دانشگاه مازندران
دانشکده علوم پایه
پایان نامه دوره کارشناسی ارشد در رشته فیزیک حالت جامد
موضوع:
سنتز نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل/نانو ذرات فريت کبالت و بررسی ویژگیهای مغناطیسی آن
استاد راهنما:
دکتر فقید علیاصغر حسینی
دکتر علی بهاری
استاد مشاور:
دکتر حسین میلانی مقدم
نام دانشجو:
حنانه اصطبار
بهمن ماه 1393

سپاس از آن خداست …
سپاس از آن مادر است …
مهربان مادری که یگانگی‌اش از ابتدا تا کنون به من شهامت و پایداری داد.
سپاس از آن استاد است …
استاد فقیدم، دکتر علیاصغر حسینی، که روشنایی بخش راهم بود و هست، استادی که امروز باید در کنارش می‌ایستادم اما در سایه‌ی درخت پربار وجودش ایستادم و سر تعظیم فرود می‌آورم.
سپاس بیکران از استاد گرانقدر جناب آقای دکتر علی بهاری که در مدت کوتاهی افتخار شاگردی ایشان را داشتم و صبورانه همراهم بودند تا این رساله به سرانجام بهرسد. سپاس فراوان از جناب آقای دکتر حسین میلانی که در طول انجام این رساله بهعنوان استاد مشاور همواره راهنماییهایشان راهگشای راهم بود. همچنین سپاس ویژه از جناب آقای دکتر نورالدین میرنیا و جناب آقای دکتر علیاکبر آشکاران که قبول زحمت فرمودند و داوری این رساله را برعهده گرفنتد.
و نیز سپاس فراوان از ستاد ویژهی توسعه فناوری نانو به دلیل حمایتهای آن نهاد.

تقدیم به …
تقدیم به بی همتا مادرم که بر کوتاهی و درشتی من لبخند زد و در تمامی عرصه‌ها یار و یاور بی چشم داشت من بود.
تقدیم به استاد فقیدم، دکتر علیاصغر حسینی، که با کمالات و سعه‌ی صدر تا آخرین نفس نگاهش به کار ما بود و من با الگو گرفتن از روح پر فتوحش جسارت یافتم.
تقدیم به خواهرم، خواهری که در مسیر پر پیچ و خم راه باعث پایداری و تلاشم شد.

چکیده
آئروژل‌ها مواد متخلخلی هستند که حفره‌های نانو‌متری آن‌ها در مقیاس مزو یا میکرو می‌باشد. چگالی پایین، تخلخل و سطح در معرض داخلی بالا از دیگر ویژگی‌های این مواد می‌باشد.
در این پژوهش نانو کامپوزیت سیلیکا آئروژل/ نانوذرات فریت کبالت به روش سل-ژل آمادهسازی و تحت فرایند فوق بحرانی خشک شد. بدین منظور نيترات آهن(ΙΙΙ) 9 آبه و نيترات کبالت(ΙΙ) 6 آبه در حلال‌هایی چون متانول و آب دیونیزه حل شده و به پیشماده سیلیکا اضافه و قرار دادن این محلول بر روی همزن مغناطیسی به شکل گیری سل یکنواختی منجر ‌شد. پس از گذشت زمان معین و انجام عمل هیدرولیز، ژل بدست آمده در دستگاه خشک کن فوق بحرانی قرار دادهشد و در نهایت گاز جایگزین مایع موجود در نمونهها گردید و آئروژل نهایی حاصل شد.
به منظور بررسی نمونههای تولید شده از نقطه نظر ساختاری، مورفولوژی و خواص مغناطیسی به تحلیل داده‌های حاصل از آنالیزهای SEM، TEM، XRD ،FT-IR ،BET و VSM پرداخته شد. همانگونه که انتظار می‌رفت این نانو کامپوزیت ضمن حفظ ویژگیهای سیلیکا- آئروژل از جمله تخلخل بالا و چگالی پایین رفتار فرومغناطیس نانوذرات را نیز داشت.
واژههای کلیدی:
آئروژل، نانو ذرات فریت، نانوکامپوزیت، سل-ژل، مغناطیسسنج نمونهی ارتعاشی

فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول – مفاهیم اولیه
مقدمه2
1-1 شاخه‌های فناوری نانو2
1-2 روش‌های ساخت نانوساختارها3
1-3 کاربردهای نانوساختارها4
1-4 مواد نانومتخلخل5
1-5 کامپوزيت‌ها10
1-5-1 کامپوزيت يا مواد چندسازه10
1-5-2 ويژگی‌های مواد کامپوزيتی11
1-5-3 مواد زمينه کامپوزيت11
1-5-4 تقويت‌کننده‌ها12
1-5-5 نانوکامپوزيت12
1-6 خلاصه13
فصل دوم – آئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی
2-1 تاريخچه15
2-2 شيمي سطح آئروژل16
2-3 تئوري فيزيکي19
2-4 خاصيت مغناطيسي مواد19
2-4-1 منشأ خاصيت مغناطيسي مواد19
2-4-2 فازهاي مغناطيسي20
2-4-2-1 مواد ديامغناطيس20
2-4-2-2 مواد پارامغناطيس21
2-4-2-3 مواد فرومغناطيس21
2-4-2-4 مواد پادفرومغناطيس22
2-4-2-5 مواد فريمغناطيس23
2-4-5 حلقه پسماند24
2-5 فريت27
2-6 خلاصه27
فصل سوم – ساخت آئروژل و کاربردهای آن
مقدمه29
3-1 سنتز آئروژل با فرآیند سل-ژل29
3-2 شکل‌گيري ژل خيس32
3-3 خشک کردن آلکوژل33
3-3-1 فرآیند‌هاي خشک‌کردن در شرايط محيط34
3-3-2 خشککردن انجمادي35
3-3-3 خشک کردن فوق بحراني35
3-3-4 مقايسه روش‌ها38
3-4 مروري بر کارهاي انجام شده39
3-5 برخي از کاربردهاي آئروژل43
3-5-1 آئروژل‌ها به عنوان کامپوزيت43
3-5-2 آئروژل‌ها به عنوان جاذب44
3-5-3 آئروژل‌ها به عنوان حسگر44
3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دي الکتريک پايين45
3-5-5 آئروژل به عنوان کاتاليزور45
3-5-6 آئروژل به عنوان ذخيره سازي45
3-5-7 آئروژل‌ها به عنوان قالب46
3-5-8 آئروژل به عنوان عايق گرما46
3-5-9 آئروژل‌ها در کاربرد فضايي47
3-6 خلاصه47
فصل چهارم – سنتز و بررسي ويژگي‌هاي نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل/نانوذرات فريت کبالت
مقدمه49
4-1 مواد مورد استفاده در پژوهش50
4-2 روش تجربي و جزئيات51
4-3 تجزيه و تحليل54
4-3-1 بررسي مورفولوژي سطح54
4-3-2 مطالعه نانو ساختاري نانوکامپوزيت 2/ SiO4O2CoFe به کمک روش XRD56
4-3-3 بررسي خواص شيميايي نانوکامپوزيت 2/ SiO4O2CoFe به کمک روش FT-IR63
4-3-5 تصويربرداري TEM66
4-3-6 بررسي آنالیز BET67
4-3-7 بررسي رفتار مغناطيسي با دستگاه VSM72
4-4 خلاصه77
نتيجه‌گيري78
پیشنهادات81
مراجع82

فهرست تصاویر
عنوان صفحه
فصل اول – مفاهیم اولیه
1-1. انواع سيليکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) ميکرو متخلخل7
1-2. نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت7
1-3. نمايشی از انواع مختلف تقويت کننده‌ها در کامپوزيت12
فصل دوم – آئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی
2-1. 1برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگريز، ب) آئروژل آب‌دوست18
2-2. فازهاي مغناطيسي، الف) پارامغناطيس، ب) فرومغناطيس، ج) پادفرومغناطيس، د) فري مغناطيس23
2-3. حلقه پسماند ماده فرو مغناطيس25
2-4. حلقه پسماند در مواد فرومغناطيس نرم و سخت26
فصل سوم – ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شيمی سنتز نانوکامپوزيت31
3-2. اصلاح شيمی سطح ژل34
3-3. چرخه فشار-دما در حين فرآیند خشک کردن فوق بحرانی36
3-4. شماتيکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو36
فصل چهارم – سنتز و بررسي ويژگي‌هاي نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل/نانوذرات فريت کبالت
4-1. فازهای مجزا نمونه روی همزن52
4-2. نمونه‌های در قالب ريخته شده52
4-3. نمونه الکوژل53
4-4. نمونه آئروژل54
4-5. تصاوير FE-SEM نمونه‌ها الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.55
4-6. نمودار توزيع اندازه ذرات الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%56
4-7 . پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% پیش از عملیات حرارتی58
4-8. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 600 درجهی سانتیگراد59
4-9. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 800 درجهی سانتیگراد60
4-10. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 600 درجه‌ی سانتی ‌گراد61
4-11. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 800 درجه‌ی سانتی ‌گراد62
4-12. طيف‌های جذبی FT-IR الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.65
4-13. تصوير TEM يکی از نمونه‌ها67
4-14. نمودارهاي لانگمير الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%69
4-15. نمودارهاي BET الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%71
4-16. جذب و واجذب الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.72
4-17. حلقه پسماند نمونه‌ها قبل از عمليات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.74
4-18. حلقه پسماند نمونه‌ها بعد از عمليات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.75
فهرست جداول
عنوان صفحه
فصل سوم – ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. کاربردهای مختلف آئروژل‌ها48
فصل چهارم – سنتز و بررسي ويژگي‌هاي نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل/نانوذرات فريت کبالت
4-1. ميزان گرم و ليتر مواد مورد نياز51
4-2. نتایج حاصل از XRD63
لیست علایم و اختصارات
برونر، امت، تلر(Brunauer, Emmett, Teller) BET
پراش پرتو ایکس (X-Ray Diffraction) XRD
مغناطیسسنج نمونهی ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometer) VSM
میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FE-SEM
میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy) TEM
آنگسترم (Angestrom) Å
اورستد (Oersted) Oe
نانومتر (Nanometer) nm
واحد مغناطیسی (Electromagnetic Units) emu

