مقاله فارسی نانو ساختارها

نانو ساختارها
مقدمه
مواد نانوساختار، مواد توده اي پلي كريستالي هستند كه اندازة دانه آن ها بين 1 تا 100 نانومتر است. به نوعي مي توان گفت نانوذرات، اجزاي تشكيل دهندة برخي از مواد نانوساختار هستند. همانطور كه اشاره شد، به علت نسبت سطح به حجم زياد نانوذرات، تمايل اين مواد به آگلومره يا كلوخه شدن و واكنش با محيط اطراف بسيار زياد است. بسياري از خواص منحصر به فرد مواد نانو كه در ادامه بحث خواهد شد، بخاطر نسبت سطح به حجم زياد نانوذرات و يا مقدار زياد مرز دانه ها در مواد نانوساختار نسبت به مواد معمولي است. در يك ماده نانوساختار تعداد زيادي از اتم ها (بيش از 49% اتم ها)، در مرز دانه ها قرار دارند.
همانگونه كه در شكل (1) ملاحظه مي شود، اتم هاي درون دانه هاي ماده، آرايش ساختاري و منظمي دارند حال آنكه اتم هاي موجود در مرز دانه ها داراي فواصل اتمي متفاوتي بوده و بي نظم هستند. بنابراين در مواد نانوساختار درصد حجمي مرز دانة بالايي وجود دارد كه ساختار غير تعادلي و ناپايدار دارند. در اين جا به بررسي خواص، توليد و كاربرد فلزات و سراميك هاي نانوساختار پرداخته شده است،
منظور از مواد نانوساختار در اين فصل همان فلزات و آلياژها و سراميك هاي نانوساختار مي باشد.
خواص مواد نانوساختار
در بررسي خواص مواد نانوساختار مشكلات زيادي از جمله عدم امكان تهيه نمونة مطلوب، وجود تخلخل و ميكروترك، تنش هاي داخلي شديد، وجود ناخالصي ها و گازهاي حبس شده و نيز عدم امكان ارزيابي برخي كميت ها نظير اندازه گيري كرنش به دليل كوچك بودن نمونه ها وجود دارد. وجود چنين مشكلاتي باعث شده تا داده هاي آزمايشگاهي براي اين گروه از مواد محدود باشد.
نفوذ در مواد نانوساختار
همانگونه كه ذكر شد، مواد نانوساختار داراي درصد حجمي بالائي از مرز دانه هستند. اين امر باعث مي شود كه انتقال اتمي و نفوذ در مواد نانوساختار از آنچه در مواد تك كريستال و يا مواد با دانه هاي بزرگ تر اتفاق مي افتد، سريع تر باشد چرا كه در جامدات نانوساختار، فصل مشترك دانه ها مسيرهاي بيشتري براي نفوذ اتم ها فراهم مي كنند. به عبارت ديگر وجود اين فصل مشترك هاي بين دانه اي باعث مي شود كه تقريباً در همة دماها نفوذ از طريق مرز دانه ها، مكانيزم غالب باشد. اين در حالي است كه در مواد پلي كريستال معمولي در دماهاي بيش از نصف
نقطه ذوب، نفوذ از داخل دانه ها (نفوذ حجمي)، مكانيزم غالب در نفوذ است.
افزايش ضريب نفوذ در مواد نانوساختار سبب تغيير برخي خواص مواد به شرح زير مي شود:
افزايش حد حلاليت در حالت جامد؛ به عنوان مثال حد حلاليت بيسموت در مس معممولي حدود 4-10 درصد اتمي است، در حالي كه اين مقدار براي مس نانوساختار حدود 4 درصد اتمي است.
تشكيل تركيبات بين فلزي در دماهاي بسيار كمتر. د واقع چون سرعت نفوذ عناصر درهم افزايش يافته، تشكيل چنين تركيبات بين فلزي سريع تر و در دماهاي كمتري نسبت به حالت معمولي رخ خواهد داد.
افزايش قابليت سينتر شدن پودرهاي نانو. به دليل افزايش نسبت سطح به حجم ذرات، قابليت نفوذ و سينتر شدن پودرها افزايش مي يابد.
لازم به ذكر است اگر مواد نانوساختار از طريق سينترينگ يا تف جوشي نانوذرات توليد شده باشند، داراي تخلخل هايي با ابعاد نانومتر نيز هستند. بنابراين در اين دسته از مواد، تخلخل و حركت مرز دانه ها از ديگر پديده هاي مهم نفوذي هستند. در واقع تخلخل هاي احتمالي موجود در مواد نانوساختار اندازه اي در حد نانومتر دارند. بنابراين حضور اين عوامل در مواد نانوساختار باعث افزايش فصل
مشترك ساختارها شده و در نهايت منجر به افزايش ميزان نفوذ در اين مواد خواهد شد.
