مواد نانوساختار بالک (1)

مواد نانوساختار بالک (1)
مواد نانوساختار بالک (Bulk Nanostructured Materials)

در این مقاله خواص مواد نانوساختار مورد بحث قرار می گیرد .مواد نانوساختار بالک (توده ای) جامداتی هستند که دارای میکرو ساختار نانو سایز هستند .واحدهای اساسی تشکیل دهنده ی این جامدات، نانوپارتیکل (نانوذرات) هستند. نانو پارتیکل های این مواد می توانند به صورت غیر منظم نسبت به همدیگر قرار گیرند.
در این مواد محورهای تقارن به صورت رندوم جهت گیری کرده اند و موقعیت های فضاییشان تقارنی را نشان نمی دهد. این پارتیکل ها همچنین می توانند آرایش شبکه ای داشته باشند و دارای تقارن باشند.

شکل 1- آ ساختار دو بعدی فرضی از نانو پارتیکل های 12AL را نشان می دهد. این نانو پارتیکل ها دارای شبکه های منظم می باشند.

شکل 1- ب نیز نشان دهنده ی توده ی دو بعدی از نانو ساختار نامنظم این نانو پارتیکل هاست.

1- نانوساختارهای نامنظم جامد(Solid Disorderd Nanostructure)

1-1- روش های تولید(Methods of synthesis)

در این بخش ما در مورد تعدادی از روش های تولید نانو ساختار نامنظم جامد صحبت می کنیم. یکی از این روش ها، روش فشرده سازی و جامد کردن( Compactionand Consolidation) است. به عنوان مثالی از این پروسه بگذارید بر روی نحوه ی بوجود آمدن آلیاژهای نانو ساختار آهن - مس متمرکز شویم. مخلوطی از پودرهای آهن و مس با ترکیب شمیایی fe85 cu15 به مدت 15 ساعت در دمای اتاق آسیاب می شوند. (نوع آسیاب از نوع بال میل است) . ماده ی حاصله سپس بوسیله ی یک قالب ازجنس کاربید تنگستن فشرده می شود(فشار مورد نیاز برای قالب گیری یک گیگا پاسکال( Gfa) و زمان قالب گیری 24 ساعت است) .این توده ی بهم فشرده سپس به مرحله ی فشرده سازی گرم (پرس گرم)، می رود .در آنجا توده در دمای 400 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه پرس می گردد. فشار مورد نیاز برای پرس باید بیش از 870 مگا پاسکال باشد. دانسیته نهایی توده ی متراکم 9902 درصد حداکثر دانستیه ی ممکن است.

شکل2- توزیع اندازه توده متراکم را نشان می دهد. که نشان دهنده ی این مطلب است که نانوپارتیکل های موجود در این گستره ی اندازه ای 20-70 نانومتر هستند .که بیشترین تعداد این ذرات دارای اندازه ی 40 نانومترند.

شکل3- یک منحنی تنش - کرنش برای این نمونه است. مدول یانگ این نمونه که شیب منحنی تنش -کرنش در ناحیه ی خطی است. شبیه به آهن معمولی است. وجود ناحیه ی غیر خطی در این منحنی نشان دهنده ی وجود ناحیه ی انعطاف پذیر پیش از اتفاق افتادن شکست در نمونه است. این مسأله می گوید که در این ناحیه قطعه دارای ازدیاد طول می شود. داده های بدست آمده نشان دهنده ی این مساله است که شکست در تنش 208 گیگا پاسکال رخ می دهد. که این رقم 5 برابر تنش شکست آهن دارای اندازه ی دانه ی بزرگتر است.( این آهن دارای اندازه ی دانه ای در گسترده 150تا 50 میکرومتر است).
اصلاح عالی خواص مکانیکی مواد نانوساختار غیر منظم یکی از خواص مهم این مواد است. نانو سایز کردن اندازه ی دانه های مواد باعث افزایش قابل لمس تنش تسلیم(yield stress) می گردد. که این مسأله دارای کاربردهای زیادی است مثلا از این روش برای تولید مواد محکم تر برای بدنه ی اتومبیل ها استفاده می کنند. دلایل تغییر در خواص مکانیک این مواد نانوساختار در زیر مورد بحث قرار گرفته است. مواد نانوساختار را می توان بوسیله ی انجماد سریع تهیه کرد.

یک روش در شکل 4 نمایش داده شده است که به آن blockmelt spinning ohill می گویند در این روش پیچه های گرم کننده RF(Radiofrequency) برای ذوب کردن یک فلز استفاده شود. پس از ذوب فلز، مذاب از داخل یک نازل خارج می گردد .مذاب پس از خروج از نازل به صورت یک رشته ی مذاب درمی آید. این رشته به طور مداوم بر روی سطح یک غلطت اسپری می گردد.(شرایط تحت یک اتمسفر خنثی انجام می شود). در این پروسه نوارهایی با ضخامت بین 10 تا 100 میکرومتر تولید می شود. پارامترهایی که نانوساختار این رشته ها را کنترل می کند عبارتند از : اندازه ای که نازل، فاصله ی نازل با غلطک، فشار تزریق مذاب و سرعت چرخش غلطک فلزی.
نیاز به مواد سبک و با استحکام بالا باعث شده است که آلیاژهای آلومینیومی توسعه یابند.که در آنها 85-94 درصد آلومینیوم با عناصری دیگر مانند نیکل و ایتریم وجود دارد. این آلیاژها با روش قبل تولید شدند. یک آلیاژ از آلومینیوم - ایتریم- نیکل و آهن تولید شده است.که در آن پارتیکل های آلومینیوم با گستره ی اندازه ای بین 10تا 30 نانومتر در یک زمینه ی آمورف قرارگرفته اند.این آلیاژ می تواند مقاومت کششی بیش از 102 مگاپاسکال از خود نشان دهد.البته مقادیر بالای این آلیاژ دارای عیب می باشد. این عیب شامل نبودن نانوپارتیکل ها در بخش هایی از این آلیاژ است. در روش دیگر برای تولید مواد نانو ساختار که اتومیزاسیون گازی( gas atamization) نامیده می شود، یک باریکه ی گاز خنثی با سرعت زیاد به یک مذاب فلزی برخورد می کند. شما تیک دستگاه اتومیزاسیون گازی در شکل 5 نشان داده شده است.

هنگامی که گاز با فلز برخورد می کند، قطرات فلزی با پراکندگی بالایی تشکیل می شود. گاز باعث می شود انرژی کنتیکی به مذاب انتقال یابد. این روش را می توان برای تولید مقادیر زیاد از پودرهای نانو ساختار استفاده کرد. که از این پودرهای نانو ساختار نیز می توان برای تولید قطعات بالک با روش پرس گرم استفاده کرد.
مواد نانو ساختار را همچنین می توان به روش الکترودیپوزیشن( elect rodeposition) نیز تهیه کرد. برای مثال برای تولید یک صفحه ی نانو ساختار از مس می توان از این روش استفاده کرد. در واقع این صفحه با قرار دادن دو الکترود در محلول الکترولیت مس سولفات و برقراری جریان الکتریکی بین دو الکترود تولید می شود. با برقراری جریان بین دو الکترود یک لایه ی نانو ساختار از مس بر روی الکترود تیتانیم که قطب منفی است، تشکیل می شود. در این روش یک صفحه مسی با ضخامت 2 میلی متر تشکیل می شود.این لایه دارای اندازه ی دانه ی میانگین 27 نانومتر است که استحکام تسلیم(yield Strengh ) آن 119 مگاپاسکال است.

1.2. مکانیزم های شکست در مواد با اندازه ی دانه ی متعارف

برای اینکه بدانیم دانه های نانوسایز چگونه بر روی ساختار بالک مواد تأثیر می گذارد، باید در مورد شکست مکانیکی مواد با اندازه ی دانه ی متعارف بحث کنیم. یک ماده ی ترد قبل از اینکه متحمل ازدیاد طول غیر قابل برگشت شود، می شکند. شکست بدلیل وجود ترک در مواد رخ می دهد.

شکل 6 مثالی از ترک در یک شبکه ی دو بعدی را نشان می دهد.ترک اصولاً ناحیه ای از یک ماده است که درآن بین اتم های مجاور شبکه پیوندی وجود ندارد. اگر یک ماده ی دارای ترک تحت کشش قرارگیرد، ترک بوسیله ی جریان تنش رشد می کند. تنش در محل پیوسته ی انتهایی ترک تمرکز پیدا می کند. این تمرکز تنش به حدی می رسد که ممکن است تنش اعمالی در این ناحیه از حد استحکام پیوند بیشتر می شود و این مسأله باعث شکستن پیوند در انتهای ترک و پیشرفت آن می گردد. سپس ترک تا حدی ادامه می یابد که بوسیله ی تنش های اعمالی بر نمونه اتفاق می افتد. این پروسه ی پیشرفت ترک تا حدی ادامه می یابد که ماده از نقطه ی ترک از هم جدا گردد. یک ترک مکانیزمی را پدید می آورد که بوسیله آن یک نیروی ضعیف خارجی می تواند پیوندهای قوی تر را یک به یک بشکند. این مسأله توضیحی است که می گوید چرا تنش های ایجاد کننده ی شکست عملاً از پیوندهای نگهدارنده ی اتم های ماده درکنار هم، ضعیف ترند.
نوع دیگر از شکست های مکانیکی، گذارتردی به نرمی(brittle -to- ductile transition)است. این پدیده در محلی که منحنی تنش - کرنش از حالت خطی درمی آید اتفاق می افتد( همانگونه که در شکل 3 دیده می شود). در این ناحیه و تا قبل از شکست، مواد به طور بازگشت ناپذیر ازدیاد طول پیدا می کند. پس از گذار تردی به نرمی، ماده حتی پس از برداشتن تنش نیز به طول اولیّه ی خود باز نمی گردد. گذار به نرمی نتیجه ای از نوع دیگری از عیوب شبکه ای است که نابجایی نام دارد. شکل7 یک نابجایی لبه ای را در یک شبکه ی دو بعدی نشان می دهد.

البته علاوه بر این نوع نابجایی نوع دیگری از نابجایی وجود دارد که به آن نابجایی پیچی گویند. نابجایی ها نواحی ذاتی شبکه های کریستالی است که این عیوب موجب انحراف از ساختار منظم اتمی است که باعث بوجود آمدن تعداد زیادی فضای خالی شبکه ای می شود.برخلاف ترک، اتم های موجود در نواحی نابجایی به همدیگر پیوند خورده اند ولی این پیوندها از پیوندهای نواحی معمولی ضعیف ترند. در نواحی نرم، یک سمت شبکه نسبت به سمت دیگر آن حرکت کند. این چرخش در مقطع رخ می دهد در واقع در نواحی وجود نابجایی در مقطع قطعه چرخش رخ می دهد که در واقع پیوندهای موجود در طول نابجایی ضعیف ترند. یک روش افزایش تنش که در گذار تردی به نرمی رخ می دهد این است که در محل های وجود ذرات ریز، تنش حاصل می گردد.
این فرآیند در تولید فولاد سخت شده استفاده می شود. در این نوع فولاد ذرات کاربید آهن در فولاد رسوب داده می شود. ذرات کاربید باعث جلوگیری از حرکت نابجایی ها می شود. در واقع ایجاد رسوب در آلیاژهایی امکان پذیر است که عناصر موجود در آلیاژ دارای حد حلالیت در حالت جامد باشند.
منبع انگلیسی : Introduction to nanotechnology/charles p.poole Jr- Frank.J owns/WILEY