فصل اول
مفاهيم اوليه
مقدمه
از اواخر قرن بيستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوينی معطوف کردند که به عقيده‌ی عده‌ای تحولی عظيم در زندگی بشر ايجاد می‌کند. اين فناوری نوين که در رشته‌هايی همچون فيزيک، شيمی و مهندسی از اهميت زيادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. می‌توان گفت که نانوفناوری رويکردی جديد در تمام علوم و رشته‌ها می‌باشد و اين امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با يک روش معين به مطالعه‌ی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبک‌های مختلف به بازآرايی اتم‌ها و مولکول‌ها بپردازد.
در چند سال اخير، چه در فيزيک تجربی و چه در فيزيک نظری، توجه قابل ملاحظه‌ای به مطالعه‌ی نانوساختارها با ابعاد كم شده است و از اين ساختارها نه تنها برای درک مفاهيم پايه‌ای فيزيک بلكه برای طراحی تجهيزات و وسايلی در ابعاد نانومتر استفاده شدهاست. وقتی كه ابعاد يک ماده از اندازه‌های بزرگ مانند متر و سانتيمتر به اندازه‌هايی در حدود يک دهم نانومتر يا کمتر كاهش مي‌يابد، اثرات کوانتومی را می‌توان ديد و اين اثرات به مقدار زياد خواص ماده را تحت الشعاع قرار مي‌دهد. خواصی نظير رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی يا ويژگی‌های نوری، مغناطيسی و الکتريکی ماده از جمله‌ی اين خواص‌ می‌باشند [1].

1-1 شاخه‌های فناوری نانو
تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های ديگر در مقياس مواد و ساختارهايی است که در اين فناوری مورد استفاده قرار می‌گيرند. در حقيقت اگر بخواهيم تفاوت اين فناوری را با فناوری‌های ديگر بيان نماييم، می‌توانيم وجود عناصر پايه را به عنوان يک معيار ذکر کنيم. اولين و مهمترين عنصر پايه نانو ذره است. نانوذره يک ذره‌ی ميکروسکوپی است که حداقل طول يک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و میتوانند از مواد مختلفی تشکيل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سراميکی و نانوبلورها که زير مجموعهای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومين عنصر پايه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر می‌باشد. عنصر پايه‌ی بعدی نانولوله‌ها هستند که خواص الکتريکی مختلفی از خود نشان می‌دهند و شامل نانولوله‌های کربنی، نيتريد بور و نانولوله‌های آلی می‌باشند [4].

1-2 روش‌های ساخت نانوساختارها
توليد و بهينهسازی مواد بسيار ريز، اساس بسياری از تحقيقات و فناوری‌های امروزی است. دستورالعمل‌های مختلفی در خصوص توليد ذرات بسيار ريز در شرايط تعليق1 وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشريح دقيق فرآیند رسوب‌گيری و روش‌های افزايش مقياس اين فرآیندها در مقياس تجاری محدوديت وجود دارد. برای توليد اين نوع مواد بسيار ريز از پديده‌های فيزيکی يا شيميايی يا به طور همزمان از هر دو استفاده می‌شود. برای توليد يک ذره با اندازه مشخص دو فرآیند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پايين) و ديگری ساخته شدن) پايين به بالا). معمولا روش‌های پائين به بالا ضايعاتی ندارند، هر چند الزاما اين مسأله صادق نيست [6 و5]. مراحل مختلف توليد ذرات بسيار ريز عبارت است از، مرحله‌ی هسته‌زايی اوليه و مرحله‌ی هسته‌زايی2 و رشد خود به خودی3. در ادامه به طور خلاصه روش‌های مختلف توليد نانوذرات را بيان می‌کنيم. به طور کلی روش‌های توليد نانوذرات عبارتند از:
 چگالش بخار
 سنتز شيميايی
 فرآیندهای حالت جامد (خردايشی)
 استفاده از شاره‌ها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی
 استفاده از امواج ماكروويو و امواج مافوق صوت
 استفاده از باكتری‌هايی كه میتوانند نانوذرات مغناطيسی و نقره‌ای توليد كنند
پس از توليد نانوذرات می‌توان با توجه به نوع كاربرد آن‌ها از روش‌های رايج زمينه‌ای مثل روكشدهی يا اصلاح شيميايی نيز استفاده كرد [7].

