نانو کامپوزیت ها

نانو کامپوزیت ها

اسلاید 1: به نام خدا نانو کامپوزیت ها (غشاهای نانو متخلخل) گرد آورندگان: فربد حریری- علی شهریان استاد راهنما: جناب آقای مهندس زهیر سراجان

اسلاید 2: ساختمان‌ها و غشاهای نانومتخلخل ( ساير نانوكامپوزيت‌ها ) :مواد نانوپوروس (دارای تخلخل نانو) از جمله موادی هستند با منافذی كه شامل ابعادی در مقياس نانو می باشند. اين مواد به شيوه‌های متعددي جزو نانوكامپوزيت‌ها در نظر گرفته مي‌شوند چون يك فاز دارند (فضای خالی) و اين فاز يا به طور اتفاقی پراكنده است و يا در يك ماتريس جامد منظم شده است.قبلاً درباره نمونه‌هاي بعضي از اين ساختمان‌ها بحث شده است ، مثل نانوتيوب‌هاي كربن توخالي همراه با كانال‌هاي توخالي مستقيم و يا الگوهاي آلومينيوم متخلخل ساخته شده با متودهاي الكتروليتي. نمونه‌هايي از توزيع منفذ اتفاقي عبارتند از زئوليت‌ها، سيليس مزوپوروس و سيليسيم متخلخل که همه آن‌ها كاربردهاي مهمي دارند. در اين بخش، به طور كمي مفصل‌تر درباره اهمیت انتخاب ساختمان‌ها در حوزه نانوكامپوزيت‌ها بحث می‌كنيم. توضيح انحصاری درباره مواد متخلخل و غشاها ورای هدف اين مقاله است وما به یک توضیح کلی در این مورد می‌پردازيم.تغيير شكل يك ماده همگن از لحاظ شيميايي به ساختمان متخلخل و يا شكلی از ساختار منفذ كنترل كننده واكنش شيميايي وابسته است که مطلبی چالش‌پذير می باشد، زیرا همگنی شيميايی و قابليت انتخاب در طول چنين فرآيند‌هايی به شکل هماهنگ عمل نمی کند. با اين حال، چندين استراتژی متفاوت می تواند برای این کار به كار رود (شكل 29-1). نمونه‌ها عبارتند از زئوليت (قطر منفذ nm4/0-3/0)، فويل‌هایAl تبديل شده به آلومینیوم و دارای ۱

اسلاید 3: غشاهايی با منافذ مستقيم (به قطر nm250-7) تولید شده به وسیله الكتروشيمی، غشاهای پليمرهای فشرده و همچنين ورقه‌هاي ميكا و فلزات شيشه‌ای عمل كرده با پرتوافكنی و يا ذره (مثل آهن)، پرتوهايی كه منافذ مستقيم را رشد می ‌دهند (حفاری شيميايی)، ساختمان‌های كربن متخلخل توليد شده با كربونيزاسيون پركورسورهاي پليمری مناسب و متعاقباً در معرض واكنش اكتيواسيون (به قطر nm4-3/0) و پليمرهای سيلكودكسترين (به قطر nm8/0)سايزهای منفذ در ساختمان‌های پوروس (متخلخل) و غشاءها از nm3/0 تا m10 تغيير می‌كنند. همچنین ابعاد منفذ کمتر از nm4/0-3/0 ممكن است در نظر گرفته شوند، امّا اينها، ابعادی با شكاف‌های منظم و نامنظم در جامدات هستند. با اين حال، حد بالایی m3/0 منافذی با اکثر غشاءها را تحت پوشش قرار می دهد. یکنواختی سایز منفذ (و توزیع) برای کاربردهایی مثل تفکیک‌ها برمبنای مقیاس هر سایز، کاملا مشهود است.علاوه بر این، مشخصه شیمیایی و فیزیکی سطوح منافذ می تواند نقش بسزایی را در سایزهای منافذ کوچکتر ایفا کند بویژه وقتی گازها و یا بخارها از هم جدا می شوند. به طور کلی، ساختن یک غشاء متخلخل بدون نقص، دو مشکل را آشکار می سازد: 1) خلق یا ایجاد منافذی با هندسه موضعی مطلوب .2) قوی بودن مکانیکی در حالیکه آرایش موضعی روی فواصل ماکروسکوپی تکرار می شوند .۲

