1-5-2 ويژگي‌هاي مواد کامپوزيتي11
1-5-3 مواد زمينه کامپوزيت11
1-5-4 تقويت‌کننده‌ها12
1-5-5 نانوکامپوزيت12
1-6 خلاصه13
فصل دوم – آئروژلها و مروري بر خواص مغناطيسي
2-1 تاريخچه15
2-2 شيمي سطح آئروژل16
2-3 تئوري فيزيکي19
2-4 خاصيت مغناطيسي مواد19
2-4-1 منشأ خاصيت مغناطيسي مواد19
2-4-2 فازهاي مغناطيسي20
2-4-2-1 مواد ديامغناطيس20
2-4-2-2 مواد پارامغناطيس21
2-4-2-3 مواد فرومغناطيس21
2-4-2-4 مواد پادفرومغناطيس22
2-4-2-5 مواد فريمغناطيس23
2-4-5 حلقه پسماند24
2-5 فريت27
2-6 خلاصه27
فصل سوم – ساخت آئروژل و کاربردهاي آن
مقدمه29
3-1 سنتز آئروژل با فرآيند سل-ژل29
3-2 شکل‌گيري ژل خيس32
3-3 خشک کردن آلکوژل33
3-3-1 فرآيند‌هاي خشک‌کردن در شرايط محيط34
3-3-2 خشککردن انجمادي35
3-3-3 خشک کردن فوق بحراني35
3-3-4 مقايسه روش‌ها38
3-4 مروري بر کارهاي انجام شده39
3-5 برخي از کاربردهاي آئروژل43
3-5-1 آئروژل‌ها به عنوان کامپوزيت43
3-5-2 آئروژل‌ها به عنوان جاذب44
3-5-3 آئروژل‌ها به عنوان حسگر44
3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دي الکتريک پايين45
3-5-5 آئروژل به عنوان کاتاليزور45
3-5-6 آئروژل به عنوان ذخيره سازي45
3-5-7 آئروژل‌ها به عنوان قالب46
3-5-8 آئروژل به عنوان عايق گرما46
3-5-9 آئروژل‌ها در کاربرد فضايي47
3-6 خلاصه47
فصل چهارم – سنتز و بررسي ويژگي‌هاي نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل/نانوذرات فريت کبالت
مقدمه49
4-1 مواد مورد استفاده در پژوهش50
4-2 روش تجربي و جزئيات51
4-3 تجزيه و تحليل54
4-3-1 بررسي مورفولوژي سطح54
4-3-2 مطالعه نانو ساختاري نانوکامپوزيت 2/ SiO4O2CoFe به کمک روش XRD56
4-3-3 بررسي خواص شيميايي نانوکامپوزيت 2/ SiO4O2CoFe به کمک روش FT-IR63
4-3-5 تصويربرداري TEM66
4-3-6 بررسي آناليز BET67
4-3-7 بررسي رفتار مغناطيسي با دستگاه VSM72
4-4 خلاصه77
نتيجه‌گيري78
پيشنهادات81
مراجع82

