• مواد نانومتخلخل معدنی

تقسیم ­بندی مواد نانومتخلخل آلی
۱) مواد کربنی: کربن فعال^[۲۷]، کربنی است که حفره‌های بسیار زیاد دارد و مهم‌ترین کربن از دسته مواد میکرومتخلخل است.
۲) مواد بسپاری^[۲۸]: مواد نانو متخلخل بسپاری به دلیل ساختار انعطاف‌پذیر خود، حفره‌های پایداری ندارند و تنها چند ترکیب محدود از این نوع وجود دارد [۸].
تقسیم بندی مواد نانومتخلخل معدنی
۱) مواد میکرومتخلخل
زئولیت‌ها: مهم‌ترین ترکیبات میکرومتخلخل بوده که دارای ساختار منظم بلوری و حفره‌دار با بار ذاتی منفی می‌باشند. در اکثر موارد ساختار زئولیتی از قطعات چهار وجهی^[۲۹] با چهار اتم اکسیژن و یک اتم مرکزی مثل آلومینیوم، سیلیکون، گالیم یا فسفر تشکیل شده‌اند که با کاتیون‌ها خنثی می‌شوند [۸].
چارچوب فلزی-آلی^[۳۰]: از واحد‌های یونی فلزی یا خوشه‌ی^[۳۱] معدنی و گروه‌های آلی به عنوان اتصال­دهنده^[۳۲] تشکیل شده است که اتصال آن‌ ها به هم، حفره‌ای با شکلی معین مانند کره یا هشت وجهی به وجود می‌آورد. ویژگی بارز این ترکیبات، چگالی کم و سطح ویژه‌ی بالای آن‌هاست [۹].
هیبرید‌های آلی-معدنی^[۳۳]: از قطعاتی معدنی تشکیل شده‌اند که توسط واحد‌های آلی به هم متصل هستند [۱۰].
۲) مواد مزومتخلخل:
سیلیکا: ترکیبات ^[۳۴]MCM، معروف‌ترین سیلیکای مزومتخلخل هستند.
اکسید فلزات و سایر ترکیبات مزومتخلخل: اکسیدهای نانومتخلخل فلزات مثل تیتانیوم دی اکسید، روی اکسید، زیرکونیوم دی اکسید و آلومینا، فعالیتی بیشتر از حالت معمولی خود دارند. ترکیبات سولفید و نیترید هم می­توانند ساختار مزومتخلخل داشته باشند.
۳) مواد ماکرومتخلخل:
بلور کلوییدی^[۳۵]: از مجموعه کره‌هایی مانند سیلیکا ساخته می‌شود که فضای بین آن‌ ها خالی است. در بلور کلوییدی معکوس^[۳۶] کره‌ها توخالی و فضای بین آن‌ ها پر است [۱۰].
آئروژل‌ها مواد مزومتخلخل با سطح ویژه و حجم تخلخل بالا هستند که در فصل بعد به آن‌ ها می‌پردازیم.
۱-۵ کامپوزیت‌ها
کامپوزیت‌ها (مواد چند رسانه­ای یا کاه­گل‌های سبز فایل) رده‌ای از مواد پیشرفته هستند که در آن‌ ها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد مواد جدیدی با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است. اجزای تشکیل­دهنده ویژگی‌های خود را حفظ کرده، در یکدیگر حل نشده و با هم ترکیب نمی‌شوند.
استفاده از این مواد در طول تاریخ مرسوم بوده است. از اولین کامپوزیت‌ها یا چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به آجرهای گلی که در ساخت آن‌ ها از کاه استفاده شده است اشاره کرد. هنگامی که این دو با هم مخلوط بشوند، در نهایت آجر پخته به­دست می‌آید که بسیار ماندگار‌تر و مقاوم‌تر از هر دو ماده اولیه، یعنی کاه و گل است. شاید هم اولین کامپوزیت‌ها را مصری‌ها ساخته باشند که در قایق‌هایشان به چوب بدنه قایق مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن، آب توسط پارچه جذب شده و چوب باد نکند. قایق‌هایی که سرخپوستان با فیبر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم ساخته می‌شدند از نخستین کامپوزیت‌ها هستند [۱۱].
۱-۵-۱ کامپوزیت یا مواد چندسازه
چندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوط دو یا چند عنصر با فازهای کاملا متمایز ساخته شده باشند. در مقیاس ماکروسکوپیک فازها غیر قابل تشخیص‌اند. اما در مقیاس‌های میکروسکوپیک فازها کاملا مجزا هستند و هر فاز خصوصیات عنصر خالص را نمایش می‌دهد. در چندسازه‌ها، نه تنها خواص هر یک از اجزاء باقی مانده بلکه در نتیجه­ پیوستن آن‌ ها به یکدیگر، خواص جدیدتر و بهتر به­دست می‌آید [۱۱].
۱-۵-۲ ویژگی‌های مواد کامپوزیتی
مواد زیادی می‌توانند در دسته‌بندی مواد کامپوزیتی قرار بگیرند، در واقع موادی که در مقیاس میکروسکوپی قابل شناسایی بوده و دارای فازهای متفاوت و متمایز باشند در این دسته‌بندی قرار می‌گیرند. امروزه کامپوزیت‌ها به علت وزن کم و استحکام بالا در صنایع مختلف، به طور گستره‌ای مورد استفاده واقع می‌شوند. کامپوزیت‌ها با کاهش وزن و ویژگی‌های فیزیکی بسیار عالی، گزینه‌ای مناسب برای استفاده در تجهیزات ساختاری می‌باشند. علاوه بر ‌این، کامپوزیت‌ها جایگزین مناسب برای مواد سنتی در کاربردهای صنعتی، معماری، حمل و نقل و حتی در کاربردهای زیر بنایی می‌باشد [۱۲].

( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

یکی از ویژگی‌های بارز کامپوزیت‌ها، حضور فاز تقویـت­کننده مجزا از فاز زمینه می‌باشد. ویژگی‌های اختصاصی این دو فاز، در ترکیب با یکدیگر، ویژگی‌های یکسانی را به کل کامپوزیت می‌بخشد. در یک دسته‌بندی ویژه، کامپوزیت‌ها همواره به دو فاز زمینه و تقویت­کننده تقسیم می‌شوند. می‌توان گفت در واقع زمینه مانند چسبی است که تقویت­کننده‌ها را به یکدیگر چسبانده و آن‌ ها را از آثار محیطی حفظ می‌کند.
۱-۵-۳ مواد زمینه کامپوزیت
زمینه با محصور کردن فاز تقویت کننده، باعث افزایش توزیع بار بر روی کامپوزیت می‌گردد. در واقع زمینه، برای اتصال ذرات تقویت­کننده، انتقال بارها به تقویت­کننده، تهیه یک ساختار شبکه‌ای شکل از آن‌ ها و حفظ تقویت­کننده از آثار محیطی ناسازگار به کار گرفته می‌شود.
۱-۵-۴ تقویت­کننده‌ها
دسته‌ای از مواد معمولی که به عنوان فاز تقویت کننده به کار گرفته می‌شوند، عبارتند از شیشه‌ها، فلزات، پلیمرها و گرانیت. تقویت­کننده‌ها در شکل‌های مختلفی از جمله فیبرهای پیوسته، فیبرهای کوتاه یا ویسکرها و ذرات تولید می‌شوند (شکل۳-۳). تقویت کننده‌ها باعث ایجاد ویژگی‌های مطلوبی از جمله استحکام و مدول بالا، وزن کم، مقاومت محیطی مناسب، کشیدگی خوب، هزینه کم، در دسترس­پذیری مناسب و سادگی ساخت کامپوزیت می‌گردند [۱۲].
۱-۵-۵ نانو کامپوزیت
نانو کامپوزیت‌ها مواد مرکبی هستند که ابعاد یکی از اجزای تشکیل­دهنده آن‌ ها در محدوده نانو‌متری باشد. نانوکامپوزیت‌ها هم، در دو فاز تشکیل می‌شود. در فاز اول، ساختار بلوری در ابعاد نانو ساخته می‌شود که زمینه کامپوزیت به شمار می‌رود. در فاز دوم هم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای بهبود ویژگی‌ها به فاز زمینه افزوده می‌شود. توزیع یکنواخت این فاز در ماده زمینه باعث می‌شود که فصل مشترک ماده تقویت کننده با ماده زمینه در واحد حجم، مساحت بالایی داشته باشد [۱۳].
شکل ۱-۳ نمایشی از انواع مختلف تقویت کننده‌ها در کامپوزیت [۱۲].
۱-۶ خلاصه
در این فصل به بیان بعضی مفاهیم اولیه پرداخته­شد. خلاصه کوتاهی از فناوری نانو، نانوساختارها و روش‌های ساخت آن‌ ها گفته شد. بعد از آن مواد متخلخل بررسی شد و در نهایت مختصری در مورد کامپوزیت‌ها، ویژگی‌ها و نانوکامپوزیت‌ها بیان شد.
فصل دوم
آئروژل­ها و مروری بر خواص مغناطیسی
۲-۱ تاریخچه
حوزه­ پژوهشی آئروژل هر ساله به طور وسیعی افزایش می‌یابد به طوری که امروزه توجه بسیاری از دانشمندان جهان را به خود اختصاص داده­است.
اولین بار ساموئل استفان کیستلر^[۳۷] در سال ۱۹۳۱ با ایده­ جایگزینی فاز مایع با گاز در ژل همراه با انقباض کم، آئروژل را تولید کرد. در آن زمان سعی ایشان بر اثبات وجود شبکه‌های جامد در درون ساختار ژل بود. یک روش برای اثبات این نظریه، برداشتن فاز مایع از فاز مرطوب ژل بدون اینکه ساختار جامد از بین برود مطرح بود. برای این کار او با بهره گرفتن از یک اوتوکلاو، فاز مایع را از ژل خارج­کرد که جامد باقی مانده چگالی بسیار پایینی داشت. او دما و فشار داخلی اوتوکلاو را به نقطه بحرانی مایع رساند تا بر کشش سطحی مایع غلبه­کند و ساختار داخلی ژل را از فروپاشی برهاند. به این ترتیب او با موفقیت اولین آئروژل پایه سیلیکا را تولید کرد. ولی به دلیل سختی کار، برای حدود نیم­قرن پژوهشی در این زمینه صورت نگرفت. اما از همان ابتدا برای دانشمندانی چون کیستلر، واضح بود که آئروژل ویژگی‌های برجسته‌ای مانند چگالی پایین و رسانایی گرمایی ناچیزی دارد [۱۴].
