پيش‌گفتار
فناوري نانو يكي از مدرنترين فناوري¬هاي روز دنياست كه داراي خصوصياتي منحصر به فرد با كاربردهايي در تمام زمينه¬هاي علم و فناوري است. همين كاربردهاي وسيع فناوري نانو كه از آن به عنوان ويژگي بين رشته‌اي بودن اين فناوري ياد مي¬شود، عامل مهمي در فراگير شدن اين پديده جديد است. از طرفي توجه روزافزون بشر به اين فناوري فقط ناشي از تازگي آن و كنجكاوي بشر براي دانستن آنچه نمي¬داند نيست، بلكه به دليل قابليت ويژه¬اي است كه اين فناوري پيش روي انسان قرار مي¬دهد و دستيابي به آن¬ها جز از اين راه ممكن نيست.
همانطوركه مي¬دانيم اختراع ماشين بخار، شروع اولين انقلاب صنعتي بود؛ دانشمندان ساخت ترانزيستورها را آغاز انقلاب صنعتي دوم مي¬دانند؛ هم¬اكنون بايد بپذيريم كه در انقلاب سوم صنعتي هستيم چرا كه بر خلاف گذشته سه مولفه يعني فناوري نانو، فناوري اطلاعات و پروژه ژنوم انساني، همزمان شكل¬دهنده سومين انقلاب صنعتي هستند. البته روند رو به رشد كنوني نشان مي¬دهد كه فناوري نانو در حال پيشي گرفتن از رقباي سرسخت خود است و مي¬خواهد يكه تاز عرصه انقلاب صنعتي سوم باشد، آيا در عمل چنين اتفاقي خواهد افتاد؟ بايد منتظر ماند.
فناوري نانو يعني بررسي مواد در ابعاد اتمي يا مولكولي و يا بررسي مواد در مقياس يك ميليارديم آن. اين ساده‌ترين و عاميانه‌ترين تعريفي است كه مي¬توان از فناوري نانو ارائه داد. يك نانو¬متر يك ميليارديم متر است. اين عدد يك هشتاد هزارم قطر موي انسان و يا 10 برابر قطر يك اتم هيدروژن است. (نانوتکنولوژی توصيف همه جانبه فعاليت¬ها و تلاش¬هايي است كه با دست بردن در اساسي¬ترين جزء مـاده (اتم¬ها) باعث می¬شود تا به خواص خارق العاده¬اي دست يابيم) چرا كه اگر مواد به كوچكترين ابعـادشان (اتم¬ها يا ملكول¬ها) شكسته شوند مي¬توانيم خصوصيات بنيادي آن‌ها را تغيير دهيم و آن¬ها را به ماده¬اي تبديـل كنيم كه در حالت عادي تهيه و توليد آن¬ها به هيچ عنوان امكان‌پذير نيست.
همانطوركه مي¬دانيد هم¬اكنون در انقلاب صنعتي سوم قرار داريم. امروزه مواردي چون ارزش افزوده فناوري‌ها، بحث جهاني شدن و پذيرش نظريه رقابت از اهميت ويژه¬اي برخوردار است. از طرفي در اين عرصه براي پيروز شدن بايد اهداف بلند پروازانه و با زمان بازده بسيار كوتاه طراحي شوند به گونه¬اي كه نيازهاي ما را در زمان بسيار كوتاه تامين كنند. چرا كه با قدرت¬هاي تكنولوژيكی برابر، برتري با كسي است كه در مدت زمان كوتاه¬تري به نتيجه مورد نظر دست يابد. به همين دليل است كه فناوري نانو، فناوري برتر قرن بيست و يكم قلمداد مي¬شود.
نانولوله¬های کربنی ترکیبات نانوساختاری از کربن هستند که دارای خواصي همچون نسبت ابعادی زیاد، مدول یانگ بسیار بالا، استحکام مکانیکی و هدایت حرارتی و الکتریکی فوق العاده¬ای می¬باشند. در هم آمیختن تعداد کمی از نانولوله¬های کربن با فلزات یا سرامیک¬ها منجر به تشکیل نانوکامپوزیت¬هایی با عملکرد بهتر و با خصوصیت¬های فیزیکی و مکانیکی بهبود یافته می¬شود. ملاحظات و توجهات خاصی برای ارتقا، گسترش، ساخت و تولید کامپوزیت¬های استحکام یافته با نانولوله¬های کربنی در دهه اخیر انجام گرفته است. این كتاب به صورت عمده بر روی جدیدترین و پیشرفته¬ترین روش¬های ساخت، تشریح و توصیف ریزساختار كامپوزيت‌ها و نانولوله¬ها، خواص مکانیکی و فیزیکی و کاربردهای استحکام یافته آن¬ها متمرکز شده است و روش های متنوع و مختلف ساخت و ترکیب، پاشش و پراکندگی نانولوله¬های کربنی در زمینه¬های کامپوزیتی، ساختار شناسی و رفتار سطوح مشترک به صورت کاملاً دقیق مورد بحث قرار گرفته است. ساخت و تولید این گونه نانوکامپوزیت¬ها برای کاربردهای تجاری همچنان در مراحل آغازین خود به سر می‌برد. تجاری¬سازی موفقیت¬آمیز این نانوکامپوزیت¬ها برای کاربردهای صنعتی و آزمایشگاهی نیازمند به فهم بهتر جنبه¬ها و اصول اساسی این مواد است.