فهرست تصاوير
عنوان صفحه
فصل اول – مفاهيم اوليه
1-1. انواع سيليکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) ميکرو متخلخل7
1-2. نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعيت7
1-3. نمايشي از انواع مختلف تقويت کننده‌ها در کامپوزيت12
فصل دوم – آئروژلها و مروري بر خواص مغناطيسي
2-1. 1برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگريز، ب) آئروژل آب‌دوست18
2-2. فازهاي مغناطيسي، الف) پارامغناطيس، ب) فرومغناطيس، ج) پادفرومغناطيس، د) فري مغناطيس23
2-3. حلقه پسماند ماده فرو مغناطيس25
2-4. حلقه پسماند در مواد فرومغناطيس نرم و سخت26
فصل سوم – ساخت آئروژل و کاربردهاي آن
3-1. طرح‌واره‌اي از روش‌هاي مختلف براي شيمي سنتز نانوکامپوزيت31
3-2. اصلاح شيمي سطح ژل34
3-3. چرخه فشار-دما در حين فرآيند خشک کردن فوق بحراني36
3-4. شماتيکي از دستگاه خشک کن فوق بحراني اتوکلاو36
فصل چهارم – سنتز و بررسي ويژگي‌هاي نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل/نانوذرات فريت کبالت
4-1. فازهاي مجزا نمونه روي همزن52
4-2. نمونه‌هاي در قالب ريخته شده52
4-3. نمونه الکوژل53
4-4. نمونه آئروژل54
4-5. تصاوير FE-SEM نمونه‌ها الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.55
4-6. نمودار توزيع اندازه ذرات الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%56
4-7 . پراش XRD نمونه‌هاي الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% پيش از عمليات حرارتي58
4-8. پراش XRD نمونه‌هاي الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دماي 600 درجهي سانتيگراد59
4-9. پراش XRD نمونه‌هاي الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دماي 800 درجهي سانتيگراد60
4-10. آناليز نمونه‌هاي الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دماي 600 درجه‌ي سانتي ‌گراد61
4-11. آناليز نمونه‌هاي الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دماي 800 درجه‌ي سانتي ‌گراد62
4-12. طيف‌هاي جذبي FT-IR الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.65
4-13. تصوير TEM يکي از نمونه‌ها67
4-14. نمودارهاي لانگمير الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%69
4-15. نمودارهاي BET الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%71
4-16. جذب و واجذب الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.72
4-17. حلقه پسماند نمونه‌ها قبل از عمليات حرارتي الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.74
4-18. حلقه پسماند نمونه‌ها بعد از عمليات حرارتي الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.75
فهرست جداول
عنوان صفحه
فصل سوم – ساخت آئروژل و کاربردهاي آن
3-1. کاربردهاي مختلف آئروژل‌ها48
فصل چهارم – سنتز و بررسي ويژگي‌هاي نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل/نانوذرات فريت کبالت
4-1. ميزان گرم و ليتر مواد مورد نياز51
4-2. نتايج حاصل از XRD63
ليست علايم و اختصارات
برونر، امت، تلر(Brunauer, Emmett, Teller) BET
پراش پرتو ايکس (X-Ray Diffraction) XRD
مغناطيسسنج نمونهي ارتعاشي (Vibrating Sample Magnetometer) VSM
ميکروسکوپ الکتروني گسيل ميداني (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FE-SEM
ميکروسکوپ الکتروني عبوري (Transmission Electron Microscopy) TEM
آنگسترم (Angestrom) ?
اورستد (Oersted) Oe
نانومتر (Nanometer) nm
واحد مغناطيسي (Electromagnetic Units) emu

فصل اول
مفاهيم اوليه
مقدمه
از اواخر قرن بيستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوري نويني معطوف کردند که به عقيده‌ي عده‌اي تحولي عظيم در زندگي بشر ايجاد مي‌کند. اين فناوري نوين که در رشته‌هايي همچون فيزيک، شيمي و مهندسي از اهميت زيادي برخوردار است، نانوتکنولوژي نام دارد. مي‌توان گفت که نانوفناوري رويکردي جديد در تمام علوم و رشته‌ها مي‌باشد و اين امکان را براي بشر به وجود آورده است تا با يک روش معين به مطالعه‌ي مواد در سطح اتمي و مولکولي و به سبک‌هاي مختلف به بازآرايي اتم‌ها و مولکول‌ها بپردازد.
در چند سال اخير، چه در فيزيک تجربي و چه در فيزيک نظري، توجه قابل ملاحظه‌اي به مطالعه‌ي نانوساختارها با ابعاد كم شده است و از اين ساختارها نه تنها براي درک مفاهيم پايه‌اي فيزيک بلكه براي طراحي تجهيزات و وسايلي در ابعاد نانومتر استفاده شدهاست. وقتي كه ابعاد يک ماده از اندازه‌هاي بزرگ مانند متر و سانتيمتر به اندازه‌هايي در حدود يک دهم نانومتر يا کمتر كاهش مي‌يابد، اثرات کوانتومي را مي‌توان ديد و اين اثرات به مقدار زياد خواص ماده را تحت الشعاع قرار مي‌دهد. خواصي نظير رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگي يا ويژگي‌هاي نوري، مغناطيسي و الکتريکي ماده از جمله‌ي اين خواص‌ مي‌باشند [1].

1-1 شاخه‌هاي فناوري نانو
تفاوت اصلي فناوري نانو با فناوري‌هاي ديگر در مقياس مواد و ساختارهايي است که در اين فناوري مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در حقيقت اگر بخواهيم تفاوت اين فناوري را با فناوري‌هاي ديگر بيان نماييم، مي‌توانيم وجود عناصر پايه را به عنوان يک معيار ذکر کنيم. اولين و مهمترين عنصر پايه نانو ذره است. نانوذره يک ذره‌ي ميکروسکوپي است که حداقل طول يک بعد آن کمتر از 100 نانومتر است و ميتوانند از مواد مختلفي تشکيل شوند، مانند نانوذرات فلزي، سراميکي و نانوبلورها که زير مجموعهاي از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومين عنصر پايه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر مي‌باشد. عنصر پايه‌ي بعدي نانولوله‌ها هستند که خواص الکتريکي مختلفي از خود نشان مي‌دهند و شامل نانولوله‌هاي کربني، نيتريد بور و نانولوله‌هاي آلي مي‌باشند [4].