اسلاید 4: مقایسه انواع غشاها ( پلیمری و سرامیکی و ... ) :غشاءهای پلیمری مفید در دمای پائین تر (100-20 درجه سانتیگراد) و برای کاربردهای روتین بزرگ مقیاس ، طبقه مهمی از مواد متخلخل هستند. ساختن غشاهای سرامیکی در مقایسه با اجزاء متقابل پلیمری شان، معمولا شکننده تر و گرانتر و سخت ترند. از سوی دیگر، غشاهای سرامیکی تمایل دارند تا در برابر شرایط تفکیک خشن و دشوارتر مقاوم باشند (مثلاً دماهای بالا، حلال‌ها و محیط‌های خورنده) و اغلب به راحتی تمیز می شوند. غشاهای کربن براساس پرکورسورهای قیری و یا پلیمری مناسب هستند و بین غشاهای سرامیکی و پلیمری واسطه اند ( از لحاظ مشخصه و خصوصیات). خصوصیات غشاهای کربن، به خصوصیات اجزاء متقابل سرامیکی شان نزدیکترند که شامل دمای بالا و پایداری شیمیایی (به جز در محیط‌های اکسیدکننده درد ماهای 400-350> درجه سانتیگراد) می شوند.بررسی های فعلی در زمینه غشاهای کربن اساساً به غشاءهای مناسب برای تفکیک‌های گاز معطوف شده است زیرا حداقل برای تفکیک هوا ( گاز ) این غشاها ترکیبی از قابلیت نفوذ و انتخاب پذیری برتر از نمونه‌های شناخته شده تاکنون را برای مواد پلیمری نشان می دهد.نمونه‌هایی از کاربردها، عبارتند از تفکیک CO2 از CH4 در گاز Land fill، تولید هوای غنی از اکسیژن و تفکیک پروپیلن از پروپان، در نتیجه بعضی از مسیرها برای آماده سازی و یا ساختمان نهایی شان، غشاهای BN و Sic، پلی بین غشاهای سرامیکی و کربن تشکیل می دهند.۳

اسلاید 5: چون BN به علت وجود مقاومت اکسیداتیو (اکسیدکننده) برتر از C می باشد بنابراین نمونه های رو به رشد BN از غشا C، به طور بالقوه ای جالب اند. مشابه فرآیند ساخت یا تشکیل ساختارهای کربن متخلخل از قیر و سایر پروکورسورها، پرکورسورهای آلی مناسب را می توان برای فیبرهای BN پیدا کرد. رسوب یک پلیمر ارگانوسیلیسیم پرکورسور و یا الیگومر (مثل پلی کربوسیلان) روی زیرلایه‌های سرامیکی متخلخل که با عمل پیرولیز دنبال می شود، می تواند برای تشکیل کاربید سیلیسیم و یا لایه‌های فوقانی سرامیکی حاوی Si-O-C درغشا‌های کامپوزیت به کار رود. منافذ از سایز کمتر از یک نانومتر نیز می توانند تولید شوند که این مورد به پرکورسور و به نوع عمل آوری آن بستگی دارد. در سال‌های اخیر، آرایه‌هایی براساس نانو تیوب کربن تک دیواره و خودبخود جمع شده، برای غشاها پیشنهاد شده اند (شکل 30-1). اعمال غشا براساس انتقال کمیتی آب از طریق نانو تیوب‌ها است (سایز منفذ <1nm)، که انتقال آب را در ساختمان‌های فیزیولوژیکی از طریق تیوب‌های موجود با ابعاد مشابه، تقلید می کند.۴

