Transcript کام - سیدحمید دانشمند

‫دانشگاه ازاد اسالمی‬
‫واحد ساوه‬
‫استاد ‪:‬‬
‫جناب اقای دک تر نظری‬
‫موضوع ‪:‬‬
‫بررسی تاثیر گرافن بر خواص مکانیکی و فیزیکی نانو کامپوزیت های‬
‫زمینه فلزی و پلیمری‬
‫تهيه و تنظيم ‪:‬‬
‫سیدحمید دانشمند‬
‫زمستان‪91‬‬
‫روئس مطالب ‪:‬‬
‫‪ -1‬تعریف نانو کامپوزیت‬
‫‪ -2‬کامپوزیت های زمینه فلزی‬
‫‪ -3‬کامپوزیت های زمینه الومینیومی‬
‫‪ -4‬معرفی گرافن‬
‫‪ -5‬کامپوزیت های زمینه مسی‬
‫‪ -6‬کامپوزیت های زمینه پلیمری‬
‫‪ -7‬کامپوزیت های زمینه اپوکسی‬
‫‪ -8‬منابع‬
‫نانو کامپوزیت ها‬
‫‪‬نانو كامپوزيت به ماده اي اطالق مي شود كه يكي از اجزاي تشكيل دهنده در كامپوزيت در مقياس نانومتري قرار گيرد به طوري كه‬
‫اين اجزا در مقياس ماكروسكوپ ي با هم خصوصيتي را ايجاد كنند كه به تنهاي ي در هيچ يك از ان اجزا موجود نباشد‪.‬‬
‫‪‬نانوكامپوزيت ها به سه گروه نانوكامپوزيت هاي زمينه فلزي‪ ،‬زمينه پليمري و زمينه سراميكي دسته بندي مي شوند‪.‬‬
‫کامپوزیت های زمینه فلزی‬
‫‪‬يكي از متداول ترين روش هاي توليد كامپوزيت هاي زمينه فلزي ‪،‬الياژسازي مكانيكي مي باشد‪.‬‬
‫‪‬روش الیاژ سازی مکانیکی(‪ )MA‬اولين بارتوسط بنيامين و همكارانش در اواخر دهه ‪ 60‬قرن ‪ 20‬ميالدي معرفي شد‪.‬‬
‫‪ ‬روش الیاژ سازی مکانیکی به منظور تولید سوپر الیاژ های پایه نیکل و اهن با توزیع فاز سرامیکی در ان به منظور کاربرد در صنایع‬
‫هوافضا توسعه یافت‪.‬‬
‫‪‬طي اين فرايند‪ ،‬ذرات پودري خام در اندازه چند ميكرون تحت يك تغيير شكل پالستيكي شديد قرار مي گيرند و پيوسته متحمل‬
‫جوش سرد و شكست مي شوند‪.‬‬
‫کامپوزیت های زمینه الومینیومی‬
‫‪ ‬الومینیوم با قیمت کم و دانسیته پایین در مقایسه با سایر الیاژهای سبک مثل منیزیم و تیتانیوم‪،‬بیشترین استفاده به عنوان‬
‫زمینه در کامپوزیت های زمینه فلزی را به خود اختصاص داده است‪.‬‬
‫‪ ‬همچنین الیاژهای الومینیوم به واسطه کاربرد گسترده ای که در صنایع مختلف‪،‬از صنایع خودرو و هوا فضا تا وسایل تفریحی‬
‫دارند‪،‬کامال شناخته شده اند و می توان تلفیق مناسبی از استحکام ‪،‬انعطاف پذیری و مقاومت به خوردگی را دراین الیاژها بدست‬
‫اورد‪.‬‬
‫گرافن‬
‫تاريخچه‪:‬‬
‫‪ ‬نخستین بار در سال ‪ ۱۹۴۷‬فیلیپس واالس درباره گرافن نوشت‪.‬‬
‫‪ ‬از ان زمان تالشهای زیادی برای ساخت ان صورت گرفته بود اما قضیهای به نام قضیه مرمین واگنر در مکانیک اماری و‬
‫نظریه میدان های کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دو بعدی را غیرممکن و چنین مادهای را غیرپایدار میدانست‪.‬‬
