیل دهنده پلی آمید ) پراکنده می شود. پس از حذف DMAC یک نانو کامپوزیت MMT – پلی آمید بدست می آید. بر طبق مشاهدات انجام گرفته با XRD در مورد تشکیل نانو کامپوزیت پلی آمید بدست آمده از یونهای آمونیوم و MMT، به این نتیجه رسیده اند که هنگامی که دو دسیل آمونیوم به همراه MMT به کار گرفته می شود هیچ پیکی وجود نخواهد داشت. این نتیجه خوبی برای ساخت نانو کامپوزیت پلی آمید است. از ویژگی های این نانو کامپوزیت خصوصیت جذب آب مناسب و عدم نفوذ گاز دی اکسید کربن است.
ه- روش اینترکالیش مذاب پلیمر50
پلی پروپلین، پلیمری است که از آن درکارهای مهندسی بیشتر استفاده میشود. بنابراین برای ساخت نانوکامپوزیت پلیمر- خاک رس به پلی پروپیلن به عنوان یک پلیمر توجه زیادی می شود. اما در ساخت نانوکامپوزیت پلی پروپیلن خاک رس دو مشکل وجود دارد. مساله اول در مورد نفوذ مونومر مناسب است که طی آن ورقه ورقه شدنMMT در یک سطح نانومتر بوسیله پلیمریزاسیون بعدی شروع میشود. به نظر میرسد نفوذ مذاب پلیمر برای ساخت نانو کامپوزیت پلی پروپیلن -خاک رس با استفاده از تکنیک های فرآیند پلیمریزاسیون یک راه کار جدید باشد. بنابراین این نوع نانو کامپوزیت بوسیله حرارت دادن یک مخلوط پلی پروپیلن و MMT آلی دردمای بالای دمای ذوب پلی پروپیلن ( 160 درجه ) شروع به شکل گرفتن میکند. به این شکل که پلیمر ذوب شده با خاک رس مخلوط میشود و به خاطر نیرویی که در بین لایه های خاک رس است، پلیمر رفته رفته در بین لایه ها نفوذ کرده و نانو کامپوزیت شکل می گیرد.
مساله دوم این است که پلی پروپیلن هیج گروه قطبی ندارد و جزء یکی از پلیمرهای آب گریز است، از این رو پراکندگی نانومتری لایه های سیلیکاتی در ماتریس پلی پروپیلن هنوز تشخیص داده نشده است. حتی با استفاده از یک MMT به عمل آمده از یونهای دی اکتا دسیل دی متیل آمونیوم و یونهای آمونیوم آلکیلی هیدروفوبیک که در سطح قطبی کانیهای خاک رس قرار داده شده اند.
برای حل این مشکل، یک الیگومر پلی اولفین با گروه های قطبی به عنوان یک عامل سازگار دهنده مورد استفاده قرار می گیرد.
اخیراً روش اینترکالیشن مذاب پلیمر برای تولید نانوکامپوزیت پلی استایرن با کوپلیمراستایرن- متیل وینیل اکسازولین (PSOZ) مورد استفاده قرار گرفته است. پودر پلی استایرن، PSOZ و MMT با اکتادسیل تری متیل آمونیوم در یک آسیاب غلطکی با هم مخلوط شده و در زیر دمای 180 درجه ذوب می شود.
تصاویر بدست آمده از TEM نشان دهنده پراکندگی لایه های سیلیکات در سطح نانومتری است. گروهی از محققین نیز توانسته اند نانو کامپوزیت نایلون- 6 را با استفاده از اینترکالیت مستقیم به داخل MMT آلی بدست آورند.

2-4-3) نانو کامپوزیت نایلون- 6- خاک رس
در سال 1970 ، Kato یک ترکیب خاک رس- پلیمر متشکل از یک پلیمر آلی و خاک رس معدنی را گزارش کرده است. او یک مونومر اکریلیک اسید بین صفحات سیلیکات MMT جا داد و پلیمریزاسیون اکریلیک اسید را به روش پلیمریزاسیون در جا انجام داد که طی این عمل پلیمریزاسیون ، فاصله اساسیMMT از 6/9 آنگستروم به 4/17 آنگستروم افزایش یافت. با این وجود ، این ترکیب خاک رس- پلیمر بوسیله روشهای قالب گیری متداول فرایند پذیر نبود. بعد از Kato در سال 1976 . Fugiwara و Sakamoto موفق به ساخت نانوکامپوزیت نایلون-6- خاک رس شدند که روند کار آنها به صورت زیر است.
آنها ابتدا یک کمپلکس آمینوکربوکسیلیک اسید- مونت موری لونیت با فاصله اساسی بزرگ شده که در حدود 2/15 انگستروم بود در طول واکنش تبادلی یونی بین یون سدیم موجود در داخل لایه های ماده معدنی مونت موری لونیت و آمینو کربوکسیلیک پروتون دار، بدست آوردند.
در مرحله دوم کاپرولاکتام را در بین لایه های کمپلکس اینترکالیت کرده و سپس به روش در جا پلیمریزاسیون صورت گرفت. نانوکامپوزیت نایلون-6- مونت موری لونیت به این طریق فاصله اساسی خیلی گسترده ای در حدود 8/69 آنگستروم به دست آورد. این نانوکامپوزیت به روشهای قالب گیری فرآیند پذیر بود. این فرآیند، مبدا حقیقی تکنولوژی ساخت نانوکامپوزیت نایلون-6- خاک رس می باشد. بعداً Usuki با استفاده از این روش نانوکامپوزیت نایلون-6- را ساخت.

روش پلیمریزاسیون در جا برای ساخت نانوکامپوزیت نایلون-6
همانطوریکه گفته شد نانوکامپوزیت نایلون-6- خاک رس قابل سنتز در یک روش دو مرحله ای است. با وجود این، این روش از نظر اقتصادی برای تولید کامپوزیت در ابعاد صنعتی به خاطر قیمت بالای آن ، مقرون به صرفه نیست. بنابر این محققین در صدد برآمدند تا نانوکامپوزیت مورد نظر را فقط مستقیماً از سیلیکات ورقه ای شده خاص(میکای حجیم شده مصنوعی) و کاپرولاکتام در یک مرحله به دست آورند، بدون اینکه یک مرحله دیگر برای تولید ترکیب خاک رس- آمینو کربوکسیلیک اسید به کار ببرند. این روش از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه بود. به طور کلی برای ساخت نانوکامپوزیت خاک رس- پلیمر به روش درجا، خاک رس اصلاح شده در داخل مونومر مایع متورم می شود و رفته رفته پلیمریزاسیون صورت گرفته و نانوکامپوزیت تولید می شود.
پلیمریزاسیون در جا شامل فرآیندهای زیر است که به صورت همزمان یا متوالی اتفاق می افتد.
1- تشکیل یک پرکننده در ابعاد نانومتری ( شکل گیری سیلیکاتهای ورقه ای)
2- تشکیل ماتریس نایلون-6 (پلیمریزاسیون مونومر کاپرولاکتام)
3- تشکیل کامپوزیت (مخلوط کردن نایلون-6 و صفحات سیلیکاتی)
بر اساس تحقیقات انجام گرفته که روی تولید اسید آمینوکاپروئیک متمرکز شده است به این مساله پرداخته که آیا یون سدیم قابل تعویض با آمینو کاپروئیک پروتون دار هست یا نه؟ اگر این کار در طول فرآیند پلیمریزاسیون امکان داشته باشد، اولین مرحله از روش دو مرحله ای متداول برای یک کمپلکس خاک رس- یون آلی ضرورت نخواهد داشت. با شروع از سوال بالا در می یابیم که نانوکامپوزیت نایلون-6 را میتوان با استفاده از میکای مصنوعی با یک ظرفیت تبادل یونی بهینه و همچنین با هدایت پلیمریزاسیون هیدرولیتیک تحت شرایط خاص، بدست آورد.
تصویر-15 گستره وسیعی از نمونه های پراش اشعه X گرفته شده در یک راکتور در طول فرآیند پلیمریزاسیون را نشان می دهد. برای میکای مصنوعی به عنوان ماده اولیه پراشهای پیک می تواننددر 2/9 و 1/7 درجه دیده شوند که به ترتیب با فواصل اساسی 6/9 و 5/12 آنگستروم در ارتباط هستند. فاصله اساسی 5/12 آنگستروم به هیدراتاسیون صفحات سیلیکاتی نسبت داده می شود.

برای نمونه های گرفته شده از راکتور، پیکها در 24 – 20 درجه به ساختار کریستالی نایلون-6 نسبت داده می شود. مشاهدات نشان می دهد که یک پیک در 3/4 درجه به فاصله اساسی 6/20 آنگستروم انطباق داده می شود که در طول فرآیند پلیمریزاسیون شدت این پیک کاهش یافته و زمانی که عمل پلیمریزاسیون کامل شد، دیگر این پیک دیده نمی شود. تصور می شود که انطباق این پیک به فاصله اساسی 6/20 آنگستروم به خاطر کمپلکس خاک رس و الیگومر نایلون-6 اینترکالیت باشد (ترکیب Clay والیگومر 6 N )
در انتهای عمل پلیمریزاسیون ویسکوزیته نسبی ماتریس نایلون-6 در نانوکامپوزیت ( در دمای C 25 اسید سولفوریک %96 ) 5/3-2 است، که این نشان دهنده این است که وزن مولکولی ماتریس به اندازه کافی بالا است تا در کارهای مهندسی مورد استفاده واقع شود.

توجیه شکل گیری نانوکامپوزیت نایلون-6 طی فرآیند پلیمریزاسیون درجا
در مرحله اول: آب ، کاپرولاکتام و میکای مصنوعی با هم در دمای C 80 گرم شده و مخلوط می شوند. کاپرولاکتام در داخل میکای مصنوعی جا داده می شود و فاصله اساسی میکای مصنوعی به 3/15 آنگستروم افزایش می یابد. در این فاصله واکنش تبادل یونی اتفاق نیفتاده است، بنابر این هنوز یون سدیم در فضای بین لایه ای میکا به دام افتاده است. در مرحله دوم زمانی که دمای مواد اولیه مخلوط شده تاC 220 بالا برده می شوند در این صورت کاپرولاکتام به اسید آمینو کاپروئیک هیدرولیز می شود. به محض تولید اسید، آن با یون سدیم در طول واکنش های تبادل یونی، عوض می شود.
در نتیجه اسید آمینو کاپروئیک پروتون دار در داخل لایه های میکای مصنوعی تولید می شود و یون سدیم به فاز ماتریس وارد می شود. با وجود این، در این مرحله واکنشهای تبادل یونی کامل نشده اند. باقیماندهکاپرولاکتام در مخلوط واکنش، در مرحله بعدی به داخل لایه ها نفوذ می کند و یک واکنش پیوسته اضافی در داخل فضای بین لایه ای اسید آمینو کاپروئیک اتفاق می افتد. در نتیجه، یک کمپلکس الیگومر نایلون-6- خاک رس با یک فاصله اساسی 6/20 آنگستروم شکل می گیرد. در این مرحله درجه واکنش کاپرولاکتام تقریباً%50 است.
در مرحله سوم، واکنشهای افزایشی کاپرولاکتام به میزان %90 پیش می رود که این بیشترین مقدار این نوع واکنشها است. فاصله اساسی رفته رفته ،بیشتر و بیشتر می شود با اضافه کردن بیشتر کاپرولاکتام،انرژی شبکه میکای مصنوعی کاهش می یابد چون آن نمی تواند تنشهای برشی سیستم واکنش را تحمل کند. بنابر این در نهایت ساختار لایه از بین می رود و هیچ ساختار لایه ای توسطXRD مشاهده نمی شود. این نشان می دهد که پراکندگی صفحات سیلیکاتی کامل شده و یونهای تبادلی در این مرحله به حالت تعادل رسیده اند.
در مرحله چهارم درجه پلیمریزاسیون افزایش می یابد و در نهایت نانوکامپوزیت تهیه می شود. کل زمان مورد نیاز واکنش برای ساخت نانوکامپوزیت تقریباً با زمان پلیمریزاسیون هیدرولیتیکی رایج نایلون-6- برابر است. نانوکامپوزیتی که به این شکل بدست می آید با آب گرم شسته می شود و در نهایت خشک می شود. در طی فرآیند تصفیه سدیم موجود در نانوکامپوزیت به عنوان نمک به همراه گروههای کربوکسیلیک هیدرولیزه می شود و در نهایت یون های سدیم از آن استخراج می شود. روش پلیمریزاسیون در جا نه تنها در نفوذ آب کاپرولاکتام موفق بوده است، بلکه در طول فرآیند واکنش تبادل یونی آمینو- کاپروئیک اسید پروتون دار، نیز موفق بوده است. انرژی سولواسیون در واکنشهای بالا در افزایش فاصله اساسی صفحات سیلیکاتی شرکت می کند. مضافاً گرمای حاصل ازواکنش افزایشی کاپرولاکتام در انبساط فاصله اساسی سهم دارد.

