M.A.H.S.A
11-13-2011, 07:22 PM
چکیده
با توجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم و فنون نانو در کلیه علوم و صنایع توجه بسیاری کمی به کاربردهای این پدیده در صنعت ساختمان و بطور عام در ساخت و ساز شده است. ولی اخیرا با توجه به تقویت کننده ها و استحکام دهنده های نانویی در مصالح ساخت و ساز، موج جدیدی با شتاب فزاینده ای صنعت ساخت و ساز و مهندسی عمران را در برگرفته است.
کربن نانوتیوب ها، استوانه های تو خالی از تک ورقه های گرافیتی هستند که به شکل استوانه پیچیده شده اند، این مواد دارای خواص ساختاری مکانیکی و الکتریکی فوق العاده ای هستند که ناشی از خواص ویژه پیوندهای کربنی و تقارن استوانه ای آنهاست.
در مورد کربن، کربن نانوتیوب ها و کربن فایبرز، خواص، کاربردهای و روش های تولید انواع مختلف آنها و Modify کردن کربن نانوتیوب ها و کربن فایبرز، خواص، کاربردهای و روشهای تولید انواع مختلف آنها و آنها بر حسب نیاز، تحقیقات تاکنون انجام گرفته است و از آنجا که نانو لوله های کربن از کربن گرافیتی ساخته شده اند مقاومت بسیار خوبی در برابر حملات شیمیایی داشته و نیز پایداری حرارتی خیلی خوبی دارند.
در این مقاله سعی شده است تحقیقاتی جامع پیرامون نحوه تولید نانو تیوب ها صورت گیرد و همچنین استفاده کاربردی این علم را در صنعت ساختمان در حوزه سیمان و بتن مورد ارزیابی قرار دهیم.
۱- مقدمه
کربن نانوتیوب ها Carbon Nano Technology (CNT) یکی از مهمترین زمینه های تحقیقاتی در نانوتکنولوژی می باشند. خواص و پتانسیل ویژه و انحصاری آنها برای کاربردهای ارزشمند تجاری، طیف وسیعی از الکترونیک تا کنترل فرایندهای شیمیایی را در برمی گیرد. این امر موجب تلاش بسیار عظیمی جهت تحقیق در مورد نانوتیوب ها در پنج سال اخیر شده است. با توجه به فعالیت های وسیع تحقیقاتی، به پتانسیل کار بردی این تحقیقات در صنعت ساختمان توجه بسیار کمی شده است.
مقاله حاضر سعی در پر کردن شکاف تحقیقاتی بین CNT ، مواد و مصالح ساختمانی دارد. ساختمان، خواص و چگونگی حصول کربن نانوتیوب ها در این مقاله بررسی شده، پتانسیل های کاربردی بطور عام و خاص برای صنعت ساختمان ا رائه شده است. میتوان کربن نانوتیوب ها و انواع اصلاح شده و تغییر شکل یافته گرافیت تصور کرد.
گرافیت از لایه های بسیار زیاد اتم های کربن که به فرم شش گوش بهم متصل و ورقه های مسطحی را تشکیل می دهند شکل گرفته است.
پیوند بین لایه های ضعیف و پیوند کربن اتم ها (داخل لایه ها) قوی می باشند. CNT را می توان ورقه یا ورقه هایی از گرافیت تصور کرد که لوله شده باشند.
CNT می تواند به شکل نانوتیوب های تک جداره (SWNT) مثل یک ورقه لوله شده و یا چند جداره (MWNT) شبیه به چند ورقه که با هم لوله شده باشند، موجود باشد.
CNT با انواع مختلف Chirality (کرلیتی) می تواند تولید شود.
کرلیتی آرایش شش گوشه اتم های کربن است که در جهت محور تیوب فرم گرفته اند. پس ممکن است دو تیوب با قطر یکسان ساختمان متفاوتی داشته باشند، اگرچه منحصرا از اتم های کربن تشکیل شده باشند.
CNT توسط بردار کردن شان تحت عنوان (m,n) شرح داده می شود که m و n اعداد صحیح هستند.
تیوپ (m,0) برای مثال (۱۰۰) یک تیوپ مدل صندلی دسته دار (armchair) را توصیف می کند. که شش گوش ها در تیوپ مستقیما به موازات طولشان درست شبیه دسته های یک صندلی دسته دار امتداد پیدا می کنند. در حالیکه تیوپ با m=n برای مثال ( ۵،۵ ) تیوپ زیگزاگ خوانده می شود، که شش گوش ها به صورت زیگزاگ در طول لوله پایین می روند.
نانوتیوب نمایش داده شده در شکل ۱ نیز یک نانوتیوپ زیگزاگ است. تیوب ها همچنین ممکن است بین این دو منتهی الیه کیرلیتی داشته باشند. مثل تیوپ (۴و۵) که می تواند توسط پیچیدن یک تیوب با بردارهای نشان داده شده در پایین شکل شماره ۲ فرم بگیرد.
۲- روشهای تولید نانوتیوپ (CNT)
سه مسیر مختلف جهت تولید CNT انتخاب شده است [۱]. اولین روش یافته شده، تخلیه قوس الکتریکی (Electric Arc – discharge) را مورد استفاده قرار داده، به نحوی که یک جریان الکتریکی ولتاژ قوی از هوا (یا یک گاز خنثی یا گاز واکنشی) (reactive gas) عبور کرده به الکترود کربنی هدایت می شود.
روشهای دیگر:
Laser Ablation، قطع یا سائیدگی لیزری است که در این روش یک پرتو لیزری قوی مستقیما کربن را هدف قرار می دهد. CVD، Chemical Vapor Deposition)) نشاندن (Deposit) کردن بخارات شیمیایی می باشد، که گازی با پایه کربنی مانند متان را در درجه حرارت‌های بالا و گاهی فشارهای بالا مورد استفاده قرار می دهند.
در تمام سه مورد مختلف، اتم های کربن آزاد انرژی مورد نیاز جهت شکل گیری کربن نانوتیوبها بجای گرافیت یا کربن آمفرف (کربن بی شکل و غیرمتبلور) را تامین می کنند. MWNT بدون حضور کاتالیست بتواند حاصل شود ولی SWNT عموما نیاز به حضور کاتالیست (Transition Metal Cat) فلز انتقالی جهت فرم گرفتن دارند.
کاتالیست ها نوعا بشکل ذرات نانوئی موجود می باشند. تصور می شود اتم های کربن منفرد داخل ذره شده به سطحش نفوذ می کنند جائیکه به تیوب یا تیوب های در حال رشد می پیوندند [۲].
بسته به شکل و سایز ذره و شرایط محیطی موجود، SWNT یا MWNT شکل خواهد گرفت. همچنین طول نهایی CNT به شرایط رشد بستگی دارد. جزئیات بیشتر در مورد سنتز CNT در مرجع [۱] یافت می شود.
حضور کاتالیست جهت تولید CNT منتج به تولید رشته های منظم [۳] CNT یا کریستال‌های منفرد بزرگ متشکل از چندین تیوپ [۴] می شود، البته با کنترل موقعیت کاتالیست بهرحال بیشتر نانوتیوبها به فرم دسته ای یا رشته ای تولید شده، بشکلی که تیوبهای متعدد با نیروهای واندروالس بهم چسبیده اند. بیشتر تصاویر CNT در واقع تصاویر رشته های CNT هستند، فقط AFMها “Atomic Force Microscopes” و میکروسکوپهای الکترونی با قدرت تفکیک پذیری بالا (High resolution) می توانند تصاویر لوله های منفرد را نمایش دهند.
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_01.jpg
شکل ۱ – طرحی از یک نانو تویپ تک جداره
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_02.jpg
شکل ۲ – بردارهای کیرل نانو تیوپ و نمای شماتیک تیوپها از بالا (نقطه های سیاه اتم کربن هستند)
3- خواص CNT
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_07.jpgCNT (http://www.civilmaster.ir/fa/tag/CNT.html) ها (Carbon Nano Technology) خواص ویژه متعددی دارند. طیف رفتار الکترونیکی‌شان به کیرلیتی Chirality آنها بستگی دارد تیوب های مدل صندلی دسته دار، فلزی و انواع دیگر تیوب ها (Semiconductors) نیمه رساناها هستند. بلاوه درجه رسانائی یا نیمه رسانائی توسط doping قابل کنترل است.
