پایان نامه با کلید واژگان پلیمر، لایه، کاربیدهای، بسیار

م سه ظرفیتی با منیزیم یا آهن دو ظرفیتی بار منفی در کریستال ایجاد می‌شود. بار منفی اضافی در سطح خاک رس بوسیله کاتیون‌‌ها خنثی می‌شود. دستاورد این موازنه یک پلی یون بسیار باردار است که در بین مواد معدنی از خصوصیات ویژه ای برخوردار است[24].
باید توجه داشت که خواص تعویض یون در اسمکتیت‌‌ها نکته مهمی‌در بکار گیری آنها در تهیه نانو کامپوزیتها است.
از قرار گرفتن این لایه‌‌ها بر روی هم، فواصل منظم واندروالسی ایجاد می‌شود که به آن دالان یا فاصله بین لایه ای گفته می‌شود و گروه‌‌های قرار گرفته بر روی سطح لایه‌‌ها دارای بار منفی می‌شوند.
به منظور افزایش سازگاری ذرات معدنی خاک با پلیمر و بالا بردن قابلیت امتزاج پذیری آنها، عملیات اصلاح بر روی ذرات معدنی سیلیکاتی انجام می‌گیرد.

2-3-3- ساختار نانو کامپوزیت
نفوذ پلیمرها در مواد معدنی با حفظ طبیعت لایه ای آنها نیز روش فوق العاده ای برای تهیه ترکیبات پلیمر با مواد معدنی است. دو راه اصلی برای تهیه سامانه‌‌های لایه ای پلیمر با مواد معدنی وجود دارد: در برخی پلیمرها به صورت مستقیم و در بقیه با پلیمریزاسیون هم زمان مونومرهایی که قبلاً در فضاهای بین لایه‌‌های خاک رس نفوذ کرده اند. چون پلیمرهایی که مستقیم در ساختار لایه ای نفوذ می‌کنند محدود هستند، روش دوم اهمیت بیشتری دارد. گرچه کنترل وزن مولکولی پلیمرهایی که با روش پلیمریزاسیون همزمان شکل می‌گیرند بسیار مشکل است (شکل2-5)

(شکل 2-5) نفوذ پلیمر در فواصل بین لایه ای[25]

محصولات نفوذ پلیمر‌‌ها در مواد لایه ای معدنی خواص ویژه زیر را دارند:

1. از ترکیب انواع مختلف و متنوعی از پلیمرها و مواد میزبان به دست می‌آیند.
2. پلیمرها می‌توانند با حفظ ساختار لایه ای خاک رس در فواصل بین لایه ای آن نفوذ کنند و این باعث حضور غیر ایزوتروپیک پلیمر در دو بعد نانومتری خواهد شد.
3. فاصله بین لایه ای خاک رس با اندازه مولکولهای پلیمر قابل تغییر است.
4. نوع پلیمرهایی که در فضاهای بین لایه ای وارد می‌شوند، علاوه بر محیط مجاور لایه ای خاک رس و خواص پلیمر و خاک رس، به اثرات متقابل این دو نیز بستگی دارد.

واضح است که پراکنش موثر ذرات غیر یکنواخت (غیر ایزوتروپیک با نسبت سطح جانبی بالا مثل الیاف کوتاه، پولکی و‌…)داخل یک بستر پلیمری پیوسته، همراه با چسبندگی مناسب سطح پرکننده و بستر، عامل اصلی تقویت مناسب یک بستر است.

1- ساختار لایه ای متناوب (Intercalated)
فاصله بین لایه ای در این ساختار افزایش می‌یابد و زنجیرهای پلیمر بدون جدا کردن کامل لایه‌‌ها بین آنها نفوذ می‌کنند و یک حالت منظم کریستالی با فواصل تکراری در حد چند نانومتر، بدون توجه به نسبت پلیمر به خاک رس، ایجاد می‌شود. خواص این نانو کامپوزیت مشابه سرامیک‌‌هاست.

2- ساختار پراکنشی (Exfoliated)
لایه‌‌های مجزای سیلیکات یا توده‌‌های کوچک برخی از لایه‌‌ها به طور همگن در بستر پلیمری پراکنده می‌شوند. فاصله این لایه‌‌ها در حدی نیست که اثرات متقابلی بین آنها وجود داشته باشد. این فاصله فقط به میزان خاک رس موجود در بستر بستگی دارد. با توجه به خواص مشاهده شده، این ساختار باعث حداکثر تقویت در بستر پلیمری می‌شود.

3- ساختار بینابین (Intercalated and Flocculated)
در این حالت به علت اثرات متقابل لایه‌‌های هیدروکسیله شده سیلیکات، هر دو این ساختارها هم زمان، ولی با نسبت‌‌های مختلف، در نانوکامپوزیت حاصله دیده می‌شوند (شکل2-6). معمولاً میزان خاک رس در نانو کامپوزیت‌هایی با ساختار پراکنشی بسیار کمتر از نانو کامپوزیت‌‌های لایه ای متناوب است.

(شکل 2-6) ساختارهای مختلف نانو کامپوزیت‌‌ها:
الف) ساختار لایه ای متناوب‌. ب) ساختار بینابین. ج) ساختار پراکنشی لایه ای[25].

4- عوامل موثر بر مقدار نفوذ زنجیر پلیمر و سرعت نفوذ
دانسیته آلکیل آمونیوم، نوع آمونیوم آن، بار سطحی لایه‌‌های سیلیکاتی، طول زنجیر آلکیل آمونیوم، وزن مولکولی پلیمر و توزیع آن، دمای اختلاط، برهم کنش بین زنجیر و خاک رس از جمله عواملی هستند که بر مورفولوژی و سینتیک نانو کامپوزیت اثر می‌گذارند[13و25و26].

2-3-4- خواص مکانیکی
مواد پلیمری اغلب به وسیله پر کننده‌‌ها برای اصلاح خواص مکانیکی تقویت می‌شوند. به تازگی کامپوزیتهای پلیمر – خاک رس اصلاح شده علایق زیادی را در حوزه صنعت و پژوهش ایجاد کرده اند، زیرا این ترکیبات اغلب در مقایسه با پلیمرهای خالص، درشت کامپوزیتها یا ریز کامپوزیتهای معمولی خواص عالی نشان می‌دهند. اصلاحات در خواص شامل افزایش مدول، استحکام و مقاومت گرمایی و کاهش نفوذپذیری گاز، مقاومت در برابر اشتعال و افزایش زیست تخریب پذیری هستند[27].
اندازه بسیار کوچک نانو پر کننده‌‌ها باعث ایجاد سطح تماس بسیار بالا در نانوکامپوزیت‌‌ها می‌شود. به همین دلیل نانوکامپوزیت‌‌ها ی پلیمری بهبود چشم گیری در خواص مکانیکی نسبت به کامپوزیت‌‌های معمولی از خود نشان می‌دهد. هم چنین شکل صفحه یی ذره‌‌های نانو پرکننده‌‌های مونت موری لونیت باعث افزایش فوق العاده یی در خواص حرارتی و نفوذ ناپذیری در برابر گازها می‌شود دلیل این امر، طولانی شدن مسیر عبور گاز از میان فاز ماتریس به دلیل وجود پر کننده‌‌های نانومتری است. همین خواص برتر و استثنایی است که باعث رشد روز افزون پژوهش‌‌ها و گرایش شدید به استفاده ا
ز این مواد در محدوده وسیعی از کاربرد‌‌ها شده است. از جمله کاربرد‌‌های اصلی این مواد می‌توان به صنایع بسته بندی و تولید قطعات خودرو و صنایع هوایی اشاره کرد[28].
مورد مشهود در این مواد، افزایش خواص با مقدار نا چیزی تقویت کننده است، همچنین این افزایش خواص در اکثر مواقع باعث کاهش خواص در موارد دیگر نمی‌شود.
اولین بار در سال 1947 از لایه‌‌های خاک رس به عنوان تقویت کننده ایده ال استفاده شد[29]. این کاربرد خاک رس به دلیل نسبت منظر بسیار زیاد ذرات آن و همچنین ضخامت نانوی آنها در مقایسه با اندازه ساختار زنجیر پلیمر بوده است. دو دهه بعد، گروه پژوهشی شرکت تویوتا طرح صنعتی و اقتصادی را برای ساخت کامپوزیت پلیمر- خاک رس اصلاح شده ارائه کرد. ترغیب این گروه به این سو به دلیل دو برابر شدن مدول کششی و استحکام کامپوزیت نسبت به پلیمر تنها با استفاده از 7/4 درصد وزنی خاک رس اصلاح شده بود[30].
هر چند که پژوهشهای مبتنی بر آزمایشها برای محاسبه رابطه خواص – ساختار نانو کامپوزیتها استفاده می‌شوند، ولی انجام آزمایشها و دستیابی به خواص کامپوزیتهای نانو ساختاری از آن، روشهای فرآیند و تجهیزات آزمایش پیشرفته ای را مطالبه می‌کند، که این موضوع هزینه‌‌های زیادی را در پی دارد. با توجه به این مطالب می‌توان به مفید بودن روشهای مدل سازی برای محاسبه خواص مکانیکی نانو کامپوزیتهای پلیمری پی برد[31و32].

2-3-5- نانو کامپوزیت‌‌های پلیمری
به تازگی برای غلبه بر محدودیت‌‌های کامپوزیت‌‌های پلیمری در مقیاس میکرومتری، کامپوزیت‌‌هایی تهیه شده اند که پرکننده آنها ذراتی در ابعاد نانو (دارای حداقل یک بعد کمتر از 100 نانومتر) دارند. به طور کلی نانو کامپوزیت‌‌های پلیمری به 1- 3 درصد حجمی‌نانو ذرات نیاز دارند. این مواد به صورت تک فاز و یا مواد تک جزئی عمل می‌کنند. در سالهای اخیر تحقیقات در زمینه پلیمر‌‌های پر شده با ذرات نانو به چند دلیل افزایش قابل ملاحظه ای یافته است.
اولاً در برخی نانو کامپوزیت‌‌ها ویژگیهای قابل توجهی مشاهده شده است. به عنوان مثال، حضور ذرات نانو هم‌محور در ترموپلاستیک‌‌های نیمه بلوری، تنش تسلیم، استحکام کششی و مدول یانگ را نسبت به پلیمر خالص افزایش می‌دهد.
دومین دلیل افزایش و گسترش تحقیقات در زمینه نانو کامپوزیت‌‌ها، کشف نانو لوله‌‌های کربنی در اوایل سال 1990 بود. خواص این نانو لوله‌‌های کربنی بویژه استحکام و خواص الکتریکی آن با گرافیت بسیار متفاوت است. مواد کامپوزیتی جدیدی که از این نانو لوله‌‌ها ساخته می‌شوند خواص بی نظیری دارند.
سومین دلیل، گسترش فراوان روش‌‌های شیمیایی تولید نانو ذرات و تولید نانو کامپوزیت به روش پلیمریزاسیون درجا می‌باشد. مورفولوژی چنین کامپوزیت‌‌هایی به صورت بی نظیری قابل کنترل است[14].
به طورکلی نانو کامپوزیتهای پلیمری خواص فیزیکی و مکانیکی از قبیل استحکام، سختی، چقرمگی و حرارتی بالایی در محدوده وسیعی از دما دارند. افزودن پنج تا ده درصد وزنی فاز دوم به فاز زمینه (پلیمر)، باعث افزایش چشمگیری در خواص فیزیکی و مکانیکی می‌شود[22].
در مقابل خواص منحصر به فرد این محصولات، در ساخت نانوکامپوزیتها مشکلات فرآیندی قابل توجهی وجود دارد که خود می‌تواند خواص نهایی را تحت تاثیر قرار دهد.
از اساسی ترین این مشکلات می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. عدم توزیع یکنواخت فاز زمینه در نانو کامپوزیتها، خواص مکانیکی آنها را کاهش می‌دهد.
2. استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت برای توزیع یکنواخت فاز دوم در داخل فاز زمینه و جلوگیری از بهم چسبیدن ذرات پودر نانو کامپوزیتی و ساخت نانو کامپوزیتهایی با ساختاری همگن و خواص مکانیکی بالا، باعث غیر اقتصادی شدن و همچنین پیچیده تر شدن فرآیند می‌گردد.
نانو کامپوزیتهای پلیمر / خاک رس یکی از انواع نانو کامپوزیت‌‌های پلیمری است که در این نوع نانو کامپوزیت‌‌ها از خاک رس‌‌های نوع اسمکتیت از قبیل هکتوریت، مونت موری لونیت، به عنوان افزودنی برای بهبود پلیمرها استفاده می‌شود.

2-4- تعریف و طبقه‌بندی کاربیدها
عنصر کربن با اغلب عناصر دیگر مثل اکسیژن‌، کلر و غیره ترکیب شده و ترکیباتی نظیر ، و غیره را تشیکل می‌دهد‌. اما کاربیدها تنها به ترکیباتی اطلاق می‌شود که در آنها کربن با دیگر عناصری که از نظر الکترو نگاتیویته برابر و یا کمتر از آنها باشد ترکیب شود.
به این ترتیب براساس تعریف کاربیدها‌، می‌توان آنها را به چهار دسته تقسیم نمود:
1- کاربیدهای بین نشین که از ترکیب کربن با عناصری مثل Ta,Hf,Mo,Nb,Zr,Cr,V,Ti و W به دست می‌آیند‌.
2- کاربیدهای کووالانتی که از ترکیب کربن با عناصر Si,B به دست می‌آیند‌.
3- کاربیدهای میانی یا واسطه که از ترکیب کربن با فلزات انتقالی گروه‌‌های وتشکیل می‌شوند.
4- کاربیدهای شبه نمکی (Salt-Like‌) که از ترکیب کربن با عناصر گروه‌‌های ،، به دست می‌آیند.
به عنوان کاربیدهای دیرگداز تنها کاربیدهای بین نشین و کووالانتی که نقطه ذوب آنها بیشتر از ازC ?1800 است مطرح بوده و کاربیدهای میانی و نمکی‌، به عنوان دیر گداز مطرح نیستند.
عوامل موثر بر کنترل تشکیل کاربید عبارتنداز :
* الکترونگاتیویته : کربن ونیتروژن بالاترین الکترونگاتیویته را نسبت به عناصر سمت چپ خود نشان داده اند. اختلاف الکترونگاتیویته در کاربیدهای بین نشین زیاد است درحالی که در کاربیدهای کووالانتی خیلی کمتر است‌.
* شعاع اتمی‌: اهمیت شعاع اتمی‌در تشکیل ساختارهای مختلف کاربیدی است‌. هنگامی‌که تفاوت شعاع اتمی‌زیاد باشد‌، کاربیدهای بین نشین مانند TiC تشکیل می‌شوند وهنگامی‌که تفاوت شعاع اتمی‌کوچک باشد کاربیدهای کووالانتی مانند SiC تشکیل می‌گردد.
* پیوند اتمی‌: پیوند بین اتم کربن و دیگر عناصر تشکیل دهنده ترکیب در تعیین ساختار کاربیدها مهم است‌. معمولا پیوندهای کوتاه محکم تر از پیوندهای بلند هستند. انواع پیوندهای کاربیدی می‌تواند از نوع یونی‌، فلزی‌، کووالانت یا ترکیبی از اینها باشند.

2-5- کاربید سیلیسیم
2-5-1-تعریف کاربید
کاربیدها موادی بسیار مفید برای کاربردهای صنعتی هستند. این مواد برای کاربردهای دما بالا به علت نقطه ذوب بالا‌، پایداری فازی و مقاومت به شوک حرارتی بسیار مورد توجه می‌باشند‌. کاربیدها همچنین استحکام دما بالای بسیار مناسبی دارند ودر محدوده دمایی 1725 تا 1980 درجه سانتیگراد بسته به ترکیب استوکیومتری آنها انتقال حالت تردی به نرمی‌را نشان می‌دهند. خاصیت اکسیداسیونی کاربیدها تحت تاثیر خروج محصولات واکنشی از قبیل منوکسید کربن و دی اکسید کربن در طول فرایند اکسیداسیون است‌. این درحالی است که جذب اکسیژن در شبکه بلوری بعضی از کاربیدها امکان پذیر است‌.
تهیه وکاربرد کاربیدها از چندین قرن پیش انجام گرفته است به طوری که اسخراج کاربید تیتانیم و کاربید تنگستن از سنگ آهن از اواسط قرن نوزدهم آغاز شده است‌. در سال 1890 اچسون (Acheson) اولین پودر کاربید سیلیسیم را که کربوراندوم نامیده می‌شد‌، تولید کرد‌. در سال 1900 شیمیدان فرانسوی به نام مویسن کاربیدهای دیر گداز را با استفاده از کوره قوس الکتریکی سنتز کرد‌. کاربیدهای دیرگداز هر روز اهمیت بیشتری در صنعت پیدا می‌کنند و علت این امر استحکام بالا‌، سختی زیاد و مقاومت به خوردگی خوب و دیر گدازی این مواد است که می‌توان از آنها در کاربردهای متفاوتی استفاده نمود. نمونه‌‌هایی از این کاربردها عبارتند از الیاف سرامیکی در کامپوزیت‌‌های با استحکام بالا‌، کامپوزیت‌‌های دما بالا‌، کاربردهای خودرو سازی و هوا فضا‌، استفاده‌‌های معمول صنعتی‌، ابزارهای برشی و ساینده‌، دیر گدازها والمنت‌‌های حرارتی کوره‌، زره‌‌های سرامیکی‌، کاربردهای هسته ای و تشعشعی‌، مبدل‌‌های حرارتی وکاربردهای الکترونی و نوری‌.

2-5-2- مشخصات عمومی‌کاربید سیلیسیم
تنها کاربیدهای سیلیسیم و بور به عنوان کاربیدهای کووالانتی دیر گداز مطرح هستند. بنابراین مشخصات عمومی‌این دو کاربید در زیر مورد توجه قرار خواهد گرفت :
– نقطه ذوب بالایی دارند واز لحاظ دمایی و شیمیایی پایدار هستند.
– ترکیبات آنها غیرفلزی هستند.
– پیوند الکترونی آنها اساسا کووالانت است‌.
– دانسیته پایینی دارند.
– اجزای عنصری آنها وزن اتمی‌پایینی دارند.
– خواص نیمه‌‌هادی قابل استفاده ای دارند.
– بسیار سخت ومستحکم می‌باشند.
– هردو کاربید از نظر صنعتی قابلیت‌‌های کاربرد بالایی دارند.

2-5-3- ساختار و ترکیب کاربید سیلیسیم
کاربید سیلیسیم ماده ای نسبتا ساده است‌، زیرا خواص و ساختار آن اساسا ایزوتروپ است‌. در سلول واحد آن هر اتم از یک عنصر با چهار اتم از عنصر دیگر احاطه شده است‌. هر عنصر جفت الکترون‌‌هایش را با دیگری به اشتراک گذاشته است ( چهار اوربیتال با چهار اوربیتال سیلیسیم).
هر سلول واحد SiC شامل هشت اتم است که در موقعیت‌‌های زیر قرار گرفته اند(شکل2-7) :
(سیلیسیم ) اتم در گوشه‌‌ها
(سیلیسیم ) اتم در سطوح
(کربن) چهار اتم در داخل مکعب

در چنین ساختاری‌، هر

دیدگاهتان را بنویسید