کامپوزیت های پلیمری و نانو کامپوزیت ها

[Bahram Sh مهمان]

این تحقیق زحمات خانم مریم کرمی هست .

استفاده از این مقاله با ذکر منبع بلامانع هست.

استاد راهنما:

دکتر واقفی

[Bahram Sh مهمان]

کامپوزیت به موادی اطلاق می شود که در ساختار آن بیش از یک جزء استفاده شده باشد. که در این مواد اجزاء مختلف خواص فیزیکی مکانیکی خود را حفظ می کنند. البته این طور هم می توان گفت که کامپوزیت ها موادي چند جزئي هستند که خواص آنها در مجموع از هرکدام از اجزاء بهتر است. ضمن آن که اجزاي مختلف، کارايي يکديگر را بهبود مي‌بخشند.]11،21 [

جملات بالا تعریف ساده ای از کامپوزیت ها بودند. این را هم اشاره کنم که بررسي ها و تحقيقات براي دست يافتن به مواد جديدتر با خواص مکانيکي بهتر ، همواره انجام مي‌گرفته و هنوز هم همگام با پيشرفت صنايع دنبال مي‌گردد. در اين بررسي ها ، اغلب اين هدف دنبال مي‌شود که به موادي با نسبت مناسب از استحکام کششي به چگالي ، استحکام حرارتي بالا و خواص ويژه سطح خارجي دست يابند. کامپوزیت های در راستای این هداف کشف شدند و مورد استفاده بسیار در انواع صنایع قرار گرفتند. ]11،27 [

در این جا سعی داریم شما را با دو نوع بسیار معروف در دنیای کامپوزیت آشنا سازیم این دو نوع کامپوزیت های پلیمری و نانو کامپوزیت ها هستند

[Bahram Sh مهمان]

مقدمه

به طور کلی به ترکیب دو یا چند ماده با هم، ماده مرکب گفته می‌شود که مواد مرکب حاصل از مواد پرکننده یا تقویت کننده با پلیمرها از مهمترین آن ها محسوب می‌شوند. اين مواد اهميت صنعتي فراواني دارند و هنوز هم تحقيقات در اين زمينه ادامه دارند. مواد مصنوعي تقويت شده با الياف شيشه (فايبرگلاس‌ها) يكي از اين مواد مي‌باشد كه تاكنون كاربرد صنعتي وسيعي پيدا كرده اند. در ضمن صنعت کامپوزيت يکي از صنايع رو به رشد در عرصه مواد مهندسي است. امروزه به خاطر مزايايي که کامپوزيت ها نسبت به فلزات دارند، توسعه زيادي پيدا کرده اند.] 1،15،16،22 [

تهیه مواد مرکب از پودر چوب یا محصولات سلولزی مانند الیاف سلولز، لیگنین و غیره.با پلی‌اولفین‌ها، بالاخص پلی‌پروپیلن در دهه اخیر به شدت مورد توجه قرار گرفته است و کشورهای آمریکایی و اروپایی محصولاتی از این نوع را تحت عنوان wood stock برای مصارف گوناگون، عرضه کرده‌اند.[15]

انواع کامپوزیت های پلیمری

کامپوزیت های پلیمری به دو دسته کلی تقسیم بندی می شوند:

1. کامپوزیت تقویت شده با الیاف (Fiber Reinforced Composites): این کامپوزیت ها به کامپوزیت های لیفی هم مشهور هستند (Fibrous Composites). در این نوع از کامپوزیت،الیاف فاز تقویت کننده می باشد. این دسته از کامپوزیت ها (FRC)کاربرد های سازه ای استفاده فراوانی دارند.

2. کامپوزیت های ذره ای :(Particulate Composite)در این نوع از کامپوزیت ها، فاز تقویت کننده از ذرات تشکیل شده است. این دسته از کامپوزیت ها در قطعات با اصطحکاک زیاد مورد کاربرد قرار می گیرند.[21]

از منظری دیگر می توان کامپوزیت ها پلیمری را بر اساس نوع تقویت شدن، به شیشه ایی ، کربنی و آرامید تقسیم کرد. کامپوزیت های پلیمری رشته شیشه ای شامل رشته های شیشه ایی پیوسته یا ناپیوسته در زمینه پلیمری است. در آینده به جای شیشه بیشتر از کربن به عنوان رشته تقویت کننده در کامپوزیت های پلیمری استفاده خواهد شد. چون رشته های کربنی بیشترین استحکام ویژه و مدول ویژه را در میان مواد رشته های تقویت کننده دارا هستند . رشته های آرامید موادی با استحکام و مدول بالا هستند که در اوایل دهه 1970 عرضه شدند .

در کامپوزیت های زمینه پلیمری ، غیر از سه نوع رشته تقویت کننده شیشه ایی ، کربنی و آرامید گاه از بور ، کاربید سیلیسیم و اکسید آلومینیم در حد محدودی استفاده می شود. رشته های بور در اجزا هواپیماهای نظامی ، تیغه ای پره بالگرد و برخی وسایل ورزشی بکار می رود از رشته کاربید سیلیسیم و آلومینا در راکتها ی تنیس ، مدار چاپی و دماغه مخروطی موشک استفاده می شود[15] .

کامپوزیت ها براساس منشأ (طبیعی یا مصنوعی) زمینه یا پر کننده نیز طبقه بندی می شوند. طبیعت از کامپوزیت ها در مواد سخت استفاده کرده است. این مواد سخت دارای ساختار پیچیده ای از مواد فیبری یا ذره ای هستند که در زمینه ای آلی قرار گرفته اند (این زمینه مانند چسب عمل می کند). چوب یک کامپوزیت است که از الیاف سلولز به همراه لیگنین (lignin) تشکیل شده است. ابریشم تولیدی از عنکبوت، شامل نانوکریستال های آلی در یک زمینه ی آمورف و آلی است. پوسته ی حلزون (شکل 2) از لایه های یک ماده ی مینرالی سخت تشکیل شده است که بوسیله ی یک بایندر پروتئینی از همدیگر مجزا شده اند. یک ساختار صفحه ای مشابه تولید شده است که بوسیله ی قرارگیری فلس های میکا در یک زمینه ی پلیمر مصنوعی به دست می آید. این پلیمر مصنوعی ترموست به همراه میکای فلس مانند تشکیل مجراهای عبور بخار و مایع در یک میکروکامپوزیت می دهد. (شکل 3) [17]

 

طبقه بندی کامپوزیت های بر اساس کاربرد: این مواد چند سازه ای بر اساس نوع کاربرد و عملکردی که دارند هم طبقه بندی می شوند. برای مثال شخصی می تواند مابین دو بیوکامپوزیت تفاوت قائل شود؛ مثلا بیوکامپوزیت های مورد مصرف برای کاربردهای اکولوژی (ecological applications) که از ترکیب الیاف یا ذرات طبیعی به همراه زمینه ای پلیمری تشکیل شده اند. (این پلمیرها از منابع بازگشت پذیر و غیر قابل بازگشت پذیر تهیه می شوند). این نوع بیوکامپوزیت ها به خاطر داشتن خاصیت تخریب پذیری بوسیله محیط طبیعی، ممتاز هستند. بیوکامپوزیت های مورد استفاده در بیوپزشکی از پلیمرهای تخریب پذیر یا مقاوم در برابر عوامل بیولوژیک تشکیل شده اند که بوسیله ی پر کننده های با سطح فعال یا خنثی اصلاح شده اند. این نوع بیوکامپوزیت ها در شکسته بندی (orthopedics)، ترمیم استخوانی (bone regeneration) یا کاربردهای مهندسی بافت کاربرد دارند.[17]

فایبر گلاس: فايبرگلاس (الياف شيشه) که پرکاربردترين کامپوزيت‌ها هستند، فيبرها يا الياف ساخت بشرمی باشند که در آن ، ماده‌ تشکيل دهنده‌ فيبر ، شيشه است. الياف شيشه‌ها ، موارد استفاده‌هاي فراواني از جمله در ساخت بدنه‌ خودروها و قايقهاي تندرو و مسابقه‌اي ، کلاه ايمني موتورسواران ، عايقکاري ساختمان ها و کوره‌ها و يخچال ها و … دارند[1] .

ساختمان و اندازه‌ اين الياف شيشه‌ها بسيار متغير است. کوچکترين آن ها بوسيله چشم غير مسلح ديده نمي‌شود و بسيار ريز هستند. اندازه‌هاي کمي بزرگتر از آن ذراتي هستند که در کارخانجات ساخت فرآورده‌هاي الياف شيشه‌ها به کمک هوا نقل و انتقال يافته و سبب شوزش پوست و بيني و گلو مي‌شود. الياف شيشه متداولترين الياف مصرفي کامپوزيت‌ها در دنيا و ايران است که متاسفانه در ايران ساخته نمي‌شود. انواع الياف شيشه عبارتند از انواع E ، C ، S و کوارتز. ترکيب الياف شيشه نوع E يا الکتريک، از جنس آلومينوبور و سيليکات کلسيم بوده و داراي مقاومت ويژه الکتريکي بالايي است [11] .

الیاف شیشه نوع S ، تقريباْْ 40 درصد استحکام بيشتري نسبت به الياف شيشه نوع E دارند. الياف شيشه نوع C يا الياف شيشه شيميايي ، داراي ترکيب بور و سيليکات کربنات دو سود بوده و نسبت به دو مورد قبل پايداري شيميايي بيشتري به خصوص در محيط‌هاي اسيدي دارد. الياف شيشه کوارتز، بيشتر در مواردي که خاصيت دي‌الکتريک پايين نياز باشد، مانند پوشش آنتن‌ها و يا رادارهاي هواپيما استفاده مي‌شوند [11] .

کامپوزیت های پلیمری FRP: اين کلمه اختصاري از کلمات Fiber Reinforced Polymer or Plastic مي با شد. به عبارت ديگر به يک ماده مرکب و کامپوزيتي اطلاق مي شود که از دو بخش فيبر(الياف تقويتي) و ماتريس رزين از جنس پليمر تشکیل شده است. این کامپوزیت به دو شکل ورق هاي FRP و ميلگردهاي FRP وجود دارد. در ضمنFRP ها را بر اساس فيبر تشکيل دهنده ي آنها به 3 دسته تقسيم مي کنند:

1. CFRP (الياف از جنس کربن)

2. GFRP (الياف از جنس شيشه)

3. AFRP (الياف از جنس آراميد) [11]

اجزای تشکیل دهنده کامپوزیت های پلیمری

کامپوزیت های پلیمری مخلوط هایی از پلیمرها به همراه افزودنی های آلی و غیر آلی هستند. در واقع این افزودنی ها دارای هندسه های مختلفی مانند الیاف، فلس مانند (Flakes)، کره مانند و ذره ای هستند. کارايي کامپوزيتهاي پليمري مهندسي توسط خواص اجزاء آن ها تعيين ميشود. اغلب آن ها داراي الياف با مدول بالا هستند که در ماتريسهاي پليمري قرار داده شده اند. همچنین یک کامپوزیت از دو فاز عمده تشکیل شده است :

1. فاز پیوسته یا ماتریس

2. فاز ناپیوسته 21,17] ،11[

کامپوزیته ای زمینه پلیمری از یک رزین پلیمری (پلاستیک تقویت شده مولکول درشت) به عنوان زمینه با رشتهایی به عنوان عامل تقویت کننده تشکیل شده است. رزین پلیمری فاز پیوسته و رشته ها (الیاف ها) فاز ناپیوسته کامپوزیت پلیمری هستند.[15]

نقش ماتریس در کامپوزیت ها به شرح زیر می باشد:

1. انتقال تنش بین الیاف

2. نگهداری الیاف در کنار هم

3. حفاظت در مقابل شرایط محیطی سخت وحفاظت از سایش مکانیکی الیاف

4. حفاظت عرضی برای الیاف و جلوگیری از کمانش آن تحت بار فشاری

5. انتقال برش از فيبر تقويتي به ماده مجاور] 22،21،17 [

تاثیر ماتریس ها بر خواص کامپوزیت :

1. استحکام و مدول عرضی موثر

2. خواص فشاری ( موثر)

3. استحکام برشی ( موثر)

4. استحکام برشی صفحه ای ( موثر )

5. خواص کششی ( کم اثر )

فرایند پذیری یک کامپوزیت به خصوصیات فیزیکی رزین ها مانند گرانروی، نقطه ذوب و دمای پخت بستگی دارد.[21]

نقش الیاف ها در کامپوزیت ها:

1. سهم اصلی باربری درمواد مرکب را دارد.

2. بالاترین حجم را در مواد مرکب پر می کند.

3. انتخاب دقیق مقدار و نوع الیاف و جهت قرارگیری بسیار مهم است. [22]

الیاف های دارای ویژگی های زیر هستند :

1. منعطف بودن جهت شکل گیری مورد نظر

2. امکان پیش شکل دادن (Performing) مثل بریدن یا دوختن یا فشردن و افشاندن

3. تراکم مناسب جهت جریان راحت رزین از میان آن [21]

افزودنی های مورد استفاده در کامپوزیت های پلیمری به صورت های مختلفی طبقه بندی می شوند مثلا برخی از آنها تقویت کننده، برخی پرکننده و برخی ترکیبی از خاصیت پرکنندگی و تقویت کنندگی را پدید می آورند. تقویت کننده ها دارای سفتی و استحکام بیشتری نسبت به پلیمرها هستند. و معمولا این مواد باعث افزایش مدول و استحکام پلیمری می شوند. علاوه بر خواص مکانیکی سایر خواص یک پلیمر نیز تحت تأثیر این مواد افزودنی هاست.[17]

الف: تقویت کننده ها

فاز پیوسته (ماتریس) کامپوزیت های پلیمری : ماتريس پليمري دومين جزء عمده کامپوزيتهاي پليمري است. اين بخش عملکردهاي بسيار مهمي در کامپوزيت دارد. اول اينکه به عنوان يک چسب الياف تقويت کننده را نگه مي دارد. دوم، ماتريس تحت بار اعمالي تغيير شکل مي دهد و تنش را به الياف محکم و سفت منتقل مي کند. سوم، رفتار پلاستيک ماتريس پليمري، انرژي را جذب کرده، موجب کاهش تمرکز تنش ميشود [11] .

