فناوری نانو یعنی توانمندی در درک رفتار مواد و سیستمها در مقیاس نانو (1 تا 100 نانومتر) و کنترل و بهرهگیری از این رفتارها. درواقع به توانايي ساخت، كنترل و استفاده از مواد در ابعاد نانومتري (1 تا 100 نانومتر) فناوری نانو گفته میشود. اين فناوری جديد توانايي آن را دارد كه در دهه های آینده تأثير اساسي بر كشورهاي صنعتي بگذارد.
شکل 1- مقایسه تقریبی اندازه یک نانولوله کربنی و فولرین.
کاربردهای فناوری نانو
فناوری نانو یک حوزۀ بین رشتهای است. یعنی جدا و مستقل از رشته های دیگر نیست، بنابراین کاربردهای فراوانی در علوم زیستی، کشاورزی، الکترونیک، صنایع غذایی، هوافضا، نفت و گاز، خودروسازی، داروسازی، پزشکی، صنایع فلزی و … دارد.
نانولوله کربنی چیست؟
همانطور که میدانید، اتمهای کربن در ساخت ترکیبات مهم شیمیایی بسیاری شرکت دارند و پایه و اساس فناوریهای مختلفی هستند. این اتمها علاوه بر ترکیب شدن با عناصر دیگر، میتوانند با اتمهای کربن نیز پیوند دهند. در نتیجۀ پیوند اتمهای کربن به صورت کاملاً منظم با یکدیگر، چهار ساختار جامد گرافیت، الماس، نانولوله های کربنی و فولرین شکل میگیرند (شکل 2).
شکل 2- ترکیبات مختلف کربن در نتیجه پیوند اتمهای آن با یکدیگر. به ترتیب از چپ به راست: فولرین، نانولوله کربنی، صفحه گرافن و گرافیتی.
همانطور که در شکل 2 مشاهده میشود از قرارگرفتن شش اتم کربن که به صورت شش ضلعی منتظم که با پیوند کوالانسی کنار هم قرار می گیرند، لایه های گرافیتی تشکیل می شوند که این لایه ها با لایه های زیرین خود پیوند واندروالسی دارند. نانولوله ها در حقیقت لایه های گرافیتی هستند که به صورت استوانهای در آمدهاند و بسته به نوع اتصالشان به سه دستۀ زیگزاگی، دسته صندلی و نامتقارن تقسیم می شوند. صفحه گرافنی بر حسب اینكه در چه جهتی خم شود، دارای خاصیت نیمههادی و یا فلزی میشود. از طرفی نانولوله های کربنی در دو گروه اصلی تک جداره[1] و چندجداره[2] وجود دارند که هر کدام ویژگیهای خاصی دارند (شکل 3). علاوه بر تعداد دیوارها، نانولوله ها بر اساس طول (کوتاه یا بلند) و باز یا بسته بودن انتهای خود طبقهبندی میشوند. قطر یک نانو لوله در حدود چند نانومتر است. در حالی که طول آن می تواند به چندین میلی متر برسد.
شکل 3- نانولوله کربنی تک جداره (SWCNT) و چند جداره (MWCNT).
ویژگیهای نانولوله های کربنی
از ویژگیهای برجستۀ نانولوله های کربنی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- استحکام کششی 100 برابر فولاد (تقریباً 200 گیگا پاسکال)، زیرا نانولوله ها دارای پیوندهای محکمی در بین اتمهایشان می باشند و به همین علت در برابر نیروهای کششی مقاومت واستحکام زیادی از خود نشان میدهند.
- دارای مدول یانگ بسیار زیاد معادل یک ترا پاسکال (4برابر سختی الماس)، این مقدار برای آلومینیوم معادل 70 گیگا پاسکال و برای فیبر کربنی 700 گیگا پاسکال میباشد.
- انعطاف و پیچشپذیری خوب، پیوندهای بین اتمی در نانولولهها علاوه بر ایجاداستحکام بالا، شکلپذیری آسان و حتی پیچش را درآنها میسر میسازد. در حالی که فولاد تنها دربرابر نیروهای کششی دارای مقاومت است و برای پیچش انعطاف پذیری لازم را ندارد. حداکثر کرنش نانولوله های کربنی 10 درصد بیشتر از سایر مواد است.
