علم مواد نانو کامپوزيت، توجه دانشمندان و مهندسان را در سالهاي اخير به خود جلب کرده است. نتايج بررسي استفاده از بلوکهاي ساختماني در ابعاد نانو، طراحي و ايجاد مواد جديد با انعطاف پذيري و پيشرفتهاي زياد در خواص فيزيکي آنها را ممکن مي سازد. قابليت ارتقاء کامپوزيت ها با استفاده از بلوکهاي ساختماني با گونه هاي شيميايي ناهمگن در رشته ها و بخش هاي مختلف علمي مطرح گرديده است. ساده­ترين مثالها از چنين طراحي­هايي، به صورت طبيعي در استخوان اتفاق مي­افتد که يک نانوکامپوزيت ساخته شده از قرص هاي سراميکي و چسبهاي آلي مي باشد. بدليل اين که اجزاء سازنده يک نانو کامپوزيت داراي ساختارها و ترکيبات مختلف و خواص مربوط به آنها مي باشد، کاربردهاي زيادي را ارائه مي دهند. از اينرو موادي که از آنها توليد مي شوند، مي توانند چند کاره باشند. با الگو گرفتن از طبيعت و براساس نيازهاي تکنولوژي هاي پديد آمده در توليد مواد جديد با کاربردهاي مختلف در آن واحد براي مصارف گوناگون، دانشمندان استراتژي هاي ترکيبي زيادي را براي توليد نانوکامپوزيت ها بکار برده اند. اين استراتژي ها داراي مزاياي آشکاري در توليد مواد دانه درشت مشابه مي باشند. نيروي محرکه در توليد نانو کامپوزيت­ها، اين واقعيت است که آنها خواص جديدي در مقايسه با مواد رايج ارائه مي دهند.

تصميم براي بهبود خواص و پيشرفت ويژگي هاي مواد از طريق ايجاد نانو کامپوزيت هاي چند فازي مسئله جديدي نيست. اين نظريه از زمان آغاز تمدن و بشريت و با توليد مواد براي کارآمدي بيشتر براي اهداف کاربردي مورد نظر بوده است. علاوه بر تنوع وسيع نانو کامپوزيت هاي يافت شده در طبيعت و موجودات (مثل استخوان) , يک مثال عالي براي کاربرد نانو کامپوزيت هاي ترکيبي در روزگار باستان, کشف جديد ساختمان نقاشي هاي مايان مي باشد که در دوران مسا مريكاس[1] بوجود آمدند. توصيف حالت هنر از اين نمونه هاي نقاشي آشکار مي سازد که ساختار رنگها, متشکل از ماتريسي از خاک رس آميخته شده با مولکولهاي رنگي آلي مي باشد. آنها همچنين محتوي ناخالصي هاي ذرات نانوي فلزي محفوظ در يک لايه سيليکاتي بي شکل همراه با ذرات نانوي اکسيدي روي لايه مي باشند. اين ذرات نانو تحت عمليات حرارتي و از ناخالص بوجود مي آيند (Cr , Mn , Fe) که در مواد خام مثل خاک رس موجود مي باشند ولي جمع و سايز آنها خصوصيات نوري رنگ نهائي را تحت تأثير قرار مي دهد. ترکيبي از خاک رس موجود که يک سوپر لاتيک مي سازد که در ارتباط با ذرات نانوي فلزات و اکسيدي پشتيباني شده روي لايه آمورف مي باشد و اين رنگ را يکي از اولين مواد مرکب مشابه نانو کامپوزيت هاي کاربردي مدرن مي سازد. نانو کامپوزيت ها را مي توان ساختارهاي جامدي فرض کرد که داراي خواص مکرر بعدي با اندازه نانومتري بين فازهاي مختلف سازنده ساختار مي باشند. اين مواد متشکل از يک جامد غيرآلي (بستر يا ميزبان) محتوي يک جزء آلي و يا بالعکس مي باشند و يا مي توانند متشکل از دو يا چند فاز آلي/ غيرآلي در چند فرم ترکيبي باشند با اين محدوديت که حداقل يکي از فازها يا ترکيبات, در ابعاد نانو باشد.

