نانو سرامیکها، آنهایی هستند که در ساخت آنها از اجزای اولیه در مقیاس نانو (مانند نانو ذرات۱، نانو تیوپ ها۲ و نانو لایه ها۳ )استفاده شده باشد، که هر کدام از این اجزای اولیه خود از اتمها و مولکولها
بدست آمدهاند .بعنوان مثال، کربن C60 یکی از اجزای اولیه ساختار نانولولههای کربنی است. بنابراین مسیر تکامل نانوسرامیکها را میتوان در سه مرحله خلاصه کرد که عبارتند از : مرحله ۱ : سنتز اجزای اولیه، مرحله ۲ : تهیه نانو پودرها با بهره گرفتن از این اجزاء و کنترل و بررسی خواص آن ها، مرحله ۳ : ساختار محصول نهایی[۱۴].

(( 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. ))

فصل سوم
نانو ذرات و روش های ساخت آن
۳-۱ : مقدمه
معمولاً ذرهای را که ابعاد آن کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد نانوذره میگویند. با کاهش اندازه ذرات از میکرو به نانو، با تغییر برخی از خواص فیزیکی روبرو می‌شویم که دو مورد مهم آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به محدودهای که باید اثرات کوانتومی در نظر گرفته شود.
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم، که به ‌تدریج با کاهش اندازه ذره رخ می‌دهد، باعث غلبه‌ رفتار اتم‌های واقع در سطح ذره به رفتار اتم‌های درونی می‌شود. این پدیده بر خصوصیات ذره درحالت انزوا و همچنین بر برهمکنشهای آن با دیگر مواد اثر می‌گذارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزور‌ها و ساختارهایی همچون الکترودها و همچنین افزایش کارآیی فناوری‌هایی همچون
پیلهای سوختی و باتری‌ها است. از طرف دیگر، مساحت سطحی زیاد نانوذرات باعث تعامل بیشتری بین مواد مخلوط ‌شده در نانوکامپوزیت‌ها شده و خواص ویژه‌ای همچون افزایش استحکام، افزایش مقاومت حرارتی و شیمیایی را موجب می‌شود[۱۵].
همانطور که گفته شد با کوچک شدن ابعاد ذره به اندازه کافی رفتار کوانتومی در آنها مشاهده میگردد. نقاط کوانتومی مثالی از این دستاند. این نقاط به دلیل اینکه، الکترون‌های آزاد آنها، مشابه الکترون‌های محبوس در اتم‌ هستند، حالتهای گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می‌کنند و لذا آنها را گاهی اتم‌های مصنوعی۱ نیز مینامند. علاوه بر این کوچک بودن ابعاد نانوذرات نسبت به طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف جلوه میدهد. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات مصارفی در صنایع بسته‌بندی، مواد آرایشی و روکش‌ها پیدا کنند
نانو مواد۲ به دو دسته کلی تقسیم میشوند: نانوذرات۳ و نانوساختار۴ (یا نانوبلورکها). مواد نانوساختار هم به نانوسیمها۵، نانولولهها۶ و نانولایهها۷ طبقهبندی میشوند. نانو ساختارها طبقه جدیدی از مواد را ارائه داده اند که دارای خواص متفاوتی در مقایسه با انواع مولکولی و ساختارهای توده ای حالت جامد هستند. وجود اثرات کوانتومی، رفتار منحصر به فردی که می تواند در قطعات جدید الکترونیکی، نوری، مغناطیسی و ترموالکتریکی مورد استفاده قرار گیرد را تشدید می کند. ساختارهای متعدد چاه کوانتومی۸ جهت تمرکز مطالعات درسیستم های نانویی از شانس بیشتری برخوردارند. در این
سیستم ها دستگاه های کاربردی به دو بعد محدود شده اند. در مقایسه، انتظار می رود نقاط کوانتومی صفر بعدی و نانوسیم های یک بعدی، حتی اثرات کوانتومی قویتری نیز داشته باشند. شاید بتوان گفت نانوسیم ها بیشترین سهم را جهت ساخت قطعات الکترونیکی جدید دارا می باشند چرا که آنها نسبت به ساختارهای دو بعدی، اثرات کوانتومی چشمگیرتری را از خود نشان داده و بر خلاف اکثر سیستم های صفر بعدی ،پیوستگی خواص انتقالی خود را در طول محور سیم حفظ می کنند.