الف- نفوذ در فصل مشترك ساختارها
معمولاً بررسي رفتار نفوذي مواد نانوساختار در دماهاي پايين انجام مي گيرد. در اين دماها نفوذ درون داده ها بسيار كند صورت مي گيرد و عمدتاً نفوذ در حضور تخلخل هاي نانومتري به همراه مهاجرت فصل مشترك ساختارها اتفاق مي افتد. در واقع به علت درصد حجمي بالاي مرز دانه ها، انرژي داخلي اين مواد بالاست كه اين امر منجر به رشد دانه ها در اين مواد خواهد شد. اين پديده به وسيله مهاجرت فصل مشترك دانه ها اتفاق مي افتد. در اثر مهاجرت فصل مشترك دانه ها، اتم هاي نفوذ كننده در فصل مشترك، از مسيرهاي نفوذ خارج شده و درون دانه ها ثابت نگه داشته مي شوند (نفوذ در حجم دانه ها ناچيز است). بنابراين معادلات نفوذي در مواد نانوساختار (معادله 2) با معادلات مشابه در مواد معمولي (معادله 1) متفاوت خواهد بود.
(1)
در اين معادله C ميزان غلظت است كه معمولاً برحسب تعداد اتم ها در واحد حجم بيان مي شود. t , x عمق و زمان نفوذ هستند و DB ضريب نفوذ در فصل مشترك ساختارهاست.
(2)
در اين معادله V سرعت حركت فصل مشترك ساختارهاست كه ثابت فرض مي شود و زمان نفوذ است.
ب- نفوذ در فلزات نانوساختار
در اين قسمت نفوذ در فلزات نانوساختار با متراكم (بدون حضور تخلخل) مورد بحث قرار مي گيرد. تحقيقات انجام گرفته در مورد پالاديم نانوساختار نشان مي دهد كه چگالي تئوري به وسيله فشردن نانوذرات پالاديم با فشاري معادل 4 گيگاپاسكال و در دماي 380 درجة سانتيگراد تحت شرايط خلأ به دست مي آيد. در اين ماده تقريباً تخلخلي وجود ندارد.
براي مطالعة نفوذ در پالاديم نانوساختار بدون تخلخل، از آهن به عنوان عنصر ردياب استفاده شده است. نتايج بررسي ها نشان مي دهد كه در دماهاي كمي بالاتر از دماي اتاق، آهن خيلي سريع در پالاديم نفوذ مي كند. بنابراين انتقال اتمي و نفوذ آهن بيشتر در فصل مشترك دانه هاي پالاديم رخ مي دهد.
ادامه فرايند نفوذ و رشد دانه ها باعث مهاجرت و حركت فصل مشترك دانه ها شده كه با گذشت زمان از ميزان فعل و انفعالات فصل مشترك كاسته شده و در نهايت منجر به كاهش سرعت نفوذ عنصر ردياب مي شود. علت مهاجرت فصل مشترك دانه ها در پالاديم
نانوساختار به خاطر اين است كه طي اين عمل فصل مشترك هاي با ساختار غيرتعادلي به ساختار تعادلي نزديك مي شوند. به بيان ديگر، همانگونه كه قبلاً ذكر شد، فصل مشترك دانه ها با مهاجرت خودشان باعث رشد دانه ها و كاهش مساحت مرز دانه ها در ماده و نهايتاً كاهش انرژي داخلي آن مي شوند. بنابراين در اثر مهاجرت فصل مشترك دانه ها، ميزان فضاهاي خالي موجود در مرز دانه ها و همچنين كرنش داخلي مادة نانوساختار كاهش خواهد يافت. البته لازم به ذكر است كه نفوذ شيميايي و تشكيل تركيبات بين فلزي و همچنين تشكيل اكسيدهاي فلزي در مرز دانه ها مي تواند عمل نفوذ را مختل نمايد. به عنوان نمونه، رفتار نفوذي بيسموت در مس بسيار جالب است. بيسموت در مس نانوساختار نامحلول است. بنابراين تمايل زيادي به تجمع در فصل مشترك دانه ها دارد. بنابراين افزايش مقدار بيسموت در مس نانوساختار مي تواند منجر به كاهش انرژي مرز دانه هاي مس نانوساختار شود. با كمي دقت در اين مثال در مي يابيم كه مي توان با اضافه كردن برخي عناصر، جلوي رشد ساختاري مواد نانوساختار را گرفت، و اين مواد را به حالت پايدار رساند. چنين پايدارسازي در مورد سرب حاوي زيركنيم نيز قابل مشاهده است.