ویژگی های رزین ها( ویژگی های کلی):

1. ویسکوزیته (گرانروی) پایین ( 100 – 1000 CP ) و توانایی پر کردن قالب

2. خیس کردن سریع تقویت کننده

3. زمان ژل شدن[21]

انواع رزین های پلیمری :

الف : پلیمر های گرما سخت

1. رزین های پلی استر غیر اشباع

2. رزین های اپوکسی

3. رزین های فنولیک

4. رزین اپوکسی نووالانس

5. رزین پلی ایماید

6. رزین اوره و ملامین فرمالدئید

ب : پلیمر های گرما نرم

1. نایلون 6 و 66

2. پلی استر ها

3. پلی کربنات

4. پلی استال ها – پلی سولفون ها

5. پلی اتراکتون PEEK

6. PAI , PEI [21]

در ميان رزينها نيز، پلي استر، وينيل استر، اپوکسي و فنوليک از اهميت بيشتري برخوردار هستند.[11]

رزین های پلی استر: این نوع از رزین ها انواع مختلفی دارد که در زیر به چند نمونه از آنها اشاره خواهیم کرد:

1. پلی استر نوع اورتو با ویژگی های: قیمت پایین و کاربرد عمومی تا 85 %

2. پلی اتر نوع ایزود با ویژگی های: مقاومت مناسب در شرایط محیطی و مواد شیمیایی، استفاده در لایه های ژلی

3. رزین بیسفنلیک (پلی استر با کارایی بالا) با ویژگی های: مقاومت بالا در مقابل خوردگی، مورد استفاده در لوله های انتقال مواد شیمیایی

4. رزین وینیل استر (پلی با کارایی بالا) با ویژگی های : چقرمگی بالا، مقاومت ضربه بالا، مقاومت شیمیایی عالی [21]

رزین های اپوکسی: این رزین ها با خواص زیر مورد توجه قرار می گیرند :

1. خواص مکانیکی خوب : مانند چقرمگی، سختی، مقاومت سایشی بالا

2. خاصیت الکتریکی خوب

3. مقاومت حرارتی عالی

4. چسبندگی عالی به بسیاری از مواد مانند فلزات، چوب، بتن، شیشه، سرامیک

5. مقاومت شیمیایی خوب

6. جمع شدگی کم پس از واکنش پخت

7. فراورش مشکل تر نسبت به پلی استر ها

8. قیمت بالا[21]

عامل پخت ( سخت کننده رزین اپوکسی):نوع عامل پخت تعیین کننده سرعت واکنش پخت، میزان حرارت ناشی از واکنش، گرانروی سیستم، زمان ژل شدن و حرارت لازم جهت رزین می باشد.[21]

- انواع عوامل پخت: پلی آمین ها، انیدرید ها و پلی آمید ها

رزین های ویژه:

1. رزین اپوکسی ویژه (نووالاک)

2. رزین پلی ایماید (Polyimide)

این رزین ها با خواص ویژه زیر مورد توجه قرار گرفته است :

1. ساختار رزین فنلیک را دارد و نوع فراورش مشابه اپوکسی هاست.

2. خواص حرارتی و شیمیایی بهتری دارند.

3. خواص مکانیکی در دماهای بالا

4. گرانروی بالاتر نسبت به اپوکسی های معمولی دارند.

5. کارایی سایشی مطلوب دارند.

6. مقاومت بالا در برابر شعله دارند.

7. پایداری محیطی ضعیف و فراورش مشکل دارند.

8. سختی و استحکام بالا در محدوده وسیعی از دما از 240- تا 300 درجه سانتی گراد دارند.[21]

فاز ناپیوسته (الیاف) کامپوزیت های پلیمری: الیاف اصلی ترین المان در مواد مرکب لیفی (مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف) هستند که بالاترین کسر حجمی را در ساختار کامپوزیت دارند. انتخاب صحیح نوع، مقدار و جهت بسیار مهم بوده و تاثیر زیادی در خصوصیاتی نظیر؛ جرم مخصوص، استحکام کششی، مدول کششی، استحکام فشار، استحکام خستگی، قیمت، خواص حرارتی و الکتریکی دارند.[21]

طبقه بندی اصلی ترین الیاف مورد استفاده در کامپوزیت ها پلیمری:

1. فلزی : شیشه ، ازبست

2. معدنی : کربن، گرافیت، آرامید

3. عالی : بر، Sic

4. طبیعی : طبیعی [21]

از الياف متداول در کامپوزيتها مي‌توان به شيشه، کربن و آراميد اشاره نمود. [11]

الیاف شیشه (Glass Fibre): این الیاف بالا ترین حجم مصرف دارا هستند و عمومی ترین نوع الیاف مصرفی را در ساختارهای مرکب دارند.[21]

-اشکال الیاف شیشه:

1. الیاف بلند: منحنی (Yarn)، رشته ای (Roving)، پارچه ای، سوزنی و نمدی، نواری، سه بعدی (ترکیب سوزنی، پارچه زاویه دار در رشته ای)[21]

2. الیاف کوتاه: ساختار الیاف شیشه از سه قسمت موج اصلی تشکیل می شود؛ موج ساده، موج اریب، موج اطلسی، سایر حالات موج الیاف از این سه ساختار نشأت می گیرند.[21]

درصد الیاف در روش SMC بسته به نیازهای کاربردی قطعه متفاوت است و این درصد در حد 50 تا 70 درصد وزنی برای کاربردهای با استحکام و مدول بالا بکار می رود و در آمیزه هایی که میزان درصد وزنی الیاف آنها بالاتر از 60 درصد است پرکننده بکار برده نمی شود.[21]

آمیزه های SMC را بر مبنای شکل الیاف بکار رفته به سه گروه زیر تقسیم می کنند:

1. SMC-R: به معنای آرایش اتفاقی الیاف کوتاه در ورقه است.

2. SMC-CR: C به معنای الیاف موازی و پیوسته در یک طرف از ورقه و R به معنای الیاف کوتاه در دوطرف دیگر ورقه می باشد.

3. XMC : X به معنای الیاف پیوسته با آرایش ضربدری در ورقه می باشد[21] .

ترکیبات درانواع الیاف شیشه :[21]

C Glass

Sor R Glass

D Glass

E Glass

محتویات

65-66

60

73-74

53-54

Slo2

4-5

25

-

14-15.5

Al2O3

13-14

2-3

9

0.5-0.6

20-24

Cao

Mgo

-

-

-

0.07

F

-

-

0.1-0.2

1

FeO3

TiO2

8-8.5

-

1.3

1.5

1

Na2O

K2O

الیاف کربن: روش های تولید؛ نساجی – پلی اکریلونیتریل (PAN)، روش (Pitch) ایزوتروپیک

- انواع الیاف کربن:

1. نخی (Yarn) : اندازه 1 الی 25 میلیمتر جهت ترکیب و قالبگیری پلاستیک های گرمانرم و گرماسخت.

2. رشته ای: (Roving) – پودر در اندازه 0.3 با L/D 30

3. پارچه ای ساده بافت – پودر در اندازه 0.03 میلیمتر با 30 L/D

4. نمدی

5. نواری[21]

الیاف آرامید: مزایای این نوع از الیاف ها؛ جرم مخصوص پایین، مدول کششی بالا، استحکام کششی بالا، مقاومت ضربه بالا، کاهنده دامنه نوسان در ارتعاشات

محدودیت های الیاف آرامید: مقاومت فشاری پایین، محدودیت در برشکاری، حساس به نور خورشید

- اشکال موجود الیاف آرامید:

1. الیاف بلند: نخی (Yarn)، رشته ای (Roving)، پارچه ای، ترکیبی با الیاف کربن و شیشه ( جهت پوشش محدودیت های موجود)

2. الیاف کوتاه : انداره 1 میلیمتر تا 25 میلیمتر جهت قالبگیری،[21]

الیاف پلی اتیلن با زنجیره کشیده شده (UHMWPE): Ultra High Molecular Weight PEمزایا:

1. بالاترین استحکام کششی نسبت به سایر الیاف

2. مدول کششی بالا

3. پایین ترین جذب رطوبت را دارد ( کمتر از 1 درصد)

4. جرم مخصوص پایین

5. مقاومت سایشی بالا

6. ضریب انبساط حرارتی پایین

7. مقاومت شیمیایی بالا

محدودیت ها:

1. دمای کاربردی پایین (100-110 درجه سانتیگراد)

2. خزش پایین

3. دمای فرایند پذیری در محدوده 125 در جه سانتیگراد

4. چسبندگی پایین به پلیمرها[21]

از انواع تجاری موجود آن (Dyneema – Spectra) می باشد. کاربرد های آن در توری، ملزومات ورزشی و ... می باشد.[21]

ب: پرکننده ها

خواص فیزیکی پرکننده ها :

1. شکل ذرات : پرکننده ها می توانند به اشکال لیفی – صفحه ای ( پولکی ) – مکعبی – کره ای باشد.

2. اندازه ذرات : ذرات ریز معمولا قدرت تقویت کنندگی پرکننده را در کامپوزیت بالا می برند اندازه ذرات معمولا 2 – 5 میکرون است.

3. نسبت بسته بندی ذرات: این پارامتر عبارتست از نسبت حجم خالی بین ذرات به حجم کل ذرات

4. مساحت سطح : مجموع سطح خارجی یک گرم از ذرات

5. دانسیته پودری که عبارتست از نسبت وزن به حجمی است که پرکننده اشغال می کند.

6. میزان جذب روغن: مقدار روغنی که 100 گرم پودر جذب میکند. این کمیت برای تعیین تاثیر گزاری پرکننده به ویسکوزیته پلیمر مایع به کار می رود.[21]

نقش پرکننده ها در کامپوزیت های پلیمری:اکثر پرکننده ها به عنوان افزودنی در نظر گرفته می شوند که به دلیل خصوصیات هندسی نامنظم، مساحت سطح یا ترکیب شیمیایی سطح نامناسب تنها می توانند مدول پلیمرها را به طور متوسط افزایش دهند. این در حالی است که استحکام فشاری و پیچشی آنها ثابت مانده و حتی در مواردی کاهش می یابد. عمده ترین نقش پرکننده ها، کاهش قیمت ماده بوسیله ی جایگزینی بخشی از پلیمر گران بها با این مواد است.[17]

تاثیر پرکننده ها بر پلیمر های گرما نرم:

1. افزایش در : دانسیته، مدول، سختی، دمای تغییر شکل، خواص الکتریکی، رسانایی

2. کاهش در: انقباض، وابستگی خواص به دما، مقاومت کششی، کرنش درشکست، شاخص جریان ذوب، مقاومت در برابر ضربه، انبساط حرارتی، هزینه[21]

تاثیر پرکننده ها بر پلیمر های گرما سخت:

- تاثیر بر رزین مایع: افزایش ویسکوزیته (گرانروی)، کاهش هزینه، افزایش و یا کاهش سرعت شبکه ای شدن و کاهش میزان اگزوترم

- تاثیر بر رزین شبکه ای شده: کاهش شفافیت، افزایش ( یا کاهش ) مقاومت ضربه، کاهش مقاومت ها، افزایش مدول ها، کاهش انقباض، کاهش میزان جذب آب، افزایش مقاومت سایشی، اصلاح خواص حرارتی و الکتریکی، کاهش شعله پذیری، افزایش دمای تغییر شکل حرارتی[21]

سایر مواد افزودنی در کامپوزیت های پلیمری:

1. مواد پایدار کننده نوری

2. مواد تاخیر انداز شعله

3. مواد کاهنده دود

4. مواد رنگزا

5. مواد افزاینده مقاومت ضربه

6. مواد اتصال دهنده (اتصال بین الیاف و ماتریس جهت انتقال تنش)

7. مواد جدا کننده از قالب

8. مواد غلیظ کننده

9. مواد رقیق کننده

10. مواد پرکننده هادی

11. مواد کاهنده میزان انقباض

12. مواد محافظ سطح[21]

[Bahram Sh مهمان]

ویژگی های کامپوزیت های پلیمری

ویژگی های اصلی کامپوزیت ها پلیمری :

1. وزن مخصوص کم

2. پایداری حرارتی خوب

3. توانایی بالا در جذب انرژی ها

4. ظرفیت دمپینگ بالا

5. سهولت در تولید

6. مقاومت خستگی خوب

7. کاربرد های متنوع و گسترده

8. خواص خوب در دمای محیط

با توجه به مجموعه شرایط مذکور کامپوزیت های پلیمری رفته رفته نقش گسترده ای را در صنایع مختلف به عنوان جایگزین فلزات پیدا کرده اند. ]21،11 [

پارامترهای موثر بر خواص کامپوزیت های پلیمری:

1. خواص افزودنی (خواص ذاتی، اندازه و شکل)

2. ترکیب آنها

3. میانکنش اجزای موجود در فاز مرز دانه: این میانکنش همچنین به حضور یک میان لایه ی نازک که به فاز (inter phase) معروف است، مربوط می شود. البته این فاز میانی در اغلب موارد به عنوان یک فاز مجزا درنظر گرفته می شود. این فاز کنترل کننده ی چسبندگی میان اجزای کامپوزیت است.

4. روش ساخت: با توجه به روش ساخت، تمام فرآیندهای موجود در جدول 1 که برای ترموپلاست های اصلاح نشده (بدون پرکننده) قابل استفاده اند برای کامپوزیت های غیرمداوم نیز قابل استفاده اند (به استثناء روش قالب گیری مهره ای انبساطی (expandable bead molding). علاوه بر فرم دهی گرمایی عمدتاً، استمپینگ گرم (hot stamping) صفحات ترموپلاست تقویت شده برای تولید بخش های نیمه ساختاری بزرگ استفاده می شوند (این صفحات داری الیاف مداوم یا غیرمداوم است که به صورت اندوم قرار گرفته اند).

