با وجود متغيربودن نتايج آزمايش‌هاي تعيين مشخصات نانولوله‌هاي كربني،
تئوري‌ها نشان از عالي بودن خواص نانولوله‌هاي كربني دارند. به همين دليل
در چند سال اخير نانولوله‌هاي كربني در توليد و ساخت نانوكامپوزيت‌ها به
عنوان فاز تقويت‌كننده به كار رفته‌اند. اگرچه اكثر مطالعات در زمينة
نانوكامپوزيت‌هاي زمينة پليمري بوده است، تلاش‌هايي نيز در ساخت
نانوكامپوزيت‌هاي فلزي و سراميکي شده است.
در اين مقاله سعي بر آن داريم که مروري بر تلاش‌هاي صورت گرفته در ساخت
نانوکامپوزيت‌هاي توليد شده با استفاده از نانولوله‌هاي کربني داشته باشيم
و چالش‌هاي توسعه اين نانوكامپوزيت‌ها را معرفي كنيم.
1- فرآوري و تعيين مشخصات نانوكامپوزيت‌هاي با زمينة پليمري
ويژگي‌هاي عالي نانولوله‌هاي كربني باعث شده است كه گروه‌هاي بسياري بر
روي خواص كامپوزيت‌هاي آن كار كنند. توزيع يكنواخت نانولوله‌ها در زمينه
كامپوزيت و بهبود چسبندگي نانولوله با زمينه در فرآوري اين
نانوكامپوزيت‌ها از موضوع‌هاي بسيار مهم است.
شيوه توزيع نانولوله‌ها در زمينة پليمري از پارامترهاي مهم در استحكام‌دهي
به كامپوزيت مي‌باشد. هنگامي كه نانولوله‌ها به صورت طنابي شکل در زمينه
پليمري توزيع شوند، لغزش آنها به شدت بر روي خواص الاستيكي كامپوزيت
تأثيرگذار خواهد بود. لغزش نانولوله‌ها به علت عدم اتصال قوي بين
نانولوله‌ها و زمينه مي‌باشد. آگلومره‌شدن نانولوله‌ها نيز باعث مي‌شود كه
نسبت وجهي (طول به قطر) فازِ تقويت كننده كاهش يابد.
توزيع يكنواخت نانولوله‌ها در زمينه پليمري بسيار مشكل است.
نانوكامپوزيت‌هاي ساخته‌شده با نانولوله‌هاي كربني و زمينه پلي وينيل- الكل
مورد بررسي و تعيين مشخصات قرار گرفته‌اند. با استفاده از تئوري‌‌هاي موجود
در زمينه كامپوزيت‌هاي ساخته‌شده با الياف كوتاه، مدول الاستيكي اين
کامپوزيت محاسبه شد که در مقايسه با مدول الاستيك يك نانولوله مجزا بسيار
كمتر مي‌باشد. هنوز مشخص نشده است كه اين كاهش به علت عيوب لايه‌هاي
گرافيتي در ساختمان نانولوله‌ها است و يا به علت بروز مشكلاتي در انتقال
تنش از فاز نانولوله به فاز زمينه.
نانوكامپوزيت‌هاي نانولولهاي با زمينة پلي‌استيرن (فقط با اضافه‌كردن
درحدود 1% وزني نانولوله) درحدود 25% افزايش در استحكام كششي و %42-36
افزايش در مدول الاستيك را نشان مي‌دهند. همانند كامپوزيت‌هاي ساخته‌شده با
الياف مرسوم، در نانوكامپوزيت‌ها نيز بيرون‌زدن نانولوله، شكست نانولوله و
همچنين پل‌زدنِ ترك (bridging) توسط نانولوله در حين شکست اين
نانوکامپوزيت‌ها، مشاهده مي‌شود.
همچنين نشان داده‌اند كه در اين نانوكامپوزيت‌ها افزايش %1 وزني از
نانولوله تأثيري معادل افزايش %10 وزني از نانوالياف كربني(Carbon
Nanofibres) در افزايش مدول الاستيك دارد. استفاده از خواص عالي
نانولوله‌ها در نانوكامپوزيت‌ها وابسته به استحكام پيوند فصل مشترك
نانولوله و زمينه مي‌باشد.
نشان داده شده است كه با استفاده از موادي مانند [1]AIBN مي‌توان پيوندهاي
p
نانولوله‌ها را باز كرد. در نانوكامپوزيت‌هاي نانولولهاي با زمينة پلي
متيل متاكريلات امكان برقراري پيوند C-C بين نانولوله وزمينه وجود دارد.
توزيع نانولوله‌ها با استفاده از يك مادة فعال سطحي غيريوني نيز مورد
ارزيابي قرار گرفته است. توزيع بهبوديافته و افزايش استحكام اتصال فصل
مشترك نانولوله با زمينه در نانوكامپوزيت با
زمينة اپوكسي باعث افزايش %30
در مدول الاستيك فقط با اضافه‌كردن %1 وزني نانولوله مي‌شود.