بعنوان مثال تحقیق اخیر نشان داده است که حضور اکسیژن بتدریج روی رسانائی (Conductivity) همان CNT اثر می گذارد. تغییرات در اندازه یا تغییر شکل مکانیکی هم روی خواص الکترونیکی آنها موثر است. CNTها همچنین Field Emitters (دستگاه‌های نشر میدانی) با کیفیت بالا هستند.
قرار دادن کربن نانوتیوب در یک میدان الکترونیکی قوی باعث ساتع شدن الکترون‌ها با راندمان بالا بدون آسیب رساندن به تیوب ها می شود خلاصه‌ای از رفتار الکترونیکی کربن نانوتیوبها در مرجع موجود است.
از دید مکانیکی، به نظر می رسد CNT قویترین ماده ای است که تابحال شناخته شده است نتایج عملی نشان داده است که آنها میزانی از الاستیسیتی (قابلیت ارتجاعی) دارند که به مقدار Tpa1 قابل افزایش است. اندازه گیری نهایی Strength & Strain (استحکام کرنش) بسیار مشکل است ولی اندازه گیری Yield Strength (نقطه تسلیم) نانو تیوپ تک جداره SWNT از ۶۳Gpa گزارش شده، و Yield Strains از حدود ۶% یا بیشتر. CNTها بشدت انعطاف پذیرند بطوریکه قابل خم شدن بشکل دایره یا حتی گره خوردن هستند مانند تیوب های میکروسکوپیک، می تواند تحت بارگذاری مناسب مسطح یا Buckle (پیچانده) شوند. مرجع رفتار مکانیکی CNT را خلاصه کرده است.
در مورد رفتار حرارتی CNT کار کمتری انجام شده ولی کار تئوری درست مثل اندازه‌گیری‌های عملی انجام شده روی سوسپانسیون CNT در مایعات اشاره دارد به اینکه ممکن است Thermal conductivity (هدایت حرارتی) آنها هم نزدیک شدن به حد Theoretical مو اد کربنی به نحو توجهی بالا باشد. اگر این تخمین و ارزیابی ها درست باشند، CNT ماده ای است که بیشترین رسانائی حرارتی Thermal conductivity را در دمای اتاق داراست که تابحال شناخته شده است. ویژگی دیگر این است که تصویر می‌رود رسانائی حرارتی CNT در طول تیوب‌ها بیش تر از عرض آنها باشد، در نتیجه پتانسیلی برای موارد ایجاد می شود که خواص هدایت حرارتی anisotropic (ناهمگن) داشته باشند. بهرحال، اندازه گیری‌های مستقیم روی CNT باید این حدسیات را تایید کنید.
۴- کاربردهای CNT
زمینه های کلیدی کاربردهای بالقوه و بالفعل CNT شامل الکترونیک، حسگرها (Sensors)، مواد مصالح ساختمانی، پرکن‌ها (fillers) و مواد ذخیره ای (materials storage) می باشد. بیشترین طیف کاربرد تجاری برای این ماده استفاده از MWNT بعنوان ماده پرکن در کامپوزیت های پلاستیک و رنگ ها می باشد و گاهی بعنوان جایگزین بهبود و اصلاح یافته برای کربن سیاه (carbon black) این بازار به ارزش چندین میلیون دلار برآورد شده است.
توانائی CNT در فلز (Metallic) و نیمه هادی (Semi-Conductor) بودنش، با یک تغییر در ساختمانش بجای تغییر در ترکیباتش، امکانات قابل توجهی برای الکترونیک نانویی Nano-Scale Electronics ایجاد می کند. انواع مختلف ترانزیستورهای CNT و Logic Gates (دریچه های منطقی) قبلا شرح داده شده اند و IC (مدارهای مجتمع) (Integrated Circuits) در حال توسعه و پیشرفت هستند. طبیعت خطی CNT به این معنی است که آنها فایده دیگری نیز دارند و آن اینکه قادرند به عنوان leads (اتصال دهنده) برای دستگاه‌های الکترونیکی عمل کنند به همان نحوی که خود دستگاه ها به یکدیگر در اندازه نانو را تسهیل کند. مرجع پتانسیل کاربردهای الکترونیکی را با جزئیات بیشتر شرح می‌دهد.
یکی از کاربردهای وابسته و احتمالا یکی از اولین مواردی که به بازار راه خواهد یافت تحت عنوان Emitters in Field Displays می باشد. همانطور که قبلا ذکر شد CNT بسیار Effective Field Effect Emitters of Electrons می باشند.
در این کاربرد، الکترون های تولید شده توسط Emitters به طرف مواد فسفری موجود در سطح Display هدایت می شوند که در بازگشت فوتون های مرئی ساتع می کنند. انتظار می رود راندمان و Reliability (ضریب اطمینان) بالای Display, CNT field emitters های ارزانتر با عملکرد فوق العاده را ارائه دهند.
رفتار مکانیکی CNT علاقمندی زیادی جهت استفاده از آنها بعنوان مواد ساختمانی ایجاد کرده است. پتانسیل های استفاده از رشته های CNT هنوز قابل تامل و تعمق بوده در ادامه با جزئیات بیشتر در مورد امکانات کاربردی اش در صنعت ساختمان بحث و بررسی خواهد شد. به نظر می رسد توسعه کوتاه مدت برای کامپوزیت های نانوتیوب با توجه به پتانسیل فعلی آنها، عملی تر باشد، چون طول تیوبی که در حال حاضر ساخته می شود نیز برای این منظور مناسبتر است. CNT همچنین به علت استحکام و Aspect Ratios (نسبت طول به عرض) فوق العاده زیادشان بسیار به تقویت کننده های ایده ال نزدیک اند. در نتیجه، تحقیق در چنین کاربردی به نحو شایانی، بخصو ص با تاکید بر کامپیوزیت های پلیمری، مورد توجه قرار گرفته.
متاسفانه رفتار کامپوزیت تاکنون عملکرد مورد انتظار را نداشته است. دو مسئله مشترک و معمولی برای کلیه کاربردهای کامپیوزیت های CNT وجود دارد. ابتدا پراکندگی و تفرق CNT در Matrix (ماده زمینه ای) مواد مورد سوال است. Dispersion (پراکندگی) از همان ساده پودر نانوتیوب ها در Matrix مواد مایع بسیار پیچیده تر است.
کربن نانوتیوب ها بعد از خالص سازی بعلت وجود نیروهای واندروالس مایلند به یکدیگر بپیوندند، دستیابی و بوجود آوردن توزیع Even (درست و یکنواخت) از تیوب های تک آشکارا مشکل است. این تلاش به روش های مختلفی صورت گرفته است.
کارهای اولیه مستلزم وظیفه مند کردن (functionalizing) تیوب ها بوده در حالیکه تحقیقات بعدی فقط استفاده از سورفکتنت ها و sonication (همزدن صوتی) را نیاز دارد. (برای مثال استفاده از سیستم Pzeio Electric جهت دادن انرژی صوتی به نانوتیوب ها در محیط مایع).
انرژی صوتی دسته های نانوتیوب را تفکیک کرده تیوب ها را پراکنده می کند و سوفکتنت به جدا و پراکنده ماندن تیوب ها کمک و باعث ابقا آنها می شود. تیوبهای متفرق شده داخل matrix عموما تحت sonication مداوم همزده می شو ند مسئله دوم دستیابی به Bonding (پیوند) مناسب CNT-matrix می باشد. نمونه کامپوزیت های پلیمری CNT عقب نشینی Ffiber (رشته) را زیر بارهای کم نشان می دهد و در نهایت دوام و استحکام بالا قابل دستیابی نیست، تحقیقات جهت غلبه به این مورد ادامه دارد.
