دانلود مقاله کامل درباره انواع نانوکامپوزیت ها و کاربرد آنها در صنایع هوا و فضا

اختصاصی از فی توو دانلود مقاله کامل درباره انواع نانوکامپوزیت ها و کاربرد آنها در صنایع هوا و فضا دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*

فرمت فایل: Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)

تعداد صفحه :60

بخشی از متن مقاله

مقدمه

رشته مواد نانو کامپوزیت توجه دانشمندان و مهندسان را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است. نتایج بررسی استفاده از بلوکهای ساختمانی در ابعاد نانو, طراحی و ایجاد مواد جدید با انعطاف پذیری و پیشرفتهای زیاد در خواص فیزیکی آنها را ممکن می سازد. قابلیت ارتقاء کامپوزیت ها با استفاده از بلوکهای ساختمانی با گونه های شیمیایی ناهمگن در رشته ها و بخش های مختلف علمی مطرح گردیده است. ساده ترین مثالها از چنین طراحی هایی, به صورت طبیعی در استخوان اتفاق
می افتد که یک نانوکامپوزیت ساخته شده از قرص های سرامیکی و چسبهای آلی می باشد. بدلیل این که اجزاء سازنده یک نانو کامپوزیت دارای ساختارها و ترکیبات مختلف و خواص مربوط به آنها
 می باشد، کاربردهای زیادی را ارائه می دهند. از اینرو موادی که از آنها تولید می شوند, می توانند چند کاره باشند. با الگو گرفتن از طبیعت و براساس نیازهای تکنولوژی های پدید آمده در تولید مواد جدید با کاربردهای مختلف در آن واحد برای مصارف گوناگون, دانشمندان استراتژی های ترکیبی زیادی را برای تولید نانو کامپوزیت ها بکار برده اند. این استراتژی ها دارای مزایای آشکاری در تولید مواد دانه درشت مشابه می باشند. نیروی محرکه در تولید نانو کامپوزیت ها, این واقعیت است که آنها خواص جدیدی در مقایسه با مواد رایج ارائه  می دهند.

تصمیم برای بهبود خواص و پیشرفت ویژگی های مواد از طریق ایجاد نانو کامپوزیت های چند فازی مسئله جدیدی نیست. این نظریه از زمان آغاز تمدن و بشریت و با تولید مواد برای کارآمدی بیشتر برای اهداف کاربردی مورد نظر بوده است. علاوه بر تنوع وسیع نانو کامپوزیت های یافت شده در طبیعت و موجودات (مثل استخوان) , یک مثال عالی برای کاربرد نانو کامپوزیت های ترکیبی در روزگار باستان, کشف جدید ساختمان نقاشی های مایان می باشد که در دوران مسا مریکاس[1] بوجود آمدند. توصیف حالت هنر از این نمونه های نقاشی آشکار می سازد که ساختار رنگها, متشکل از ماتریسی از خاک رس آمیخته شده با مولکولهای رنگی آلی می باشد. آنها همچنین محتوی ناخالصی های ذرات نانوی فلزی محفوظ در یک لایه سیلیکاتی بی شکل همراه با ذرات نانوی اکسیدی روی لایه می باشند . این ذرات نانو تحت عملیات حرارتی و از ناخالص بوجود می آیند (Cr , Mn , Fe) که در مواد خام مثل خاک رس موجود می باشند ولی جمع و سایز آنها خصوصیات نوری رنگ نهائی را تحت تأثیر قرار می دهد. ترکیبی از خاک رس موجود که یک سوپر لاتیک می سازد که در ارتباط با ذرات نانوی فلزات و اکسیدی پشتیبانی شده روی لایه آمورف می باشدو این رنگ را یکی از اولین مواد مرکب مشابه نانو کامپوزیت های کاربردی مدرن می سازد.  

نانو کامپوزیت ها را می توان ساختارهای جامدی فرض کرد که دارای خواص مکرر بعدی با اندازه نانومتری بین فازهای مختلف سازنده ساختار می باشند. این مواد متشکل از یک جامد غیرآلی (بستر یا میزبان) محتوی یک جزء آلی و یا بالعکس می باشند و یا می توانند متشکل از دو یا چند فاز آلی  / غیرآلی در چند فرم ترکیبی باشند با این محدودیت که حداقل یکی از فازها یا ترکیبات, در ابعاد نانو باشد.