اسلاید 6: شماتیک‌های 2 بعدی ، شامل ساختمان‌های سه بعدی پیوسته که متداولاً در مواد نانو پوروس وجود دارند، (a) شبکه منفذ کاملاً منظم، مثل شبکه موجود در زئولیت‌ها (سایز منفذ nm1-0/4)، (b) ماده اصلی نانو پروروس با شبکه متخلخل ( شکل غیردقیق )، (c) ساختمانی که در اصل با تجزیه اسپینودال تولید شده (محصول مبتنی بر سیلیس و با منافذ nm4)، (d) کربن نانو پوروس با ساختمان گرافیتی نانو که خطوط سیاه، سطوح گرافیتی را نشان می دهند، ((e ماده نانو پوروس با منافذ لوله ای در یک آرایش نیمه منظم موازی، مانند آلومینای آندی (با سایز منفذ حداقل در دامنه 10 نانومتر) و زئولیت‌های مزوپوروس (سایز منفذ در دامنه چند نانومتر).abcde۵

اسلاید 7: چندین شکل از کربن‌های نانو ساختاری معین شده (شکل 31-1)، وجود دارد که این اشکال کاربردهای عملی مهمی دارند، مثلاً رشد و توسعه سیستم‌های ذخیره سازی هیدروژن، کاتالیتی و الکترولیتی این مواد می توانند با کلوئید زایی حرارتی کاربیدهای متفاوت ، سنتز شوند. تا کنون سنتز کربن نانو متخلخل (نانو پوروس) امکان پذیر بوده است، که شامل نانو ذراتی با کربن گرافیتی لاملار نواری شکل و چند جداری و کربن توربوستراتی هستند . کربن غیرمتبلور نانوپوروس از کربن دارای مساحت سطحی بسیار بالا با توزیع سایز منفذ بسیار باریک و قابل تنظیم تشکیل شده است و در کاربردهایی مثل تولید فوق خازن‌ها و جاذب‌های ویژه، مناسب است. تکنیک‌های سنتز مبتنی بر الگو (مثل کوارتز، سیلیکات‌ها) نیز می توانند برای آماده سازی چنین موادی بکار روند.ساختمان‌هایی مثل سیلیکات آلومینیوم مزوپوروس (نیمه متخلخل) و یا سیلیس۶

اسلاید 8: نانوپوروس ، آرایه‌های منظم شده ای از ساختمان‌های باز دارند که به طور اتفاقی با منافذ به هم وصل شدند (سایز منفذ <3/5nm). منافذ می توانند با حلال‌های آلی پر شده و حرارت داده شوند سپس در دمای بالا پیرولیز شده و نهایتاً الگو حکاری شده ، تا کربن‌های نانو متخلخل تولید گردد.نیمه رساناها و غشاهای متخلخل فلزی، کاربردهای ویژه ای دارند. مهمترین نمونه غشاء‌های فلزی، غشاهای مبتنی بر پالادیوم تفکیکی است که بر مبنای انتشار منتخب گونه‌های گازی از طریق شبکه فلزی کار می کند. غشاهای کامپوزیت نیز وجود دارند که در آن یک یا چند لایه فوقانی و مدفون شده در ماده است که شامل غشا حجیم اضافه می باشد . حداقل یکی از لایه‌ها، نقش فعالی را در تفکیک ایفا می کند و التیام دهنده نقایص است. مواد کامپوزیت متشکل از ماده ماتریس (که در بیشتر موارد پلیمر است) و دیسپرسیون (پراکندگی) ماده نانو پوروس استاندارد (مثل زئولیت یا کربن ریز متخلخل) نیز می تواند در عمل کاتالیزور و کاربردهای تفکیک مفید باشد.7

اسلاید 9: شکل 30-1-: شماتیک غشا چند لایی ای احتمالی متشکل از نانوتیوب‌های خوبخود جمع شده (در طول فلش‌ها) که به طور فشرده ای با هم متراکم شدند. بین لایه‌های غشا مخلوط آب نمک است. تقلید یا شبیه سازی بیان می کند که فشار می تواند انتقال نانوتیوب ها را در عرض غشاءها ایجاد کند که با مولکول‌های در حال حرکت درون نانو تیوب‌ها نشان داده شده. چنین طرح‌های متخلخل کاربردهای متعددی دارند مثل تولید دارو و ... .۸