همچنین کوشش‌هائی جهت ا یجاد و توسعه کامپوزیتهای فلز CNT و سرامیک CNT انجام گرفته است. علاوه بر مسائل مشابهی مانند آنچه کامپوزیتهای پلیمری با آن مواجهند، متعاقبا به علت نیاز به دماهای بالاتر جهت Sinter کردن متریکس مواد به دشواری‌ها و پیچیدگی‌ها افزوده می شود. بهرحال، به نظر می‌رسد کامپوزیتهای آلومینیوم formation carbide ،CNT دیده شده در کامپوزیتهای Carbon Fiber را تجزیه و تحمل کنند. در مقاله ای جدید یک تکنیک موفق جهت تهیه سرامیک آلومینای تقویت شده توضیح داده شده است در این کار شربت (خمیر با ویسکوزیته کم slurry) آلومینا – اتانل به CNT متفرق (disperse) شده در اتانل افزوده می شود. پودر حاصله قبل از spark sintering (منعقد شدن و بهم چسبیدن توسط جرقه) الک و آسیاب (ball mill) می شود.
مراحل ابتدائی CNT درست و یکنواخت توزیع شده را تولید می کند، در حالیکه روش sintering یک ماده کاملا چگال را ارائه می دهد، همچنین ذرات نانومتریک در الومینا حفظ شده از آسیب رساندن به CNT ممانعت بعمل می‌اید. این روش برای توسعه کامپوزیت های سرامیکی آینده بسیار نوید بخش به نظر می رسد.
زمینه های کاربردی متعدد و بسیار مهم دیگری نیز وجود دارد برای مثال بعنوان حسگرها (Sensors) برای ذخیره و کنترل کاتالیست ها و یا بعنوان نوک (tips) برای AFMها (Atomic force micsopes) در زمینه های ذخیره سازی هیدروژن پیشرفت موفقیت آمیز کمتری وجود داشته است. تحقیقات اخیر چنین نشان می دهد که بعید به نظر می رسد CNT ابراز موثری جهت ذخیره سازی باشد، در حالیکه کارهای اولیه نوید ذخیره سازی بسیار بالای وزنی را می داد.
وسعت کاربردها برای CNT بستگی به بهبود و پیشرفت روش های سنتر دارد. کاهش قیمت ها یک عامل بسیار مهم است، ولی توانائی تولید منظم و مداوم تیوب های با طول زیاد و Chirality مشخص، رشته ها یا تیوبهای تک که بسیار متناسب و مطلوب باشند و تیوبهای با خواص الکترونیکی ویژه، تماما برای کاربردهای مختلف تجاری لازم خواهد بود. در حال حاضر به نظر می رسد displays field emission احتمالا اولین استفاده کننده گسترده از CNT ورای کاربرد جاری MWNT بعنوان مواد پرکن باشند. کاربردهای دیگر بستگی به تحقیقات بعدی در مورد خود کاربردها و پیشرفت های اساسی در روشهای سنتز CNT خواهد داشت.
۵- کاربردهای کربن نانوتیوب ها در صنعت ساختمان
همانطور که بسیاری از کاربردهای CNT برای بیشتر صنایع بسط و توسعه یافته برای صنعت ساختمان نیز کاربردهایی خواهد یافت، حداقل سه عرصه گسترده تحقیقاتی وجود دارد که منجر به تولید محصولاتی منحصرا و مشخصا مورد نیاز ساختمان خواهد بود. این زمینه های تحقیقاتی شامل ساخت کامپوزیت های CNT با مواد و مصالح ساختمانی موجود، استفاده از رشته ها و ریسمان های CNT بعنوان اجزاء ساخت و سیستم های انتقال حرارت CNT بعلت دوام و استحکام فوق العاده، سختی و aspect ratio بسیار بالا تقویت کننده های بسیار عالی هستند. پلیمر، سیمان و شیشه همگی کاندیدهای بالقوه ای برای مواد ماتریکس CNT هستند. در مورد کامپوزیت های پلیمر – CNT صحبت شد. در ادامه کامپوزیت های سیمان – CNT با جزئیات بیشتر شرح داده خواهند شد.
شیشه تقویت شده با CNT یا نانوفایبرهای دیگر بعلت امکان توانائی نانو فایبرها یا نانو تیوب ها در جهت تقویت استحکام بدون مزاحمت در انتقال نور مورد توجه اند.
بهرحال، کار کمی روی رفتار اپتیکی (نوری) نانوفایبرها از این منظور انجام شده، موفقیت این دیدگاه درعمل مشخص خواهد شد.
تولید CNT های بلندتر که بتوانند به فرم ریسمان در آینده امکانات بدیهی و واضحی برای کاربردهای مثل پل های معلق (suspension bridges) ایجاد خواهد کرد. استحکام و الاستیسیتی CNT امکان طراحی Spans (طلق ها و پله ای) بطور قابل توجهی بلندتر از چیزی که تکنولوژی موجود ممکن می سازد را بوجود خواهد آورد.
همچنین استفاده از ریسمان های CNT در ساختمان های بتن بهسازی شده ممکن است عملی نباشد. کربن نانو تیوب ها همچنین بعنوان موادی برای ساخت ساختارهای خیلی بزرگ – space based مثل بالابرهای فضائی مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند.
این سیستم های کابلی قابلیت تئوریکی رسیدن به ماوراء Geo Synchronous orbits از سطح زمین را دارند. اتاقک های بالابر همزمان بالا و پایین می روند و کابل امکان انتقال بار از فضا به زمین و بالعکس را با کمترین انرژی فراهم خواهد ساخت. باید دید چنین ساختارهایی امکان طراحی و ساخت خواهند یافت یا خیر، چنین به نظر می رسد که CNT تنها ماده ای است که تحمل کلان ساختمانی بارهای لازم را خواهد داشت.
هدایت حرارتی کربن نانو تیوب های کاربردهای دیگری نیز ارائه می دهد. از آنجائیکه دانسیته مناسب از کربن نانو تیوب ها می توانند قادر به هدایت سریع حرارت از سطح تماس به حفره های حرارتی (Heat Sinks) باشند امکان تحقق کامپوزیت مواد اصلاح شده از نظر مقاومت حرارتی مطرح می گردد. همچنین بعدها ممکن است توسعه مواد عایق کننده و لوله های حرارتی، بهره مندی از اختلاف هدایت حرارتی در طول و عرض لوله ها را تحقق بخشد. یکی از کاربردها می تواند گرم کردن ساختمان ها باشد که جایگزین سیستم های بر مبنای مایع موجود، برای گرما دهی طبقات خواهند شد.
۶- سیمان و کربن نانو تیوب‌ها
سیستم های بتن و سیمان پتانسیل جالبی بعنوان مواد CNT دار ند. سیمان قبلا بعنوان ماتریکس مواد برای فایبرهای کربن و فولاد با قطرهای میکرومتری مورد استفاده قرار گرفته بود. انتظار می رود CNT در مقایسه با این نوع فایبرها فواید مشخص بیشتری داشته باشند.
ابتدا، به این علت که CNT استحکام بیشتری از دیگر فایبرها دارند که در کل رفتار مکانیکی را بهبود خواهند بخشید.
ثانیا CNTها aspect ratios بالاتری دارند و انرژی بسیار زیادی جهت انتشار شکاف دور لوله نیاز دارند. بالعکس در مقایسه با عرض لوله که موردی خواهد بود برای فایبرهای با aspect ratio پایین تر
ثالثا CNT با قطرهای کوچکتر در ماتریکس سیمان بطور گسترده ای با فاصله کمتر فایبرها از هم می توانند توزیع شوند، فعل و انفعالات و اثر متقابل شان با ماتریکس سیمان در مقایسه با فایبرهای بزرگتر نیز متفاوت خواهند بود. CNT با قطرهای نزدیک به اندازه ضخامت لایه های هیدراته سیمان C.S.H، رفتار بسیار متفاوتی میتوانند نشان می دهند مانند مکانیزم های متفاوت باندینگ (bonding).
در نهایت کربن نانوتیوب ها می توانند طوری وظیفه مند شوند که بطور شیمیایی با اجزاء و ترکیبات سیمان واکنش دهند و مسیر را برای فرم های دیگر فعال و انفعالی و کنترل مناسب سیستم سیمان بسط و بهبود بخشند.
مانند دیگر کامپوزیت های CNT، مسائل عمده جهت نائل آمدن بر تهیه کامپوزیت های سیمان – CNT با کیفیت بالا، توزیع CNT در سیمان و حصول باندینگ مناسب بین دو ماده می باشد.
یک راه پراکنده (disperse) کردن CNT در surfactant است که آب با حلال دیگری مخلوط باشد، همانطور که در کامپوزیت های پلیمری بسیار معمول است استفاده از سوپرپلاستی سایزرها برای بهبودی عملکرد بتن کاملا روشن است.
