1- مقدمه

کامپوزیت ترکیبی است که از لحاظ ماکروسکوپی از چند ماده متمایز ساخته شده باشد ، به طوری که این اجزاء به آسانی از یکدیگر قابل تشخیص باشند. به طور نمونه ، یکی از کامپوزیت های آشنا بتن است که از دو جزء سیمان و ماسه ساخته شده است.

برای ایجاد تغییر و بهینه کردن خواص فیزیکی و شیمیایی مواد ، آن ها را ترکیب یا کامپوزیت می کنیم. به طور مثال پلی اتیلن (PE) که در ساخت چمن های مصنوعی از آن استفاده می گردد ، رنگ پذیر نیست و به همین سبب رنگ این چمن ها اغلب مات است. برای برطرف نمودن این نقص به آن وینیل استات می افزایند تا خواص پلاستیکی ، نرمیت و رنگ پذیری آن اصلاح شود. در واقع ، هدف از ایجاد کامپوزیت ، به دست آوردن ماده ای ترکیبی با خواص مورد انتظار می باشد.

نانو کامپوزیت نیز همان کامپوزیت است که یک یا چند جزء از آن ، ابعاد کمتر از 100 نانومتر دارد. نانو کامپوزیت ها از دو فاز تشکیل شده اند. فاز اول یک ساختار بلوری است که در واقع پایه یا ماتریس نانوکامپوزیت محسوب می شود و ممکن است از جنس پلیمر ، فلز و یا سرامیک باشد. فاز دوم نیز ذراتی در مقیاس نانومتر می باشند که به عنوان تقویت کننده (مواد پرکننده Filler) به منظور اهداف خاص از قبیل استحکام ، مقاومت ، هدایت الکتریکی ، خواص مغناطیسی و ... در درون فاز اول (ماده پایه) توزیع می شوند.

در بحث نانو مواد ، نانو کامپوزیت ها از جایگاه ویژه ای برخوردار هستند. حضور ذرات و الیاف در ساختار نانوکامپوزیت ها معمولاً باعث ایجاد استحکام در ماده ی پایه می شود. در واقع هنگامی که ذرات و یا الیاف درون یک ماده ی پایه توزیع شوند ، نیروهای اعمال شده به کامپوزیت به طور یکنواختی به ذرات یا الیاف منتقل می شود. با توزیع مواد پر کننده درون ماده پایه خصوصیاتی نظیر استحکام ، سختی ، خواص تربیولوژیکی و تخلخل تغییر می کند. ماده ی پایه می تواند ذرات را به گونه ای از هم جدا نگه دارد که رشد ترک به تأخیر افتد. به علاوه اجزاء نانو کامپوزیت ها بر اثر برهمکنش سطحی بین ماده ی پایه و مواد پرکننده ، از خواص بهتری برخوردار می شوند. نوع و میزان برهمکنش ها نقش مهمی در خواص مختلف نانو کامپوزیت ها همچون حلالیت ، خواص نوری ، خواص الکتریکی و مکانیکی آن ها دارد.

2- طبقه بندی نانو کامپوزیت ها

انواع نانو کامپوزیت را می توان بر اساس ماده پایه آن ها به شرح زیر طبقه بندی کرد:

1. نانو کامپوزیت های پایه پلیمری (Polymer matrix nanocomposites (PMNCs

2. نانو کامپوزیت های پایه سرامیکی (Ceramic matrix nanocomposites (CMNCs

3. نانو کامپوززیت های پایه فلزی (Metal matrix nanocomposites (MMNCs

در ادامه به بررسی خواص و کاربرد هر یک از این نانو کامپوزیت ها پرداخته می شود.

2-1- نانوکامپوزیت های پایه پلیمری:

در بین نانو کامپوزیت ها بیشترین توجه به نانو کامپوزیت های پایه پلیمری معطوف است. یکی از دلایل گسترش نانو کامپوزیت های پلیمری ، خواص بی نظیر مکانیکی ، شیمیایی و فیزیکی آن است. نانو کامپوزیت های پلیمری عموماً دارای استحکام بالا ، وزن کم ، پایداری حرارتی بالا ، رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت شیمیایی بالایی هستند. تقویت پلیمرها با استفاده از مواد آلی و معدنی بسیار مرسوم می باشد. بر خلاف تقویت کننده های مرسوم که در مقیاس میکرون می باشند ، در نانو کامپوزیت ها تقویت کننده ها ذراتی در ابعاد نانومتر می باشند. با افزودن درصد کمی از نانو ذرات به یک پلیمر خالص ، استحکام کششی ، استحکام تسلیم و مدول یانگ افزایش چشم گیری می یابد. به عنوان مثال ، با افزودن تنها 0.04 درصد حجمی میکا (یک نوع سیلیکات) با ابعاد 50 نانومتر به اپوکسی (Epoxy) ، مدول یانگ این ماده 58 درصد افزایش خواهد یافت.

دلیل دوم توسعه نانو کامپوزیت های پایه پلیمری و افزایش تحقیقات در این زمینه ، کشف نانولوله های کربنی در سال 1991 میلادی است. استحکام و خواص الکتریکی نانو لوله های کربنی به طور قابل ملاحظه ای با نانولایه های گرافیت و دیگر مواد پرکننده تفاوت دارد. نانو لوله های کربنی موجب رسانایی و استحکام فوق العاده ای در پلیمرها می شوند به طوری که کاربردهای حیرت انگیزی همچون آسانسور فضایی را برای آن می توان متصور شد. از نظر نظامی نیز فراهم کردن هدایت الکتریکی در پلیمرها فرصت های انقلابی را به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال از پوسته های الکتریکی - مغناطیسی گرفته تا کامپوزیت های رسانای گرما و لباس های سربازان آینده!