بنا بر آنچه گفته شد، چندین سال است که تلاش برای پرورش ایده¬هایی که امکان بهره¬مندی هرچه بیشتر از نانوفناوری را فراهم کند در کل جهان آغاز شده است. با توجه به این که کشور عزیزمان ایران در زمینه‌های مختلف صنعت روز به روز در حال شکوفایی و پیشرفت است و از طرفی لازمه اجرایی شدن طرح¬های پیشرفته صنعتی اشراف کامل مهندسان بر علم مواد است، بر آن شدیم تا کتاب حاضر با عنوان "کامپوریت¬های تقویت شده با نانولوله¬های کربنی" را ترجمه و در اختیار دانش پژوهان قرار دهیم. این کتاب به طور کلی از سه بخش تشکیل شده است که در بخش اول به نانولولهکربنی و خواص فیزیکی و مکانیکی آن و در بخش دوم و سوم به ترتیب به نانوکامپوزیت¬های تقویت شده با نانو¬لوله¬های کربنی با زمینه¬های فلزی و سرامیکی و خواص فیزیکی و مکانیکی آن¬ها پرداخته شده است. در فصل آخر نیز به جمع بندی و نیز اهمیت و پتانسیل¬های موجود و برخی از تجربیات در این زمینه اشاره شده است.
باتوجه به این که مطالب این کتاب خالی از اشکال نیست، امید است اشکالات نگارشی و علمی که بر این مجموعه وارد هستند، قابل چشم پوشی باشند. همچنین از شما خوانندگان محترم خواهشمند است که ما را از پیشنهادهای خود در اصلاح و تکمیل مطالب این کتاب محروم نگردانید. لذا از تمامی دانشجویان، اساتید و محققانی که این کتاب را مورد مطالعه و استفاده قرار می¬دهند، خواهشمندیم که نظرات خود را از طریق ناشر و یا پست الکترونیکی به آدرس compositecnt.book@gmail.com با ما در میان بگذاريد.
در پایان لازم می¬دانیم از جناب آقای دکتر علی علیزاده و جناب آقای مهندس محمد هفتنی بواسطه راهنمایی‌های علمی ارزشمندشان و تمامی کسانی که ما را در تهیه کتاب حاضر یاری نمودند، تشکر و قدردانی نماییم.
امید است این کتاب خدمت کوچکی به جامعه علمی و صنعتی میهن عزیزمان باشد.
حبیب عابدی – سید محمد طبائی
فهرست مطالب
فصل 1 مقدمه 1
1.1 انواع نانولوله‌های کربنی 2
1.2 سنتز نانولوله¬کربنی 5
1.2.1 تخلیه قوس الکتریکی 5
1.2.2 سایش لیزری 7
1.2.3 رسوب شیمیایی از فاز بخار 9
1.2.3.1 رسوب شیمیایی حرارتی بخار 11
1.2.3.2 رسوب شیمیایی از فاز بخار بهبود یافته توسط پلاسما 14
1.2.3.3 رسوب شیمیایی از فاز بخار به کمک لیزر 14
1.2.3.4 رشد نانولوله از فاز گازی 14
1.2.3.5 توزیع نامتناسب مونواکسیدکربن 16
1.2.4 فرآیند¬های نوین 17
1.3 خالص¬سازی نانولوله¬های کربنی 19
1.3.1 فرآیندهای خالص¬سازی 19
1.3.2 تعیین مشخصات ساختاری نانولوله¬های کربنی 21
1.4 خواص مکانیکی نانولوله¬های کربني 26
1.4.1 مدلسازی تئوری 26
1.4.2 اندازه¬گیری مستقیم 27
1.5 خواص فیزیکی نانو لوله های کربنی 31
1.5.1 هدایت حرارتی 31
1.5.2 رفتار الکتریکی 33
1.6 چالش¬های پتانسیل و جریان 34
مراجع 35
فصل 2 نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی نانولوله‌های کربنی 45
2.1 مقدمه 45
2.2 اهمیت نانوکامپوزیت¬های زمینه فلزی 47
2.3 تولید نانوکامپوزیت¬های فلز- نانولولهکربنی 49
2.4 نانوکامپوزیت¬های زمینه آلومینیومی 50