تحقیقات اولیه در شورای تحقیقات ملی کانادا نشان داد که مقادیر کم CNT می توانند در آب حاوی ۵% سوپر پلاستی سایزر به روش sonication پراکنده شوند. (Eucon 37, Euclid Admixtures Canada, inc) بهر حال روشن نیست که آیا مقدار لازم و کافی می تواند در این محیط پراکنده شود تا بتواند به میزان ۲-۱۰ درصد غلظت CNT برسد، که این امر ظاهرا جهت عملکرد مناسب مکانیکی در دیگر کامپوزیتهای سرامیکی لازم است. کارهای بیشتری جهت پاسخگویی به این سوال باید انجام گیرد.
راه دوم پیگیری مسیری است که جهت بهسازی کامپوزیتهای آلومینا – CNT انجام شده. در این روش CNT در اتانل تحت Sonication پراکنده میشوند. نتایج اولیه این روش در مقاله حاضر ارائه شده است.
مقداری برابر ۰٫۰۰۷ gr ، CNT تولید تجاری (کربن نانوتیوب های تک جداره ۱٫۴nm تولیدی Carbon Nano Technology Ins) و نوع خالص آن تحت عنوان “Bucky pearls” (به مدت ۲ ساعت در اتانل با توان (Power) کم Sonicate شد.
سپس پودر سیمان معمولی پرتلند ۰٫۴۳gr به مایع افزوده شد تا Slurry سیمان – CNT – اتانل تشکیل شود. در ادامه Slutty به مدت ۵ ساعت مجددا Sonicate شد. در مرحله بعد اتانل تبخیر شده یک ورق نازک و شکننده سیمان – CNT مرکب از کربن نانو تیوب های متصل به ذرات سیمان بجا می ماند که هر کدام ساختی متخلخل دارند. لازم به ذکر است که پروسس Sonication و تبخیر ظاهرا روی شکل و ترکیب (مرفولژی) سطح بعضی از ذرات سیمان اثر گذاشته شکل ظاهر آنها را سخت تر می کند. اثر دیگر Sonication جداسازی و تفکیک ذرات می باشد به صورتیکه ذرات بسیار ریز سیمان در محدوده سطح کاغذ CNT به تله افتاده ذرات بلندتر در عمق کاغذ نشست می کنند. سپس قسمتی از کاغذ سیمان – CNT توسط هاون آسیاب شده تا مواد تفکیک شده، بتوان ذرات تک سیمان را آزمایش و بررسی کرد.
کاغذ و پودر آسیاب شده هر دو با استفاده از SEM، (Hitachi S 48001 cold field emission gun scanning electron micros cope) با بزرگنمایی متوسط تا بسیار زیاد (X200000 – X54000) آزمایش شدند.
شکل ۳ دو عکس از سطح خارجی کاغذ سیمان – CNT را نشان می دهد. نمودار اندازه در عکس ها مقیاس را به دهم مقدار معین شده تقسیم کرده و ضخامت خطوط که نمودار مقیاس را تشکیل داده صدم مقدار نشان داده شده می باشد. در این ناحیه ساختاری متخلخل وجود دارد و پیداست که فرایند Sonication یا کربن نانو تیوب ها را کاملا پراکنده (Disperse) نکرده یا اینکه در زمان تبخیر دوباره بهم متصل شده اند. ذرات سیمان بهم و CNT های متعدد وصل شده اند. ذره میانی با دسته های تیوب با قطرهای مختلف پوشش داده شده است. ضمنا در این عکس ها دیدن CNT تک بسیار مشکل و یا غیرممکن است. این میکروسکوپ قادر به نمایش ساختارهایی به کوچکی ۱۰nm می باشد. بنابراین به نظر می رسد محلی که در قسمت پایین شکل ۳ با فلش نشان داده شده دسته هایی کوچک از CNT باشند. شکل ۴ ذره مشابهی را نشان می دهد که یک دسته CNT ذره را قطع کرده و در وسط ذره ناپدید می شوند. این تیوب ها در عرض سطح گسترده شده اند. طوریکه تیوب های تک پایین‌تر از قدرت تفکیک و دقت SEM قرار می گیرد.
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_03.jpg
شکل ۳ – کاغذ یا ورق سمان – CNT هیدراته نشده
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_04.jpg
شکل ۴ – ذره کوچک سیمان با نانو تیوب های متصل به آن
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_05.jpg
شکل ۵ – کربن نانو تیوب های توزیع شده روی ذرات سیمان بزرگ
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_06.jpg
شکل ۶ – کربن نانو تیوبهای توزیع شده روی ذرات کوچک سیمان
شکل ۶ و ۵ ذرات پودر سیمان را نشان می دهد که بخوبی با دسته ای CNT پوشش داده شده اند. البته بعد از اینکه کاغذ CNT توسط آسیاب دستی خرد شد.
شکل ۵ دو عکس از ذره های بزرگتر سیمان را نشان می دهد.
شکل ۶ انباشتگی ذرات کوچکتر را نشان می دهد. در هر دو مورد تعداد بسیار زیادی CNT روی سطوح ذرات دیده می شود. در شکل ۶ همچنین می توان شکافته و جدا شدن کربن نانو تیوب ها را دسته های بزرگتر به شکل حلقه ای یا ساختارهای دیگر دید. در شکل ۵ مشاهده می شود نانو تیوب های بیشتری روی سطح ذره قرار گرفته‌اند. در حالیکه نانو تیوبهای روی ذرات کوچکتر عمدتا در یک انتها جمع شد هاند.
۷- بحث و نتیجه گیری
کربن نانو تیوب ها یکی از مهمترین موادی هستند که جهت کاربردهای نانوتکنولوژی مورد بحث و بررسی قرار دارند. خواص ویژه آنها طیف گسترده ای را در برمی گیرد، از استحکام فوق العاده زیادشان تا رفتار غیرمعمول الکترونیکی، هدایت حرارتی بالا، قابلیت ذخیره و نگهداری ذرات نانوئی داخل تیوب ها، پتانسیل کاربردهای فراوان کربن نانوتیوب ها و خواص ویژه آنها باعث سعی و تلاش بسیار زیادی در زمینه های مختلف علمی و مهندسی شده است. همانند مورد تکنولوژی ترانزیستور سیلیکن، این کاربردها به موقع رشد خواهند یافت، در صورتیکه به موازات توانایی تولید صنعتی، ساخت استادانه CNT و درک فیزیک CNT بسط و ادامه یابد.
کاربردهای CNT در صنعت ساختمان، طیف وسیعی از کامپوزیت مواد تا ترکیبات و اجزاء با استحکام بالای ساختاری و تکنولوژی انتقال حرارت را در برمی گیرد.کامپوزیتهای CNT با بتن و سیمان آشکارا پتانسیل فوق العاده قوی دارند. زیرا CNT هم به عنوان یک ماده تقویت کننده تقریبا ایده آل عمل می کند. و هم قطرهایی شبیه به اندازه لای ههای کلسیم – سیلیکات – هیدرات دارد.
تحقیق اخیر نشان می دهد که با استفاده از تکنیک اتانل – Sonication میتوان دسته های CNT را در عرض ذرات پخش کرد. کارهای بعدی فعل و انفعال بین CNT و سیمان هیدراته مثل عملکرد مکانیکی کامپیوزیت های سیمان – CNT را بررسی خواهد کرد.
۸- مراجع
۱- کتاب نانو تکنولوژی، آیینه تکنولوژی آفرینش، دفتر همکاریهای فن آوری ریاست جمهور کمیته. مطالعات سیاست نانو تکنولوژی، ۱۳۸۰
۲- برنامه پیشگامی ننوتکنولوژی، پیش بسوی انقلاب صنعتی بعدی، گزارش از گروه کاری فرابخش در. علوم، تهران آتنا، ۱۳۸۰
۳- حسین پور. پریوش، کربن نانوتیوبها و کاربردشان در صنعت، ترجمه.
۴- Engines of Creation / K. Eric Drexler, An chor books editions, U.S.A,1990.
5- Dai,H., “Nanotube Growth and cterization” in Carbon Nanotubes: sythesis, structure, properties and Applications, ms. Dressel haves, Bergin 2001.