نفوذ در سراميك هاي نانوساختار
در مورد سراميك هاي نانوساختار نفوذ بين فازي بسيار مهم است چرا كه اين امر در افزايش نرخ سينترينگ و بهبود خواص شكل پذيري سراميك ها اثرات چشم گيري دارد. به عبارت ديگر با افزايش ميزان نفوذ فازهاي موجود در سراميك هاي نانوساختار، سرعت تف جوشي اين مواد افزايش يافته و همچنين با افزايش ضريب نفوذ در اين مواد، تبديل فازها به يكديگر تسهيل يافته و بنابراين شكل پذيري آن ها بهبود خواهد يافت چرا كه شكل پذيري سراميك ها به ميزان تبديل فازهاي درون سراميك ها وابسته است. بيشتر مطالعات نفوذي در مورد سراميك هاي نانوساختار، روي اكسيدهاي فلزات انتقالي ZrO2 و TiO2 انجام گرفته است.
سراميك هاي داراي تركيب استوكيومتري، انرژي فعال سازي زيادي براي نفوذ درهم دارند كه ناشي از پيوند قوي بين اجزاي تشكيل دهنده آن هاست. انحراف از تركيب استوكيومتري باعث افزايش انرژي داخلي ماده و كاهش ميزان انرژي فعال سازي مورد نياز براي نفوذ در اين مواد مي گردد. بنابراين استوكيومتري نقش بسيار مهمي در رفتار نفوذي سراميك هاي نانوساختار دارد.
براي درك بيشتر نقش فصل مشترك ساختارها در رفتار نفوذي مثالي را مرور مي كنيم. در اين مثال از اكسيژن به عنوان ردياب استفاده شده و طيف سنجي
جرم يوني ثانويه براي اندازه گيري خواص نفوذي مورد استفاده قرار گرفته است. اكسيد زيركونيم نانوساختار داراي چگالي نسبي حود 97% و متوسط اندازه دانه 80 نانومتر است كه توسط فشردن نانوذرات اكسيد زيركنيم در دماي سينترينگ 950 تا 970 درجه سانتيگراد به مدت 2 تا 3 ساعت به دست آمده است. نمودار نفوذ اكسيژن (شكل 2) دو فرايند نفوذي همزمان را نشان مي دهد؛ نفوذ حجمي در دانه ها (Dv) و نفوذ در فصل مشترك دانه ها (DB) . آناليز نمودارها و داده هاي نفوذ اين ماده نشان مي دهد كه نفوذ در گسترة دمايي 450 تا 950 درجة سانتيگراد در فصل مشترك يا مرز دانه ها، 3 تا 4 برابر بيشتر از نفوذ حجمي است. افزايش عمق نفوذ اكسيژن (شكل 2) منتج از افزايش دماي آنيل نفوذي است.
در مقايسه با نتايج به دست آمده براي اكسيد زير كنيم، اكسيد تيتانيم نيز مورد بررسي قرار گرفته است. اكسيد تيتانيم مورد بررسي داراي چگالي نسبي 95% و اندازه دانه حدود 30 نانومتر است كه با سينترينگ نانوپودر اكسيد تيتانيوم در دماي 750 درجه سانتيگراد در فشار ** گيگاپاسكال ************ اكسيد تيتانيم نانوساختار، نفوذ اكسيژن بسيار سريع تر از اكسيد تيتانيم معمولي است و انرژي فعال سازي نفوذ بسيار كمتري از اكسيد
تيتانيم معمولي دارد. نفوذ اكسيژن از فصل مشترك در اكسيد تيتانيم بسيار سريع تر از اكسيد زير كنيم است.
بنابراين به طور كلي مي توان گفت مكانيزم غالب نفوذ در مواد نانوساختار به خاطر درصد حجمي بالاي مرز دانه ها در اين مواد، نفوذ از طريق مرز دانه هاست و بسيار سريع تر و بيشتر از مواد معمولي و مرسوم است.
خواص مكانيكي مواد نانوساختار
توليد فلزات و آلياژهاي با اندازه دانه در حد 50 تا 100 نانومتر باعث دستيابي به موادي با استحكام فوق العاده زياد خواهد شد. در واقع كوچك كردن دانه ها در مواد، ابزار قدرتمندي براي توليد ميكروساختارهاي با خواص مكانيكي عالي شناخته شده است.
نكته مهم اين است كه مكانيزم تغيير شكل و خواص مكانيكي مواد نانوساختار فقط به متوسط اندازة دانه ها بستگي ندارد، بلكه شديداً به توزيع اندازه دانه ها و ساختار مرز دانه ها وابسته است.
در رابطه با استحكام و سختي مواد، رابطه تجربي هال- پچ (معادله 3) نشان مي دهد كه با كاهش اندازه دانه ها، استحكام و سختي ماده افزايش مي يابد.