پرکننده ها همچنین در فرآیندهای ساخت ترموست ها در جدول 1 استفاده کرد. در واقع این فرآیندهای تولید ترموست ها در اغلب موارد از تقویت کننده های فیبری مداوم بهره می گیرد. درصد و خواص ذاتی افزودنی ها به همراه میانکنش های فیزیکی و شیمیایی آنها با زمینه، پارامترهای مهم کنترل کننده ی تولید می باشند.[18]

نسبت رزین به الیاف در کامپوزیت: خواص مکانیکی و شیمیایی کامپوزیت ها به میزان زیادی تحت تاثیر نسبت رزین به الیاف قرار دارد به عنوان یک قانون کلی با افزایش میزان الیاف استحکام قطعه افزایش می یابد اما مقاومت محیطی در برابر رطوبت و مقاومت شیمیایی قطعه کاهش خواهد یافت.

میزان رزین به الیاف را می توان با بریدن به مساحت 1 cm2 و وزن کردن آن و توزین مجدد آن پس از سوزاندن در کوره ( در دمای 7000 سانتیگراد و زمان 1 ساعت) تعیین کرد. [21]

تاثیر درجه پخت قطعه کامپوزیتی بر خواص آن: بسیاری از تغییرات خواص قطعات کامپوزیتی ناشی از پخت قطعه می باشد. اگر قطعه خیلی کم پخت شده باشد می توان آن را به راحتی از روی صدای زدن یک سکه به آن تشخیص داد زیرا قطعه نرم است و صدای خاصی را ایجاد می کند. از نقطه نظر کاربردی در شرایط کارگاهی راحت ترین راه جهت تعیین وضعیت پختی قطعه انجام آزمون سختی است. البته بهترین، روش تعیین سختی روش بارکول (Barkol) است.

اگر چه آزمون سختی بارکول بیانگر معیار کافی جهت تعیین حالت پخت نیست. اما جهت تعیین قطعات سالم از ناسالم مناسب است. به همین منظور قطعاتی که سختی بارکول کمتر از 25 را دارند قطعه اسقاطی و معیوب منظور می شوند.[23]

خواص انواع الیاف شیشه:[21]

C Glass

R Glass

D GlassSor

E Gloss

واحد

خواص

3100

4400

2500

3400

Mpa

حداکثر نیروی کششی

-

860000

55000

73000

Mpa

مدول یانگ

-

5.2

4.5

4.4-4.5

%

شکست طولی

-

-

-

0.22

-

نسبت Cpo Isso Ns

 

ویژگی های کامپوزیت پلیمری FRP:

1- وزن کم (چگالي آن در حدود 20% فولاد است)

2- مقاومت در برابر خورندگي

3- نفوذناپذيري مغناطيسي

4- امکان تقويت به صورت خارجي

5- حمل و نقل آسان

6- سرعت اجراي بالابه دليل وزن کم [11]

مقایسه خواص پلیمرهای گرمانرم و گرما سخت در کامپوزیت ها: [21]

خواص

گرما سخت

گرما نرم

مدول یانگ (Gpa)

6- 1.3

4.8 -1

استحکام کششی (Mpa)

180 -20

190 - 40

چقرمگی شکست

M pam2 kic

Kg/m2 Gic

0.5- 1

0.2 - 0.02

1.5- 6

0.7 - 6.5

حداکثر دمای سرویس دهی

450 - 50

230 - 25

عیوب ظاهری و علت ایجاد آنها در کامپوزیت ها:[23]

نام عیب

علل ایجاد عیب

1- چین و چروک سطح (Wrinkling)

اثرحلال روی سطح لایه ژلی و پخت ناقص لایه ژلی

2- حباب ، حباب شدن

1. بالا بودن ویسکوزیته ( گرانروی ) رزین

2. مقدار پرکننده زیاد است

3. عدم خیس شدن لایه فیلم توسط لایه ژلی

3- چسبندگی لایه ژلی

1. عدم پخت لایه ها

2. خشک شدن زیاد لایه ژلی

4- ترک ریز (Crazing)

1. ضخیم بودن لایه ژلی

2. عدم استفاده از رزین مناسب

3. مناسب نبودن لایه ژلی

4. عدم پخت مناسب لایه رزین

5. زیاد بودن پرکننده

5- ترک های ستاره ای

1. ضخیم بودن لایه ژلی

2. قطعه از پشت مورد ضربه قرار گرفته است

6- نقاط خشک داخلی

همزمانی آغشته سازی دو لایه از الیاف

7- حل شدن رزین (Leaching)

1. در معرض رطوبت بودن

2. عدم پخت مناسب رزین

8- تاول زدن(Blister)

1. عدم مناسب بودن کاتالیزور

2. عدم خیس شدن خوب الیاف با رزین در طی آغشته سازی

9- زرد شدن کامپوزیت (Yellowing)

جذب تشعشعات ماوراء بنفش نور خورشید

روش های تولید کامپوزیت های پلیمری

روش های مختلفی جهت تولید قطعات کامپوزیتی پایه پلیمری وجود دارد که به طور کلی به سه دسته تقسیم می شوند :

1. روش هاي دستي (Hand Lay-up): اين روش، روش پيچيده اي نيست و براي تولید قطعات ساده که انتظار بالايي از نظر خواص مکانيکي از آنها نداريم (مانند شناورها، قايق ها، گلدان ها و اتاقک ها) استفاده مي شود. تیراژ دراین نوع تولید، محدود یک الی سه قطعه در روز است و کیفیت محصول به اپراتور بستگی دارد.

2. روش های تولید خاص پالتروژن، پیچش الیاف و لایه نشانی پیوسته که جهت تولید قطعات خاص مانند لوله ، پروفیل ، ورق و غیره مورد استفاده قرار می گیرند.

3. روش تولید قطعات صنعتیSMC ،BMC ،RTM ،GMT ، LFT و... که روش های LFT وGMT مربوط به گرما نرم ها و روش هایRTM ، BMC و SMC مربوط به گرما سخت ها هستند] .16،9 [

بازار تولید قطعات صنعتی در اروپا در سال 1999 معادل 352 هزارتن بوده که سهم هریک از این روش ها به صورت زیر است :

سهم هر یک از روش های تولید قطعات صنعتی

روش تولید

وزن) تن (

درصد

SMC

190

54

BMC

90

25.6

LFT و GMT

42

11.9

RTM

30

8.5

.1 روش تولید :(Sheet MouldingCompound) SMC ترکیبی از خانواده گرما سخت های تقویت شده با الیاف شیشه بین 60-20 درصد است که معمولا ً از پنج ماده اصلی زیر تشکیل شده است :

1. رزین پلی استر غیر اشباع ویژه SMC که دارای یک پیک گرمازا بین 290 - 220 درجه سانتی گراد است.

2. افزودنی LS ، LP

3. الیاف شیشه معمولا ً از نوع رووینگ

4. پر کننده کربنات کلسیم ، کائولن و هیدروکسید آلومینیوم] 16،9 [

فرآیند تولید قطعه SMC شامل سه مرحله است :

1. تهیه ورق یا لایه:SMC تهیه ورق SMC به این شکل است که ابتدا مواد اولیه مطابق فرمولاسیون درون مخلوط کن و با دور بالا مخلوط می شوند. پس از آن که خمیر حاصله به گرانروی مناسب رسید، غلیظ کننده Thickener به آن اضافه می شود. خمیر حاصل به وسیله پمپ ، به دستگاه تولید ورق SMC منتقل و بر روی دو لایه فیلم پلی اتیلنی، به عنوان فیلم حاملCarrier ، ریخته می شود. میزان خمیر به وسیله دو تیغه قابل تنظیم است . سپس الیاف شیشه به طول 25 میلی متر 50-12 میلی متر بریده شده و به صورت منظم بر روی خمیر ریخته می شود. لایه حاصل همراه با فیلم دیگر که فقط شامل خمیر است و فاقد الیاف است تشکیل یک لایه را می دهند. پس از عبور از یک سری غلتک ، الیاف به صورت کامل با خمیر آغشته می شود ، سپس ورق بسته بندی می شود] .16،9 [

2. تولید قطعه قالب گیری: پس از حدود سه الی پنج روز محصول آماده عملیات قالب گیری است . لایه های SMC برش خورده، درون قالب گرم فولادی قرار می گیرند و پرس طی دو مرحله بسته شده و دو مرحله فشار اعمال می شود.

3. عملیات تکمیلی: در پایان عملیات پخت، قطعه درون قالب محصول تولید می شود.

تجهیزات مورد نیاز عبارتند از:

1. پرس هیدرولیک با قابلیت Close speed در دو مرحله؛ مرحله اول 100- 250 میلیمتر بر ثانیه و مرحله دوم20-5/2 میلیمتر بر ثانیه) قابلیت اعمال فشار در دو مرحله(

2. قالب از جنس فولاد با قابلیت گرم شدن به وسیله الکتریسیته یا روغن] 16،9 [

مزایای این روش:

تولید در حجم زیاد، امکان ساخت قطعات ساده و پیچیده، تولید قطعه با کیفیت سطحی A ، هزینه بسیار کم نیروی انسانی به ازای واحد محصول ، قیمت پایین محصول تمام شده و مشخصات مکانیکی یکنواخت با تلرانس 6 درصد بوده و معایب آن ، نیاز به سرمایه گذاری زیاد ، عملیات پیچیده تر بازیافت نسبت به گرمانرم ها است . روش SMC به طور گسترده ای در صنایع الکتریکی به کار می رود. میزان مصرف اروپا در سال 1999 معادل 82 هزار تن تابلوهای برق، قطعات الکتریکی، محفظه چراغ بزرگراه و اتوبان بوده است. علت استفاده از SMC در صنایع الکتریکی، نارسانایی الکتریکی، پایداری در حرارت بالا، عدم نیاز به رنگ آمیزی، مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی، مقاومت مکانیکی زیاد ، مقاومت شیمیایی، پایداری ابعادی، قابلیت بازیافت و آزادی عمل در طراحی است.

این روش در صنعت حمل و نقل نیز کاربردهای فراوانی دارد. میزان مصرف آن در اروپا در سال 1999 معادل 67 هزار تن شامل بدنه خودرو، قطعات با استحکام زیاد، بدنه قطارهای سریع السیر، قطعات کامیون و اتوبوس بوده است. علت استفاده از SMC در صنایع حمل و نقل وزن کم محصول ، پایداری ابعادی ، آزادی عمل در طراحی، توانایی تولید قطعه با کیفیت سطحیA ، هزینه کم سرمایه گذاری نسبت به تولید قطعه فلزی، سرعت عمل در مونتاژ، مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی و تولید قطعه با ضخامت های متغیر است. روش SMC در صنعت ساختمان نیز به کار گرفته شده است. به طوری که میزان مصرف آن در اروپا در سال 1999 معادل 41 هزارتن شامل ساخت پانل های ساختمانی ، حمام اماده ، صندلی ، میز و سایر موارد بوده است] . 16،9 [

2. روش تولید :(Bulk Moulding Compound) BMC ترکیبی از خانواده گرما سخت های تقویت شده با الیاف شیشه است که طول الیاف در آن 6 میلی متر 12- 4 میلی متر و میزان الیاف در خمیر بین ده تا حداکثر بیست درصد است] .16،9 [

فرآیند تولید قطعه BMC شامل سه مرحله است:

1. تهیه خمیر :BMCتهیه خمیر BMC بدین شکل است که ابتدا مواد اولیه مطابق فرمولاسیون درون مخلوط کن با دور بالا مخلوط و پس از این که خمیر به دست آمده به گرانروی مناسب رسید به مخلوط کن دیگری از نوع دو باز و با تیغه Z پمپ می شود. سپس به آن غلیظ کننده Thickener و الیاف شیشه به طول 6-4 میلی متر اضافه و مخلوط می شوند. خمیر حاصل درون فیلم پلی اتیلنی بسته بندی می شود.

2. تولید قطعه قالب گیر: پس از حدود سه الی پنج روز، محصول آماده عملیات قالب گیری است. تکه های BMC آماده درون قالب گرم فولادی قرار می گیرند و پرس طی دو مرحله بسته می شود (در این دو مرحله فشار اعمال می شود(.

3. عملیات تکمیلی: در نهایت ضمن عملیات پخت، قطعه تولید می شود] .16،9 [

تجهیزات مورد نیاز عبارتند از:

1. پرس هیدرولیک با قابلیت Close speed در دو مرحله؛ مرحله اول 250-100 میلی متر بر ثانیه و مرحله دوم 20-5/2میلی متر بر ثانیه )قابلیت اعمال فشار در دو مرحله (

2. قالب از جنس فولاد با قابلیت گرم شدن بوسیله الکتریسیته یا روغن

مزایای این روش عبارتند از: تولید در حجم زیاد ، امکان ساخت قطعات ساده و پیچیده، تولید قطعه با کیفیت سطحی A ، هزینه بسیار کم نیروی انسانی به ازای واحد محصول و بهای کم محصول تمام شده و معایب آن شامل؛ نیاز به سرمایه گذاری زیاد در عملیات پیچیده بازیافت نسبت به گرما نرم ها است] .16،9 [

3. روش تولید :(Glass Mat reinforcedThermoplastic) GMTترکیبی از خانواده گرمانرم های معمولا ً پلی پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه اند که در آن الیاف شیشه به صورت مت یا تک جهته استفاده می شود. فرآیند تولید قطعه GMT شامل چهار مرحله است:

1. تهیه الیاف مت مخصوص GMT

2. تهیه ورق GMT

3. تولید قطعه قالب گیری

4. عملیات تکمیلی] 16،9 [

در این روش یک blank GMT گرمانرم PP درون کوره قرار داده شده و جهت آماده سازی عملیات قالب گیری گرم می شود. سپس با قرار دادن آن درون قالب و بسته شدن پرس طی دو مرحله و اعمال فشار در یک مرحله، قطعه تولید می شود. البته از منظر دیگرمی توان اين روش را چنین توضیح داد که مواد ترموپلاستيک (گرما نرم) با پارچه اي از فايبر گلاس مسلح شده و تحت فشار شکل مي گيرند. ] 16،9 [

تجهیزات مورد نیاز عبارتند از:

1. پرس هیدرولیک با قابلیت Close speed در دو مرحله؛ مرحله اول 500- 200 میلی متر، مرحله دوم 20-10 میلی متر بر ثانیه) قابلیت اعمال فشار دریک مرحله (

2. قالب از جنس فولاد یا آلومینیوم با قابلیت تثبیت درجه حرارت و کوره از نوع هوای گرم یا مادون قرمز

مزایای روشGMT عبارتند از: تولید در حجم زیاد، امکان ساخت قطعات ساده و پیچیده، هزینه بسیار کم نیروی انسانی به ازای محصول، قابلیت بازیافت، تنوع در محصولات ، قیمت متوسط محصول و امکان استفاده از ربات جهت اتوماسیون کامل تولید و معایب آن شامل نیاز به سرمایه گذاری زیاد، عدم توانایی تولید محصول با کیفیت سطحیA و قابلیت اشتغال است] .16،9 [

.4روش تولید:LFT روش های مختلفی وجود دارد که اساس همگی آنها ترکیب زمینه پلی پروپیلن یا انواع دیگر گرمانرم ها با الیاف شیشه بلند درون اکسترو در طی دو مرحله و سپس آماده سازی آن و قرار دادن ورق آماده درون پرس، بسته شدن پرس طی دو مرجله . اعمال فشار در یک مرحله است.

