مقاله در مورد نانو ساختارها

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

 مقاله در مورد نانو ساختارها دارای ۲۸ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله در مورد نانو ساختارها  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله در مورد نانو ساختارها،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

بخشی از متن مقاله در مورد نانو ساختارها :

نانو ساختارها

مقدمه
مواد نانوساختار، مواد توده ای پلی کریستالی هستند که اندازه دانه آن ها بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. به نوعی می توان گفت نانوذرات، اجزای تشکیل دهنده برخی از مواد نانوساختار هستند. همانطور که اشاره شد، به علت نسبت سطح به حجم زیاد نانوذرات، تمایل این مواد به آگلومره یا کلوخه شدن و واکنش با محیط اطراف بسیار زیاد است. بسیاری از خواص منحصر به فرد مواد نانو که در ادامه بحث خواهد شد، بخاطر نسبت سطح به حجم زیاد نانوذرات و یا مقدار زیاد مرز دانه ها در مواد نانوساختار نسبت به مواد معمولی است. در یک ماده نانوساختار تعداد زیادی از اتم ها (بیش از ۴۹% اتم ها)، در مرز دانه ها قرار دارند.

همانگونه که در شکل (۱) ملاحظه می شود، اتم های درون دانه های ماده، آرایش ساختاری و منظمی دارند حال آنکه اتم های موجود در مرز دانه ها دارای فواصل اتمی متفاوتی بوده و بی نظم هستند. بنابراین در مواد نانوساختار درصد حجمی مرز دانه بالایی وجود دارد که ساختار غیر تعادلی و ناپایدار دارند. در این جا به بررسی خواص، تولید و کاربرد فلزات و سرامیک های نانوساختار پرداخته شده است، منظور از مواد نانوساختار در این فصل همان فلزات و آلیاژها و سرامیک های نانوساختار می باشد.
خواص مواد نانوساختار
در بررسی خواص مواد نانوساختار مشکلات زیادی از جمله عدم امکان تهیه نمونه مطلوب، وجود تخلخل و میکروترک، تنش های داخلی شدید، وجود ناخالصی ها و گازهای حبس شده و نیز عدم امکان ارزیابی برخی کمیت ها نظیر اندازه گیری کرنش به دلیل کوچک بودن نمونه ها وجود دارد. وجود چنین مشکلاتی باعث شده تا داده های آزمایشگاهی برای این گروه از مواد محدود باشد.
نفوذ در مواد نانوساختار
همانگونه که ذکر شد، مواد نانوساختار دارای درصد حجمی بالائی از مرز دان

ه هستند. این امر باعث می شود که انتقال اتمی و نفوذ در مواد نانوساختار از آنچه در مواد تک کریستال و یا مواد با دانه های بزرگ تر اتفاق می افتد، سریع تر باشد چرا که در جامدات نانوساختار، فصل مشترک دانه ها مسیرهای بیشتری برای نفوذ اتم ها فراهم می کنند. به عبارت دیگر وجود این فصل مشترک های بین دانه ای باعث می شود که تقریباً در همه دماها نفوذ از طریق مرز دانه ها، مکانیزم غالب باشد. این در حالی است که در مواد پلی کریستال معمولی در دماهای بیش از نصف نقطه ذوب، نفوذ از داخل دانه ها (نفوذ حجمی)، مکانیزم غالب در نفوذ است.
افزایش ضریب نفوذ در مواد نانوساختار سبب تغییر برخی خواص مواد به شرح زیر می شود:
افزایش حد حلالیت در حالت جامد؛ به عنوان مثال حد حلالیت بیسموت در مس معممولی حدود ۴-۱۰ درصد اتمی است، در حالی که این مقدار برای مس نانوساختار حدود ۴ درصد اتمی است.
تشکیل ترکیبات بین فلزی در دماهای بسیار کمتر. د واقع چون سرعت نفوذ عناصر درهم افزایش یافته، تشکیل چنین ترکیبات بین فلزی سریع تر و در دماهای کمتری نسبت به حالت معمولی رخ خواهد داد.
افزایش قابلیت سینتر شدن پودرهای نانو. به دلیل افزایش نسبت سطح به حجم ذرات، قابلیت نفوذ و سینتر شدن پودرها افزایش می یابد.
لازم به ذکر است اگر مواد نانوساختار از طریق سینترینگ یا تف جوشی نانوذرات تولید شده باشند، دارای تخلخل هایی با ابعاد نانومتر نیز هستند. بنابراین در این دسته از مواد، تخلخل و حرکت مرز دانه ها از دیگر پدیده های مهم نفوذی هستند. در واقع تخلخل های احتمالی موجود در مواد نانوساختار اندازه ای در حد نانومتر دارند. بنابراین حضور این عوامل در مواد نانوساختار باعث افزایش فصل مشترک ساختارها شده و در نهایت منجر به افزایش میزان نفوذ در این مواد خواهد شد.

