فناوري نانو و توليد مواد در ابعاد نانومتري موضوع تحقيقاتي جذابي است كه توجه بسياري را به خود معطوف داشته است. نانوكامپوزيتهاي پليمري نيز به عنوان يكي از شاخه‌هاي اين فن‌آوري جديد، اهميت بسياري يافته است و يكي از شاخه‌هاي تحقيقي فعال به شمار مي‌آيد.

   نانو كامپوزيتها مواد مركبي هستند كه لااقل يكي از اجزاي تشكيل دهندة آنها داراي ابعاد در محدوده نانومتري nm)100-1)باشد.

   در دهة آخر قرن بيستم، زمينه جديدي تحت عنوان «نانو كامپوزيتها» وارد عرصه علم و فناوري كامپوزيتها شد. به دليل تغيير در تركيب و ساختار مواد در مقياس نانومتري و ارائه خواص ويژه و بي‌‌نظير نسبت به مواد كامپوزيتي در مقياسهاي متداول، در ده سال اخير پيشرفتهاي قابل توجهي در اين زمينه صورت گرفته است و فناوريهاي پيشرفته‌اي در ساخت ذرات نانومتري ارائه شده است كه شاهراه بزرگي را براي توليد مواد نانوكامپوزيتي، جديد با خواص ويژه باز كرده است. در حال حاضر نيز جديدترين تحقيقات در جهان در زمينه كامپوزيت ، عمدتاً روي ساخت پودرهاي نانومتري و نانوكامپوزيتي و قطعات نانو كامپوزيت و بهبود خواص آنها مي باشد.

 

مزايا و معايب نانوكامپوزيتها

ظهور مواد نانوكامپوزيت، تحولي اساسي در خواص مكانيكي و حرارتي مواد ايجاد كرده است.

خواص منحصر به فرد مواد نانوكامپوزيت را مي‌توان به صورت زير بيان كرد:

1-   پودرهاي نانوكامپوزيت، نسبت سطح به حجم بالايي دارند. اين ويژگي در حالت بي‌شكل (Amorph) نسبت به حالت بلوري بيشتر است.

2-   كسر زيادي از اتمها در سطح پودرهاي نانوكامپوزيت و يا در مرز دانه‌هاي ريز ساختار نانوكامپوزيتها قرار دارند.

به دليل دو خاصيت اخير، پودرهاي نانوكامپوزيت قابليت تف جوشي (Sintering) بالايي دارند.

شد. به دليل تغيير در تركيب و ساختار مواد در مقياس نانومتري و ارائه خواص ويژه و بي‌‌نظير نسبت به مواد كامپوزيتي در مقياسهاي متداول، در ده سال اخير پيشرفتهاي قابل توجهي در اين زمينه صورت گرفته است و فناوريهاي پيشرفته‌اي در ساخت ذرات نانومتري ارائه شده است كه شاهراه بزرگي را براي توليد مواد نانوكامپوزيتي، جديد با خواص ويژه باز كرده است. در حال حاضر نيز جديدترين تحقيقات در جهان در زمينه كامپوزيت ، عمدتاً روي ساخت پودرهاي نانومتري و نانوكامپوزيتي و قطعات نانو كامپوزيت و بهبود خواص آنها مي باشد.

 

1-   مواد نانوكامپوزيت سراميك-سراميك

2-   مواد نانو كامپوزيت سراميك –فلز

1-   مواد نانو كامپوزيت پليمر-سراميك يا پليمر –فلز

در هر سه مورد سراميك و پليمر به عنوان ماتريس عمل مي كنند و سراميك و فلز به عنوان ذرات نانو به ماتريس اضافه مي شوند و خواص حرارتي و مكانيكي كامپوزيت را افزايش مي دهند.به عبارتي ديگر چون پليمر و يا كامپوزيت داراي هدايت حرارتي پاييني هستند با افزودن ذرات نانو به آن هدايت حرارتي آن را به شدت افزايش مي دهند.

 

 معرفي بعضي نانو كامپوزيتها و بررسي خواص آنها

- پودر نانو ي AlN

    پودر نانوي AlN با استفاده از كاهش كربوترمال و با فرآيند پيش احتراق در دماي 1500 درجه سلسيوس كه به مدت h2 در كوره گرافيتي صورت مي گيرد بدست مي آيد. محصول يك پودر جامد سفيد رنگ است كه بوسيله طيف XRD ، TEM ،‌SAD و FIIR تعيين مي شود. اندازه ميانگين ذرات AlN ، nm 80 مي باشد.

AlN داراي خواص بسيار خوبي مثل هدايت حرارتي بالا، سرعت هدايت موج صوتي بالا، حفره باند پهن ، پايداري گرمايي بالا، مقاومت الكتريكي زياد، ثابت دي الكتريك كم مي باشد.

در گرماي اختلاط محلول هاي آبي ، اوره و نيترات آلومينيوم تجزيه مي شوند .