تجهیزات مورد نیاز عبارتند از: اکسترودر، پرس هیدرولیک و قالب از جنس فولاد یا آلومینیوم با قابلیت تثبیت درجه حرارت.

مزایای روش LFT عبارتند از: تولید در حجم زیاد، امکان ساخت قطعات ساده و پیچیده، هزینه بسیار کم نیروی انسانی به ازای محصول، قابلیت بازیافت، تنوع در محصولات، قیمت کم محصول، امکان استفاده از ربات جهت اتوماسیون کامل تولید و معایب آن شامل نیاز به سرمایه گذاری زیاد، عدم توانایی تولید محصول با کیفیت سطحی Aو قابلیت اشتعال است. ] 16،9 [

5. روش تولید RTM: در اين روش، يک قالب رزيني (قالبی بسته که معمولا ً قالب کامپوزیتی است) داريم که پارچه اي از فايبرگلاس در آن قرار مي گيرد. اين روش از دقت و صافي سطح بيشتري نسبت به روش دستي برخوردار است ولي چون فشار، بالا نيست به هم پيوستگي کمتري نسبت به روش SMC دارد. RTM نسبت به روش دستي به سرمايه گذاري بيشتري نياز دارد. ] 21،16،9 [

تجهیزات مورد نیاز این روش عبارتند از: قالب بسته (که معمولا ً از جنس کامپوزیت است)، دستگاه تزریق رزین، دستگاه خلأ، بالابر و لوازم مناسب برش

مزایای روش :RTM

1. ساخت قطعات با ابعاد بزرگ

2. امکان ساخت قطعات با عمق بسیار زیاد و شیب دیواره کم

3. قابلیت تولید قطعه با کیفیت سطحی A

4. مشخصات مکانیکی مناسب

5. امکان استقرار دقیق الیاف در مکان های مورد نظر

6. امکان تولید قطعات یک تکه

7. امکان قرار دادن قطعات فلزی درون قالب

8. آلودگی محیطی کمتر

9. استفاده از حداقل حلال

10. اتوماتیک کردن سیستم

11. یکنواختی تولید

12. صرفه جویی و استفاده بهتر از نیروی کار

13. کاهش زمان چرخه قالبگیری و سرعت تولید بالا

14. اقتصادی بودن فرایند

15. عدم دور ریخت مواد

معایب روش :RTM

1. عدم قابلیت تولید قطعات پیچیده

2. قیمت تمام شده متوسط جهت محصول

3. عملیات پیچیده تر بازیافت نسبت به گرمانرم ها] 21،16،9 [

روش هاي SMC و GMT بيشتر در ساخت قطعات در صنعت خودرو کاربرد دارند. امروزه تمام بدنه خودرو از روش SMC توليد مي شود. به طور مثال مي توان به خودرو رنو مدل spas اشاره کرد که تمام بدنه آن کامپوزيتي است. سپرها، سيني زير موتور، قطعات زير خودرو (Under body cover)، سقف خودور، قاب چراغ ها، سيني جا چراغي، جاي فن و غيره از جمله قطعاتي هستند که معمولا از کامپوزيت های SMC ساخته مي شوند.[16]

ویژگی های لازم برای یک روش (فرآیند) کارآمد و ارزان :

1. امکان تولید قطعات بزرگ و پیچیده با سرعت مناسب

2. کاهش مراحل مونتاژی

3. ساختار سه بعدی با خواص ناهمسانی

4. قابلیت تولید مجدد با خواص یکسان[21]

[Bahram Sh مهمان]

موارد کاربرد کامپوزیت های پلیمری

كامپوزيت‌هاي پايه پليمري بيش از 90% كاربرد كامپوزيت‌ها را به خود اختصاص داده‌اند و از بقيه مهمتر هستند. سابقه استفاده از كامپوزيت‌هاي پيشرفته، به دهه‌ 1940 بازمي‌گردد. در آن زمان ارتش‌هاي آمريكا و شوروي سابق در رقابتي تنگاتنگ با يكديگر، موفق به ساخت كامپوزيت پايه پليمري الياف بور(رزين اپوكسي) براي استفاده در صنعت هوا فضا شدند. 20 تا 30 سال پس از آن، كامپوزيت‌هاي پايه پليمري به طور گسترده‌اي به سوي صنايع شهري از جمله ساختمان و حمل و نقل روي آوردند. نیاز اقتصادی و تقاضا برای سوخت بیشتر در عرصه های مختلف، تقاضا برای استفاده از مواد جدید سبک وزن مانند پلیمرها را افزایش داده است. ]1،6 [

صنعت ساختمان پرمصرف‌ترين صنعت براي مواد کامپوزيتي است. استخرهاي شنا ، وان حمام ، سينک ظرفشويي و دست‌شويي ، کف‌پوش ، نماپوش ، سقف‌پوش ، برج‌هاي خنک‌کننده و … همگي کامپوزيت‌هاي پايه پليمري هستند. [11]

کامپوزیت های لیفی: باید اشاره کرد که کامپوزیت های لیفی ذره ای به طور گسترده در صنایع نظامی، خودروسازی، صنایع هوایی، دریایی و راه آهن مورد استفاده قرار می گیرند.[21]

مهم ترين كاربردهاي کامپوزیت هایی با فیبر شیشه ای )پلی استر (GPR به قرار زير است :

1. ساختمان هايي كه تحت اثر خوردگي شديد هستند.

2. سازه هاي پيشرفته رادارها

3. ساختمان هايي كه كنترل كيفيّت آنها مهم است .

4. ماهواره ها

5. آنتن هاي بزرگ[13]

کاربرد کامپوزیت های پلیمری در خودرو:اکثر قطعاتي که در خودرو کاربرد دارند فلزي هستند، اما فلزات محدوديت هايي دارند که راه را براي استفاده از قطعات کامپوزيت در صنعت خودرو باز کرده است. کامپوزيت هاي مورد استفاده در صنعت خودرو بيشتر از نوع کامپوزيت هاي زمينه پليمري هستند. اين کامپوزيت ها از مواد ترمو ست (گرما سخت) و ترمو پلاستيک (گرما نرم) تشکيل شده اند که توسط الياف شيشه تقويت مي شوند.[16]

در زير به بعضي از مزايا و صرفه جويي هاي ناشي از استفاده از مواد کامپوزيت در صنعت خودرو، اشاره شده است:

1. سبکي: اين قطعات به خاطر وزن مخصوص کم داراي وزن کمتري نسبت به قطعات فلزي هستند. وزن تا حدود نصف و حتي بيشتر کاهش پيدا مي کند. طبيعتاً اين کاهش وزن در کاهش مقدار سوخت و استفاده از موتورهايي با قدرت کمتر و کوچک تر موثر خواهد بود. اين مساله باعث صرفه جويي در مصرف سوخت و در نتيجه کاهش آلودگي مي گردد.

2. خواص مکانيکي بالا: به همان نسبت که وزن قطعات کم مي شود، مقاومت مکانيکي آنها در ابعاد مختلف افزايش مي يابد و به طور متوسط در تمام خواص مکانيکي خواص بهتري نسبت به فلزات از خود نشان مي دهند. اين مسئله باعث افزايش عمر قطعات خواهد شد.

3. مقاومت در برابر خوردگي: بر خلاف فلزات تأثير مواد نمکي و شيميايي و اکسيد شدن در قطعات کامپوزيتي کم است يا اصلاً وجود ندارد که باعث صرفه جويي در هزينه هاي نگهداري و افزايش عمر قطعات مي شود و استفاده از قطعات در محيط هاي مرطوب را براي مدت طولاني فراهم مي نمايد.

4. سرمايه گذاري کم: بر خلاف قطعات فلزي براي توليد قطعات با استفاده از کامپوزيت ها سرمايه گذاري کمتري لازم است. به طور مثال اگر براي توليد يک قطعه از فلز چند قالب لازم باشد، براي توليد همان قطعه با کامپوزيت، از يک يا دو قالب بيشتر استفاده نمي شود.

5. سهولت توليد:اين قطعات را مي توان با ماشين آلات کمتر و با سهولت بيشتري نسبت به فلزات و با تعداد بيشتري توليد کرد.[16]

مزایای و معایب کامپوزیت های پلیمری

مزاياي استفاده از پروفيل هاي کامپوزيتي FRP در صنعت ساختمان: با توجه به کاربرد روز افزون اشکال مختلف FRP در تقويت سازه هاي بتن آرمه , حتي کاربرد آنها در تقويت سازه هاي فولادي لزوم آشنايي با برخي از مفاهيم پايه در اين مقوله ضروري به نظر مي رسد. [11]

دليل عمده استفاده از پروفيل هاي FRP در داخل بتن، جلوگيري از پديده خوردگي و افزايش عمر سازه در برابر ارتعاش مي باشد. هرچند که استفاده از پروفيل هاي FRP به جاي نمونه هاي فلزي سبب کاهش وزن بنا نيز خواهد شد، اما در استفاده از اين پروفيلها، مساله کاهش وزن اهميت ناچيزي نسبت به دو مورد بيان شده دارد. دليل بالا بودن عمر کامپوزيت ها، خواص غير کشسان آنهاست. در حالي که مواد فلزي حالت کشسان داشته و انرژي جذب شده را ميرا مي نمايند. بنابراين مواد کامپوزيتي در برابر ارتعاشات زلزله عملکرد بهتري خواهند داشت و بهترين گزينه جهت مقاومت سازه در برابر لرزه خواهند بود. [11]

بکارگيري پروفيل هاي FRP به جاي فلزي، بطور قابل ملاحظه اي از زيانهاي ناشي از بروز خوردگي جلوگيري مي کند. ظهور تخريب ناشي از پديده خوردگي در بتن مسلح شده با پروفيل فلزي بدين گونه است که نخست ميله هاي فلزي داخل بتن دچار زنگ زدگي شده و اکسيد مي شوند. سپس اين اکسيدها به سمت سطح بيروني بتن شروع به مهاجرت کرده و با انتشار در داخل بتن باعث از بين رفتن آن مي شوند. بدين ترتيب با خورده شدن دو جزء فلزي و بتن سازه، زمينه تخريب کامل سازه بتني فراهم مي گردد. روشهاي سنتي گذشته مانند چسباندن صفحات فلزي بر روي سازه يا اضافه کردن ضخامت بتن جهت مقابله با پديده خوردگي ضمن آنکه مشکل خوردگي فلز را مرتفع نخواهد نمود، سبب افزايش وزن سازه و آسيب پذيرتر شدن آن در برابر زلزله نيز خواهد شد. جهت جلوگيري از اين امر مي توان با تقويت سطح خارجي سازه بتني توسط مواد مرکب و استفاده از پروفيل هاي FRP در داخل بتن، هم مشکل خوردگي فلز داخل سازه را حل نمود و هم جلوي مختل شدن کارايي سازه در صورت خورده شدن بتن را گرفت که اين بهترين روش مقابله با پديده خوردگي در يک سازه بتني مي باشد. [11]

کشور ما نياز بسيار گسترده اي به استفاده از کامپوزيت ها در قالب پروفيلهاي کامپوزيتي دارد. هم اکنون بسياري از سازه هاي بنا شده در محيط هاي خورنده مناطق مختلف کشور همچون پل هاي درياچه اروميه و يا ساختمان هاي جنوب کشور دچار معضل خوردگي هستند که استفاده از کامپوزيت ها مي تواند پاسخگوي مشکل اين قبيل سازه ها باشد. [11]

در کشور ما به دليل کمی شناخت اين تکنولوژي، تقريباً حرکت قابل توجهي به سمت بهره­گيري و انتقال آن صورت نپذيرفته است. در گوشه­ و کنار تلاش­هايي از سوي بعضي از کارخانجات و صنايع علاقه­مند جهت ساخت دستگاه پالتروژن انجام گرفته است، اما هنوز تا رسيدن به يک محصول قابل قبول از نظر خواص مناسب و ساختار مکانيکي همگن فاصله زيادي وجود دارد. اين دستگاه ساختار بسيار پيچيده­اي ندارد و مي­توان در صورت نياز از طريق ارتباط با کشورهاي خارجي اقدام به انتقال تکنولوژي آن به کشور نمود. نوع غربي آن حدود 350 تا 400 هزار دلار قيمت دارد و نوع روسي و چيني آن با قيمت ارزان­تر، تقريباً با نصف اين هزينه قابل تهيه مي باشند. عدم توجه به اين تکنولوژي مي­تواند موجب عقب­افتادگي صنايع کشور در بهره­گيري از عرصة گستردة کامپوزيت­ها گردد. [11]