- رسانایی حرارتی زیاد، به طوری که نانولوله های کربنی در دمای اتاق، رسانایی حرارتی بالاتری نسبت به الماس و گرافیت دارند. هدایت حرارتی در جهت محوری نانولوله های کربنی تقریباً W/mK ۳۰۰۰ است در حالی كه در جهت شعاعی این مقدار بسیار اندك است.
- رسانایی الکتریکی بسیار بالا و توانایی حمل جریانی 6 برابر بالاتر از مس، این مقدار بستگی به میزان نظم در قرار گرفتن اتمها دارد. این مورد جزء مهمترین خاصیت فیزیکی نانولوله ها دستهبندی میشود.
- ممان مغناطیسی بسیار بزرگ
- قابلیت گسیل و جذب نور
بسیاری از ویژگیهای یاد شده در نانولوله ها به دلیل وجود عیوب ساختاری بسیار کم در آنها است. مثلاً فولاد با استحكام بالا، در ۱ درصد استحكام تئوری شكست خود، میشكند. اما خواص نانولوله ها، به خاطر ساختار بدون عیب آنها به مقادیر تئوری بسیار نزدیك است. این جنبه بخشی از داستان منحصر بفرد بودن نانولولهها است.
ویژگیهای نانولوله های کربنی به حدی منحصر به فرد بوده است که در سالهای اخیر تحقیقات فراوانی بر روی آنها انجام شده است. بر اساس تحقیقات صورت گرفته، تعداد مقالات و پتنتهای به ثبت رسیده در مورد نانولوله های کربنی منتشر شده بین سالهای 2000 الی 2010 در شکل 4 نشان داده شده است. همچنین مقایسه تمرکز این مقالات و پتنتها به نوع و ساختار نانولوله های کربنی مختلف در شکل 5 نشان داده شده است][1][.
شکل 4- مقایسه تعداد پتنتها و مقالات بین المللی منتشر شده در مورد نانولوله های کربنی بین سالهای 2000 تا 2010 ]1[.
شکل 5- مقایسه تمرکز مقالات و پتنتهای منتشر شده بر نوع و ساختار نانولوله های کربنی مختلف بین سالهای 2000 تا 2010 ]1[.
کاربردهای نانولوله های کربنی در صنایع مختلف
نانولوله های کربنی به دلیل دارا بودن ویژگیهای منحصر به فرد، کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف دارند که در ادامه به بخشی از این کاربردها اشاره میشود.
کاربرد در صنعت الکترونیک: اتصالات سیمهای كوانتومی از جنس CNT، دیودها و ترانزیستورهای محاسباتی، ذخیره اطلاعات، خازنها، نوسانگرهای تراهرتزی و صفحات نمایشگر تخت، حافظههای رایانهای غیرفرار، نمایشگرهای تلویزیونی با عملكرد بالا، مدارهای منطقی و پردازندههای فوق سریع.
كاربردهای مكانیكی و ساختاری: كامپوزیتها با استحكام بالا، كابلها، مبدلهای حرارتی، رادیاتورها، سدهای حرارتی، مخازن سرما، سپر پرتوهای خطرناك، لباسهای فضایی، زره، انواع جدید بستهبندیها، محصولاتی برای مدیریت گرمایی و غشاءهای فیلتراسیون.
کاربرد در حسگرها و ماشینهای مولكولی: تولید میكروسكوپهایی بر مبنای CNT:AFM, STM ، حسگرهای ارزان اما فوقالعاده حساس، بیوحسگرها، موتورها، محركها و چرخدندههای مولكولی، كانالهای یونی، راكتورهایی در ابعاد نانو، باتریها، سلولهای انرژی، ذخیره لیتیم و هیدروژن، و بیومواد.
نانولوله های کربنی چه کاربردی در صنایع فلزی دارند؟
در طی 20 سال گذشته، پژوهشهای فراوانی در زمینۀ ترکیب نانولوله های کربنی با فلزات مختلفی از قبیل نیکل، آلومینیوم، مس، منیزیم و تیتانیوم انجام شده است. همچنین روشهای تولیدی مختلفی از قبیل آلیاژسازی مکانیکی، متالورژی پودر و روشهای شیمیایی برای انجام این ترکیبات به کار گرفته شده است. شکل 6 و شکل 7 مقایسه آماری تعداد پژوهشهای منتشر شده در زمینۀ ترکیب فلزات متفاوت با نانولوله های کربنی را در طی سالهای مختلف نشان میدهند. بر اساس این آمار، فلزات آلومینیوم و نیکل بیشترین سهم در ترکیب با نانولوله های کربنی را به خود اختصاص میدهند. در ادامه به برخی از کاربردهای نانولوله های کربنی در صنایع مختلف اشاره میشود.
شکل 6- مقایسه آماری تعداد پژوهشهای انجام گرفته در طی سالهای مختلف در زمینۀ ترکیب فلزات مختلف (آلومینیوم، نیکل، مس، منیزیم و …) با نانولوله های کربنی به منظور ایجاد ویژگی خاصی در آن ]4[.
شکل 7- سهم فلزات مختلف در ترکیب با نانولوله های کربنی مربوط به پژوهشهای صورت گرفته در طی سالهای 1998 تا 2009 (مربوط به نمودار شکل قبل) ]4[.
خودروسازی
کاربرد فناوریهای نوین از جمله فناوری نانو در صنایع خودرو برای تولید خودروهای با کیفیت فنی و ضریب ایمنی بالاتر و همچنین جذب بازار این محصول همواره مورد توجه خودروسازان بوده و هست. امروزه با پیشرفت فناوری نانو تعدادی از شرکتهای مهم خودرو سازی از دستاوردهای آن در تولید و ارتقای خودروها استفاده میکنند. یکی از مهمترین بخشهای خودرو بدنه آن است که نقش تعیین کنندهای در ایمنی و مصرف سوخت و زیبایی آن دارد. برای بهینه سازی مصرف سوخت، بدنه خودرو باید با مواد سبکتر جایگزین شود. این مواد سبک باید استحکام مناسبی نیز داشته و از استانداردهای لازم برخوردار باشند. نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی تقویت شده با نانولولههای کربنی موادی هستند که میتوانند به عنوان جایگزین مناسبی برای بدنه خودرو و هواپیما مورد استفاده قرار گرفته و استانداردهای لازم را بیش از حد مورد انتظار برآورده نمایند. به عنوان مثال استفاده از نانولولههای کربنی در قالب کناری خودروی شورلت ایمپالا[3] باعث کاهش 7 درصدی وزن خودرو و بهبود کیفیت سطحی و افزایش مقاومت در برابر آسیب و خراش شده است ]2[.
علاوه بر بدنه خودرو، از نانولوله های کربنی در قطعات مربوط به سامانه های سوخت و لوله های سوخت به منظور افزایش مقاومت در برابر نشت سوخت، در قطعات خارجی خودرو برای ایجاد قابلیت رنگآمیزی الکتروستاتیک استفاده کرد و همینطور در پایه ها و نگهدارنده های موتور به منظور کاهش لرزش استفاده میشود ][2][.
شکل 8- استفاده از نانولوله های کربنی در بخشهای فلزی مختلف یک خودرو.
کاربرد نانولوله های کربنی در رباتیک
نانو رباتها و نانوماشینها به طور گستردهای در حال پیشرفت هستند. تاکنون چندین نمونه از ماشینهای مولکولی آزمایش شدهاند. به عنوان مثال حسگری که دارای یک کلید به ضخامت 1.5 نانومتر میباشد قادر به شمردن مولکولهای مشخصی در یک محلول شیمیایی است. اولین کاربرد مفید نانورباتها و نانوماشینها در فناوری پزشکی بوده است که توانست سلولهای سرطانی را تشخیص دهد و نابود کند. کاربرد دیگر آن تشخیص مواد شیمیایی سمی و اندازهگیری غلظت آن در محیط است. از طرفی نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی تقویت شده با نانولوله های کربنی اصلیترین ماده برای ساخت رباتهای نظامی، به خصوص استحکام بخشیدن به زره های آنها میباشد.
در راستای کاربرد فناوری نانو در رباتیک، نانوشبکه ها به منظور افزایش قابلیت رباتها و نانوماشینهای تککاره در خصوص سازگاری و عملکرد بالاتر ایجاد شدهاند. این شبکه ها کاربردهای جدید فناوری نانو در صنعت، کاربردهای نظامی و سایر محصولات را گسترش میدهند.
شکل 9- کاربرد نانولوله های کربنی در ساخت مدارهای الکتریکی و بخشهای مختلف رباتها.
کاربرد نانولوله های کربنی در هوافضا
در صنعت هوافضا از کامپوزیتهای حاوی نانولوله های کربنی در سامانه های ترمز استفاده شده است. مقدار نانولوله استفاده شده در این کامپوزیتها بر ویژگیهای فیزیکی و اصطکاکی این مواد تأثیر بسیار زیادی میگذارد. مواد اصطکاکی حاوی نانولوله های کربنی مقاومت میرا و پایداری اصطکاکی بهبود یافتهای از خود نشان میدهند. نانولوله های کربنی نوسان نیروی اصطکاکی را هنگام گرفتن ترمز کاهش میدهند. این ویژگی به افزایش ظرفیت خفهکنندگی مواد اصطکاکی نسبت داده شده است. نانولوله های کربنی به دلیل روانکنندگی توده های پخش نشده نانولوله ای، کارایی اصطکاک را کاهش داده و به دلیل اثر کوپلینگ سطحی، رسانایی حرارتی ماده اصطکاکی را کم میکنند.
نوع خاصی کامپوزیت زمینه فلزی حاوی نانولوله های کربنی که توسط سازمان فضایی NASA بهبود یافته است در بالهای گونهای فضاپیما استفاده شده است که با تغییر ولتاژ شکل این نانوکامپوزیت نیز تغییر میکند. این سازمان فضایی کاربردهای ویژهای را در آینده برای این دسته از فضا پیماها در نظر گرفته است ]3[.
به منظور افزایش نسبت استحکام به وزن در هواپیماهای آکروبات، گونهای کامپوزیت تقویت شده با نانولوله کربنی، پوشش خارجی موتور هواپیماهای آکروبات را تشکیل میدهد. این بخش از هواپیما به شدت تحت تنشهای مختلف قرار میگیرد. افزودن نانولوله های کربنی به کامپوزیت باعث کاهش وزن بدون تضعیف استحکام آن میشود ]3[. به عنوان مثال از کامپوزیتهای زمینه آلومینیومی و تیتانیومی تقویت شده با نانولوله های کربنی به منظور ساخت پره های روتور موتورهای جت استفاده میشود .
شکل 10- کاربرد نانولوله های کربنی در بخشهای مختلف تجهیزات هوایی و فضایی به منظور افزایش استحکام و کاهش وزن.
یکی دیگر از مصارف نانولوله های کربنی میتوان به کاربرد آنها برای ساخت ژنراتورهای بادی سبک اشاره کرد.
نانولوله های کربنی در کاربردهای پزشکی
پژوهشگران در حال بهبود ایمپلنتهای دندان با افزودن نانولوله های کربنی به سطح آنها میباشند. آنها نشان دادهاند که چسبندگی استخوان به ایمپلنتها تیتانیومی حاوی نانولوله های کربنی به مراتب بهتر از ایمپلنتهای تیتانیومی معمولی است. همچنین به منظور ساخت دست و پاهای مصنوعی از کامپوزیتهای زمینه فلزی استفاده شده است که توسط نانولوله های کربنی تقویت شدهاند تا استحکام و انعطافپذیری بالاتری پیدا کنند ][3][.
شکل 11- کاربرد نانولوله های کربنی در ایمپلنت دندان به منظور دستیابی به استحکام بالاتر، وزن سبکتر و زیست سازگاری بیشتر.
از آنجاییکه بخش بسیار زیادی از کاربرد نانولوله های کربنی مورد استفاده در فلزات و صنایع فلزی مربوط به کامپوزیتهای زمینه فلزی تقویت شده با این نانولوله ها میباشد، در ادامه توضیح جامعتری از این نانوکامپوزیتها داده شده است.
کامپوزیتهای زمینه فلزی تقویت شده با نانولوله های کربنی
همانطورکه پیشتر بیان شد، در چند سال اخیر نانولولههای کربنی در تولید و ساخت نانوکامپوزیتها به عنوان فاز تقویتکننده به کار رفتهاند. اگرچه اکثر مطالعات در زمینة نانوکامپوزیتهای زمینة پلیمری بوده است ولی تلاشهای زیادی نیز در ساخت نانوکامپوزیتهای فلزی و سرامیکی انجام شده است. در شکل زیر مقایسه آماری از تعداد انتشارات مربوط به کامپوزیتهای زمینه پلیمری، سرامیکی و فلزی نشان داده شده است که توسط نانولوله های کربنی تقویت شدهاند]4[.
شکل 12- نمودار مقایسه آماری تعداد تحقیقات انجام شده در طی سالهای مختلف بر روی انواع کامپوزیتهای زمینه پلیمری، سرامیکی و فلزی تقویت شده با نانولوله های کربنی ]4[.
افزودن مقدار کمی از نانولوله های کربنی به آلیاژها، استحکام کششی و مدول الاستیسیته آنها را به مقدار زیادی افزایش میدهد. کامپوزیت زمینه آلومینیومی تقویت شده با نانولوله ها کربنی چند جداره دارای استحکامی قابل مقایسه با فولادهای زنگنزن (7/0 تا 1 گیگا پاسکال) داشته در حالی که یک سوم چگالی آنها را دارد.
ویژگیهای عالی نانولوله های کربنی باعث شده است که گروه های بسیاری بر روی خواص کامپوزیتهای آن کار کنند. توزیع یکنواخت نانولولهها در زمینه کامپوزیت و بهبود چسبندگی نانولوله با زمینه در فرآوری این نانوکامپوزیتها از موضوعهای بسیار مهم است. شیوه توزیع نانولوله ها در زمینه از پارامترهای مهم در استحکامدهی به کامپوزیت میباشد. هنگامی که نانولولهها به صورت طنابی شکل در زمینه توزیع شوند، لغزش آنها به شدت بر روی خواص الاستیکی کامپوزیت تأثیرگذار خواهد بود. لغزش نانولولهها به علت عدم اتصال قوی بین نانولولهها و زمینه میباشد. آگلومرهشدن نانولولهها نیز باعث میشود که نسبت وجهی (طول به قطر) فازِ تقویت کننده کاهش یابد.
همانطور که اشاره شد، خواص مکانیکی و فیزیکی عالی نانولولههای کربنی، به همراه چگالی پایین آنها، کربن را به عنوان یک کاندیدای عالی برای استحکامدهی به کامپوزیتها معرفی کرده است. درک کامل رفتار حرارتی- مکانیکی نانوکامپوزیتهای ساختهشده با نانولولههای کربنی، نیاز به آشنایی با رفتار الاستیک و خصوصیات شکست نانولولههای کربنی و همچنین فصل مشترک ماده زمینه با نانولوله دارد.
شکل 13- کاربرد نانوکامپوزیتهای فلزی تقویت شده با نانولوله های کربنی در صنایع مختلف ]4[.
همچنین با کاهشیافتن ابعاد، چالشهایی در فرآوری، تعیین مشخصات، اندازهگیری رفتار الاستیک و شکست این کامپوزیتها نیز وجود دارد. تحقیقات اولیه، پتانسیل بالای نانولولهها را در تقویتکردن مواد نشان میدهد ولی مطالعات بنیادی برای رفع چالشهای ذکرشده بسیار مهم میباشد. شکل 14 نمودار مقایسه تعداد تحقیقات منتشر شده در طی 50 سال گذشته در مورد کامپوزیتهای زمینه فلزی تقویت شده با تقویتکننده های مختلف از جمله نانولوله های کربنی را نشان میدهد ][4][.
شکل 14- نمودار مقایسه تعداد تحقیقات منتشر شده در سالهای مختلف در مورد کامپوزیتهای زمینه فلزی تقویت شده با فیبر کربنی، فیبر شیشه، فیبر برون، نکستل، ویسکر SiC و نانولوله های کربنی ]4[.
همانطور که در نمودار نشان داده شده است، کامپوزیتهای فلزی تقویت شده با نانولوله های کربنی جدیدترین نوع کامپوزیتهای فلزی محسوب میشوند و نرخ رشد مطالعات انجام گرفته بر روی آنها بسیار سریعتر از سایر کامپوزیتها بوده است.
