برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۲/۲۹ تا ۱۳۹۷/۰۳/۰۴

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۲۷۹
  • بازدید این ماه ۱۷۶
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

خواص مکانیکی (2)

در بخش قبل با برخی از مفاهیم و تعریف‌های اولیه رفتار مکانیکی مواد همچون تنش، کرنش آشنا شدید. در اینجا به بررسی تغییر خواص مکانیکی نانومواد می‌پردازیم.
مقدمه:

در بخش قبل با برخی از مفاهیم و تعریف‌های اولیه رفتار مکانیکی مواد همچون تنش، کرنش آشنا شدید. در اینجا به بررسی تغییر خواص مکانیکی نانومواد می‌پردازیم.

1- مواد توده‌ای نانوساختار و خواص مکانیکی آنها

در فصل «چه چیزی خواص مواد را مشخص می‌کند؟» با مفاهیم ریزساختار، دانه و برخی از نقص‌های بلوری آشنا شدید. در شکل 1-الف ریزساختار ماده‌ای (برای سادگی دو بعدی در نظر گرفته شده است) را متشکل از 6 دانه مشاهده می‌کنید، که هر کدام از دانه‌ها نظم مخصوص به خود را دارد. جهت‌گیری و نظم اتم‌ها با عبور از یک دانه به دانه دیگر ناگهان تغییر می‌کند. در میان نواحی جداکننده دانه‌ها (محل تلاقی دانه‌ها) نیز تعداد بسیار کمی اتم وجود دارد که نظم مشخصی نداشته و متعلق به هیچکدام از دانه‌های همسایه نیستند (شکل 1-ب). به این ناحیه آشفته در شبکه بلوری و با عرض تنها چند قطر اتمی، مرزدانه می‌گویند. مرزدانه‌ها که جزء نقص‌های بلوری تلقی می‌شوند، به طور قابل توجهی ویژگی‌های مکانیکی مواد بلوری و به خصوص مواد نانوبلوری را تحت تاثیر قرار می‌دهند.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: الف) مرزدانه‌ها به عنوان نواحی آشفته جداکننده دانه‌ها در یک ماده چنددانه‌ای نشان داده شده است. ب) چینش آشفته و بدون نظم اتم‌های ناحیه مرزدانه در میان سه دانه نشان داده شده است.

اما به چه موادی مواد نانوبلوری یا نانوکریستال می‌گوییم؟ ماده‌ای توده‌ای و چندبلوری (ماده‌ای که تک بلوری یا تک دانه‌ای نیست) را همانند شکل 2 در نظر بگیرید. هر کدام از چندوجهی‌ها در حقیقت نمایانگر یک دانه هستند (اتم‌های داخل دانه‌ها نشان داده نشده‌اند) و خطوطی که در شکل مشاهده می‌کنید همان مرزدانه‌ها می‌باشند. اگر هر کدام از دانه‌ها (یا بلورک‌ها) را به صورت تقریبی دایره‌ای شکل در نظر بگیریم، آنگاه می‌توانیم اندازه حدودی هر دانه را به صورت قطر آن دایره در نظر بگیریم. هر کدام از دانه‌ها اندازه‌ی متفاوتی دارد. با این حال می‌توانیم میانگین اندازه آنها را بدست آورده و به عنوان اندازه دانه ماده در نظر بگیریم.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: تصویر یک ماده چند بلوری. تمامی خطوط داخل مربع نشان دهنده مرزدانه‌ها است. همچنین اندازه تقریبی یک دانه که برابر قطر دایره فرضی در داخل دانه است، نشان داده شده است.