تکنيک مقاوم سازي ستون هاي مسلح بتني با استفاده از کامپوزيت هاي FRP به طور گسترده اي به جاي پوشش نمودن به وسيله فولاد مورد کاربرد قرار گرفته است.در مقايسه با استفاده از تنگ ها و مارپيچ فولادي، تکنيک محصور سازي با استفاده از FRP قابليت اين را دارد که محصور شدگي را به صورت پيوسته براي تمام مقطع عرضي ستون تامين کنند.همچنين اين موارد داراي خواص ذاتي مطلوبي (نسبت زياد مقاومت به وزن و مقاومت بالا در برابر خوردگي و خنثي بودن الکترو مغناطيسي)هستند. به گونه اي که مي توان در مقاوم سازي يا بازسازي اعضاي بتني به طور موفقيت اميزي از آنها بهره گرفت. رفتار FRP را نمي توان مانند پوشش فولاد (خاموت)در نظر گرفت. زيرا يک ماده الاستوپلاستيک است در حالي که الياف FRP کاملا الاستيک مي باشد.[11]

مزایای کامپوزيت هاي FRP به عنوان يک جايگزين خوب آرماتور هاي فولادي در بتن: بر طبق گزارش اداره فدرال بزرگراه هاي آمريکا هنگام بررسي پلها از نظر سازه اي به دليل پوشش کم بتن ، طراحي ضيعف ، عدم مهارت کافي هنگام اجرا و ساير عوامل همانند شرايط آب و هوايي سبب ايجاد ترک در بتن و خوردگي آرماتور هاي فولادي شده است. پس از سالها مطالعه بر روي خوردگي ، FRP به عنوان يک جايگزين خوب آرماتور هاي فولادي در بتن پيشنهاد شده اند. سه نوع ميلگرد (AFRP) , (CFRP) , (GFRP) از انواع تجاري آن هستند که در صنعت ساختمان کاربرد دارند.از اين مواد به جاي آرماتور هاي فولادي يا کابلهاي پيش تنيده در سازه هاي بتني پيش تنيده و يا غير پيش تنيده استفاده مي شود. مواد FRP موادي غير فلزي و مقاوم در برابر خوردگي است که در کنار خواص مهم ديگري همانند مقاومت کششي زياد آنها را براي استفاده بعنوان آرماتور مناسب مي کند.

از آنجايي که FRP ها مصالحي ناهمسانگرد هستند نوع و مقدار فيبرورزين مورد استفاده ، سازگاري فيبر و کنترل کيفيت لازم هنگام ساخت آن نقش اصلي را در بهبود خواص مکانيکي آن دارد.[11]

 

به طور کلي مزاياي کامپوزیت های FRP نسبت به آرموتو های فولادی به صورت زير دسته بندي مي شود:

 

1. مقاومت کششي بيشتر از فولاد

 

2. يک چهارم وزن آرماتور فولادي

 

3. عدم تاثير در ميدانهاي مغناطيسي و فرکانس هاي راديويي

 

4. عدم هدايت الکتريکي و حرارتي

 

لذا به دليل مزاياي بالا به عنوان يک جايگزين مناسب براي آرماتورهاي فولادي در سازه هاي دريايي ، سازه پارکينگ ها ، عرشه هاي پل ها، ساخت بزرگراه هايي که بطور زيادي تحت تاثير عوامل محيطي هستند و در نهايت سازه هايي که در برابر خوردگي و ميدانهاي مغناطيسي حساسيت زيادي دارند پيشنهاد مي کند.[11]

 

فایبر گلاس (الیاف شیشه): فایبر گلاس از پرکاربرد ترین کامپوزیت های موجود در جهان می باشد که در این قسمت به صورت کوتاه و مختصر مزایا و معایب آن را بیان می کنیم.[21]

 

مزایا:

 

1. قیمت نسبتا پائین

 

2. استحکام کششی بالا

 

3. مقاومت شیمیایی بالا

 

4. خواص عایقی حرارتی و الکتریکی بالا

 

معایب :

1. شکنندگی پایین

2. مقاومت خستگی نسبتا پایین

3. مدول نسبتا پایین در مقایسه با دیگر الیاف

4. مقاومت کم سایشی[21]

مزایای کامپوزیت پلی پروپیلن- پودر چوب :

1ـ کاهش قیمت محصول از طریق مخلوط کردن یک ماده با قیمت کم(چوب)و یک ماده پلیمری نسبتاً گرانتر.

2ـ تهیه محصولاتی که از بازیافت مواد زاید بدست آید.

3ـ تولید کامپوزیتی که دارای خواص جدیدی مانند سبک بودن، برتری خواص سایشی و غیره است.[22]

[Bahram Sh مهمان]

پرسش "نانو كامپوزیت چیست؟" در حال حاضر همانند پرسش كامپوزیت چیست؟ در دهه 1950 است. نانو كامپوزیت ها راهی نوین برای دستیابی به ویژگی های فوق العاده ارایه می كنند. این مواد توان بالقوه ای برای تغییر همه چیز دارند. نانو كامپوزیت ها دسته ای بزرگ از رزین های پر شده هستند. نخستین چیزی كه آن ها را از رزین های پر شده معمولی متمایز می كند اندازه ذرات پركننده است. اندازه این ذرات در مقیاس نانومتر است. هم چنین به عنوان یک تعریف نیز می توان گفت ، نانو کامپوزیت ها، مواد مرکبی هستند که لااقل یکی از اجزاء تشکیل دهنده آنها دارای ابعادی در محدوده نانومتری، در محدوده nm ۱۰۰- ۱/۰ باشد؛ اما یکسری پودرهای نانوکامپوزیت نیز داریم که این پودرها شامل ذرات با ابعادی مختلف در محدوده نانومتری هستند. ]4،25 [

 

انواع نانو کامپوزیت ها

نانوکامپوزيت، همان کامپوزيت در مقياس نانومتر (9-10) است. بسته به اينکه زمينة نانوکامپوزيت از چه ماده‌اي تشکيل شده باشد، آن را به سه دستة پُليمري، فلزي و سراميکي تقسيم مي‌کنند [4] .

نانو کامپوزیت ها به دو صورت ممکن است وجود داشته باشند. درحالت اول، زمینه ماده ای است با دمای ذوب پایین همانند پلیمر، سرامیک یا فلزی زود ذوب که با فاز دومی از جنس مواد با دمای ذوب بالا همانند سرامیک ها یا فلزات تقویت می شود. درحالت دوم، زمینه ماده ای سرامیکی یا فلزی با دمای ذوب بالا و فاز دوم ماده ای پلیمری، سرامیکی یا فلزی است. به این ترتیب انواع نانو کامپوزیتها براساس زمینه عبارتند از : 24]،28[

1. نانو کامپوزیت های پلیمری Polymer matrix nano composites (PMNCs)

2. نانو کامپوزیت های سرامیکی Ceramic matrix nano composites

3. نانو کامپوزیت های سرامیک - فلز Metal matrix nano composites (MMNCs)

4. نانو کامپوزیت های زمینه فلزی Intermetallic matrix nano composites (IMNCs)

نانو کامپوزیت ها از نظر نوع مواد تشکیل دهنده به سه گروه تقسیم می شوند:

1. مواد نانو کامپوزیت سرامیک- فلز: این نوع مواد نانو کامپوزیت، عمدتا دارای جریی سرامیکی با دمای ذوب بالا و جزیی فلزی با دمای ذوب نسبتا پایین هستند و در ساخت قطعات عملیاتی کاربرد دارند.

2. مواد نانو کامپوزیت پلیمر- سرامیک (یا فلز): این نوع مواد نانو کامپوزیت که دارای فاز زمینه آلی (پلیمری) و فاز دوم نانومتری غیر آلی (سرامیکی یا فلزی) هستند بیشتر تحت عنوان مواد نانو کامپوزیت هیبریدی آلی- غیر آلی شناخته می شوند.

3. مواد نانوکامپوزیت سرامیک- سرامیک: مـــواد نانوکامپـــوزیت ســرامیک- سرامیک که دمای ذوب یک جزء بالاتر از جزء دیگر است، عمدتا دارای چگالی بالا و میزان تخلخل پایین هستند.[29]

نانوکامپوزيت هاي نانو ذره‌اي: در اين کامپوزيت‌ها از نانوذراتي همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقويت‌کننده استفاده مي‌شود. براي مثال، در نانوکامپوزيت‌هاي پليمري، از مقادير کمّيِ (کمتر از 10درصدِ وزني) ذرات نانومتري استفاده مي‌شود. اين ذرات علاوه بر افزايش استحکام پليمرها، وزن آنها را نيز کاهش مي‌دهند. مهمترين کامپوزيت‌هاي نانوذره‌اي، سبک‌ترين آنها هستند. [24]

نانوکامپوزيت‌هاي نانو ‌لوله‌اي: نانولوله‌هاي کربني در دو گروه طبقه‌بندي مي‌شوند: نانولوله‌هاي تک‌ديواره و نانولوله‌هاي چندديواره. در اين نوع از کامپوزيت‌ها، اين دو گروه از نانولوله‌ها در بستري کامپوزيتي توزيع مي‌شوند. در صورتي که قيمت نانوله‌ها پايين بيايد و موانع اختلاط آنها رفع شود، کامپوزيت‌هاي نانولوله‌اي موجب رسانايي و استحکام فوق‌العاده‌اي در پليمرها مي‌شوند و کاربردهاي حيرت‌انگيزي همچون آسانسور فضايي براي آن قابل تصور است. [24]

تحقيقات در زمينة توزيع نانولوله‌هاي کربني در پليمرها بسيار جديد هستند. علاقه به نانولوله‌هاي تک‌ديواره‌ و تلاش براي جايگزين کردن آنها در صنعت، به علت خصوصيات عاليِ مکانيکي و رسانايي الکتريکي آنها است. (رسانندگي الکتريکي اين نانولوله¬ها در حد فلزات است.( [24]

اما در دسترس بودن و تجاري بودن نانولوله‌هاي چندديواره، باعث شده است که پيشرفت‌ بيشتري در اين زمينه صورت بگيرد. تا حدي که اکنون مي‌توان از محصولاتي نام برد که در آستانة تجاري شدنِ توليد هستند. براي نمونه، نانولوله‌هاي کربنيِ چندديواره در پودرهاي رنگ به کار رفته‌اند [24] .

استفاده از اين نانولوله‌ها باعث مي‌شود که رسانايي الکتريکي در مقدار کمي از فاز تقويت‌کننده به دست آيد. از نظر نظامي نيز فراهم کردن هدايت الکتريکي فرصت‌هاي انقلابي به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از پوسته‌هاي الکتريکي ـ مغناطيسي گرفته تا کامپوزيت‌هاي رساناي گرما و لباس‌هاي سربازان آينده‌! [24]

نانوکامپوزيتِ خاک رُس ـ پليمر: نانوکامپوزيت خاک رُس ـ پليمر يک مثال موردي از محصولات نانوتکنولوژي است. در اين نوع ماده، از خاک رُس به عنوان پُرکننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده مي‌شود. خاک رُس‌هاي نوع اسمکتيت{، ساختار لايه‌لايه دارند و هر لايه تقريباً يک نانومتر ضخامت دارد. صدها يا هزاران عدد از اين لايه‌ها به وسيلة يک نيروي واندروالسيِ ضعيف روي هم انباشته مي‌شوند تا يک جزء رُسي را تشکيل دهند. با يک پيکربندي مناسب، اين امکان وجود دارد که رُس‌ها را به اَشکال و ساختارهاي گوناگون، درون يک پليمر به شکل سازمان‌يافته قرار دهيم.

معلوم شده است که بسياري از خواص مهندسي، هنگامي که در ترکيب ما از ميزان کمي ــ معمولا ً چيزي کمتر از 5 درصد وزني ــ پُرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مي‌يابد.

امتياز ديگر نانوکامپوزيت‌هاي خاک رُس ـ پليمر اين است که تأثير قابل توجهي بر خواص اُپتيکي (نوري) پليمر ندارند. ضخامت يک لاية رُس منفرد، بسيار کمتر از طول موج نور مرئي است. بنابراين، نانوکامپوزيتي که خوب ورقه شده باشد، از نظر اُپتيکي شفاف است. از طرفي، با توجه به اينکه امروزه حجم وسيعي از کالاهاي مصرفي جامعه را پليمرهايي تشکيل مي‌دهند که به‌راحتي مي‌سوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه مي‌آفرينند، لزوم تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس مي‌شود. نتايج تحقيقات حاکي از آن است که ميزان آتش‌گيري در اين نانوکامپوزيت‌هاي پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص کمتر است. در عين حال، اغلب خواص کاربردي پليمر نيز تقويت مي‌شوند. [24]

اولين کاربرد تجاري نانوکامپوزيت‌هاي خاک رُس ـ نايلون 6، به عنوان روکش نوار زمان‌سنج براي ماشين‌هاي تويوتا، در سال 1991 بود. در حال حاضر نيز از اين نانوکامپوزيت در صنعت لاستيک استفاده مي‌شود. با افزودن ذرات نانومتريِ خاک رُس به لاستيک، خواص آن به طور قابل ملاحظه‌اي بهبود پيدا مي‌کند که از جمله مي‌توان در آنها به موارد زير اشاره کرد:

1. افزايش مقاومت لاستيک در برابر سايش

2. افزايش استحکام مکانيکي

3. افزايش مقاومت گرمايي

4. کاهش قابليت اشتعال

5. کاهش وزن لاستيک [24]

نانوکامپوزيت الماس ـ نانولوله: محققان توانسته‌اند سخت‌ترين مادة شناخته‌شده در جهان (الماس) را با نانولوله‌هاي کربني ترکيب کنند و کامپوزيتي با خصوصيات جديد به دست آورند. اگرچه الماس سختيِ زيادي دارد، ولي به طور عادي هادي جريان الکتريسيته نيست. از طرفي، نانولوله‌هاي کربن به شکلي باورنکردني سخت و نيز رساناي جريان الکتريسيته‌اند. با يکپارچه کردن اين دو فُرمِ کربن با يکديگر در مقياس نانومتر، کامپوزيتي با خصوصيات ويژه به دست خواهد آمد.

اين کامپوزيت مي‌تواند در نمايشگرهاي مسطح کاربرد داشته باشد. الماس مي‌تواند نانولوله‌هاي کربني را در مقابلِ ازهم‌گسيختگي حفظ کند. در حالي که به طور طبيعي، وقتي نمايشگر را فقط از نانولوله‌هاي کربني بسازند، ممکن است از هم گسيخته شوند. [24]

اين کامپوزيت همچنين در رديابي‌هاي زيستي کاربرد دارد. نانولوله‌ها به مولکول‌هاي زيستي مي‌چسبند و به عنوان حسگر عمل مي‌کنند. الماس نيز به عنوان يک الکترود فوق‌العاده حساس رفتار مي‌کند. [24]

اجزای نانو کامپوزیت ها

نانوکامپوزيت‌ها در دو فاز تشکيل مي‌شوند. در فاز اول ساختاري بلوري در ابعاد نانو ساخته مي‌شود که زمينه يا ماتريس کامپوزيت به شمار مي‌رود. اين زمينه ممکن است از جنس پليمر، فلز يا سراميک باشد. در فاز دوم ذراتي در مقياس نانو) ترکیبات برید، نیترید، کاربید، اکسید و هیدرید با ذراتی در مقیاس نانو( به عنوان تقويت‌کننده براي استحکام، مقاومت، هدايت الکتريکي و... به فاز اول يا ماتريس افزوده مي‌شود] .24،25 [

فاز اول نانو کامپوزیت ها:

رزین ها:تاكنون بیشتر كارهای انجام شده در حیطه نانوكامپوزیت ها، بر روی رزین های گرمانرم بوده است. ولی مشاهده می شود كه بسیاری از بهبود ویژگی ها، منجر به تغییر ویژگی های رزین های گرمانرم به سمت رزین های گرماسخت شده است. به علاوه این نانو كامپوزیت ها ویژگی های رزین های گرمانرم را به حدی بهبود داده اند كه بعضی از آنها در حوزه هایی وارد شده اند كه پیش از این فقط رزین های گرماسخت متداول بودند.[4]

فاز دوم نانو کامپوزیت ها: فاز تقویت کننده که در نانوکامپوزیت ها استفاده می شود شامل نانوذرات، نانوصفحات ، نانوالیاف و همچنین نانولوله ها می باشد. نانوذرات بیشترین کاربرد را به عنوان ماده تقویت کننده در نانوکامپوزیت ها دارند. نانوذره ای که در تهیه اغلب نانوکامپوزیت ها استفاده می شود خاک رس (Nanoclay) است. اما اخیرا ً نانوذرات دیگری همچون سیلیکا، نانوذرات فلزی و ذرات آلی و غیرآلی نیز مورد استفاده قرار می گیرد. [6]

نانو پركننده ها: یكی از پر مصرف ترین نانو پركننده های امروزی رس ها هستند؛ اگر چه گاهی نانو لوله های كربنی، فلزهای بلورین و بعضی نانو پركننده های دیگر نیز به كار گرفته می شوند. این پر كننده ها با یكی از رزین های پلیمری گرماسخت یا گرمانرم تركیب می شوند. كامپوزیت های به دست آمده عموماً دارای استحكام كششی و مدول بالاتر، دمای اعوجاج حرارتی بیشتر و دیگر ویژگی های مطلوب هستند.

در آغاز، بهبود ویژگی ها منجر به توسعه سریع این فن آوری شد. با این وجود نانو پركننده ها در حال حاضر بازار چندان گسترده ای ندارند ولی ممكن است در آینده ای نزدیك جهشی بزرگ داشته باشند. در بیشتر كاربردهای نانو كامپوزیتی، نانو رس ها به كار می روند و نانو لوله های كربنی و فلزات نانو بلورین تنها در كاربردهای بسیار ویژه به كار گرفته می شوند. رس ها فراوان و ارزان هستند. در بسیاری از محصولات به عنوان پر كننده به كار می روند و بهای تمام شده فراورده را كاهش می دهند. ولی نانو رس ها به روشی متفاوت عمل كرده و می توانند ویژگی های مطلوب رزین ها و محصولات كامپوزیتی را چند برابر كنند. این بهبود ویژگی ها در پوسته آبالون شگفت انگیز است. [4]

خواص و ویژگی های نانوکامپوزیت

مهمترين تأثير نانوکامپوزيت‌ها در آينده کاهش وزن محصولات خواهد بود. ابتدا کامپوزيت‌هاي سبک ‌وزن و بعد تجهيزات الکترونيکي کوچکتر و سبکتر در ماهواره‌هاي فضايي. [27]

سازمان فضايي آمريکا (ناسا) در حمايت از فناوري نانو بسيار فعال است. بزرگترين تأثير فناوري نانو در فضاپيماها، هواپيماهاي تجاري و حتي فناوري موشک، کاهش وزن مواد ساختمانيِ سازه‌هاي بزرگ دروني و بيروني، جدارة سيستم‌هاي دروني، اجزاي موتور راکت‌ها يا صفحات خورشيدي خواهد بود. [27]

خواصی که بر اثر وجود نانو مواد درکامپوزیتها بهبود می یابند عبارتند از: خواص فیزیکی مثل دمای واپیچش گرمایی، پایداری حرارتی، شفافیت، و خواص مکانیکی مثل خواص کششی، خواص خمشی و [29] …

خواص نانو کامپوزیت های سرامیکی:

1. مقاومت حرارتی بالا

2. پایداری شیمیایی خوب

3. استحکام مکانیکی منا

معایب: به دلیل وجود پیوندهای یونی و کووالانسی چقرمگی شکست آنها پایین است .

:Wc/Mgo در این نانو کامپوزیت ذرات Mgoدر زمینه wc جاسازی شده اند .

:Si3N4/Sic خواص چقرمگی و استحکام بالا مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون

:Al2o3/Ni سختی و استحکام دیرگدازی مناسب , ولی تردی زیاد[27]

خواص کامپوزیتهای زمینه فلزی: کامپوزيت‌هايي که بستر فلزي دارند، کم‌وزن و سبک‌اند و به علت استحکام و سختيِ بالا، کاربردهاي وسيعي در صنايع خودرو و هوا ـ فضا پيدا کرده‌اند. اما اين کاربردها به لحاظ ضعف در قابليت کشيده شدن در چنين کامپوزيت‌هايي، محدود شده‌اند. تبديل کامپوزيت به نانوکامپوزيت سبب افزايش بازده استحکامي و رفع ضعفِ بالا مي‌شود. ]27،24 [

:Mg/Sic نانو کامپوزیتهای زمینه منیزیم کاربردهای فراوانی دارد . بعضی از خواص این نوع از کامپوزیت های عبارتند از:

1. چگالی کم

2. استحکام بالا

3. مقاومت به خزش بالا

4. پایداری حرارتی مناسب[27]

Cu/Al2o3: روش تولید این نوع از کامپوزیت ها به این شکل است که ابتدا ذرات Al وCu توسط آسیاب گلوله ای آسیاب شده و پودرآلیاژی Cu-Al تولید می شود .هت استحکام بخشی به این ساختار پودر Cuo اضافه شده و مخلوط حاصل مجددا آسیاب می شود .ادامه آسیاب منجر به تشکیل محلول جامد Cu(Al) می شود .واکنش Cuo با این محلول و تولید ذرات Al2o3 با اندازه کمتر از 100 نانو درزمینه مسی.[27]

مهمترین خواص این نوع از کامپوزیت ها استحکام بالا و هدایت الکتریکی بالا می باشد و در ساخت الکترود ها و اتصالات الکتریکی کاربرد دارند.[27]

نانو کامپوزیتهای زمینه فلزی حاوی نانو لوله کربنی:

1. Al/MWCNT: استحکام کششی و درصد ازدیاد طول با آنیل در دمای 540 بسیار کم تغییر می کند . در مقابل برای Al خالص در این دما تغییرات عمده ای ایجاد می شود .

2. :Ti/MWCNT مدول یانگ و سختی ویکرز به ترتیب 1.7 و5.5 برابر تیتانیوم خالص .

3. :Ni-P/MWCNT به عنوان پوشش مقاوم استفاده می شود . ضریب شکست کمی دارند.

4. :Cu/MWCNT سختی بالا وضریب شکست پوشش آن بسیار کم است. [27]

کامپوزیت های NIAL: مهم ترین خواص این نوع از کامپوزیت ها؛ دمای ذوب بالا645 وچگالی پایین، مقاومت در برابراکسیداسیون و قابلیت کارپذیری بالا، هدایت حرارتی عالی و هدایت الکتریکی بالا است البته تنها عیب آن مقاومت خزشی پایین است.[27]

نفوذ گاز: همان عواملی كه رس ها را افزودنی های دیرسوز كننده خوبی معرفی می كنند. سد خوبی در برابر رطوبت نیز ایجاد می كنند. رس ها از مهاجرت گازهای فرار پلیمر به سطح جلوگیری می كند. بنابراین سوخت لازم برای ادامه اشتعال به سطح نمی رسد و پلیمر در برابر سوختن مقاومت می كند. البته پلاكت ها تقریباً در برابر نفوذ تمام گازها مقاومت می كنند. پس از بررسی های گوناگون، امروزه از نانو رس ها در فیلم های بسته بندی استفاده می شود.

بسسیاری از فرآورده های غذایی حساس هستند. عبور دی اكسید كربن و اكسیژن از كیسه ها و بطری های پلاستیكی می تواند مشكلاتی برای فرآورده هایی مانند شیر، آب پرتقال و بعضی دیگر از نوشیدنی ها ایجاد كند.تزریق همزمان مواد برای ساخت بطری های چند لایه متداول ترین راه غلبه بر بر این چالش است. برای تهیه فیلم های نایلونی مقاوم به نفوذ گازها، به طور موفقیت آمیزی از نانو كامپوزیت ها استفاده می شود. رزین های نایلونی پر شده، سازگاری خوبی با فن آوری تزریق همزمان PET دارند.

بنابراین یك تحول اساسی و مستمر در به كارگیری لایه های پر شده با نانو ذرات برای بسته بندی محصولات غذایی در حال شكل گیری است. افزایش مقاومت فرابنفشی سوی دیگر این مسله است. نكته جالب توجه افزایش شفافیت با افزودن نانو رس به نایلون است كه این بسته بندی ها را جذاب تر می كند.

با كمی افزایش در ضخامت فیلم های محافظ نایلونی، تولید كننده می تواند تاریخ انقضای بسیاری از محصولات را افزایش دهد. این مقاومت به نفوذ بخار و گاز به بهبود مقاومت شیمیایی نیز كمك می كند.بهبود مقاومت پوشش های ژلی حاوی نانو رس در برابر رطوبت و بخار عامل مهمی در كاربردهای دریایی است. پیامد افزودن حدود 5 درصد نانو رس به یك پوشش ژلی دستیابی به مقاومت شیمیایی، رطوبتی و آب و هوایی بیشتر و افزایش مقاومت آن در برابر ترك و پرتوی فرابنفش خواهد بود. این مواد برتری بزرگی برای بازار وسایل نقلیه تفریحی دریایی و قطعات داخل حمام محسوب می شوند.[5]

كاهش بها :كاهش بهای مواد اولیه نقشی اساسی در گرایش به سمت نانو كامپوزیت ها داشت. با این وجود افزایش سفتی ناشی از نانو پركننده ها به طراحان اجازه داده است تا قطعاتی با دیواره نازك تر و ظریف تر طراحی كنند. در نتیجه تقاضا برای مواد اولیه حدود 40-30 درصد كاهش یافت. زمان هر چرخه ساخت نیز حدود 25 درصد كاهش یافت. ساخت قطعات نازك تر، دمای ساحت كم تر، زمان ساخت كوتاهتر، ظاهر سطحی بهتر، مقاومت به خراش بیشتر و استحكام ضربه دمای پایین بالاتر نانو كامپوزیت ها، منجر به صرفه جویی های اقتصادی می شود و این كاهش هزینه با بهبود كیفیت قطعه همراه است. این امیدواری وجود دارد كه بهای بعضی از قطعات تا 80 درصد كاهش یابد. این امر تولید كنندگان خودرو را ترغیب می كند تا فعالانه به دنبال كاربردهای بیشتری – درون و بیرون خودرو – برای این مواد باشند. این تحول اثر مهمی بر قطعات گرمانرم مهندسی امروزی خواهند داشت. این مساله ممكن است در مورد قطعات SMC نیز صدق كند.[5]

الياف نانو، تحولي در صنعت نساجي: امروزه ساخت کامپوزيت‌هاي تقويت‌شده به وسيلة نانوالياف پيشرفت چشمگيري کرده است. ليفچه‌هاي کربنيِ جامد و توخالي با چند ميکرون طول و دو تا بيش از صد نانومتر قطر خارجي خلق شده‌اند که مصارفي در مواد کامپوزيت و روکش دارند. [24]

يکي از دانشجويان کارشناسي ارشد دانشکدة مهندسي نساجي دانشگاه اميرکبير، دستگاه توليد نانوالياف از محلول پليمري را طراحي کرده و ساخته است. اين دستگاه در *****اسيون مايعات، گازها و مولکول‌ها، امور پزشکي مانند مواد آزادکنندة دارو در بدن، پوشش زخم، ترميم پوست، نانوکامپوزيت‌ها ، نانوحسگرها، لباس‌هاي محافظ نظامي و... کاربرد دارد. [24]

روش های تولید کامپوزیت ها

به طور کلی سه روش برای تولید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری وجود دارد:

1. مخلوط سازی مستقیم: در این روش ابتدا نانو ذرات تهیه شده به صورت سوسپانسیون در یک حلال حل شده و سپس به محلول پلیمری اضافه می شود و مخلوط حاصله توسط یک پرس هیدرولیک در یک قالب اکسترود می شود و در نهایت صفحات نازک به دست می آیند. در این روش انتخاب بستر پلیمری، انتخاب نوع ذارت و سازگاری این دو گونه با یکدیگر و نحوه ی توزیع ذرات از نکات حائز اهمیتی است که بایستی بر آن فائق آییم.