اسلاید 10: شکل 31-1- شماتیک سطح اتمی ساختمان نانو متخلخل با ذرات فلز باردار . مساحت سطحی بالای مواد کربن متخلخل برای نگهداری ذرات کاتالیست فلزی پراکنده جهت استفاده در کاتالیز ناهمگن ، محلی ایده آل است.۹

اسلاید 11: تولید غشاهای آلومینیوم :غشاهای آلومینیوم با منفذ مستقیم (که در آماده سازی الگوها برای رشد نانو سیم‌ها و نانو لوله‌ها به کار می رود) با اکسیداسیون آندی فویل‌های آلومینیوم نازک آماده می شوند، اینکار در عمل با الکترولیز محلولی از اسید اکسالیک، فسفریک، کلرومیک و یا سولفوریک صورت می گیرد. الکترولیت در میان آن دسته از موادی انتخاب می شود که ظرفیتی مشخص برای حل کردن آلومینا دارند. همانطور که الکترولیز پیشرفت می کند، سازمان دهی خودبخودی رخ می دهد، اکسید آلومینیوم ساخته شده در آند، دستخوش توزیع فضایی قرار می گیرد. به این ترتیب نوعی ساختمان خانه زنبوری همراه با منافذ مستقیمی که در آرایش تقریباً شش ضلعی توزیع شده اند ایجاد می شود . سایزهای منفذ در دامنه nm25-10 معمولا تخلخل‌هایی در ردیف 0/3-0/2 و ضخامت لایه در دامنه m 100-10 ایجاد می کند . در مورد کاربردهای تفکیک که به منافذ کوچک نیاز دارند، ترجیحاً از روش رشد و توسعه انواع غیر متقارن غشاهای آلومینا استفاده می شود . ۱۰

اسلاید 12: علاوه بر عدم تقارن ایجاد شده توسط رسوب گذاری‌ها، پارامترهای دیگر نیز در طول رشد تغییر می کنند، به ویژه تغییرات ولتاژ که به این ترتیب عدم تقارن ممکن می شود و علاوه بر ساختمان‌های آلومینایی متخلخل آندی ایجاد شده، روندهای اصلی تولید نیز تست می شوند.مثل استفاده از الگوی اصلی (ساخته شده از SiC)، همراه با سایز نانو برای ایجاد بافت‌های سطح معین که شکل گیری کانال‌های منفذ بدون نقص را به نسبت بالا ، روی مساحت وسیع سطحی امکان پذیر می کند. آرایه‌های کانال منظم بلندمدت با ابعادی در ردیف میلی متر نیز می توانند به دست آیند که شامل نسبت‌های بالای 150 برای هر کانال می شوند .گرچه ضخامت محدود شده ای با روند آندی شدن آلومینیوم، ایجاد می شود و غشاهای تولید شده را جزء کاندیدهای دست نیافتنی برای استفاده به عنوان غشاهای تفکیک گاز می سازد، اما بیشتر تحقیقات به تولید ساختمان‌های سرامیکی غیرمتقارن اختصاص یافته اند که ساختمان‌هایی با لایه‌های عملکردی اضافی برای عملکردهای ویژه رسوب می باشند .میکروکریستال‌های جهت دار ساختمان‌های فسفات متخلخل و جامدات زئولیت شکل (که سایزهای منفذ قابل طرح nm20-2 دارند) روی سطح غشاء‌های آلومینا با منفذ مستقیم و راست می توانند رشد کنند تا قابلیت عملکرد بهتری را در کاربردهای تفکیک فراهم نمایند.۱۱

اسلاید 13: غشاهای آلومینا با منفذ راست، به صورت الگوهایی برای تولید غشاء فلزی متخلخل به کار رفته اند که در تولید آنها از آبکاری غیرالکتریکی استفاده شده است که مراحل حل شدن، الگوهای میانجی و اولیه را غیر فعال می کند .مواد نانو متخلخل پلیمری و مواد نانو کامپوزیت، تکنولوژی تولید غشاهای پلیمری را به طور جدی پیشرفت و بهبود داده اند، در یک حالت کاملاً معکوس از نقش‌های اصلی برای ماده سرامیکی و آلی در تشکیل مواد منتخب بخار یا گاز ارگانیزه شده، می توان کانال‌های مواد زئولیت مانند را با فازهای آلی فعال محدود شده از لحاظ ابعادی تصفیه کرد. زئولیت غیرآلی نیز می تواند برای تشکیل ساختمان‌های متخلخل دیگر از جمله برای کربن‌های متخلخل به کار رود که در این روش یک ساختمان زئولیت در معرض گاز پیرولین قرار می گیرد و در دمای بالا پس از کربن زدایی و شستشو با اسید، ماده کربن نانو متخلخل یا ریز متخلخل به دست می آید. نانو کامپوزیت‌های مغناطیسی با پراکندگی ذره :نانو کامپوزیت‌های مغناطیسی که در آنها گونه‌های مغناطیسی درون ماتریس‌های مغناطیسی و یا نانو مغناطیسی پراکنده شدند، عملاً بسیار مفیدند ولی مواردی مثل ثبت مغناطیسی، مقاومت مغناطیسی زیاد و خنک سازی مغناطیسی از جمله محدوده‌های مهم هستند که به نانو کامپوزیت‌های مغناطیسی مربوط هستند . ۱۲

اسلاید 14: مغناطیس‌های نانو کامپوزیت با سیستم‌های ماتریسی تبدیل به ذره مغناطیسی شده اند و مورد توجه زیادی قرار گرفتند زیرا این نانو کامپوزیت ها محصولی با انرژی بالا بوده که (BH)max و پسماند (پایدار مغناطیسی) بالایی هم دارند (همراه با جفت شدن و تبادل در سطوح تداخل جدا کننده فازهای مغناطیسی سخت و نرم)، که این ویژگی‌ها در رابطه با مواد مغناطیسی قراردادی اند. افزایش پسماند می تواند تا بالای 0/8 باشد و مغناطیسی شدن اشباع در مقایسه با ارزش ایزوتروپی 0/5 است. بسیاری از گزارش‌ها، در رابطه با خصوصیات مغناطیسی افزایش یافته شامل مغناطیس‌های نانو کامپوزیت از جنس فازهای مغناطیسی سخت می باشند ، مثل Nd2Fe14B، Sm2Fe17N3، در ماتریس‌های مغناطیس نرم (مثل a-Fe).اثر استحکام واکنش تبادل بین دانه ای در این مواد مهم است و خصوصیات مغناطیس‌های نانو کامپوزیت را تحت تاثیر قرار می دهد، خصوصیاتی مثل پسماند زدایی و تولید محصولی با حداکثر انرژی. کاهش سایز دانه ای ماده و کاهش واکنش تبادل بین دانه ای، حداکثر انرژی را تا KJm-3200 بالا می برد. به طور کلی، پسماند زدایی با کاهش ثابت تبادل در مقایسه با واکنش تبادل بین دانه ای، افزایش می یابد. ذرات مغناطیسی به سایز نانو عمدتاً سازه های دانه ای کوچکتر از ذره تک حوزه ای بحرانی دارند. عمدتاً در زمینه‌های نانو کامپوزیت مغناطیس، پسماند زدایی با سایز دانه افزایش می یابد و این در صورتی است که دانه‌ها جدا شوند اما وقتی دانه‌ها با هم تماس می یابند و واکنش تبادل شروع می شود، پسماند زدایی با سایز دانه کاهش می یابد.۱۳

اسلاید 15: با تشکر ازحُسن توجه شما