برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۰۲ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۸

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۸۳۵
  • بازدید این ماه ۳
  • بازدید امروز ۰
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

امتیاز کاربران

خواص حرارتی نانوکامپوزیت‌های حاوی نانولوله‌های کربنی

نانولوله‌های کربنی می توانند به عنوان تقویت کننده‌ی کامپوزیت‌ها استفاده شوند و خواص ماده‌ی زمینه را به کلی تغییر دهند. یکی از این خواص که تغییرپذیر است، هدایت حرارتی یا رسانایی کامپوزیت است.. با تحقیقاتی که دانشمندان روی یک نمونه اپوکسی انجام داده‌اند، پس از تشکیل کامپوزیت، رسانایی ماده 120% افزایش یافته است یا در یک نمونه نانوکامپوزیت آلومینا/نانولوله‌کربنی در دمایی خاص، رسانایی کامپوزیت حتی تا بالای 200% افزایش یافته است.
در جلسه‏ قبلی در مورد خواص هدایت حرارتی نانولوله‌های کربنی صحبت کردیم و برخی بررسی‌های انجام شده توسط دانشمندان را بیان نمودیم. در این جلسه با بیان چند مثال از کاربرد نانولوله‏‌های کربنی در بهبود خواص حرارتی نانوکامپوزیت‏‌ها موضوع را ادامه می‏دهیم.
1- خاصیتی به نام هدایت حرارتی

انتقال انرژی و به طور خاص، انتقال حرارت یکی از مباحث بسیار جذاب در علوم و مهندسی است. دانشمندان نظریه‏‌های مختلفی را برای تشریح چگونگی انتقال حرارت در مواد مطرح می‏کنند. تحقیقات دانشمندان در زمینه‌های کاملا متفاوتی بوده و عده‏‌ای برای تولید موادی با هدایت حرارتی بسیار بالا و عده‏‌ای دیگر برای تولید مواد عایق در برابر هدایت حرارتی تلاش می‏کنند. هر یک از این مواد می‏تواند کاربردهای گسترده‏ای در صنایع مختلف داشته باشد. امروزه و با گسترش علم مربوط به مواد نوین و به خصوص پیشرفت نانوکامپوزیت‏‌ها، ایده‏‌های زیادی برای تولید موادی با خواص هدایت حرارتی جدید به وجود آمده‌اند.

خود را بیازمایید:
آیا می ‏توانید کاربردهایی را برای مواد عایق حرارت نام ببرید؟ در مورد موادی که هدایت حرارتی بالایی دارند، چه مصارفی را می ‏شناسید؟

رسانایی حرارتی بالای نانولوله‏‌های کربنی می‏تواند برای برخی کاربردهای مدیریت حرارتی مفید باشد. مانند تخلیه‏‌ی حرارت پردازنده‏ های سیلیکونی و افزایش رسانایی حرارتی پلاستیک ‏ها برای کاربرد در موتورهای الکتریکی. امروزه برای خنک کردن پردازنده‏‌های رایانه‏‌ای بعضا از سامانه‌های مختلفی از قبیل سامانه‌‏های آب‏گرد استفاده می‏شود. اما ایده‌‏ای که مدت‏هاست مطرح شده است، استفاده از موادی نوین برای بسته ‏بندی روی پردازشگرهاست که قابلیت تخلیه‌ی حرارتی بالایی داشته باشند.

فکر کنید:
در این جلسه، اعداد و ارقامی را بررسی خواهیم کرد که در آزمایشگاه‏‌ها و توسط ابزارهایی خاص، در مورد میزان هدایت حرارتی اجسام به دست ‌اند. بنابراین پیش از شروع این مبحث، لازم است تا در مورد نحوه‏‌ی اندازه‏‌گیری میزان هدایت حرارتی مواد اطلاعاتی را داشته باشیم. آیا روش‌‏های بررسی این خصوصیت ماده را می ‏دانید؟

2- نانولوله‌‏های کربنی و بهبود هدایت حرارتی کامپوزیت‏ ها 

2-1- کامپوزیت ‏های زمینه‌‏ی پلیمری 

گروه ‏های زیادی از دانشمندان خواص کامپوزیت‏ های اپوکسی/ نانولوله‌ی کربنی را بررسی کرده‌‏اند. اپوکسی دسته ‏ای از مواد پلیمری هستند که کاربردهای زیادی در صنایع مختلف دارند. خواص حرارتی این مواد به تازگی مورد توجه ویژه قرار گرفته است. دانشمندی به نام بیرکوک و همکارانش توانستند نانولوله‌های کربنی را داخل زمینه‏‌ی اپوکسی پراکنده کنند و با موفقیت، کامپوزیت اپوکسی /نانولوله‌ی کربنی را بسازند. آنها سپس رسانایی حرارتی اپوکسی تقویت شده با نانولوله را اندازه‏‌گیری کرده‌‏اند و پس از مطالعه‌ی نتایج آزمایش‌هایشان، به این نتیجه رسیدند که افزودن نانولوله‌‏های کربنی تا یک درصد از وزن کل ماده می‏تواند بهبود چشمگیری در هدایت حرارتی کامپوزیت حاصل ایجاد نماید. این دانشمندان همچنین با ساختن کامپوزیت اپوکسی/ الیاف کربنی و بررسی هدایت حرارتی آن، مقایسه ‏ای را بین نانولوله‏‌های کربنی و الیاف کربنی انجام دادند. در شکل 1، تاثیر میزان تقویت کننده و نوع آن را بر هدایت حرارتی رزین اپوکسی مشاهده می‌کنید.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده برای یک نانولوله‌ی کربنی تک دیواره در دماهای مختلف

افزودن1 درصد وزنی نانولوله‏‌ی کربنی رسانایی حرارتی اپوکسی را بیش از دو برابر می‏ کند در حالیکه همین مقدار از الیاف کربنی رسانایی حرارتی را تنها 40 درصد افزایش می‏ دهد. بنابراین نانولوله‌های کربنی قابلیت زیادی برای بهبود خواص حرارتی پلیمرها و در نتیجه توسعه‌ی کامپوزیت‌ها برای کاربردهای مدیریت حرارتی دارند.

