نانوکامپوزیت ها، خواص مهندسی و مزایای آنها

در این مقاله در رابطه با نانوکامپوزیت ها، خواص مهندسی و مزایای آنها، بهتر شدن خواص مکانیکی با ترکیب مواد و تولید نانوکامپوزیت، بهتر شدن خواص فیزیکی با استفاده از نانوکامپوزیت ها و .... توضیحاتی ارائه شده است.

پیشنهاد ویژه سایت ایران مدرس: دانلود رایگان کتاب وصله های تعمیراتی کامپوزیتی فصل پنجم - تنش در چسب، جدایش و NDI وصله های کامپوزیتی

نانوکامپوزیت یک ماده جامد چند فازی است که در آن یکی از فازها دارای یک، دو یا سه بعد کمتر از 100 نانومتر (nm) یا ساختارهایی با فاصله تکرار در مقیاس نانو بین فازهای مختلف سازنده ماده است. کامپوزیت ها و نانو کامپوزیت ها در جاهایی بکار می روند که به دوام و استحکام طولانی قطعه نیاز باشد، یعنی جاهایی که تنشهای بالا، فرایند فرسایش و محیط های چند فازی مطرح باشد. از آن جمله می‌توان به قطعات تحت برخورد و ضربه (مثل ضد گلوله ها)، قطعات تحت حرکت دوار و فرسایش (مثل مته های حفاری در چاه‌های نفت و گاز) و محیط های سیال (مثل نانوسیال ها) اشاره کرد. معمولا در برخی مقالات، پوشش‌های نانوکامپوزیتی را به دو دسته سخت (با سختی کمتر از 40 Gpa) و ابر سخت ( با سختی بیش از 40 Gpa) تقسیم می‌کنند. مبحث مواد مرکب، کامپوزیت ها و نانوکامپوزیت ها در رشته های مهندسی مختلف از جمله مهندسی مکانیک مورد بررسی قرار می گیرد. اگر در این مباحث اشکال دارید از اساتید مهندسی مکانیک کمک بگیرید.

پوشش های سخت ابر ساختار به‌صورت مواد نانو متری چند لایه اند که به طور معمول از دو لایه مختلف ساخته شده‌اند. ضخامت هر یک از لایه ها ۵ تا ۱۰ نانومتر است که می‌تواند فلزی، نیتریدی، اکسیدی یا ترکیبی از فلز و دیگر ترکیبات باشد. پوشش های سخت نانو کامپوزیتی معمولاً در یکی از گونه‌های زیر طبقه‌بندی می‌شود: 1- نانو کامپوزیت نیترید- فلز در زمینه نیتریدی یا فلزی. 2- نانو کامپوزیت کاربید- فلز در زمینه نیتریدی یا کربنی.

برای تولید پوشش های نانو کامپوزیتی فلزی، اکسایش و تراکم پذیری دو عامل مهم به شمار می‌روند. بنابراین، جنس فلز و پایداری دمای آن بسیار حائز اهمیت است. برای تعمیم کامپوزیت ها به نانو کامپوزیت ها فیبرها را با نانولوله ها جایگزین می کنیم. این فیبرها می‌توانند کوتاه، بلند، پیوسته یا جدا از هم باشند. همچنین می توانند در یک یا چند جهت گسترش یابند چنین ساختارهایی (سازه تقویت شده با فیبر ها) اغلب بر دیگر ساختار های مرسوم ایزوتروپیک مثل استیل آلومینیوم و دیگر فلزات برتری دارند. این برتری ها شامل استحکام بالا و مقاومت بالا در برابر خزش و خستگی است.