سورد:dlbook.net
با توجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم و فنون نانو در کلیه علوم و صنایع توجه بسیاری کمی به کاربردهای این پدیده در صنعت ساختمان و بطور عام در ساخت و ساز شده است. ولی اخیرا با توجه به تقویت کننده ها و استحکام دهنده های نانویی در مصالح ساخت و ساز، موج جدیدی با شتاب فزاینده ای صنعت ساخت و ساز و مهندسی عمران را در برگرفته است.
کربن نانوتیوب ها، استوانه های تو خالی از تک ورقه های گرافیتی هستند که به شکل استوانه پیچیده شده اند، این مواد دارای خواص ساختاری مکانیکی و الکتریکی فوق العاده ای هستند که ناشی از خواص ویژه پیوندهای کربنی و تقارن استوانه ای آنهاست.
در مورد کربن، کربن نانوتیوب ها و کربن فایبرز، خواص، کاربردهای و روش های تولید انواع مختلف آنها و Modify کردن کربن نانوتیوب ها و کربن فایبرز، خواص، کاربردهای و روشهای تولید انواع مختلف آنها و آنها بر حسب نیاز، تحقیقات تاکنون انجام گرفته است و از آنجا که نانو لوله های کربن از کربن گرافیتی ساخته شده اند مقاومت بسیار خوبی در برابر حملات شیمیایی داشته و نیز پایداری حرارتی خیلی خوبی دارند.
در این مقاله سعی شده است تحقیقاتی جامع پیرامون نحوه تولید نانو تیوب ها صورت گیرد و همچنین استفاده کاربردی این علم را در صنعت ساختمان در حوزه سیمان و بتن مورد ارزیابی قرار دهیم.
۱- مقدمه
کربن نانوتیوب ها Carbon Nano Technology (CNT) یکی از مهمترین زمینه های تحقیقاتی در نانوتکنولوژی می باشند. خواص و پتانسیل ویژه و انحصاری آنها برای کاربردهای ارزشمند تجاری، طیف وسیعی از الکترونیک تا کنترل فرایندهای شیمیایی را در برمی گیرد. این امر موجب تلاش بسیار عظیمی جهت تحقیق در مورد نانوتیوب ها در پنج سال اخیر شده است. با توجه به فعالیت های وسیع تحقیقاتی، به پتانسیل کار بردی این تحقیقات در صنعت ساختمان توجه بسیار کمی شده است.
مقاله حاضر سعی در پر کردن شکاف تحقیقاتی بین CNT ، مواد و مصالح ساختمانی دارد. ساختمان، خواص و چگونگی حصول کربن نانوتیوب ها در این مقاله بررسی شده، پتانسیل های کاربردی بطور عام و خاص برای صنعت ساختمان ا رائه شده است. میتوان کربن نانوتیوب ها و انواع اصلاح شده و تغییر شکل یافته گرافیت تصور کرد.
گرافیت از لایه های بسیار زیاد اتم های کربن که به فرم شش گوش بهم متصل و ورقه های مسطحی را تشکیل می دهند شکل گرفته است.
پیوند بین لایه های ضعیف و پیوند کربن اتم ها (داخل لایه ها) قوی می باشند. CNT را می توان ورقه یا ورقه هایی از گرافیت تصور کرد که لوله شده باشند.
CNT می تواند به شکل نانوتیوب های تک جداره (SWNT) مثل یک ورقه لوله شده و یا چند جداره (MWNT) شبیه به چند ورقه که با هم لوله شده باشند، موجود باشد.
CNT با انواع مختلف Chirality (کرلیتی) می تواند تولید شود.
کرلیتی آرایش شش گوشه اتم های کربن است که در جهت محور تیوب فرم گرفته اند. پس ممکن است دو تیوب با قطر یکسان ساختمان متفاوتی داشته باشند، اگرچه منحصرا از اتم های کربن تشکیل شده باشند.
CNT توسط بردار کردن شان تحت عنوان (m,n) شرح داده می شود که m و n اعداد صحیح هستند.
تیوپ (m,0) برای مثال (۱۰۰) یک تیوپ مدل صندلی دسته دار (armchair) را توصیف می کند. که شش گوش ها در تیوپ مستقیما به موازات طولشان درست شبیه دسته های یک صندلی دسته دار امتداد پیدا می کنند. در حالیکه تیوپ با m=n برای مثال ( ۵،۵ ) تیوپ زیگزاگ خوانده می شود، که شش گوش ها به صورت زیگزاگ در طول لوله پایین می روند.
نانوتیوب نمایش داده شده در شکل ۱ نیز یک نانوتیوپ زیگزاگ است. تیوب ها همچنین ممکن است بین این دو منتهی الیه کیرلیتی داشته باشند. مثل تیوپ (۴و۵) که می تواند توسط پیچیدن یک تیوب با بردارهای نشان داده شده در پایین شکل شماره ۲ فرم بگیرد.
۲- روشهای تولید نانوتیوپ (CNT)
سه مسیر مختلف جهت تولید CNT انتخاب شده است [۱]. اولین روش یافته شده، تخلیه قوس الکتریکی (Electric Arc – discharge) را مورد استفاده قرار داده، به نحوی که یک جریان الکتریکی ولتاژ قوی از هوا (یا یک گاز خنثی یا گاز واکنشی) (reactive gas) عبور کرده به الکترود کربنی هدایت می شود.
روشهای دیگر:
Laser Ablation، قطع یا سائیدگی لیزری است که در این روش یک پرتو لیزری قوی مستقیما کربن را هدف قرار می دهد. CVD، Chemical Vapor Deposition)) نشاندن (Deposit) کردن بخارات شیمیایی می باشد، که گازی با پایه کربنی مانند متان را در درجه حرارت‌های بالا و گاهی فشارهای بالا مورد استفاده قرار می دهند.
در تمام سه مورد مختلف، اتم های کربن آزاد انرژی مورد نیاز جهت شکل گیری کربن نانوتیوبها بجای گرافیت یا کربن آمفرف (کربن بی شکل و غیرمتبلور) را تامین می کنند. MWNT بدون حضور کاتالیست بتواند حاصل شود ولی SWNT عموما نیاز به حضور کاتالیست (Transition Metal Cat) فلز انتقالی جهت فرم گرفتن دارند.
کاتالیست ها نوعا بشکل ذرات نانوئی موجود می باشند. تصور می شود اتم های کربن منفرد داخل ذره شده به سطحش نفوذ می کنند جائیکه به تیوب یا تیوب های در حال رشد می پیوندند [۲].
بسته به شکل و سایز ذره و شرایط محیطی موجود، SWNT یا MWNT شکل خواهد گرفت. همچنین طول نهایی CNT به شرایط رشد بستگی دارد. جزئیات بیشتر در مورد سنتز CNT در مرجع [۱] یافت می شود.
حضور کاتالیست جهت تولید CNT منتج به تولید رشته های منظم [۳] CNT یا کریستال‌های منفرد بزرگ متشکل از چندین تیوپ [۴] می شود، البته با کنترل موقعیت کاتالیست بهرحال بیشتر نانوتیوبها به فرم دسته ای یا رشته ای تولید شده، بشکلی که تیوبهای متعدد با نیروهای واندروالس بهم چسبیده اند. بیشتر تصاویر CNT در واقع تصاویر رشته های CNT هستند، فقط AFMها “Atomic Force Microscopes” و میکروسکوپهای الکترونی با قدرت تفکیک پذیری بالا (High resolution) می توانند تصاویر لوله های منفرد را نمایش دهند.
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_01.jpg
شکل ۱ – طرحی از یک نانو تویپ تک جداره
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_02.jpg
شکل ۲ – بردارهای کیرل نانو تیوپ و نمای شماتیک تیوپها از بالا (نقطه های سیاه اتم کربن هستند)
3- خواص CNT
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_07.jpgCNT (http://www.civilmaster.ir/fa/tag/CNT.html) ها (Carbon Nano Technology) خواص ویژه متعددی دارند. طیف رفتار الکترونیکی‌شان به کیرلیتی Chirality آنها بستگی دارد تیوب های مدل صندلی دسته دار، فلزی و انواع دیگر تیوب ها (Semiconductors) نیمه رساناها هستند. بلاوه درجه رسانائی یا نیمه رسانائی توسط doping قابل کنترل است.
بعنوان مثال تحقیق اخیر نشان داده است که حضور اکسیژن بتدریج روی رسانائی (Conductivity) همان CNT اثر می گذارد. تغییرات در اندازه یا تغییر شکل مکانیکی هم روی خواص الکترونیکی آنها موثر است. CNTها همچنین Field Emitters (دستگاه‌های نشر میدانی) با کیفیت بالا هستند.
قرار دادن کربن نانوتیوب در یک میدان الکترونیکی قوی باعث ساتع شدن الکترون‌ها با راندمان بالا بدون آسیب رساندن به تیوب ها می شود خلاصه‌ای از رفتار الکترونیکی کربن نانوتیوبها در مرجع موجود است.
از دید مکانیکی، به نظر می رسد CNT قویترین ماده ای است که تابحال شناخته شده است نتایج عملی نشان داده است که آنها میزانی از الاستیسیتی (قابلیت ارتجاعی) دارند که به مقدار Tpa1 قابل افزایش است. اندازه گیری نهایی Strength & Strain (استحکام کرنش) بسیار مشکل است ولی اندازه گیری Yield Strength (نقطه تسلیم) نانو تیوپ تک جداره SWNT از ۶۳Gpa گزارش شده، و Yield Strains از حدود ۶% یا بیشتر. CNTها بشدت انعطاف پذیرند بطوریکه قابل خم شدن بشکل دایره یا حتی گره خوردن هستند مانند تیوب های میکروسکوپیک، می تواند تحت بارگذاری مناسب مسطح یا Buckle (پیچانده) شوند. مرجع رفتار مکانیکی CNT را خلاصه کرده است.
در مورد رفتار حرارتی CNT کار کمتری انجام شده ولی کار تئوری درست مثل اندازه‌گیری‌های عملی انجام شده روی سوسپانسیون CNT در مایعات اشاره دارد به اینکه ممکن است Thermal conductivity (هدایت حرارتی) آنها هم نزدیک شدن به حد Theoretical مو اد کربنی به نحو توجهی بالا باشد. اگر این تخمین و ارزیابی ها درست باشند، CNT ماده ای است که بیشترین رسانائی حرارتی Thermal conductivity را در دمای اتاق داراست که تابحال شناخته شده است. ویژگی دیگر این است که تصویر می‌رود رسانائی حرارتی CNT در طول تیوب‌ها بیش تر از عرض آنها باشد، در نتیجه پتانسیلی برای موارد ایجاد می شود که خواص هدایت حرارتی anisotropic (ناهمگن) داشته باشند. بهرحال، اندازه گیری‌های مستقیم روی CNT باید این حدسیات را تایید کنید.
۴- کاربردهای CNT
زمینه های کلیدی کاربردهای بالقوه و بالفعل CNT شامل الکترونیک، حسگرها (Sensors)، مواد مصالح ساختمانی، پرکن‌ها (fillers) و مواد ذخیره ای (materials storage) می باشد. بیشترین طیف کاربرد تجاری برای این ماده استفاده از MWNT بعنوان ماده پرکن در کامپوزیت های پلاستیک و رنگ ها می باشد و گاهی بعنوان جایگزین بهبود و اصلاح یافته برای کربن سیاه (carbon black) این بازار به ارزش چندین میلیون دلار برآورد شده است.
توانائی CNT در فلز (Metallic) و نیمه هادی (Semi-Conductor) بودنش، با یک تغییر در ساختمانش بجای تغییر در ترکیباتش، امکانات قابل توجهی برای الکترونیک نانویی Nano-Scale Electronics ایجاد می کند. انواع مختلف ترانزیستورهای CNT و Logic Gates (دریچه های منطقی) قبلا شرح داده شده اند و IC (مدارهای مجتمع) (Integrated Circuits) در حال توسعه و پیشرفت هستند. طبیعت خطی CNT به این معنی است که آنها فایده دیگری نیز دارند و آن اینکه قادرند به عنوان leads (اتصال دهنده) برای دستگاه‌های الکترونیکی عمل کنند به همان نحوی که خود دستگاه ها به یکدیگر در اندازه نانو را تسهیل کند. مرجع پتانسیل کاربردهای الکترونیکی را با جزئیات بیشتر شرح می‌دهد.
یکی از کاربردهای وابسته و احتمالا یکی از اولین مواردی که به بازار راه خواهد یافت تحت عنوان Emitters in Field Displays می باشد. همانطور که قبلا ذکر شد CNT بسیار Effective Field Effect Emitters of Electrons می باشند.
در این کاربرد، الکترون های تولید شده توسط Emitters به طرف مواد فسفری موجود در سطح Display هدایت می شوند که در بازگشت فوتون های مرئی ساتع می کنند. انتظار می رود راندمان و Reliability (ضریب اطمینان) بالای Display, CNT field emitters های ارزانتر با عملکرد فوق العاده را ارائه دهند.
رفتار مکانیکی CNT علاقمندی زیادی جهت استفاده از آنها بعنوان مواد ساختمانی ایجاد کرده است. پتانسیل های استفاده از رشته های CNT هنوز قابل تامل و تعمق بوده در ادامه با جزئیات بیشتر در مورد امکانات کاربردی اش در صنعت ساختمان بحث و بررسی خواهد شد. به نظر می رسد توسعه کوتاه مدت برای کامپوزیت های نانوتیوب با توجه به پتانسیل فعلی آنها، عملی تر باشد، چون طول تیوبی که در حال حاضر ساخته می شود نیز برای این منظور مناسبتر است. CNT همچنین به علت استحکام و Aspect Ratios (نسبت طول به عرض) فوق العاده زیادشان بسیار به تقویت کننده های ایده ال نزدیک اند. در نتیجه، تحقیق در چنین کاربردی به نحو شایانی، بخصو ص با تاکید بر کامپیوزیت های پلیمری، مورد توجه قرار گرفته.
متاسفانه رفتار کامپوزیت تاکنون عملکرد مورد انتظار را نداشته است. دو مسئله مشترک و معمولی برای کلیه کاربردهای کامپیوزیت های CNT وجود دارد. ابتدا پراکندگی و تفرق CNT در Matrix (ماده زمینه ای) مواد مورد سوال است. Dispersion (پراکندگی) از همان ساده پودر نانوتیوب ها در Matrix مواد مایع بسیار پیچیده تر است.
کربن نانوتیوب ها بعد از خالص سازی بعلت وجود نیروهای واندروالس مایلند به یکدیگر بپیوندند، دستیابی و بوجود آوردن توزیع Even (درست و یکنواخت) از تیوب های تک آشکارا مشکل است. این تلاش به روش های مختلفی صورت گرفته است.
کارهای اولیه مستلزم وظیفه مند کردن (functionalizing) تیوب ها بوده در حالیکه تحقیقات بعدی فقط استفاده از سورفکتنت ها و sonication (همزدن صوتی) را نیاز دارد. (برای مثال استفاده از سیستم Pzeio Electric جهت دادن انرژی صوتی به نانوتیوب ها در محیط مایع).
انرژی صوتی دسته های نانوتیوب را تفکیک کرده تیوب ها را پراکنده می کند و سوفکتنت به جدا و پراکنده ماندن تیوب ها کمک و باعث ابقا آنها می شود. تیوبهای متفرق شده داخل matrix عموما تحت sonication مداوم همزده می شو ند مسئله دوم دستیابی به Bonding (پیوند) مناسب CNT-matrix می باشد. نمونه کامپوزیت های پلیمری CNT عقب نشینی Ffiber (رشته) را زیر بارهای کم نشان می دهد و در نهایت دوام و استحکام بالا قابل دستیابی نیست، تحقیقات جهت غلبه به این مورد ادامه دارد.
همچنین کوشش‌هائی جهت ا یجاد و توسعه کامپوزیتهای فلز CNT و سرامیک CNT انجام گرفته است. علاوه بر مسائل مشابهی مانند آنچه کامپوزیتهای پلیمری با آن مواجهند، متعاقبا به علت نیاز به دماهای بالاتر جهت Sinter کردن متریکس مواد به دشواری‌ها و پیچیدگی‌ها افزوده می شود. بهرحال، به نظر می‌رسد کامپوزیتهای آلومینیوم formation carbide ،CNT دیده شده در کامپوزیتهای Carbon Fiber را تجزیه و تحمل کنند. در مقاله ای جدید یک تکنیک موفق جهت تهیه سرامیک آلومینای تقویت شده توضیح داده شده است در این کار شربت (خمیر با ویسکوزیته کم slurry) آلومینا – اتانل به CNT متفرق (disperse) شده در اتانل افزوده می شود. پودر حاصله قبل از spark sintering (منعقد شدن و بهم چسبیدن توسط جرقه) الک و آسیاب (ball mill) می شود.
