بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، نانوکامپوزیت سرامیکی نانولوله های کربنی چنددیواره همراه با تیتانات باریم و زمینه سیلیکا از طریق فرآیند سل-ژل تهیه شد. جهت توزیع و اختلاط یکنواخت و بهتر نانولوله ها و ذرات تیتانات باریم و ذرات سیلیکا و ایجاد فصل مشترک مناسب بین آنها از روش سل- ژل برای سنتز ذرات سیلیکا همراه با دو بار سانتریفیوژ و همزدن مغناطیسی استفاده شد.
کامپوزیتها در دماهای 700-1000 C در کوره تیوبی با اتمسفر محافظ گاز آرگون، تحت عملیات حرارتی قرار گرفتند. نتایج آزمایشات SEM از نمونه ها نشان داد که بهترین یکنواختی و اختلاط بین نانوتیوب ها و ذرات تیتانات باریم و سیلیکا در این روش صورت گرفته است. نتایج آزمایشات دی الکتریک نشان داد که هر دو بخش حقیقی و مختلط نفوذپذیری نمونه ها با افزایش درصد نانوتیوب و افزایش دمای سینتر افزایش می یابد و لذا به عنوان ماده مناسب جهت کاربرد در حفاظ های امواج الکترومغناطیس پیشنهاد می گردند.
کلمات کلیدی: نانوکامپوزیت، نانولوله کربنی، سل-ژل، حفاظ امواج الکترومغناطیس
1. مقدمه
نانولوله های کربنی به واسطه استحکام مکانیکی عالی، خواص الکتریکی برجسته، اثر انتشار میدان بی نظیر و بالا بودن هدایت حرارتی، جذابیت های زیادی برای کاربردهایی نظیر پرکننده به عنوان تقویت کننده مکانیکی، ادوات نیمه هادی در ابزارآلات نانومقیاس، مواد نمایش گر، مواد ذخیره ساز هیدروژن و حسگرهای هوشمند پیدا کرده است که همگی ناشی از ساختارهای لوله ای و خواص الکترونیکی کنترل شده آن است.
جذابیت های خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی دریچه جدیدی خصوصا برای توسعه و ساخت کامپوزیت های نوین شامل کامپوزیت های نانولوله کربن- پلیمر، کامپوزیت های نانولوله کربن- فلز و کامپوزیت های نانولوله کربن- سرامیک گشوده است .[1-3]
سرامیک های تیتانات باریم مواد پروسکایتی بسیار مهمی هستند که به طور گسترده در فروالکتریک ها، پیزوالکتریک ها، مقاومت کننده های مغناطیسی غول پیکر و ابزارآلات اپتیکی غیرخطی بزرگ برای ثابت دی الکتریک بالای آن ها و خواص انتقال فروالکتریک- پاراالکتریک، مورد استفاده قرار می گیرند .[3]
Xiang و همکارانش [4] کامپوزیت های سیلیکای فیوز متراکم پرشده با نانولوله های کربنی چند دیواره را با روش پرس داغ تهیه کردند. نتایج آنها نشان دادکه این کامپوزیت ها نفوذپذیری مختلط بالایی در محدوده فرکانسی 8/2-12/4 GHz از خود نشان می دهند که دلیلی بر عالی بودن خواص میرایی میکروویو آنهاست. لذا راندمان حفاظت تداخلی الکترومغناطیس و خواص جذب میکروویو کامپوزیت های پرشده با نانولوله های کربنی را می توان با افزودن پرکننده های دیگر نظیر ذرات فلزی، پلیمرهای هادی و ذرات مغناطیسی یا دی الکتریک بهبود بخشید.
به عنوان مثال کامپوزیت های MWCNT و ذرات تیتانات باریم که با پلی وینیلیدین فلوراید پر شده باشند دارای ثابت دی الکتریک بالا و اتلاف دی الکتریک پایینی هستند .[5-6] علاوه بر آن، سرامیک های نانولوله کربنی/ تیتانات باریم با هدایت الکتریکی بالا نیز اخیرا مورد مطالعه قرار گرفته اند [3] که تایید کننده این است که کامپوزیت پرشده با MWCNT و تیتانات باریم می تواند به عنوان مواد حفاظتی EMI با خواص میرایی میکروویو عالی مورد استفاده قرار بگیرند.
البته برای وارد کردن نانولوله های کربنی داخل زمینه سرامیکی کامپوزیت ها، دو مشکل و مانع جدی وجود دارد: اول اینکه چگونه نانولوله ها را داخل زمینه سرامیکی به طور یکنواخت پخش کنیم و ثانیا چگونه فصل مشترک و اتصال محکمی بین نانولوله ها و زمینه سرامیکی بتوان برقرار نمود.
بنابراین تهیه کامپوزیت های سرامیکی با پرکننده های یکنواخت پخش شده نانولوله های کربنی از اهمیت و ارزش قابل توجهی برخوردار است. در این پژوهش، از روش سل- ژل جهت تهیه نانوکامپوزیت های نانولوله کربنی-تیتانات باریم/ سیلیکا استفاده شده است. در سال های اخیر معلوم شده است که سرامیک های تهیه شده به روش سل- ژل دارای مزایایی نسبت به سایر روش های تولید سرامیک ها می باشد.
همگنی بهتر، سطح خلوص بالاتر، قابلیت تولید کامپوزیت ها و ترکیبات پیچیده و دمای پخت یا سینتر پایین تر از مزایای روش سل- ژل می باشد . [7-8 ] از آنجا که مخلوط کردن همگن پودرهای تیتانات باریم و سیلیکا و نانولوله کربنی و ایجاد فصل مشترک مناسب بین آنها جهت ساخت نانوکامپوزیت مورد اشاره، بسیار سخت و مشکل می باشد، لذا در فرآیند انتخاب شده در این پژوهش، ذرات سیلیکا در داخل سیستم و در حین همزدن ذرات توسط روش سل- ژل تشکیل شده به طوری که قابلیت اختلاط همگن در این روش بسیار بالاست.
2. روش انجام آزمایش
جهت تهیه نانوکامپوزیت های /MWCNT-BaTiO3 سیلیکا، از مواد اولیه زیر استفاده شد: نانولوله کربنی عامل دار شده با گروه کربوکسیل - COOH - با خلوص بالای 99% و قطر متوسط 20-30 nm تهیه شده از شرکت پیشگامان نانومواد ایرانیان، پودر تیتانات باریم متعلق به شرکت مرک آلمان، تترا اتیل اورتوسیلیکات - TEOS - متعلق به شرکت مرک آلمان جهت سنتز سیلیکا، اتانول جهت تهیه محیط اختلاط و حلال برای TEOS، اسید کلریدریک جهت تنظیم pH در فرآیند سل- ژل و آب جهت انجام هیدرولیز .
TEOS ترکیب نمونه های مختلف کامپوزیت با درصد ثابت 50% تیتانات باریم و درصدهای متفاوت 0/25 - MWCNT،0/5، 1، 2 و%4 وزنی - انتخاب شدند. ابتدا مقادیر محاسبه شده نانولوله در داخل مقداری اتانول ریخته شد و جهت پخش کامل ذرات نانو لوله داخل سیستم از حمام اولتراسونیک و جهت غلبه بر توده ای شدن و آگلومراسیون نانولوله ها از مقداری سورفکتانت موسوم به سدیم دودسیل سولفونات - SDS - استفاده گردید.
سپس سیستم را از حمام خارج کرده و با اضافه کردن مقدار مشخصی از تیتانات باریم و استفاده از همزن مغناطیسی، سیستم راشدیدا هم میزنیم. پس از مدتی همزدن، مقدار محاسبه شده ای TEOS به سیستم اضافه کرده و مجددا سیستم در حمام اولتراسونیک قرار می گیرد. به دنبال آن کمی آب جهت هیدرولیز TEOS و مقدار بسیار کمی اسید کلریدریک جهت کاهش pH برای تسریع فرآیند هیدرولیز به سیستم اضافه کرده و مجددا تحت همزدن شدید قرار می دهیم.
پس از مدتی در اثر ژلاسیون، کل سیستم به صورت یک ژل سیاه رنگ یکنواخت درآمده و با خشک کردن مجموعه ژل در یک آوون، پودر کامپوزیت بدست می آید. پودر بدست آمده به صورت دیسک هایی با قطر حدود 15 میلیمتر پرس شده و سپس قرص های خام در دمای 800 C تحت اتمسفر آرگون در یک کوره تیوبی پخته می شوند تا هم زمان عملیات کلسیناسیون و سینتر کامپوزیت ها انجام شود.
جهت بررسی مورفولوژی و ریزساختار کامپوزیت ها از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - مدل Phillips XL30 استفاده گردید. جهت محاسبه خواص دی الکتریک و نفوذپذیری مختلط کامپوزیت ها - " - '-L از دستگاهی موسوم به آنالیز شبکه - - Network Analyzer با مدل Agilent technologies E8362B استفاده گردید به طوری که تمامی اندازه گیری ها در محدوده فرکانسی 12 تا 18 گیگاهرتز انجام شد.
3. نتایج و بحث
شکل 1 نمودار تغییرات دانسیته نسبی کامپوزیت های سینتر شده شامل 0/5 درصد وزنی MWCNT را بر حسب دمای سینترینگ در مدت زمان ثابت 4 ساعت نشان می دهد. همان طور که دیاگرام نشان می دهد در دماهای سینتر کمتر از 850 C دانسیته نسبی نمونه ها کاهش یافته است. دلیل پایین بودن دانسیته نسبی در این محدوده دمایی ناکافی بودن دمای سینتر می باشد به طوری که پایین بودن دما در این محدوده نتوانسته نیروی محرکه لازم جهت نفوذ اتمی و بسته شدن خلل و فرج های موجود در کامپوزیت را فراهم کرده و لذا سینترینگ به خوبی انجام نشده و دانسیته کامپوزیتها پایین بوده است.
در دماهای بالاتر از 850 C نیز مجددا دانسیته کامپوزیت ها رو به کاهش نهاده است. دلیل این امر به پدیده رشد افراطی دانه ها بر می گردد به طوری که در این محدوده دمایی افزایش دما منجر به رشد و بزرگ شدن دانه ها شده و همین پدیده سبب ممانعت از بسته شدن حفره ها و خلل و فرج بین دانه ها می گردد. لذا افزایش دما در این محدوده نیز منجر به کاهش دانسیته و کاهش سینترینگ نمونه ها خواهد شد.
در دمای 850 C نفوذ اتمی جهت بسته شدن حفرات و از طرف دیگر رشد دانه ها به حالت تعادل رسیده و لذا بیشترین دانسیته نسبی در این دما برای کامپوزیت های شامل 0/5 درصد نانولوله کربنی اتفاق افتاده است. سیلیکای موجود در کامپوزیت در این دما به صورت فاز شیشه درآمده و ذرات کامپوزیت توسط این فاز تر شده و به هم می چسبند و سینتر در حضور فاز شیشه انجام می شود.
شکل 2 نمودار تغییرات دانسیته نسبی کامپوزیت های سینتر شده در دمای 850 C را بر حسب زمان سینترینگ برای کامپوزیت های شامل 0/5 درصد
شکل-1 تغییرات دانسیته نسبی کامپوزیت های سینتر شده در دماهای مختلف و زمان سینتر 4 ساعت در مقدار ثابت 0/5 درصد MWCNT
MWCNT نشان می دهد. همان طور که نمودار نشان می دهد، در زمان های سینتر کمتر از 4 ساعت، با افزایش زمان، دانسیته نسبی کامپوزیت افزایش می یابد. از آنجا که پدیده نفوذ پدیده ای وابسته به زمان می باشد لذا افزایش زمان، منجر به افزایش نرخ نفوذ اتمی افزایش و نتیجتا افزایش دانسیته نسبی نمونه ها. در زمان های سینتر بیش از 4 ساعت، میزان دانسیته نسبی با افزایش زمان کاهش می یابد.
در زمان های بیش از 4 ساعت، پدیده رشد افراطی دانه ها رخ خواهد داد به طوری که در اثر نگهداشتن طولانی مدت نمونه ها در دمای 850 C دانه های کامپوزیت های سرامیکی در اثر تحریک فرآیند نفوذ رشد کرده و این رشد دانه ها مانع از بسته شدن حفرات موجود خواهد شد و لذا پدیده سینترینگ متوقف شده و دانسیته نسبی کاهش خواهد یافت.
در زمان سینتر 4 ساعت که زمان بهینه سینترینگ است، میزان نفوذ اتمی و بسته شدن تخلخل ها با میزان رشد افراطی دانه ها به حالت تعادل رسیده و لذا بیشترین دانسیته نسبی و بیشترین مقدار سینترینگ در این زمان اتفاق خواهد افتاد.
