بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر، به بررسی تاثیر فرایند اصلاح سطح نانولولههای کربنی بر افزایش یکنواختی توزیع آنها در نانوکامپوزیتهای Al/CNT پرداخته شد. تحقیق به دوقسمت اصلاح سطح نانولولهکربنی و تولید نانوکامپوزیت، و بررسی خواص مکانیکی آن تقسیم بندی میشود. در مرحله اول، اصلاح سطح نانولولهکربنی به منظور بهبود پراکندگی نانولولهکربنی در زمینه آلومینیم با استفاده از فرایند اسیدشویی و پوششدهی با الیل آمین صورت گرفت.
پس از آمادهسازی نانولوله کربنی با ساختار سطحی اصلاح شده، بررسی مورفولوژی سطح آنها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام شد و ارزیابی خواص نانولولههای کربنی قبل و بعد از اصلاح سطح با کمک آزمونهای آنالیز حرارتی وزنی و طیفسنجی مادون قرمز صورت گرفت. در مرحله دوم از نانولولهکربنی اصلاح سطح شده به عنوان فاز تقویتکننده در زمینه آلومینیمی با استفاده از روش تفجوشی پلاسمای جرقهای در ساخت نانوکامپوزیتAl/CNT استفاده شد.
به منظور بررسی خصوصیات نانوکامپوزیت تولید شده، آزمونهای فشار تکمحوری و سختی روی آنها انجام شد. نتایج ارزیابیها نشان داد که اصلاح سطح در طی فرایند اسیدشویی در الیل آمین باعث ایجاد گروههای عاملی مناسب جهت پیوند با Al شده است. نانولولههای کربنی اصلاح سطحی شده با الیل آمین دارای توزیع یکنواختتری در زمینهآلومینیمی میباشند. همچنین نتایج حاکی از آن بود که استفاده از نانولولههای کربنی به عنوان ماده تقویتکننده در زمینه آلومینیم در مقدار بهینه - حدود 1 درصد وزنی و کمتر از این مقدار - باعث افزایش سختی تا 48 درصد و استحکام تا حدود 202 درصد میشود. مقادیر بیشتر از 1 درصد وزنی نانولولههایکربنی به علت تودهای شدن، افت خواص را به همراه داشت.
مقدمه
امروزه در بیشتر صنایع مانند صنایع هوافضا، خودروسازی و دیگر صنایع مشابه بیشتر به دنبال گسترش مواد با خصوصیات ویژه هستند. خصوصیاتی همچون استحکام بالا در کنار انعطافپذیری خوب یا مقاومت به سایش بالا، محققان را به سمت تولید مواد کامپوزیتی متمایل کرده است.[1] به طور کلی کامپوزیت به مادهای گفته میشود که از دو یا چند جزء سازنده تشکیل میشود که اختلاط این اجزاء و تعامل آنها با یکدیگر موجب ایجاد ساختاری میشود که از لحاظ خواص نسبت به هر کدام از اجزاء به تنهایی، برتری دارد. در بحث مهندسی کامپوزیت به مادهای گفته میشود که دارای برخی از خصوصیات زیر باشد:[2]
سیستم متشکل از مخلوط دو یا چند جزء باشد که از نظر فیزیکی قابل تفکیک باشند، اجزاء تشکیل دهنده در مقیاس اتمی نباشند، ترکیب شیمیایی اجزاء متفاوت از یکدیگر باشند، اجزاء از نظر شکل متفاوت باشند و اجزاء مختلف سیستم قابلیت انحلال در یکدیگر را نداشته باشند. در بین نانوفازهای ثانویهای که در تولید نانوکامپوزیت مورد استفاده قرار میگیرند، نانولولههای کربنی به سبب خواص برجسته نظیر هدایت حرارتی مناسب، انعطافپذیری بالا، چگالی کم، نسبت طول به قطر بالا در مجامع علمی و صنعتی مورد توجه قرار گرفته اند.[3-6] این مجموعه از خواص بینظیر مکانیکی، حرارتی و الکتریکی نانولولهکربنی، باعث شده است که در دو دهه گذشته، از آن به عنوان تقویتکنندهای ایدهآل استفاده گردد.
[3] یکی از مشکلات جدی در کار با نانولولههای کربنی، وجود نیروهای واندروالس - 0/5 - ev/nm بین نانولولههای کربنی است، که سبب آگلومره شدن و به هم چسبیدن نانولولههای کربنی و پراکندگی ضعیف آنها در زمینههای فلزی میشود. این امر مشکل جدی در ساخت این نوع کامپوزیتها میباشد. در واقع استفاده موثر از نانولولهکربنی در کامپوزیت وابستگی شدیدی به توزیع همگن نانولوله در زمینه کامپوزیتی دارد.[7] لذا باید به روشی بین ذرات نیروی دافعه فضایی ایجاد کرد تا از نزدیک شدن و کلوخه شدن آنها جلوگیری شود.
علاوه بر توزیع مناسب، پیوندهای مستحکم در فصل مشترک به سبب دستیابی به خواص مکانیکی عالی، بایستی مد نظر قرار گیرد. در صورتی که چسبندگی مناسبی بین زمینه و نانولولهکربنی وجود نداشته باشد، دستیابی به استحکام کششی بالای نانولوله امکانپذیر نخواهد بود. همچنین، با توجه به سطح نسبتا صاف نانولولههایکربنی و واکنشپذیری کم آنها، مشکل اتصالات فصل مشترک بین زمینه و نانولولهها وجود دارد.[3] یافتههای علمی حاکی از آن است که انرژی پیوندی بین فلزات و نانولولهها بسیار کم بوده و در نتیجه چسبندگی مطلوبی بین آنها حاصل نمیگردد، در نتیجه افت خواص نانولولهکربنی را سبب میشود.
روش مناسب به منظور افزایش میزان واکنشپذیری نانولولهکربنی نشاندن گروههای عاملی بر سطح آنها میباشد. در حقیقت گروههای عاملی موجود در سطح نانولوله واسطه پیوندی بین فلز و نانولولههای کربنی هستند. در تحقیقات نشان داده شده است که انرژی پیوند فلزات و نانولولههایکربنی با نشاندن گروههای عاملی در سطح نانولولهکربنی افزایش چشمگیری مییابد.[8] اکسیداسیون نانولولهکربنی با استفاده از اسیدهای قوی چون اسیدسولفوریک و یا اسیدنیتریک فرایندی مطلوب جهت تشکیل گروههای عاملی چون کربوکسیل، هیدروکسیل و کربونیل میباشد. تشکیل گروههای - عاملی مذکور سبب تغییر واکنشپذیری نانولولهکربنی و بهبود مشخصه ترشوندگی آن میگردد.
نانولولههای-کربنی از طریق گروههای کربوکسیلی سطحی خود به گروههای آمینی متصل میگردد. از طرفی زنجیره آلکیلی الیل آمین4 به برقراری اتصال با زمینه تمایل دارد. در نتیجه بین ذرات نیروی دافعه فضایی برقرار میشود که این نیروی دافعه از نزدیک شدن ذرات و به هم چسبیدن آنها جلوگیری میکند. در این تحقیق در ساخت نانوکامپوزیت Al/CNT، به منظور بهبود خواص نانوکامپوزیت و توزیعپذیری بهتر نانولولههای کربنی در زمینه از الیل آمین استفاده شد که تاکنون برای اصلاح سطح نانولولههای کربنی مورد استفاده قرار نگرفته است. این ترکیب همدوسی و سازگاری مطلوبی با Al دارد. تحقیقات مشابهی روی سایر نانو-مواد کربنی در ساخت کامپوزیت انجام شده است. در این تحقیق میخواهیم فرآیند اصلاح سطح را روی نانولوله-های کربنی با استفاده از این گروه آمینی انجام دهیم.
روش تحقیق مواد اولیه
نانولولهکربنی استفاده شده در این پروژه، نانولولهکربنی چند دیواره - MWCNT - میباشد، که از شرکت پیشگامان نانو خریداری شده است. نانولولههای کربنی دارای خلوص 95% و قطر متوسط 5-15nm میباشند. به منظور اطمینان از مشخصات نانولولههای کربنی خریداری شده، این محصول به وسیله میکروسکوپ الکترونی عبوری بررسی شد، که در نهایت تصویر تهیه شده از نانولولههای کربنی اولیه استفاده شده در ساخت کامپوزیت مورد نظر در شکل1 نشان داده شده است.