‫‪ ‬اما به هر حال در سال ‪ ،۲۰۰۴‬اندره گیم و کنستاتین نووسلف ‪ ،‬از دانشگاه منچستر موفق به ساخت این ماده شده‬
‫و نشان دادند که قضیه مرمین‪ -‬واگنر نمیتواند کامال درست باشد‪.‬‬
‫‪ ‬جایزه نوبل فیزیک ‪ 2010‬نیز به خاطرساخت مادهای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت‪.‬‬
‫گرافن‬
‫معرفی ‪:‬‬
‫‪‬‬
‫كربن در طبيعت ساختارهاي مختلفي دارد‪ .‬الماس و گرافيت از ساختار هاي معروف ان هستند‪.‬‬
‫‪‬‬
‫در الماس هر اتم كربن با چهار اتم ديگر پيوند برقرار كرده است و اين ماده بعنوان سخت ترين ماده جهان شناخته شده است‪.‬‬
‫‪‬‬
‫در گرافيت اتم هاي كربن در اليه هاي مجزاي ي با هم پيوند برقرار كرده اند‪ .‬اين اليه هاي روي هم قرار گرفته و با پيوند ضعيفي به‬
‫هم متصل شده اند كه هر كدام از اليه هاي موجود درگرافيت را گرافن مي نامند‪.‬‬
‫گرافن‬
‫حاالت مختلف كربن ‪ :‬فلورين ها ‪ ،‬نانو لوله هاي كربني و گرافيت‪.‬‬
‫گرافن‬
‫برخي از خواص گرافن ‪:‬‬
‫‪ ‬چگالی كمتر از‬
‫‪.‬‬
‫‪ ‬گرافن از مدول يانگ باالي ي در حدود ‪ 1100Gpa‬برخوردار مي باشد‪.‬‬
‫‪ ‬رسانای ی گرمای ی باال در حدود ‪ 5000‬وات بر متر درجه کلوین‪.‬‬
‫‪ ‬رسانای ی الک تریکی باالي گرافن تقریبا‬
‫و هادی مناسبي می باشد‪.‬‬
‫گرافن‬
‫کاربرد ها ‪:‬‬
‫‪‬استفاده شدن بهجای فیبرهای کربن درکامپوزیت ها که نتیجتا باعث ایجاد هواپیماها و ماهوارههای‬
‫سبکتر گردد‪.‬‬
‫‪‬استفاده شدن بهجای سیلیکونهای نیمهرسانا در ترانزیستورها‪.‬‬
‫‪‬جاسازی کردن گرافن در پالستیک که میتواند پالستیک مذکور را رسانا کند‪.‬‬
‫‪‬ایجاد پالستیکهای ی سختتر‪ ،‬مستحکمتر و سبکتر‪.‬‬
‫‪‬کاربرد بهعنوان پوشش شفاف رسانا برای سلولهای خورشیدی و نمایشگرها‪.‬‬
‫‪‬ایجاد توربینهای بادی کارامدتر‪.‬‬
‫‪‬ایجاد ایمپلنتهای مستحکمتر (پزشکی)‪.‬‬
‫‪‬و ‪. ....‬‬
‫ساخت نانو كامپوزيت الومينيوم – گرافن به روش الياژ سازي مكانيكي ‪:‬‬
‫‪‬‬
‫در اين پروژه سه نمونه شامل الومينيوم خالص‪ ،‬الومينيوم‪-‬گرافن و الومينيوم‪-‬نانولوله هاي كربني ساخته شده است‪.‬‬
‫‪‬‬
‫در اين پروژه از پودر الومينيوم با اندازه ذره ‪ 22‬ميكرومتر استفاده شده است‪.‬‬
‫‪‬‬
‫مخلوط پودر گرافن( ‪ 0/1‬درصد وزني)‪-‬الومينيوم‪ ،‬الومينيوم ‪ -‬نانولوله هاي كربني ( ‪ 1‬درصد وزني)‪ -‬الومينيوم و الومينيوم خالص در يك اسياب گلوله ای‬
‫شافتی(سایشي) تحت گاز ارگون به مدت ‪ 1‬ساعت اسياب شده است‪.‬‬
‫‪‬‬
‫از اسيد استائريك ( ‪ 2‬درصد وزني) بعنوان )‪ (PCA‬در اين پروژه مورد استفاده قرارگرفته است‪.‬‬
‫‪‬‬
‫مخلوط پودر هاي تهيه شده در دماي ℃‪ 375‬و فشار ‪ 65ksi‬بمدت ‪ 20‬دقيقه تحت پرس ايزواستاتيك داغ قرارگرفته است‪.‬‬
‫‪‬‬
‫سپس نمونه ها در دماي ℃‪ 550‬و فشار ‪ 50ton‬بمدت ‪ 4‬ساعت تحت عمليات اكستروژن قرار گرفته و بيلت هاي ي به قطر ‪ 20mm‬از انها تهيه شده‬
‫است‪.‬‬
‫نتايج بدست امده ‪:‬‬
: ‫نتايج بدست امده‬
(a) Ultimate tensile strengths of pure Al, Al–1 wt% MWNT, and Al–0.1 wt%
graphene and (b) strain-to-failure.
: ‫نتايج بدست امده‬
X-ray diffraction of pure aluminum, Al–1.0 wt% MWNT composite, and
Al–0.1 wt% graphene composite after extrusion.
Optical micrographs of extruded Al–1 wt% MWNT, Al–0.1 wt% graphene, and pure Al.
‫تحليل و بررسي ‪:‬‬
‫همانطور كه در نمودارها و جدول مشاهده شد استفاده از گرافن بعنوان فاز تقويت كننده در نانو كامپوزيت الومينيوم‪-‬گرافن باعث‬
‫كاهش خواص اين نانو كامپوزيت شده است كه مي تواند از داليل مختلفي ناشي شود ‪:‬‬
‫‪ -1‬بدلیل تشکیل کاربید الومینیوم (‬
‫) در مرز دانه‪.‬‬
‫‪ -2‬بدست نياوردن ميزان بهينه درصد گرافن‪.‬‬
‫‪ -3‬زمان اسياب كاري كم‪.‬‬
‫کامپوزیت های زمینه مسی‬
‫‪‬با گسترش روز افزون صنایع الک تریکی نیاز به مواد پیشرفته با رسانای ی الک تریکی ‪ -‬حرارتی و استحکام باال بوجود امده است‪.‬‬
‫‪‬مس يكي از فلزات مهم مهندسي است زيرا در شرايط غيرالياژي و همچنين به صورت الياژ با فلزات ديگر كاربرد وسيعي دارد‪.‬‬
‫‪‬در شرايط غيرالياژي‪ ،‬اين فلز تركيب خارق العاده اي از خواص دارد كه ان را بصورت ماده اي اساس ي در ص نايع الك تريك ي در م ي‬
‫اورد‪.‬‬
‫‪‬بعض ي از اي ن خ واص عبارتن د از ه دايت الك تريك ي زي اد‪ ،‬ه دايت حرارت ي‪ ،‬مقاوم ت ب ه خ وردگي‪ ،‬س ادگي س اخت‪ ،‬ت نش تس ليم‬
‫معقول و خواص تابكاري قابل كنترل مي باشد‪.‬‬
‫کامپوزیت های زمینه مسی‬
‫از گرافن بعنوان ماده اي براي افزايش استحكام ‪ ،‬هدايت الك تريكي و نيز هدايت حرارتي در نانو كامپوزيت هاي مس استفاده‬
‫مي شود‪ .‬در تحقيقاتي كه بر روي نانو كامپوزيت مس‪ -‬گرافن انجام شده است نشان مي دهد كه گرافن باعث افزايش هدايت‬
‫حرارتي مس شده است‪.‬‬
‫در این پروژه رسانای ی حرارتی دو کامپوزیت مس‪-‬گرافن و نیکل‪-‬گرافن مورد بررسی قرار گرفته است‪.‬‬
‫كامپوزيت هاي پايه مس تقويت شده با گرافن به سبب هدايت الك تريكي و گرماي ي مناسب و استحكام در دماي باال‪ ،‬ماده‬