1-2 روش‌هاي ساخت نانوساختارها
توليد و بهينهسازي مواد بسيار ريز، اساس بسياري از تحقيقات و فناوري‌هاي امروزي است. دستورالعمل‌هاي مختلفي در خصوص توليد ذرات بسيار ريز در شرايط تعليق1 وجود دارد ولي در خصوص انتشار و تشريح دقيق فرآيند رسوب‌گيري و روش‌هاي افزايش مقياس اين فرآيندها در مقياس تجاري محدوديت وجود دارد. براي توليد اين نوع مواد بسيار ريز از پديده‌هاي فيزيکي يا شيميايي يا به طور همزمان از هر دو استفاده مي‌شود. براي توليد يک ذره با اندازه مشخص دو فرآيند اساسي وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پايين) و ديگري ساخته شدن) پايين به بالا). معمولا روش‌هاي پائين به بالا ضايعاتي ندارند، هر چند الزاما اين مسأله صادق نيست [6 و5]. مراحل مختلف توليد ذرات بسيار ريز عبارت است از، مرحله‌ي هسته‌زايي اوليه و مرحله‌ي هسته‌زايي2 و رشد خود به خودي3. در ادامه به طور خلاصه روش‌هاي مختلف توليد نانوذرات را بيان مي‌کنيم. به طور کلي روش‌هاي توليد نانوذرات عبارتند از:
? چگالش بخار
? سنتز شيميايي
? فرآيندهاي حالت جامد (خردايشي)
? استفاده از شاره‌ها فوق بحراني به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزي
? استفاده از امواج ماكروويو و امواج مافوق صوت
? استفاده از باكتري‌هايي كه ميتوانند نانوذرات مغناطيسي و نقره‌اي توليد كنند
پس از توليد نانوذرات مي‌توان با توجه به نوع كاربرد آن‌ها از روش‌هاي رايج زمينه‌اي مثل روكشدهي يا اصلاح شيميايي نيز استفاده كرد [7].

1-3 کاربردهاي نانوساختارها
يکي از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالاي اين مواد است. با استفاده از اين خاصيت مي‌توان کاتاليزورهاي قدرتمندي در ابعاد نانومتري توليد نمود. اين نانوکاتاليزورها بازده واکنش‌هاي شيميايي را به شدت افزايش داده و همچنين به ميزان چشمگيري از توليد مواد زايد در واکنش‌ها جلوگيري خواهند نمود. به کارگيري نانو‌ذرات در توليد مواد ديگر استحکام آن‌ها را افزايش داده و يا وزن آن‌ها را کم مي‌کند. همچنين مقاومت شيميايي و حرارتي آن‌ها را بالا برده و واکنش آن‌ها در برابر نور وتشعشعات ديگر را تغيير مي‌دهد.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزيتي به شدت افزايش خواهد يافت. اخيرا در ساخت شيشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسيد روي استفاده شده است. استفاده از اين ماده علاوه بر افزايش کارآيي اين نوع شيشهها، عمر آن‌ها را نيز چندين برابر نمودهاست .از نانوذرات همچنين در ساخت انواع ساينده‌ها، رنگ‌ها، لايه‌هاي محافظتي جديد و بسيار مقاوم براي شيشه‌ها، عينک‌ها (ضدجوش و نشکن)، کاشي‌ها و در حفاظ‌هاي الکترومغناطيسي شيشه‌هاي اتومبيل و پنجره استفاده مي‌شود. پوشش‌هاي ضد نوشته براي ديوارها و پوششهاي سراميکي براي افزايش استحکام سلول‌هاي خورشيدي نيز با استفاده از نانوذرات توليد شده‌اند.
وقتي اندازه ذرات به نانومتر مي‌رسد يکي از ويژگي‌هايي که تحت تأثير اين کوچک شدن اندازه قرارمي‌گيرد تأثيرپذيري از نور و امواج الکترومغناطيسي است. با توجه به اين موضوع اخيراً چسب‌هايي از نانوذرات توليد شده‌اند که کاربردهاي مهمي در صنايع الکترونيکي دارند. نانولوله‌ها در موارد الکتريکي، مکانيکي و اپتيکي بسيار مورد توجه بوده‌اند. روش‌هاي توليد نانولوله‌ها نيز متفاوت مي‌باشد، همانند توليد آن‌ها بر پايه محلول و فاز بخار يا روش رشد نانولوله‌ها در قالب که توسط مارتين4 مطرح شد. نانولايه‌ها در پوشش‌هاي حفاظتي با افزايش مقاومت در خوردگي و افزايش سختي در سطوح و فوتوليز و کاهش شيميايي کاربرد دارند.
نانوذرات نيز به عنوان پيشماده يا اصلاح ساز در پديده هاي فيزيکي و شيميايي مورد توجه قرارگرفته‌اند. هاروتا5 و تامسون6 اثبات کردند که نانوذرات فعاليت کاتاليستي وسيعي دارند، مثل تبديل مونواکسيد کربن به دي اکسيد کربن، هيدروژنه کردن استيرن به اتيل بنزن و هيدروژنه کردن ترکيبات اولفيتي در فشار بالا و فعاليت کاتاليستي نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکتروني بين الکترود و الکتروليت ارتباط برقرار مي‌کنند [7].

1-4 مواد نانومتخلخل
مواد نانو متخلخل داراي حفره‌هايي در ابعاد نانو هستند و حجم زيادي از ساختار آن‌ها را فضاي خالي تشکيل مي‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ويژه) بسيار بالا، نفوذپذيري يا تراوايي7 زياد، گزينشپذيري خوب و مقاومت گرمايي و صوتي از ويژگي‌هاي مهم آن‌ها مي‌باشد. با توجه به ويژگي‎‌هاي ساختاري، اين به عنوان تبادل‌گر يوني8، جدا کننده9، کاتاليزور، حس‌گر، غشا10 و مواد عايق استفاده مي‌شود.
نسبت حجمي فضاي خالي ماده‌ي متخلخل به حجم كل ماده‌ تخلخل11 ناميده ميشود. به موادي كه تخلخل آن‌ها بين 2/0 تا 95/0 باشد نيز مواد متخلخل12 مي‌گويند. حفره‌اي كه متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ي باز13 نام دارد كه براي صاف كردن غشا، جداسازي14 و كاربردهاي شيميايي مثل كاتاليزور و كروماتوگرافي15 (جداسازي مواد با استفاده از رنگ آن‌ها) مناسب است. به حفره‌اي كه دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ي بسته16 مي‌گويند كه وجود آن‌ها تنها سبب افزايش مقاومت گرمايي و صوتي و كاهش وزن ماده شده و در كاربردهاي شيميايي سهمي ندارد. حفره‌ها داراي اشكال گوناگوني همچون كروي، استوانهاي، شياري، قيفي شكل و يا آرايش شش گوش17 هستند. همچنين تخلخل‌ها مي‌توانند صاف يا خميده يا همراه با چرخش و پيچش باشند [7].
بر اساس دستهبندي که توسط آيوپاک18 صورت گرفته است، ساختار محيط متخلخل با توجه به ميانگين ابعاد حفره‌ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسيمبندي ميشوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:
الف) دسته بندي بر اساس اندازهي حفره:
ميكرومتخلخل19: داراي حفرههايي با قطر كمتر از 2 نانومتر.
مزومتخلخل20: داراي حفرههايي با قطر 2 تا 50 نانومتر.
ماكرومتخلخل:21 داراي حفرههايي با قطر بيش از 50 نانومتر.

بر اساس شکل و موقعيت حفره‌ها نسبت به يکديگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته تقسيم مي‌شود: حفره‌هاي راه به راه22، حفره‌هاي کور23، حفره‌هاي بسته24 و حفره‌هاي متصل به هم25 که در شکل (2-1) به صورت شماتيک اين حفره‌ها را نشان داده شده است.