2-5) نانوکامپوزیت های زمینه سرامیکی
سرامیکها خواص بسیار خوبی نظیر مقاومت حرارتی بالا، پایداری شیمیایی خوب و استحکام مکانیکی مناسبی دارند، اما به دلیل پیوندهای یونی و کووالانسی موجود در سرامیک ها چفرمگی شکست آن ها پایین است و تغییر شکل پلاستیک این مواد محدود می باشد. به منظور رفع این مشکل می توان با اضافه کردن و جاسازی الیاف و ذرات مناسب، می توان چقرمگی شکست را بالا برد. اگر این تقویت کننده ها ابعاد نانومتری داشته باشند بالاترین چفرمگی شکست بدست می آید.
نانوکامپوزیت های زمینه سرامیکی به دو روش تولید می شوند:
1- قرار گرفتن نانولوله های کربن در زمینه سرامیکی مثلSiO2, TiO2, MgO
2- تولید پودرهای کامپوزیتی نظیرMgAl2O4, Al2O3, SiC به شکل مستقیم.
در ادامه با بررسی روشهای تولید چند نانوکامپوزیت زمینه سرامیکی با آنها بیشتر آشنا می شویم.

2-5-1) نانوکامپوزیت WC/MgO
در این نانوکامپوزیت ذرات MgO در زمینهWC جاسازی شده است. برای تولید این نانوکامپوزیت ،WO3،Graphite ، Mg خالص در یک آسیاب گلوله ای ریخته می شود بعد از فرآیند آسیاب کاری اولیه و انجام فعل انفعالات آلیاژ سازی مکانیکی مخلوطMgO-W که حاوی ذرات نانوساختار هستند بوجود می آید. در ادامه انجام فرآیند آسیاب کاری با انجام واکنش بین ذرات W و پودر گرافیت، ذرات نانوساختار بسیار ریز WC با ابعاد کمتر از 50 نانومتر حاصل می شود و در همین حین دانه های MgO که ابعاد آنها حدود 10 نانومتر است در ذراتWC نانوساختار جداسازی شده و پودر کامپوزیتیMgO/WC ایجاد می گردد.

2-5-2) نانوکامپوزیت Si3N4/SiC
مثال مهمی از سرامیک های با چقرمگی بالا نیتریدهای سیلیسیم تقویت شده با کاربید سیلسیم می باشد که اولین بار در سال 1970 گسترش یافتند.این کامپوزیت دارای چقرمگی و استحکام بالا در دمای اتاق می باشد. به علاوه دارای مقاومت مناسبی در برابر خوردگی و اکسیداسیون است . با این وجود استحکام دمای بالا (1000 درجه سانتیگراد) و مقاومت خزشی این مواد کامپوزیتی پایین است. این پدیده به دلیل حضور فاز شیشه ای در مرزدانه ها در دمای بالا است.
یک راه حل مناسب برای کاهش این مشکل ساختن نانوکامپوزیت های Si3N/SiC می باشد. این نانوکامپوزیت کاربردهای گسترده ای در ساختارهای با دمای کاری خیلی بالا دارد. به علاوه خواص مکانیکی مناسبی در دمای اتاق و در دماهای بالا از خود نشان می دهد. نانوکامپوزیت Si3N4/SiC از طریق ریخته گری تولید می شود و در دمای ریخته گری در حدی است که مخلوط ژله ای و نیمه جامد باقی بماند. برای ایجاد این حالت ژله ای از مخلوط پلی استر و پلی آمین استفاده می شود. این روش تولید نانوکامپوزیت روشی مناسب است که معایب سایر روشهارا ندارد.

2-5-3) نانوکامپوزیت Al2O3/Ni
Al2O3 ماده سرامیکی است که دارای خواصی نظیر سختی و استحکام بالا، پایداری شیمیایی و حرارتی عالی و نیز دیرگدازی مناسب می باشد. اما تردی بالای آن مانع کاربرد گسترده اش شده است. در این راستا محققین سعی کرده اند با توزیع فاز ثانویه فلزی با ابعاد نانومتری در این سرامیک، چقرمگی آن را بهبود دهند. جان گو51 و همکارانش برای این منظور از توزیع ذرات نیکل استفاده کردند. آنها مواد اولیه Al(NO3). 9H2O.NiO را به کار بردند، و با استفاده از یک روش شیمیایی توانستند ذرات نانوکامپوزیتی AL2O3-Ni تولید کرده و در ادامه با استفاده از پرس گرم52 در دمای 1450 درجه سانتیگراد و به مدت یک ساعت در فشار 20 اتمسفر آرگون، نانوکامپوزیتی با چگالی تئوری 98% تولید کردند. حضور Ni با اندازه دانه های حدود 100 تا 300 نانومتر در ساختار AI2O3باعث شد تا 26 درصد استحکام خمشی و 79 درصد چقرمگی شکست AI2O3 افزایش یابد.
2-5-4) نانوکامپوزیت نیتریدسیلیسیم حاوی نانولوله کربنی چند دیواره
برای ساخت این نانوکامپوزیت از پرس ایزواستاتیک گرم استفاده می شود. در آغاز ذرات Si3N4 را تهیه، و سپس مقداری از پودر نانومتری دوده کربنی و بسته های نانولوله کربنی با ابعاد 50 تا 100 نانومتر به آن ها اضافه می شود. مخلوط حاصل برای مدت چند ساعت در آسیاب گلوله ای با گلوله هایی از جنس آلومینا آسیاب شده و در نهایت مخلوط حاصل با انجام عملیات آماده سازی در یک پرس ایزواستاتیک گرم در دمای 1700 درجه سانتیگراد و در محیط نیتروژن خالص سینتر می شود.
از آنجایی که افزایش دما و فشار سینترینگ باعث جدا شدن نانولوله ها از نانوکامپوزیت و تبدیل آن ها به ساختارهایی آزاد در ماده زمینه می شود، لذا این دما باید بصورت کنترل شده اعمال شود. از خواص مکانیکی قابل توجه این نانوکامپوزیت ها می توان به استحکام خمشی و مدول الاستیک قابل توجه آن ها اشاره کرد. در تصویر-16 حضور نانولوله های کربنی چنددیواره در دانه های Si3N4 مشخص است.

2-5-5) نانوکامپوزیت Al2O3/SiC
برای ساخت این نانوکامپوزیت از پودر Al2O3 تجاری و ذرات نانومتری SiC استفاده می شود. بدین منظور ابتدا پودرهای مذکور با یکدیگر مخلوط شده و سپس در دمای 1550 درجه سانتیگراد تحت فرآیند پرس داغ قرار می گیرند. برای حصول ساختاری همگن با چگالی مطلوب می توان ترکیب مناسبی از MgO و Y2O3 را نیز به مخلوط اولیه پودری اضافه کرد.

2-6) نانوکامپوزیت های زمینه فلزی
کامپوزیت های زمینه فلزی، کم وزن و سبک بوده و به علت استحکام و سختی بالا کاربردهای وسیعی در صنایع خودرو و هوا فضا پیدا کرده اند. اما این کاربردها به لحاظ کم بودن قابلیت کشش در این کامپوزیت ها محدود شده است. تبدیل کامپوزیت به نانوکامپوزیت سبب افزایش استحکام و رفع محدودیت مذکور می شود. اصولاً روش های تولید نانوکامپوزیت های زمینه فلزی مشابه روش های متالوژی پودر است که در ادامه چند مثال بررسی خواهد شد.

2-6-1) نانوکامپوزیت Mg/SiC
نانوکامپوزیت های زمینه فلزی کاربردهای متفاوتی دارند خصوصاً نانوکامپوزیت های زمینه منیزیم که در سال های اخیر به دلیل چگالی کم، استحکام بالا، مقاومت به خزش بالا و پایداری حارتی مناسب، گسترش چشم گیری داشته اند. این نوع نانوکامپوزیت ها کاربردهای گسترده ای در صنایع هوایی و خودروسازی دارند. اصولاً نانوکامپوزیت های زمینه منیزیم از دو روش قابل تهیه هستند. در روش اول از آسیاب مکانیکی پودرهای منیزیم، آلومینیوم و تیتانیم استفاده می شود. این پودرهای فلزی بایستی دارای خلوص بالا و به میزان بیشتر از %5/98 برای منیزیم و %5/99 برای آلومینیوم باشند. پس از اختلاط این پودرها در یک مخلوط کن V شکل با سرعت rpm 45 و به مدت 2 ساعت، آن ها را آسیاب می کنند. آسیاب کردن توسط دستگاه توپی فریتش53 با rpm250 انجام می گیرد. پلی اتلین گلیکول به عنوان یک عامل کنترل کننده فرآیند به مخلوط پودری اضافه می شود. این عامل نظیر عوامل دیگر که به عنوان کنترل کننده فرآیند استفاده می شود (نظیر اسید استئاریک) ناپایدار بوده و با تخریب خود سبب تولید TiH2 می گردد.
مخلوط پودرها از سپس با گاز نیتروژن یا هیدروژن به منظور تولید نیترید یا هیدرید به عنوان فاز دوم مخلوط کرده و تحت فشار بصورت سرد قرار می دهند. سپس در 450 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت در یک کوره تخلیه قرار گرفته و پس از آن در 400 درجه سانتیگراد و باکمک گرافیت به عنوان روان کننده آن را قالبگیری می کنند. در نهایت برش هایی از نمونه به طول ضخامت mm25 و قطر mm5 از وسط ترکیب قالبگیری شده تهیه کرده و استحکام کششی آن ها را اندازه گیری می کنند. روش اندازه گیری استحکام مطابق با ASTM-E8M-96 می باشد.
در روش دوم از امواج مافوق صوت استفاده می شود. بدین منظور پس از تهیه مذابی از آلیاژ منیزیم (نظیر AZ91D) ، در عین حالی که امواج ما فوق صوت به مذاب اعمال می شود (تصویر-17) ، SiC در دمای کنترل شده (حدود 620 درجه سانتیگراد) به مذاب اضافه می شود. با اضافه کردن نانو ذرات SiC، ویسکوزیته مذاب بالا می رود که برای بهبود سیالیت مذاب، دما را تا 700 درجه سانتیگراد می توان بالا برد.
2-6-2) نانوکامپوزیت زمینه فلزی حاوی نانولوله کربنی
در جدول (4) چند نانوکامپوزیت زمینه فلزی حاوی نانولوله های کربنی با مهمترین ویژگی هایشان معرفی شده اند.

2-6-3)نانوکامپوزیت Cu/Al2O3
برای تولید این نوع نانوکامپوزیت ابتدا ذرات Al و Cu توسط آسیاب گلوله ای آسیاب شده و در نهایت پودر آلیاژی Cu-Al تولید می شود. سپس جهت استحکام بخشی به این ساختار، پودر CuO اضافه شده و مخلوط حاصل مجدداً آسیاب می شود. ادامه آسیاب منجر به ایجاد محلول جامد Cu(Al) می شود. CuO با این محلول جامد واکنش داده و ذرات Al2O3 با اندازه کمتر از 100 نانومتر در زمینه مسی تولید می شوند.
این نانوکامپوزیت دو خاصیت عمده دارد یکی استحکام بالا و دیگری هدایت الکتریکی بالا که برای استفاده در ساخت الکترودها، و اتصالات می توان از آن استفاده کرد.

2-7) نانوکامپوزیت های زمینه بین فلزی
در سال های اخیر ترکیبات بین فلزی به دلیل کاربرد گسترده شان در محیط های بادمای بالا، مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. در این بین ترکیب NiAl یکی از مهمترین ترکیبات بین فلزی محسوب می شود. این ترکیب دمای ذوبی بالا در حدود 645 درجه سانتیگراد و چگالی در حدود g/cm2 9/5 دارد. ضمن آن که مقاومت در برابر اکسیداسیون بالا، هدایت حرارتی عالی، قابلیت کارپذیری بالا و هدایت الکترکی بالا از دیگر خصوصیات این ترکیب بین فلزی می باشند. از جمله محدودیت های این ترکیب برای استفاده در دمای بالا، مقاومت خزشی پایین آن است. در سال های اخیر تحقیقاتی جهت بهبود رفتار خزشی این ترکیب انجام گرفته است. از مهمترین پیشنهاداتی که در این زمینه ارائه شده است، استفاده از یک فاز ثانویه نظر SiC و TiC جهت تولید کامپوزیت NiAl می باشد.
بدین منظور برای تولید این نانوکامپوزیت از آسیاب گلوله ای استفاده می شود. به عنوان، مثال برای تولید نانوکامپوزیت NiAL/TiC، پودر عناصر Ti , C, Al , Ni را درون دستگاه آسیاب قرار می دهند. پس از انجام آسیاب کاری و نیز واکنش های لازم، ذرات TiC در زمینه نانوساختاری NiAL قرار می گیرند.

