کامپوزیت‌های ساخته‌شده با نانولوله‌های کربنی

با وجود متغیربودن نتایج آزمایش‌های تعیین مشخصات نانولوله‌های كربنی، تئوری‌ها نشان از عالی‌ بودن خواص نانولوله‌های كربنی دارند. به همین دلیل در چند سال اخیر نانولوله‌های كربنی در تولید و ساخت نانوكامپوزیت‌ها به عنوان فاز تقویت‌كننده به كار رفته‌اند. اگرچه اكثر مطالعات در زمینة نانوكامپوزیت‌های زمینة پلیمری بوده است، تلاش‌هایی نیز در ساخت نانوكامپوزیت‌های فلزی و سرامیکی شده است.در این مقاله سعی بر آن داریم که مروری بر تلاش‌های صورت گرفته در ساخت نانوکامپوزیت‌های تولید شده با استفاده از نانولوله‌های کربنی داشته باشیم و چالش‌های توسعه این نانوكامپوزیت‌ها را معرفی كنیم.
۱- فرآوری و تعیین مشخصات نانوكامپوزیت‌های با زمینة پلیمری
ویژگی‌های عالی نانولوله‌های كربنی باعث شده است كه گروه‌های بسیاری بر روی خواص كامپوزیت‌های آن كار كنند. توزیع یكنواخت نانولوله‌ها در زمینه كامپوزیت‌ و بهبود چسبندگی نانولوله با زمینه در فرآوری این نانوكامپوزیت‌ها از موضوع‌های بسیار مهم است.
شیوه توزیع نانولوله‌ها در زمینة پلیمری از پارامترهای مهم در استحكام‌دهی به كامپوزیت می‌باشد. هنگامی كه نانولوله‌ها به صورت طنابی شکل در زمینه پلیمری توزیع شوند، لغزش آنها به شدت بر روی خواص الاستیكی كامپوزیت‌ تأثیرگذار خواهد بود. لغزش نانولوله‌ها به علت عدم اتصال قوی بین نانولوله‌ها و زمینه می‌باشد. آگلومره‌شدن نانولوله‌ها نیز باعث می‌شود كه نسبت وجهی (طول به قطر) فازِ تقویت كننده كاهش یابد. توزیع یكنواخت نانولوله‌ها در زمینه پلیمری بسیار مشكل است. نانوكامپوزیت‌های ساخته‌شده با نانولوله‌های كربنی و زمینه پلی وینیل- الكل مورد بررسی و تعیین مشخصات قرار گرفته‌اند. با استفاده از تئوری‌‌های موجود در زمینه كامپوزیت‌های ساخته‌شده با الیاف كوتاه، مدول الاستیكی این کامپوزیت محاسبه شد که در مقایسه با مدول الاستیك یك نانولوله‌ مجزا بسیار كمتر می‌باشد. هنوز مشخص نشده است كه این كاهش به علت عیوب لایه‌های گرافیتی در ساختمان نانولوله‌ها است و یا به علت بروز مشكلاتی در انتقال تنش از فاز نانولوله به فاز زمینه. نانوكامپوزیت‌های نانولوله‌ای با زمینة پلی‌استیرن (فقط با اضافه‌كردن درحدود ۱% وزنی نانولوله) درحدود ۲۵% افزایش در استحكام كششی و %۴۲-۳۶ افزایش در مدول الاستیك را نشان می‌دهند. همانند كامپوزیت‌های ساخته‌شده با الیاف مرسوم، در نانوكامپوزیت‌ها نیز بیرون‌زدن نانولوله‌، شكست نانولوله و همچنین پل‌زدنِ ترك (bridging) توسط نانولوله در حین شکست این نانوکامپوزیت‌ها، مشاهده می‌شود. همچنین نشان داده‌اند كه در این نانوكامپوزیت‌ها افزایش %۱ وزنی از نانولوله تأثیری معادل افزایش %۱۰ وزنی از نانوالیاف كربنی(Carbon Nanofibres) در افزایش مدول الاستیك دارد. استفاده از خواص عالی نانولوله‌ها در نانوكامپوزیت‌ها وابسته به استحكام پیوند فصل مشترك نانولوله و زمینه می‌باشد.
نشان داده شده است كه با استفاده از موادی مانند [۱]AIBN می‌توان پیوندهای p نانولوله‌ها را باز كرد. در نانوكامپوزیت‌های نانولوله‌‌ای با زمینة پلی متیل متاكریلات امكان برقراری پیوند C-C بین نانولوله‌ وزمینه وجود دارد. توزیع نانولوله‌ها با استفاده از یك مادة فعال سطحی غیریونی نیز مورد ارزیابی قرار گرفته است. توزیع بهبودیافته و افزایش استحكام اتصال فصل مشترك نانولوله با زمینه در نانوكامپوزیت با زمینة اپوكسی باعث افزایش %۳۰ در مدول الاستیك فقط با اضافه‌كردن %۱ وزنی نانولوله می‌شود. در زمینة فصل مشترك نانولوله با زمینة پلیمری مطالعات فراوانی انجام شده است. محاسبه شده است که انرژی پیوند و نیروی اصطكاكی بین نانولوله و پلیمرها نقش چندانی در استحكام فصل مشترك ندارد. فاكتور كلیدی در استحكام فصل مشترك تشكیل ساختار مارپیچی پلیمر، در اطراف نانولوله می‌باشد.
توزیع نانولوله‌ها در زمینة پلیمری به صورت تصادفی است. بنابراین تلاش‌های زیادی برای آراستن نانولوله‌ها در زمینة پلیمری به منظور تقویت بهتر پلیمر انجام شده است. نشان داده شده است كه با كشش مكانیكی نانوکامپوزیت می‌توان نانوكامپوزیتی با نانولوله‌های هم‌راستا به دست آورد. از پراش اشعه ایكس نیز برای تعیین جهت و راستای این نانولوله‌ها استفاده می‌شود. همچنین از روش ریسیدن مذاب نیز برای آرایش نانولوله‌ها استفاده كرده‌اند. علاوه بر آرایش نانولوله‌ها، محققان تلاش‌هایی نیز برای بافتن نانولوله‌ها و تشكیل الیاف نانولوله‌ای انجام داده‌اند.
۲- نانوكامپوزیت‌های با زمینه فلزی و سرامیكی
در مورد نانوكامپوزیت‌های بر پایه نانولوله‌های كربنی بیشترین تمركز بر روی نانوكامپوزیت‌های با زمینه پلیمری بوده است. با این حال خواص منحصربه فرد نانولوله‌ها در سرامیك‌ها نیز می‌تواند به كار گرفته شود. سرامیك‌ها دارای سفتی و پایداری حرارتی بسیار بالا و چگالی پایین می‌باشند. یكی از مشكلات سرامیك‌ها در به‌كارگیری به عنوان اجزای سازه‌ای، ترد بودن آنها می‌باشد. بنابراین به نظر می‌رسد كه نانولوله‌های كربنی بتوانند در افزایش چقرمگی سرامیك‌ها مؤثر باشند. تركیب نانولوله‌های كربنی با سرامیك‌ها پتانسیل تولید موادی با مقاومت گرمایی، چقرمگی و مقاومت به خزش بالا را دارد.
با استفاده از ذرات SiC و %۱۰ وزنی نانولولة كربنی و استفاده از پرس در دمای بالا، نانوكامپوزیت‌هایی را تولید كرده‌اند كه گزارش شده است این كامپوزیت‌ها‌ بهبودی۱۰ درصدی در استحكام و چقرمگی شكست آن داشته‌اند. محققان دیگری نیز تكنیك‌هایی را برای ساخت نانولوله‌های كربنی به صورت درجا به هدف تولید پودرهای كامپوزیتی (نانولوله‌های كربنی/ اكسید فلزات) توسعه داده‌اند. سپس این پودرها به منظور تولید یك قطعه كامپوزیتی در دمای بالا فشرده شده‌اند.
گروهی دیگر از محققان نیز از روش‌های الكترولیز برای تولید نانوكامپوزیت‌های با زمینه فلزی توسط نانولوله‌های كربنی استفاده كرده‌اند. این بررسی‌ها بهبود اندكی را در هدایت الكتریكی آلومینیوم با افزایش درصد حجمی نانولوله نشان می‌دهد.
نتیجه‌گیری
خواص مكانیكی و فیزیكی عالی نانولوله‌های كربنی، به همراه چگالی پایین آنها، كربن را به عنوان یك كاندیدای عالی برای استحكام‌دهی به كامپوزیت‌ها معرفی كرده است. درك كامل از رفتار حرارتی- مكانیكی نانوكامپوزیت‌های ساخته‌شده با نانولوله‌های كربنی، نیاز به آشنایی با رفتار الاستیك و خصوصیات شكست نانولوله‌های كربنی و همچنین فصل مشترك ماده در زمینه با نانولوله دارد. با این حال این نیازها در كامپوزیت‌های رایج نیز احساس می‌شود؛ فقط در حال حاضر ابعاد فاز تقویت‌كننده از میكرومتر به سمت نانومتر كاهش یافته است.
همچنین با كاهش‌یافتن ابعاد، چالش‌هایی در فرآوری این كامپوزیت‌ها، تعیین مشخصات، اندازه‌گیری رفتار الاستیك و شكست آنها نیز وجود دارد. تحقیقات اولیه، پتانسیل بالای نانولوله‌ها را در تقویت‌كردن مواد نشان می‌دهد ولی مطالعات بنیادی برای رفع چالش‌های ذكرشده بسیار مهم می‌باشد.

منبع : ستاد ویژه توسعه فناوری نانو