 

مثالهایی از نانو کامپوزیت عبارتند از پوششهای متخلخل, ژل ها و ترکیبی از پلیمرها, مثل ترکیبی از فازهای با ابعاد نانو با تفاوتهای فاحش در ساختار, ترکیب و خواص می توان فازهای با ساختار نانوی موجود در نانو کامپوزیت ها را صفر بعدی (مثل خوشه های اتمی تشکیل شده), تک بعدی (یک بعدی مثل نانوتیوپ ها) و دو بعدی (پوشش های با ضخامت نانو) و سه بعدی (شبکه های جاسازی شده) در کل مواد نانو کامپوزیت می توانند دارای خواص مکانیکی, الکتریکی, الکتریکی, نوری, الکتروشیمی, کریستالی و ساختاری باشند, نسبت به مواردی که دارای اجزاء واحد و یگانه هستند. رفتار چند کاره برای هر ویژگی بخصوص ماده اغلب بیش از مجموع اجزاء تکی می باشد.

هر دو روش پیچیده و ساده برای ساختن ساختارهای نانو کامپوزیت وجود دارد یک سیستم عملی نانو کامپوزیت دو فازی, مثل کاتالیزرهای پشتیبان مورد استفاده در کاتالیزر محرک (ذرات نانوی فلزی جای گرفته روی پشتیبان های سرامیکی), می توانند بسادگی با بخار دادن فلز روی لایه و یا پراکنده کردن توسط حلال شیمیایی آماده شوند. از طرف دیگر, ماده ای مثل استخوان که دارای ساختاری سلسله مراتبی با فازهای پلیمری و سرامیکی مرکب می باشد, با تکنیکهای ترکیبی حاضر, به سختی می تواند تکثیر شود.

جدا از ویژگی های اجزاء تکی در یک نانو کامپوزیت, اشتراک اجزاءبا یکدیگر در بهبود یا محدود کردن خواص کلی یک سیستم نقش مهمی بر عهده دارند.

با توجه به فصل مشترک زیاد و وسیع ساختارهای نانو, نانو کامپوزیت ها ارائه کننده فصل مشترک های زیادی بین فازهای ادغام شده تشکیل دهنده می باشند. خواص ویژه نانو کامپوزیت ها اغلب از اثر متقابل و تداخل فازهای آن در فصل مشترک ها حاصل می شوند. یک مثال عالی برای این مطلب, رفتار مکانیکی کامپوزیت های پلیمری پر شده با نانوتیوپ ها می باشد. هر چند افزودن نانوتیوپ ها می تواند امکان استحکام پذیری پلیمرها را افزایش دهد, یک فصل مشترک بدون تداخل فازها فقط برای بوجود آوردن مناطق ضعیف در کامپوزیت کارائی دارد و هیچ بهبودی در خواص مکانیکی آن بوجود نخواهد آمد. برخلاف مواد نانو کامپوزیت, فصل مشترک ها در کامپوزیت های موسوم, تشکیل دهنده یک شکستگی بسیار کوچکتر در فلزات بالک می باشد.  

ذکر این نکته حائز اهمیت است که تحقیقات در مورد کاربرد و روشهای تولید نانو کامپوزیت ها در طول دهه اخیر در بسیاری از کشورهای دنیا و در کشور ایران گسترش یافت و در دنیای پیششرفته کنونی باعث تکامل صنایع مختلف نظیر صنعت هوا و فضا  ،صنایع خودرو سازی و صنایع پزشکی و ... گریده است این پروژه در حال حاضر مروری بر سیستم های نانو کامپوزیت و نحوه فرایند تولید و خصوصیات و کاربردهای آنها دارد.

2-2- تاریخچه تولید کامپوزیت های زمینه فلزی

تولید MMCsبه سال1940 میلادی حین بهبود سرمت باز می گردد .در گذشته اجزای غیر فلزی (سرامیکی) داخل فلزات یا آلیاژها را به عنوان عواملی که باعث تخریب خواص مکانیکی از جمله استحکام و انعطاف پذیری می شود ، می دانستند . در اواسط دهه ی 60 نیکل پوشش داده شده توسط پودر گرافیت را به وسیله جریان گاز آرگون در مذابی از آلیاژ آلومینیوم وارد کردند. این سرآغاز تولید و بررسی کامپوزیت های زمینه فلزی بود و تحت نام MMPC معرفی شد . در سال 1968 در انجمن تکنولوژی هندوستان در کنپور ، شخصی به وسیله ی روش به هم زدن موجبات اتصال ذرات آلومین به آلومینیوم را فراهم نمود و باعث بوجود آمدن کامپوزیت های آلومینیوم – آلومین گردید . این اختراع تحت نام روش ریخته گری به هم زدنی نامیده شد[1].