2-8) نکات مهم در طراحی نانوکامپوزیت ها
در کامپوزیت های نانوساختار، ماده تقویت کننده ابعاد نانومتری دارد و توزیع یکنواخت این فاز در ماده زمینه باعث می شود که فصل مشترک این دو فاز در واحد حجم، مساحت بالایی داشته باشد. تئوری ها و آزمایشات انجام گرفته در زمینه نانوکامپوزیت ها قابل تردید و شک است و هنوز درک صحیحی از فصل مشترک بین فازها و اتصالات بین ماده زمینه و تقویت کننده در نانوکامپوزیت ها وجود ندارد. لذا در طراحی نانوکامپوزیت ها خصوصاً نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری باید به پراکندگی و آرایش ماده تقویت کننده و ارزش افزوده نانوکامپوزیت توجه داشت و قبل از تولید به سه نکته زیر عنایت نمود:
1- پراکندگی
مسئله مهم تولید نانوکامپوزیت ها توزیع یکنواخت فاز تقویت کننده در ماده زمینه است. توزیع غیر یکنواخت نانوذرات، نانوصفحات ونانولوله های کربنی منجر به اگلومراسیون آنها می گردد. در هم پیچیده شدن نانوکامپوزیت لوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره که به روش 54CVD تولید شده اند از جمله این مشکلات است. همچنین توزیع و پراکندگی یکنواخت فاز تقویت کننده نیز پیش نیاز آرایش آنها محسوب می شود.
2- آرایش
ردیف کردن نانولوله ها و الیاف به خاطر ریز بودن بیش از اندازه آنها بسیار مشکل است. عدم کنترل بر روی جهت و راستای نانولوله ها تاثیرات زیادی از لحاظ ساختار و خواص بر روی نانوکامپوزیت ها خواهد گذاشت.
3- ارزش اقتصادی
ارزش یک نانوکامپوزیت به ارزش تقویت کننده آن بستگی دارد، لذا به دلیل اهمیت سرعت تولید بالای نانوکامپوزیت ها، روش تولید تقویت کننده نانوکامپوزیت هاو ارزش افزوده ناشی از آن ها باید مورد توجه قرار گیرد.

2-9 ) خواص مهندسی نانوکامپوزیت ها
ما از مواد خاصی برای ساختن قطعات،دستگاهها، ساختمانها و … استفاده می کنیم، چون همه مواد خواص مورد نیاز ما را در آن دستگاه برآورده نمی کنند. به این خواص که موجب می شود آن ماده دارای کاربردهای مهندسی شود، خواص مهندسی مواد می گویند. خواصی که بر اثر وجود نانو مواد در کامپوزیتها بهبود می یابند عبارتند از: خواص فیزیکی مثل دمای واپیچش گرمایی، پایداری حرارتی، شفافیت و خواص مکانیکی مثل خواص کششی، خواص خمشی، و… .در این بخش به بخشی از این خواص اشاره می کنیم.
جدول-5 با توجه به میزان حضور ورقههای سیلیکاتی در نانوکامپوزیت، به برخی ویژگیهای مکانیکی نانوکامپوزیت اشاره می کند. وابستگی بین حجوم ورقههای سیلیکاتی و مدول خمشی در جدول کاملاً مشهود است.
55
ورقه های سیلیکاتی دارای نسبت مشخصه بزرگتری نسبت به تالک هستند، در حالی که صلبیت این دو به خاطر ساختار اساسی مشابه آنها، نظیر لایه های سیلیکاتی، در یک سطح فرض می شود اما در مقایسه با الیاف شیشه ای، ورقه های سیلیکاتی تقریباً دارای نسبت مشخصه یکسان اما صلیبت بالا میباشند. بنابراین ورقه های سیلیکاتی می توانند به عنوان فیلرهای غیرآلی بهتری در نظر گرفته شوند.
نایلون -6 پرشده با تالک کاهش قابل توجهی در حول و حوش دمای Tg 56 در مدول خمشی دارد این در حالی است که برای نانوکامپوزیت آن پلیمر، این کاهش کمتر از این مقدار است. بعلاوه در دمای Tg نانوکامپوزیت یک مقاومت خزشی بهتری نسبت به کامپوزیتهای پرشده با فیلرهای غیرآلی دیگر از خود نشان می دهد. خواص مکانیکی نانوکامپوزیت نایلون-6- خاک رس که فقط حاوی 5% سیلیکات است، بهبود فوقالعادهای را نسبت به نایلون-6 خالص از خود نشان می دهد. این نانوکامپوزیت دارای 40 درصد مقاومت کشش بیشتر، 68 درصد مدول کشش بیشتر، 60 درصد مقاومت خمش بیشترو 126 درصد مدول خمشی بیشتر از پلیمر اصلی میباشد. دمای تغییر شکل گرمایی (HDT)57 آن از 65 درجه سانتیگراد به 152 درجه سانتیگراد افزایش مییابد. در مقابل بهبود این خواص فیزیکی 10% از مقاومت ضربه آن کاسته میشود.
تنش کششی
در حالت عادی، تنش کششی کامپوزیت پرکننده غیرآلی- پلیمر عادی، پایین است.به عنوان مثال، پلیمر نایلون- 6 با تالک یا الیاف شیشهای پرمی شود، تنش را به مقدار درصد خیلی کمی پایین می آورد اما در نانوکامپوزیت پلیمر نایلون -6 میزان تنش بسته به ضخامت آن، بیشتر است. وقتیکه ضخامت کمتر ازmm 1 باشد تنش بیشتر از 100% اتفاق میافتد. این ویژگی باعث میشودکه نانوکامپوزیت راحتتر به فیلم تبدیل شود.
بر اساس گزارشWang و pinnavaia خواص مکانیکی نانوکامپوزیت اپواکسی- سیلیکات ورقه ای که با آمینهای حلقوی فرآوری شده اند، بیش از 400% در مدول کششی و مقاومت کششی افزایش نشان می دهد. همچنین کرنش شکست بسیار بیشتر، نفوذپذیری کمتر در برابر گاز و مقاومت بیشتر در برابر حلال نیز از دیگر خواص آن می باشد.
درتصویر-18 دو کامپوزیت را می بینید که لایه سطحی آنها، یکی با ذرات نانو و دیگری با ذرات میکرونی پوشیده شده است. همان طور که می بینید لایه با ذرات میکرونی (تصویر سمت چپ) در مقابل تنش ترک خورده است، در حالی که لایه با ذرات نانویی در مقابل این تنش مقاومت کرده است.

خصوصیات ممانعت کنندگی
نانوکامپوزیتها دارای خصلت ممانعت کنندگی عالی در برابر نفوذ اکسیژن، نیتروژن، دیاکسیدکربن، بخارآب و… دارند.
تصویر-19 خصلت ممانعت کنندگی نانوکامپوزیت را در مقایسه با پلمیر خالص، نشان میدهد. چنانچه مشخص است نفوذ گازی درنانوکامپوزیت تقریباً به بیش از 50 درصد در مقایسه با پلیمر، کاهش داده شده است. این اثر بوسیله اصل مسیرهای پیچاپیچ شرح داده میشود. صفحات کوچک توزیع شده سیلیکاتی در نانوکامپوزیت مسیرهای کوتاه نفوذ مولکول های گازی را انسداد می کنند و یک نیرویی به آنها وارد می کنند تا اینکه پراکنده شوند. نتیجه این کار آن است که مسیر نفوذ گرفته می شود و گاز نمی تواند وارد مواد بسته بندی شده با نانوکامپوزیت گردد.

دمای تغییر شکل تحت بار(DTUL)
در جدول 5 دمای تغییر شکل نانوکامپوزیت در اثر اعمال بار نشان داده شده است. هنگامیکه حجم ورقه های سیلیکات 6 درصد وزنی باشند، DTUL به صورت خطی افزایش می یابد در بالاتر از 6 درصد وزنی افزایش در DTUL کمتر می شود.

خصوصیات بازیافت
نانوکامپوزیتها حتی در هنگام بازیافت نیز خصوصیت عالی از خود به جا می گذارند. الیاف شیشه ای به کار رفته در کامپوزیت پلیمرهای عادی در طول فرآیندهای قالبگیری تزریقی و خرد کردن، به آسانی شکسته می شوند. بنابراین خواص مکانیکی این کامپوزیتها در هنگام بازیافت بدتر از حالت اولیه می شود و برای استفاده مجدد قابل اطمینان نمی باشند. اما ورقه های سیلیکاتی بکار رفته در نانوکامپوزیتها به علت اینکه بیش از حد کوچک هستند، بنابراین در طول فرآیند بازیافت برای استفاده مجدد، خواص مکانیکی خود را حفظ می کنند. بنابراین نانوکامپوزیتها می توانند برای استفاده مجدد دوباره خرد یا ذوب شوند و هیچوقت افت بازدهی در طول کارکرد ایجاد نمی کنند.
خواص اشتعال پذیری58
مدتی است که محققین بر روی اشتعال پذیری نانوکامپوزیتهای پلیمر- خاک رس، تحقیق می کنند و به این نتیجه رسیده اند که نانوکامپوزیتها در تاخیر شعله وری نقش دارند. همچنین پایداری حرارتی را افزایش می دهند.بنابراین مطالعه رفتار آتش گیری نانوکامپوزیت پلیمر- خاک رس بسیار حائز اهمیت است.
پایداری حرارتی
Blumstein اولین کسی بود که بهبود حرارتی را برای یک نانوکامپوزیت پلیمر- خاک رس که از MMT و پلی متیل متااکریلات آمده بود، گزارش کرد. وی پایداری حرارتی نانوکامپوزیت پلی متیل متااکریلات- MMT را نه تنها ناشی از ساختار متفاوت آن دانست بلکه به محدودتر شدن جنبش گرمایی پلی متیل متااکریلات در بین لایه ها نیز ربط داد. این اثر با شبیه سازی دینامیک مولکولی در یک نانوکامپوزیت پلی پروپیلن توسط Nyden گزارش شده است.
تا حالا ارزیابیهای جدی بر روی خواص آتش گیری نانوکامپوزیتها، انجام نشده است. Giannelis نیز به بررسی خواص آتش گیری در نانوکامپوزیت پلی کاپرولاکتان- سیلیکات لایه ای و نانوکامپوزیت پلی آمید حلقوی- سیلیکات لایه ای، پرداخته است. در آن گزارش آمده است که نانوکامپوزیت پلی آمید پایداری حرارتی را بهبود می بخشد. در اینجا بر خود لازم می دانیم که به تحقیقی که در مورد خواص، آتشگیری نانوکامپوزیت پلی پروپیلن پیوند داده شده با انیدریدمالئیک پلی استایرن بدست آمده از MMT و فیوروهکتوریت59، پرداخته است، اشاره کنیم. در این تحقیق شواهدی دال بر کاهش آتش گیری با مکانیزم مشترک بدست آمده است. همچنین محققین دریافتهاند که نوع سیلیکات لایهای شده، میزان توزیع و نحوه فرآوری بر میزان کاهش آتش گیری موثر است.

2-10 ) کاربردهای نانوکامپوزیت ها در صنعت
با توجه به اینکه خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها در مقایسه با کامپوزیتهای معمولی خیلی بهتر شده است بنابراین می توانند در صنایع مختلف از جمله صنایع خودروسازی، صنایع هوافضا، صنایع الکترونیک و صنایع میکروالکترونیک و… استفاده شوند. در اینجا به یک سری از کاربردهای نانوکامپوزیتها که اخیراً مورد استفاده قرار گرفته اند اشاره می کنیم.
اولین استفاده صنعتی از نانوکامپوزیتهای تقویت شده با خاک رس در زمینه درست کردن پوشش زنجیر تایمینگ است که بوسیله قالب گیری تزریقی این کار صورت گرفته است. این مواد صلبیت خوب و پایداری حرارتی بالایی از خود نشان می دهند و در بدنه موتور اتومبیل های تویوتا به کار گرفته می شوند.
وزن حفاظتی دست یافته شده برای پوشش زنجیر تایمینگ %25 است که علت این امر به خاطر کمتر بودن محتوی غیرآلیها در مقایسه با نایلون یا پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه ای می باشد. فیلم های بسته بندی مواد غذایی و ظروف نوشابه ای به علت خصوصیات ممانعت کنندگی در برابر گازها و شفافیت آنها، عمده ترین هدف استفاده از نانوکامپوزیتها در صنایع مختلف هستند. چون این فیلمها به خاطر توزیع سیلیکاتهای لایه ای در ابعاد نانومتری در مقابل نفوذ هوا مقاوم هستند. یک فیلم تهیه شده ازNCH که درصد خاک رس آن%12 وزنی باشد، نفوذ اکسیژن را%80 کاهش می دهد.
نانوکامپوزیتها اخیراً کاربردهای زیادی در زمینه شکل دهی کالاها دارند. به عنوان مثال، پوششهای موتوری، تانکهای ذخیره نفت، شلنگهای سوخت در اتومبیلها، دستگیره های مخصوص پلهکانها، متعادل کننده های کف اتاق60، در ساختمان سازی و گونه های مختلف اتصال دهنده ها در صنعت الکترونیک نانوکامپوزیتها می توانند به روش نخ ریسی61 به صورت الیاف درآیند. ساخت این نوع از الیافها در حال توسعه است.