(3)
در اين معادله استحكام تسليم ماده، تنش اصطكاكي لازم براي به حركت درآوردن نابجايي ها، K ثابت معادله و d اندازه دانه است. رابطه متشابهي نيز براي سختي مواد بر اساس رابطه هال- پچ به صورت معادله (4) وجود دارد:
(4)
در اين معادله H سختي ماده، Kh ثابت هال- پچ، ثابت معادله و d اندازه دانه است.
اما همان طور كه از شكل (3) هم قابل مشاهده است، استحكام مواد با ريز شدن دانه ها تا يك اندازة دانه بحراني (dc)، افزايش مي يابد. اين اندازة بحراني براي اكثر مواد، بين 10 تا 15 نانومتر گزارش شده است. با ريزتر شدن اندازة دانه، به اصطلاح شيب نمودار هال- پچ منفي شده و استحكام ماده كاهش مي يابد.
به عبارت ديگر با كوچكتر شدن اندازة دانه، زير 10 نانومتر، استحكام كاهش مي يابد. در واقع بيشترين استحكام و سختي ماده زماني است كه اندازة دانه اي حدود 10 تا 15 نانومتر داشته باشد. علت اين رفتار هنور مورد بحث جوامع علمي است. اما مي توان گفت در مواد نانوساختار با اندازه دانة كمتر از اندازه دانة بحراني، منابع توليد نابجايي عمل
نمي كنند، بنابراين مكانيزم حركت نابجايي ها و تغيير شكل ماده مختل مي شود. به علاوه در گزارشاتي اعلام شده كه در موادي با اين اندازه دانه، تجمع نابجايي ها ديده نمي شود|v| . در برخي موارد گفته مي شود كه وقتي اندازة دانه از اندازه دانة بحراني كمتر شود، مكانيزم خزشي كوبل و يا لغزش مرز دانه ها در تغيير شكل ماده نقش مؤثري دارند.
كاترل، تنش رديف جلوي نابجايي ها را كه در مرز دانه تجمع يافته بودند، محاسبه نمود (شكل 4). وي دريافت طول نابجايي هاي تجمع يافته، وابسته به اندازة دانه d است وقتي كه تنش توليد شده در اثر تجمع نابجايي ها در دانه مجاور به ميزان كافي براي فعال كردن منابع فرانك- ريد برسد، تسليم در مرز دانه اتفاق مي افتد و اين تسليم در كل ماده رخ مي دهد.
با توجه به تئوري كاترل، در اندازه دانه هاي بسيار ريز (كمي بيشتر از اندازه دانة بحراني) براي رسيدن به استحكام تئوري ماده، نياز به تجمع تعداد زيادي نابجايي در مرز دانه هاست تا بتوان منابع فرانك ريد را در دانة مجاور فعال نمود.
نيه و وادس ورث، استحكام تسليم تعداد زيادي فلز نانوساختار را اندازه گيري كردند تا بدين وسيله بتوانند كوچكترين اندازه دانة لازم براي قرارگيري دو نابجايي را محاسبه كنند (حداقل تعداد
نابجايي براي ايجاد يك تودة نابجايي دو عدد است)./ مقدار استحكام در موادي با اندازة دانة زير اين مقدار بحراني، با كاهش بيشتر اندازة دانه، ثابت باقي مي ماند و يا حتي كاهش مي يابد. اين همان اندازه دانة بحراني است كه به آن اشاره شد. مدل هاي ديگري نيز براي توضيح رفتار هال- پچ در مواد گوناگون ارائه شده اند كه از اعتبار كمتري برخوردارند.
اثر توزيع اندازة دانه در استحكام فلزات نانوساختار در مقالات زيادي اشاره شده است. در تمامي اين مقالات فرض شده كه براي يك تنش اعمالي مشخص، همة دانه هايي كه از اندازة بحراني بزگتر هستند. متحمل تغيير شكل پلاستيك مي شوند در حاليكه دانه هاي كوچكتر در محدوده الاستيك باقي مي مانند. شكل (5) نشان دهندة منحني هاي تنش كرنش براي يك متوسط اندازه دانة ثابت، با توزيع اندازه دانة متفاوت است. مشاهده مي شود كه با كمي تغيير در ميزان توزيع و پراكندگي اندازة دانه ها، استحكام تسليم به اندازة 2/0% تغيير مي كند.