 

در اوایل دهه ی هفتاد انجمن تکنولوژی ماساچوست روشی را به ثبت رساند که در آن اجزای غیر فلزی را در آلیاژهای شبه جامد در درجه حرارتی بین شالیدوس ولیکوئیدوس برای همان آلیاژ در مخلوط قرار می داد و تولیدکامپوزیت می کرد . در این پروسه تاخیر در تر شدن و دیر تر شدن ذرات باعث افزایش ویسکوزیته آلیاژ شبه جامد می شد . در دانشگاه رودکی یک ترتیب و نظمی برای فرو بردن ناخالصیها (ذرات) معرفی شد . این ترتیب و نظم به این شکل بود که ابتدا به وسیله به هم زدن ، مذاب و پارتکیل ها را به صورت دوغاب در آمده و نیازی به هم زدن تا انتهای کار نباشد. در روشهای پراکنده سازی ذرات و روش آلیاژهای شبه جامد می توان متد های گوناگونی را بکار برد اما مقدار ذرات مصرفی محدود می باشد چرا که دوغاب مذاب حاوی ذرات برای ریخته گری یک حداقل سیالیت را لازم دارد. بقیه ی روشهای تولید کامپوزیت زمینه فلزی را در این بخش به طور مختصر، و در فصل روش های تلفیق به طور کامل توضیح داده می شود. مهمترین حسن این گروه حفظ خواص در دمای بالا می باشد. از دیگر مزایا می توان به استحکام کششی نهایی بالا، مقاومت به ضربه بالا، توانایی آزاد سازی تنش (بدلیل قابلیت تغییر شکل پلاستیک) و مقاومت به خوردگی بالا اشاره کرد [1].

در تولید MMCs باید پارامترهای زیادی مد نظر قرار گیرند که مهمترین آن ها عبارتند از :

• در انتخاب مواد باید دقت شود . با توجه به اینکه اغلب ، فاز دوم دارای جنس سرامیک می باشند و بیشتر سرامیک ها با فلزات واکنش می دهند و تولید ترکیبات بین فلزی[4] این مواد بسیار ترد و شکننده هستند و خواص را کاهش می دهند (البته باید در نظر داشت که واکنش باید انجام گیرد ).
• چون هدف بدست آوردن یک ماده سبک است پس بیشترین کاربرد راMg ،Al تا حدودی و در بعضی موارد خواهند داشت[1] .

خیس شوندگی ذرات باید در نظر گرفته شود . زمینه باید قابلیت تر شوندگی سرامیک را داشته باشد

3-2- روش های تولید MMCs

1-3-2- روش ذوبی در تولید MMCs  

در روش های ذوبی فلز زمینه ذوب شده با فلز دوم ادغام می شود و کامپوزیت  تولید می گردد . مانند روش های گردابی ، نیمه جامد – نیمه مایع ، ریخته گری کوبشی ، پاشش همزمان ، درجا و...[1] .

 

1-1-3-2- روش گردابی یاVortex

در این روش یک همزن در داخل مذاب وجود دارد که عمل هم زدن را انجام می دهد . در  حین هم زدن فاز دوم (سرامیک ) از بالا وارد می شوند و مخلوطی از مذاب و سرامیک ایجاد می شود این مخلوط دوغاب کامپوزیتی نیز نامیده می شود . سپس از روش های مختلف ریخته گری می توان قطعات کامپوزیتی تولید کرد[1].

محاسن :

• از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است چون به تجهیزات پیچیده ای نیاز نمی باشد .
• محدودیت در شکل و اندازه قطعات وجود ندارد.
• اگر تخلیل در حد قابل قبول باشد نیاز به فرآیند ثانویه نمی باشد.
• قابلیت بازیابی مجدد وجود دارد .

مشخصات روش گردابی :