مثالهايي از نانو کامپوزيت عبارتند از پوششهاي متخلخل، ژل ها و ترکيبي از پليمرها، مثل ترکيبي از فازهاي با ابعاد نانو با تفاوتهاي فاحش در ساختار, ترکيب و خواص مي توان فازهاي با ساختار نانوي موجود در نانو کامپوزيت ها را صفر بعدي (مثل خوشه هاي اتمي تشکيل شده)، تک بعدي (يک بعدي مثل نانوتيوپ ها) و دو بعدي (پوشش هاي با ضخامت نانو) و سه بعدي (شبکه هاي جاسازي شده) در کل مواد نانو کامپوزيت مي توانند داراي خواص مکانيکي, الکتريکي, الکتريکي، نوري، الکتروشيمي، کريستالي و ساختاري باشند، نسبت به مواردي که داراي اجزاء واحد و يگانه هستند. رفتار چند کاره براي هر ويژگي بخصوص ماده اغلب بيش از مجموع اجزاء تکي مي باشد.

هر دو روش پيچيده و ساده براي ساختن ساختارهاي نانو کامپوزيت وجود دارد يک سيستم عملي نانو کامپوزيت دو فازي، مثل کاتاليزرهاي پشتيبان مورد استفاده در کاتاليزر محرک (ذرات نانوي فلزي جاي گرفته روي پشتيبان هاي سراميکي)، مي توانند بسادگي با بخار دادن فلز روي لايه و يا پراکنده کردن توسط حلال شيميايي آماده شوند. از طرف ديگر، ماده اي مثل استخوان که داراي ساختاري سلسله مراتبي با فازهاي پليمري و سراميکي مرکب مي باشد، با تکنيکهاي ترکيبي حاضر, به سختي مي تواند تکثير شود. جدا از ويژگي هاي اجزاء تکي در يک نانو کامپوزيت، اشتراك اجزاءبا يكديگر در بهبود يا محدود کردن خواص کلي يک سيستم نقش مهمي بر عهده دارند.

با توجه به فصل مشترک زياد و وسيع ساختارهاي نانو, نانو کامپوزيت ها ارائه کننده فصل مشترک هاي زيادي بين فازهاي ادغام شده تشکيل دهنده مي باشند. خواص ويژه نانو کامپوزيت ها اغلب از اثر متقابل و تداخل فازهاي آن در فصل مشترک ها حاصل مي شوند. يک مثال عالي براي اين مطلب, رفتار مکانيکي کامپوزيت هاي پليمري پر شده با نانوتيوپ ها مي باشد. هر چند افزودن نانوتيوپ ها مي تواند امکان استحکام پذيري پليمرها را افزايش دهد، يک فصل مشترک بـدون تـداخل فازها فقط براي بوجود آوردن مناطق ضعيف در کامپوزيت کارائي دارد و هيچ بهبودي در خواص مکانيکي آن بوجود نخواهد آمد. برخلاف مواد نانو کامپوزيت, فصل مشترک ها در کامپوزيت هاي موسوم, تشکيل دهنده يک شکستگي بسيار کوچکتر در فلزات بالک مي باشد.

ذکر اين نکته حائز اهميت است که تحقيقات در مورد کاربرد و روشهاي توليد نانو کامپوزيت ها در طول دهه اخير در بسياري از کشورهاي دنيا و در کشور ايران گسترش يافت و در دنياي پيشرفته کنوني باعث تکامل صنايع مختلف نظير صنعت هوا و فضا ،صنايع خودرو سازي و صنايع پزشکي و ... گريده است اين پروژه در حال حاضر مروري بر سيستم هاي نانو کامپوزيت و نحوه فرايند توليد و خصوصيات و کاربردهاي آنها دارد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم

مروري بر منابع

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-2- كامپوزيت

محرك پيشرفت علم كامپوزيت را مي توان بدست آوردن خواص جديد براي رفع نيازهاي علوم جديد با توجه به تركيب مواد دانست. كامپوزيت ماده اي است مشتكل از چندين جزء كه به صورت محكم به هم چسبيده باشد. اين تعريف بسيار گسترده است و شامل بسياري از مواد نظير چوب، بدن انسان و ... مي شود. اما در صنايع و علم جديد كامپوزيت داراي تعريف محدودي مي باشد. كامپوزيت ماده اي است مشتكل ازاجزاي اوليه كه به صورت فيزيكي به هم مخلوط شده اند و خواص بدست آمده از اين اختلاط درتك تك اجزا به صورت جدا مشاهده نمي شود. اين تعريف كامپوزيت را از مواد چند فازي كه از تركيب چند فاز و استحاله هاي فازي به وجود آمده است (كامپوزيت درجا) جدا مي كند [1].