معمولا ً برای تولید نانو کامپوزیت های زمینه پلیمری حاوی نانو الیاف کربنی از این روش استفاده می شود. محدودیت این روش میزان فاز تقویت کننده یا همان مواد پرکننده است. به عنوان مثال برای تولید نانوکامپوزیت سیلیکا(پلی پروپیلن) حداکثر میزان نانوذرات سیلیکا ۲۰ درصد وزنی می تواند باشد. البته به نظر می رسد آگلومره شدن (به هم چسبیدن) ذرات نیز از دیگر محدودیت های این روش باشد.

2. فرآوری محلول: 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 مادهء زمینه پلیمری و نانوذرات تقویت کنندهء 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 نانوکامپوزیت در یک حلال حل شده و در نهایت با تبخیر حلال، نانوکامپوزیت مورد نظر به دست می آید.

3. پلیمریزاسیون درجا: در این روش پلیمریزاسیون بستر پلیمری در حضور نانوذرات انجام می شود و منومر در حین رشد، ذرات پر کننده را در بر می گیرد. نکتهء کلیدی در این روش نحوهء توزیع ذرات نانو در منومر است. با کنترل پیوند بین ذرات نانو و ماده زمینه، می توان توزیع مورد نظر را به دست آورد. بسیاری از نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری را می توان با این روش تولید کرد.

به طور مثال نانوکامپوزیت های حاوی نانولایه های گرافیت که دارای هدایت الکتریکی بالا و نفوذ پذیری کمی هستند، از این روش تولید می شوند. برای تولید این نانوکامپوزیت ها ابتدا با امواج مافوق صوت لایه های گرافیت در منومر به صورت یکنواخت توزیع می شوند و در نهایت با پلیمریزاسیون درجا نانوکامپوزیت به دست می آید.

نکته ای که در روش های تولید نانوکامپوزیت های پلیمری اهمیت دارد و آن را از یکدیگر متمایز می کند، توزیع مناسب مادهء پر کننده است. با اصلاح سطحی می توان این توزیع را به شکل یکنواخت به گونه ای انجام داد که از آگلومراسیون اجزای نانومتری مادهء پرکننده جلوگیری شود و توزیع مناسب فاز تقویت کننده فراهم گردد. در واقع نکته مهم در تمام این فرآیندها، اصلاح فصل مشترک بین پلیمر و نانوذره می باشد. استفاده از فرایندهای سطحی سبب توزیع یکنواخت فاز تقویت کننده در بستر پلیمری شده، افزایش مدول و استحکام نانوکامپوزیت را به دنبال خواهد داشت. [23]

کامپوزیت های زمینه فلزی: تهیه نانو کامپوزیت های فلزی با دو روش آسیاب کردن مکانیکی و استفاده از امواج اولتراسونیک با شدت بالا مورد مطالعه قرار گرفته است. در روش اول از پودرهای فلزی آلومینیم، منیزیم و تیتانیم استفاده شده است که با تشکیل TiH2 توسط پلی اتیلن گلیکول نانو کامپوزیتی با بازده استحکامی بالا و قابلیت کشیدگی مطلوب بدست می آید. در روش دوم تقویت کنندگی نانو ذرات SiCبرای کامپوزیت های منیزیم AZ91D و میزان پخش آن مورد بررسی قرار گرفته است. نانو کامپوزیت های حاوی SiC دارای توزیع یکنواخت ترو پخش بهتر ذرات هستند و از میزان سختی بیشتری برخوردارند. در این روش میزان جاذبه بین SiC و بست کامپوزیت و همچنین برهمکنش امواج اولتراسونیک با نانو ذرات مورد مطالعه قرار گرفته است. [25]\

نانو کامپوزیت های به دست آمده از روش های مذکور دارا ی خواص بهینه ای نظیر دانسیته کم، قدرت استحکام بالا، مقاومت خزشی عالی، ظرفیت میرایی بالا و پایداری ابعادی خوبی هستند. همچنین با کاهش آلودگی و زیست سازگاری نسبی خود سبب کاهش مصرف سوخت و کاهش هزینه می شوند. در این جا به بررسی کامپوزیت های AZ91D و Ti، Al% Mg5wt می پردازیم. [25]

1. روش آسیاب مکانیکی: در روش آسیاب کردن مکانیکی از پودرهای فلزی نظیر آلومینیم، منیزیم، تیتانیم و یا سایر پودرهای سرامیکی مانند SiC و TiC استفاده می کنند. این پودرهای فلزی بایستی دارای درصد خلوص بالا و به میزان بیشتر از% 5/98 برای منیزیم ،% 5/99 برای آلومینیم باشند. پس از اختلاط این پودرها در یک مخلوط کن V شکل با سرعت rpm45 و به مدت 2 ساعت، آنها را از مرحله آسیاب کردن می گذرانند. آسیاب توسط دستگاه توپی فریتش (Fritsch ) با rpm250 انجام می گیرد. پلی اتیلن گلیکول (H(OCH2-CH2)nCH) به عنوان یک عامل کنترل کننده ی فرایند به مخلوط پودری اضافه می شود. این عامل نظیر عوامل دیگر که به عنوان کنترل کننده ی فرایند استفاده می شود(اسید استیاریک) ناپایدار بوده و با تخریب خود سبب تولید TiH2 می گردد. به طوری که با دارا بودن هیدروژن و حساسیت Ti به هیدروژن مستقیمأ TiH2 تولید می شود. [25]

مخلوط پودرها را 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 450درجه به مدت 2 ساعت در یک کوره ی تخلیه قرار گرفته و پس از آن در 400درجه و با کمک گرافیت به عنوان روان کننده آن را قالب گیری می کنند. نهایتأ برشه ایی از نمونه را به طول و ضخامت25 میلی متر و قطر5 میلیمتر از وسط ترکیب قالب گیری شده جدا کرده و کشش طولی(Tensile ) آنها را اندازه گیری می کنند. روش اندازه گیری مطابق با ASTM E8M-96 می باشد. [25]

2. روش اولتراسونیک: در این روش از یک آلیاژ منیزیم به نام AZ91D به عنوان بستر کامپوزیت استفاده می شود که اگر شامل 5 درصد وزنی SiC باشد به صورت AZ91D/5SiC در می آید. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است توسط نفوذ امواج اولتراسونیک با شدت بالا به عمق آلیاژ عمل ذوب انجام می گیرد که در یک بوته گرافیتی رخ می دهد. در جدول 1 نیز ترکیب شیمیایی AZ91D آمده است. برای تهیه AZ91D/5SiC نیز از SiC به عنوان یک تقویت کننده استفاده می شود که ترکیب شیمیایی آن در جدول 2 آمده است.

مذاب منیزیم بدست آمده را با مخلوط گازهای CO2/SF6 حفاظت کرده و سپس نانو ذرات SiC را به بوته و از سطح مذاب در دمای کنترل شده ی C°620 اضافه می کنیم. وجود نانو ذرات SiC در مذاب ویسکوزیته آن بیشتر شده و با اعمال دمایی تا 700درجه میزان جاری شدن رضایت بخشی به دست آید. سپس نمونه ها با محلول اسید نیتریک در اتانول برای 5 ثانیه در دمای اتاق سیاه قلم کرده و گاهی برای هدایت حرارتی و قابلیت هدایت بهتر آنها را با Au مخلوط می کنند. [25]

در این روش نیز برای تعیین ریز ساختار کامپوزیت AZ91D/5SiC و تعیین فاز آن از XRD و برای بررسی میزان پخش نانو ذرات از SEMو جاذبه بین ذرات SiC و بستر منیزیم از XPS استفاده می کنیم.

روش آسیاب کردن مکانیکی اقتصادی تر است و روش امواج اولتراسونیک خواص بهتری را تأمین می کند. [4]

[Bahram Sh مهمان]

کاربرد نانو کامپوزیت ها

موارد کاربرد نانوکامپوزیت ها:

1. ضد حریق کردن پلاستیکها

2. تهیه الیاف و فیلمها

3. کاربردهای الکتریکی

4. سامانه های انتقال دارو

5. مهندسی بافت

6. ساختمان سازی

7. لوازم خانگی

و ...[27]

بازار نانو كامپوزیت ها:شاید مردم به طور غیر واقع بینانه ای به بازار نانو رس ها امیدوار باشند در حالی كه ارزیابی جدی این ماده تنها از 5 سال پیش شروع شده است. انتظار می رفت این مواد به سرعت كاربردهای گسترده ای پیدا كنند ولی چنین نشد. شرایطی وجود دارد كه توسعه این مواد را كمی به تاخیر انداخته است. برخی مشكلات فنی نیز در پراكندن این پر كننده ها درون رزین های گوناگون وجود داشته است. گمان می رود بعضی از تولید كنندگان رزین های گرمانرم آنقدرها مشتاق نیستند تا موفقیت وسیع این پر كننده ها را ببینند. این پر كننده های ارزان، در آینده ای نزدیك كارایی رزین های معمولی را بهبود خواهند بخشید. قاعدتا كارهای آزمایشگاهی بسیاری برای دستیابی به چنین بهبودی نیاز خواهد بود و محصولات رزینی اصلاح شده بهای بالاتری خواهند داشت. بازار پوشش های ژلی و رزین های پلی استر گرماسخت به تازگی با چالش های گوناگونی مواجه شده است. قوانین MACT از توسعه خانواده های كاملاً جدیدی از مواد با میزان HAP راه خود را به سوی بازار كامپوزیت ها پیدا می كنند. تلاش های بیشتری باید انجام شود تا نانو كامپوزیت ها را وارد بازار FRP كند.

میزان سرمایه گذاری چند کشور مختلف در صنعت نانو کتمپوزیت:

1. آمریکا : سرمایه گذاری در حدود 770 میلیون دلار در سال 2003 و رشد %5.9 در هرسال

2. ژاپن : اختصاص مبلغ 431 میلیون دلار در سال 2001

3. ایران : اختصاص بودجه در حدود 20 میلیون دلار در سال 1383] 28،5[

كاربردهای خودرویی نانو كامپوزیت ها: یکی از گسترده ترین کاربردهای فناوری نانو در صنعت خودرو تا کنون ساخت نانو کامپوزیت ها بوده است. از آنجا که در نانوکامپوزیت ها، ذرات بسیار ریز (نانوذرات)، استحکام و دوام رزین را بسیار بالا می برند، جایگزین مواد مرسوم مانند میکا و تالک شده اند. اما علاوه بر ویژگی های فیزیکی بهتر، این کامپوزیت ها دارای دو برتری دیگر نیز می باشند:

1. نخست اینکه نانوذرات با ایجاد ماتریس (زمینه) یکنواخت و هموار به طور قابل توجهی زیبایی بیشتر را فراهم می کنند و بنابراین نانو کامپوزیت ها سطح زیبا تر و رنگ های شفاف تری دارند.

2. همچنین نانوکامپوزیت ها به دلیل نیاز به مواد تقویت کننده ی کمتر، تا حدود بیست درصد نسبت به کامپوزیت های رایج سبک ترند.[27]

البته این را هم باید اشاره کرد که چندین سال است كه چند شركت، نانو رس ها را به رزین های گرمانرم اولفینی (TPO) خود می افزایند. این قطعات برای صنعت خودرو ساخته می شوند. پذیرش این مواد در بین تولید كنندگان خودرو بیشتر شده است. نانو كامپوزیت ها در آینده ای بسیار نزدیك اثر قابل توجهی در بازار خودرو خواهند داشت. [5]

جنرال موتورز ركاب خودروهای ون آسترو (Astro) و سافاری (safari) خود را از یك اولفین گرمانرم تقویت شده با 5/2 درصد نانو رس می سازد. این قطعه در اصل از پلی پروپیلن تقویت شده با 15 درصد تالك ساخته می شد. برای ساخت این قطعه جدید اگر چه رزین متفاوتی به كار گرفته شد. ولی همان ابزار قالب گیری قطعه قدیمی مورد استفاده قرار گرفت. به این ترتیب استفاده از رزین TPO، وزن قطعه حدود 8-7 درصد كاهش یافت و استحكام به ضربه دمای پایین آن بیشتر شد.[5]

به گفته این شركت، هزینه تغییر ماده بسیار ناچیز بوده است. اگر چه رزین TPO كمی گران تر بود ولی بهای این ماده با كاهش وزن قطعه جبران می شد. ضمن این كه برتری های دیگری برای سایر مراحل كار به ارمغان آورد. دمای قالب گیری پایین تر، تعداد دفعات چرحه قالب گیری را افزایش داد و دمای سخت پایین تر به كاهش ایجاد رگه رگه های سطحی كمك كرد. كاهش میزان پر كننده نیز منجر به بهبود كیفیت سطح و مقاومت آن دربرابر خراش شد. گونه های جدید TPO پرشده با نانو ذرات، حاوی كم تر از 5 درصد نانو رس هستند. سفتی این مواد برابر با سفتی پلی پروپیلن تقویت شده با 40-30 درصد تالك است.[5]

نمونه موردی: اين خودرو توسط شرکت جنرال‌موتورز طراحي شده و به علت استفاده از مواد نانوکامپوزيتي در قسمت‌هاي مختلف آن، حدود 8 درصد سبک‌تر از نمونه‌هاي مشابه قبلي است و علاوه بر سبک بودن، در برابر تغييرات دمايي هم مقاومت مي‌کند. [24]

توپ تنيس نانوکامپوزيتي: شرکت ورزشي ويلسون، يک توپ تنيس دولايه به بازار عرضه کرده که عمر مفيد آن حدود چهار هفته است ــ در حالي که توپ‌هاي معمولي عمر مفيدشان در حدود دو هفته است ــ ولي از نظر خاصيت ارتجاعي و وزن تفاوتي بين اين دو مشاهده نمي‌شود. علت مهم و اصلي دوام توپ‌هاي نانوکامپوزيتي، وجود يک لاية پوشش نانوکامپوزيتي به ضخامت 20 ميکرون به عنوان پوستة داخلي است که باعث مي‌شود هواي محبوس در داخل توپ ضمن ضربه خوردن خارج نگردد، درحالي‌که توپ‌هاي معمولي از جنس لاستيک و در برابر هوا نفوذپذيرند. [24]

کامپوزیت های نانو رس: تعدادی از کاربردهای جدیدی که برای کامپوزیت های دارای نانورس های کاتیونی-آنیونی، نانواکسیدها، نانوتیوپ های کربنی و Tio2 بسیار ریز، تالک و هیدروکسی آپاتیت مصنوعی به وجود آمده عبارتست از:

1. مواد ساختاری با خواص مکانیکی، گرمایی و ممانعتی بهبود یافته

2. مواد با کارایی بالا با جذب فرابنفش بهتر و مقاومت به خراشپ

3. بسته بندی های مانع برای تخریب اکسیژن

4. پرکننده های چند عملکردی که می توانند به روش کنترل شده آزاد شوند. این پرکننده ها می توانند خوردگی را آشکار کرده، از خوردگی جلوگیری کنند، ضد حشره باشند و به عنوان یک جزء دارویی مصرف شوند.

