بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، خواص ضد سایشی نانولوله های تک جدارهٌ، دو جدارهٍ و چند جداره َ مورد مطالعه قرار گرفته اند، که در بین نمونه های مطالعه شده، نانو لوله های تک جداره و چند جداره بهترین خواص را از خود نشان داده اند. مطالعه اولیه نانو لوله های کربنی تک جداره، غلظت %1 را برای این افزودنی در روغن پایه 4PAO تعیین میکند. افزودن نانولوله های بدون کاتالیزور به سیال PAO منجر به کاهش اصطکاک نگردیده است، بنابراین وجود یک عنصر کاتالیزوری در این نانولوله ها الزامی می باشد. از نیکل و ایتریومِ به عنوان کاتالیزور در نانولوله های تک جداره - بدون کاتالیزور - استفاده شده و ترکیب حاصل خواص بهتری را نشان داده است.
قطر خراش ساییدگی مشاهده شده کمتر از آنچه که با PAO خالص مشاهده شد، می باشد. در این بررسی مشاهده شد که افزودن نانو لوله های دوجداره به روغن پایه PAO، باعث کاهش ساییدگی نمی شود، ولی ضریب اصطکاک را به مقدار بسیار کمی کاهش می دهد. در مورد نانولوله های چند جداره باید گفت غلظت بسیار پایین - %0/1 - برای دستیابی به خواص سطحی مطلوب کافی می باشد. همچنین فشار تماس، تاثیر بسزایی بر روی ضریب اصطکاک این نانولوله ها داشته است، بطوریکه در فشارهای بالا ضریب اصطکاک پایین تر از مقادیر مشاهده شده برای Ni / Y SWNTs می باشد.
واژه های کلیدی:نانولوله، کاتالیزور، نانو لوله های تک جداره، نانو لوله های دوجداره، نانو لوله های چند جداره، نیکل و ایتریوم
مقدمه
نانولوله ها به دو بخش نانولوله های تک جداره و چند جداره تقسیم می شوند. نانولوله های چند جداره، به عنوان نانولوله های تودرتو که می توانند درون یکدیگر بلغزند توصیف می شوند. نانولوله های تک جداره که در سال 1993 مشاهده شدند به عنوان صفحه تکی گرافن دایره ای شده شناخته می شوند.[1] آن ها دارای قطر متوسط برابر1 نانومتر و طول چند میکرومتر می باشند و اغلب به صورت دسته ای در یک جا جمع می شوند. در سطح شناسی نانو، اوهماّو سایرین، میزان اصطکاک قلم - Tip - طلا بر روی خوشه ای از نانولوله را مورد مطالعه قرار دادند. در این بررسی ضریب اصطکاک بدست آمده بالا و مستقل از رطوبت بود [2] - 1/5-1/2 - و چسبندگی ضعیف قلم طلایی بر روی نانولوله ها مشاهده گردید.
اخیراً میوشیْ و سایرین، نانولوله های کربنی را به عنوان روانکار جامد مطالعه کردند. در این بررسی نانولوله ها بر روی سطح به صورت مرتب شده قرار گرفته و یا درون حلال پراکنده شده و با تبخیر حلال، رسوب داده شدند .[3] ضرایب اصطکاک بدست آمده در هوا و خلاء به ترتیب برابر 0/05 و 0/009 بوده و مقاوت ساییدگی خوبی برای آن ها مشاهده گردید. این نتایج به دلیل وجود نانولوله های چندجداره و شکسته شده در منطقه تماس می باشد که با غلتش این نانولوله ها، مقاومت ساییدگی به حداقل می رسد. حضور نانولوله ها منجر به کاهش انرژی سطحی خط اتصال شده و منطقه تماس به دلیل مدول الاستیسیته بالای نانو لوله های چند جداره به حداقل خود می رسد.