منابع:
1. Luo JJ, Daniel IM. Characterization and modeling of mechanical behavior of polymer /
clay nanocomposites. Compos. Sci. Tech. 2003 , 1607.
2. Krikorian V, Pochan DJ. Poly ( L- latic acid ) / layered silicate nanocomposite : fabrication , characterization , and properties. , Chem. Mater. 2003 , 4317.
3. Okada A , Usuki A. The chemistry of Polymer – clay hybrids. Mater. Sci. Eng. C 1995 , 109.
4. Miyagawa H , Drzal Lt. Fracture behavior of epox / clay and epoxy / silica nanocomposite. In : Proceedings of the 14th international conference on composite materials ( ICCM-14 ) , San Diego ; 2003 , 512a.
5. Fukushima H. Drzal LT. Graphite nanocomposites : structural and electrical properties. In : Proceedings of the 14th international conference on composite materials ( ICCM-14 ) , San Diego ; 2003 , 532a.
6. Merkulov VI , Lowndes Dh , Wei YY , Eres G , Voelkl E. Patterned growth of individual and multiple vertically alignd carbon nanofibers. Appl. Phys. Lett. 2000 , 3555.
7. Hartmut Fischer , Polymer Nanocomposite : from Fundamental research to specific application , Mater. Sci. and Eng. C 23 ( 2003 ) 763-772.
8. Endo M , Kim YA , Hayashi T , Fukai Y , Oshida K , Terrones M , et al. Structural characterization of cup – stacked – type nanofibers with an entirely hollow core. Appl. Phys. Lett. 2002 , 1267.
9. Endo M , Kim YA , Ezaka M , Osada K , Yanagisawa T , Hayashi T , et al. Selective and efficient impregnation of metal nanoparticles on cup – stacked – type carbon nanofibers. Nano Letters 2003 , 723.
10. Finegan IC , Tibbetts GG , Gibson RF. Modeling and characterization of damping in carbon nanofiber / Polypropylene composites. Compos. Sci. Tech. 2003 , 1629.
11. Bernadette A. Higgins , William J. Brittain , European polymer Journal 41 (2005) , 886.
12. Thostenson ET , Ren ZF , Chou TW. Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites : a review. Compos. Sci. Tech. 2001 , 1899.
13. Li CY , chou TW. Elastic moduli of multi – walled carbon nanotubes and the effect of van der Waals forces. Compos. Sci. Tech. , 2003 , 1517.
14. Yu MF , O , Dyer M , Moloni K , Kelly T , Ruoff RS. Strength and breaking mechanism of multi – walled carbon nanotubes under tensile load. Science , 2000 , 40.
15. Gojny FH , Wichmann MHG , Ko pke U , Fiedler B , Schulte K. Carbon nanotube – reinforced epoxy – composites : enhanced stiff – ness and fracture toughness at low nanotube content. Compos. Sci Tech. , 2004 , 2363.
16. Thostenson ET , Chou TW. Aligned multi – walled carbon nanotube reinforced composites : processing and mechanical characterization. J. Phys. D , 2002 , 77-80.
17.Wagner HD , Vaia RA. Nanocomposites : issues at the interface. Mater Today , 2004 , 38-42.
18. NASA Tech Briefs , Mar – 2004 , p. 46 , also NASA TSP MSC – 23301 " Elastomer Filled with single – wall Carbon Nanotubes ".
19. Sinnott SB. Chemical functionalization of carbon nanotubes. J Nanosci. Nanotech. 2002 , 113.
20.Liu J , Rinzler AG , Dai HJ , Hafner JH , Bradley RK , Boul PJ , et al. Fullerene pipes. Science , 1998 , 1253.
21. Eitan A , Jiang KY , Dukes D , Andrews R , Schadler LS. Surface modification of multiwalled carbon nanotubes : toward the tailoring of the interface in polymer composites. Chem. Mater . , 2003 , 3198.
22. Schadler LS , Jiang K , Andrews R , Eitan A. Nanotube reinforced polymer composites : tailoring the interface for improved mechanical properties. In : Proceedings of the 14 th International conference on composite materials ( ICCM – 14 ) , San Diego , 2003 422 (b).
23. Crespi VH , Chopra NG , Cohen ML , Zettl A , Radmilovic V. Site Selective Radiation damage of Collapsed carbon nanotubes. Appl. Phys. Lett. 1998 , 2435.
24. Hu Y , Jang I , Sinnott SB. Modification of carbon nanotube polystyrene matrix composites through polyatomic – ion beam deposition : predictions from molecular dynamics simulations Compos. Sci. Tech. 2003 , 1663.
25. Ni B , Andrews R , Jacques D , Qian D , Wijesundara MBJ , Choi YS , et al. A combined computational and experimental stydy of ion – beam modification of carbon nanotube bundles. J. Phys. Chem. B 2001 , 12719.
26. Shetty HR , Chou TW. Mechanical – properties and failure characteristics of FP – aluminum and W – aluminum composites. Metall Trans. A 1985 , 853.
27. Thosten son ET , Chou TW. Nanotube buckling in aligned multi – wall carbon nanotube composites. Carbon 2004 , 42 (14) : 3015 – 8.
28. M. Sherif El – Eskandarany. Journal of alloys and Compounds 296 ( 2000 ) 175-182.
29. Xin Xu , Sen Mei , J. M. F. Ferreira Journal of the European ceramic Society ( 2005 ) , 313.
30. Guo – Jun Lia , Xiao – Xian Huangb , jing – kun Guo , Materials Research Bulletin 38 ( 2003 ) 1591 – 1600.
31. Cs. Bala zsia Z. Ko nyab , F. We'bera , L. P. Biro'c , P. Arato , Materials Science and Engineering C 23 ( 2003 ) 1133-1137.
32. H. Z. Wang , L. Gao and J. K. Guo , Journal of the European ceramic Society 19 ( 1999 ) 2125.
33. X. C. Tong , H. S. Fang , Metall. Mater. Trans. A , 29. (1998 ) , 893.
34. David O'sullivan , Materials Ireland Research Centre , University of Limerick , Ireland , New Alumina Based Ceramic Materials for Abrasive and Wear Applications.
35. Composites Science and Technology 64 ( 2004 ) 2009 – 2014.
36. Jie Lana , Yong Yangb , Xiaochun Lib. Materials Science and Engineering A 386 ( 2004 ) 284-290.
37. D. Y. Ying , D. L. Zhang , Materials Science and Engineering A 286 ( 2000 ) 152-156.
38. T. Kuzumaki , K. Miyazawa , H. Ichinose and K. Ito , J. Mater. Res 13 ,( 1998 ) , 2445.
39. T. Kuzumaki , O. Ujiie , H. Ichinose and K. Ito , Adv. Eng. Mater. 2 , ( 2000 ), 416
40. W. X. Chen , J. P. Tu , H. Y. Gan , Z. D. Xu , Q. G. Wang , J. Y. Lee Z. L. Liu and X. B. Zhang , Surface and Coatings Technology 160 , ( 2002 ) 68.

فصل سوم

پژوهشهای نوین
در
نانوکامپوزیت ها

مقاله 3-1)
بررسی روشهای تولید و خواص مختلف نانوکامپوزیتهای Epoxy -CNT

چکیده:
پس از کشف نانوتیوبهای کربنی(CNT /Carbon Nano Tube ) ، دانشمندان به خواص منحصر به فرد این ماده مانند استحکام زیاد، مدول یانگ فوق العاده ( حدودTpa 1 )، نسبت طول به قطر زیاد (1000 _Aspect ratio )، هدایت الکتریکی و حرارتی و نیز خواص صطحی و تر شوندگی آن پی بردند. پس از مطالعات بیشتر رویCNT ها، این مواد به عنوان فاز تقویت کننده پلیمرهای الاستومر و پلاستومر استفاده شده و نانو کامپوزیتی با خواص منحصر به فرد فیزیکی و مکانیکی استحصال شد. افزودن CNT به اپوکسی موجب افزایش استحکام و مدول نانوکامپوزیت حاصل گشته و موجب رسنایی آن می گردد. مقاله حاضر به توضیح و مقایسه نحوه تولید و نیز خواص نانوکامپوزیت کربن نانو تیوب- اپوکسی (CNT- Epoxy ) می پردازد.

کلید واژه ها: نانوکامپوزیت- اپوکسی- CNT- خواص فیزیکی و مکانیکی- فرآیند تولید

مقدمه:
کامپوزیتها در زمینه های گسترده ای استفاده می شوند اما در میان کامپوزیتهای مختلف، کامپوزیتهای زمینه پلیمری(Matrix Composites Polymer )بیشتر از دیگر کامپوزیتها مورد توجه قرار گرفته و کاربرد بیشتری دارند. زیرا توانسته اند با ترکیب انعطاف پذیری فاز زمینه و استحکام فاز تقویت کننده به خواص متفاوت و بسیار مطلوبی دست یابند که در بسیاری از صنایع همچون هوافضا مورد نیاز و مورد انتظار است.
با پیشرفت علوم مختلف و ظهور نانو تکنولوژی، این علم در زمینه های مختلف منشا اثر شد. با دستیابی انسان به نانو مواد و پی بردن به خواص خاص و منحصر به فرد این مواد، گرایش به استفاده از آنها برای تولید موادی با خواص ایده آل تر رو به فزونی نهاد. دانشمندان برای تقویت مواد و تولید کامپوزیت از نانومواد سود جستند و دست به تولید نانوکامپوزیتها زدند. با توجه به کاربرد وسیع کامپوزیتهای زمینه پلیمری، از نانو ذرات برای تقویت پلیمرها استفاده شد و خواص مطلوبتر و بعضاً غیر منتظره ای در نانوکامپوزیتهای زمینه پلیمری مشاهده گردید.
با اضافه کردنCNT به پلیمر خواص آن تغییر می کند، استحکام آن افزایش می یابد، هدایت الکتریکی و حرارتی بیشتر می شود. Tg این نانوکامپوزیتها بالاتر می رود و میزانa آنها کاهش می یابد. همچنین خواص سطحی نانوکامپوزیت حاصل بهبود می یابد. اما مهمترین عامل استفاده ازCNT در اپوکسی، افزایش چقرمگی شکست این مواد می باشد.

نحوه تولید نانوکامپوزیتCNT- Epoxy
برای بهره برداری و استفاده کامل از خواص مختلف تقویت کننده CNT می بایست دو مشکل اساسی پیش روی این نانوکامپوزیت مرتفع گردد. مشکل اساسی تولید، کلوخه شدنCNT و نیز ضعف پیوند و استحکام فصل مشترکEP-CNT است که به عدم انتقال تنش به رشته های تقویت کننده و جداشدن(pull out )CNT از اپوکسی می انجامد. کلوخه شدنCNT در اپوکسی نه تنها خواص را به اندازه کافی بهبود نمی دهد بلکه زمینه رشد ترک را در فصل مشترک ضعیف فراهم نموده و موجب جوانه زنی ترک و آغاز فرآیندهای شکست می گردد.
برای پراکندن(dispersion )CNT و جلوگیری از کلوخه شدن آن روشهای متفاوتی پیشنهاد شده است. مانند افزودنSWCNT حین پلیمریزاسیون، معرفیSWCNT به افزودنی پلی اسید آمید و ترکننده آلکوکسی سیلان(AlkoxySilan)، اسپری کردنSWCNT و اپوکسی و تهیه کامپوزیت به روش Spray Lay-up ورز دادن، هم زدن، اکستروژن، استفاده از امواج فراصوت (Sonicate) و کلندریگ(Calendaring) که در ادامه به بررسی هر یک خواهیم پرداخت.

تخلیص CNT
قبل از افزودن CNT به اپوکسی می بایست آنها را تخلیص نموده و ناخالصیها و مواد زائد را از آن جدا کرد. ژوزف ج، اسمیت و همکارانش در شاخه تولید و فرآوری مواد پیشرفته سازمان ناسا ابتدا کربن آمورف و ناخالصیهای فلزی را با عملیات اکسیداسیون از SWCNT حذف نموده و سپس یونهای فلزی(مثل آهن) را توسط اسید هیدروکلریک از SWCNT جدا کردند.
سپس با آنالیزهایAFM و HRSEM و اسپکترومتری (طیف سنجی) رامان، قطر و طول SWCNT اندازه گیری و به ترتیبnm 1/5 -7 .0 و چندین میکرون برآورد شد. ترکیبات اکسیژن داری چون کربوکسی اکسید و گروههای هیدروکسیل حین تخلیصCNT با گروههای انتهایی سیلاتول واکنش می دهند. این ترکیبات با هم پیوند کوالانس برقرار کرده و در فرآیندهای ادغام و توزیعCNT به پراکندگی آن و بهبود استحکام فصل مشترک- CNT Epoxy کمک می کنند.( تصویر 1و2 ).

روشهای ادغام CNT در اپوکسی و تولید کامپوزیت نهایی:
ژوزف ج، اسمیت و همکارانش در ناسا قبل از اضافه کردن SWCNT به اپوکسیASTAA ( AlkoxySilan Terminated Amid)، آن را به دیمتیل استامید(DMA) افزوده و با امواج فراصوتCNT را در DMA مخلوط کردند تا پراکند گی و سوسپانسیون مناسبی ازCNT درDMA حاصل شود. آنالیز واکنشها با HRSEM لایه نازکی آلی را رویSWCNT نشان داد که حاکی از ترشوندگی خوب و برهم کنش مناسب فصل مشترکCNT-Epoxy می باشد.
بر پایه برخی گزارشات افزودن نمک معدنی به نانو کامپوزیت های کربن سیاه- اپوکسی موجب هدایت الکتریکی بهتر این مواد می گردد. بر اساس این گزارشات برای بهتر پراکنده کردن CNT درEpoxy دو نوع نمک معدنی سولفات مس(CuSO4)و کلریدمس(CuCl2) به میزان mol 6-10×3 به اپوکسی اضافه شد. از آنجا که این نمکها درDMA محلول هستند مستقیماً به مخلوطASTAA افزوده شدند.
برای ادغام CNT و نمک معدنی ابتداSWCNT با CuSO4 مخلوط و سپس بهASTAA افزوده شد و سپس با امواج فراصوت با هم ادغام شدند.تصویر2 نحوه ترکیب شدن نمک، CNT و اپوکسی را نشان میدهد.
این ادغام در اتمسفر نیتروژن و در دمای اتاق و قبل از ریختن فیلم نانوکامپوزیت انجام شد. با افزودن CNT.CuSo4 0.014 wt% در اپوکسی ساختاری شبکهای و نمد مانند تشکیل میدهند که موجب هدایت الکتریکی بهتر نانوکامپوزیت می شوند.

افزایش نمک تا0/042% موجب بهبود این ساختار و بیشتر شدن نمدهایCNT، جدایی و کلوخه نشدن آنها، برقراری پیوند کوالانسی بیشتر و برهم کنش بهتر پیوندهای فصل مشترکCNT-Epoxy گشته (تصویر 1) و باعث تجمع رشتههایCNT و تشکیل شبکههایی از این ماده میشود که خواص نوری و حرارتی نانوکامپوزیت را بهبود میبخشد.
بهترین پراکندگی در ادغامCNT در اپوکسی به روش فراصوت وقتی حاصل شد که CNT به صورت دستی با هاردنر مخلوط و پراکنده کردن کلوخهCNT به روش فراصوت انجام شد. سپس مخلوط هاردنر-CNT با اپوکسی آمیخته و تحت امواج فراصوت قرار گرفت. افزودن CNT به هاردنر موجب پراکندگی بهترCNT در اپوکسی می شود. زنجیره های بلند اپوکسی با CNT بر هم کنش کرده و سوسپانسیون را پایدارتر می کنند. (تصویر-3).

اف. اچ. گوجنی و همکارانش در دانشکده پلیمر و کامپوزیت دانشگاه هامبورگ از روش کلندرینگ ( Calendaring ) برای پراکندنCNT در اپوکسی سود جستند. در این روش ابتدا نانوتیوبهای کربنی به صورت دستی(Manually )با هم مخلوط شدند. سپسCNT در سوسپانسیونCNT-Epoxy به مدت دو دقیقه در دستگاه کلندر سه غلطکی تحت تنش برشی بسیار بالایی از هم پراکنده شدند. پراکندگی اولیه در گردابهای بین غلطکها اتفاق افتاد و سپس در میان دو غلطک پراکندگی نهاییCNT در اپوکسی صورت پذیرفت. تصویر-4 نحوه ادغام CNT در اپوکسی با روش کلندر را نشان می دهد. در تمام روشهای فوقالذکر نانو کامپوزیت اپوکسی-CNT پس از خارج کردن مواد واسط در آون در دماهایی بین200oc تا300oc پخته (Cure ) شدند.

همچنین نوعCNT استفاده شده در فرآیند ادغام، پراکندگی آن در اپوکسی و ساختار نهایی نانوکامپوزیت حاصل ، دارای اهمیت است.
به عنوان مثال نانوتیوبهای رشد داده شده به روش کاتالیتیکی (Catalytically Growth Garbon Nano Tube/cg CNT ) ساختاری کاملاً در هم تنیده دارند( تصویر-5 ) که امکان پراکندگی کامل را به صفر می رساند اما وجود شبکه سه بعدیcgCNT در اپوکسی با برقراری شبکه های CNT هدایت الکتریکی مناسبی به کامپوزیت می بخشد.

پراکندگی CNTبهسازی شده(functionalized ) بهتر از CNT معمولی است. گروههای آلی در سطح CNT بهسازی شده با برقراری پیوندهای کوالانسی با پلیمر موجب ایجاد بر هم کنش فصل مشترک زمینه و فیبر شده و تنش را از زمینه به CNT انتقال میدهند که موجب استحکام بیشتر نانوکامپوزیت در مقایسه با نانوکامپوزیتهایCNT عادی میگردد. تصویر (6 b,a- ) تصویر HRSEMاز CNT عادی و بهسازی شده را نشان می دهد.

پروسه ادغامCNT با روشهای مختلف نیز میتواند در ساختار و خواص نانوکامپوزیت حاصل موثر باشد. روش اختلاط فراصوتCNT در اپوکسی یکی از روشهای متداول و رایج در تهیه نانوکامپوزیت در مقیاس آزمایشگاهی است. اما به دلیل میرایی انرژی صوتی با افزایش فاصله، این روش در مقیاس صنعتی کارآمد نیست. شکستن و کاهش نسبت طول به قطر نانوتیوبها و افت خواص مکانیکی نقطه ضعف دوم این روش می باشد.با مقایسه تصاویر ( 7- الف،ب،پ ) میتوان دریافت کلوخه های حاصل از اختلاط فرا صوت (Sonicate) در مقایسه با Calendaring کندانس تر و بزرگتر بوده و ابعاد آنها به2 نیز می رسد.

مزیت روش کلندرینگ همگن بودن تنش اعمالی به پلیمر است که توسط نوردها اعمال می گردد اما در حالت ادغام فراصوت انرژی به صورت نقطهای به مخلوط اعمال میگردد که کاهش طول و شکستنCNT در آن محتملتر است. مزیت دیگر روش کلندرینگ به روشهای دیگر قابلیت افزایش آن به مقیاسهای صنعتی بدون افت میزان پراکندگیCNT در اپوکسی است.
تصویر-7 ب، تصویر TEM از پراکندگی CNT بهسازی شده با گروه های آمینو را نشان می دهد. ایجاد ساختار فازی CNT در این حالت عادی است و چنانکه در تصویر مشاهده می شود CNT بهسازی شده که با کلندرینگ ادغام شدهاند از هم باز شده و ساختار کندانس و متمرکز مانند تصویر-7 پ، ندارند.

خواص نانوکامپوزیتهایCNT-Epoxy

خواص فیزیکی
در بررسی خواص فیزیکی نانوکامپوزیتهایCNT-EP بررسی هدایت الکتریکی، شفافیت(Transparency )، دمای گذار شیشهای، جذب خورشیدی(a) و نیز انتقال حرارت بیش از دیگر خواص مورد توجه قرار گرفته است. این تمرکز بر خواص، ناشی از کاربرد نانوکامپوزیتهایCNT-EP است که بیشتر صنایع هوا- فضا خصوصاً سازه های فضایی همچون ماهواره ها را در بر می گیرد. به عنوان مثال دانشمندان شاخه مهندسی و فرآوری مواد پیشرفته در ناسا از کامپوزیتهای CNT-EP برای پوشش آنتنهای ماهوارهها استفاده می نمایند. همچنین شرکت لاکهید مارتین برای پوششهای هواپیمای جنگنده از فیلمهای نانوکامپوزیت استفاده می کند.

خواص الکتریکی
با توجه به موارد فوق یکی از مهمترین خواص نانوکامپوزیتهایCNT-EP هدایت الکتریکی این مواد است. دانشمندان در پی آن بودند تا پوشش پلیمری مناسبی بیابند که علاوه بر انعطافپذیریESC (Electro Static Charge ) با تجمع الکتریسیته ساکن پایین داشته باشند. زیرا پلیمر خالص عایق بوده و با تجمع بار الکتریکی نقش خازن را ایفا مینماید. تخلیه ناگهانی بار الکتریکی می تواند به اجزای مختلف الکترونیکی ماهوارهها آسیب بزند، به همین دلیل برای رسانا کردنEpoxy از ذرات کربن آمورف(CB) استفاده شد.
اما افزایشCB نه تنها موجب کاهش شدید شفافیت پلیمر میشود بلکه در خواص مکانیکی آن نیز تاثیر منفی می گذارد. به همین دلیل دانشمندان CNTرا گزینه مناسبتری برای استفاده دانستند.آقایان کرک پاتریک و زالن رابطه ریاضی برای میزان رسانایی الکتریکی نانوکامپوزیت برحسب میزان ذرات تعریف نمودند که طی آن حداقل پرکننده برای تشکیل ساختار شبکهای جهت رسیدن به آستانه نشست الکتریکی16 % بود. در حالیکه آزمایشات انجام شده نشان داد که این رابطه برای فیبرهایCNT صدق نمی کند و مدلسازی آنها میزان آستانه نشست الکتریکیCNT-EP حاوی% wt 0.5 CNT را توجیه نمی نماید.
بررسیها نشان داد برای استحصال هدایت الکتریکی میزانCNT لازم برای افزودن به اپوکسی بسیار کمتر ازCB است به علاوه استفاده از CNT در نانوکامپوزیت علاوه بر کاهش آستانه نشست الکتریکی، هدایت حرارتی کل را نیز افزایش میدهد بدون آنکه بر خواص کامپوزیت و ساختار و سطوح نهایی آن تاثیر منفی داشته باشد. خانم کارمونا با بررسی اثر نسبت طول به قطر در کاهش بر آستانه نشست الکتریکی دریافت، افزایش نسبت طول به قطر در کاهش آستانه نشست الکتریکی موثراست.
با توجه به رسانا بودن CNT و نیز نسبت طول به قطر در کاهش بالای این مواد(103) پراکندگی CNT در زمینه و تشکیل ساختار شبکهای یا نمدی و کاهش قابل توجه آستانه نشست الکتریکی قابل توجیه است.
ژوزف. ج. اسمیت و همکارانش در ناسا اثر افزودن نمک معدنی و یا CNTرا بر هدایت الکتریکی کامپوزیت بررسی نمودند و نتایج حاصل را به صورت جدول-1 ارائه دادند. در این بررسی نمونههای حاوی% wt CNT-0.03 نارسا بودند اما با افزایش CNT تا0.04wt% نمونهها مقاومت الکتریکی حجمی و سطحی خوبی از خود نشان دادند که این مقدارESC برای مقاصد فضایی مناسب است.

بررسی ساختار نانوکانپوزیتها نشان داد نمونههای عایق نانوکامپوزیت، حاوی-CNT 0.03wt% بوده و ظاهری فلفلی دارند(Peppered)، اما نانوکامپوزیتهای رسانا حاویCNT-0.04wt% بودند که ساختار میکروسکوپیCNT در آن ساختار نمدی(Matt) بود.
در محاسبات نظری نیز میزان CNT لازم برای رسیدن به آستانه نشست الکتریکی بین 03 ،0 تا 05 ،0 درصد وزنی بوده که با نتایج عملی سازگاری دارد.

خواص نوری و حرارتی
خواص نوری و حرارتی نانوکامپوزیت هایCNT-Epoxy به دلیل کاربردهای آنها در صنایع هوافضا مورد توجه قرار گرفته است از جمله این خواص شفافیت(Transparency) نانوکامپوزیت است که در میزان فاکتور جذب تشعشع این ماده تاثیر می گذارد. اثر ضخامت نانوکامپوزیت در شفافیت(%T) آن قابل انکار نیست، اما به دلیل یکسانی نمونههای بررسی شده، اثر آن در تمامی آزمایشات یکسان نگه داشته شده است.
در جدول-2 اثر میزان CNT و یا نمک معدنی در درصد شفافیت نانوکامپوزیت بررسی شده است. بررسی میزان شفافیت پلیمرها بعد از پخت(Cure) آنها انجام شد. نانوکامپوزیتهای حاویCuSO4رنگ قهوه ای- نارنجی پیدا کردند. افزایش درصد نمک افزودنی به نانوکامپوزیت موجب کاهش شدید شفافیت گردید. افزایشCNT نیز باعث کاهش%T می شود.
افزودن نمک و یاCNT به اپوکسی میزان فاکتور جذب تشعشع(a) را تغییر می دهد با توجه به جدول-2 افزایشCuSO4 به میزان 014 ،0 %wt حداقل تاثیر(30 %) رابر aمی گذارد. اما اثر این ماده به ضریب انتقال حرارتی() قابل اغماض و ناچیز است.

