مقدمه بر علم مواد

 تقسیم بندی مواد جامد

 پیشرفت های وسیع و سریعی که در کلیه ی زمینه های صنعتی رخ داده است ، مرهون دست یابی به مواد با کیفیت بالا تر است که در ساخت قطعات ماشین آلات و تجهیزات صنعتی به کار می روند .

عموماً اغلب مهندسین شاغل در واحد های صنعتی ، به ویژه طراحی و ساخت و تولید ، با مواد مهندسی سرو کار دارند . آن ها معمولاً در انتخاب و کاربرد مواد در طراحی و ساخت و تولید اجزاء و بررسی و تحلیل شکست شرکت دارند .

موقعی که در طراحی و ساخت قطعه ای در مورد مواد تصمیم گیری می شود باید به مسائل مهمی از قبیل : روش ساخت ، دقت ابعادی ، حفظ و نگه داری شکل صحیح اولیه در حین کاربرد ، داشتن خواص مورد نظر و نگه داشتن آن خواص برای مدت معین تحت شرایط محیط کار ، امکان تعمیر و نگه داری آسان در هنگام کاربرد ، سازگاری ماده با دیگر مواد اجزاء سیستم ، بازیابی آسان ماده ، مسائل مربوط به زیست محیطی ماده در ارتباط با ساخت و تولید ، هزینه ی تولید و بالاخره در مواردی وزن و نوع سطح ظاهری آن توجه شود .

هدف اصلی مطالعه ی علم مواد آگاهی یافتن از انواع مواد ، خواص و توانایی آن ها در ارتباط با نیاز های صنعتی روز ، شناخت عوامل موثر (از قبیل محیط و شرایط کاری) بر خواص و رفتار مواد و همچنین شناخت و بررسی روش ها و فرآیند هایی است که با کاربرد آن ها بتوان همواره در جهت حفظ و بهبود خواص مواد گام  نهاد .

به طور کلی مواد جامد مهندسی مورد نیاز برای طراحی و ساخت و تولید را می توان به سه گروه اصلی با خواص مربوط به خود تقسیم بندی کرد که عبارتند از : مواد فلزی ، مواد غیر فلزی معدنی یا سرامیکی ، مواد پلیمری یا مصنوعی . علاوه بر این سه گروه ، دو گروه دیگر از مواد وجود دارند که از این سه گروه منشعب می شوند و به نام مواد مختلط یا کامپوزیت ها (Composites) و نیمه هادی ها (Semiconductors) شناخته شده  اند .

 الف) مواد فلزی :

مواد فلزی از نظر اهمیتی که در صنعت دارد به دو گروه فلزات آهنی و آلیاژ های آن و فلزات غیر آهنی و آلیاژ های آن تقسیم می شود . فلزات آهنی و آلیاژ های آن عمدتاً درصد بسیار بالایی از آهن دارنند که شامل انواع فولاد ها و چدن ها می شوند . فلزات غیر آهنی و آلیاژ های آن شامل تمام فلزات دیگر (غیر از آهن) مانند آلومنیوم ، مس ، روی ، تیتانیوم ، کرم و نیکل و ... و آلیاژ های آنهاست . البته آلیاژ های غیر آهنی مقدار بسیار نسبتاً بسیار جزئی آهن هم می توانند داشته باشند .

مواد فلزی عمدتاً رسانای خوبی برای حرارت و الکتریسیته هستند . اغلب فلزات در درجه حرارت های معمولی محیط شکل پذیر بوده و در مقابل واکنش های شیمیایی پایداری بسیار بالایی ندارند . فلزات در شرایط معمولی دارای ساختار کریستالی اند . فلزات به طور خالص به ندرت به کار می روند و اغلب از آلیاژ های آن ها در صنعت استفاده می شود .

 ب) مواد غیر فلزی معدنی (سرامیکی) :

قسمت عمده ی مواد غیر فلزی معدنی مورد استفاده در صنعت را مواد سرامیکی تشکیل می دهند . مواد سرامیکی شامل ترکیباتی از عناصر فلزی با اکسیژن به نام سرامیکی اکسیدی و موادی سخت از قبیل کاربید ها ، نیتراید ها و سیلسید ها به نام سرامیک های غیر اکسیدی است که قسمت عمده ای از مواد نسوز را تشکیل می دهند . سرامیک های سیلیکاتی (مانند چینی ها) نوع دیگری از مواد سرامیکی اند . مواد سرامیکی قابلیت شکل پذیری نداشته و بسیار تردند . همچنین در مقابل واکنش های شیمیایی بسیار پایدار بوده و در درجه حرارت های بالا مقاوم اند . قابلیت هدایت الکتریکی و حرارتی سرامیک ها با اندازه ای پایین است که به عنوان مواد عایق به کار می روند . مواد سرامیکی می توانند ساختار کریستالی ، غیر کریستالی یا مخلوطی از هر دو نوع کریستالی و غیر کریستالی (بی شکل) داشته باشند . امروزه با فرایند های صنعتی جدید می توان سرامیک های نسبتاً مقاوم به شکست تولید کرد . البته هنوز تحقیقات وسیعی برای مقاوم تر کردن و توسعه ی آن ها انجام می شود .

 ج) مواد پلیمری (مواد مصنوعی) :

مواد پلیمری از کنار هم قرار گرفتن تعداد زیادی از مولکول های زنجیره ای یا شبکه ای بزرگ مواد آلی ، که از کربن و عناصر دیگری مانند هیدروژن ، کلر ، فلوئور ، اکسیژن و نیتروژن تشکیل شده اند ، به وجود می آیند . مواد پلیمری در طبیعت به صورت آزاد وجود ندارند و اغلب از طریق روشهای شیمیایی و پلیمر کردن منومر های گازی شکل بدست می آیند . اغلب مواد پلیمری دارای ساختار غیر کریستالی و یا مخلوطی از کریستالی و غیر کریستالی هستند . مواد پلیمری دارای قابلیت هدایت الکتریکی بسیار ضعیفی هستند ، به طوری که بعنوان عایق الکتریکی خوب به کار می روند ، مواد پلیمری معمولاً در درجه حرارت های پایین (زیر صفر) ترد می شوند ولی در درجه حرارت های نسبتاً بالا قابلیت شکل پذیری دارند و در درجه حرارت های بالا ذوب یا متلاشی می شوند . مواد پلیمری در مقابل عوامل و واکنش های شیمیایی در درجه حرارت معمولی محیط و در مجاورت هوای آزاد پایدارند . عموماً مواد پلیمری وزن مخصوص پایینی دارند .

 د) مواد مختلط یا کامپوزیت ها :

مواد مختلط یا کامپوزیت ها به موادی گفته می شود که از مخلوط چند ماده (حداقل دو ماده) با خواص متفاوت تشکیل شده باشند . اجزای مواد مختلط از نظر شکل و ترکیب شیمیایی متفاوت بوده و در یکدیگر حل نمی شوند و از نظر اندازه و ابعاد در حد میکروسکوپی و ماکروسکوپی وجود دارند . بدین ترتیب می توان موادی با خواص جدید به دست آورد که به نوبه ی خود دارای خواصی مناسبتر از خواص هر یک از اجزای اولیه است . انواع مختلفی از مواد مختلط وجود دارند . اغلب مواد مختلط شامل یک جزء نرم و شکل پذیر به عنوان جزء اصلی زمینه و یک جزء بسیار سفت و سخت به عنوان تقویت کننده است . جزء تقویت کننده می تواند به شکل های صفحه ای ، الیافی و ذره ای باشد . همچنین موادی که سطح خارجی آن ها برای حافظت در مقابل خوردگی و یا سایش پوشش داده می شود ، مانند قلع و روی اندود کردن و یا گالوانیزه کردن سطح خارجی به وسیله ی جزء مقاوم دوم ، مثل آب کرم و نیکل دادن ، روکش دادن مکانیکی با ورق بسیار نازک مقاوم دیگر ، پوشش دادن با مواد پلیمری و یا سرامیکی ، جزء مواد مختلط هستند .

 ه) مواد نیمه هادی :

نیمه هادی ها از جمله مواد معدنی بوده و از نظر خواص بین مواد فلزی و سرامیکی قرار دارد و در صنایع الکترونیکی به کار می رود . هدایت الکتریکی نیمه هادی ها قابل کنترل بوده ، به طوری که می تواند در ساخت ترانزیستور ها و یکسو کننده ها به کار روند .

منبع : اصول علم مواد (تویسرکانی)

سلام

 یکی از موضاعاتی که بی ربط به نانوتکنولوژی نیست ، علم مواد هستش . انشاالله بعد از این موضوعاتی در خصوص این بحث و آشنایی با این علم نیز در وبلاگ می زارم .

باز هم منتظر نظرات و مقالات ارسالی شما هستیم .

با نظر دادن می تونید موضوعات وبلاگ رو تعیین کنید و با ارسال مقالات می تونین اون مقاله رو در اختیار افراد بیشتری بزارین ، پس منتظریم .

نانو لوله ها به نانوساختارهايي اطلاق مي شود كه قطر آن ها تا حدود 100 نانومتر باشد. صرف نظر از استحكام كششي بالا، نانو لوله ها خواص الكتريكي مختلفي از خود نشان مي دهند كه به ساختار آنها وابسته است.

لفظ نانولوله در حالت عادي در مورد نانولوله كربني به كار مي رود، كه در چند سال اخير از سوي محققين مورد توجه فراواني قرار گرفته اند و در كنار خويشاوندان نزديكش همچون "نانوشاخ"، نويدبخش كاربردهاي جالبي شده اند. البته اشكال ديگري از نانولوله ها همچون نانولوله هاي نيتريد بور و نانولوله هاي خودآراي آلي نيز ساخته شده اند.

نانولوله ها در زمينه هاي مختلفي كاربرد دارند كه عبارتند از:

- مواد ساختماني

- صنايع الكترونيك

- قطعات نشر ميداني

- پيل هاي سوختي و باتريها

نانولو له هاي كربني(CNTs)

 نانولو له هاي كربني كه در سال 1991 توسط سوميو ايجيما در شركت NEC كشف شدند ، در واقع لوله هايي از گرافيت مي باشند( گرافيت شكلي از كربن است كه از لايه هاي حاوي آرايش هاي شش ضلعي اتم هاي كربن تشكيل مي شود). اين نانوساختارها اندازه هاي مختلفي داشته و مي توانند تك ديواره (SWNT) يا چند ديواره (MWNT) باشند كه درمورد اخير دسته اي از خواص جالب توجه را به همراه خود دارند.

 يك خصوصيت مشهور نانولوله هاي كربني ، استحكام كششي برجسته ی آنهاست، كه نزديك 100 گيگاپاسكال يعني بيش از 100 برابر استحكام فولاد است. با اين حال اين مقياس غلط انداز است؛ چرا كه فولاد از تجمع بلورها و مواد افزودني حاصل مي شود و لذا مقايسه معنادارتر، مقايسه كردن مواد بزرگ مقياس ساخته شده از نانولوله ها با فولاد خواهد بود. اين مسأله خطر برون يابي خواص سطح مولكولي به جامدات توده را خاطر نشان مي سازد (نانولوله مثل هم خانواده خود( ورقه هاي گرافيت) به يكديگر نچسبيده و تنها بر اثر نيروهاي ضعيف واندروالس جذب يكديگر مي شوند؛ به همين دليل است كه گرافيت به عنوان يك روان كننده خوب شناخته مي شود). نانولو له ها به ديگر مواد نيز به راحتي نمي چسبند. اين مسأله بكارگيري خواص آنها در مواد توده اي را با مشكل مواجه مي سازد. مي توان با اصلاح شيميايي نانولوله ها باعث چسبيدن آنها به يكديگر شد، اما خلوص ساختاري آنها كه باعث چنان استحكام عظيمي مي شود، اولين چيزي است كه بايد برروي آن مصالحه كرد.

نانوالياف

نانوالياف، الياف نسبتاً كوتاهي هستند كه دو بعد آن ها در مقياس نانومتر بوده و نسبت وجهي آنها بزرگتر از 3 است. انواع نانوالياف را مي توان از روش هاي الكتروريسندگي و قوس الكتريكي بدست آورد.

نانوالياف پليمري از روش ريسندگي الكتريكي با قطر نانومتري توليد مي شوند. در اين روش مايعات باردار شده به صورت جريانهاي كوچك به درون يك ميدان الكتريكي كشيده مي شوند، سپس به صورت الياف پليمريزه مي شوند.

در نانوكامپوزيت ها نانواليافي پليمري مي توان از استحكام نانوالياف پليمري سود برد . همچنين مي توان نانوالياف پليمري را با افزودني هايي نظير نانوذرات يا نانولوله ها ساخت تا بسياري از خصوصيات بالقوه نانوكامپوزيت هاي نانواليافي را ارايه دهند.

ليفچه ها و نانوالياف كربني

"ليفچه "هاي كربني جامد و توخالي با چند ميكرون طول و 2 تا بيش از 100 نانومتر قطر خلق شده اند كه مصارفي در مواد كامپوزيت و روكش ها كاربرد دارند و موجب افزايش استحكام و رسانايي بالقوه مواد مي شوند.

براي بدست آوردن خواص مشابه، "ليفچه "هاي كوچكتر به الياف كربني مرسوم (معمولاً بيش از mm ۰.۱ قطر دارند) مقادير خيلي كمتري "ليفچه "هاي كربني مصرف مي شوند. ليفچه ها نسبت به الياف كربني مرسوم باعث ايجاد يك سطح هموارتر در روكش ها مي شوند. اين نانوالياف هم اكنون در مقياس بزرگ توليد مي شوند.

نانوكامپوزيت هاي نانوالياف كربني

به دليل خواص منحصربه فرد نانوالياف كربني، اين نانوساختارها در مواد كامپوزيت، روكشهاي سطحي و پلاستيك هاي رسانا در رنگ آميزي الكترواستاتيك قطعات خودرو و همچنين پراكنده سازي بارهاي ساكن در تجهيزات الكترونيكي به كار مي روند .

نانوالياف سراميكي

نانوالياف سراميكي كاربردهاي متنوعي دارند كه يكي از كاربردهاي آنها (نانوالياف آلومينا) در فيلتراسيون ويروسها و باكتريها از منابع آبي و هوايي يا سيالات زيستي است. مي توان با افزايش افزودني هايي نظير نانوذرات خواص اين نانوالياف را بهبود داد.

نانوالياف آلومينا بر اثر نيروهاي الكترواستاتيك، ويروس ها و ديگر ذرات را به خود مي چسبانند و لذا بدين صورت مي توانند در زيست فيلتراسيون مثلاً براي آلودگي زدايي به كار روند. اين الياف با فرآيند سل ژل وسپس حرارت دهي تهيه مي شوند. يك مزيت فيلترهاي ساخته شده با اين روش، اين است كه چون فيلتراسيون آنها فقط مبتني بر غربالگري نيست، ذرات در بين فيلتر و نه روي سطح آن جمع شده و بنابراين كمتر با انسداد مواجه مي شوند- اين قسم فيلترها، فيلتر عمقي خوانده مي شوند. همچنين به نظر مي رسد نانوالياف آلومينا به تشكيل استخوان كمك مي كنند.