شکل 1-2 نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعيت [8].
بر اساس تعريف مصطلح نانوفناوري، دانشمندان شيمي در عمل نانو متخلخل26 را براي موادي كه داراي حفرههايي با قطر كمتر از 100 نانومتر هستند به كار مي‌برند كه ابعاد رايجي براي مواد متخلخل در كاربردهاي شيميايي است.
ب) دستهبندي بر‌اساس مواد تشكيل دهنده:
مواد نانومتخلخل آلي
مواد نانومتخلخل معدني
تقسيمبندي مواد نانومتخلخل آلي
1) مواد كربني: كربن فعال27، كربني است كه حفره‌هاي بسيار زياد دارد و مهم‌ترين كربن از دسته مواد ميكرومتخلخل است.
2) مواد بسپاري28: مواد نانو متخلخل بسپاري به دليل ساختار انعطاف‌پذير خود، حفره‌هاي پايداري ندارند و تنها چند تركيب محدود از اين نوع وجود دارد [8].
تقسيم بندي مواد نانومتخلخل معدني
1) مواد ميكرومتخلخل
زئوليت‌ها: مهم‌ترين تركيبات ميكرومتخلخل بوده كه داراي ساختار منظم بلوري و حفره‌دار با بار ذاتي منفي مي‌باشند. در اكثر موارد ساختار زئوليتي از قطعات چهار وجهي29 با چهار اتم اكسيژن و يك اتم مركزي مثل آلومينيوم، سيليكون، گاليم يا فسفر تشكيل شده‌اند كه با كاتيون‌ها خنثي مي‌شوند [8].
چارچوب فلزي-آلي30: از واحد‌هاي يوني فلزي يا خوشه‌ي31 معدني و گروه‌هاي آلي به عنوان اتصالدهنده32 تشكيل شده است كه اتصال آن‌ها به هم، حفره‌اي با شكلي معين مانند كره يا هشت وجهي به وجود مي‌آورد. ويژگي بارز اين تركيبات، چگالي كم و سطح ويژه‌ي بالاي آن‌هاست [9].
هيبريد‌هاي آلي-معدني33: از قطعاتي معدني تشكيل شده‌اند كه توسط واحد‌هاي آلي به هم متصل هستند [10].
2) مواد مزومتخلخل:
سيليكا: تركيبات 34MCM، معروف‌ترين سيليكاي مزومتخلخل هستند.
اكسيد فلزات و ساير تركيبات مزومتخلخل: اكسيدهاي نانومتخلخل فلزات مثل تيتانيوم دي اكسيد، روي اكسيد، زيركونيوم دي اكسيد و آلومينا، فعاليتي بيشتر از حالت معمولي خود دارند. تركيبات سولفيد و نيتريد هم ميتوانند ساختار مزومتخلخل داشته باشند.
3) مواد ماكرومتخلخل:
بلور كلوييدي35: از مجموعه كره‌هايي مانند سيليكا ساخته مي‌شود كه فضاي بين آن‌ها خالي است. در بلور كلوييدي معكوس36 كره‌ها توخالي و فضاي بين آن‌ها پر است [10].
آئروژل‌ها مواد مزومتخلخل با سطح ويژه و حجم تخلخل بالا هستند که در فصل بعد به آن‌ها مي‌پردازيم.

1-5 کامپوزيت‌ها
کامپوزيت‌ها (مواد چند رسانهاي يا کاهگل‌هاي عصر جديد) رده‌اي از مواد پيشرفته هستند که در آن‌ها از ترکيب مواد ساده به منظور ايجاد مواد جديدي با خواص مکانيکي و فيزيکي برتر استفاده شده است. اجزاي تشکيلدهنده ويژگي‌هاي خود را حفظ کرده، در يکديگر حل نشده و با هم ترکيب نمي‌شوند.
استفاده از اين مواد در طول تاريخ مرسوم بوده است. از اولين کامپوزيت‌ها يا چندسازه‌هاي ساخت بشر مي‌توان به آجرهاي گلي که در ساخت آن‌ها از کاه استفاده شده است اشاره کرد. هنگامي که اين دو با هم مخلوط بشوند، در نهايت آجر پخته بهدست مي‌آيد که بسيار ماندگار‌تر و مقاوم‌تر از هر دو ماده اوليه، يعني کاه و گل است. شايد هم اولين کامپوزيت‌ها را مصري‌ها ساخته باشند که در قايق‌هايشان به چوب بدنه قايق مقداري پارچه مي‌آميختند تا در اثر خيس شدن، آب توسط پارچه جذب شده و چوب باد نکند. قايق‌هايي که سرخپوستان با فيبر و بامبو مي‌ساختند و تنورهايي که از گل، پودر شيشه و پشم ساخته مي‌شدند از نخستين کامپوزيت‌ها هستند [11].

1-5-1 کامپوزيت يا مواد چندسازه
چندسازه‌ها به موادي گفته مي‌شود که از مخلوط دو يا چند عنصر با فازهاي کاملا متمايز ساخته شده باشند. در مقياس ماکروسکوپيک فازها غير قابل تشخيص‌اند. اما در مقياس‌هاي ميکروسکوپيک فازها کاملا مجزا هستند و هر فاز خصوصيات عنصر خالص را نمايش مي‌دهد. در چندسازه‌ها، نه تنها خواص هر يک از اجزاء باقي مانده بلکه در نتيجهي پيوستن آن‌ها به يکديگر، خواص جديدتر و بهتر بهدست مي‌آيد [11].