قبل از اين كه بتوان مقايسه اي بين اندازه گيري خواص مكانيكي فلزات نانوساختار و پيش بيني هاي مدل هاي مختلف داشت، لازم است اطمينان نمود كه داده هاي آزمايشگاهي به علت حضور معايب موجود در نمونه، مخدوش نشده باشند. همانطور كه در ابتداي
فصل اشاره شد، بيشتر روش هاي توليد نمونه هاي نانوساختار منجر به ايجاد معايب ساختاري در اين مواد مي شود و همان گونه كه قبلاً ملاحظه شد ميزان توزيع و پراكندگي اندازة دانه ها در خواص مكانيكي ماده اثر گذار است و بايد در محاسبات آزمايش منظور گردد. فاكتور ديگري كه آزمايش هاي مكانيكي را ممكن است مخدوش كند، اندازة كوچك بيشتر نمونه هاي نانوساختار است.
در مقالات مختلف راجع به مواد نانوساختار، چگالي نسبي نمونه بين 70 تا 90% است. تخلخل هم تأثير زيادي روي مدول الاستيك و ديگر خواص مكانيكي دارد. بنابراين دانستن چگالي و تعداد حفره ها در آزمايش هاي خواص مكانيكي نمونه ها مهم است.
در مواد نانوساختار معمولاً 3 نوع تخلخل از نظر اندازه وجود دارد:
1- نرخ رساندن اتم ها به منطقه فوق اشباع كه كندانس شدن در آن جا صورت مي گيرد.
2- حفرات با اندازه متوسط در محل تلاقي 3 دانه مجاور هم. اندازه اين حفرات به اندازه ده ها جاي خالي شبكه است.
3- حفرات بزرگتر كه مربوط به عدم وجود دانه ها در مواد نانوساختار است.
با توجه به اين دسته بندي، تخلخل هاي نوع دو و سه نقش اصلي را در كاهش چگالي مواد نانوساختار
دارند. ميزان اين دو نوع تخلخل وابستگي شديدي به دماي فشرده سازي و سينترينگ مواد نانوساختار دارد. همانطور كه در شكل (6) مشاهده مي شود با افزايش دماي فشرده سازي، درصد تخلخل هاي موجود در ماده كاهش يافته و بنابراين چگالي افزايش مي يابد. ساختار مرز دانه در مواد نانوساختار به خاطر حضور حفرات و تخلخل ها، معمولاً در حالت غير تعادلي و ناپايدار است. اگر ماده نانوساختا با استفاده از روش هاي تغيير شكل پلاستيكي شديد توليد شده باشد، حاوي تعداد زيادي نابجايي در نزديكي مرز دانه هاست. شبيه سازي هاي انجام شده در تغيير شكل نيكل نانوساختار نشان مي دهد كه بازيابي مرز دانه به وسيله عملياتي مثل آنين، منجر به كاهش پلاستيسيته و افزايش استحكام ماده نانوساختار مي شود. اين در حالي است كه در مواد با اندازه دانة بزرگتر عكس اين مطلب اتفاق مي افتد چون دانه ها در اين نوع مواد به حالت تعادلي نزديك تر هستند.
الف- خستگي مواد نانوساختار
همانگونه كه ملاحظه شد با كاهش اندازة دانه ها به طور كلي استحكام ماده افزايش مي يابد. اين امر مي تواند باعث افزايش حد تحمل خستگي ماده نيز شود. عمر خستگي مواد در بيشتر موارد توسط جوانه زني ترك در سطح آزاد ماده تعيين مي شود. كوچك شدن اندازه دانه ها سبب كاهش ميزان پستي و بلندي هاي
اتمي روي سطح ماده شده و سبب تشكيل سطح آزاد صاف تري در ماده مي گردد. بنابراين انتظار مي رود با كوچكتر شدن اندازة دانه ها عمر خستگي و حد تحمل ماده بهبود يابد. البته اين امر بيشتر در مورد خستگي با سيكل زياد صادق است. هرچه اندازة دانه كوچكتر شود، رشد ترك درون ماده كندتر خواهد بود چرا كه با كوچك شدن اندازه دانه ها، مرز دانه ها افزايش يافته و مسيرهاي منحرف كننده ترك درون ماده افزايش يافته و رشد طولي ترك به تأخير مي افتد.
ب- خواص الاستيك فلزات نانوساختار
مطالعات نشان مي دهد كه مدول الاستيك يا مدول يانگ فلزات نانوساختار *** كوچكي از مدول الاستيك مواد با اندازه دانه بزرگتر است (شكل 7) محققين *** داده اند كه مدول يانگ نمونه سربي با اندازه دانة 8 نانومتر حدود 88 گيگا پاسكال است (اين مقدار براي اندازه دانة بزرگ حدود 123 گيگا پاسكال است). البته در برخي مقالات نيز اشاره شده است كه خواص الاستيك با كوچك شدن اندازه دانه مواد تغيير زيادي نمي كند. نتايج مطالعات مختلف روي مدول يانگ مواد نانوساختار نشان مي دهد كه تخلخل هاي با ابعاد نانومتري فاكتوري مهم در كاهش مقادير مدول است. بحث درم ورد علت اين امر بسيار زياد است اما گفته مي شود كه اين تخلخل ها همانند
ترك هايي درون ماده عمل كرده و مدول الاستيك را كاهش مي دهند. شكل (8) نشان دهنده برون *** مدول يانگ براي ميزان تخلخل صفر است كه تطابق خوبي با مقادير متداول دارد.