2.4.1 شکل¬دهی پاششی 50
2.4.2 فرآیند متالورژی پودر 54
2.4.3 رشد کنترلی نانوکامپوزیت¬ها 58
2.4.4 تغییرشکل پلاستیک شدید 61
2.5 نانوکامپوزیت¬های زمینه منیزیمی 64
2.5.1 روش متالورژی مایع 65
2.5.1.1 ریخته¬گری ترکیبی 65
2.5.1.2 رسوب مذاب از هم پاشیده شده 66
2.5.2 فرآیند متالورژی پودر 66
2.5.3 فرآیند هم¬زننده اصطکاکی (FSP) 67
2.6 نانوکامپوزیت¬های زمینه تیتانیمی 69
2.7 نانوکامپوزیت¬های زمینه مس 69
2.7.1 نفوذ دادن مایع 69
2.7.2 آلیاژسازی مکانیکی 70
2.7.3 مخلوط کردن در سطح مولکولی 72
2.7.4 رسوب¬گذاری الکتریکی 76
2.7.5 روش¬های ابداعی 77
2.8 نانوکامپوزیت¬هایی با زمینه فلزات انتقالی 78
2.8.1 نانوکامپوزیت¬های زمینه نیکل 78
2.8.2 نانوکامپوزیت¬های زمینه کبالت 82
2.8.3 نانوکامپوزیت¬های زمینه آهن 83
مراجع 86
فصل 3 خواص فیزیکی نانوکامپوزیت‌های فلزی نانولولهکربنی 93
3.1 مقدمه 93
3.1.1 واکنش گرمایی میکروکامپوزیت¬های زمینه فلزی 98
3.2 رفتار گرمایی نانوکامپوزیت¬های فلزی- نانولوله کربنی 98
3.2.1 نانوکامپوزیت¬های زمینه آلومینیم 98
3.2.2 نانو لحیم زمینه قلع 101
3.3 رفتار الکتریکی نانوکامپوزیت¬های فلز- نانولوله کربنی 102
مراجع 105
فصل 4 مشخصات مکانیکی نانوکامپوزیت‌های فلزی نانولولهکربنی 109
4.1 مکانیزم استحکام¬دهی 109
4.2 رفتار تغییر شکل کششی 113
4.2.1 نانوکامپوزیت¬های زمینه آلومینیم 113
4.2.2 نانوکامپوزیت¬های زمینه منیزیم 115
4.2.3 نانوکامپوزیت¬های زمینه مس 121
4.2.4 نانوکامپوزیت¬های زمینه نیکل 124
4.3 مقایسه با فلزات تقویت‌شده با نانوذرات 125
4.4 سایش 127
مراجع 135
فصل 5 نانوکامپوزیت‌های سرامیکی نانولوله‌‌‌هاي کربنی 139
5.1 مقدمه 139
5.2 اهمیت نانوکامپوزیت‌های زمینه سرامیکی 141
5.3 آماده¬سازی نانوکامپوزیت¬های سرامیکی- نانولوله کربنی 144
5.4 نانوکامپوزیت‌های زمینه اکسیدی 146
5.4.1 زمینه آلومینا 146
5.4.1 پرس داغ/ اکستروژن 146
5.4.1.2 زینترینگ جرقه پلاسما (SPS) 152
5.4.1.3 اسپری پلاسما 158
5.4.1.4 سنتز قالبی 159
5.4.2 زمینه سیلیکایی 161
5.4.3 زمینه تیتانیا (TITANIA) 165
فصل 6 خواص فیزیکی نانوکامپوزیت‌های سرامیکی نانولولهکربنی 181
6.1 مقدمه 181
6.2 رفتار الکتریکی 183
6.3 غلظت تراوش یا نفوذ 184
6.4 جاذب تداخل الکترومغناطیسی 190
6.5 رفتار حرارتی 192
مراجع 195
فصل 7 خواص مکانیکی نانوکامپوزیت‌های سرامیکي نانولولهکربنی 199
7.1 چقرمگی شکست 199
7.2 افزایش چقرمگی و مکانیزم¬های استحکام¬دهی 202
7.3 نانوکامپوزیت¬های زمینه اکسیدی 204
7.3.1 زمینه آلومینایی 204
7.3.1.1 رفتار تغییر شکل 204
7.3.2 زمینه سیلیکایی 217
7.4 نانوکامپوزیت¬های زمینه کاربیدی 218
7.5 نانوکامپوزیت¬های زمینه نیتریدی 224
7.6 رفتار سایشی 224
مراجع 231
فصل 8 نتایج 233
8.1 چشم¬انداز 233
8.2 کاربردهای بالقوه نانوکامپوزیت¬های سرامیک- نانولوله کربنی 235
8.2.1 نانوکامپوزیت¬های هیدروکسی آپاتیت-CNT 236
8.3 کاربردهای بالقوه نانوکامپوزیت¬های فلز- نانولوله کربنی 242
مراجع 242