1-5-2 ويژگي‌هاي مواد کامپوزيتي
مواد زيادي مي‌توانند در دسته‌بندي مواد کامپوزيتي قرار بگيرند، در واقع موادي که در مقياس ميکروسکوپي قابل شناسايي بوده و داراي فازهاي متفاوت و متمايز باشند در اين دسته‌بندي قرار مي‌گيرند. امروزه کامپوزيت‌ها به علت وزن کم و استحکام بالا در صنايع مختلف، به طور گستره‌اي مورد استفاده واقع مي‌شوند. کامپوزيت‌ها با کاهش وزن و ويژگي‌هاي فيزيکي بسيار عالي، گزينه‌اي مناسب براي استفاده در تجهيزات ساختاري مي‌باشند. علاوه بر ‌اين، کامپوزيت‌ها جايگزين مناسب براي مواد سنتي در کاربردهاي صنعتي، معماري، حمل و نقل و حتي در کاربردهاي زير بنايي مي‌باشد [12].
يکي از ويژگي‌هاي بارز کامپوزيت‌ها، حضور فاز تقويـتکننده مجزا از فاز زمينه مي‌باشد. ويژگي‌هاي اختصاصي اين دو فاز، در ترکيب با يکديگر، ويژگي‌هاي يکساني را به کل کامپوزيت مي‌بخشد. در يک دسته‌بندي ويژه، کامپوزيت‌ها همواره به دو فاز زمينه و تقويتکننده تقسيم مي‌شوند. مي‌توان گفت در واقع زمينه مانند چسبي است که تقويتکننده‌ها را به يکديگر چسبانده و آن‌ها را از آثار محيطي حفظ مي‌کند.

1-5-3 مواد زمينه کامپوزيت
زمينه با محصور کردن فاز تقويت کننده، باعث افزايش توزيع بار بر روي کامپوزيت مي‌گردد. در واقع زمينه، براي اتصال ذرات تقويتکننده، انتقال بارها به تقويتکننده، تهيه يک ساختار شبکه‌اي شکل از آن‌ها و حفظ تقويتکننده از آثار محيطي ناسازگار به کار گرفته مي‌شود.

1-5-4 تقويتکننده‌ها
دسته‌اي از مواد معمولي که به عنوان فاز تقويت کننده به کار گرفته مي‌شوند، عبارتند از شيشه‌ها، فلزات، پليمرها و گرانيت. تقويتکننده‌ها در شکل‌هاي مختلفي از جمله فيبرهاي پيوسته، فيبرهاي کوتاه يا ويسکرها و ذرات توليد مي‌شوند (شکل3-3). تقويت کننده‌ها باعث ايجاد ويژگي‌هاي مطلوبي از جمله استحکام و مدول بالا، وزن کم، مقاومت محيطي مناسب، کشيدگي خوب، هزينه کم، در دسترسپذيري مناسب و سادگي ساخت کامپوزيت مي‌گردند [12].

1-5-5 نانو کامپوزيت
نانو کامپوزيت‌ها مواد مرکبي هستند که ابعاد يکي از اجزاي تشکيلدهنده آن‌ها در محدوده نانو‌متري باشد. نانوکامپوزيت‌ها هم، در دو فاز تشکيل مي‌شود. در فاز اول، ساختار بلوري در ابعاد نانو ساخته مي‌شود که زمينه کامپوزيت به شمار مي‌رود. در فاز دوم هم ذراتي در مقياس نانو به عنوان تقويت کننده براي بهبود ويژگي‌ها به فاز زمينه افزوده مي‌شود. توزيع يکنواخت اين فاز در ماده زمينه باعث مي‌شود که فصل مشترک ماده تقويت کننده با ماده زمينه در واحد حجم، مساحت بالايي داشته باشد [13].
شکل 1-3 نمايشي از انواع مختلف تقويت کننده‌ها در کامپوزيت [12].
1-6 خلاصه
در اين فصل به بيان بعضي مفاهيم اوليه پرداختهشد. خلاصه کوتاهي از فناوري نانو، نانوساختارها و روش‌هاي ساخت آن‌ها گفته شد. بعد از آن مواد متخلخل بررسي شد و در نهايت مختصري در مورد کامپوزيت‌ها، ويژگي‌ها و نانوکامپوزيت‌ها بيان شد.