روشهای تولید نانوکامپوزیتهای فلزی تقویت شده با نانولوله های کربنی
اخیراً پژوهشگران با استفاده از پرس در دمای بالا، نانوکامپوزیتهایی را تولید کردهاند که چقرمگی و استحکام شکست آنها 10 درصد بهتر از نمونه های پیشین بوده است ][5][. در تحقیق دیگری نیز محققان به هدف تولید پودرهای کامپوزیتی، تکنیکهایی را برای ساخت نانولولههای کربنی به صورت درجا توسعه دادهاند. این پودرها در مراحل بعد به منظور تولید یک قطعه کامپوزیتی در دمای بالا فشرده میشوند ][6][.
گروهی دیگر از محققان نیز از روشهای الکترولیز برای تولید نانوکامپوزیتهای با زمینه فلزی توسط نانولولههای کربنی استفاده کردهاند. به عنوان مثال این بررسیها نشاندهنده بهبود اندکی در هدایت الکتریکی آلومینیوم با افزایش درصد حجمی نانولوله میباشد ]6[.
روشهای مختلف ساخت کامپوزیتهای زمینه فلزی تقویت شده با نانولوله های کربنی در جدول زیر خلاصه شدهاند:
جدول 1- روشهای ساخت نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی تقویت شده با نانولوله های کربنی.
| ردیف | نام روش کلی و زیرمجموعه های آن | |||||||||||||||
| 1 | تکنیکهای متالورژی پودر | |||||||||||||||
| تفجوشی متداول | پرس گرم | تفجوشی به کمک قوس پلاسما | فرایند تغییرشکل[4] | فرایند پودری نیمه جامد[5] | ||||||||||||
| 2 | روشهای الکتروشیمیایی (برای کاربردهای غیر ساختاری) | |||||||||||||||
| رسوبدهی الکتریکی[6] | رسوبدهی الکترولس[7] | |||||||||||||||
| 3 | پاشش گرمایی | |||||||||||||||
| پاشش پلاسمایی[8] | پاشش HVOF [9] | پاشش سرد سینتیکی[10] | ||||||||||||||
| 4 | فرایندهای ذوبی | |||||||||||||||
| ریختهگری | فیلتراسیون مذاب[11] | |||||||||||||||
| 5 | روشهای نوین | |||||||||||||||
| اختلاط سطح مولکولی[12] | کندوپاش[13] | فرایند ساندویچی[14] | فرایند پیچشی/اصطکاکی[15] | رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) | رسوبدهی فیزیکی از فاز بخار (PVD) | پراکندگی نانومقیاس[16] | رسوبدهی لیزری پالسی[17] | |||||||||
طبق تحقیقات به عمل آمده، تا قبل از سال 2005 میلادی، هیچ پژوهشی مبنی بر بهبود خواص مکانیکی کامپوزیتهای زمینه فلزی در اثر افزودن نانولوله های کربنی چند جداره گزارش نشده است؛ که دلیل اصلی آن مشکلات پراکنده ساختن نانولوله های کربنی به صورت همگن در زمینه فلزی و کنترل واکنشهای اتفاق افتاده بین CNT و زمینه بود. به منظور حل این مشکلات، یکی از روشهایی که امروزه به منظور تقویت نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی با نانولوله های کربنی استفاده میشود، متالورژی پودر است. در شکل 15 مراحل انجام این روش نشان داده شده است ][7]، [8][.
شکل 15- مراحل انجام روش متالورژی پودر به منظور تولید نانوکامپوزیت زمینه فلزی تقویت شده با نانولوله های کربنی ]7[.
در ادامه تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نانولوله های کربنی چند جداره و همچنین پودرهای زمینه فلزی (آلومینیوم AA5XXX) آمیخته شده با نانولوله های کربنی قبل و بعد از مرحله تفجوشی تحت فشار نشان داده شده است.
شکل 16- تصویر SEM از نانولوله های کربنی چند جداره ]7[.
شکل 17- تصویر SEM از نانولوله های چند جداره پراکنده شده در زمینۀ پودرهای آلومینیوم AA5XXX به روش آسیاب گلوله ای ]7[.
شکل 18- تصویر SEM از نانوکامپوزیت زمینه فلزی آلومینیوم AA5XXX تقویت شده با نانولول ه های کربنی چند جداره بعد از مرحله پرس ایزواستاتیک گرم ]7[.
از جمله روشهای معمول و تجاری شده که امروزه به منظور آماده سازی و پراکندن نانولوله های کربنی در زمینه فلزی مورد استفاده قرار میگیرند عبارتند از ][9][:
- روشهایی که بر پایۀ فرآیندهای مکانیکی مانند آسیابکاری و اختلاط مکانیکی میباشند. در اینگونه فرایندها به منظور جلوگیری از آگلومره شدن ذرات پودر و ایجاد یک مخلوط همگن، پیشنهاد میشود از روشهای آسیاب کاری پرانرژی استفاده میشود.
- پراکندن نانولوله های کربنی (به خصوص نوع تک دیواره) در حلالهای مختلف، و استفاده از سورفکتانت یا امواج فراصوت به منظور کمک به همگن سازی. حلالهای رایج که در این روش استفاده میشوند معمولاً حلالهای آلی و بر پایه آمیدها هستند.
- پراکندن نانولوله های کربنی در اسیدها و استفاده از امواج فراصوت به منظور همگن سازی و سپس وارد کردن آنها به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت.
- پوشش دادن سطح نانولوله های کربنی با مولکولهای فلزاتی مانند مس، کبالت، نیکل، طلا، نقره و … با استفاده از روشهای الکترولس/ اختلاط سطح مولکولی[18]، روشهای رسوبدهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) و رسوبدهی فیزیکی از فاز بخار (PVD) قبل از اعمال شدن به درون کامپوزیت. این امر باعث توزیع مناسب نانولوله ها در کامپوزیت خواهد شد و همچنین باعث افزایش نقاط پر انرژی در سطح فاز تقویتکننده میشود که در نهایت باعث بهبود چسبندگی بین فاز زمینه و تقویتکننده میگردد.
پس از آماده سازی نانولوله های کربنی بوسیلۀ یکی از روشهای مذکور، به منظور افزودن این نانولوله های کربنی به زمینۀ فلزی مورد نظر روشهای مختلفی وجود دارد که امروزه تنها تعدادی از این روشها تجاری سازی شدهاند که عبارتند از ]9[:
- روشهای تولید برپایۀ حالت جامد- با استفاده از تکنیکهای متالورژی پودر که معمولاً با فرایندهایی نظیر پرس سرد، تثبیت گرم مانند تف جوشی، پرس گرم، پرس ایزواستاتیک گرم، فورجینگ و اسکتروژن همراه میباشد.
- روشهای تولید برپایۀ حالت مایع- شامل فرایندهای نفوذی، مانند روش ریختهگری تحت فشار است. به این صورت که نانولوله های کربنی آماده شده درون قالبهای مخصوص ریخته میشوند، سپس فلز یا آلیاژ مورد نظر در همان قالب ریخته میشود و مجموعه تا بالاتر از نقطۀ ذوب فلز مورد نظر تحت حرارت قرار میگیرد. متناسب با ویژگیهای ترکنندگی و نفوذی آلیاژ مورد نظر، اختلاط صورت میگیرد. در بعضی مواقع به منظور اختلاط بهتر و سریعتر، فشار (مکانیکی یا از طریق یک گاز) به سیستم وارد میشود .
فعالیتهای صنعتی و تحقیقاتی انجام شده
شرکت Alfa Aesar یکی از شرکتهای تابعه Johnson Matthey و تولیدکننده ترکیبات شیمیایی، فلزات و مواد مورد نیاز در تحقیق، توسعه و تولید است. یکی از محصولات این شرکت تولید نانوکامپوزیتهای فلزی است که از نانولولههای کربنی در آنها استفاده شده است. ذرات تقویت کننده در این نانوکامپوزیتها دارای توزیع بسیار یکنواخت هستند. کاربرد این نانوکامپوزیتها در چارچوبها و قطعات مختلف خودرو میباشد ][10][.