الف- نفوذ در فصل مشترک ساختارها
معمولاً بررسی رفتار نفوذی مواد نانوساختار در دماهای پایین انجام می گیرد. در این دماها نفوذ درون داده ها بسیار کند صورت می گیرد و عمدتاً نفوذ در حضور تخلخل های نانومتری به همراه مهاجرت فصل مشترک ساختارها اتفاق می افتد. در واقع به علت درصد حجمی بالای مرز دانه ها، انرژی داخلی این مواد بالاست که این امر منجر به رشد دانه ها در این مواد خواهد شد. این پدیده به وسیله مهاجرت فصل مشترک دانه ها اتفاق می افتد. در اثر مهاجرت فصل مشترک دانه ها

، اتم های نفوذ کننده در فصل مشترک، از مسیرهای نفوذ خارج شده و درون دانه ها ثابت نگه داشته می شوند (نفوذ در حجم دانه ها ناچیز است). بنابراین معادلات نفوذی در مواد نانوساختار (معادله ۲) با معادلات مشابه در مواد معمولی (معادله ۱) متفاوت خواهد بود.
(۱)
در این معادله C میزان غلظت است که معمولاً برحسب تعداد اتم ها در واحد حجم بیان می شود. t , x عمق و زمان نفوذ هستند و DB ضریب نفوذ در فصل مشترک ساختارهاست.
(۲)
در این معادله V سرعت حرکت فصل مشترک ساختارهاست که ثابت فرض می شود و زمان نفوذ است.
ب- نفوذ در فلزات نانوساختار
در این قسمت نفوذ در فلزات نانوساختار با متراکم (بدون حضور تخلخل) مورد بحث قرار می گیرد. تحقیقات انجام گرفته در مورد پالادیم نانوساختار نشان می دهد که چگالی تئوری به وسیله فشردن نانوذرات پالادیم با فشاری معادل ۴ گیگاپاسکال و در دمای ۳۸۰ درجه سانتیگراد تحت شرایط خلأ به دست می آید. در این ماده تقریباً تخلخلی وجود ندارد.
برای مطالعه نفوذ در پالادیم نانوساختار بدون تخلخل، از آهن به عنوان عنصر ردیاب استفاده شده است. نتایج بررسی ها نشان می دهد که در دماهای کمی بالاتر از دمای اتاق، آهن خیلی سریع در پالادیم نفوذ می کند. بنابراین انتقال اتمی و نفوذ آهن بیشتر در فصل مشترک دانه های پالادیم رخ می دهد.
ادامه فرایند نفوذ و رشد دانه ها باعث مهاجرت و حرکت فصل مشترک دانه ها شده که با گذشت زمان از میزان فعل و انفعالات فصل مشترک کاسته شده و در نهایت منجر به کاهش سرعت نفوذ عنصر ردیاب می شود. علت مهاجرت فصل مشترک دانه ها در پالادیم نانوساختار به خاطر این است که طی این عمل فصل مشترک های با ساختار غیرتعادلی به ساختار تعادلی نزدیک می شوند. به بیان دیگر، همانگونه که قبلاً ذکر شد، فصل مشترک دانه ها با مهاجرت خودشان باعث رشد دانه ها و کاهش مساحت مرز دانه ها در ماده و نهایتاً کاهش انرژی داخلی آن می شوند. بنابراین در اثر مهاجرت فصل مشترک دانه ها، میزان فضاهای خالی موجود در مرز دانه ها و همچنین کرنش داخلی ماده نانوساختار کاهش خواهد یافت. البته لازم به ذکر است که نفوذ شیمیایی و تشکیل ترکیبات بین فلزی و همچنین تشکیل اکسیدهای فلزی در مرز دانه ها می تواند عمل نفوذ را مختل نماید. به عنوان نمونه، رفتار نفوذی بیسموت در مس بسیار جالب است. بیسموت در مس نانوساختار نامحلول است. بنابراین تمایل زیادی به تجمع در فصل مشترک دانه ها دارد. بنابراین افزایش مقدار بیسموت در مس نانوساختار می تواند منجر به کاهش انرژی مرز دانه های مس نانوساختار شود. با کمی دقت در این مثال در می یابیم که می توان با اضافه کردن برخی عناصر، جلوی رشد ساختاری مواد نانوساختار را گرفت، و این مواد را به حالت پایدار رساند. چنین