کلیک کنید: مشاهده لیست کامل اساتید تدریس خصوصی کامپوزیت

به علاوه با تغییر در نحوه آرایش فیبر ها می توان آنها را برای طراحی خاص مد نظر ما تخصصی تر کرد. این تغییر در آرایش بر دو بخش اصلی کامپوزیت، یعنی ماتریس و فیبر اعمال می شود. کامپوزیت های با بازده پایین، تقویت ها معمولا به صورت فیلم کوتاه و ریز ریز (ذره ای) استفاده می شوند که دارای سختی خوبی اند ولی استحکام پایینی دارند. در حالی که برای کامپوزیت های با بازده بالا، فیبر های بلند و پیوسته، سفتی و استحکام مطلوبی را ایجاد می‌کنند. نحوه آرایش فیبر ها در سازه با توجه به نیازمندی های سازه ای و فرآیندی که برای ساخت این بخش به کار می‌رود، تعیین می‌شوند. اغلب سازه های کامپوزیتی از ترکیب ورقه های نازکی که لامینا نامیده می شود، تشکیل می شوند. در هر لایه ممکن است فیبر ها در یک جهت خاص و یا در جهت های متفاوت از هم قرار گیرند.

مشاهده کنید: مشاهده نمونه فیلم های آموزش و تدریس خصوصی کامپوزیت و مواد مرکب

البته علاوه بر البته علاوه بر گسترش فیبر ها در جهت یا جهات خاص، از فیبرهای بافته شده در دو یا سه جهت محوری نیز استفاده میشود. خواص مکانیکی و حرارتی کامپوزیت ها به رفتار ماتریس فیبر ها و نحوه قرار گیری و موقعیت فیبرها درون ماتریس بستگی دارد. برای اینکه یک کامپوزیت به نانوکامپوزیت تبدیل شود، می‌توان روی دو قسمت از آن کار کرد:

1- زمینه: همان‌طور که بارها گفته‌ایم، اتم‌های یک ماده منظمِ بلوری، در داخل دانه‌ها قرار دارند. یعنی همه آنها در یک جهت چیده نشده‌اند، بلکه مثل سلول‌های روی پوست دست، دسته‌‌دسته اتم‌های داخل هر سلول در یک جهت خاص قرار دارند. ما برای اینکه کامپوزیت را به نانوکامپوزیت تبدیل کنیم، باید قطر دانه‌ها را نانومتری کنیم.

2- تقویت‌کننده: گفتیم که سه نوع تقویت‌کننده داریم. اگر تقویت‌کننده ما ذره‌ای باشد، با ریزکردن ذرات در حد نانومتر و وارد کردن آنها در یک زمینه، نانوکامپوزیت تولید می‌شود. اما اگر تقویت‌کننده‌های ما رشته‌ای باشند، با ریز کردن قطر رشته‌ها در حد نانومتر (یعنی تولید یک‌سری نخ نازک که قطر هر کدام بین یک تا صد نانومتر است) و وارد کردن آنها در زمینه، می‌توانیم نانوکامپوزیت تولید کنیم. اگر تقویت‌کننده ما لایه‌ای باشد، با نازک کردن لایه‌ها در حد نانومتر (ضخامت ورقه‌ها در حد 1 تا 100 نانومتر باشد) می‌توانیم نانوکامپوزیت بسازیم.

حتما بخوانید: دانلود نمونه سوال امتحانی درس کامپوزیت (مواد مرکب) رشته مهندسی مکانیک

چرا نانوکامپوزیت؟

در جواب به این سؤال، اول باید معلوم شود که چرا اصلاً از کامپوزیت استفاده می‌کنیم؟ حتماً دیده‌اید که دیوارهای خانه‌های قدیمی، خیلی ضخیم‌تر از دیوارهای ساختمان‌های امروزی‌اند، یا اگر در خانه‌های قدیمی ستون دیده باشید، به‌مراتب قطورتر از ستون‌های ساختمان‌های نوسازِ امروزی است. علت این است که برای تحمل نیروی سقف، احتیاجی به قطور کردن دیوارها یا ستون‌ها نیست. چون با زیاد کردن تعداد ستون‌ها و قرار دادن ستون‌های باریک‌تر در جاهایی که نیرو وارد می‌شود، در واقع ستون‌های کاذب را حذف می‌کنیم. در مواد مرکب هم، برای اینکه بخواهیم خواص ماده بهتر شود، لازم نیست همة ماده را از یک ماده با خواص خوب بسازیم.

مطالعه نمائید: خلاصه درس کامپوزیت - مواد مرکب مقطع ارشد مهندسی مکانیک با توضیحات مفید و خوب

خواص مهندسی مواد

ما از مواد خاصی برای ساخت قطعات، دستگاه‌‌ها، ساختمان‌ها و غیره استفاده می‌کنیم، چون همه مواد خواص مورد نیاز ما را در آن دستگاه برآورده نمی‌کنند. به این خواص ماده، که موجب می‌شود آن ماده دارای کاربردهای مهندسی شود، «خواص مهندسی مواد» می‌گویند. خواص مهندسی مواد عبارتند از:

- خواص مکانیکی، مثل خواص کشتی؛

- خواص فیزیکی، مثل هدایت الکتریکی؛

- خواص شیمیایی، مثل مقاومت در برابر خوردگی.

بهتر شدن خواص مکانیکی با ترکیب مواد و تولید نانوکامپوزیت

خواص مکانیکی یعنی خواص ماده در برابر اِعمال انواع نیروها. نیروها به چند دسته تقسیم می‌شوند: کشیدن، فشردن، خم کردن، پیچاندن و غیره. وقتی یک لایه‌ یا صفحه با ضخامت 1 میلی‌متر را وارد زمینه‌ای نرم می‌کنیم، اگر تقویت‌کننده محکم‌تر از زمینه باشد، مثلاً مقداری ورق فلزی را وارد یک زمینه پلاستیکی (پلیمری) کنیم، ماده مرکبِ تشکیل‌شده در مقایسه با ماده اول، در برابر نیروی کششی، مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد. حال اگر این لایه بخواهد به لایه‌ای با ضخامت 1 نانومتر تبدیل شود، یک میلیون لایه با ضخامت 1 نانومتر خواهیم داشت. واضح است که توزیع یک میلیون لایه نانومتری، می‌تواند در تمام سطح زمینه پلیمری به صورت یکنواخت توزیع شود. بنابراین، وقتی به زمینه پلیمری نیروی مکانیکی وارد می‌شود، این نیرو را بهتر تحمل می‌کند.

مطالعه این مقاله هم مفید است: معرفی انواع مواد مرکب (کامپوزیت ها) و الیاف و ماتریس در کامپوزیت

بهتر شدن خواص فیزیکی با نانوکامپوزیت ها

خواص فیزیکیِ یک ماده، خواصی از قبیل هدایت، مقاومت الکتریکی و غیره هستند. جریان الکتریکی با حرکت الکترون‌ها وارد یک ماده می‌شود و اتم‌ها با ارتعاش، به همدیگر می‌خورند و به این ترتیب الکترون را دست به دست درون ماده منتقل می‌کنند. حال اگر ماده ما یک پلاستیک (عایق الکتریسیته و حرارت) باشد و ما بتوانیم چند عدد میله مسی درون آن وارد کنیم (دقیقاً مثل سیم)، الکترون‌ها از درون این پلاستیک و با عبور از اتم‌های مس، می‌توانند هدایت شوند. یعنی ما با قرار دادن یک میله مسی درون یک پلاستیک، آن را هادی جریان الکتریسیته کرده‌ایم. اکنون فرض کنید که سطح این پلاستیک 1 متر در 1 متر باشد و قطر میله مسی 1 میلی‌متر. در این صورت، مقطعی دایره‌ای به قطر 1 میلی‌متر از پلاستیک هادی جریان می‌شود. این در حالی است که با ریز کردن میله مسی، به میله‌های با قطر نانومتر می‌توان یک میلیون میله با قطر 1 نانومتر را درون پلاستیک پخش کرد. بنابراین، یک میلیون قسمت پلاستیک، رسانای جریان الکتریکی می‌شوند.

مشاهده کنید: فیلم تدریس خصوصی مواد مرکب، کامپوزیت ارشد مهندسی مکانیک - آموزش گام به گام محاسبه مقاومت یک چند لایه