-نانو كامپوزيت تيتانيا - ژرمانيوم (Tio2-Ge )

تيتانيا - ژرمانيوم (Tio2-Ge ) يك نانو كامپوزيت نيمه هادي شبكه اي است. در نانو كامپوزيت Tio2-Ge ، Ge در ماتريس Tio2 پخش مي شود. اندازه و دانسيته Ge ، هدايت حرارتي نانو كامپوزيتها را بسيار تغيير مي دهد. كمترين هدايت حرارتي 0.011 ( W/mk) است كه يك مرتبه كمتر از فيلم Tio2 مي باشد.

- نانو كامپوزيت واكس پارافين – فيبر هاي كربني

 

واكس پارافين نيز ديگر ماده پليمري است كه داراي بعضي مزايا و معايب مي باشد. مزاياي آن شامل گرماي نهان بالا ، سوپر كولينگ قابل صرفنظر ، فشار بخار كم در ذوب ، خنثي بودن از لحاظ شيميايي و پايدار بودن آن ، خود هسته اي واز لحاظ تجاري با هزينه كم قابل دسترس مي باشد. معايب آن نيز شامل هدايت حرارتي كم و تغيير حجم زياد در طول انتقال فاز است. هنگامي كه اين واكس هاي پارافيني در سيستم هاي ذخيره انرژي استفاده مي شوند، هدايت حرارتي كم آنها نرخ تغيير گرما را در طول ذوب و سيكل هاي جامد سازي كاهش مي دهد و بنابراين توان كلي توليد كننده هاي تغيير فاز كاهش مي يابد. هدايت حرارتي واكس هاي پارافيني را با استفاده از پر كننده هاي فلزي ، افزوده كننده ها و يا فين ها، بالا مي برند.

افزوده كننده هاي آلومينيومي ، زمان تغيير فاز در فرآيند هاي سرمايش و گرمايش را كاهش مي دهند. پر كنند هاي فلزي هم باعث افزايش وزن و هم هزينه در سيستم هاي ذخيره انرژي مي شوند.

فيبر هاي كربني داراي هدايت حرارتي بالايي هستند هنگامي كه فيبر هاي كربني به صورت تصادفي در واكس پارافين توزيع مي شود طول فيبر اثر ناچيزي روي راندمان حرارتي دارد و هدايت حرارتي موثر سيستم بوسيله نوع فيبر هاي كربني افزايش مي يابد. در اينجا ، ‌نانو فيبر هاي كربني براي افزايش راندمان حرارتي واكس پارافيني بكار مي روند .

 

 -نانو كامپوزيت پلي اتيلن وينيل استات-CNT

در اينجا اثر كربن نانو تيوب روي هدايت حرارتي نانو كامپوزيتها با استفاده از مدل سازي تقريبي چند مرحله اي بررسي شده است.در اين نتايج از اتصال شيميايي زنجيره هاي هيدروكربني خطي پيوندي به سطح يك نانو تيوب (تك ديواره ) ، هدايت حرارتي در نانو كامپوزيتها افزايش يافته است. كه منجر به كاهش مقاومت گرمايي سطح تماس مابين نانو تيوبهاي كربني تك ديواره و ماتريس پليمري مي شود. نانو كامپوزيت در اينجا شامل نانو تيوبهاي كربني تك ديواره كه در يك ماتريس پلي (اتيلن وينيل استات ) است مي باشد.

پليمر ها كاربرد ها و موارد استفاده زيادي دارند اما اغلب محدود به ويژگي هاي فيزيكي خود مي شوند. اغلب پليمر ها هدايت حرارتي پاييني دارند. اگر هدايت حرارتي بدون از دست دادن ديگر خواص پليمر بهبود يابد اين ماده كاربرد فراواني خواهد داشت.

يكي از اين پليمر ها ، پليمر تجاري پلي (اتيلن وينيل استات) (EVA) است كه كاربرد فراواني دارند ولي هدايت حرارتي آنها نسبتا كم ( w/mk0.2) مي باشد.

براي بهبود هدايت حرارتي اين پليمر مواد نانو ساختار با هدايت حرارتي بالا به آن افزوده مي شود. اگر چه مواد نانو ساختار زيادي وجود دارند در اينجا از نانو تيوب كربني تك ديواره كامپوزيتي استفاده مي شود.CNT  داراي هدايت حرارتي بالايي است . كارهايي كه قبلا انجام شده است افزايش هدايت حرارتي را به حضور يك مقاومت حرارتي سطحي بزرگ مابين نانو تيوب كربني و اطراف ماتريس پليمري نسبت مي دهد. اين مقاومت سطحي مستقيما توسط درجه عامل دار شدن در سطح  و ماتريس پليمري اثر گذار است پارامتر هاي كليدي كه در اينجا تغيير مي كنند .شامل طول    و مقاومت حرارتي سطحي مي باشند.CNT ، كسر حجمي CNT ، هدايت حرارتي CNT