در انتهاي اين بخش و به منظور مقايسه، برخي از خواص مكانيكي نيكل نانوساختار و نيكل معمولي در جدول (1) خلاصه شده است.
خواص مغناطيسي مواد نانوساختار
خواص مغناطيسي مواد نانوساختار يكي از پيچيده ترين خواص اين مواد است و اطلاعات در اين مورد محدود است. خواص فرومغناطيسي تمام مواد با تغيير فاصلة بين اتم ها تغيير مي كند. به همين دليل ضريب مغناطيس اشباع و دماي انتقال فرومغناطيس مواد نانوساختار در مقايسه با مواد معمولي به مقدار قابل توجهي كمتر است.
به عنوان نمونه، از طريق متبلور ساختن فاز آمورف در آلياژهاي نانوساختار پايه آهن كه در حين انجماد سريع تشكيل شده اند، مي توان به خواص مغناطيسي جالبي دست يافت. با توجه به اين موضوع فعاليت هاي زيادي به منظور ارتقاء خواص مغناطيس نرم آلياژهاي نانوساختار انجام گرفته است. از آنجايي كه اين مواد داراي دانه هاي بسيار ريز آهن آلفا در يك زمينه آمورف مي باشند به آن ها Finement مي گويند. روش هاي توليد ديگر غير از
متبورسازي، نظير آلياژسازي مكانيكي (به دليل اين كه باعث ايجاد كرنش هاي داخلي در ماده مي گردند) روش هاي مناسبي براي توليد آلياژهاي مغناطيسي نرم نيستند.
ريزساختار مغناطيسي آهن نانوساختار با آهن آمورف يا پلي كريستال متفاوت مي باشد. در مواد پلي كريستال و آلياژهاي آمورف حوزه هاي فرومغناطيسي توسط ديواره اين حوزه ها از هم جدا شده اند در حالي كه در آهن نانوساختار، ساختار حوزه اي وجود ندارد. به عبارت ديگر هر دانه در آهن نانوساختار خود يك حوزه فرومغناطيس مجزاست.
مشخصة ديگري كه مواد نانوساختار از خود نشان مي دهند اثر مگنتوكالوريك ناميده مي شود. اگر يك ماده كه داراي ذرات با خاصيت مغناطيسي كم در يك زمينة غير مغناطيسي يا مغناطيسي بسيار ضعيف است، در يك ميدان مغناطيسي قرار گيرد اسپين هاي مغناطيسي ذرات در جهت ميدان قرار مي گيرند. اين افزايش در نظم مغناطيسي با كاهش در ميزان آنتروپي ماده همراه خواهد بود. اگر اين فرايند به صورت آدياباتيك انجام شود (يعني تبادل حرارتي با محيط اطراف نداشته باشد) كاهش در آنتروپي اسپيني با افزايش آنتروپي شبكه جبران مي شود و بنابراين دماي نمونه افزايش مي يابد. اين افزايش دما اصطلاحاً اثر مگنتوكالوريك ناميده مي شود و يك
فرايند برگشت پذير است، به اين صورت كه با حذف ميدان مغناطيسي دماي نمونه كاهش مي يابد.
توليد جامدات نانوساختار با استفاده از نانوذرات و جامدات ديگر
براي توليد جامدات نانوساختار روش هاي مختلفي وجود دارد در اين روش ها هم مي توان پودرهاي نانومتري را فشرده كرد و جامدات نانوساختار را توليد نمود و هم مي توان ماده معمولي با اندازه دانه بيش از 100 نانومتر را به يك جامد نانوساختار تبديل نمود.
تلاش براي توليد و فشرده سازي نانوذرات از سال 1968 شروع شد. اين تلاش ها با سينترينگ Mg( ) براي رسيدن به رفتار سوپر پلاستيك ادامه يافت. در دهه 80 ميلادي وقتي كه توليد نانوپودرها در مقياس بزرگ شروع شد، توجه اذهان به سمت سنتز و پردازش اين نانوپودرها رفت. فشرده سازي معمولاً همراه با درشت شدن دانه ها همراه است. قطعات توليدي نيز كوچك هستند. اين امر، تخمين خواص مواد نانو مخصوصاً خواص مكانيكي را شديداً محدود مي كند. براي نمونه مدول يانگ پايين تر و مقادير داكتيليته كمتر ناشي از حفره هاي باقيمانده، اكسيدها، يا پيوند ناكافي ذرات است. اوايل دهه 90 ميلادي بر اين امر تأكيد شد كه توسعه روش هاي توليد پودرهاي نانو و در ادامه توليد مواد نانو، شديداً مورد نياز است. در
نيمه دوم دهه 90 پيشرفت هاي خوبي در زمينه سينترينگ نانوپودرها به وجود آمد و در نتيجه منجر به توليد مواد كاملاً فشرده با اندازه دانه در مقياس نانو شد.
فشرده سازي نانوپودرها نسبت به مواد معمولي كمي متفاوت است. آگلومره شدن نانوذرات، فعاليت زياد و بنابراين آلودگي، رشد دانه ها و نهايتاً از دست دادن خواص نانومتري، همچنين غيرقابل توليد بودن قطعات بزرگ با اين روش ها از مشكلات موجود در فشرده سازي نانوپودرهاست. دماي كمتر براي جلوگيري از رشد دانه ها ممكن است مانع از ايجاد پيوندهاي مناسب بين نانو ذرات شود و بنابراين باعث كاهش شديد استحكام مكانيكي و داكتيليته مي شود.
نانوذرات از نظر ترموديناميكي به شدت ناپايدار هستند. نيروي متحركه عمليات سينترينگ كاهش سطح زياد نانوذرات بر واحد حجم است. با توجه به روابط پيچيده اي كه در مورد سينترينگ وجود دارد، ملاحظه شده است كه كاهش در اندازة دانه، مثلاً از ميكرومتر به نانومتر سرعت سينترينگ را 12 برابر مي كند. در نتيج سينترينگ نانوذرات مي تواند در دماهاي پايين تر و زمان كوتاه تر نسبت به پودرهاي معمولي صورت گيرد.
************************. به عنوان مثال سينترينگ نانوذرات اكسيد تيتانيم (اندازه 12 تا
14 نانومتر) در دماي حدود 1100 درجة سانتيگراد به پايان مي رسد در حاليكه اين دما براي ذرات اكسيد تيتانيم با اندازة 3/1 ميكرومتر حدود 1400 درجة سانتيگراد است.
مزاياي زيادي براي دماي پايين سينترينگ نانوذرات وجود دارد كه از آن جمله مي توان به جلوگيري از تغيير تركيب شيميايي فازها و نيز جلوگيري از انجام استحالة فازهاي ناخواسته اشاره كرد. به عنوان مثال دماي پائين سينترينگ در مورد نانوذرات اكسيد **** از استحاله فاز مونوكلينيك به تتراگونال كه منجر به ايجاد ترك مي شود جلوگيري مي كند.
با توجه به اينكه فشرده سازي نانوذرات و تبديل آن ها به ماده كاملاً چگال نبايد باعث تغيير در نانوساختار شود تا همان خواص منحصر به فرد ذرات حفظ شود، برخي روش هاي فشرده سازي نانوذرات با زمان گرايش كوتاه نظير Shock Wave توسعه يافته اند. البته اين روش ها هنوز در مراحل اوليه براي توليد در مقياس صنعتي هستند. به جز Shock Wave، روش تغييرشكل پلاستيكي شديد نيز مي تواند باعث تغيير شكل ساختارهاي دانه درشت به محصولات با اندازه دانه زير ميكرون (حدود 100 نانومتر) شود. ساختارهاي توليدي توسط اين روش، نيمه پايدار بوده و مستعد به رشد دانه در دماهاي بالا هستند. امروزه
نشان داده شده است كه رسوب الكتريكي يك روش مؤثر براي توليد وربه هاي نانوساختاري با چگالي بالاست. در ادامه توضيحات مختصري راجع به روش هاي مذكور ارائه مي گردد.
Shock Wave
روش Shock Wave يك روش مناسب براي اتحاد يا يكپارچه كردن ذرات است كه باعث توليد مواد چگال بدون هيچ تغيير و دگرگوني ساختاري و تركيب شيميايي مي شود. مشخصه اصلي اين روش، تغيير شكل در فشار بالاتر از 5 گيگاپاسكال در دماي كنترل شونده است كه باعث ايجاد تغييرشكل در زمان بسيار كوتاهي (1 تا 10 ميكرو ثانيه) مي شود. بنابراين فشرده سازي توسط شوك مي تواند باعث توليد تنش هاي فشاري در زمان هاي متوالي كوتاهي شود و در نتيجه به شدت باعث تغيير شكل ذرات مي شود. لذا در زمان كوتاهي مواد كاملاً چگال بدون رشد دانه توليد مي شوند.
با استفاده از اين روش مي توان مادة معمولي با اندازه دانة بزرگتر از نانومتر را تغيير شكل داده و در نهايت ماده اي با اندازه دانه هاي در حد نانومتر به دست آورد. به بيان ديگر به جاي استفاده از نانوذرات در اين روش مي توان از يك ماده توده اي معمولي استفاده نمود و در نهايت به يك ماده نانوساختار رسيد.
تغيير شكل پلاستيكي شديد
دو روش عمده براي فرايند تغيير شكل پلاستيكي وجود دارد؛ يكي تنش بالاي پيچشي (HPT) و ديگري پرس زاويه اي با كانال هاي برابر (ECAP).
در روش HPT، نمونه اي به شكل ديسك تحت تنش هاي شديد برشي پيچشي، (در حد چندين گيگا پاسكال) در دماي محيط قرار مي گيرد. يكي از نگهدارنده هاي نمونه مي چرخد و اصطكاك سطحي باعث تغيير شكل ماده از طريق برش مي شود. اين تغيير شكل شديد و لحظه اي باعث ايجاد معايب كريستالي زياد درون دانه ها و همچنين باعث كاهش شديد اندازة دانه ها مي شود.
***********
روش ECAP بيشتر از HTP مورد توجه است چرا كه توانايي ساخت شمش هاي با اندازه دانه زير ميكرون براي مصارف صنعتي با اين روش امكان پذير مي شود. نتايج تحقيقات نشان داده كه هر دو روش باعث ايجاد چگالي نابجايي بالايي در قطعه مي شود كه به طور پيوسته در ساختار توزيع مي شوند.
رسوب الكتريكي
در مقايسه با روش SPD و فشرده سازي ذرات، مزاياي رسوب الكتريكي براي توليد مواد نانوساختار چگال به شرح زير است:
الف) هزينه پايين و كاربرد صنعتي، چون تجهيزات آبكاري كمي احتياج دارند.
ب) سهولت كار، چون پارامترهاي رسوب الكتريكي به راحتي براي دست يابي به اندازه دانه مورد نظر، قابل كنترل هستند.
ج) تطبيق پذيري، چون اين روش براي توليد مواد عاري از تخلخل و پوشش ها به كار مي رود.
د) سرعت بالا،
با تنظيم دقيق پارامترهاي رسوب الكتريكي (مثل تركيب شيميايي حلال، دما، PH و …)، رسوب نانوساختار روي سطح كاتد به وجود مي آيد. در صنعت به اين روش شكل دهي رسوب الكتريكي نيز مي گويند. جريان الكتريكي مورد استفاده در اين روش براي كنترل بيشتر اندازه دانه ها، جريان پالسي است.
ارب و ال- شريك روي توليد نانوساختارهاي نيكل با اندازه دانه 10 تا 40 نانومتر توسط اين روش مطالعاتي را انجام دادند. محلول شامل سولفات نيكل، كلريد نيكل و اسيد بوريك و بازدارنده ساخارين (C7H4NO3S) است. براي رسيدن به اندازه دانه ريزتر بايد زمان خاموشي پالس بيشتر از زمان روشني باشد. حضور بازدارنده ساخارين به خاطر جلوگيري از رشد دانه هاست.
برخي از كاربردهاي نانوساختارها
با توجه به خواص ذكر شده از مواد نانوساختار، كاربردهاي بسيار زيادي از اين مواد قابل تصور است. خواص مكانيكي عالي مواد نانوساختار منجر به آن شده كه يكي از صنايع توليد كننده عمده ژنراتورهاي بخار نيروگاه هاي اتمي در آمريكا، توليدات خود را به استفاده از اين مواد سوق دهد. در اين مورد خاص، نيكل نانوساختار (با اندازه دانه 100 نانومتر) روي سطح داخلي لوله هاي ژنراتور بخار به وسيله رسوب الكتريكي پوشش داده شده و خواص خوردگي، شكست و استحكام آن را به شدت افزايش داده است. استحكام بالا و داكتيليته بسيار عالي دانه هاي 100 نانومتري نيكل باعث شده كه از پوشش هايي به ضخامت 5/0 تا 1 ميليمتري اين مواد درون لوله هاي بخار استفاده كنند و بدين ترتيب نقش مخرب جريان سيال و انتقال حرارت در ژنراتور بخار و شوك ها و تنش هاي وارده به لوله را به حداقل رسانند.
تحقيقات *********** مواد نانوساختار مي توانند نسبت به ترك خوردگي بين دانه اي و ******** مقاومت بالايي از خود نشان دهند. كاربردهاي مختلف مواد نانوساختار كه از مقاومت به ترك خوردگي آن ها ناشي مي شود عبارتند از باتري هاي اسيدي و كليه كاربردهايي كه نسبت به ترك خوردن بين دانه اي حساس هستند. به عنوان مثال

فایل : 25 صفحه

فرمت : Word