تسهیل تولید قطعات کامپوزیت با غشاهای نانولوله کربنی

کامپوزیت‌ها از مواد لایه‌ای انباشته شده تشکیل شده‌اند که به واسطه رزین یا ماتریس دیگری به منظور ایجاد یک حالت جامد به یکدیگر پیوند می‌خورند. قطعات بزرگی که از چنین کامپوزیت‌هایی ساخته شده‌اند باید در اجاق‌های عظیم برای بهبود یافتن با رزین گرم شوند. به علاوه آنها باید تحت فشار زیادی در دیگ‌های غول پیکر قرار بگیرند تا شکاف‌های هوای ناخواسته از بین لایه‌ها خارج شود.

اکنون گروهی از محققان در موسسه فناوری ماساچوست(MIT) در حال جایگزینی اجاق‌ها و دیگ‌ها با پرده‌های نازک یا غشاهای ظریف ساخته شده از نانولوله‌های کربنی هستند که به شرح زیر استفاده می‌شوند:

هنگامی که کامپوزیت شکل می‌گیرد، ورق‌های غشا بین هر لایه از مواد قرار می‌گیرند. هنگامی که این لایه‌ها یکی پس از دیگری گرم می‌شوند، واکنش مویرگی تولید شده توسط کانال‌های ریز بین نانولوله‌ها باعث ایجاد فشار منفی می‌شود و لایه‌ها را به هم نزدیک می‌کند. در نتیجه، هر هوایی که ممکن است بین لایه‌ها وجود داشته باشد، خارج می‌شود.

علاوه بر این هنگامی که این قطعه به شکل دلخواه قالب ریزی شد، یک ورق بزرگ از این غشا دور قطعه تولیدی پیچیده می‌شود. نانولوله‌های درون غشا با استفاده از جریان الکتریکی گرم می‌شوند. این کار باعث می‌شود که ازکل ورق مانند پتوی برقی گرما ساطع شود و در این حالت هم فشار مویرگی را ایجاد می‌کند و هم رزین را عمل می‌آورد.

تاکنون محققان با موفقیت از این روش برای ساخت نمونه‌های کامپوزیت با عرض چند سانتی متر استفاده کرده‌اند. آنها اکنون در پی افزایش مقیاس این فناوری هستند، بنابراین می‌توان در آینده‌ای نزدیک از آن در ساخت قطعات هواپیما، تیغه‌های توربین‌های بادی، لوله‌های گاز و موارد دیگر استفاده کرد.

کامپوزیت(ماده مرکب یا چندسازه) به ماده‌ای اطلاق می‌شود که از دو فاز ماتریس و تقویت‌کننده تشکیل شده باشد و از فاز دوم حداکثر به اندازه ۵ درصد استفاده شده باشد. به ترکیب ماتریس با الیاف (یا ماده تقویت‌کننده) زیر ۵ درصد کامپوزیت گفته می‌شود. در مهندسی مواد این اصطلاح معمولاً به موادی گفته می‌شود که از یک فاز زمینه (ماتریس) و یک تقویت‌کننده (پرکننده) تشکیل شده باشند.

کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریس و تقویت‌کننده تشکیل شده است. ماتریس با احاطه کردن تقویت‌کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می‌دارد. تقویت‌کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار می‌شود. به‌طور کلی تقویت‌کننده می‌تواند به صورت فیبرهای کوتاه یا بلند و پیوسته باشد.

نانولوله‌های کربنی که از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانه توخالی ساخته شده است در سال ۱۹۹۱ توسط سامیو ایجیما (از شرکت NEC ژاپن) کشف شد.

نانو لوله‌های کربنی، ساختارهای حلقوی تو خالی و متشکل از اتم‌های کربن هستندکه می‌توانند به شکل تک یا چند جداره آرایش یابند و دارای خواص فلزی و شبه رسانایی نیز هستند. نانو لوله‌های کربنی دارای سطح ویژه بسیار بالا، نفوذپذیری زیاد و پایداری مکانیکی و حرارتی خوبی هستند. اگر چه تخلخل‌های نانولوله‌های کربنی به‌طور قابل توجهی کوچک است، غشاهای نانو لوله‌ای نشان داده‌اند که به خاطر سطح داخلی صاف نانولوله‌ها، شدت جریان بیشتر یا یکسانی نسبت به تخلخل‌های بسیار بزرگتر دارند. این مواد بادوام و در مقابل گرما مقاوم هستند و نیز تمیز کردن و استفاده مجدد از آن‌ها در فرایندهای تصفیه‌ای مانند آب و فاضلاب ساده است. غشاهای نانو لوله‌ای می‌توانند تقریباً تمام آلودگی‌های آب اعم از باکتری، ویروس، ترکیبات آلی و کدورات را حذف کنند.

این قبیل مولکول‌های استوانه‌ای شکل خواص نوظهوری دارند که آن‌ها را دارای پتانسیل مفیدی در بسیاری از کاربردها در نانوتکنولوژی، اپتیک، الکترونیک و دیگر زمینه‌های علم مواد می‌سازد. شکل لوله‌ای کربن از دیگر شکل‌های کربن مانند ورقه‌های گرافیتی مطلوب‌تر است. این به این دلیل است که ساختار لوله‌ای فاقد باندهای غیر پیوندی و معلق است که باعث می‌شود ساختار از انرژی کمتری برخوردار باشد. آن‌ها استحکام غیرعادی، قابلیت ارتجاع، مقاومت کششی بالا، وزن کم و خواص الکتریکی بی مانندی را نشان می‌دهند و درعین حال به‌طور کارآمدی رسانای گرمایی هستند.

نانولوله‌ها دارای فرم لوله‌ای با ساختار شش ضلعی هستند. آنها را می‌توان صفحات گرافیتی فرض کرد که لوله شده‌اند. نانولوله‌ها بر اساس محور چرخش صفحات می‌توانند رسانا یا نیمه رسانا باشند. به علت این که کربن با سه پیوند همچنان دارای یک اوربیتال خالی p است، حرکت موجی الکترون‌ها به راحتی در سطح بیرونی این لوله‌ها صورت می‌گیرد.

خواص ویژه و منحصر به فرد آن ازجمله مدول یانگ بالا و استحکام کششی خوب از یک طرف و طبیعت کربنی بودن نانولوله‌ (به خاطر این که کربن ماده‌ای است کم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایندها که نسبت به فلزات برای تولید ارزان‌تر است) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در کارایی و پرباری روش‌های رشد نانولوله‌ها باشیم. کارهای نظری و عملی زیادی نیز بر روی ساختار اتمی و ساختارهای الکترونی نانولوله کربنی متمرکز شده‌است. کوشش‌های گسترده‌ای نیز برای رسیدگی به خواص مکانیکی شامل مدول یانگ و استحکام کششی و ساز وکار عیوب و اثر تغییر شکل نانولوله‌ها بر خواص الکتریکی صورت گرفته‌است.

منبع : ایسنا