1-3 کاربردهای نانوساختارها
يکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای اين مواد است. با استفاده از اين خاصيت می‌توان کاتاليزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری توليد نمود. اين نانوکاتاليزورها بازده واکنش‌های شيميايی را به شدت افزايش داده و همچنين به ميزان چشمگيری از توليد مواد زايد در واکنش‌ها جلوگيری خواهند نمود. به کارگيری نانو‌ذرات در توليد مواد ديگر استحکام آن‌ها را افزايش داده و يا وزن آن‌ها را کم می‌کند. همچنين مقاومت شيميايی و حرارتی آن‌ها را بالا برده و واکنش آن‌ها در برابر نور وتشعشعات ديگر را تغيير می‌دهد.
با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزيتی به شدت افزايش خواهد يافت. اخيرا در ساخت شيشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسيد روی استفاده شده است. استفاده از اين ماده علاوه بر افزايش کارآيی اين نوع شيشهها، عمر آن‌ها را نيز چندين برابر نمودهاست .از نانوذرات همچنين در ساخت انواع ساينده‌ها، رنگ‌ها، لايه‌های محافظتی جديد و بسيار مقاوم برای شيشه‌ها، عينک‌ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی‌ها و در حفاظ‌های الکترومغناطيسی شيشه‌های اتومبيل و پنجره استفاده می‌شود. پوشش‌های ضد نوشته برای ديوارها و پوششهای سراميکی برای افزايش استحکام سلول‌های خورشيدی نيز با استفاده از نانوذرات توليد شده‌اند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر می‌رسد يکی از ويژگی‌هايی که تحت تأثیر اين کوچک شدن اندازه قرارمی‌گيرد تأثیرپذيری از نور و امواج الکترومغناطيسی است. با توجه به اين موضوع اخيراً چسب‌هايی از نانوذرات توليد شده‌اند که کاربردهای مهمی در صنايع الکترونيکی دارند. نانولوله‌ها در موارد الکتريکی، مکانيکی و اپتيکی بسيار مورد توجه بوده‌اند. روش‌های توليد نانولوله‌ها نيز متفاوت می‌باشد، همانند توليد آن‌ها بر پايه محلول و فاز بخار يا روش رشد نانولوله‌ها در قالب که توسط مارتين4 مطرح شد. نانولايه‌ها در پوشش‌های حفاظتی با افزايش مقاومت در خوردگی و افزايش سختی در سطوح و فوتوليز و کاهش شيميايی کاربرد دارند.
نانوذرات نيز به عنوان پيشماده يا اصلاح ساز در پديده های فيزيکی و شيميايی مورد توجه قرارگرفته‌اند. هاروتا5 و تامسون6 اثبات کردند که نانوذرات فعاليت کاتاليستی وسيعی دارند، مثل تبديل مونواکسيد کربن به دی اکسيد کربن، هيدروژنه کردن استيرن به اتيل بنزن و هيدروژنه کردن ترکيبات اولفيتی در فشار بالا و فعاليت کاتاليستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بين الکترود و الکتروليت ارتباط برقرار مي‌کنند [7].

1-4 مواد نانومتخلخل
مواد نانو متخلخل دارای حفره‌هايی در ابعاد نانو هستند و حجم زيادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکيل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ويژه) بسيار بالا، نفوذپذيری يا تراوايی7 زياد، گزينشپذيری خوب و مقاومت گرمايی و صوتی از ويژگی‌های مهم آن‌ها می‌باشد. با توجه به ويژگی‎‌های ساختاری، اين به عنوان تبادل‌گر يونی8، جدا کننده9، کاتاليزور، حس‌گر، غشا10 و مواد عايق استفاده می‌شود.
نسبت حجمي فضاي خالي ماده‌ي متخلخل به حجم كل ماده‌ تخلخل11 ناميده ميشود. به موادي كه تخلخل آن‌ها بين 2/0 تا 95/0 باشد نيز مواد متخلخل12 مي‌گويند. حفره‌اي كه متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ي باز13 نام دارد كه براي صاف كردن غشا، جداسازي14 و كاربردهاي شيميايي مثل كاتاليزور و كروماتوگرافي15 (جداسازي مواد با استفاده از رنگ آن‌ها) مناسب است. به حفره‌اي كه دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ي بسته16 مي‌گويند كه وجود آن‌ها تنها سبب افزايش مقاومت گرمايي و صوتي و كاهش وزن ماده شده و در كاربردهاي شيميايي سهمي ندارد. حفره‌ها داراي اشكال گوناگوني همچون كروي، استوانهاي، شياري، قيفي شكل و يا آرايش شش گوش17 هستند. همچنين تخلخل‌ها مي‌توانند صاف يا خميده يا همراه با چرخش و پيچش باشند [7].
بر اساس دستهبندی که توسط آيوپاک18 صورت گرفته است، ساختار محيط متخلخل با توجه به ميانگين ابعاد حفره‌ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسيمبندي ميشوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:
الف) دسته بندي بر اساس اندازهي حفره:
ميكرومتخلخل19: داراي حفرههايي با قطر كمتر از 2 نانومتر.
مزومتخلخل20: داراي حفرههايي با قطر 2 تا 50 نانومتر.
ماكرومتخلخل:21 داراي حفرههايي با قطر بيش از 50 نانومتر.

بر اساس شکل و موقعيت حفره‌ها نسبت به يکديگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته تقسيم می‌شود: حفره‌های راه به راه22، حفره‌های کور23، حفره‌های بسته24 و حفره‌های متصل به هم25 که در شکل (2-1) به صورت شماتيک اين حفره‌ها را نشان داده شده است.