5. مواد بیواکتیو برای کاربردهای مهندسی بافت [10]

بهبود خواص به کمک نانو کامپوزیتها:

1. افزایش استحکام کامپوزیت با افزودن نانو ذرات خاک رس به آن: مهمترین نوع نانوکامپوزیت های پلیمری، از اختلاط یک پلیمر با پرکننده نانو ذرات خاک رس به دست می آید. علت آن این است که خاک رس ساختار لایه ای دارد و این پر کننده استعداد زیادی برای پذیرش زنجیره های پلیمری بین لایه های ورقه ای خود( به صورت ورقه های کاغذ) دارد. نانو ذرات خاک رس دارای لایه هایی است که ابعاد نانومتری دارد و با ورود زنجیره پلیمری بین آن، برهمکنش قوی بین خاک رس و زنجیره پلیمری تشکیل می شود. بنابراین افزودن۳ تا۵ درصد نانوذرات خاک رس، سبب افزایش استحکام مکانیکی و افزایش مدول الاستیک معادل ۴۵ درصد کربن جامد خواهد شد. علت استقبال صنعت خودرو از نانوکامپوزیت، توانایی ایجاد موادی با وزن کمتـــر و استحکام بالاتر و فراینــــدپذیری بیشتر است که با افزودن مقدار کم از پرکننــده ها محقق می شود.[29]

2. استفاده از فناوری نانو در بهبود صنعت بسته بندی: افزودن ذرات پرکننده نانومتری به کامپوزیت و پلیمر، علاوه بر افزایش استحکام مکانیکی سبب بالا رفتن مقاومت در برابر نفوذپذیری گاز می شود که در صنعت بسته بندی و ذخیره سازی گاز بطری نوشابه مفید است. همچنین از دیگر ویژگیهای این مواد حفظ شفافیت این بطری ها و ضد باکتری و ضد ویروس شدن آنها خواهد بود.[29]

3. امکان بازیافت بطری های آب و نوشابه با استفاده از فناوری نانو: متاسفانه در کشور بطری های آب و نوشابه بعد از مصرف دور ریخته شده و بازیافت نمیگردند. با استفاده از فناوری نانوکامپوزیت، امکان بازیافت مجدد بطری آب و نوشابه، و تبدیل آن به بطریهای جدید وجود دارد. در قراردادی که با سازمان گسترش و شرکت زمزم می باشد، قرار است در این زمینه فعالیتهایی شروع شود. حال اگر بتوان ۵۰ درصد این بطریها را به مصرف مجدد برگرداند، سبب صرفه جوئی میلیونها دلار خواهد شد.[29]

4. استفاده از فناوری نانو در افزایش کارایی لاستیک: نانوکامپوزیت SBR ، قابل مصرف در صنعت پلیمری بویـژه صنعت لاستیک سازی است. با افزودن چند درصد SBR، امکان ساخت لاستیــکی با مقاومت سایـــش لاستیک تا ۵ برابر را دارا می باشد. خوشبختانه این طرح با همکاری وزارت صنایع و مجتمع لاستیک کرمان برای لاستیکهای سواری در حال انجام است.[29]

5. کاهش مصرف انرژی با استفاده از فناوری نانو: استفاده از نانو ذرات خاک رس در کامپوزیتها و پلیمرها، علاوه بر بهبود خواص آنها موجب سبک شدن قطعات می شود. از آنجایی که یکی از کاربردهای این قطعت در صنعت خودرو است موجب سبک شدن خودرو و به تبع آن کاهش میزان سوخت مصرفی خواهد شد. همچنین از دیگر مزایای آن کاهش آلودگی هوا و کاهش گازهای گلخانه ای است.[29]

6. ایجاد کامپوزیت فلزی مقاوم با فناوری نانو: ایجاد کامپوزیت فلزی با استفاده از رسوبهایی در اندازه نانومتر برای تقویت فولاد امکان پذیر است. این امر موجب کاهش وزن قطعات خودرو و افزایش شکل پذیری و استحکام فولاد می شود. در این زمینه شرکت ساپکو برای انجام پروژه مشترک آمادگی خود را جهت همکاری اعلام می کند.[29]

نانو كامپوزیت ها به عنوان دیرسوز كننده: FAA بودجه بسیاری صرف پژوهش در زمینه اثر دیرسوز كنندگی ذرات رس با اندازه نانومتری بر رفتار پلاستیك ها كرده است. در آغاز تنها دانشگاه كرنل (Cornell) در این زمینه با FAA همكاری می كرد. سپس دانشگاه ماركو (Marquette) و چندین دانشگاه دیگر نیز برنامه های پژوهشی خود را در زمینه نانو رس ها و اثرات دیر سوزكنندگی آنها فعال كردند.

آزمایش گرماسنجی مخروطی، اثر دیر سوز كنندگی این ذرات را به طور كلی تایید كرده است. رزین های پر شده نیز پایداری بهتری در برابر حرارت از خود نشان دادند. این مقاومت حرارتی بالا و ویژگی دیرسوز كنندگی نانو رس ها آینده خوبی برای این فن آوری رقم خواهد زد.

آلومیناتری هیدرات (ATH) یكی از پر كننده های دیرسوز كننده متداول در بسیاری از پلاستیك ها است. گاهی اوقات اثر دیرسوز كنندگی این ماده به حدی می رسد كه پلیمر خود اطفاء كننده (Self extinguishing) می شود. روند كار به این صورت است كه وقتی ATH در معرض حرارت قرار می گیرد، تری هیدرات بخار آب ازاد كرده و منجر به كاهش حرارت آتش و كند كردن عمل سوختن می شود. اما افزایش میزان ATH افزوده شده به رزین منجر به افت استحكام كششی و خمشی پلیمر می شود و وقتی مقدار پر كننده به یك حد بحرانی معین می رسد، افت ویژگی ها ناگهانی و قابل توجه خواهد بود.[4]

استفاده از نانوکامپوزیت هیدروژل در ازدیاد برداشت نفت: نانوکامپوزیتهای هیدروژل، مواد پلیمری هستند که استعداد بالایی در جذب آب دارند؛ این میزان در حدود ۲۰۰۰ برابر وزن خود این کامپوزیتها است. نانوکامپوزیتهای هیدروژل در کشاورزی کاربردی زیادی دارند. از جمله کاربردهای مهم آنها نیز در افزایش میزان برداشت نفت از چاهها خواهد بود. در این کاربرد با حفظ استحکام مکانیکی، دانسیته اتصالات شبکه را پایین نگه می داریم تا هیدروژل بتواند مقاومت بالایی در مقابل فشار نفت داخل چاه داشته باشد. در مواقعی که برداشت نفت از چاه های نفت به دلیل زیاد بودن مقدار آب غیر اقتصادی می شود، افزودن نانوهیدروژل به داخل چاه سبب مسدود شدن مسیرهای عبور آب شده و این خود موجب می شود که بتوان از چاه مرده چندین سال دیگر نفت استخراج نمود. [29]

مزایا و معایب نانوکامپوزیتها

ظهور مواد نانوکامپوزیت ها، تحولی اساسی در خواص مکانیکی و حرارتی ایجاد کرده است. مزایای مواد نانوکامپوزیت را می توان به صورت زیر بیان کرد:

1. پودرهای نانوکامپوزیت نسبت سطح به حجم بالایی دارد. این نسبت در حالت بی شکل نسبت به حالت بلوری، بیشتر است.

2. کسر زیادی از اتمها در سطح ذرات پودرهای نانوکامپوزیت و یا در مرز دانه های ریز ساختار نانوکامپوزیتها قرار دارند.

به دلیل دو خاصیت اخیر، پودر های نانوکامپوزیت، قابلیت تفت جوشی(زینتر) بالایی دارند. در ساخت نانو کامپوزیتها از پودرهای نانوکامپوزیت یا پودرهای نانومتری، به دلیل کنترل فرآیند در مقیاس نانومتری، ریز ساختاری کاملا یکنواخت به دست می آید. نانو کامپوزیت ها خواص فیزیکی و مکانیکی از قبیل استحکام، سختی، چقرمگی و مقاومت حرارتی بالایی در محدوده وسیعی از دما دارند. افزودن ۵ تا ۱۰ درصد حجمی فاز دوم به فاز زمینه، باعث افزایش چشمگیری در خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیت ها می شود. لذا جدیدترین فناوری ها، مربوط به طراحی ریز ساختاری نانوکامپوزیتها برای بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی آن می باشد. [29]

در مقابل خواص منحصر بفرد مواد نانوکامپوزیت،در ساخت نانو کامپوزیتها مشکلات فرآیندی قابل توجهی وجود دارد که نقش تعیین کننده ای دارند. از اساسی ترین این معایب می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. عدم توزیع یکنواخت فاز دوم در فاز زمینه در نانو کامپوزیت ها،خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها را کاهش می دهد.تجمع ذرات پودر بسیار ریز در نانوکامپوزیتها موجب افزایش انرژی سطحی آنها شده، کاهش خواص مکانیکی کاهش خواص مکانیکی نانوکامپوزیت ها را به دنبال دارد.

2. همچنین استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت برای توزیع یکنواخت فاز دوم در داخل فاز زمینه و جلوگیری از به هم چسبیدن ذرات پودر نانوکامپوزیتی وساخت نانوکامپوزیتهایی با ریز ساختاری همگن و خواص مکانیکی بالا، باعث غیر اقتصادی شدن و همچنین پیچیده تر شدن فرآیند می گردد. [29]

[Bahram Sh مهمان]

آنچه در اینجا بررسی شد تنها دو نوع از انواع بسیار زیاد کامپوزیت ها و چند سازه های جهان بود . در این نوشتار به این پی بردیم که مواد و توسعة آنها از پايه‌هاي تمدن به شمار مي‌روند. به طوري که دوره‌هاي تاريخي را با مواد نامگذاري کرده‌اند: عصر سنگ، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد، عصر سيليکون و عصر کربن. ما اکنون در عصر کربن به سر مي‌بريم. عصر جديد با شناخت يک مادة جديد به وجود نمي‌آيد، بلکه با بهينه کردن و ترکيب چند ماده مي‌توان پا در عصر نوين گذاشت. دنياي نانومواد، فرصتي استثنايي براي انقلاب در مواد کامپوزيتي است علاقه به کامپوزیت ها در سراسر جهان سبب شده است که بسیاری از مراکز پژوهشی به مطالعه کاربردهای بالقوه این مواد بپردازند. ]12،24 [

خواص قطعه تولید شده در کامپوزیت های به مراتب بالاتراز خواص قطعه ای خواهد بود که با پودر هایی در ابعاد میکرونی ساخته می شود. ظهور مواد نانوکامپوزیت ها، تحولی اساسی در خواص مکانیکی و حرارتی ایجاد کرده است. شاید مهمترین هدف در صنعت کامپوزیت رسیدن به اجسام سبک تر و کم حجم تر باشد.[28]

متاسفانه در كشور ما به دلیل عدم شناخت كامل خصوصیات این تركیبات كه خود ضعف در طراحی، تولید و مصرف را به دنبال دارد، میزان استفاده این مواد به نسبت كشور های دیگر بسیار ناچیز است. ولی شاید بتوان با برنامه ریزیهای درازمدت و سرمایه گذاری در جهت شناساندن هرچه بیشتر این مواد به شركتها و موسسات صنعتی كشور این ضعف ها را تا حد زیادی جبران نمود. [2]

 

 

 

 

 

 

 

[mozhganm 13]

با سلام و عرض تشکر بابت این پست

من چطور می تونم مراجع (refrence) این پست را ببینم ؟

[Bahram Sh مهمان]

با سلام و عرض تشکر بابت این پست

من چطور می تونم مراجع (refrence) این پست را ببینم ؟

با سلام به دوست خوبم...

متاسفانه هنگام ارسال این تاپیک فراموش کردم منابع آن را ذکر نمایم . انشالله در اولین فرصت لیست منابع این تحقیق را قرار می ددهم.

[nita 14]

سلام مرسی خیلی متن خوبی بود میشه خواهش کنم هرچه سریعتر منابع رو ذکر کنید ممنونم میشم

[Maryam.Mokhtarifar 13]

سلام

ممنون از مقاله خوبتون.فقط اگر که امکان داره منابع اون رو هم ذکر کنید.یک مقاله بدون ذکر منابع ناقصه.

[rajaeyan 12]

سلام لطف می کنید منبع مقاله رو بزارید حتما چون بی منبع واقعا کارایی شو از دست میده من شدیدا به منبعش نیاز دارم

[Bahram Sh مهمان]

پوزش بسیار . من به کل این پیج را فراموش کرده بودم. در اولین فرصت لیست منابع را قرار می دهم... با پوزش فراوان . چون درگیر ارشد بودم از بعضی کار های مهمم غافل شدم و مرسی که از این تحقیق خوشتان آمد.

[alireza kheiri 12]

لطف می کنید رفرنس ها رو بذارید؟