دانلود پایان نامه : مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

دانلود پایان نامه : مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

تعداد صفحات: 95

فرمت فایل: word

دسته بندی: -

قیمت: 5000 تومان

تعداد نمایش: 422 نمایش

ارسال توسط:

تاریخ ارسال: 24 آوریل 2016

به روز رسانی در: 24 آوریل 2016

خرید این محصول:

پس از پرداخت لینک دانلود برای شما نمایش داده می شود.

5000 تومان – خرید

دانلود پایان نامه : مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

 

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                            

 

فهرست علائم. ر

فهرست جداول. ز

فهرست اشکال. س

 

چکیده 1

 

فصل اول..

مقدمه نانو. 3

1-1 مقدمه. 4

   1-1-1 فناوری نانو. 4

1-2 معرفي نانولوله‌هاي كربني.. 5

   1-2-1 ساختار نانو لوله‌هاي كربني.. 5

   1-2-2 كشف نانولوله. 7

1-3 تاريخچه. 10

 

فصل دوم.

خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی.. 14

2-1 مقدمه. 15

2-2 انواع نانولوله‌هاي كربني.. 16

   2-2-1 نانولوله‌ي كربني تك ديواره (SWCNT). 16

   2-2-2 نانولوله‌ي كربني چند ديواره (MWNT). 19

2-3 مشخصات ساختاري نانو لوله هاي کربني.. 21

   2-3-1 ساختار يک نانو لوله تک ديواره 21

   2-3-2 طول پيوند و قطر نانو لوله کربني تک ديواره 24

2-4 خواص نانو لوله هاي کربني.. 25

   2-4-1 خواص مکانيکي و رفتار نانو لوله هاي کربن.. 29

       2-4-1-1 مدول الاستيسيته. 29

       2-4-1-2 تغيير شکل نانو لوله ها تحت فشار هيدرواستاتيک… 33

       2-4-1-3 تغيير شکل پلاستيک و تسليم نانو لوله ها 36

2-5 کاربردهاي نانو فناوري.. 39

   2-5-1 کاربردهاي نانولوله‌هاي كربني.. 40

       2-5-1-1 كاربرد در ساختار مواد. 41

       2-5-1-2 كاربردهاي الكتريكي و مغناطيسي.. 43

       2-5-1-3 كاربردهاي شيميايي.. 46

       2-5-1-4 كاربردهاي مكانيكي.. 47

 

فصل سوم.

روش های سنتز نانو لوله های کربنی 55

3-1 فرايندهاي توليد نانولوله هاي کربني.. 56

   3-1-1 تخليه از قوس الکتريکي.. 56

   3-1-2 تبخير/ سايش ليزري.. 58

   3-1-3 رسوب دهي شيميايي بخار به کمک حرارت(CVD). 59

   3-1-4 رسوب دهي شيميايي بخار به کمک پلاسما (PECVD ) 61

   3-1-5 رشد فاز  بخار. 62

   3-1-6 الکتروليز. 62

   3-1-7 سنتز شعله. 63

   3-1-8 خالص سازي نانولوله هاي كربني.. 63

3-2 تجهيزات.. 64

   3-2-1 ميكروسكوپ هاي الكتروني.. 66

   3-2-2 ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM). 67

   3-2-3 ميكروسكوپ الكتروني پيمايشي يا پويشي (SEM). 68

   3-2-4 ميكروسكوپ هاي پروب پيمايشگر (SPM). 70

       3-2-4-1 ميكروسكوپ هاي نيروي اتمي (AFM). 70

       3-2-4-2 ميكروسكوپ هاي تونل زني پيمايشگر (STM). 71

 

فصل چهارم.