‫مناسب براي كنتاكت هاي الك تريكي مي باشد‪.‬‬
‫کامپوزیت های زمینه مسی‬
‫همانطور که در نمودار زیر مشاهده می شود با افزایش الیه های گرافن از یک الیه به سه الیه کاهش رسانای ی‬
‫الک تریکی به صورت فاحشی رخ می دهد‪.‬‬
‫کامپوزیت های زمینه پلیمری‬
‫کامپوزیت های زمینه پلیمری به سه گروه ‪:‬‬
‫‪ -1‬ترموپالست ها (گرمانرم)‬
‫‪ -2‬ترموست ها (گرماسخت)‬
‫‪-3‬الستیک ها تقسیم بندی می شوند‪.‬‬
‫از جمله عواملی که باعث افزایش کاربرد این کامپوزیت ها شده است اینست که این کامپوزیت ها نیاز به دما و فشار باال ندارد‬
‫و همچنین تجهیزات الزم برای ساخت ‪ PMC‬ها ساده می باشد‪.‬‬
‫کامپوزیت های زمینه اپوکسی‬
‫‪‬‬
‫این کامپوزیت جزء گروه ترموست ها بوده و با افزایش دما اتصاالت عرضی در ان پدیدار می شود‪.‬‬
‫‪‬‬
‫یکی از مزایای این ماده اینست که انقباض کمی داشته و در حین پخت گاز ازاد نمی کند‪.‬‬
‫‪‬‬
‫یکی از معایب این ماده قیمت باالی ان است‪.‬‬
‫ویژگی ها ‪:‬‬
‫‪-1‬چگالی پایین در حدود ‪ 1/1‬تا ‪ 1/4‬گرم بر سانتیمتر مکعب‪.‬‬
‫‪ -2‬مدول یانگ باال در حدود ‪ 2‬تا ‪ 6‬گیگا پاسکال‪.‬‬
‫‪-3‬استحکام کششی متوسط در حدود ‪ 35‬تا ‪ 90‬مگا پاسکال‪.‬‬
‫و‪. .....‬‬
‫کامپوزیت های زمینه اپوکسی‬
‫در این پروزه از نانو نوارهای گرافن بعنوان فاز تقویت کننده در زمینه اپوکسی استفاده شده و چهار نمونه شامل اپوکسی خالص‪،‬‬
‫اپوکسی با ‪ 0.125‬درصد گرافن‪ ،‬اپوکسی با ‪ 0.3‬درصد گرافن و اپوکسی با ‪ 0.4‬درصد گرافن ساخته شد و همانطور که در نمودار زیر‬
‫مشاهده می شود با افزایش درصد گرافن به حدود ‪ 0.3‬استحکام بطور قابل مالحظه ای افزایش یافته است ‪.‬‬
: ‫منابع‬
.1388 ‫ جهاد دانشگاهي واحد صنعتي اصفهان‬-‫سامان سالمي زاده‬،‫احسان قاسمعلي‬،‫توليد و كاربرد – فتح اله كريم زاده‬،‫ نانو مواد؛خواص‬-1
.1387‫عبدالرضا سيم چي – دانشگاه شريف‬-)‫توليد و كاربرد‬،‫ اشناي ي با نانوذرات (خواص‬-2
.‫ جهاد دانشگاهي واحد صنعتي اصفهان‬-‫ محمدحسين عنايتي‬-‫ مواد نانو ساختار‬-3
4- Geim ,A. K., and K. S. Novoselov - 2007 The rise of graphene . Nature Materials.
5- C. Suryanarayana- 2001 - Mechanical alloying and milling
6-Stephen F. Bartolucci–Materials Science and Engineering
A. Elsevier]2011[ .
7- Composite Materials Engineering & Science by F.L.Matthews & R.D. Rawlings.
8- Graphene nanoribon Composites by M.A.rafeei at acs nano.