خود را بیازمایید:
1. در نمودار شکل 1 مشاهده می ‏کنید که میزان بهبود در رسانایی حرارتی کامپوزیت حاصل از افزودن نانولوله‏‌های کربنی همیشه روند افزایشی نداشته است. بلکه در مقدار برابر با نیم درصد وزنی (wt%0.5) کاهش یافته است. به نظر شما چرا چنین اتفاقی رخ داده است؟
2. در مورد کاربردهای حرارتی اپوکسی مطالعه کنید و بگوئید قابلیت افزایش هدایت حرارتی اپوکسی در چه زمینه‌‏هایی می ‏تواند موجب ایجاد تحول گردد و چه محصولات جدیدی را می‏توان از نتایج آتی این پژوهش متصور شد؟

2-2- کامپوزیت ‏های زمینه‏ سرامیکی 

گروهی از محققین یک جریان گاز حاوی استیلن (C2H2) را از روی بستری از نانوذرات آلومینا (Al2O3) که روی سطح پخش شده بودند، عبور دادند. در نتیجه‏ فرآیند CVD یا همان رونشانی شیمیایی از فاز بخار، نانولوله‏‌های کربنی بر روی این نانوذرات رشد کردند. این محققین، سپس با روشی ویژه، این پودرهای نانوکامپوزیتی را به هم فشرده کردند و نانوکامپوزیت Al2O3/CNT (آلومینا /نانولوله‌ی کربنی) را تولید نمودند و در نهایت خواص هدایت حرارتی نانوکامپوزیت حاصل را بررسی کردند. نتایج اندازه‏ گیری‏ های این محققین در شکل 2 نشان داده شده است. در این نمودار نتایج آزمایش ‏های انجام گرفته بر روی آلومینای خالص نیز گزارش شده است تا بتوان مقایسه‌ی قابل درکی از دو ماده‏‌ی تقویت شده با نانولوله‏ کربنی و تقویت نشده انجام داد. نکته‌ای که لازم است به آن توجه داشته باشید، این است که برای داشتن مقایسه‏ ای قابل قبول میان دو ماده‏‌ی مورد بررسی که از نظر ترکیب با یکدیگر تفاوت دارند، باید روش ساخت یکسانی را در نظر گرفت. زیرا در غیر این صورت عوامل دیگری نیز به وضوح بر خواص ماده‌‏ی حاصل تاثیر می ‏گذارند و دیگر نمی‏توان تفاوت خواص را تنها به تفاوت ترکیب ‏های دو ماده‌ی مورد آزمایش نسبت داد و بنابراین نتایج قابل استناد نخواهند بود.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: تغییرات میزان هدایت حرارتی بر حسب دما، برای کامپوزیت آلومینا / نانولوله‏‌ی کربنی و برای آلومینای خالص که هر دو به یک روش تولید شده ‏اند.

در اینجا مشاهده می‏ شود که هدایت حرارتی این نانوکامپوزیت‏‌ها بسیار بیشتر از آلومینای خالص می‏باشد. برای مثال هدایت حرارتی نانوکامپوزیت آلومینای حاوی 39.7 درصد وزنی نانولوله در دمای 100 درجه‌ی سانتیگراد معادل با 90.44W/mk می باشد که در مقایسه با آلومینای خالص 227 درصد افزایش نشان داده است. این مقدار در دمای 250 درجه ی سانتیگراد برابر با 60.98W/mk بوده که 169درصد رشد را نسبت به زمینه (آلومینا) نشان داده است و در دمای 300 درجه سانتیگراد، با 218 درصد رشد نسبت به آلومینای خالص، به 52.63W/mk می ‏رسد.

خود را بیازمایید:
در مورد کاربردهای حرارتی آلومینا (Al2O3) مطالعه کنید و بگوئید قابلیت افزایش هدایت حرارتی آلومینا در چه زمینه‌هایی می‏تواند موجب ایجاد تحول گردد و چه محصولات جدیدی را می‏ توان از نتایج آتی این پژوهش متصور شد؟

اطلاع از خواص هدایت حرارتی بی‏نظیر نانولوله‏ های کربنی دانشمندان را بر آن داشت تا تاثیر این خصوصیت را در کامپوزیت بررسی کنند. همان‏گونه که مشاهده شد، افزودن نانولوله‏‌های کربنی به دیگر مواد می‏ تواند بهبود چشم‌گیری در رسانایی حرارتی این مواد ایجاد کند. اما این ویژگی عالی تنها در کامپوزیت‏‌ها نمود پیدا نمی‏ کند. در جلسه‌ی بعدی به جنبه‏‌ای دیگر از تاثیر حضور نانولوله‌های کربنی بر خواص هدایت حرارتی مواد خواهیم پرداخت.

منابـــع و مراجــــع

مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو