فناوري نانو و توليد مواد در ابعاد نانومتري موضوع جذابي براي تحقيقات مي باشد که در دهه اخير توجه بسياري را به خود معطوف داشته است. نانو کامپوزيت ها نيز به عنوان يکي از شاخه هاي اين فناوري جديد ، اهميت بسياري يافته اند به عنوان يک تعريف ، نانوکامپوزيت ها مواد مرکبي هستند که لااقل يکي از اجزاء تشکيل دهنده آنها داراي ابعاد در محدوده ي nm100-1 مي باشد و خود شامل سه دسته پليمري ، سراميکي و فلزي هستند .درمواد نانو کامپوزيت به جزء پخش شونده که به صورت الياف، صفحات مسطح ريز، ذرات و يا حتي حفره ها و ترکها و.... در ابعاد نانو مي باشند، فاز دوم يا فاز تقويت کننده و همچنين به جزء پيوسته که مي تواند در ابعاد نانومتري و يا بالاتر باشد فاز زمينه مي گويند.

در سال هاي اخير مواد نانوکامپوزيتي به دليل ويژگي هاي منحصر به فردي همانند استحکام زياد، وزن کمتر ، کارايي بيشتر ، دوام و پايداري عالي و نيز رفتار مناسب در برابر آتش سوزي نسبت به مواد سختي نظير بتن آلومينيوم داراي بيشترين کاربرد در صنايع متعددي همچون صنعت هوا فضاي صنعت نفت – گاز – صنايع پلاستيک ، صنعت برق و صنايع دريايي و صنعت خودروسازي مي باشد.

کلمات کليدي : نانوکامپوزيت – روش هاي توليد- استحكام نانوكامپوزيت

فصل اول

مقدمه

علم مواد نانو کامپوزيت، توجه دانشمندان و مهندسان را در سالهاي اخير به خود جلب کرده است. نتايج بررسي استفاده از بلوکهاي ساختماني در ابعاد نانو، طراحي و ايجاد مواد جديد با انعطاف پذيري و پيشرفتهاي زياد در خواص فيزيکي آنها را ممکن مي سازد. قابليت ارتقاء کامپوزيت ها با استفاده از بلوکهاي ساختماني با گونه هاي شيميايي ناهمگن در رشته ها و بخش هاي مختلف علمي مطرح گرديده است. ساده­ترين مثالها از چنين طراحي­هايي، به صورت طبيعي در استخوان اتفاق مي­افتد که يک نانوکامپوزيت ساخته شده از قرص هاي سراميکي و چسبهاي آلي مي باشد. بدليل اين که اجزاء سازنده يک نانو کامپوزيت داراي ساختارها و ترکيبات مختلف و خواص مربوط به آنها مي باشد، کاربردهاي زيادي را ارائه مي دهند. از اينرو موادي که از آنها توليد مي شوند، مي توانند چند کاره باشند. با الگو گرفتن از طبيعت و براساس نيازهاي تکنولوژي هاي پديد آمده در توليد مواد جديد با کاربردهاي مختلف در آن واحد براي مصارف گوناگون، دانشمندان استراتژي هاي ترکيبي زيادي را براي توليد نانوکامپوزيت ها بکار برده اند. اين استراتژي ها داراي مزاياي آشکاري در توليد مواد دانه درشت مشابه مي باشند. نيروي محرکه در توليد نانو کامپوزيت­ها، اين واقعيت است که آنها خواص جديدي در مقايسه با مواد رايج ارائه مي دهند.

تصميم براي بهبود خواص و پيشرفت ويژگي هاي مواد از طريق ايجاد نانو کامپوزيت هاي چند فازي مسئله جديدي نيست. اين نظريه از زمان آغاز تمدن و بشريت و با توليد مواد براي کارآمدي بيشتر براي اهداف کاربردي مورد نظر بوده است. علاوه بر تنوع وسيع نانو کامپوزيت هاي يافت شده در طبيعت و موجودات (مثل استخوان) , يک مثال عالي براي کاربرد نانو کامپوزيت هاي ترکيبي در روزگار باستان, کشف جديد ساختمان نقاشي هاي مايان مي باشد که در دوران مسا مريكاس[1] بوجود آمدند. توصيف حالت هنر از اين نمونه هاي نقاشي آشکار مي سازد که ساختار رنگها, متشکل از ماتريسي از خاک رس آميخته شده با مولکولهاي رنگي آلي مي باشد. آنها همچنين محتوي ناخالصي هاي ذرات نانوي فلزي محفوظ در يک لايه سيليکاتي بي شکل همراه با ذرات نانوي اکسيدي روي لايه مي باشند. اين ذرات نانو تحت عمليات حرارتي و از ناخالص بوجود مي آيند (Cr , Mn , Fe) که در مواد خام مثل خاک رس موجود مي باشند ولي جمع و سايز آنها خصوصيات نوري رنگ نهائي را تحت تأثير قرار مي دهد. ترکيبي از خاک رس موجود که يک سوپر لاتيک مي سازد که در ارتباط با ذرات نانوي فلزات و اکسيدي پشتيباني شده روي لايه آمورف مي باشد و اين رنگ را يکي از اولين مواد مرکب مشابه نانو کامپوزيت هاي کاربردي مدرن مي سازد. نانو کامپوزيت ها را مي توان ساختارهاي جامدي فرض کرد که داراي خواص مکرر بعدي با اندازه نانومتري بين فازهاي مختلف سازنده ساختار مي باشند. اين مواد متشکل از يک جامد غيرآلي (بستر يا ميزبان) محتوي يک جزء آلي و يا بالعکس مي باشند و يا مي توانند متشکل از دو يا چند فاز آلي/ غيرآلي در چند فرم ترکيبي باشند با اين محدوديت که حداقل يکي از فازها يا ترکيبات, در ابعاد نانو باشد.

مثالهايي از نانو کامپوزيت عبارتند از پوششهاي متخلخل، ژل ها و ترکيبي از پليمرها، مثل ترکيبي از فازهاي با ابعاد نانو با تفاوتهاي فاحش در ساختار, ترکيب و خواص مي توان فازهاي با ساختار نانوي موجود در نانو کامپوزيت ها را صفر بعدي (مثل خوشه هاي اتمي تشکيل شده)، تک بعدي (يک بعدي مثل نانوتيوپ ها) و دو بعدي (پوشش هاي با ضخامت نانو) و سه بعدي (شبکه هاي جاسازي شده) در کل مواد نانو کامپوزيت مي توانند داراي خواص مکانيکي, الکتريکي, الکتريکي، نوري، الکتروشيمي، کريستالي و ساختاري باشند، نسبت به مواردي که داراي اجزاء واحد و يگانه هستند. رفتار چند کاره براي هر ويژگي بخصوص ماده اغلب بيش از مجموع اجزاء تکي مي باشد.

هر دو روش پيچيده و ساده براي ساختن ساختارهاي نانو کامپوزيت وجود دارد يک سيستم عملي نانو کامپوزيت دو فازي، مثل کاتاليزرهاي پشتيبان مورد استفاده در کاتاليزر محرک (ذرات نانوي فلزي جاي گرفته روي پشتيبان هاي سراميکي)، مي توانند بسادگي با بخار دادن فلز روي لايه و يا پراکنده کردن توسط حلال شيميايي آماده شوند. از طرف ديگر، ماده اي مثل استخوان که داراي ساختاري سلسله مراتبي با فازهاي پليمري و سراميکي مرکب مي باشد، با تکنيکهاي ترکيبي حاضر, به سختي مي تواند تکثير شود. جدا از ويژگي هاي اجزاء تکي در يک نانو کامپوزيت، اشتراك اجزاءبا يكديگر در بهبود يا محدود کردن خواص کلي يک سيستم نقش مهمي بر عهده دارند.

با توجه به فصل مشترک زياد و وسيع ساختارهاي نانو, نانو کامپوزيت ها ارائه کننده فصل مشترک هاي زيادي بين فازهاي ادغام شده تشکيل دهنده مي باشند. خواص ويژه نانو کامپوزيت ها اغلب از اثر متقابل و تداخل فازهاي آن در فصل مشترک ها حاصل مي شوند. يک مثال عالي براي اين مطلب, رفتار مکانيکي کامپوزيت هاي پليمري پر شده با نانوتيوپ ها مي باشد. هر چند افزودن نانوتيوپ ها مي تواند امکان استحکام پذيري پليمرها را افزايش دهد، يک فصل مشترک بـدون تـداخل فازها فقط براي بوجود آوردن مناطق ضعيف در کامپوزيت کارائي دارد و هيچ بهبودي در خواص مکانيکي آن بوجود نخواهد آمد. برخلاف مواد نانو کامپوزيت, فصل مشترک ها در کامپوزيت هاي موسوم, تشکيل دهنده يک شکستگي بسيار کوچکتر در فلزات بالک مي باشد.

ذکر اين نکته حائز اهميت است که تحقيقات در مورد کاربرد و روشهاي توليد نانو کامپوزيت ها در طول دهه اخير در بسياري از کشورهاي دنيا و در کشور ايران گسترش يافت و در دنياي پيشرفته کنوني باعث تکامل صنايع مختلف نظير صنعت هوا و فضا ،صنايع خودرو سازي و صنايع پزشکي و ... گريده است اين پروژه در حال حاضر مروري بر سيستم هاي نانو کامپوزيت و نحوه فرايند توليد و خصوصيات و کاربردهاي آنها دارد.