افزودنCNT به اپوکسی باعث پایداری حرارتی نانوکامپوزیت حاصل می گردد که به معنای افزایش دمای گذار شیشهای (Tg) در نانوکامپوزیت است. جدول-3 اثر افزودن نمک یا CNT به اپوکسی و تاثیر آن بر Tg را نشان میدهد.
دلیل پایداری حرارتی نانوکامپوزیت برهم کنش فصل مشترک CNT-Epoxy است که باعث جلوگیری از تحرک اپوکسی اطرافCNT و پایداری حرارتی نانوکامپوزیت می گردد. چنانکه از تصویر-8 می توان دریافت در نمونه هایی که ازCNT بهسازی شده استفاده شده بود، رفتار Tg نسبت به میزان CNT کاملاً خطی و پایداری حرارتی نیز بیشتر است. این حالت را می توان با وجود پیوندهای کووالانسی بین گروههای آمینو سطح CNT بهسازی شده و زمینه اپوکسی و تحرک کمتر اپوکسی اطراف CNT ها توجیه نمود.

خواص مکانیکی
پس از ساخته شدن نانو کامپزیت اپوکسی نانوتیوب میزانCNT لازم برای بدست آوردن خواص یکسان در مقایسه با کربن آمورف بسیار کمتر بود که در هزینه تولید تاثیر بسزایی دارد. بعلاوه افزایش کمی CNT به اپوکسی باعث افزایش زیاد مدول یانگ نانوکامپوزیت می گردد. در حالی که افزایشCB به اپوکسی تاثیر عکس بر خواص مکانیکی نانو کامپوزیت داشت.
در این میان افزودنCNT هایی با گروههای آلی و معدنی بهسازی شده بودند مثل CNT-NH2 به دلیل پیوندهای قویتر فصل مشترکCNT-EP تاثیر بهتری بر خواص مکانیکی داشت بطوری که مدول یانگ از GPa 29 . 3 در اپوکسی خالص به GPa 50 ،3 درنانوکامپوزیت افزایش یافت.
تاثیرCNT بر مدول نانوکامپوزیت بیشتر در دماهای بالا مشاهده می شود چنانکه از جدول-4 بر می آید افزودنCNT به میزان حداکثر 4 0،0 % تاثیر چندانی بر مدول یانگ نانوکامپوزیت در دمای اتاق ندارد، اما پس از اندازه گیریهای مدول یانگ و فاکتور لاس(factor loss) در نانوکامپوزیت مدول و استحکام این مواد درTg و بالاتر از آن افزایش می یابد.( تصویر-9 ).

این بررسیها نشان داد که افزایش CNT تاثیر چشمگیری بر مدول یانگ در دمای اتاق و قسمت شیشه ای منحنی نداشت، اما علاوه بر شیفت دادنTg در دماهای بالاتر موجب افزایش مدول در این دما و نیز قسمت لاستیکی منحنی گردید.
دلیل این پایداری حرارتی نانوکامپوزیتهای اپوکسیCNT- را می توان برهم کنش فصل مشترک زمینه و فاز تقویت کننده دانست. برهم کنش فصل مشترک اپوکسی CNT- باعث کاهش تحرک اپوکسی در اطراف سطحCNT در دمایTg و بالای آن و پایداری حرارتی این ماده می شوند.
با استفاده از رابطه هالبین- تسای می توان مدول یانگ نظری نانوکامپوزیت اپوکسی-CNT را محاسبه نمود. رابطه نهایی برای بیشینه مدول یانگ قابل دستیابی در نانو کامپوزیت با توزیع مناسبCNT و نفوذ اپوکسی در کلوخه آن به صورت زیر می باشد:
که در آنEC مدول الاستیک نانو کامپوزیت،ENT مدول یانگCNT ، EM مدول یانگ اپوکسی،1 طولCNT . d قطر خارجی متوسط نانوکامپوزیت، VNT حجمCNT وt ضخامت لایه گرافیتی CNT می باشد. حجم نانوکامپوزیت با وجود معلوماتی چون درصد وزنیCNT. چگالی اپوکسی، چگالی گرافیت و قطر نانوتیوبها محاسبه شد.
محاسبات تئوری مدول یانگ تا حد قابل قبولی با نتایج عملی مطابقت دارد. مقادیر عملی مدول یانگ از ارقام تئوری اندکی کمتراند. این به آن دلیل است که روابط هالبین- تسای برای حالت ایده آل و همجهت بودن تمامی فیبرها با راستای تنش نوشته شده اند، اما با توجه با آنالیزهایSEM و TEM ، نانوتیوبها در اپوکسی در جهات مختلف قرار گرفته و برخی نیز کلوخه شده بودند که این خود حد بالای دستیابی به مدول یانگ محسوب می شود. با همگن تر شدن توزیع نانوتیوبها در زمینه و افزایش برهمکنشهای فصل مشترک، تفاوت مقدار تئوری و عملی مدول یانگ کاهش می یابد.
دلیل دیگر اختلاف نتیجه بررسیهای تئوری و عملی مدول یانگ وجود مکها و عیوبی است که حین اختلاط ایجاد شده یا پیشرفت کرده اند. گرانروی زیاد نانوکامپوزیت هنگام هم زدن و مخلوط کردن رزین و هاردنر موجب گاززدایی مشکلتر نانوکامپوزیت می گردد. با آغاز فرآیندهای شکست در این مکها، این عیوب باعث کاهش کرنش شکست نانوکامپوزیت می گردند.
ذرات نانو ساختار سطح آزاد بیشتری دارند که در مقایسه با پرکننده های عادی بسیار قابل ملاحظه است. این سطوح به عنوان فصل مشترک تنش را از زمینه به CNT منتقل می کند. اما عامل مهمی برای کلوخه شدنCNT نیز هست. اگر تنها 1% از اتمهای سطحCNT با زمینه پیوند کووالانسی برقرار نمایند استحکام برشی فصل مشترک چندین برابر افزایش می یابد، بدون آنکه در مدول یانگ تغییر چشمگیری حاصل شود. پیوند بین CNT موجب انتقال نیرو به تیوبها و حصول بر همکنشهای فصل مشترک می گردد که با TEM و DNTA تحلیل شده است.
تصاویر ((10 a-d رفتار تنش کرنشی نمونه های مورد بررسی را نشان می دهد. در نمونه های حاوی 1% afCNT چقرمگی شکست بیش از دیگر نمونه ها بوده است که این به دلیل ساختار رشته ای بهتر این کامپوزیت و در نتیجه جلوگیری از شکست با مکانیزم پل زدن بوده است.

تغییر شکل ناشی از تنش در نانوکامپوزیت به شکست پیوندهای فصل مشترک و جدایشCNT از اپوکسی می انجامد برای جلوگیری از جدایش(Pull out) در پلیمر می بایست سطحCNT ها بهسازی شیمیایی(Chemical functionalisation) گردند تا پیوندهای یونی یا کووالانسی با پلیمر برقرار نمایند. این پیوندها با انتقال تنش از پلیمربهCNT موجب بهبود برهمکنش فصل مشترکCNT و پلیمر میگردد. در تستهای خاص جدایشCNT در پلیمر، استحکام برشی فصل مشترکCNT با پلیمر می گردد. در تستهای خاص جدایشCNT در پلیمر، استحکام برشی فصل مشترک MPa 376-35 محاسبه شد. نمونه های حاوی Grown CNT)agCNT (Arc بهسازی شده با گروههای آمینی بر همکنش فصل مشترک بهتری از خود نشان دادند.
چنانکه در تصویر-11 مشاهده می کنید، لایه های داخلی CNT چند دیواره (Wall CNT multi) در اثر اعمال تنش از لایه های خارجی بیرون آمده اند اما لایه خارجی که در برهمکنش با اپوکسی بوده جدایش نداشته است.
دلیل این فرآیند که جدایش تلسکوپی(Telescopic pull out) نامیده می شود انتقال تنش از اپوکسی به جداره خارجی نانوتیوب است. این جدار خارجی به دلیل برهمکنشهای ناشی از پیوندهای کووالانسی جدایش نمی کند ولی به دلیل انتقال تنش و نبود بر همکنش بین دیواره های داخلیCNT و اپوکسی این دیواره ها جدایش کرده و از جدار خارجی بیرون میآیند. بر همکنش اپوکسی با جداره خارجی نانونیوبهای کربنی به معنی کمتر بودن نسبت سطح به وزن این نوعCNT در مقایسه با نانوتیوبهای تک دیواره و کمتر بودن CNT های
موثر در فرآیند تقویتی اپوکسی است.

مکانیزم شکست نانوکامپوزیتEP-CNT
مشاهده شد که مکانیزم شکست نانو کامپوزیتهای اپوکسیCNT ، نه مکانیزم پل زدن بلکه مکانیزم تغییر مسیر ترک در مواجهه با کلوخه ها می باشد. پس از اچ کردن میکروترکهایی به وجود آمد. دیده شد که CNT از این میکروترکها پل زده اند( تصویر-12 الف ). طول این پلها بیش از 500 تا هزار برابر قطر نانوتیوبهاست که موجب کاهش رشد مکها و جلوگیری از رشد ترک می شود که در آزمایشات به صورت افزایش چفرمگی شکست نمود می یابد. با توجه به ( تصویر-12 ب) از هر دو دیواره ترک، نانوتیوبهای کوتاهی بیرون زده اند. این نانوتیوبها حین باز شدن ترک شکسته می شوند که نشان دهنده فصل مشترک قویEP-CNT می باشد.

راست شدن نانوتیوبها در اثر پل زدن موجب عدم خم شوندگی،(tens) شدن آنها و افزایش استحکام شکست مدول یانگ و چقرمگی شکست نانوکامپوزیتها می گردد.
نحوه اقدام CNT با پلیمر در مکانیزمهای شکست تاثیر دارد. با افزایش پراکندگی CNT ها و نیز بهسازی آنها مکانیزمهای شکستن نانوکامپوزیت و نیز مورفولوژی مقطع شکست تغییر می کند. به عنوان مثال تصویر-13 دو نمونه از مقطع شکست نانوکامپوزیت اپوکسی CNT را نشان می دهد که دو فرآیند متفاوت تولید شده اند. پراکندگی CNT در نمونه a با سونیکیت کردن CNT در استون و مخلوط کردن سوسپانسیون آن با اپوکسی و تبخیر حلال در آون انجام شد، اما در نمونه b، CNT در هاردنر سونیکیت شد و سپس به اپوکسی افزوده گردید.

چنانکه مشاهده می کنید در شکل a مقطع شکست، سطح هگزاگونال دارد و هنوز حاوی مقدار اندکی کلوخه است. کلوخه ها در مراکز هگرزاگونال قرار دارد که موجب جوانه زنی ترک و شروع شکست می شود. بررسی مقطع شکست نشان می دهد که شروع شکست از کلوخه ها بوده است. نمونه b که به روش دیگری تهیه شده است، کلوخه نداشته و چنین مکانیزم شکستی از خود بروز نداده اند.

نتایج بحث:
1- با توجه به خواص مکانیکی و فیزیکی منحصر به فرد CNT این ماده بهترین گزینه برای تقویت پلیمرها و تولید نانوکامپوزیتهای پلیمتر- نانوتیوب می باشند.
2- برای افزودن CNT به پلیمر باید بر دو مشکل کلوخه شدن CNT و ضعف فصل مشترک آن فائق آمد.
3- بهترین روش برای تولید نانو کامپوزیتهای اپوکسی- CNT استفاده از تیوپهای بهسازی شده و ادغام آنها به روش کلندرینگ است.
4- افزودن CNT به اپوکسی افزایش سفتی، چقرمگی شکست، استحکام کششی و مدول نانوکامپوزیت شده و شفافیت آن را کاهش می دهد.
5- مکانیزم افزایش چقرمگی شکست نانوکامپوزیتهای اپوکسی- CNT مکانیزم پل زدن از ترک (Crack Bridging) ، و مکانیزم شکست این مواد، مکانیزم انحراف ترک می باشد.

مراجع:
1. Joseph G Smith Jra, Donavon M. Deloziera, John W. Conella, Kent A. Watson "Carbon nanotube-conductive additive-space durable polymer nanocomposite films for electrostatic charge dissipation",polymer, 24 july 2004.
2. J.Sandler M.S.P. Shaffer, T. Prasse, W. bauhofer, K. Schultea, A.H. Windle "Development of a dispersion process for carbon nanotubes in an epoxy matrix and the resulting elevtrical properties" polymer, 26 February 1999.
3. F.H. Gojny, M.H.G. Wichmann, U. Kopke, B. fiedler, K. Schulte,"carbon nanotube-reinforced epoxy-composites: enhanced stiffness and fracture toughness at low nanotube content", Composites Science & technology, 14 May 2004.
4. Florian H. Gojny, Karl Schulte "Functionalisation effect on the thermo mechanical bahaviour of multi-wall carbon nanotube/epoxy-composites", Composites Science & Technology 14 April 2004
5 Zhiong Liang , Jihau (Jan) Gou, Chuck Zhang , Ben Wang , Leslie Kramer , "Investigation of molecular interactions between (10,10 )single- walled nanotube epon 862 resin/DETDA curin agent molecules" , 2003,Materials Science & Engineering.
مقاله 3-2)
کاهش اتش گیری در نانوکامپوزیت پلی پروپلین پیوند شده با انیدرید مالئیک و نانوکامپوزیت پلی پروپیلن

محققین شرکت تویوتا ساخت نانوکامپوزیت پلی پروپیلن – سیلیکات لایه ای را گزارش کرده و خواص بهبود یافته آن را اعلام کرده اند و نمودار سرعت سازی حرارت (HRR) برای نانوکامپوزیت پلی پروپیلن پیوند شده با انیدرند مالئیک (حاوی 4-2 درصد وزنی سیلیکات) تحت شار حرارتی 35 کیلووات برمتر مربع در تصویر-1 نشان داده شده است.

همانطوریکه ملاحظه می شود منحنی HRR برای نانوکامپوزیت پلی پروپیلن پیوند شده با انیدرید مالئیک – MMT که حاوی 4% سیکیلات می باشد، به میزان 75% کم تر از منحنی HRR برای پلی پروپیلن پیونده با اندرید مالئیک خالص می باشد. داده های مربوط به جدول-1 نانوکامپوزیت های نایلون – 6 و پلی استایرن و پلی پروپیلن پیوند شده با انیدرید مالئیک، مشخص می کند که حرارت ویژه احتراق (Hc)، سطح ویژه اطفا (SEA که مقیاسی از تولید دوده می باشد) و میزان تولید مونوکسیدکربن، تغییر نکرده است .
این واقعیت بیان می دارد که علت بهبود خواص آتش گیری دراین مواد تفاوت در فرآیندهای تجزیه فاز متراکم است، نه ناشی از تاثیر فاز گازی، برای مقایسه، خواص آتش گیری پلی استایرن (PS) که با ماده دکابرمودی فنیل اکساید (DBDPO) و Sb2O3 ، دیرگداز گردیده، در جدول-1 نشان داده شده است.

لیست علائم موجود در جدول-1 به شرح زیر است:
عبارت ها
علائم
نانوکامپوزیت کامپوزیت پلیمر- خاک رس
پلی پروپیلن
پلی پروپیلن پیوند شده با انیدرید مالئیک
پلی استایرن
نایلون – 6
دیکابرمودی فنیل اکساید
P.L.S.NC
PP
PpgMA
PS
N6
DBDPO

این داده ها نشان می دهد که برم ابتدا در فاز گازی اثر می کند. این مطلب از روی احتراق کمتر و همچنین مونوکسید کربن بیشتر از احتراق ناقص تایید می شود. اولین مشخصه ای که نشان دهنده کاهش در منحنی HRR برای نانوکامپوزیت می باشد، سرعت افت جرمی (MLR) در طی احتراق است، قبلاً کاهش پیک HRR برای نانوکامپوزیت پلی پروپیلن پیوند شده با انیدرید مالئیک – MMT که به روش قالب گیری فشاری تهیه شده بود، 54% گزارش گردیده است. نمومنه هایی که ما در اینجا ارائه کردیم، توسط یک مخلوط کن تهیه شده، و در آن ذرات سیلیکات لایه ای درون پلیمر مذاب تحت برش، پراکنده گردیده است.
تصویر TEM برای نانوکامپوزیت فوق الذکر (حاوی MMT 4%) نشان می دهد که این نانوکامپوزیت دارای نانومورفولوژی ترکیبی است. در تصویر-2 مشخص است که ورقه ای منفرد، دوتایی، سه تایی و چندتایی به خوبی درون پلیمر پراکنده شده اند. به علاوه برخی ذرات چند ورقه ای بزرگتر را می توان در ناحیه هایی که بوسیله TEM بزرگ شده اند نیز ملاحظه کرد. همچنین برای این نمونه ، یک پیک حاصل از XRD ( برای حالتی که فضای اساسی معادل 5/3 نانومتر است) نیز قابل مشاهده است.
پیک HRR برای این نانوکامپوزیت ترکیبی (حاوی Intercalated و Delaminated) به میزان 75% کمتر است. تمامی سیستم های نانوکامپوزیت گرمانرم که ما آن را مورد آزمایش قرار دادیم ، اساساً همان رفتاری را که
دراندازه گیری کالریمتر مخروطی مورد ارزیابی
قرار گرفته بود را نشان می داد.
به علاوه مقایسه باقیمانده های حاصل از احتراق در کالریمتر مخروطی، برای هر یک از نانو کامپوزیت های جدول-1، در شرایطی که حضور سیلیکات درون باقیمانده احتراق مورد توجه واقع شود، بهبود مختصری را در مورد میزان زغال حاصله به دست می دهد. این داده ها حاکی از آن است که مکانیزم تاخیردهند گی شعله، احتمالاً بسیار شبیه سیستم های مورد مطالعه است. در هر صورت دلیل تاخیر دهندگی شعله، حبس درصد بالایی از سوخت در فاز متراکم نیست. برای بسیاری از نانوکامپوزیت ها دلایل کافی در خصوص مکانیزم متداول تاخیر شعله، از طریق آزمایشات TEM و XRD به دست می آید.
از زغال حاصل از احتراق نانوکامپوزیت پلی پروپیلن پیوند شده با انیدرید مالئیک در زغال نانوکامپوزیت نایلون – 6 سیلیکات لایه ای، پس از احتراق، یک ساختار سیلیکاتی- کربنی چند لایه مشاهده می شود که در انیدرید مالئیک، آرایه های بزرگ این لایه ها را ورقه های سیلیکاتی تشکیل می دهند. در نانوکامپوزیت فوق الذکر نانومورفولوژی Delaminated در طی فرآیند احتراق، تخریب شده و در آنالیز XRD یک پیک در nm38/1 را نشان می دهد. (تصویر-3 ).

ظاهراً ساختار جدید نانوکامپوزیت های موجود در باقیمانده احتراق، عملکرد آنها (باقیمانده های احتراق) را به دلیل تقویت لایه های زغال کربنی، بهبود می بخشد. این امر مشابه بهبود خواص پلیمر خالص می باشد. این ساختار سیلیکاتی- کربنی چند لایه به عنوان یک عایق، و مانع انتقال جرم عالی عمل کرده، خروج محصولات فرار حاصل از تجزیه (ناشی از احتراق) را کند می کند. آنالیز باقیمانده های حاصل از احتراق دو نوع نانوکامپوزیت اپوکسی به روش XRD نشان می دهد که فضای بین لایه ای در هر دو نوع زغال برابر با nm3/1 است.

3-2-1) تاثیر ساختار بر آتش گیری نانوکامپوزیت پلیمر- خاک رس
به منظور درک نحوه تاثیر ساختار بر آتش گیری، تعدادی آزمایش نانومورفولوژی بر روی سیلیکات هایی با لایه پلی استایرن ترتیب دادیم. برای این کار دو نوع سیلیکات را مورد آزمایش قرار دادیم که این دو نوع سیلیکات لایه ای به صورت های مختلف در پلی استایرین پخش می شوند.
تصویر TEM از پلی استایرن حاوی سیلیکات نوع اول که از روش اینترکالیشن مذاب ساکن به دست آمده است، نشان می دهد که ماده یک نانوکامپوزیت کاملاً اینترکالیت است. تصویر TEM از نمونه پلی استایرن نوع دوم، که از روش اینترکالیشن مذاب ساکن به دست آمده است، نشان می دهد که این ماده همانند نانوکامپوزیت پلی پروپیلن پیوند شده با انیدرید مالئیک ، شامل لایه های اینترکالیت و ورقه ای می باشد. نتیجه بدست آمده این بود که پلی استایرین حاوی سیلیکات نوع اول و پلی استایرن سیلیکات نوع دوم، رفتارهای کاملاً متفاوتی دارند.
ما دریافتیم که پلی استایرن حاوی سیلیکات نوع اول تاثیری بر پیک HRR ندارد، در حالیکه پیک HRR حاصل از پلی استایرن حاوی سیلیکات نوع دوم %60 کمتر از این پیک برای پلی استایرین خالص و پلی استایرن مخلوط شده با MMT سدیمی را نشان می دهد.
شاید مکانیزم تاخیری شعله این نانوکامپوزیتها این است که زغال سیلیکاتی-کربنی با یک قابلیت بالایی در طی فرآین احتراق، به سطح متصل می شود، این امر موجب جدا ماندن مواد لایه های پایین تر و کاهش افت جرمی محصولات ناشی از تجزیه می گردد. لایه های باقی مانده در ادامه فرآیند احتراق پلیمر شکل گرفته و بنابراین لایه های سیلیکات به صورت زغال های چند لایه تجدید ساختار می یابند که بوسیله TEM قابل مشاهده است.

مقاله 3-3)
بررسی تاخیر شعله وری در نانوکامپوزیت ABS-MMT

با بررسیهایی که محققان انجام داده اند به آتش گیری دیر در نانوکامپوزیت MMT که با پلیمر اکریلونیتریل- بوتادین- استایرن (ABS) فرآوری شده، پی برده اند.
این نوع نانوکامپوزیت با استفادده از اینترکالیشن مستقیم مذاب پلیمر ABS، خاک رس آلی دوست (OMT) ، تاخیر دهنده های آتش مانند دی کابرمودی فنیل اکساید (DB) و اکسید آنتیموان (AO) به دست می آید.
آزمایشات نشان می دهد که در نانوکامپوزیت ABS ، پیک HRR و شاخص اکسیژن محدود کننده (LOI)62 در مقایسه با پلیمر ABC فرق می کند. پیک HRR در نانوکامپوزیت کمتر و LOI درآن بیشتر می شود. پیک ,ABS/OM ABS-DB و ABS-DB-AO به ترتیب 28% و 50% و 68% کمتر از پلیمر ABS خالص است.
هنگامیکه ترکیب ABS-DB-AO حاوی 3% وزنی Sb2O2و15% وزنی DB است. منحنی HRR، 18% پیک کمتر دارد در مقایسه با ترکیب ABS-DB که در آن میزان DB، 18% وزنی است.
بنابراین با افزودن 5% وزنی OMT به همراه DB، AO، منحنی HRR در نانوکامپوزیت ABS-DB-AO/OM و ABS-DB/OMT دارای 68% و 78% پیک کمتر نسبت به ABS خالص دارد. تصاویر-4 و5 منحنی HRR را دراین نانوکامپوزیت نشان می دهد.

علاوه بر این، دو تا پیک (تقریباً در 50 و 100 ثانیه) قابل مشاهده است. پیک اول ناشی از گسترش زنجیره های کربنی در سطح فاز متراکم است.
پیک دوم ناشی از تنزل لایه محافظ کربنی است. زمان ساخت لایه محافظ عمیقاً به میزان آمیزش ترکیبات بستگی دارد. یکپارچه کردن OMT در مخلوط ABS-DB-AO میزان پایداری ساختار لایه محافظ را زیادتر کرده و زمان گسستگی لایه را از 75 به 125 ثانیه افزایش می دهد، این در حالی است که یکپارچگی OMT در مخلوط ABS-DB فقط پیک HRR را کاهش می دهد و تاثیری در افزایش گسیختگی ساختار زنجیر محافظ ندارد. میزان پراکندگی خاک رس شکل گیری زنجیر را تحت تاثیر قرارمی دهد، در واقع به صورت یک عایق عالی عمل کرده و مانع از انتقال جرم شده و HRR را کاهش می دهد.

مقاله 3-4)
ساخت نانوکامپوزیت اپوکسی- خاک رس

در این کار تحقیقاتی نانوکامپوزیت اپوکسی- خاک رس بوسیله دو نوعMMT با ظرفیت تبادل کاتیونی(g100 /meq 140 و 94 =CEC) ساخته شده است. هدف، بررسی تاثیر ظرفیت تبادل کاتیونی خاک رس در ساختار نانوکامپوزیت اپوکسی- خاک رس می باشد. ظرفیت تبادل کاتیونی در ابتدا با استفاده از میزان نمک آلکیل آمونیوم موجود در خاک رس آلی بعد از شستشوی دقیق صورت گرفت. این دو نوع خاک رس که در اینجا مورد بررسی قرار گرفته شده است یکی MMT از نوع ویومینگ(SWY- 2) و دیگریMMT خالص شده صنعتی(CWC) بود و همچنین رزین مورد استفاده دی گلی سیدل بیس فنولA است.
ظرفیت تبادل کاتیونی خاک رسهای مورد استفاده در ساخت نانوکامپوزیت اپوکسی- خاک رس خیلی مهم است، به علت اینکه بوسیله آن میتوان میزان یونهای آلکیل آمونیوم را که می توانند در فضای بین لایه ای اینترکالیت شوند، محاسبه کرد. ظرفیت تبادل کاتیونی مرتبط با هر کدام به ترتیب g100 /meq101 وg100/meq159 به دست آمده بود. این اختلاف در ظرفیت تبادل کاتیونی در مقایسه با ظرفیت تبادل کاتیونی که در اول از سوزندان یونهای آلکیل آمونیوم بدست آمده بود، این واقعیت را بیان می کند که کاتیونهای بین لایه ای در ساختارMMTغیر قابل تغییر هستند.
تصویر- 6 تاثیر آلکیل آمونیوم را در خاک رس نشان می دهد. فضای بین لایه ای از 7/9 آنگستروم به 2/17 آنگستروم برای خاک رس آلی دوست ویومینگ (2-SWY – 18 C) افزایش یافته است.