پایدارسازی در مورد سرب حاوی زیرکنیم نیز قابل مشاهده است.
نفوذ در سرامیک های نانوساختار
در مورد سرامیک های نانوساختار نفوذ بین فازی بسیار مهم است چرا که این امر در افزایش نرخ سینترینگ و بهبود خواص شکل پذیری سرامیک ها اثرات چشم گیری دارد. به عبارت دیگر با افزایش میزان نفوذ فازهای موجود در سرامیک های نانوساختار، سرعت تف جوشی این مواد افزایش یا

فته و همچنین با افزایش ضریب نفوذ در این مواد، تبدیل فازها به یکدیگر تسهیل یافته و بنابراین شکل پذیری آن ها بهبود خواهد یافت چرا که شکل پذیری سرامیک ها به میزان تبدیل فازهای درون سرامیک ها وابسته است. بیشتر مطالعات نفوذی در مورد سرامیک های نانوساختار، روی اکسیدهای فلزات انتقالی ZrO2 و TiO2 انجام گرفته است.
سرامیک های دارای ترکیب استوکیومتری، انرژی فعال سازی زیادی برای نفوذ درهم دارند که ناشی از پیوند قوی بین اجزای تشکیل دهنده آن هاست. انحراف از ترکیب استوکیومتری باعث افزایش انرژی داخلی ماده و کاهش میزان انرژی فعال سازی مورد نیاز برای نفوذ در این مواد می گردد. بنابراین استوکیومتری نقش بسیار مهمی در رفتار نفوذی سرامیک های نانوساختار دارد.
برای درک بیشتر نقش فصل مشترک ساختارها در رفتار نفوذی مثالی را مرور می کنیم. در این مثال از اکسیژن به عنوان ردیاب استفاده شده و طیف سنجی جرم یونی ثانویه برای اندازه گیری خواص نفوذی مورد استفاده قرار گرفته است. اکسید زیرکونیم نانوساختار دارای چگالی نسبی حود ۹۷% و متوسط اندازه دانه ۸۰ نانومتر است که توسط فشردن نانوذرات اکسید زیرکنیم در دمای سینترینگ ۹۵۰ تا ۹۷۰ درجه سانتیگراد به مدت ۲ تا ۳ ساعت به دست آمده است. نمودار نفوذ اکسیژن (شکل ۲) دو فرایند نفوذی همزمان را نشان می دهد؛ نفوذ حجمی در دانه ها (Dv) و نفوذ در فصل مشترک دانه ها (DB) . آنالیز نمودارها و داده های نفوذ این ماده نشان می دهد که نفوذ در گستره دمایی ۴۵۰ تا ۹۵۰ درجه سانتیگراد در فصل مشترک یا مرز دانه ها، ۳ تا ۴ برابر بیشتر از نفوذ حجمی است. افزایش عمق نفوذ اکسیژن (شکل ۲) منتج از افزایش دمای آنیل نفوذی است.
در مقایسه با نتایج به دست آمده برای اکسید زیر کنیم، اکسید تیتانیم نیز مورد بررسی قرار گرفته است. اکسید تیتانیم مورد بررسی دارای چگالی نسبی ۹۵% و اندازه دانه حدود ۳۰ نانومتر است که با سینترینگ نانوپودر اکسید تیتانیوم در دمای ۷۵۰ درجه سانتیگراد در فشار ** گیگاپاسکال ************ اکسید تیتانیم نانوساختار، نفوذ اکسیژن بسیار سریع تر از اکسید تیتانیم معمولی است و انرژی فعال سازی نفوذ بسیار کمتری از اکسید تیتانیم معمولی دارد. نفوذ اکسیژن از فصل مشترک در اکسید تیتانیم بسیار سریع تر از اکسید زیر کنیم است.