در زمينة فصل مشترك نانولوله با زمينة پليمري مطالعات فراواني انجام شده
است. محاسبه شده است که انرژي پيوند و نيروي اصطكاكي بين نانولوله و
پليمرها نقش چنداني در استحكام فصل مشترك ندارد. فاكتور كليدي در استحكام
فصل مشترك تشكيل ساختار مارپيچي پليمر، در اطراف نانولوله مي‌باشد.
توزيع نانولوله‌ها در زمينة پليمري به صورت تصادفي است. بنابراين تلاش‌هاي
زيادي براي آراستن نانولوله‌ها در زمينة پليمري به منظور تقويت بهتر پليمر
انجام شده است. نشان داده شده است كه با كشش مكانيكي نانوکامپوزيت مي‌توان
نانوكامپوزيتي با نانولوله‌هاي هم‌راستا به دست آورد. از پراش اشعه ايكس
نيز براي تعيين جهت و راستاي اين نانولوله‌ها استفاده مي‌شود. همچنين از
روش ريسيدن مذاب نيز براي آرايش نانولوله‌ها استفاده كرده‌اند. علاوه بر
آرايش نانولوله‌ها، محققان تلاش‌هايي نيز براي بافتن نانولوله‌ها و تشكيل
الياف نانولولهاي انجام داده‌اند.
2- نانوكامپوزيت‌هاي با زمينه فلزي و سراميكي
در مورد نانوكامپوزيت‌هاي بر پايه نانولوله‌هاي كربني بيشترين تمركز بر
روي نانوكامپوزيت‌هاي با زمينه پليمري بوده است. با اين حال خواص منحصربه
فرد نانولوله‌ها در سراميك‌ها نيز مي‌تواند به كار گرفته شود. سراميك‌ها
داراي سفتي و پايداري حرارتي بسيار بالا و چگالي پايين مي‌باشند. يكي از
مشكلات سراميك‌ها در به‌كارگيري به عنوان اجزاي سازه‌اي، ترد بودن آنها
مي‌باشد. بنابراين به نظر مي‌رسد كه نانولوله‌هاي كربني بتوانند در افزايش
چقرمگي سراميك‌ها مؤثر باشند. تركيب نانولوله‌هاي كربني با سراميك‌ها
پتانسيل توليد موادي با مقاومت گرمايي، چقرمگي و مقاومت به خزش بالا را
دارد.
با استفاده از ذرات SiC و %10 وزني نانولولة كربني و استفاده از پرس در
دماي بالا، نانوكامپوزيت‌هايي را توليد كرده‌اند كه گزارش شده است اين
كامپوزيت‌ها بهبودي10 درصدي در استحكام و چقرمگي شكست آن داشته‌اند.
محققان ديگري نيز تكنيك‌هايي را براي ساخت نانولوله‌هاي كربني به صورت درجا
به هدف توليد پودرهاي كامپوزيتي (نانولوله‌هاي كربني/ اكسيد فلزات) توسعه
داده‌اند. سپس اين پودرها به منظور
توليد يك قطعه كامپوزيتي در دماي بالا
فشرده شده‌اند.
گروهي ديگر از محققان نيز از روش‌هاي الكتروليز براي توليد
نانوكامپوزيت‌هاي با زمينه فلزي توسط نانولوله‌هاي كربني استفاده كرده‌اند.
اين بررسي‌ها بهبود اندكي را در هدايت الكتريكي آلومينيوم با افزايش درصد
حجمي نانولوله نشان مي‌دهد.
نتيجه‌گيري
خواص مكانيكي و فيزيكي عالي نانولوله‌هاي كربني، به همراه چگالي پايين
آنها، كربن را به عنوان يك كانديداي عالي براي استحكام‌دهي به كامپوزيت‌ها
معرفي كرده است.
درك كامل از رفتار حرارتي- مكانيكي نانوكامپوزيت‌هاي ساخته‌شده با
نانولوله‌هاي كربني، نياز به آشنايي با رفتار الاستيك و خصوصيات شكست
نانولوله‌هاي كربني و همچنين فصل مشترك ماده در زمينه با نانولوله دارد. با
اين حال اين نيازها در كامپوزيت‌هاي رايج نيز احساس مي‌شود؛ فقط در حال
حاضر ابعاد فاز تقويت‌كننده از ميكرومتر به سمت نانومتر كاهش يافته است.
همچنين با كاهش‌يافتن ابعاد، چالش‌هايي در فرآوري اين كامپوزيت‌ها، تعيين
مشخصات، اندازه‌گيري رفتار الاستيك و شكست آنها نيز وجود دارد. تحقيقات
اوليه، پتانسيل بالاي نانولوله‌ها را در تقويت‌كردن مواد نشان مي‌دهد ولي
مطالعات بنيادي براي رفع چالش‌هاي ذكرشده بسيار مهم مي‌باشد.
[1]-azobisisobutyronitrile
منبع :سايت نانو
نانوذرات، روان كننده، كاهش اصطكاك