این نشان می دهد که زنجیرهای طولانی یونهای آلکیل آمونیوم در بین لایه ها طی واکنش تعویض یونی، اینترکالیت شده اند. برای CWC آلی(C18 – CWC) هم از 1/12 آنگستروم به 4/21 آنگستروم افزایش داریم.
یکMMT با ظرفیت تبادل کاتیونی کمتر( g 100/meq 94 ) در طی فرآیند متورم شدن رزین اپوکسی یک ساختار کامل ورقه ای پیدا می کند. مکانیزم موجود برای توجیه این حالت، هموپلیمرازاسیون رزین اپواکسی طی فرآیند متورم شدن است که باعث نفوذ مولکولهای جدید اپواکسی در فضای موجود در خاک رس می شود. این در حالی است که خاک رس با CEC بالا (g 100/ meq140 ) نشان دهنده ساخت نانوکامپوزیت های ورقه ای شکل و غیرورقه ای است.

منابع و ماخذ:
1. Hartmut Fischer, mater. Sci. Eng. C 23,2002, 763-772.
2.Erik T. Thostenson, Chunyu Li, Tsu-Wei Chou. Composites
3.M. Sutima, Y. Tsumuko, k. miyasaka,Mater. Sci. 18 1758.
4.http://www.smalltimes.com/document_display.cfm?document
5.http://www.principaconsulting.com/pdf/brochur.pdf.
6.http://www.azonano.com.
7.http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html.
8.http://www.haftom.org/contents/scitech/
9.http://w3.access.gpo.gov/usbuget/
10.http://www.irannano.org/book/
11.http://www.nano.org.uk/
12.http://www.irancomposite.net/modules.php
13.http://www.nanosociety.ir/
14.http://www.nanosociety.ir/
15.http://www.ipt.arc.nasa.gov/gallery.html
16.http://www.hyperion.ie/Nano.htm
17.http://www3.interscience.wiley.com/user/
18.http://www.nanoclub.ir/modules/
سامان، نانو مواد، خواص، جهاد دانشگاهی اصفهان. 1384 سالمی زاده. .19
20. علی نژاد. داریوش، آشنایی با نانوکامپوزیتها. زبان تصویر. 1385
واژه نامه

A
انرژی فعال سازی
Activation energy
کلوخه شدن
Agglomeration
آلکوکسید ( ترکیبات فلز – آلی )
Alcoxide
آمورف ( بی شکل )
Amorphous
انرژی آنیزوتروپی
Anisotropic energy
تخلیه قوس
Arc discharge
میکروسکوپ نیروی اتمی
Atomic force microscopy (AFM)

B
ساختار نی شکل
Bamboo – like structure
دمای قفل شدن
Blocking temperature
روش تولید پایین به بالا
Bottom – Up
باکی بال
Buckyball
جامدات توده ای
Bulk Solids

C
تیرک
Cantilever
نانوالیاف کربنی
Carbon nanofibers
رسوب شیمیایی بخار کاتالیزوری
Catalytic chemical vapor deposition (CCVD)
رشد کاتالیزوری
Catalytic growth
نانوکامپوزیت هاس زمینه سرامیکی
Ceramic matrix nanocomposites (CMNCs)
استحکام ضربه چارپی
Charpy impact strength
میکروسکوپ نیروی شیمیایی
Chemical force microscopy (CFM)
رسوب شیمیایی بخار
Chemical vapor deposition (CVD)
کایرالیتی
Chirality
خوشه
Cluster
چگالش شیمیایی بخار احتراقی
Combustion flame chemical vapor condensation
پاشش حرارتی
Combustion flame spraying
اندازه دانه بحرانی
Critical grain size
ذوب در محیط فوق سرد
Cryogenic melting
چیدمان فنجانی
Cup stacked

D
آشکارساز
Detector
نفوذ
Diffusion
نانولیتوگرافی غوطه ور شده
Dip pen nanolithogrephy
نابجائی
Dislication
نانو لوله های کربنی دو دیواره
Doubled – walled carbon nanotubes (DWCNTs)
ریخته گری قطره ای
Drop casting
کوتوله
Dwarf

E
مدول الاستیک
Elastic modulus
رسوب الکتریکی
Electrodeposition
شکل دهی رسوب الکتریکی
Electroforming
لیتوگرافی با پرتوهای الکترونی
Electron beam lithography
میکروسکوپ نیروی الکترونی
Electron force microscopy (EFM)
طیف سنجی الکترونی
Electron spectroscopy
الکترو ریسی
Electrospin
فولرین های درون وجهی
Endohedral fullerene
طیف سنجی پراکنده کننده انرژی
Energy dispersive spectroscopy (EDS)
پرس زاویه ای با کانال های یکسان
Equal – channel angular pressing
تئوری اویلر
Euler theory
ورقه ورقه ای
Exfoliated

F
خستگی
Fatigue
سیال های مغناطیسی
Ferrofluids
ترانزیستورهای متاثر از میدان
Field effect transistors (FETs)
منابع نشر میدان
Field emission sources
مواد پرکننده
Fillers
تافنس شکست ( چقرمگی )
Fracture toughness
منبع فرانک – رید
Frank – reed source
فولرین
Fullerene
جاسازی کامل
Fully intercalated
مشتق پذیری
Functionalization

G
دانه
Grain
گرافین
Graphene

H
تنش شدید پیچشی
High – pressure torsion
پرس گرم
Hot pressing
پس ماند مغناطیسی
Hysteresis

I
چگالش گاز خنثی
Inert – gas condensation (IGC)
جا داده شده
Intercalated
نانوکامپوزیت های زمینه بین فلزی
Intermetallic matrix nanocomposites (IMNCs)
نفوذ بین فازی
Interphase diffusion
معکوس کننده ها
Invertors
پرتوافکنی یونی
Ion irradiation
شدت پرتوافکنی
Irradiation dose

L
سایش لیزری
Laser ablation
مواد لایه ای
Layered materials
دیودهای ساطع کننده نور
Light emitted diod (LED)
گیت های منطقی
Logic gates

M
میکروسکوپ نیروی مغناطیسی
Magnetic force microscopy (MFM)
نانوتراشه های مغناطیسی
Magnetic nanochips
تصویربرداری تشدید مغناطیسی
Magnetic resonance imaging (MRI)
پراکنش مغناطیسی
Magnetrun sputtering
ماده زمینه
Matrix
آلیاژسازی مکانیکی
Mechanical alloying
فرآیندهای مکانوشیمیایی
Mechanochemical synthesis
نانوکامپوزیت های زمینه فلزی
Metal matrix nanocomposites (MMNCs)
لیتوکرافی مهرزنی در مقیاس میکرو
Microimprint lithography
قوانین مور
Moore's laws
نانو لوله های کربنی چند دیواره
Multi – walled carbon nanotubes (MWCNTs)

N
سیستم های نانو الکترومکانیکی
Nano electromechanical systems (NEMs)
نانوپوشش های دانه ای
Nano grade coatings
نانو سرامیک ها
Nanoceramics
نانو کامپوزیت
Nanocomposite
مواد نانو کریستال ( نانوساختار )
Nanocrystalline materials
نانو نقطه
Nanodot
نانو الیاف
Nanofibers
نانو فرو روندگی ( نانو دندانه گذاری )
Nanoindentation
نانو جوهر
Nanoink
نانو مواد
Nanomaterials
نانو پزشکی
Nanomedicine
نانو پیاز
Nano – onion
نانوذرات
Nanoparticles
نانو صفحات
Nanoplates
نانو روبوت ها
Nanorobots
نانو میله
Nanorod
لیتوگرافی در مقیاس نانو
Nanoscale lithography
نانوحسگر
Nanosensor
لیتوگرافی با استفاده از کره های نانومتری
Nanosphere lithography
نانوساختار
Nanostructure
نانوتکنولوژی
nanotechnology
نانوسیم ها
nanowires
غیرکایرال
Non – Chiral

O
اولاسیون
Olation
اکسولاسیون
Oxolation

P
جاسازی جزئی
Partially intercalated
ماسک نوری
Photomask
رسوب فیزیکی بخار
Phisical vapor deposition ( PVD )
آسیاب گلوله ای سیاره ای
Planetary ball mill
نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری
Polymer matrix nanocomposites (PMNCs)
تخلخل
Porosity
سیلیکون متخلخل
Porous silicon
ماده پیش ساز
Precursor
خالص سازی
Purification

Q
نقاط کوانتومی
Quantum dots

R
انعکاس پراش الکترونی پرانرژی
Reflection high-energy electron diffraction (RHEED)
دسته نانو لوله های کربنی
Rope of nanotubes

S
میکروسکوپ الکترونی روبشی
Scanning electron microscopy (SEM)
میکروسکوپ پروبی روبشی
Scanning probe microscopy (SPM)
میکروسکوپ تونل زنی روبشی
Scanning tunneling microscopy (STM)
مکانیزم چرخشی
Scooter mechanism
طیف سنجی جرمی یونی ثانویه
Secondary ion mass spectro
scopy
خودآرایی
Self-assembly
تغییر شکل پلاستیکی شدید
Severe Plastic deformation (SPD)
آسیاب گلوله ای ارتعاشی
Shaker ball mill
مخلوط کردن برشی
Shear mixing
تراشه های سیلیکونی
Silicon chips
تک کریستال
Single Crystal
نانو لوله های کربنی تک دیواره
Single walled carbon nanotubes (SWCNTS)
سینترینگ ( تف جوشی )
Sintering
تولید به وسیله انرژی خورشید
Solar generation
سل – ژل
Sol-gel
فراوری محلول
Solution mixing
تجزیه مافوق صوت محلول های شیمیایی
Sonochemical synthesis
پراکنش
Sputtering
ترکیب استوکیومتری
Stoichiometric composition
زیرلایه
Substrate
پوشش های شبکه ای
Super lattice coatings
اصلاح سطحی
Surface modification

T
پاشش حرارتی
Thermal spray
سنتز احتراقی
Thermal synthesis
پوشش های لایه نازک
Thin film coatings
لایه های نازک
Thin films
روش تولید بالا به پایین
Top-down
عنصر ردیاب
Tracer element
میکروسکوپ الکترونی عبوری
Transmission electron microscopy( TEM)
آسیاب گلوله ای غلتشی
Tumbler mill

U
امواج مافوق صوت
Ultrasonic

V
الیاف کربنی رشدیافته از طریق بخار
Vapor grown carbon fiber (VGCF)
نفوذ حجمی
Volume diffusion

W
فرآیندهای شیمیایی مرطوب
Wet chemical synthesis

X
طیف سنجی فتوالکترونی پرتو ایکس
X- ray photo electron spectroscopy (XPS)

1 Richard Feynman –
2 there is a plenty of room at the bottom –
3 Nano particle –
4 Nano capsul –
5 Carbon nanotube –
6 Vaccum evaporation on running liquid –
7 Cryogenic melting –
8 Sol-gel –
9 Great evolution in nanoscale –
10 Filler –
11 Polymer matrix nanocomposites (PMNCS) –
12 Ceramic matrix nanocomposites (CMNCS) –
13 Metal matrix nanocomposites (MMNCS) –
14 Intermetallic matrix nanocomposites (IMNCS) –
15 Epoxy –
16 Direct mixing –
17 Solution mixing –
18 In-situ polymerization –
19 Nylon 6 –
20 Polymethyl methacrylate –
21 Functionalization –
22 Particle –
23 Fibrous –
24 Layered —
25 Nanoplate –
26 Polytheretherketone –
27 Polypropylene –
28 Polystyrene –
29 High light transmittance –
30 Fracture toughness –
Polyester -31
32 Clay –
33 Graphite –
34 Layered materials –
35 Montmorillonite –
36 Intercalated –
37 Exfoliated –
38 Moloni –
39 Epoxy/DWCNT –
40 Polystyrene/MWCNT –
41 Thostenson –
42 Intercalated nanocomposites –
43 Exfloliated nanocomposites –
44 Montmorilonit –
45 Non swelling –
46 Monomer intercalation method –
47 Monomer modification method –
48 Covulcanization method –
49 Common solvent method –
50 Polymer melt intercalation method –
51 Guo-jun –
52 Hot pressing –
53 Fritsch –
54 Chemical vapor deposition –
55 Distortion temperature under load –
56 Glass transition temperature –
57 Heat distortion temperature –
58 Flammability proertes –
59 Fiuorohectorite –
60 Floor adjuster –
61 Spinning –
62 Liminting oxygen index –
—————

————————————————————

—————

————————————————————