اصطلاح زمينه[2] و تقويت كننده[3] در علم كامپوزيت استفاده مي شود. زمينه يك فاز نرمي است با قابليت شكل پذيري انتقال حرارت و چكش خواري خوب كه فاز سخت تقويت كننده داراي سختي بالا ضريب انبساط حرارتي كم مي باشد را در خود جاي داده است. فاز تقويت كننده مي تواند پيوسته يا ناپيوسته باشد. كامپوزيت ها با توجه به فاز زمينه كه مي تواند پليمر، سراميك، فلز باشد و همچنين فاز تقويت كننده كه شامل طبيعت شيميايي آنها (اكسيدها، كاربيدها و نيتريدها) و نوع شكل آنها (الياف پيوسته، الياف كوتاه و ويسكرز كروي) و جهت گيري آنها و روش توليد آنها طبقه بندي مي شوند. كه اين طبقه بندي عبارتست از:

1- كامپوزيت زمينه پليمري

2- كامپوزيت زمينه فلزي

3- كامپوزيت زمينه سراميكي [1]

به دليل اينكه اين پروژه در مورد كامپوزيت زمينه فلزي است به بحث راجع اين نوع كامپوزيت مي پردازيم.

 

 

 

 

 

2-2- تاريخچه توليد کامپوزيت هاي زمينه فلزي

توليدMMCs[4] به سال1940 ميلادي حين بهبود سرمت2 باز مي گردد. در گذشته اجزاي غير فلزي (سراميکي) داخل فلزات يا آلياژها را به عنوان عواملي که باعث تخريب خواص مکانيکي از جمله استحکام و انعطاف پذيري مي شود ، مي دانستند . در اواسط دهه ي 60 نيكل پوشش داده شده توسط پودر گرافيت را به وسيله جريان گاز آرگون در مذابي از آلياژ آلومينيوم وارد کردند. اين سرآغاز توليد و بررسي کامپوزيت هاي زمينه فلزي بود و تحت نام MMC معرفي شد. در سال 1968 در انجمن تکنولوژي هندوستان در کنپور ، شخصي به وسيله ي روش به هم زدن موجبات اتصال ذرات آلومين به آلومينيوم را فراهم نمود و باعث بوجود آمدن کامپوزيت هاي آلومينيوم- آلومين گرديد. اين اختراع تحت نام روش ريخته گري به هم زدني ناميده شد[1].

در اوايل دهه ي هفتاد انجمن تکنولوژي ماساچوست روشي را به ثبت رساند که در آن اجزاي غير فلزي را در آلياژهاي شبه جامد در درجه حرارتي بين شاليدوس وليکوئيدوس براي همان آلياژ در مخلوط قرار مي داد و توليدکامپوزيت مي کرد. در اين پروسه تاخير در تر شدن و دير تر شدن ذرات باعث افزايش ويسکوزيته آلياژ شبه جامد مي شد. در دانشگاه رودکي يک ترتيب و نظمي براي فرو بردن ناخالصيها (ذرات) معرفي شد . اين ترتيب و نظم به اين شکل بود که ابتدا به وسيله به هم زدن، مذاب و پارتکيل ها را به صورت دوغاب در آمده و نيازي به هم زدن تا انتهاي کار نباشد. در روشهاي پراکنده سازي ذرات و روش آلياژهاي شبه جامد مي توان متد هاي گوناگوني را بکار برد اما مقدار ذرات مصرفي محدود مي باشد چرا که دوغاب مذاب حاوي ذرات براي ريخته گري يک حداقل سياليت را لازم دارد. بقيه ي روشهاي توليد کامپوزيت زمينه فلزي را در اين بخش به طور مختصر، و در فصل روش هاي تلفيق به طور کامل توضيح داده مي شود. مهمترين حسن اين گروه حفظ خواص در دماي بالا مي باشد. از ديگر مزايا مي توان به استحكام كششي نهايي بالا، مقاومت به ضربه بالا، توانايي آزاد سازي تنش (بدليل قابليت تغيير شکل پلاستيک) و مقاومت به خوردگي بالا اشاره کرد [1].

 

 

 

 

در توليد MMCs بايد پارامترهاي زيادي مد نظر قرار گيرند که مهمترين آن ها عبارتند از :

الف) در انتخاب مواد بايد دقت شود. با توجه به اينکه اغلب ، فاز دوم داراي جنس سراميک مي باشند و بيشتر سراميک ها با فلزات واکنش مي دهند و توليد ترکيبات بين فلزي[5] اين مواد بسيار ترد و شکننده هستند و خواص را کاهش مي دهند (البته بايد در نظر داشت که واکنش بايد انجام گيرد).