فصل دوم
آئروژلها و مروري بر خواص مغناطيسي

2-1 تاريخچه
حوزهي پژوهشي آئروژل هر ساله به طور وسيعي افزايش مي‌يابد به طوري که امروزه توجه بسياري از دانشمندان جهان را به خود اختصاص دادهاست.
اولين بار ساموئل استفان کيستلر37 در سال 1931 با ايدهي جايگزيني فاز مايع با گاز در ژل همراه با انقباض کم، آئروژل را توليد کرد. در آن زمان سعي ايشان بر اثبات وجود شبکه‌هاي جامد در درون ساختار ژل بود. يک روش براي اثبات اين نظريه، برداشتن فاز مايع از فاز مرطوب ژل بدون اينکه ساختار جامد از بين برود مطرح بود. براي اين کار او با استفاده از يک اوتوکلاو، فاز مايع را از ژل خارجکرد که جامد باقي مانده چگالي بسيار پاييني داشت. او دما و فشار داخلي اوتوکلاو را به نقطه بحراني مايع رساند تا بر کشش سطحي مايع غلبهکند و ساختار داخلي ژل را از فروپاشي برهاند. به اين ترتيب او با موفقيت اولين آئروژل پايه سيليکا را توليد کرد. ولي به دليل سختي کار، براي حدود نيمقرن پژوهشي در اين زمينه صورت نگرفت. اما از همان ابتدا براي دانشمنداني چون کيستلر، واضح بود که آئروژل ويژگي‌هاي برجسته‌اي مانند چگالي پايين و رسانايي گرمايي ناچيزي دارد [14].
در سال‌هاي اخير، ساختن آئروژل به معناي رساندن الکل به فشار و دماي بخار شدني و به طبع آن به‌دست‌آوردن نقطهي بحراني است و باعث استخراج فوق بحراني از ژل مي‌شود. سپس، در سال 1970، دانشمند فرانسوي تايکنر38 و همکارانش براي بهبود فرآيند توليد دولت فرانسه، موفق شدند روش جديدي به غير از روش کيستلر براي تهيهي آئروژل کشف کنند و آن را روش سل-ژل ناميدند. در اين روش آلکوکسي سيلان با سيليکات سديم، که به وسيله کيستلر استفاده مي‌شد، جايگزين گرديد. با ظهور روش ارائه شده به وسيله‌ي تايکنر پيشرفت‌هاي جديدي در علم آئروژل و فناوري ساخت آن حاصل شد و پژوهش‌گران زيادي به مطالعه در اين زمينه روي آوردند. به دليل انجام مطالعات، تحقيقات و اقدامات صنعتي و نيمه صنعتي که در دهه 70 و 80 بر روي آئروژل‌ها صورت گرفت، اين دوره را عصر رنسانس آئروژل ناميدند. [15].
اين مواد جايگاه خود را به عنوان مواد جامدي با چگالي و رسانايي گرمايي پايين به‌دست آوردند. پايين‌ترين چگالي آئروژل توليد شده 1/0 ميليگرم بر سانتيمتر مکعب است، تا حدي که نمونه مي‌تواند در هوا شناور بماند. گرچه براي ساخت جامد آئروژل مواد بسياري مي‌توانند استفاده شوند ولي آئروژل‌هاي 2SiO متداول‌ترند. البته مي‌توان با واردکردن مواد مختلف در ساختار آئروژل در حين فرآيند ژل شدن، به بهبود ويژگي‌هاي نمونه‌هاي نتيجه شده کمک کرد [16].
آئروژل‌ها را مي‌توان به عنوان يک ماده منحصر به فرد در زمينه فناوري سبز در نظر گرفت. هشدار جهاني، تهديد آيندهي محيط زيست توسط گاز‌هاي گلخانهاي توليد شده بهدست بشر را تأييد مي‌کند. آيندهي انرژي‌هاي قابل دسترس به خاطر کمشدن منابع نفتي و حتي افزايش تقاضا براي محصولات نفتي، در خطر است. آئروژل‌ها بارها و بارها به افزايش بازدهي برخي ماشين‌ها و سيستم‌ها و کمک به کاهش مصرف انرژي ياري رسانده‌اند. همچنين آئروژل‌ها مي‌توانند آلاينده‌هاي آب را بيرون بکشند و با گرفتن ذرات مضر قبل از ورود به اکوسيستم، سبب تخريبنشدن محيط زيست شوند. دانشمندان دريافتند که اين فناوري براي تجديد و حفاظت از انرژي به توسعهي بيشتري نياز دارد [17].