مراحل ابتدائی CNT درست و یکنواخت توزیع شده را تولید می کند، در حالیکه روش sintering یک ماده کاملا چگال را ارائه می دهد، همچنین ذرات نانومتریک در الومینا حفظ شده از آسیب رساندن به CNT ممانعت بعمل می‌اید. این روش برای توسعه کامپوزیت های سرامیکی آینده بسیار نوید بخش به نظر می رسد.
زمینه های کاربردی متعدد و بسیار مهم دیگری نیز وجود دارد برای مثال بعنوان حسگرها (Sensors) برای ذخیره و کنترل کاتالیست ها و یا بعنوان نوک (tips) برای AFMها (Atomic force micsopes) در زمینه های ذخیره سازی هیدروژن پیشرفت موفقیت آمیز کمتری وجود داشته است. تحقیقات اخیر چنین نشان می دهد که بعید به نظر می رسد CNT ابراز موثری جهت ذخیره سازی باشد، در حالیکه کارهای اولیه نوید ذخیره سازی بسیار بالای وزنی را می داد.
وسعت کاربردها برای CNT بستگی به بهبود و پیشرفت روش های سنتر دارد. کاهش قیمت ها یک عامل بسیار مهم است، ولی توانائی تولید منظم و مداوم تیوب های با طول زیاد و Chirality مشخص، رشته ها یا تیوبهای تک که بسیار متناسب و مطلوب باشند و تیوبهای با خواص الکترونیکی ویژه، تماما برای کاربردهای مختلف تجاری لازم خواهد بود. در حال حاضر به نظر می رسد displays field emission احتمالا اولین استفاده کننده گسترده از CNT ورای کاربرد جاری MWNT بعنوان مواد پرکن باشند. کاربردهای دیگر بستگی به تحقیقات بعدی در مورد خود کاربردها و پیشرفت های اساسی در روشهای سنتز CNT خواهد داشت.
۵- کاربردهای کربن نانوتیوب ها در صنعت ساختمان
همانطور که بسیاری از کاربردهای CNT برای بیشتر صنایع بسط و توسعه یافته برای صنعت ساختمان نیز کاربردهایی خواهد یافت، حداقل سه عرصه گسترده تحقیقاتی وجود دارد که منجر به تولید محصولاتی منحصرا و مشخصا مورد نیاز ساختمان خواهد بود. این زمینه های تحقیقاتی شامل ساخت کامپوزیت های CNT با مواد و مصالح ساختمانی موجود، استفاده از رشته ها و ریسمان های CNT بعنوان اجزاء ساخت و سیستم های انتقال حرارت CNT بعلت دوام و استحکام فوق العاده، سختی و aspect ratio بسیار بالا تقویت کننده های بسیار عالی هستند. پلیمر، سیمان و شیشه همگی کاندیدهای بالقوه ای برای مواد ماتریکس CNT هستند. در مورد کامپوزیت های پلیمر – CNT صحبت شد. در ادامه کامپوزیت های سیمان – CNT با جزئیات بیشتر شرح داده خواهند شد.
شیشه تقویت شده با CNT یا نانوفایبرهای دیگر بعلت امکان توانائی نانو فایبرها یا نانو تیوب ها در جهت تقویت استحکام بدون مزاحمت در انتقال نور مورد توجه اند.
بهرحال، کار کمی روی رفتار اپتیکی (نوری) نانوفایبرها از این منظور انجام شده، موفقیت این دیدگاه درعمل مشخص خواهد شد.
تولید CNT های بلندتر که بتوانند به فرم ریسمان در آینده امکانات بدیهی و واضحی برای کاربردهای مثل پل های معلق (suspension bridges) ایجاد خواهد کرد. استحکام و الاستیسیتی CNT امکان طراحی Spans (طلق ها و پله ای) بطور قابل توجهی بلندتر از چیزی که تکنولوژی موجود ممکن می سازد را بوجود خواهد آورد.
همچنین استفاده از ریسمان های CNT در ساختمان های بتن بهسازی شده ممکن است عملی نباشد. کربن نانو تیوب ها همچنین بعنوان موادی برای ساخت ساختارهای خیلی بزرگ – space based مثل بالابرهای فضائی مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند.
این سیستم های کابلی قابلیت تئوریکی رسیدن به ماوراء Geo Synchronous orbits از سطح زمین را دارند. اتاقک های بالابر همزمان بالا و پایین می روند و کابل امکان انتقال بار از فضا به زمین و بالعکس را با کمترین انرژی فراهم خواهد ساخت. باید دید چنین ساختارهایی امکان طراحی و ساخت خواهند یافت یا خیر، چنین به نظر می رسد که CNT تنها ماده ای است که تحمل کلان ساختمانی بارهای لازم را خواهد داشت.
هدایت حرارتی کربن نانو تیوب های کاربردهای دیگری نیز ارائه می دهد. از آنجائیکه دانسیته مناسب از کربن نانو تیوب ها می توانند قادر به هدایت سریع حرارت از سطح تماس به حفره های حرارتی (Heat Sinks) باشند امکان تحقق کامپوزیت مواد اصلاح شده از نظر مقاومت حرارتی مطرح می گردد. همچنین بعدها ممکن است توسعه مواد عایق کننده و لوله های حرارتی، بهره مندی از اختلاف هدایت حرارتی در طول و عرض لوله ها را تحقق بخشد. یکی از کاربردها می تواند گرم کردن ساختمان ها باشد که جایگزین سیستم های بر مبنای مایع موجود، برای گرما دهی طبقات خواهند شد.
۶- سیمان و کربن نانو تیوب‌ها
سیستم های بتن و سیمان پتانسیل جالبی بعنوان مواد CNT دار ند. سیمان قبلا بعنوان ماتریکس مواد برای فایبرهای کربن و فولاد با قطرهای میکرومتری مورد استفاده قرار گرفته بود. انتظار می رود CNT در مقایسه با این نوع فایبرها فواید مشخص بیشتری داشته باشند.
ابتدا، به این علت که CNT استحکام بیشتری از دیگر فایبرها دارند که در کل رفتار مکانیکی را بهبود خواهند بخشید.
ثانیا CNTها aspect ratios بالاتری دارند و انرژی بسیار زیادی جهت انتشار شکاف دور لوله نیاز دارند. بالعکس در مقایسه با عرض لوله که موردی خواهد بود برای فایبرهای با aspect ratio پایین تر
ثالثا CNT با قطرهای کوچکتر در ماتریکس سیمان بطور گسترده ای با فاصله کمتر فایبرها از هم می توانند توزیع شوند، فعل و انفعالات و اثر متقابل شان با ماتریکس سیمان در مقایسه با فایبرهای بزرگتر نیز متفاوت خواهند بود. CNT با قطرهای نزدیک به اندازه ضخامت لایه های هیدراته سیمان C.S.H، رفتار بسیار متفاوتی میتوانند نشان می دهند مانند مکانیزم های متفاوت باندینگ (bonding).
در نهایت کربن نانوتیوب ها می توانند طوری وظیفه مند شوند که بطور شیمیایی با اجزاء و ترکیبات سیمان واکنش دهند و مسیر را برای فرم های دیگر فعال و انفعالی و کنترل مناسب سیستم سیمان بسط و بهبود بخشند.
مانند دیگر کامپوزیت های CNT، مسائل عمده جهت نائل آمدن بر تهیه کامپوزیت های سیمان – CNT با کیفیت بالا، توزیع CNT در سیمان و حصول باندینگ مناسب بین دو ماده می باشد.
یک راه پراکنده (disperse) کردن CNT در surfactant است که آب با حلال دیگری مخلوط باشد، همانطور که در کامپوزیت های پلیمری بسیار معمول است استفاده از سوپرپلاستی سایزرها برای بهبودی عملکرد بتن کاملا روشن است.