.1 خواص ضدسایشی نانولوله های کربنی
چندین نوع از نانولوله ها برای مشخص شدن تاثیر پارامترهای مختلف بر روی خواص سطحی آن ها بررسی شده اند. از جمله این پارامترها، تعداد دیواره ها، حضور و ماهیت آن ها به عنوان کاتالیزور می باشد.در این بررسی میکروسکوپ الکترونی عبوریَ برای مشخص نمودن انواع مختلف نانولوله های مورد استفاده، به کار گرفته شده است که خصوصیاتی شامل آرایش نانولوله ها، طول و خلوص آن ها - وجود کاتالیزورها و فاز غیر متبلور - حائز اهمیت می باشد. شکل 1 اختلاف بین نمونه های مطالعه شده را نشان می دهد. Ni / Y SWNTs بصورت دسته ای در قطر حدود 10 نانومتر تجمع کرده اند. ذرات کاتالیزوری از قطر 5 تا 15 نانومتر، توسط کربن شبه گرافیتی در نمونه احاطه شده اند - . - a-1
نانو لوله های تک جداره بصورت دسته های با قطر 30 تا 60 نانومتر تجمع کرده اند. در این مورد هیچ ذره کاتالیزوری مشاهده نمی شود - . - b-1 نانو لوله های دوجداره هم دردسته هایی به صورت مجتمع قرار گرفته اند، این نانولوله ها دارای قطر 2.5 نانومتر و طول چندصد میکرومتر می باشند - . - c-1 نانو لوله های چند جداره نیز دارای قطر 20 تا 120 نانومتر می باشند. خصوصیت این نمونه، عدم وجود ذرات کاتالیزوری می باشد - . - d-1 همچنین آنالیزهای XPS1 و TOF-SIMS2 میزان خلوص بالای این نمونه ساخته شده از کربن را ثابت کرده اند.مطالعه اولیه نانولوله های تک جداره، غلظت بهینه در حدود %1 را برای این افزودنی در روغن پایه مصنوعی PAO تعیین می کند - شکل. - 2
ضریب اصطکاک در سیکل های اولیه بسیار پایین بوده - 0/07 - ، و در طول تست بسیار پایدار می باشد. تاثیر فشار بر روی ضریب اصطکاک نیز در شکل3 نشان داده شده است. هنگامی که فشار تماس افزایش می یابد، اصطکاک کاهش پیدا می کند.[5]مقایسه نتایج بدست آمده با سایر هم خانواده های کربن - گرافیت و - C60 مطالعه شده تحت شرایط مشابه، خواص سطحی بسیارمطلوب Ni / SWNTs را نشان میدهد - شکل. - 4 ضریباصطکاک بدست آمده با Ni / Y SWNTs پایین تر از ضرایببدست آمده با گرافیت و C60 می باشد. ضریب اصطکاک بدستآمده با C60 نیز پایین می باشد . - 0/1 - این نتایج نشان می دهد که C60 می تواند به عنوان افزودنی در روغن پایه PAO مصنوعی در نظر گرفته شود، اما Ni / Y SWNTs دارای خواص ضد سایش جالب تری می باشد - شکل. - 5
قطر خراش ساییدگی مشاهده شده بر روی قلم کمتر از آنچه که با PAO خالص و گرافیت مشاهده شد، می باشد. این قطر برابر قطر هرتیزان 68 - میکرومتر - بوده که نشان می دهد، طی تست اصطکاک، قلم ساییده و کوتاه نشده است.مقایسه نانولوله ها بدون کاتالیزور - نانولوله های تک جداره - ، نقش کلیدی کاتالیزورها را در خواص سطحی نانولوله های تک جداره نشان می دهد. افزودن نانولوله های خالص شده - نانولوله های تک جداره - به PAO منجر به کاهش ضریب اصطکاک نمی گردد و کاهش اندکی در طول قلم، در این نانولوله ها مشاهده گردید - شکل. - 6 بر خلاف قطر خراش ساییدگی 170 میکرومتری در PAO خالص، این مقدار در نانولوله های تک جداره برابر 115 میکرومتر می باشد. اگرچه این کاهش، از میزان مشاهده شده برای Ni / Y SWNTs کمتر می باشد - شکل. -
.1.1 نقش کاتالسیت
وجود ذرات کاتالیزوری برای سنتز نانولوله های تک جداره ضروری می باشد. طبیعت کاتالیزور، ریخت شناسیٌ نانولوله ها را تعیین می کند: مانند ریسمان های بلند نانولوله ها ویا نانولوله های کوتاه تشکیل شده از ساختار جوجه تیغی دریایی .[6] در مورد کاتالیزور ساخته شده از Ni و درصد کمی از خاک خام ٍ، نانولوله های بلند بدست آمده اند، در حالیکه درصد بالای خاک خام، منجر به تولید نانولوله های از نوع جوجه تیغی دریایی می گردد - شکل. - 8هنگامی که دما کاهش پیدا می کند، کربن بر روی سطح ذره کاتالیزور، تمایل به جدا شدن دارد. سپس اتم های کربن، برای تشکیل حلقه های آروماتیک، به سرعت به روی سطح حرکت می کنند .[8]
وجود خاک خام در پیرامون ذرات کاتالیزوری بر روی دو پارامتر سنتز نانولوله تاثیر گزار است: محل هسته های نانولوله ها، و زمان تشکیل آن ها. همچنین محتوی خاک خام، بر روی دمای انجماد ذرات کاتالیزوری و رشد نانولوله های تک جداره از ذرات فلزی به خصوص ذرات کاتالیزوری فلزی نیکل-خاک خام، تاثیر گزار است .[9] این مطالعه بر پایه نتایج تجربی - مشاهدات میکروسکوپ الکترونی عبوری - و شبیه سازی مونت کارلوُ از اندرکنش های اتمی C-C و C-M می باشد. برای درک بهتر مکانیزم رشد نانولوله ها، تکنیک های جدیدی گسترش یافته است که یکی از آن ها شامل آنالیزهای لیزر موضعیِ در حین سنتز، درون راکتور فرسایشی لیزر می باشد.[10]
نقش ذرات کاتالیزوری برای تشکیل نانولوله های کربن تک جداره، تا کنون به صورت کامل مشخص نشده است، اما وجود آن ها در نمونه نانولوله بعد از فرآیند سنتز ضروری می باشد.حذف این ذرات کاتالیزوری از نمونه، به دلیل قرار گرفتن آن ها در انتهای نانولوله ها و یا احاطه شدن توسط کربن غیر متبلور، مشکل می باشد.ّ EFTEM انجام شده بر روی Ni / Y SWNTs ، وجود ذرات کاتالیزوری را نه تنها در انتهای نانولوله ها بلکه درون کربن غیر متبلور موجود در نمونه نیز نشان می دهد - شکل. - 9Ni / Y SWNTs حاوی مخلوط کاتالیزور %38 - Ni / Y وزنی - با نسبت اتمی 85/15 می باشد. با این نسبت، نانولوله ها در دسته های بلند بدست خواهند آمد .[6]مکانیزم رشد نانولوله های کربنی از کاتالیزور فلزی، بر پایه حل شدن بخار کربن درون دسته های فلزی می باشد. این موضوع به دلیل توانایی فلزاتی از قبیل Ni و Co برای حل کردن کربن در حالت مایع می باشد .[7] شبیه سازی َQMD نشان می دهد کهآنالیز خراش ساییدگی بر روی صفحه بعد از تست اصطکاک نشان می دهد، ذرات کاتالیزوری که در ابتدا درون ساختارهای کربن محافظت می شدند، طی تست اصطکاک به دلیل وجود نیکل قرار گرفته در هسته نانوذرات، در سطح تماس واکنش داده و طی