• انتخاب مواد اولیه: همه موارد انتخاب باید مد نظر قرار گیرد . همچنین چون زمان تماس مذاب با سرامیک نسبتاً طولانی است (درحین هم زدن و ریخته گری ) امکان تخریب سرامیک بدلیل واکنش مخرب وجود دارد ، پس باید در انتخاب مواد دقت کرد.
• اختلاف(ضریب انبساط حرارتی ) زمینه و فاز دوم : چون از دمای بالا تولید می شوند این اختلاف سبب تشکیل دانسیته نابجایی در اطراف ذرات می شوند. در نتیجه ذره تحت فشار و زمینه تحت کشش می باشد . به این مسئله تطابق فیزیکی گویند این مسئله از لحاظ پیر سختی مفید است .
• خیس شوندگی : باید مد نظر قرار گیرد . عدم خیس شوندگی عدم اختلاط را به همراه دارد. گاهی اوقات برای تکامل خیس شوندگی ذرات پیش گرم شوند . مانند SiCکه در 9000cبه مدت 1تا 3 ساعت حرارت می دهند . بدلیل :
• از بین رفتن رطوبت و ناخالصی های سطحی که باعث می شود کلوخه ای شدن اتفاق نیفتد.
• شیمی سطح تعویض می شود. با حرارت SiC2 تشکیل شده که باعث بهبود تر شوندگی می گردد[1].

 2-1-3-2- مخلوط سازی فاز دوم با مذاب

اولین مرحله جهت تولید کامپوزیت خوب توزیع ذرات فاز دوم در دوغاب است . در این مورد اکسیدهای سطحی را باید در نظر گرفت زیرا ایجاد مزاحمت می کنند . هم چنین برخورد بین ذرات نیز باید در نظر گرفته شود . مهمترین مسئله جهت توزیع ذوب هم زدن می باشد. جهت دستیابی به توزیع خوب در هم زدن ، همزن باید شرایط خاصی داشته باشد . همزن هم می تواند جریان شعاعی و هم می تواند جریان محوری ایجاد کند وجود هردو جریان با هم بهترین حالت خواهد بود[1] .

 جهت انجام بهینه هم زدن به پارامترهای زیر باید توجه کرد .

• شکل و تعداد همزن .
• سرعت چرخش همزن
• اندازه همزن .
• فاصله همزن از کف بوته.

3-1-3-2- ریخته گری کوبشی Squeeze Casting

آهنگری در حال مذاب هم نامیده می شود . این روش دو تفاوت اساسی با ریخته گری تحت فشار دارد که عبارتند از :

• فشار در ریخته گری کوبش در دامنهMPa 55 تاMPa 200 می باشد ولی در ریخته گری تحت فشار حداکثرMPa 15 می باشد .
• در روش کوبشی فشار با پایان انجماد ادامه دارد ولی در تحت فشار وقتی قالب پر می شود فشار قطع می شود .

به هر حال این روش در مقایسه با روش سنتی مزیت هایی دارد که عبارتند از :

• به خاطر فشار زیاد می توان قطعات را نزدیک به شکل نهایی تولید کرد.
• سرعت تولید بالاست .
• قطعات تولیدی با این روش فاقد تخلخل گازی و انقباضی هستند زیرا :
• به دلیل فشار زیاد نیازی به فوق گداز جهت سیالیست کافی نخواهیم داشت ، لذا جذب گاز کاهش می یابد.
• چون تا پایان انجمادفشار ادامه دارد حفرات انقباضی کاهش می یابد.
• بدلیل انتقال حرارت سریع فلز زود منجمد می شود و فرصتی برای جدایش ندارد .

 معایب ریخته گری کوبشی در کامپوزیت ها

• فشار زیاد سبب تغییر شکل اولیه کامپوزیت می شوند. (شکلی از فاز دوم که آماده می شود ، درون قالب قرار می گیرد وسپس مذاب به داخل آن نفوذ داده می شود ) .
• با توجه به اینکه باید موادی با انجماد پوسته ای انتخاب کنیم در محدوده انتخاب آلیاژ محدودیت داریم .
• نیاز به تجهیزات پیچیده جهت اعمال فشار زیاد می باشد[1] .

4-1-3-2- کامپوزیت های درجا In-Situ Composites

به طور کلی کامپوزیت درجا به کامپوزیت هایی اطلاق می شود که فاز دوم در اثر واکنش هایی درون مذاب تشکیل می شود .

• فاز دوم در اثر واکنش بین زمینه و یک عامل خارجی مثل گاز ، مایع و جامد صورت می گیرد
• فاز دوم در اثر واکنش یوتکتیک در مذاب صورت می گیرد.

به عنوان مثال برای نوع اول کامپوزیت های درجا ، با وارد کردن گاز اکسیژن باعث تشکیل اکسید در مذاب به عنوان فاز دوم می شود . محاسن نوع اول کامپوزیت های درجا عبارتند از :

• نیاز به فاز دوم به صورت الیاف یا ذرات نمی باشد .
• مشکلات عدم خیس شوندگی وجود ندارد .
• مسئله هم زدن نداریم .
• توزیع یکنواخت می باشد .

در مورد نوع دوم اگر شرایط انجماد توسط شیب حرارتی(G)سرعت(R) رشد کنترل شود آلیاژ به صورت یوتکتیک یا کامپوزیت لایه ای و یا میله ای خواهد شد . محاسن نوع دوم کامپوزیت های درجا عبارتند از :

• افزایش استحکام .
• چسبندگی بیشتر ذرات .
• عدم واکنش مخرب بین فاز دوم و زمینه .

و همچنین معایب کامپوزیت های درجا به شرح ذیل می باشد :

• در اشکال پیچیده نمی توان انجماد جهت دار یا با جبهه مسطح داشت . پس مخصوص اشکال ساده می باشد .
• باید آلیاژ کاملا خالص باشد . فاز خالص جلوی رشد مزدوج را می گیرد[1].

2-3-2- روشهای حالت جامد در تولید MMCs

در این روشها نیازی به ذوب کردن آلیاژ زمینه نمی باشد و در حالت جامد کامپوزیت سازی انجام
می شود.

1- روش اتصال دیفوزیونی : در این روش الیاف بین دو ورق زمینه تمیز کاری شده قرار می گیرد
( مانند ساندویچ ) سپس تحت فشار ، دما و زمان قرار می گیرد در نتیجه اتصال نفوذی بین لایه ها و فاز دوم بوجود می آید .

2- روش نورد

3- روش اکستروژن

4- روش متالورژی پودر : شبیه به متالوژی پودر سنتی می باشد با این تفاوت که به پودر فلز ، ذرات یا الیاف کوتاه سرامیکی اضافه می شود و محاسن متالورژی پودر به شرح ذیل است :

• پیوند ذرات و زمینه خوب است .
• توزیع خوب می باشد .
• محدودیت در کسر حجمی ذرات نداریم[1] .

به طور کلی محاسن روش های حالت جامد عبارتند از :

• نیاز به تجهیزات ذوب نمی باشد .
• جدایش اتفاق نمی افتد .

3-3-2- تخلخل در کامپوزیت

تخلخل در کامپوزیت های زمینه فلزی بیشتری از آلیاژهای فلزی است . با افزایش کسر حجمی ذرات مقدار تخلخل افزایش می یابد . دلایل این امر عبارتند از :

• در موقع هم زدن هوا و گازها وارد مذاب می شوند که به تخلخل تبدیل می شوند .
• ذرات به همراه خود لایه هوارا وارد مذاب می کنند.
• ذرات به عنوان مراکز جوانه زنی برای حلال های گازی عمل می کنند. هر چه زاویه تر شوندگی بین مذاب و ذره بیشتر باشد عمل جوانه زنی حباب هوا روی ذرات افزایش می یابد .
• چون اغلب ویسکوزیته مذاب کامپوزیت بیشتر از ویسکوزیته آلیاژ می باشد عمل خروج گاز قبل از انجماد به کندی انجام می شود[1] .

4-2- خوردگی کامپوزیت ها

نسبت به مواد مونولیتیک ضعیف هستند. خوردگی را به دو دسته تقسیم می کنیم که عبارتند از :

• حفره ای[5]
• گالوانیک[6]

عامل اصلی برای خوردگی کامپوزیت ها خوردگی گالوانیک می باشد . به دلیل حضور دو فاز متجانس در کنار هم پیل تشکیل می شود . جهت خوردگی ابتدا حفره ای شدن اتفاق می افتد که باعث می شود ماده خورنده به فصل مشترک برسد در نتیجه پیل تشکیل می شود. حال اگر جلوی حفره ای شدن را بگیریم مانع از خوردگی کامپوزیت خواهیم شد . در صورتیکه در MMCs در دمای بالا کاربردی داشته باشند خوردگی ممکن است از نوع خوردگی داغ هم باشد که شامل اکسیداسیون و هم شامل گازهای خورنده می باشد . در خوردگی داغ ابتدا سطح قطعه خورده می شود و گازها خود را به فصل مشترک زمینه فاز دوم می رساند . به طور کلی دو عامل ممکن است اتفاق بیفتد :

• ورود به فصل مشترک و خورده شدن .
• ورود به فصل مشترک و تشکیل ترکیباتی که حجم بیشتری دارند که باعث ایجاد تنش می شود در نتیجه اتفاق می افتد .

*** متن کامل را می توانید بعد از پرداخت آنلاین ، آنی دانلود نمائید، چون فقط تکه هایی از متن به صورت نمونه در این صفحه درج شده است ***