لازم به ذکر است که تعیین مشخصات نانوذرات، برای کنترل سنتز، خواص و کاربردهای آن ضروری است. بدین منظور مشخصات این ترکیبات با بهره گرفتن از روش های گوناگونی نظیر آنالیز میکروسکوپ الکترونی، طیفسنجی فوتوالکترونی، پراش پرتو ایکس، تبدیل فوریه مادون قرمز و …. سنجیده میشود. نانو ذرات را میتوان در گروه های زیر دسته بندی کرد.
نانوذرات فلزی
نانوذرات نیمرسانا(نقاط کوانتومی۱)
نانو ذرات سرامیکی
۳-۲: کاربردهای نانوذرات
همانطورکه گفته شد وقتی اندازه ذره به سمت نانو میرود، نسبت اتمهای موجود بر روی مرزدانهها۲ به تعداد اتمهای کل افزایش مییابد. رفتار اتمهای مرزی کاملاً متفاوت از اتمهای داخل ذره میباشد و رفتار کل ماده را تحت تاثیر قرار میدهد. این پدیده سبب بهبود خواص فیزیکی نانوذرات میشود. به همین دلیل نانوذرات زمینه کاربردی فراوانی دارند که مهمترین آنها عبارتند از:
مواد کامپوزیت، کاتالیزور، بستهبندی، روکش، افزودنی سوخت و مواد منفجره، سایندهها، باتریها و پیلهای سوختی، روان کنندهها، پزشکی و داروسازی، دارو رسانی، محافظت کنندهها، آنالیز زیستی و تشخیص پزشکی، لوازم آرایشی و ارتباطات[۱۳].
۳-۳: نانو ذرات سرامیکی۱
نانوسرامیک‌ها، سرامیک‌هایی هستند که در ساخت آنها از مواد اولیه در مقیاس نانو (مانند نانوذرات، نانوتیوپ‌ها و نانولایه‌ها) استفاده شده ‌باشد، که هرکدام از این مواد اولیه، خود از اتمها و مولکولها بدست آمده‌اند.از ویژگیهای نانو سرامیکها میتوان بهموارد ذیل اشاره کرد.

خواص مکانیکی بهتر: سختی و استحکام بالاتر و انعطاف‌پذیری که ویژگی منحصربه‌فردی برای سرامیک‌هاست.
داشتن نسبت سطح به حجم بالا که باعث کنترل دقیق بر سطح می‌شود.
دمای تفجوشی پایین‌تر که باعث تولید اقتصادی و کاهش هزینه‌ها می‌گردد.
خواص الکتریکی، مغناطیسی و نوری مطلوب‌تر، قابلیت ابررسانایی در دماهای بالاتر و قابلیت بهتر عبور نور.
۳-۳-۱ : کاربردهای نانوذرات سرامیکی
نانوفناوری باعث ایجاد تحول چشمگیری در صنعت سرامیک گشته ‌است. چنین بهنظر میرسد که نانوسرامیک‌ها خود سبب ایجاد تحول عظیم در فناوری‌های امروزی مانند الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، صنایع حمل‌ونقل، صنایع هواپیمایی و نظامی و … خواهند شد. سرامیکهای پیشرفته، به دلیل
ویژگیهای منحصر به فردی که دارند در بسیاری از صنایع جزء اجزای مهم محسوب میشوند. بهعنوان مثال در صنایع شیمیایی به دلیل مقاومت خوبی که این مواد در برابر اسیدها و سایر مواد خورنده دارند مورد توجهاند. در صنایع هوا- فضا مقاومت این مواد در مقابل حرارت اهمیت زیادی دارد. در صنایع الکترونیک و ارتباطات به دلیل خواص نوری و الکتریکی خوبی که دارند از اجزای مهم محسوب میشوند.
در فناوری ساخت کامپیوترها نیز امکان وقوع تحولاتی در راستای استفاده از تراشههای نانوسرامیکی بهجای تراشههای سیلیکونی امروزی وجود دارد.
۳-۴ : روش های سنتز نانوذرات
اصولا در فناوری نانو دو روش برای ساخت محصولات نانویی وجود دارد :
الف : روش پایین به بالا:
منظور از پایین به بالا ،چینش اتم به اتم، مولکول به مولکول از یک ماده کنار هم بطور دلخواه جهت ایجاد و ساخت مواد جدید نانومتری است . در این روش که خود شامل شیوه های مختلف تولید است، مواد جدید با چینش اتمی خاص و منحصر بفرد می توانند ساخته شوند .
ب : روش بالا به پایین:
در این روش برای رسیدن به نانو مواد، باید ذرات وترکیبات بزرگتر ماده را با بهره گرفتن از روش های متداول مانند خرد کردن در چند مرحله به مواد در مقیاس نانومتری تبدیل کنیم.
روش های شیمیایی تولید نانو ذرات عبارتند از :
روش سنتز از فاز بخار شیمیایی۱
روش همرسوبی۲
روش سل- ژل۳
۳-۴-۱: روش سنتز از فاز بخار شیمیایی(CVD)
لایه نشانی بخار شیمیایی یک فرایند شیمیایی برای ساخت مواد جامد عملیاتی با خلوص بالا است.در این روش زیر لایه تحت تاثیر یک یا چند ماده اولیه فرار در حالت گازی قرار گرفته وبا انجام یک واکنش شیمیایی در روی سطح زیر لایه،لایه نشانی انجام می گیرد.و الگوی جایگذاری مورد نظر حاصل می شود.سایر محصولات فرعی زائد تولیدی نیز توسط جریان گاز حامل از محیط واکنش حذف خواهند شد. فرآیندهای میکرو تولیدی، از CVD برای عملیات لایه نشانی مواد به شکل های گوناگون استفاده می کنند که عبارتند از: مواد مونو کریستالی، پلی کریستالی، آمورف و همبافته. سیلیکون، الیاف کربنی، نانو تیوپ های کربنی، SiO₂، سیلیکون-ژرمانیوم، تنگستن، کربید سیلیکون(SiC)، نیترید سیلیکون، اکسی نیترید سیلیکون، نیترید تیتانیوم و دی الکتریک های دارای ثابت دی الکتریک بالا از جمله این مواد هستند که از طریق فرایند های CVDقابل ساخت می باشند. با روش CVDحتی می توان الماس سنتزی نیز تولید نمود.
۳-۴-۲: روش همرسوبی
این روش از زیرمجموعههای روش سل- ژل میباشد. در این روش بعد از مخلوط کردن مواد اولیه با یکدیگر، به محلول، کلرید آمونیوم یا هیدروکسید آمونیوم اضافه شده و محلول همزده میشود.
این مواد به عنوان عامل رسوب دهنده استفاده میشوند. بعد از تهیه رسوب، رسوب مواد با آب و الکل شسته شده و خشک میشود. در مرحله بعد، رسوب خشک شده برای تهیه نانوذرات بازپخت میشود.
۳-۴-۳: روش شیمیایی سل- ژل
سل ژل یک روش شیمیایی تر می باشد و از آن برای ساخت مواد از فاز مایع استفاده میشود. بنا به تعریف واژه سل- ژل از دو جزء تشکیل شده که درآن سل به تعلیق۱ یا پخش۲ ذرات گسسته۳ جامد در مایع و ژل به یک جامد کلوییدی۴ یا پلیمری شامل هر دو مولفه جامد یا مایع گفته میشود. سلها ذرات کلوئیدی پراکنده در محلول به ابعاد ۱ تا ۱۰۰ نانومتر هستند که به علت کوچکی بیش از حد بوسیله حرکت براونی در محلول معلق میمانند. ژل یک حالت میانی است که هر دو فاز جامد و مایع در یکدیگر پخش می‌شوند که یک شبکه جامد حاوی ترکیبات مایع را به ما می‌دهد. روش سل- ژل بر این اساس استوار است که ابتدا یک عامل کمپلکسدهنده با تشکیل پیوندهای هیدروکربنی ضعیف با کاتیونها، تشکیل یک کمپلکس میدهد. سپس، یک عامل الکترولیتی، با قطبی کردن سرهای انتهایی کمپلکسها، آنها را به هم متصل میکند به نحوی که خوشههای کلوییدی رشد میکنند. این خوشههای کلوییدی به کاتیونها کمک میکند تا بدون اتصال به یکدیگر و بهطور تصادفی در مجاورت هم قرار بگیرند و
جامد کلوییدی یا ژل را تشکیل دهند. پس از انجام یک مرحله گرمادهی دردماهای نسبتاً پایین، پیوندهای هیدروکربنی بهصورت گاز خارج و کاتیونها با شعاع یونی مناسب در کنار یکدیگر باقی میمانند. پس از این مرحله پودر بسیار همگنی با دانه های بسیار ریز از ماده خواهیم داشت. لذا، روش سل-ژل احتراقی برای ایجاد پودر های بسیار ریز، با توزیع یکنواخت بسیار مناسب است.
در روش سل- ژل ابتدا مواد اولیه در حلال مناسب حل میشوند که آنرا محلول مواد اصلی مینامند و پس از آن مواد دیگری به عنوان عاملکمپلکس ساز و عامل الکترولیتی اتصال دهنده بین کمپلکسها یا عامل پلیمر ساز نیز به این ترکیب اضافه میشود. سپس در طی فرایندهای مناسب رفلاکس و سپس، هم زدن و گرمادهی ملایم و طولانی مدت در ماهای پایین، محلول پایه به حالت لختهای یا ژل تبدیل شده و در نهایت با ادامهی گرمادهی در دمای بالاتر، پودر دلخواه شامل نانو ذرات حاصل میشود. مزیت این روش نسبت به روش های دیگر عبارتند از: مراحل سنتز ساده، توزیع ذرات همگن تر و واکنش پذیری اجزای شیمیایی بالاتر، اندازه ذرات قابل کنترل (در مقیاس نانو متر) و چگالی بالاتر. به طور کلی، با بهره گرفتن از روش های سنتز از محلول شیمیایی، امکان ساخت نانو پودرها از اکسیدهای رسانای شفاف با کیفیت خوب فراهم شده و برای تولید انبوه نیز مناسب است. این روش جایگزین بسیار مناسبی برای آسیاب کارهای طولانی مدت و مکرر و یا استفاده از روش های پیشرفتهی آسیاب کاری است. اما به علت حساسیتهای شیمیایی واکنشها، این روش در مقابل ورود ناخالصی ناخواسته به ویژه کلراید بسیار حساس و برای انجام فرایند ها به دقت بیشتری نیاز است.
به طور کلی فرایند کامل سل- ژل، شامل دو مرحله اصلی تهیه سل اولیه بصورت محلولهای همگن و شفاف و سپس مرحله تهیه ژل (محلول کلوئیدی) و پلیمر یزاسیون همگن است.
تشکیل سل- ژلها در پنج مرحله اصلی انجام میگیرد:
۱- تشکیل سل : بعد از مرحله مخلوط کردن مواد (شامل فرایندهای واکنشی هیدرولیزیز تا تشکیل کمپلکسها پلیمریزاسون اولیه که گاهی با رفلاکس کردن محلول همراه است).
۲- گرمادهی اولیه و هم زدن: برای چگالش و پلیمری کردن اولیه مونومرها برای تشکیل خوشههای ذرات.
۳- رشد خوشههای ذرات.
۴- چگالش ذرات که منجر به تشکیل شبکه هایی که در تمام محیط محلولگسترش مییابند.