در سال‌های اخیر، ساختن آئروژل به معنای رساندن الکل به فشار و دمای بخار شدنی و به طبع آن به‌دست‌آوردن نقطه­ی بحرانی است و باعث استخراج فوق بحرانی از ژل می‌شود. سپس، در سال ۱۹۷۰، دانشمند فرانسوی تایکنر^[۳۸] و همکارانش برای بهبود فرایند تولید دولت فرانسه، موفق شدند روش جدیدی به غیر از روش کیستلر برای تهیه­ آئروژل کشف کنند و آن را روش سل-ژل نامیدند. در این روش آلکوکسی سیلان با سیلیکات سدیم، که به وسیله کیستلر استفاده می‌شد، جایگزین گردید. با ظهور روش ارائه شده به وسیله‌ی تایکنر پیشرفت‌های جدیدی در علم آئروژل و فناوری ساخت آن حاصل شد و پژوهش‌گران زیادی به مطالعه در این زمینه روی آوردند. به دلیل انجام مطالعات، تحقیقات و اقدامات صنعتی و نیمه صنعتی که در دهه ۷۰ و ۸۰ بر روی آئروژل‌ها صورت گرفت، این دوره را عصر رنسانس آئروژل نامیدند. [۱۵].
این مواد جایگاه خود را به عنوان مواد جامدی با چگالی و رسانایی گرمایی پایین به‌دست آوردند. پایین‌ترین چگالی آئروژل تولید شده ۱/۰ میلی­گرم بر سانتی­متر مکعب است، تا حدی که نمونه می‌تواند در هوا شناور بماند. گرچه برای ساخت جامد آئروژل مواد بسیاری می‌توانند استفاده شوند ولی آئروژل‌های _۲SiO متداول‌ترند. البته می‌توان با واردکردن مواد مختلف در ساختار آئروژل در حین فرایند ژل شدن، به بهبود ویژگی‌های نمونه‌های نتیجه شده کمک کرد [۱۶].
آئروژل‌ها را می‌توان به عنوان یک ماده منحصر به فرد در زمینه فناوری سبز در نظر گرفت. هشدار جهانی، تهدید آینده­ی محیط زیست توسط گاز‌های گلخانه­ای تولید شده به­دست بشر را تأیید می‌کند. آینده­ی انرژی‌های قابل دسترس به خاطر کم­شدن منابع نفتی و حتی افزایش تقاضا برای محصولات نفتی، در خطر است. آئروژل‌ها بارها و بارها به افزایش بازده­ی برخی ماشین‌ها و سیستم‌ها و کمک به کاهش مصرف انرژی یاری رسانده‌اند. همچنین آئروژل‌ها می‌توانند آلاینده‌های آب را بیرون بکشند و با گرفتن ذرات مضر قبل از ورود به اکوسیستم، سبب تخریب­نشدن محیط زیست شوند. دانشمندان دریافتند که این فناوری برای تجدید و حفاظت از انرژی به توسعه بیشتری نیاز دارد [۱۷].
۲-۲ شیمی سطح آئروژل
سیلیکا آئروژل حاوی ذرات نانومتری هستند. این ترکیبات دارای نسبت سطح به حجم بالا و مساحت سطح ویژه­ی زیادی هستند. شیمی سطح داخلی در آئروژل‌ها نقش اساسی را در بروز رفتار‌های بی‌نظیر فیزیکی و شیمیایی آن‌ ها، ایفا می‌کند. ماهیت سطح آئروژل‌ها تا حد زیادی به شرایط تهیه­ آن‌ ها بستگی دارد. انتخاب فرایند مربوط به ترکیبات شیمیایی و و
یژگی‌های مورد نظر مشخص برای نانوذرات وابسته است. دو روش پایه برای تولید نانوذرات استفاده می‌شود:

• روش از بالا به پایین

اشاره به خردکردن مکانیکی مواد با بهره گرفتن از فرایند آسیاب­کاری دارد. در این فرایند مواد اولیه به بلوک‌های پایه­ بیشتری شکسته می‌شوند.

• روش پایین به بالا

اشاره به ساخت سیستم پیچیده به وسیله ترکیب اجزای سطح اتم دارد. در این فرایند ساختارها به وسیله فرآیندهای شیمیایی ساخته می‌شوند.