2-2 شيمي سطح آئروژل
سيليکا آئروژل حاوي ذرات نانومتري هستند. اين ترکيبات داراي نسبت سطح به حجم بالا و مساحت سطح ويژهي زيادي هستند. شيمي سطح داخلي در آئروژل‌ها نقش اساسي را در بروز رفتار‌هاي بي‌نظير فيزيکي و شيميايي آن‌ها، ايفا مي‌کند. ماهيت سطح آئروژل‌ها تا حد زيادي به شرايط تهيهي آن‌ها بستگي دارد. انتخاب فرآيند مربوط به ترکيبات شيميايي و ويژگي‌هاي مورد نظر مشخص براي نانوذرات وابسته است. دو روش پايه براي توليد نانوذرات استفاده مي‌شود:
روش از بالا به پايين
اشاره به خردکردن مکانيکي مواد با استفاده از فرآيند آسيابکاري دارد. در اين فرآيند مواد اوليه به بلوک‌هاي پايهي بيشتري شکسته مي‌شوند.
روش پايين به بالا
اشاره به ساخت سيستم پيچيده به وسيله ترکيب اجزاي سطح اتم دارد. در اين فرآيند ساختارها به وسيله فرآيندهاي شيميايي ساخته مي‌شوند.
روش پايين به بالا بر پايه ويژگي‌هاي فيزيکي و شيميايي اتمي يا مولکولي خود تنظيم مي‌شوند. اين روش به دليل ساختار پيچيده اتم يا مولکول، کنترل بهتر اندازه و شکل آن‌ها انتخاب شد. روش پايين به بالا شامل فرآيندهاي آئروسل، واکنش‌هاي بارش و فرآيند سل-ژل است [18].
مرحله اول ساختن آئروژل توليد ژل خيس است که بهترين روش براي ساخت آن استفاده از پيشماده الکوکسيد سيليکون، مانند TEOS است. شيمي ساخت Si(OCH2CH3)TEOS است که با اضافه کردن آب، واکنش شيميايي زير صورت مي‌گيرد [19] :
?Si(O?CH?_2 ?CH?_3)?_(4(liq))+?2(H_2 O)?_((liq))??SiO_2?_solid+?4(HO?CH?_2 ?CH?_3)?_liq

اتم سليکون به دليل داشتن بار جزئي مثبت کاهشيافته (?+) نسبت به ديگر انواع آئروژل بيشتر مورد مطالعه قرار گرفت. در Si(OEt39)?+ حدود 32/0 است. اين بار مثبت جزئي کاهش يافته، روند ژل شدن پيشماده سيليکا را آهسته مي‌کند.
پيشمادهي الکوکسيد M(OR) هستندکه اولين بار توسط امبلن40 براي سنتز سيليکا آئروژل استفاده شد. در اين ترکيب M نشان دهندهي گروه فلزي، OR گروه الکوکسيد و R تعيينکنندهي گروه الکلي هستند. الکوکسيدها معمولا در محلول منبع الکلي خود موجود هستند و امکان خشک کردن اين ژل‌ها را در چنين محلول‌هايي فراهم مي‌کند [20].
اگر آئروژل از طريق خشک کردن به وسيله الکل تهيه گردد، گروه‌هاي آلکوکسي (OR) تشکيل دهنده سطح آن است و در اين سطح آئروژل خاصيت آبگريزي41 پيدا مي‌کند. اگر تهيه آئروژل از طريق فرآيند دي اکسيد کربن باشد آنگاه سطح آئروژل را گروه‌هاي هيدروکسيد (OH) فرا مي‌گيرد و خاصيت آب‌دوست42 پيدا خواهدکرد و مستقيما مي‌تواند رطوبت هوا را جذب نمايد. البته با حرارت دادن مي‌توان رطوبت جذب شده را از ساختار آئروژل حذف نمود. شکل 1-2 به خوبي خاصيت آب‌دوست و آبگريزي را در ساختار آئروژل‌هاي با گروه‌هاي عاملي مختلف نشان مي‌دهد [21].

شکل 2-1 برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگريز، ب) آئروژل آب‌دوست [18].

2-3 تئوري فيزيکي
اتصال شبکه نانو مقياس سيليکاي جامد آئروژل‌هاي پايه سيليکا، ويژگي‌هاي منحصر به فردي را به آن‌ها مي‌دهد. کسر يوني پيوند کووالانت قطبي براي اکسيدهاي فلزي مختلف از رابطهي زير نتيجه مي‌شود:
F_ionic=1-exp?(-0.25 (X_M-X_O )^2)
که XO و XM الکترون‌خواهي O و M را نشان مي‌دهد. 2SiO مقدار F_ionic 54/0 دارد که طيف مقدار زاويه Si-O-Si را گسترده کرده و شبکه تصادفي را مي‌دهد. چهار اکسيد ديگر زاويه يوني بزرگ‌تر و مقدار کوچک‌تر زاويه پيوند را سبب مي‌شوند. به اين معني که پيوند تصادفي فقط روي ماکرومقياس‌هاي بيشتر با ذرات کلوييدي بزرگ‌تر و متراکم‌تر اتفاق مي‌افتد، در اين صورت، ژل به جاي شکلگرفتن شبکهي تصادفي اتصالات به صورت ذره تشکيل مي‌شود [14]. شبکهي اتصالات سيليکا براي وزن نسبي‌اش يک جامد محکم را ايجاد مي‌کند.


پاسخ دهید