شرکت Arry International تولید کننده نانولوله های کربنی به شمار میرود. آنها میتوانند روزانه 200 گرم نانولولهکربنی تکدیواره با خلوص بالای 80 درصد، 100 گرم نانولوله کربنی تکدیواره با خلوص بالای 90 درصد، 20 گرم نانولوله کربنی دو دیواره با خلوص بالای 50 درصد و 20 گرم نانولوله کربنی چند دیواره با قطر بین 30 تا 50 نانومتر و خلوص بالای 95 درصد را تولید کنند. آنها محصولات خود را هم در گرید آزمایشگاهی و هم در گرید صنعتی تولید میکنند. این نانولوله ها به منظور استفاده در چارچوبها و قطعات مختلف مورد میباشند ][11][.
شکل 15 تصویری از بزرگترین شرکتهای تولید کننده نانولوله های کربنی در سراسر جهان را به صورت شماتیک نشان داده شده است ]7[.
شکل 19- بزرگترین شرکتهای تولید کننده نانولوله های کربنی در جهان ][12][.
در میان شرکتهای خارجی برخی فعالیتهای تحقیقاتی و صنعتی نیز در داخل کشور در رابطه با تولید نانولوله های کربنی و کاربرد آنها در فلزات مختلف انجام میشود. به عنوان مثال شرکت نانوپودر پویا[19] به عنوان یک شرکت دانش بنیان حوزه فناوری نانو، نانولوله های کربنی را با استفاده از فرایند رسوبدهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) در مقیاس آزمایشگاهی تولید میکند. همچنین نانو لوله های کربنی در مقیاس نیمه صنعتی در کیفیت قابل قبول در پژوهشگاه صنعا نفت تولید می شود.
از طرفی تعداد پایان نامه های تحصیلات تکمیلی (کارشناسی ارشد و دکتری تخصصی) مرتبط با کاربرد نانولوله های کربنی در مواد مختلف که در سالهای اخیر در پایگاه اینترنتی ستاد توسعه فناوری نانو به ثبت رسیده است در جدول زیر نشان داده شده است.
| موضوع پایان نامه | کارشناسی ارشد | دکتری تخصصی |
| کاربرد نانولوله های کربنی در مواد مختلف | 267 | 61 |
——————————————-
منابع و مراجع
[1] Single wall
[2] Multi wall
[3] Chevrolet Impala
[4] Deformation processing
[5] Semi-Solid powder processing
[6] Electro deposition
[7] Electroless deposition
[8] Plasma spraying
[9] High velocity oxy fuel
[10] Cold kinetic spraying
[11] Melt infiltration
[12] Molecular level mixing
[13] Sputtering
[14] Sandwich processing
[15] Torsion/Friction processing
[16] Nano Scale Dispersion
[17] Pulsed laser deposiotion
[18] Electroless methods/ Molecular level mixing process
[19] www.nanogroup.ir
[[1]] H. Golnabi, Carbon nanotube research developments in terms of published papers and patents, synthesis and production, Scientia Iranica 2012.
[[2]] علی عباسی، مجموعه گزارشهای رصد فناوری نانو، کاربرد فناوری نانو و نانومواد در صنعت خودرو، سال 1391.
[[3]] http://www.understandingnano.com/nanotubes-carbon.html
[[4]] Arvind Agarwal, Srinivasa Rao Bakshi, Debrupa Lahiri, Carbon nanotubes: reinforced metal matrix composites, 2011, Chapter 1.
[[5]] R. Casati, M. Vedani, Metal matrix composites reinforced by nano-particles: a review, Metals, 2014.
[[6]] http://www.nano.ir/index.php?ctrl=paper&actn=paper_print&id=1017&lang=1
[[7]] J. Stein ,B. Lenczowski, et al, High-performance metal matrix composites reinforced by carbon nanotubes, 18th international conference on composite materials.
[[8]] S. Li, B. Sun, et al, Powder metallurgy titanium metal matrix composites reinforced with carbon nanotubes and graphite, Composites: Part A, 2013, 57-66.
[[9]] E. Neubauer, M. Kitzmantel, etal., Potential and challenges of metal-matrix-composites reinforced with carbon nanofibers and carbon nanotubes, Composites Science and Technology, 2010, 2228-2236.
[[12]] NanoSEE:2008, Nanomaterials Industerial Status, and Expected Evolution, 2008, Research Report #D7520. Yole Development, Lyon, France.
—————————————————
تهیه کننده:
- شرکت توسعه نانوفناوری افشار
بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
(توجه: جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید)
همچنین برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.
====================================================================================