شکل 1-2 نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت [8].
بر اساس تعريف مصطلح نانوفناوري، دانشمندان شيمي در عمل نانو متخلخل26 را براي موادي كه داراي حفرههايي با قطر كمتر از 100 نانومتر هستند به كار مي‌برند كه ابعاد رايجي براي مواد متخلخل در كاربردهاي شيميايي است.
ب) دستهبندي بر‌اساس مواد تشكيل دهنده:
مواد نانومتخلخل آلي
مواد نانومتخلخل معدني
تقسيمبندي مواد نانومتخلخل آلي
1) مواد كربني: كربن فعال27، كربني است كه حفره‌هاي بسيار زياد دارد و مهم‌ترين كربن از دسته مواد ميكرومتخلخل است.
2) مواد بسپاري28: مواد نانو متخلخل بسپاري به دليل ساختار انعطاف‌پذير خود، حفره‌هاي پايداري ندارند و تنها چند تركيب محدود از اين نوع وجود دارد [8].
تقسيم بندی مواد نانومتخلخل معدني
1) مواد ميكرومتخلخل
زئوليت‌ها: مهم‌ترين تركيبات ميكرومتخلخل بوده كه داراي ساختار منظم بلوري و حفره‌دار با بار ذاتي منفي مي‌باشند. در اكثر موارد ساختار زئوليتي از قطعات چهار وجهي29 با چهار اتم اكسيژن و يك اتم مركزي مثل آلومينيوم، سيليكون، گاليم يا فسفر تشكيل شده‌اند كه با كاتيون‌ها خنثي مي‌شوند [8].
چارچوب فلزي-آلي30: از واحد‌هاي يوني فلزي يا خوشه‌ي31 معدني و گروه‌هاي آلي به عنوان اتصالدهنده32 تشكيل شده است كه اتصال آن‌ها به هم، حفره‌اي با شكلي معين مانند كره يا هشت وجهي به وجود مي‌آورد. ويژگي بارز اين تركيبات، چگالي كم و سطح ويژه‌ي بالاي آن‌هاست [9].
هيبريد‌هاي آلي-معدني33: از قطعاتي معدني تشكيل شده‌اند كه توسط واحد‌هاي آلي به هم متصل هستند [10].
2) مواد مزومتخلخل:
سيليكا: تركيبات 34MCM، معروف‌ترين سيليكاي مزومتخلخل هستند.
اكسيد فلزات و ساير تركيبات مزومتخلخل: اكسيدهاي نانومتخلخل فلزات مثل تيتانيوم دي اكسيد، روي اكسيد، زيركونيوم دي اكسيد و آلومينا، فعاليتي بيشتر از حالت معمولي خود دارند. تركيبات سولفيد و نيتريد هم ميتوانند ساختار مزومتخلخل داشته باشند.
3) مواد ماكرومتخلخل:
بلور كلوييدي35: از مجموعه كره‌هايي مانند سيليكا ساخته مي‌شود كه فضاي بين آن‌ها خالي است. در بلور كلوييدي معكوس36 كره‌ها توخالي و فضاي بين آن‌ها پر است [10].
آئروژل‌ها مواد مزومتخلخل با سطح ويژه و حجم تخلخل بالا هستند که در فصل بعد به آن‌ها می‌پردازيم.

1-5 کامپوزيت‌ها
کامپوزيت‌ها (مواد چند رسانهای يا کاهگل‌های عصر جديد) رده‌ای از مواد پيشرفته هستند که در آن‌ها از ترکيب مواد ساده به منظور ايجاد مواد جديدی با خواص مکانيکی و فيزيکی برتر استفاده شده است. اجزای تشکيلدهنده ويژگی‌های خود را حفظ کرده، در يکديگر حل نشده و با هم ترکيب نمی‌شوند.
استفاده از اين مواد در طول تاريخ مرسوم بوده است. از اولين کامپوزيت‌ها يا چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به آجرهای گلی که در ساخت آن‌ها از کاه استفاده شده است اشاره کرد. هنگامی که اين دو با هم مخلوط بشوند، در نهايت آجر پخته بهدست می‌آيد که بسيار ماندگار‌تر و مقاوم‌تر از هر دو ماده اوليه، يعنی کاه و گل است. شايد هم اولين کامپوزيت‌ها را مصری‌ها ساخته باشند که در قايق‌هايشان به چوب بدنه قايق مقداری پارچه می‌آميختند تا در اثر خيس شدن، آب توسط پارچه جذب شده و چوب باد نکند. قايق‌هايی که سرخپوستان با فيبر و بامبو می‌ساختند و تنورهايی که از گل، پودر شيشه و پشم ساخته می‌شدند از نخستين کامپوزيت‌ها هستند [11].

1-5-1 کامپوزيت يا مواد چندسازه
چندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوط دو يا چند عنصر با فازهای کاملا متمايز ساخته شده باشند. در مقياس ماکروسکوپيک فازها غير قابل تشخيص‌اند. اما در مقياس‌های ميکروسکوپيک فازها کاملا مجزا هستند و هر فاز خصوصيات عنصر خالص را نمايش می‌دهد. در چندسازه‌ها، نه تنها خواص هر يک از اجزاء باقی مانده بلکه در نتيجهی پيوستن آن‌ها به يکديگر، خواص جديدتر و بهتر بهدست می‌آيد [11].

1-5-2 ويژگی‌های مواد کامپوزيتی
مواد زيادی می‌توانند در دسته‌بندی مواد کامپوزيتی قرار بگيرند، در واقع موادی که در مقياس ميکروسکوپی قابل شناسايی بوده و دارای فازهای متفاوت و متمايز باشند در اين دسته‌بندی قرار می‌گيرند. امروزه کامپوزيت‌ها به علت وزن کم و استحکام بالا در صنايع مختلف، به طور گستره‌ای مورد استفاده واقع می‌شوند. کامپوزيت‌ها با کاهش وزن و ويژگی‌های فيزيکی بسيار عالی، گزينه‌ای مناسب برای استفاده در تجهيزات ساختاری می‌باشند. علاوه بر ‌اين، کامپوزيت‌ها جايگزين مناسب برای مواد سنتی در کاربردهای صنعتی، معماری، حمل و نقل و حتی در کاربردهای زير بنايي می‌باشد [12].
يکی از ويژگی‌های بارز کامپوزيت‌ها، حضور فاز تقويـتکننده مجزا از فاز زمينه می‌باشد. ويژگی‌های اختصاصی اين دو فاز، در ترکيب با يکديگر، ويژگی‌های يکسانی را به کل کامپوزيت می‌بخشد. در يک دسته‌بندی ويژه، کامپوزيت‌ها همواره به دو فاز زمينه و تقويتکننده تقسيم می‌شوند. می‌توان گفت در واقع زمينه مانند چسبی است که تقويتکننده‌ها را به يکديگر چسبانده و آن‌ها را از آثار محيطی حفظ می‌کند.