این دسته از کامپوزیت ها به دلیل خواص منحصر به فردی که دارند به طور گسترده ای در صنایع خودرو ، هوا-فضا و بسته بندی مواد غذایی گسترش یافته اند. از دیگر کاربردهای نانو کامپوزیت های پلیمری پوشش های مقاوم به سایش ، پوشش های مقاوم به خوردگی ، پلاستیک های رسانا ، حسگرها ، آسترهای مقاوم در دمای بالا و غشاهای جداسازی گازها و سیالات نفتی می باشند. به عنوان مثال می توان به نوعی غشاء نانو کامپوزیتی ساخته شده از یک نوع پلیمر و نانو لایه های سیلیکا اشاره کرد که توسط محققان دانشگاه کارولینای شمالی ساخته شده است. این غشاء توانایی فوق العاده ای در جداسازی مولکول های آلی از گازها دارد.

2-2- نانوکامپوزیت های پایه سرامیکی

به مواد معمولاً جامدی که بخش عمده ی تشکیل دهنده آن ها غیر فلزی و غیر آلی باشد ، سرامیک گفته می شود. سرامیک ها خواص بسیار خوبی نظیر مقاومت حرارتی بالا ، پایداری شیمیایی خوب و استحکام مکانیکی مناسبی دارند ، اما به دلیل پیوندهای یونی و کووالانس موجود در سرامیک ها چقرمگی شکست آن ها پایین است و تغییر شکل پلاستیک این مواد محدود می باشد. به منظور رفع این مشکل با اضافه کردن و جداسازی الیاف و ذرات مناسب ، می توان چقرمگی شکست را بالا برد. اگر این تقویت کننده ها ابعاد نانومتری داشته باشند بالاترین چقرمگی شکست به دست می آید.

به طور مثال در شکل (1) نانو کامپوزیت نیترید سیلیسیم حاوی نانو لوله های کربنی چند دیواره ، نشان داده شده است. برای ساخت این نانو کامپوزیت از پرس ایزواستاتیک گرم استفاده می شود. از خواص مکانیکی قابل توجه این نانو کامپوزیت ها می توان به استحکام خمشی و مدول الاستیک قابل توجه آن ها اشاره کرد.

2-3- نانوکامپوزیت های پایه فلزی

کامپوزیت های پایه فلزی ، کم وزن و سبک بوده و به علت استحکام و سختی بالا کاربردهای وسیعی در صنایع خودرو و هوا-فضا پیدا کرده اند. اما این کاربردها به لحاظ کم بودن قابلیت کشش در این کامپوزیت ها محدود شده است. تبدیل کامپوزیت به نانو کامپوزیت سبب افزایش استحکام و رفع محدودیت های مذکور می شود.

نانو کامپوزیت های پایه فلزی اصولاً مشابه روش های متالوژی پودر تولید می شوند. این نانو کامپوزیت ها کاربردهای متفاوتی دارند خصوصاً نانو کامپوزیت های پایه منیزیم که در سال های اخیر به دلیل چگالی کم ، استحکام بالا ، مقاومت به خزش بالا و پایداری حرارتی مناسب ، گسترش چشمگیری داشته اند. نانو کامپوزیت های پایه منیزیم کاربردهای گسترده ای در صنایع هوایی و خودروسازی دارند.

نانو کامپوزیت های پایه فلزی حاوی نانو لوله های کربنی نیز از اهمیت ویژه ای برخوردارند. نانو لوله ها می توانند سبب افزایش و یا بهبود خواصی نظیر رسانایی ، استحکام ، مقاومت و .. در فلزات شوند.

3- نانو کامپوزیت و فردا

مهم ترین تأثیر نانو کامپوزیت ها در آینده از طریق کاهش وزن خواهد بود. اخیراً کامپوزیت های نانو ذره سیلیکاتی به بازار خودروها وارد شده اند. در سال 2001 هم جنرال موتور و هم تویوتا شروع تولید محصول با این مواد را اعلام کردند. مزیت این مواد استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفه جویی در سوخت را نیز به همراه خواهد داشت.

علاوه بر این نانو کامپوزیت ها به صنعت بسته بندی مواد غذایی نیز راه یافته اند تا سدی بزرگ تر در برابر نفوذ گازها و کاهش فساد باشند. محققان معتقدند که افزودن دو درصد نانو ذره رس به بسته بندی ، 75 درصد تبادل اکسیژن و دی اکسید کربن را کاهش می دهد که این امر به افزایش طول مدت نگه داری مواد غذایی کمک می کند. در مورد ضد باکتری هایی نظیر نانو ذرات نقره ، این نانو ذرات از رشد عوامل زنده فاسده کننده مواد غذایی مانند باکتری ها و قارچ ها جلوگیری می کنند.

خواص تعویق آتش گیری نانو کامپوزیت های حاوی نانو ذرات سیلیکا ، می تواند به خوبی مصارفی در سرویس خواب ، پرده ها و محصولاتی از این دست پیدا کند.

منبع: تبیان