بنابراین به طور کلی می توان گفت مکانیزم غالب نفوذ در مواد نانوساختار به خاطر درصد حجمی بالای مرز دانه ها در این مواد، نفوذ از طریق مرز دانه هاست و بسیار سریع تر و بیشتر از مواد معمولی و مرسوم است.
خواص مکانیکی مواد نانوساختار
تولید فلزات و آلیاژهای با اندازه دانه در حد ۵۰ تا ۱۰۰ نانومتر باعث دستیابی به موادی با استحکام فوق العاده زیاد خواهد شد. در واقع کوچک کردن دانه ها در مواد، ابزار قدرتمندی برای تولید میکروساختارهای با خواص مکانیکی عالی شناخته شده است.
نکته مهم این است که مکانیزم تغییر شکل و خواص مکانیکی مواد نانوساختار فقط به متوسط اندازه دانه ها بستگی ندارد، بلکه شدیداً به توزیع اندازه دانه ها و ساختار مرز دانه ها وابسته است.
در رابطه با استحکام و سختی مواد، رابطه تجربی هال- پچ (معادله ۳) نشان می دهد که با کاهش اندازه دانه ها، استحکام و سختی ماده افزایش می یابد.
(۳)
در این معادله استحکام تسلیم ماده، تنش اصطکاکی لازم برای به حرکت درآوردن نابجایی ها، K ثابت معادله و d اندازه دانه است. رابطه متشابهی نیز برای سختی مواد بر اساس رابطه هال-

پچ به صورت معادله (۴) وجود دارد:
(۴)
در این معادله H سختی ماده، Kh ثابت هال- پچ، ثابت معادله و d اندازه دانه است.
اما همان طور که از شکل (۳) هم قابل مشاهده است، استحکام مواد با ریز شدن دانه ها تا یک اندازه دانه بحرانی (d¬c)، افزایش می یابد. این اندازه بحرانی برای اکثر مواد، بین ۱۰ تا ۱۵ نانومتر گزارش شده است. با ریزتر شدن اندازه دانه، به اصطلاح شیب نمودار هال- پچ منفی شده و استحکام ماده کاهش می یابد.
به عبارت دیگر با کوچکتر شدن اندازه دانه، زیر ۱۰ نانومتر، استحکام کاهش می یابد. در واقع بیشترین استحکام و سختی ماده زمانی است که اندازه دانه ای حدود ۱۰ تا ۱۵ نانومتر داشته باشد. علت این رفتار هنور مورد بحث جوامع علمی است. اما می توان گفت در مواد نانوساختار با اندازه دانه کمتر از اندازه دانه بحرانی، منابع تولید نابجایی عمل نمی کنند، بنابراین مکانیزم حرکت نابجایی ها و تغییر شکل ماده مختل می شود. به علاوه در گزارشاتی اعلام شده که در موادی با این اندازه دانه، تجمع نابجایی ها دیده نمی شود|v| . در برخی موارد گفته می شود که وقتی اندازه دانه از اندازه دانه بحرانی کمتر شود، مکانیزم خزشی کوبل و یا لغزش مرز دانه ها در تغییر شکل ماده نقش مؤثری دارند.
کاترل، تنش ردیف جلوی نابجایی ها را که در مرز دانه تجمع یافته بودند، محاسبه نمود (شکل ۴). وی دریافت طول نابجایی های تجمع یافته، وابسته به اندازه دانه d است وقتی که تنش تولید شده در اثر تجمع نابجایی ها در دانه مجاور به میزان کافی برای فعال کردن منابع فرانک- ری