1-5-3 مواد زمينه کامپوزيت
زمينه با محصور کردن فاز تقويت کننده، باعث افزايش توزيع بار بر روی کامپوزيت می‌گردد. در واقع زمينه، برای اتصال ذرات تقويتکننده، انتقال بارها به تقويتکننده، تهيه يک ساختار شبکه‌ای شکل از آن‌ها و حفظ تقويتکننده از آثار محيطی ناسازگار به کار گرفته می‌شود.

1-5-4 تقويتکننده‌ها
دسته‌ای از مواد معمولی که به عنوان فاز تقويت کننده به کار گرفته می‌شوند، عبارتند از شيشه‌ها، فلزات، پليمرها و گرانيت. تقويتکننده‌ها در شکل‌های مختلفی از جمله فيبرهای پيوسته، فيبرهای کوتاه يا ويسکرها و ذرات توليد می‌شوند (شکل3-3). تقويت کننده‌ها باعث ايجاد ويژگی‌های مطلوبی از جمله استحکام و مدول بالا، وزن کم، مقاومت محيطی مناسب، کشيدگی خوب، هزينه کم، در دسترسپذيری مناسب و سادگی ساخت کامپوزيت می‌گردند [12].

1-5-5 نانو کامپوزيت
نانو کامپوزيت‌ها مواد مرکبی هستند که ابعاد يکی از اجزای تشکيلدهنده آن‌ها در محدوده نانو‌متری باشد. نانوکامپوزيت‌ها هم، در دو فاز تشکيل می‌شود. در فاز اول، ساختار بلوری در ابعاد نانو ساخته می‌شود که زمينه کامپوزيت به شمار می‌رود. در فاز دوم هم ذراتی در مقياس نانو به عنوان تقويت کننده برای بهبود ويژگی‌ها به فاز زمينه افزوده می‌شود. توزيع يکنواخت اين فاز در ماده زمينه باعث می‌شود که فصل مشترک ماده تقويت کننده با ماده زمينه در واحد حجم، مساحت بالايي داشته باشد [13].
شکل 1-3 نمايشی از انواع مختلف تقويت کننده‌ها در کامپوزيت [12].
1-6 خلاصه
در اين فصل به بيان بعضی مفاهيم اوليه پرداختهشد. خلاصه کوتاهی از فناوری نانو، نانوساختارها و روش‌های ساخت آن‌ها گفته شد. بعد از آن مواد متخلخل بررسی شد و در نهايت مختصری در مورد کامپوزيت‌ها، ويژگی‌ها و نانوکامپوزيت‌ها بيان شد.

فصل دوم
آئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی

2-1 تاريخچه
حوزهی پژوهشي آئروژل هر ساله به طور وسيعي افزايش مي‌يابد به طوري که امروزه توجه بسياري از دانشمندان جهان را به خود اختصاص دادهاست.
اولين بار ساموئل استفان کيستلر37 در سال 1931 با ايدهی جايگزيني فاز مايع با گاز در ژل همراه با انقباض کم، آئروژل را توليد کرد. در آن زمان سعي ايشان بر اثبات وجود شبکه‌هاي جامد در درون ساختار ژل بود. يک روش براي اثبات اين نظريه، برداشتن فاز مايع از فاز مرطوب ژل بدون اينکه ساختار جامد از بين برود مطرح بود. براي اين کار او با استفاده از يک اوتوکلاو، فاز مايع را از ژل خارجکرد که جامد باقي مانده چگالي بسيار پاييني داشت. او دما و فشار داخلي اوتوکلاو را به نقطه بحراني مايع رساند تا بر کشش سطحي مايع غلبهکند و ساختار داخلي ژل را از فروپاشي برهاند. به اين ترتيب او با موفقيت اولين آئروژل پايه سيليکا را توليد کرد. ولي به دليل سختي کار، براي حدود نيمقرن پژوهشي در اين زمينه صورت نگرفت. اما از همان ابتدا براي دانشمنداني چون کيستلر، واضح بود که آئروژل ويژگي‌هاي برجسته‌اي مانند چگالي پايين و رسانايي گرمايي ناچيزي دارد [14].
در سال‌هاي اخير، ساختن آئروژل به معناي رساندن الکل به فشار و دماي بخار شدني و به طبع آن به‌دست‌آوردن نقطهی بحراني است و باعث استخراج فوق بحراني از ژل مي‌شود. سپس، در سال 1970، دانشمند فرانسوي تايکنر38 و همکارانش براي بهبود فرآیند توليد دولت فرانسه، موفق شدند روش جديدي به غير از روش کيستلر براي تهيهی آئروژل کشف کنند و آن را روش سل-ژل ناميدند. در اين روش آلکوکسي سيلان با سيليکات سديم، که به وسيله کيستلر استفاده مي‌شد، جايگزين گرديد. با ظهور روش ارائه شده به وسيله‌ي تايکنر پيشرفت‌هاي جديدي در علم آئروژل و فناوري ساخت آن حاصل شد و پژوهش‌گران زيادي به مطالعه در اين زمينه روي آوردند. به دليل انجام مطالعات، تحقيقات و اقدامات صنعتي و نيمه صنعتي که در دهه 70 و 80 بر روي آئروژل‌ها صورت گرفت، اين دوره را عصر رنسانس آئروژل ناميدند. [15].
اين مواد جايگاه خود را به عنوان مواد جامدي با چگالي و رسانايي گرمايي پايين به‌دست آوردند. پايين‌ترين چگالي آئروژل توليد شده 1/0 ميليگرم بر سانتيمتر مکعب است، تا حدي که نمونه مي‌تواند در هوا شناور بماند. گرچه براي ساخت جامد آئروژل مواد بسياري مي‌توانند استفاده شوند ولي آئروژل‌هاي 2SiO متداول‌ترند. البته مي‌توان با واردکردن مواد مختلف در ساختار آئروژل در حين فرآیند ژل شدن، به بهبود ويژگي‌هاي نمونه‌هاي نتيجه شده کمک کرد [16].
آئروژل‌ها را مي‌توان به عنوان يک ماده منحصر به فرد در زمينه فناوري سبز در نظر گرفت. هشدار جهاني، تهديد آيندهی محيط زيست توسط گاز‌هاي گلخانهاي توليد شده بهدست بشر را تأييد مي‌کند. آيندهی انرژي‌هاي قابل دسترس به خاطر کمشدن منابع نفتي و حتي افزايش تقاضا براي محصولات نفتي، در خطر است. آئروژل‌ها بارها و بارها به افزايش بازدهی برخي ماشين‌ها و سيستم‌ها و کمک به کاهش مصرف انرژي ياري رسانده‌اند. همچنين آئروژل‌ها مي‌توانند آلاينده‌هاي آب را بيرون بکشند و با گرفتن ذرات مضر قبل از ورود به اکوسيستم، سبب تخريبنشدن محيط زيست شوند. دانشمندان دريافتند که اين فناوري براي تجديد و حفاظت از انرژي به توسعهی بيشتري نياز دارد [17].

2-2 شيمي سطح آئروژل
سيليکا آئروژل حاوي ذرات نانومتري هستند. اين ترکيبات داراي نسبت سطح به حجم بالا و مساحت سطح ويژهی زيادي هستند. شيمي سطح داخلي در آئروژل‌ها نقش اساسي را در بروز رفتار‌هاي بي‌نظير فيزيکي و شيميايي آن‌ها، ايفا مي‌کند. ماهيت سطح آئروژل‌ها تا حد زيادي به شرايط تهيهی آن‌ها بستگي دارد. انتخاب فرآیند مربوط به ترکيبات شيميايي و ويژگي‌هاي مورد نظر مشخص براي نانوذرات وابسته است. دو روش پايه براي توليد نانوذرات استفاده مي‌شود:
روش از بالا به پايين
اشاره به خردکردن مکانيکي مواد با استفاده از فرآیند آسيابکاري دارد. در اين فرآیند مواد اوليه به بلوک‌هاي پايهی بيشتري شکسته مي‌شوند.
روش پايين به بالا
اشاره به ساخت سيستم پيچيده به وسيله ترکيب اجزاي سطح اتم دارد. در اين فرآیند ساختارها به وسيله فرآیندهاي شيميايي ساخته مي‌شوند.
روش پايين به بالا بر پايه ويژگي‌هاي فيزيکي و شيميايي اتمي يا مولکولي خود تنظيم مي‌شوند. اين روش به دليل ساختار پيچيده اتم يا مولکول، کنترل بهتر اندازه و شکل آن‌ها انتخاب شد. روش پايين به بالا شامل فرآیندهاي آئروسل، واکنش‌هاي بارش و فرآیند سل-ژل است [18].
مرحله اول ساختن آئروژل توليد ژل خيس است که بهترين روش براي ساخت آن استفاده از پيشماده الکوکسيد سيليکون، مانند TEOS است. شيمي ساخت Si(OCH2CH3)TEOS است که با اضافه کردن آب، واکنش شيميايي زير صورت مي‌گيرد [19] :
〖Si(O〖CH〗_2 〖CH〗_3)〗_(4(liq))+〖2(H_2 O)〗_((liq))→〖SiO_2〗_solid+〖4(HO〖CH〗_2 〖CH〗_3)〗_liq

اتم سليکون به دليل داشتن بار جزئي مثبت کاهشيافته (ي+) نسبت به ديگر انواع آئروژل بيشتر مورد مطالعه قرار گرفت. در Si(OEt39))+ حدود 32/0 است. اين بار مثبت جزئي کاهش يافته، روند ژل شدن پيشماده سيليکا را آهسته مي‌کند.
پيشمادهی الکوکسيد M(OR) هستندکه اولين بار توسط امبلن40 براي سنتز سيليکا آئروژل استفاده شد. در اين ترکيب M نشان دهندهی گروه فلزي، OR گروه الکوکسيد و R تعيينکنندهی گروه الکلي هستند. الکوکسيدها معمولا در محلول منبع الکلي خود موجود هستند و امکان خشک کردن اين ژل‌ها را در چنين محلول‌هايي فراهم مي‌کند [20].
اگر آئروژل از طريق خشک کردن به وسيله الکل تهيه گردد، گروه‌هاي آلکوکسي (OR) تشکيل دهنده سطح آن است و در اين سطح آئروژل خاصيت آبگريزي41 پيدا مي‌کند. اگر تهيه آئروژل از طريق فرآیند دي اکسيد کربن باشد آنگاه سطح آئروژل را گروه‌هاي هيدروکسيد (OH) فرا مي‌گيرد و خاصيت آب‌دوست42 پيدا خواهدکرد و مستقيما مي‌تواند رطوبت هوا را جذب نمايد. البته با حرارت دادن مي‌توان رطوبت جذب شده را از ساختار آئروژل حذف نمود. شکل 1-2 به خوبي خاصيت آب‌دوست و آبگريزي را در ساختار آئروژل‌هاي با گروه‌هاي عاملي مختلف نشان مي‌دهد [21].

شکل 2-1 برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگريز، ب) آئروژل آب‌دوست [18].

2-3 تئوري فيزيکي
اتصال شبکه نانو مقياس سيليکاي جامد آئروژل‌هاي پايه سيليکا، ويژگي‌هاي منحصر به فردي را به آن‌ها مي‌دهد. کسر يوني پيوند کووالانت قطبي براي اکسيدهاي فلزي مختلف از رابطهی زير نتيجه مي‌شود:
F_ionic=1-exp⁡(-0.25 (X_M-X_O )^2)
که XO و XM الکترون‌خواهي O و M را نشان مي‌دهد. 2SiO مقدار F_ionic 54/0 دارد که طيف مقدار زاويه Si-O-Si را گسترده کرده و شبکه تصادفي را مي‌دهد. چهار اکسيد ديگر زاويه يوني بزرگ‌تر و مقدار کوچک‌تر زاويه پيوند را سبب مي‌شوند. به اين معني که پيوند تصادفي فقط روي ماکرومقياس‌هاي بيشتر با ذرات کلوييدي بزرگ‌تر و متراکم‌تر اتفاق مي‌افتد، در اين صورت، ژل به جاي شکلگرفتن شبکهی تصادفی اتصالات به صورت ذره تشکيل مي‌شود [14]. شبکهی اتصالات سيليکا براي وزن نسبي‌اش يک جامد محکم را ايجاد مي‌کند.

2-4 خاصيت مغناطيسي مواد
2-4-1 منشأ خاصيت مغناطيسي مواد
يکي از مهمترين ويژگي‌هاي مواد، خاصيت مغناطيسي آن‌هاست که از زمآن‌هاي نسبتا دور مورد توجه بوده و هم اکنون نيز در طيف وسيعي از کاربردهاي صنعتي قرار گرفته است.
منشأ خاصيت مغناطيسي در جامدها، الکترون‌هاي متحرک مي‌باشند. گرچه بعضي از هسته‌هاي اتمي داراي گشتاور دو قطبي مغناطيسي دائمي هستند ولي اثر آن‌ها چنان ضعيف است که نمي‌تواند آثار قابل ملاحظه‌اي داشته باشد؛ مگر در تحت شرايط خاص مانند اينکه نمونه در زير دماي يک درجهی کلوين قرار گيرد يا وقتي که تحت ميدان الکترومغناطيسي با بسامدي قرار گيرد که حرکت تقديمي هسته را تشديد نمايد. در بدو ظهور نظريات مغناطيس آزمايش‌هاي زيادي نشان داد که اندازه حرکت زاويهاي کل يک الکترون و گشتاور مغناطيسي وابسته به آن بزرگ‎تر از مقداري است که به حرکت انتقالي آن نسبت داده مي‌شد. بنابراين يک سهم اضافي که از خصوصيت ذاتي با يک درجه آزادي داخلي ناشي مي‌شد، به الکترون نسبت داده شد و چون اين خصوصيت داراي اثر مشابه چرخش الکترون حول محورش بود اسپين ناميده گرديد [22].

2-4-2 فازهاي مغناطيسي
به طورکلي مواد در ميدان مغناطيسي خارجي رفتارهاي متفاوتي از خود نشان مي‌دهند و با توجه به جهت‌گيري مغناطش، به پنج گروه تقسيم مي‌شوند که به بيان آن‌ها مي‌پردازيم.

2-4-2-1 مواد ديامغناطيس
در اين مواد الکترون‌ها به صورت جفت بوده و اتمها داراي گشتاور مغناطيسي دائمي نيستند و با قرارگرفتن در ميدان مغناطيسي خارجي داراي گشتاور مغناطيسي القايي در خلاف جهت ميدان خارجي مي‌شوند و آن را تضعيف مي‌کند. پذيرفتاري مغناطيسي χ چنين موادي منفي و خيلي کم است. خاصيت ديامغناطيس ظاهراً در تمام انواع مواد يافت مي‌شود، اما اثر آن غالباً به وسيله‌ي آثار قويتر پارامغناطيس يا فرومغناطيس که مي‌توانند با اين خاصيت همراه باشند، مخفي مي‌شود. خاصيت ديامغناطيسي خصوصاً در موادي بارز است که کلاً اتمها يا يونهايي با پوسته‌هاي بسته‌ي الکتروني تشکيل شده باشند، زيرا در اين مواد تمام تأثیرات پارامغناطيسي حذف مي‌شوند.
2-4-2-2 مواد پارامغناطيس
مواد پارامغناطيس، موادي هستند که برخي از اتمها يا تمامي آن‌ها گشتاور دو قطبي دائمي دارند، به عبارت ديگر گشتاور دو



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید