وجود آورد. گرافن یک تک لایه اتمی نازک است که درون یک صفحه دوبعدی با اتمهای کربن SP2مانند یک ساختار لانه زنبوری آرایش یافته است. دگرشکلهای9 کربن با ابعاد متفاوت از گرافن درست میشود[6]. به عنوان مثال گرافیت (دگرشکل سه بعدی کربن) از صفحات گرافن که به هم چسبیدهاند و فاصلهای حدود ?A37/3 دارند تشکیل میشود. دگرشکل بدون بعد کربن که فولرن10 نام دارد و به صورت کروی است و میتوان به صورت رویایی در نظر گرفت که آن از پیچیده شدن صفحات گرافن درست شود. دگرشکل یک بعدی کربن، نانولولههای کربنی میباشد که میتوانند از طریق لوله شدن و باریک شدن صفحات گرافن ساخته شوند. در واقع این دگر شکلهای کربن از گرافن سنتز نمیشوند. خود گرافیت یک ماده طبیعی است که در سال 1555 در Brrowdale انگلستان به دست آمد اما اولین باری که از آن استفاده شد شاید به 4000 سال پیش برگردد. نانولولههای کربنی تک دیواره اولین بار در سال 1991 بعد از کشف فولرن در سال 1985 سنتز شد. البته اولین گزارشهای منتشر شده برای سنتز و تولید گرافن به سال 1970 برمیگردد. جداسازی یک تک لایه گرافن برای اولین بار در سال 2004 از طریق لایه لایه کردن میکرو مکانیکی گرافیت به دست آمده است. خواص استثنایی تک لایه گرافن مانند مدول یانگ TPa1 و استحکام GPa130 آن را به قویترین مادهای که تاکنون خواص آن اندازهگیری شده تبدیل کرده است. هدایت حرارتی و الکتریکی آن به ترتیب W/mK5000 و S/cm6000 است که بالاتر از مقادیر گزارش شده برای نانولولههای کربنی میباشد. همچنین مساحت سطح صفحات گرافن بسیار زیاد است (m2/g2630). این خواص بسیار عالی باعث شده تا صفحات گرافن توانایی بهبود خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی پلیمرها را داشته باشند به همین دلیل در دهه گذشته بررسی این ماده شگفت انگیز و نانوکامپوزیتهای آن، مورد توجه بسیاری از محققین و دانشمندان قرار گرفته به طوری که از سال 2004 تا 2009 حدود 3000 مقاله ISIدر حوزه نانوکامپوزیتهای بر پایه گرافن منتشر شده است[7].
روش کار و تحقیق
در این پروژه در یک سیستم آزمایشگاهی نانوکامپوزیتهای هیبریدی رزول/گرافن/ الیاف کربن تهیه شد بدین صورت که در ابتدا گرافن به صورت محلولی در رزول پخش گردید و پس از حذف حلال اضافه شده، الیاف را به روش دستی به آن آغشته کرده و با استفاده از پرس داغ نمونه نهایی به دست آمد. در ادامه خواص مکانیکی نمونه با استفاده از آزمون خمش و همچنین رفتار حرارتی و مورفولوژی رزین با استفاده از آزمونهای گرماسنجی پویشی تفاضلی (11DSC)، گرما وزن سنجی (12TGA) و میکروسکوپ الکترونی پویشی (13SEM) مورد بررسی قرار گرفت.
در فصل دوم این پایاننامه به موضوعات و مفاهیم علمی مرتبط با کار انجام شده و مروری بر کارهای دیگران پرداخته شده است. در فصل سوم مواد و دستگاههای مورد استفاده برای انجام کار و روشهای آزمون ذکر شده است و در فصل چهارم نتایج حاصل از تحقیق مورد بحث و بررسی قرار میگیرد و پیشنهادات لازم جهت ادامه کار در فصل پنجم ارائه شده است.
فصل دوم: مروری بر مطالعات انجام شده
مقدمه
از آنجا که نیمه دوم قرن بیستم را میتوان نقطه آغازین جایگزینی مواد غیر فلزی به جای فلزات با هدف دستیابی به مواد و محصولات با خواص فوقالعاده و در عین حال مقرون به صرفه اقتصادی دانست و همانگونه که از تجربه موفق کشورهای صنعتی و توسعه یافته بدست میآید، طی طریق وصول به اهداف توسعه صنعتی حداقل در بخش قابل توجهی از صنایع، منوط و مشروط به تمرکز و سرمایهگذاری در جهت دستیابی به تکنولوژی مواد غیر فلزی به طور زیر بنایی میباشد. در این ارتباط برخورداری پلیمرها به طور عام و کامپوزیتها به طور خاص از جایگاه ویژه و رو به توسعه در صنعت و جایگزینی آنها به جای مواد فلزی امری بدیهی و بی نیاز از استدلال میباشد. ارائه محصولات کامپوزیتی با خواص خارقالعاده و استحکام و دوام غیر قابل قیاس با اکثر فلزات که امروزه به صورت جریان مستمر همواره حیرت متخصصین و اولیای صنعت را در جهان برمیانگیزد را میبایستی تا حد زیادی مدیون ابداع و ساخت انواع تقویت کنندههای با استحکام بالا دانست[8].
کامپوزیت
کامپوزیت مادهای چند جزئی است که بخش پیوسته و اصلی آن ماتریس نام دارد. جزء اصلی ماتریس رزین است و با افزودن مواد به رزین و یا ماتریس بخشی از خواص اجزاء که مورد نیاز است، اصلاح میگردد.
با توجه به تعریف یاد شده، کامپوزیتها در اصل از زمانهای قدیم مورد توجه بشر بوده است. از نمونههای قدیمی کاربرد این نوع مواد میتوان به کاهگل و یا مومیایی اشاره نمود. تاریخچه کامپوزیتها را میتوان بصورت زیر خلاصه نمود.
سازههای کاهگلی (1500سال قبل از میلاد)
کمان چند لایهای، ساخته شده از تاندون حیوانات، چوب و ابریشم (1000سال قبل از میلاد)
آغشته کردن سطوح پارچهای هواپیماها با لاک محلول رزینی، 1910 میلادی
فروش الیاف شیشه توسط شرکت Owens Corning، 1938 میلادی
ساخت پلاستیکهای تقویت شده با الیاف شیشه در پایگاه هوایی Wright Patterson، 1942 میلادی
ساخت الیاف کربن توسط شرکت Union Carbide، 1959 میلادی
ثبت اختراع الیاف کربن بر پایه PAN توسط Shido ، ژاپن، 1961 میلادی
ساخت الیاف پیوسته سرامیک و بور، 1965 میلادی
ساخت الیاف کولار، 1971 میلادی
ساخت الیاف پلی اتیلن با جرم ملکولی فوق سنگین، 1985 میلادی
استفاده مجدد از الیاف طبیعی، 1990 میلادی
کامپوزیتها خواص مکانیکی خوبی داشته و از انعطاف پذیری مناسبی در طراحی برخوردارند و روشهای ساخت آنها نسبتا آسان است. آنها موادی، سبک، مقاوم در برابر خوردگی و ضربه، دارای مقاومت خستگی عالی، مستحکم و با دواماند و به روشهای مختلفی قابل تبدیل به یک محصول یا یک نمونه میباشند[5].
یک کامپوزیت شامل یک یا چند فاز غیر پیوسته در یک فاز پیوسته است. فاز غیر پیوسته معمولا سختتر و قویتر از فاز پیوسته است لذا به آن فاز تقویتکننده گفته میشود. عمدتاً در یک کامپوزیت سه ناحیه متمایز شامل فاز پیوسته، فاز غیر پیوسته و فصل مشترک (Interface) این دو فاز وجود دارد که تعیین کننده خواص و رفتار کامپوزیت میباشد[5]. عموماً کامپوزیتها را بر حسب نوع فاز غیر پیوسته به سه دسته زیر طبقهبندی میشوند.
کامپوزیتهای ذرهای: از ترکیب یک یا چند نوع ذره مشخص به عنوان فاز تقویت کننده، که این ذرات میتوانند پولکی شکل، صفحهای و حتی میکروکرههای تو خالی باشد و یک فاز پیوسته (ماتریس) تشکیل میشود.
کامپوزیتهای لیفی: از ترکیب الیاف کوتاه یا بلند، به عنوان تقویت کننده با فاز ماتریس تشکیل میشود.
ساختارهای ساندویچی14: این نوع کامپوزیت از دو ورقه نازک و محکم که به دو طرف یک مغزی سبک و ضخیم به عنوان هسته چسبیدهاند، تشکیل شده است.
کاربردهای کامپوزیتها
کامپوزیتها به دلیل ویژگیهای خاص خود از قبیل استحکام، سبکی، مقاومت خوردگی، عایق گرما و الکتریسیته، سهولت و انعطاف در طراحی و شکلدهی، در صنایع مختلفی کاربرد دارند. اهم این صنایع عبارتند از:
حمل و نقل (خودرو و ریلی)
ساختمان
هوا- فضا
دریایی
شیمیایی
برق و الکترونیک
پزشکی
تفریحی- ورزشی
نظامی
در مورد کاربرد کامپوزیتها در صنایع مختلف، آمار متفاوتی وجود دارد. اما نکته مشترک همه این گزارشات این است که بیشترین حجم کامپوزیتها در صنایع حمل و نقل و ساختمان مصرف میشود[5].
ضرورت سبک سازی کامپوزیتها
مهمترین دلیل رشد روز افزون مصرف کامپوزیتها در صنایع مختلف، سبک بودن آنها و نسبت بالای استحکام به وزن آنها است. بطور مثال استفاده از مواد کامپوزیتی موجب کاهش 35 درصدی در وزن خودروها شده است که این موضوع میتواند باعث صرفهجویی قابل توجهی در مصرف سوخت شود. البته باید توجه داشت که در کاربردهای دیگر مانند صنایع دریایی یا صنایع هوا- فضا، نیاز به تقویت این مزیت کامپوزیتها است.
با توجه به توضیحات بالا به نظر میرسد سبک سازی کامپوزیتهای پلیمری یکی از نیازهای روز افزون صنایع مختلف باشد، به ویژه این موضوع در صنایع هوا- فضا و نیز زیر دریاییها مورد اهمیت است.
روشهای سبک سازی کامپوزیتها
بطور کلی سه روش برای سبک کردن یک سازه پلیمری وجود دارد:
استفاده از مواد سبکتر در ساخت سازه
تغییر در ساختار سازه
استفاده هم زمان از دو روش بالا
رزینهای مورد استفاده در کامپوزیتها
هر ترکیب کامپوزیتی از دو جز اصلی ماتریس و فاز غیر پیوسته یا تقویت کننده تشکیل شده است. همچنین طبقه بندی بر اساس شکل و نوع تقویت کننده نیز وجود دارد اما کامپوزیتها را میتوان بر اساس ماتریس آنها هم به صورت کامپوزیتهای پلیمری، کامپوزیتهای سرامیکی و کامپوزیتهای فلزی طبقه بندی نمود. مهمترین وظایف ماتریس در کامپوزیت عبارت است از:
حفظ یکپارچگی کامپوزیت
انتقال تنش به فاز تقویت کننده
محافظت از فاز تقویت کننده در مقابل عوامل محیطی (نظیر رطوبت)
حفاظت سطح فاز تقویت کننده از سایش
با توجه به این که در این تحقیق کامپوزیتهای پلیمری مورد بررسی قرار گرفته است، در ادامه فقط در مورد این کامپوزیتها بحث میشود. در بین کامپوزیتهای پلیمری، کامپوزیتهای ساخته شده با سه نوع رزین اپوکسی، فنولیک و پلی استر غیر اشباع بیشترین کاربرد را دارند[5].
رزینهای فنولیک
واکنش فنول و فرمالدهید در حضور کاتالیزور اسیدی یا بازی صورت میگیرد؛ با توجه به نسبت مولی فنول و فرمالدهید و نوع کاتالیزور مصرفی، رزینهای فنولیک به دو دسته رزول15 و نووالاک16 تقسیم میشوند. اگر نسبت مولی فنول به فرمالدهید کمتر از یک و کاتالیزور مصرفی بازی باشد، رزین حاصل را رزول گویند. اما اگر نسبت مولی فنول به فرمالدهید بیشتر از یک و کاتالیزور مصرفی اسیدی باشد، رزین حاصل را نووالاک گویند. این دو نوع رزین فنولیک دارای خواص و کاربردهای مختلفی میباشند. رزولها ذات