د برسد، تسلیم در مرز دانه اتفاق می افتد و این تسلیم در کل ماده رخ می دهد.
با توجه به تئوری کاترل، در اندازه دانه های بسیار ریز (کمی بیشتر از اندازه دانه بحرانی) برای رسیدن به استحکام تئوری ماده، نیاز به تجمع تعداد زیادی نابجایی در مرز دانه هاست تا بتوان منابع فرانک رید را در دانه مجاور فعال نمود.
نیه و وادس ورث، استحکام تسلیم تعداد زیادی فلز نانوساختار را اندازه گیری کردند تا

بدین وسیله بتوانند کوچکترین اندازه دانه لازم برای قرارگیری دو نابجایی را محاسبه کنند (حداقل تعداد نابجایی برای ایجاد یک توده نابجایی دو عدد است)./ مقدار استحکام در موادی با اندازه دانه زیر این مقدار بحرانی، با کاهش بیشتر اندازه دانه، ثابت باقی می ماند و یا حتی کاهش می یابد. این همان اندازه دانه بحرانی است که به آن اشاره شد. مدل های دیگری نیز برای توضیح رفتار هال- پچ در مواد گوناگون ارائه شده اند که از اعتبار کمتری برخوردارند.
اثر توزیع اندازه دانه در استحکام فلزات نانوساختار در مقالات زیادی اشاره شده است. در تمامی این مقالات فرض شده که برای یک تنش اعمالی مشخص، همه دانه هایی که از اندازه بحرانی بزگتر هستند. متحمل تغییر شکل پلاستیک می شوند در حالیکه دانه های کوچکتر در محدوده الاستیک باقی می مانند. شکل (۵) نشان دهنده منحنی های تنش کرنش برای یک متوسط اندازه دانه ثابت، با توزیع اندازه دانه متفاوت است. مشاهده می شود که با کمی تغییر در میزان توزیع و پراکندگی اندازه دانه ها، استحکام تسلیم به اندازه ۲/۰% تغییر می کند.
قبل از این که بتوان مقایسه ای بین اندازه گیری خواص مکانیکی فلزات نانوساختار و پیش بینی های مدل های مختلف داشت، لازم است اطمینان نمود که داده های آزمایشگاهی به علت حضور معایب موجود در نمونه، مخدوش نشده باشند. همانطور که در ابتدای فصل اشاره شد، بیشتر روش های تولید نمونه های نانوساختار منجر به ایجاد معایب ساختاری در این مواد می شود و همان گونه که قبلاً ملاحظه شد میزان توزیع و پراکندگی اندازه دانه ها در خواص مکانیکی ماده اثر گذار است و باید در محاسبات آزمایش منظور گردد. فاکتور دیگری که آزمایش های مکانیکی را ممکن است مخدوش کند، اندازه کوچک بیشتر نمونه های نانوساختار است.
در مقالات مختلف راجع به مواد نانوساختار، چگالی نسبی نمونه بین ۷۰ تا ۹۰% است. تخلخل هم تأثیر زیادی روی مدول الاستیک و دیگر خواص مکانیکی دارد. بنابراین دانستن چگالی و تعداد حفره ها در آزمایش های خواص مکانیکی نمونه ها مهم است.
در مواد نانوساختار معمولاً ۳ نوع تخلخل از نظر اندازه وجود دارد:
۱- نرخ رساندن اتم ها به منطقه فوق اشباع که کندانس شدن در آن جا صورت می گیرد.
۲- حفرات با اندازه متوسط در محل تلاقی ۳ دانه مجاور هم. اندازه این حفرات به اندازه ده ها جای خالی شبکه است.
۳- حفرات بزرگتر که مربوط به عدم وجود دانه ها در مواد نانوساختار است.
با توجه به این دسته بندی، تخلخل های نوع دو و سه نقش اصلی را در کاهش چگالی مواد نانوساختار دارند. میزان این دو نوع تخلخل وابستگی شدیدی به دمای فشرده سازی و سینترینگ مواد نانوساختار دارد. همانطور که در شکل (۶) مشاهده می شود با افزایش دمای فشرده سازی، درصد تخلخل های موجود در ماده کاهش یافته و بنابراین چگالی افزایش می یابد. ساختار مرز دانه در مواد نانوساختار به خاطر حضور حفرات و تخلخل ها، معمولاً در حالت غیر تعادلی و ناپایدار است. اگر ماده نانوساختا با استفاده از روش های تغییر شکل پلاستیکی شدید تولید شده باشد، حاوی

تعداد زیادی نابجایی در نزدیکی مرز دانه هاست. شبیه سازی های انجام شده در تغییر شکل نیکل نانوساختار نشان می دهد که بازیابی مرز دانه به وسیله عملیاتی مثل آنین، منجر به کاهش پلاستیسیته و افزایش استحکام ماده نانوساختار می شود. این در حالی است که در مواد با اند

ازه دانه بزرگتر عکس این مطلب اتفاق می افتد چون دانه ها در این نوع مواد به حالت تعادلی نزدیک تر هستند.
الف- خستگی مواد نانوساختار
همانگونه که ملاحظه شد با کاهش اندازه دانه ها به طور کلی استحکام ماده افزایش می یابد. این امر می تواند باعث افزایش حد تحمل خستگی ماده نیز شود. عمر خستگی مواد در بیشتر موارد توسط جوانه زنی ترک در سطح آزاد ماده تعیین می شود. کوچک شدن اندازه دانه ها سبب کاهش میزان پستی و بلندی های اتمی روی سطح ماده شده و سبب تشکیل سطح آزاد صاف تری در ماده می گردد. بنابراین انتظار می رود با کوچکتر شدن اندازه دانه ها عمر خستگی و حد تحمل ماده بهبود یابد. البته این امر بیشتر در مورد خستگی با سیکل زیاد صادق است. هرچه اندازه دانه کوچکتر شود، رشد ترک درون ماده کندتر خواهد بود چرا که با کوچک شدن اندازه دانه ها، مرز دانه ها افزایش یافته و مسیرهای منحرف کننده ترک درون ماده افزایش یافته و رشد طولی ترک به تأخیر می افتد.
ب- خواص الاستیک فلزات نانوساختار
مطالعات نشان می دهد که مدول الاستیک یا مدول یانگ فلزات نانوساختار *** کوچکی از مدول الاستیک مواد با اندازه دانه بزرگتر است (شکل ۷) محققین *** داده اند که مدول یانگ نمونه سربی با اندازه دانه ۸ نانومتر حدود ۸۸ گیگا پاسکال است (این مقدار برای اندازه دانه بزرگ حدود

۱۲۳ گیگا پاسکال است). البته در برخی مقالات نیز اشاره شده است که خواص الاستیک با کوچک شدن اندازه دانه مواد تغییر زیادی نمی کند. نتایج مطالعات مختلف روی مدول یانگ مواد نانوساختار نشان می دهد که تخلخل های با ابعاد نانومتری فاکتوری مهم در کاهش مقادیر مدول است. بحث درم ورد علت این امر بسیار زیاد است اما گفته می شود که این تخلخل ها همانند ترک هایی درون ماده عمل کرده و مدول الاستیک را کاهش می دهند. شکل (۸) نشان دهنده برون *** مدول یانگ برای میزان تخلخل صفر است که تطابق خوبی با مقادیر متداول دارد.