ب) چون هدف بدست آوردن يک ماده سبک است پس بيشترين کاربرد راMg ،Al تا حدودي و در بعضي موارد خواهند داشت. خيس شوندگي ذرات بايد در نظر گرفته شود . زمينه بايد قابليت تر شوندگي سراميک را داشته باشد [1]

 

 

3-2- روش هاي توليد MMCs

1-3-2- روش ذوبي در توليد MMCs

در روش هاي ذوبي فلز زمينه ذوب شده با فلز دوم ادغام مي شود و کامپوزيت توليد مي گردد. مانند روش هاي گردابي ، نيمه جامد- نيمه مايع ، ريخته گري کوبشي ، پاشش همزمان ، درجا و...[1].

 

 

1-1-3-2- روش گردابي ياVortex

در اين روش يک همزن در داخل مذاب وجود دارد که عمل هم زدن را انجام مي دهد . در حين هم زدن فاز دوم (سراميک ) از بالا وارد مي شوند و مخلوطي از مذاب و سراميک ايجاد مي شود اين مخلوط دوغاب کامپوزيتي نيز ناميده مي شود . سپس از روش هاي مختلف ريخته گري مي توان قطعات کامپوزيتي توليد کرد[1].

محاسن عبارتست از :

1- از نظر اقتصادي مقرون به صرفه است چون به تجهيزات پيچيده اي نياز نمي باشد .

2- محدوديت در شکل و اندازه قطعات وجود ندارد.

3- اگر تخليل در حد قابل قبول باشد نياز به فرآيند ثانويه نمي باشد.

4-

قابليت بازيابي مجدد وجود دارد .

مشخصات روش گردابي را مي توان به سه مورد اشاره كرد:

الف) انتخاب مواد اوليه: همه موارد انتخاب بايد مد نظر قرار گيرد. همچنين چون زمان تماس مذاب با سراميک نسبتاً طولاني است (درحين هم زدن و ريخته گري) امکان تخريب سراميک بدليل واکنش مخرب وجود دارد ، پس بايد در انتخاب مواد دقت کرد.

ب ) اختلاف (ضريب انبساط حرارتي) زمينه و فاز دوم : چون از دماي بالا توليد مي شوند اين اختلاف سبب تشکيل دانسيته نابجايي در اطراف ذرات مي شوند. در نتيجه ذره تحت فشار و زمينه تحت کشش مي باشد. به اين مسئله تطابق فيزيکي گويند اين مسئله از لحاظ پير سختي مفيد است.

ج‌) خيس شوندگي : بايد مد نظر قرار گيرد. عدم خيس شوندگي عدم اختلاط را به همراه دارد. گاهي اوقات براي تکامل خيس شوندگي ذرات پيش گرم شوند . مانند SiC که در ⁰c 9000 به مدت 1تا 3 ساعت حرارت مي دهند. بدليل :

1- از بين رفتن رطوبت و ناخالصي هاي سطحي که باعث مي شود کلوخه اي شدن اتفاق نيفتد.

2- شيمي سطح تعويض مي شود. با حرارت SiC تشکيل شده که باعث بهبود تر شوندگي مي گردد[1].

 

 

2-1-3-2- مخلوط سازي فاز دوم با مذاب

اولين مرحله جهت توليد کامپوزيت خوب توزيع ذرات فاز دوم در دوغاب است. در اين مورد اکسيدهاي سطحي را بايد در نظر گرفت زيرا ايجاد مزاحمت مي کنند. هم چنين برخورد بين ذرات نيز بايد در نظر گرفته شود. مهمترين مسئله جهت توزيع ذوب هم زدن مي باشد. جهت دستيابي به توزيع خوب در هم زدن ، همزن بايد شرايط خاصي داشته باشد . همزن هم مي تواند جريان شعاعي و هم مي تواند جريان محوري ايجاد کند وجود هردو جريان با هم بهترين حالت خواهد بود[1] .

جهت انجام بهينه هم زدن به پارامترهاي زير بايد توجه کرد.

 

1- Mesoamericas

1- Matrix

2- Reinforcment

1- Metal matrix composites

2-Cermet

1-Intermetalic