تحقیقات اولیه در شورای تحقیقات ملی کانادا نشان داد که مقادیر کم CNT می توانند در آب حاوی ۵% سوپر پلاستی سایزر به روش sonication پراکنده شوند. (Eucon 37, Euclid Admixtures Canada, inc) بهر حال روشن نیست که آیا مقدار لازم و کافی می تواند در این محیط پراکنده شود تا بتواند به میزان ۲-۱۰ درصد غلظت CNT برسد، که این امر ظاهرا جهت عملکرد مناسب مکانیکی در دیگر کامپوزیتهای سرامیکی لازم است. کارهای بیشتری جهت پاسخگویی به این سوال باید انجام گیرد.
راه دوم پیگیری مسیری است که جهت بهسازی کامپوزیتهای آلومینا – CNT انجام شده. در این روش CNT در اتانل تحت Sonication پراکنده میشوند. نتایج اولیه این روش در مقاله حاضر ارائه شده است.
مقداری برابر ۰٫۰۰۷ gr ، CNT تولید تجاری (کربن نانوتیوب های تک جداره ۱٫۴nm تولیدی Carbon Nano Technology Ins) و نوع خالص آن تحت عنوان “Bucky pearls” (به مدت ۲ ساعت در اتانل با توان (Power) کم Sonicate شد.
سپس پودر سیمان معمولی پرتلند ۰٫۴۳gr به مایع افزوده شد تا Slurry سیمان – CNT – اتانل تشکیل شود. در ادامه Slutty به مدت ۵ ساعت مجددا Sonicate شد. در مرحله بعد اتانل تبخیر شده یک ورق نازک و شکننده سیمان – CNT مرکب از کربن نانو تیوب های متصل به ذرات سیمان بجا می ماند که هر کدام ساختی متخلخل دارند. لازم به ذکر است که پروسس Sonication و تبخیر ظاهرا روی شکل و ترکیب (مرفولژی) سطح بعضی از ذرات سیمان اثر گذاشته شکل ظاهر آنها را سخت تر می کند. اثر دیگر Sonication جداسازی و تفکیک ذرات می باشد به صورتیکه ذرات بسیار ریز سیمان در محدوده سطح کاغذ CNT به تله افتاده ذرات بلندتر در عمق کاغذ نشست می کنند. سپس قسمتی از کاغذ سیمان – CNT توسط هاون آسیاب شده تا مواد تفکیک شده، بتوان ذرات تک سیمان را آزمایش و بررسی کرد.
کاغذ و پودر آسیاب شده هر دو با استفاده از SEM، (Hitachi S 48001 cold field emission gun scanning electron micros cope) با بزرگنمایی متوسط تا بسیار زیاد (X200000 – X54000) آزمایش شدند.
شکل ۳ دو عکس از سطح خارجی کاغذ سیمان – CNT را نشان می دهد. نمودار اندازه در عکس ها مقیاس را به دهم مقدار معین شده تقسیم کرده و ضخامت خطوط که نمودار مقیاس را تشکیل داده صدم مقدار نشان داده شده می باشد. در این ناحیه ساختاری متخلخل وجود دارد و پیداست که فرایند Sonication یا کربن نانو تیوب ها را کاملا پراکنده (Disperse) نکرده یا اینکه در زمان تبخیر دوباره بهم متصل شده اند. ذرات سیمان بهم و CNT های متعدد وصل شده اند. ذره میانی با دسته های تیوب با قطرهای مختلف پوشش داده شده است. ضمنا در این عکس ها دیدن CNT تک بسیار مشکل و یا غیرممکن است. این میکروسکوپ قادر به نمایش ساختارهایی به کوچکی ۱۰nm می باشد. بنابراین به نظر می رسد محلی که در قسمت پایین شکل ۳ با فلش نشان داده شده دسته هایی کوچک از CNT باشند. شکل ۴ ذره مشابهی را نشان می دهد که یک دسته CNT ذره را قطع کرده و در وسط ذره ناپدید می شوند. این تیوب ها در عرض سطح گسترده شده اند. طوریکه تیوب های تک پایین‌تر از قدرت تفکیک و دقت SEM قرار می گیرد.
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_03.jpg
شکل ۳ – کاغذ یا ورق سمان – CNT هیدراته نشده
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_04.jpg
شکل ۴ – ذره کوچک سیمان با نانو تیوب های متصل به آن
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_05.jpg
شکل ۵ – کربن نانو تیوب های توزیع شده روی ذرات سیمان بزرگ
http://www.civilmaster.ir/fa/images/stories/89_02/89_02_06.jpg
شکل ۶ – کربن نانو تیوبهای توزیع شده روی ذرات کوچک سیمان
شکل ۶ و ۵ ذرات پودر سیمان را نشان می دهد که بخوبی با دسته ای CNT پوشش داده شده اند. البته بعد از اینکه کاغذ CNT توسط آسیاب دستی خرد شد.
شکل ۵ دو عکس از ذره های بزرگتر سیمان را نشان می دهد.
شکل ۶ انباشتگی ذرات کوچکتر را نشان می دهد. در هر دو مورد تعداد بسیار زیادی CNT روی سطوح ذرات دیده می شود. در شکل ۶ همچنین می توان شکافته و جدا شدن کربن نانو تیوب ها را دسته های بزرگتر به شکل حلقه ای یا ساختارهای دیگر دید. در شکل ۵ مشاهده می شود نانو تیوب های بیشتری روی سطح ذره قرار گرفته‌اند. در حالیکه نانو تیوبهای روی ذرات کوچکتر عمدتا در یک انتها جمع شد هاند.
۷- بحث و نتیجه گیری
کربن نانو تیوب ها یکی از مهمترین موادی هستند که جهت کاربردهای نانوتکنولوژی مورد بحث و بررسی قرار دارند. خواص ویژه آنها طیف گسترده ای را در برمی گیرد، از استحکام فوق العاده زیادشان تا رفتار غیرمعمول الکترونیکی، هدایت حرارتی بالا، قابلیت ذخیره و نگهداری ذرات نانوئی داخل تیوب ها، پتانسیل کاربردهای فراوان کربن نانوتیوب ها و خواص ویژه آنها باعث سعی و تلاش بسیار زیادی در زمینه های مختلف علمی و مهندسی شده است. همانند مورد تکنولوژی ترانزیستور سیلیکن، این کاربردها به موقع رشد خواهند یافت، در صورتیکه به موازات توانایی تولید صنعتی، ساخت استادانه CNT و درک فیزیک CNT بسط و ادامه یابد.
کاربردهای CNT در صنعت ساختمان، طیف وسیعی از کامپوزیت مواد تا ترکیبات و اجزاء با استحکام بالای ساختاری و تکنولوژی انتقال حرارت را در برمی گیرد.کامپوزیتهای CNT با بتن و سیمان آشکارا پتانسیل فوق العاده قوی دارند. زیرا CNT هم به عنوان یک ماده تقویت کننده تقریبا ایده آل عمل می کند. و هم قطرهایی شبیه به اندازه لای ههای کلسیم – سیلیکات – هیدرات دارد.
تحقیق اخیر نشان می دهد که با استفاده از تکنیک اتانل – Sonication میتوان دسته های CNT را در عرض ذرات پخش کرد. کارهای بعدی فعل و انفعال بین CNT و سیمان هیدراته مثل عملکرد مکانیکی کامپیوزیت های سیمان – CNT را بررسی خواهد کرد.
۸- مراجع
۱- کتاب نانو تکنولوژی، آیینه تکنولوژی آفرینش، دفتر همکاریهای فن آوری ریاست جمهور کمیته. مطالعات سیاست نانو تکنولوژی، ۱۳۸۰
۲- برنامه پیشگامی ننوتکنولوژی، پیش بسوی انقلاب صنعتی بعدی، گزارش از گروه کاری فرابخش در. علوم، تهران آتنا، ۱۳۸۰
۳- حسین پور. پریوش، کربن نانوتیوبها و کاربردشان در صنعت، ترجمه.
۴- Engines of Creation / K. Eric Drexler, An chor books editions, U.S.A,1990.
5- Dai,H., “Nanotube Growth and cterization” in Carbon Nanotubes: sythesis, structure, properties and Applications, ms. Dressel haves, Bergin 2001.
سورد:dlbook.net