فرض کنید از طریق روش‌های فیزیکی، ماده فوق را تحت نیروهایی قرار دهیم که منجر به خرد شدن دانه‌ها و تبدیل هر کدام از آنها به چند دانه گردد. در این حالت تعداد دانه‌ها نسبت به حالت اول بیشتر می‌شود. همچنین اندازه میانگین دانه‌ها نیز کاهش می‌یابد. اگر این فرآیند را آنقدر ادامه دهیم (همانند شکل 3، به عنوان مثال 8 مرتبه) تا تعداد دانه‌ها بسیار زیاد و میانگین اندازه دانه‌ها به ابعاد نانومتری برسد، ماده حاصله را یک ماده نانوبلوری یا نانوکریستال می‌نامیم. به این مواد همچنین مواد توده‌ای نانوساختار (مواد بالک نانوساختار) و یا نانومواد سه بعدی نیز می‌گویند. در بخش معرفی انواع نانومواد بر اساس تعداد ابعاد آزاد به صورت مختصر به این دسته از نانوساختارها اشاره شده است.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3: هشت مرحله خرد کردن دانه‌ها بر اثر وارد کردن نیروهای مکانیکی بر جسم. تعداد دانه‌ها و اندازه آنها با پیشرفت فرآیند به ترتیب افزایش و کاهش یافته است.

یکبار دیگر شکل 3 را مشاهده کنید. با کوچک شدن دانه‌ها، میزان مرزدانه‌ها (طول کلی آنها) چه تغییری کرده است؟ همانگونه که مطمئنا به درستی بیان کرده‌اید، میزان مرزدانه‌ها به طرز محسوسی افزایش یافته است. همان طور که بیان شد، مرزدانه‌ها به طور قابل توجهی ویژگی‌های مکانیکی مواد نانوبلوری را تحت تاثیر قرار می‌دهند. این ویژگی‌ها از مواد با دانه‌های معمولی و با ترکیب شیمیایی یکسان، متفاوت هستند. اگر چه تمامی شکل‌های نشان داده شده به منظور سادگی در درک آنها به صورت دو بعدی هستند، ولی در اجسام حقیقی و سه بعدی نیز تغییر میزان مرزدانه‌ها با کاهش اندازه دانه به همین منوال است.
اثر مرزدانه‌ها در مواد نانوبلوری بیشتر خود نمایی می‌کند، زیرا درصد بالایی از اتم‌ها در مواد نانوکریستالی در مرز دانه‌ها قرار گرفته‌اند. عموما مواد نانوبلوری دارای سختی قابل توجه، استحکام بالا و مقاومت بالا در برابر سایش هستند که این ویژگی‌ها برای کاربردهای گوناگون، مفید است. جدای از خواص مکانیکی، افزایش مرزدانه‌ها در مواد نانوبلوری منجر به تغییر برخی دیگر از خواص نانومواد همچون خواص مغناطیسی و مقاومت در برابر خوردگی نیز می‌گردد.
در بسیاری از موارد، سختی بسیار بالا، استحکام بالا و ویژگی مقاومت به سایش مواد نانوبلوری به مرزدانه‌ها وابسته است. چگونگی تغییر شکل مواد و فلزات خارج از مبحث ما است، با این حال به صورت مختصر اثر مرزدانه‌ها را این گونه می‌توان بیان کرد که مرزدانه‌ها سدهای محکمی در برابر لغزش و حرکت برخی از نقص‌های بلوری (نابجایی‌ها) بوده که تغییر شکل و شکست مواد عموما ناشی از حرکت آنها است.
رابطه کلی بین تنش تسلیم (که معیاری برای سنجش استحکام مواد است) و اندازه دانه توسط دانشمندانی به نام هال و پچ توسعه گردید که به رابطه هال-پچ مشهور است:
Ϭ0 = Ϭi + KD2/1-
در این رابطه Ϭ0 تنش تسلیم و Ϭi تنش اصطکاکی است که معرف مقاومت کلی شبکه بلوری در برابر حرکت نقص‌های بلوری مسئول تغییر شکل مواد است. K ثابت بوده و D نشان دهنده اندازه دانه است. این رابطه به روشنی نشان می‌دهد که با کاهش اندازه دانه، استحکام و تنش تسلیم مواد افزایش می‌یابد. به عنوان مثال، محققان استحکام تسلیم پالادیوم را در اندازه‌های 50 میکرومتر و 14 نانومتر مقایسه کرده‌اند. استحکام تسلیم نانوبلور 14 نانومتری 259 گیگاپاسکال بوده که بسیار بیشتر از استحکام تسلیم 52 مگاپاسکالی پالادیوم با اندازه دانه 50 میکرومتر بوده است. البته ذکر این نکته حائز اهمیت است که عموما با افزایش استحکام مواد، قابلیت شکل‌پذیری و نرمی مواد کاهش می‌یابد.
به جای تنش تسلیم می‌توان سختی (مقاومت در برابر یک فرورونده یا خراشنده) و مقاومت به سایش مواد را نیز در نظر گرفت. بنابراین همانند استحکام، سختی و مقاومت به سایش مواد نیز با کاهش اندازه دانه افزایش می‌یابد. البته افزایش استحکام با کاهش اندازه دانه تا یک اندازه بحرانی (تقریبا در حدود 10 نانومتر) ادامه پیدا می‌کند و پس از آن با کاهش اندازه دانه، استحکام یا سختی ماده کاهش پیدا می‌کند. دلیل این امر تغییر شیوه‌ها یا مکانیزم‌های تغییر شکل مواد است (شرح مکانیزم‌های تغییر شکل خارج از حیطه دانش مورد نیاز دانش‌آموزان است، با این حال می‌توانید جهت کسب اطلاعات بیشتر به بخش بیشتر بخوانید مراجعه کنید). در شکل 4 نمودار تغییرات استحکام و یا سختی مواد با تغییر اندازه دانه نشان داده شده است.
کاهش مدول یانگ مواد نانوساختار نیز از دیگر تغییرات خواص مکانیکی در مقیاس نانو است. البته این تغییر بیشتر در ابعاد کم‌تر از ده تا بیست نانومتر محسوس است. محققین گزارش داده‌اند که مدول یانگ نمونه‌ی سربی با اندازه دانه 8 نانومتر حدود 88 گیگاپاسکال است. این مقدار برای اندازه دانه‌ی بزرگ در حدود 123 گیگا پاسکال است. یکی از دلایل ذکر شده برای این تغییر مدول یانگ را حضور تخلخل‌ها در ساختار مواد توده‌ای نانوساختار می‌دانند. این تخلخل‌ها در موادی که از زینترینگ نانوپودرها تولید شده‌اند نمایان‌تر است. مواد توده‌ای نانوساختار را می‌توان به غیر از روش‌های مکانیکی و خردایش مواد درشت، از طریق به هم فشردن و به هم چسبانیدن پودرهای حاوی نانوذرات نیز تولید کرد. به این روش اصطلاحا زینترینگ می‌گویند. هنگامی که نانوپودرها را فشرده می‌کنند، ما بین ذرات فضاهای خالی یا تخلخل‌هایی پدیدار می‌شود که بر خواص مکانیکی محصول توده‌ای نهایی موثر است. این تخلخل‌های باقیمانده می‌توانند باعث افزایش کم‌تر از حد انتظار استحکام نانوساختار توده‌ای شوند. مدول الاستیک یا یانگ که عموما با کاهش اندازه دانه (البته نه به ابعادی در حد چند نانومتر) تغییر محسوسی نمی‌کند، بر اثر حضور تخلخل‌های باقیمانده می‌تواند کاهش یابد. گفته می‌شود که این تخلخل‌ها همانند ترک‌هایی درون ماده عمل کرده و مدول الاستیک را کاهش می‌دهند.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4: نمودار تغییرات استحکام و یا سختی مواد با تغییر اندازه دانه. به صورت کلی با کاهش اندازه دانه و بر اساس رابطه هال – پچ، استحکام و سختی مواد با کاهش اندازه دانه افزایش می‌یابد. ولی هنگامی که اندازه دانه از حدی بحرانی (dc) کم‌تر گردید، استحکام و یا سختی به صورت ناگهانی کاهش می‌یابد. به این ناحیه منظقه هال – پچ معکوس نیز می‌گویند

در بررسی خواص مکانیکی مواد نانوساختار مشکلات زیادی از جمله عدم امکان تهیه نمونه مطلوب، وجود تخلخل و میکروترک، تنش‌های داخلی شدید، وجود ناخالصی‌ها و گازهای حبس شده و نیز عدم امکان ارزیابی برخی کمیت‌ها، نظیر اندازه‌گیری کرنش به دلیل کوچک بودن نمونه‌ها وجود دارد. وجود چنین مشکلاتی باعث شده تا داده‌های آزمایشگاهی مربوط به خواص مکانیکی برای این گروه از مواد محدود باشد .

2- نانوساختارهای با خواص مکانیکی فوق‌العاده ذاتی

برخی از نانوساختارها خواص مکانیکی ذاتی فوق العاده‌ای به دلیل نوع ویژه‌ی ساختارشان دارند. بهترین مثال در این خصوص، نانولوله‌های کربنی است. این ساختار که از لوله شدن تک لایه‌های گرافیتی (گرافن) ایجاد شده است، خواص منحصر به فردی از جمله استحکام بالا و انعطاف‌پذیری مناسب دارد (عموما با افزایش استحکام‌پذیری یک ماده، انعطاف‌پذیری آن کاهش می‌یابد). استحکام نانولوله‌ها می‌تواند تا 100 برابر بیش‌تر از فولاد باشد. نکته جالب توجه آن است که این ساختار می‌تواند تا 6 برابر سبک‌تر از فولاد باشد. با این ساختار اعجاب‌برانگیز در فصل‌های آینده به صورت جامع آشنا خواهید شد.
موادی که خواص مکانیکی مناسبی ندارند (همچون اکثر پلیمرها) را می‌توان از طریق کامپوزیت‌سازی با نانوساختارها تقویت کرد. این نانوساختارها می‌توانند انواع نانوذرات همچون نانولوله‌های کربنی باشند. پر کردن پلیمرها با نانوذرات، نانومیله‌ها یا نانولوله‌ها باعث بهبود چشمگیر خواص مکانیکی آنها می‌شود.
نانومواد خواص مکانیکی جالب توجه دیگری نیز دارند. از جمله‌ی آنها می‌توان به رفتار ابرپلاستیسیته ویژه‌ی نانومواد اشاره کرد. همچنین این مواد دارای خواص خزش و خستگی (انواع دیگری از خواص مکانیکی مواد) متفاوتی از مواد درشت معمول هستند. وارد شدن به این مباحث نیاز به پیش نیازهای علمی گسترده‌ای دارد که در صورت تمایل می‌توانید از منابع معرفی شده در بخش بیشتر بخوانید استفاده کنید.

بیشتر بخوانید:
1- در کتاب نانومواد نوشته دیتر ولاث، ترجمه دکتر حمیدرضا رضایی، مهدی مشرف جوادی و میثاق افشار پور، انتشارات دانشگاه علم و صنعت و در فصل هشتم به صورت مفصل به خواص مکانیکی نانومواد پرداخته شده است.
2- در کتاب نانومواد، خواص، تولید و کاربرد نوشته فتح اله کریم زاده، احسان قاسمی و سامان سالمی زاده، انتشارات جهاد دانشگاهی واحد صنعتی اصفهان و در فصل سوم به صورت مختصر به بررسی خواص مکانیکی نانومواد پرداخته شده است.
3- جهت آشنایی بیشتر با ریزساختار مواد و تاثیر آن بر خواص مکانیکی می‌توانید به کتاب متالورژی مکانیکی، جرج ای. دیتر. ترجمه شهره شهیدی. مرکز نشر دانشگاهی مراجعه کنید. این کتاب از اصلی‌ترین منابع خواص مکانیکی مواد است.

منابـــع و مراجــــع

1. نانومواد نوشته دیتر ولاث، ترجمه دکتر حمیدرضا رضایی، مهدی مشرف جوادی و میثاق افشار پور، انتشارات دانشگاه علم و صنعت

2. نانومواد، خواص، تولید و کاربرد نوشته فتح اله کریم زاده، احسان قاسمی و سامان سالمی زاده، انتشارات جهاد دانشگاهی واحد صنعتی اصفهان