شبیه سازی خواص و رفتار نانو لوله های کربنی بوسیله روش های پیوسته. 73

4-1 مقدمه. 74

4-2 مواد در مقياس نانو. 75

   4-2-1 مواد محاسباتي.. 75

   4-2-2 مواد نانوساختار. 76

4-3 مباني تئوري تحليل مواد در مقياس نانو. 77

   4-3-1 چارچوب هاي تئوري در تحليل مواد. 77

       4-3-1-1 چارچوب محيط پيوسته در تحليل مواد. 77

4-4 روش هاي شبيه سازي.. 79

   4-4-1 روش ديناميک مولکولي.. 79

   4-4-2 روش مونت کارلو. 80

   4-4-3 روش محيط پيوسته. 80

   4-4-4 مکانيک ميکرو. 81

   4-4-5 روش المان محدود (FEM). 81

   4-4-6 محيط پيوسته مؤثر. 81

4-5 روش های مدلسازی نانو لوله های کربنی.. 83

   4-5-1 مدلهای مولکولی.. 83

       4-5-1-1 مدل مکانيک مولکولي ( ديناميک مولکولي) 83

       4-5-1-2 روش اب انيشو. 86

       4-5-1-3 روش تايت باندينگ… 86

       4-5-1-4 محدوديت هاي مدل هاي مولکولي.. 87

   4-5-2 مدل محيط پيوسته در مدلسازي نانولوله ها 87

       4-5-2-1 مدل ياکوبسون. 88

       4-5-2-2 مدل کوشي بورن. 89

       4-5-2-3 مدل خرپايي.. 89

       4-5-2-4 مدل  قاب فضايي.. 92

4-6 محدوده کاربرد مدل محيط پيوسته. 95

   4-6-1 کاربرد مدل پوسته پيوسته. 97

   4-6-2 اثرات سازه نانولوله بر روي تغيير شکل.. 97

   4-6-3 اثرات ضخامت تخميني بر کمانش نانولوله. 98

   4-6-4 اثرات ضخامت تخميني بر کمانش نانولوله. 99

   4-6-5 محدوديتهاي مدل پوسته پيوسته. 99

       4-6-5-1 محدوديت تعاريف در پوسته پيوسته. 99

       4-6-5-2 محدوديت هاي تئوري کلاسيک محيط پيوسته. 99

   4-6-6 کاربرد مدل تير پيوسته   100

 

فصل پنجم.

مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانو لوله های کربنی 102

5-1 مقدمه. 103

5-2 نيرو در ديناميک مولکولي.. 104

   5-2-1 نيروهاي بين اتمي.. 104

       5-2-1-1 پتانسيلهاي جفتي.. 105

       5-2-1-2 پتانسيلهاي چندتايي.. 109

   5-2-2 ميدانهاي خارجي نيرو. 111

5-3 بررسي مدل هاي محيط پيوسته گذشته. 111

5-4 ارائه مدل هاي تدوين شده براي شبيه سازي نانولوله هاي کربني.. 113

   5-4-1 مدل انرژي- معادل. 114

       5-4-1-1 خصوصيات  محوري نانولوله هاي کربني تک ديواره 115

       5-4-1-2 خصوصيات  محيطي نانولوله هاي کربني تک ديواره 124

   5-4-2 مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS. 131

       5-4-2-1 تکنيک عددي بر اساس المان محدود. 131

       5-4-2-2 ارائه 3 مدل تدوين شده اجزاء محدود توسط نرم افزار ANSYS. 141

   5-4-3 مدل اجزاء محدود بوسيله کد عددي تدوين شده توسط نرم افزار MATLAB.. 155

       5-4-3-1 مقدمه. 155

       5-4-3-2 ماتريس الاستيسيته. 157

       5-4-3-3 آناليز خطي و روش اجزاء محدود برپايه جابجائي.. 158

       5-4-3-4 تعيين و نگاشت المان. 158

       5-4-3-5 ماتريس کرنش-جابجائي.. 161

       5-4-3-6 ماتريس سختي براي يک المان ذوزنقه اي.. 162

       5-4-3-7 ماتريس سختي براي يک حلقه کربن.. 163

       5-4-3-8 ماتريس سختي براي يک ورق گرافيتي تک لايه. 167

       5-4-3-9 مدل پيوسته به منظور تعيين خواص مکانيکي ورق گرافيتي تک لايه. 168

 

فصل ششم.

نتایج   171

6-1 نتايج حاصل از مدل انرژي-معادل. 172

   6-1-1 خصوصيات محوري نانولوله کربني تک ديواره 173

   6-1-2 خصوصيات محيطي نانولوله کربني تک ديواره 176

6-2 نتايج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS. 181

   6-2-1 نحوه مش بندي المان محدود نانولوله هاي کربني تک ديواره در نرم افزار ANSYS و ايجاد ساختار قاب فضايي و مدل سيمي به کمک نرم افزار ]54MATLAB [. 182

   6-2-2 اثر ضخامت بر روی مدول الاستیک نانولوله های کربني تک ديواره 192

6-3 نتايج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسيله کد تدوين شده توسط نرم افزار MATLAB.. 196

 

فصل هفتم.

نتیجه گیری و پیشنهادات 203

7-1 نتيجه گيري.. 204

7-2 پيشنهادات.. 206

 

فهرست مراجع 207

 

چکيده

 

از آنجائيکه شرکت هاي بزرگ در رشته نانو فناوري  مشغول فعاليت هستند و رقابت بر سر عرصه محصولات جديد شديد است و در بازار رقابت، قيمت تمام شده محصول، يک عامل عمده در موفقيت آن به شمار مي رود، لذا ارائه يک مدل مناسب که رفتار نانولوله هاي کربن را با دقت قابل قبولي نشان دهد و همچنين استفاده از آن توجيه اقتصادي داشته باشد نيز يک عامل بسيار مهم است. به طور کلي دو ديدگاه براي بررسي رفتار نانولوله هاي کربني وجود دارد، ديدگاه ديناميک مولکولي و  محیط پيوسته. ديناميک مولکولي با وجود دقت بالا، هزينه هاي بالاي محاسباتي داشته و محدود به مدل هاي کوچک مي باشد. لذا مدل هاي ديگري که حجم محاسباتي کمتر و توانايي شبيه سازي سيستمهاي بزرگتر را با دقت مناسب داشته باشند  بيشتر توسعه يافته اند.

پيش از اين بر اساس تحليل هاي ديناميک مولکولي و اندرکنش هاي بين اتم ها، مدلهاي محيط پيوسته، نظير مدلهاي خرپايي، مدلهاي فنري، قاب فضايي، بمنظور مدلسازي نانولوله ها، معرفي شده اند. اين مدلها، بدليل فرضياتي که براي ساده سازي در استفاده از آنها لحاظ شده اند، قادر نيستند رفتار شبکه کربني در نانولوله هاي کربني را بطور کامل پوشش دهند.

در اين پایان نامه از ثوابت ميدان نيرويي بين اتمها و انرژي کرنشي و پتانسيل هاي موجود براي شبيه سازي رفتار نيرو هاي بين اتمي استفاده شده و به بررسي و آناليز رفتار نانولوله هاي کربني از چند ديدگاه  مختلف مي پردازيم، و مدل هاي تدوين شده را به شرح زير ارائه مي نمائيم:

  1. مدل انرژي- معادل
  2. مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS
  3. مدل اجزاء محدود بوسيله کد عددي تدوين شده توسط نرم افزار MATLAB

مدل هاي تدوين شده به منظور بررسي خصوصيات مکانيکي نانولوله کربني تک ديواره بکار گرفته شده است. در روش انرژي- معادل، انرژي پتانسيل کل مجموعه و همچنين انرژي کرنشي نانو لوله کربني تک ديواره بکار گرفته مي شود. خصوصيات صفحه اي الاستيک براي نانو لوله هاي کربني تک ديواره براي هر دو حالت صندلي راحتي و زيگزاگ  در جهت هاي محوري و محيطي بدست آمده است.

در  مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS ، به منظور انجام محاسبات عددي،  نانو لوله کربني با يک مدل ساختاري معادل جايگزين مي شود.

در  مدل اجزاء محدود سوم، كد عددي توسط نرم افزار MATLAB تدوين شده که از روش اجزاء محدود براي محاسبه ماتريس سختي براي يک حلقه شش ضلعي کربن، و تعميم و روي هم گذاري آن براي محاسبه ماتريس سختي کل صفحه گرافيتي، استفاده شده است.

اثرات قطر و ضخامت ديواره بر روي رفتار مکانيکي هر دو نوع نانو لوله هاي کربني تک ديواره و صفحه گرافيتي تک لايه  مورد بررسي قرار گرفته است. مشاهده مي شود که مدول الاستيک براي هر دو نوع نانو لوله هاي کربني تک ديواره با افزايش قطر لوله بطور يکنواخت افزايش و با افزايش ضخامت نانولوله، کاهش مي يابد. اما نسبت پواسون با افزايش قطر ،کاهش مي يابد. همچنين منحني  تنش-کرنش براي نانولوله تک ديواره صندلي راحتي پيش بيني و تغييرات رفتار آنها مقايسه شده است. نشان داده شده که خصوصيات صفحه اي در جهت محيطي و محوري براي هر دو نوع نانو لوله کربني و همچنين اثرات قطر و ضخامت ديواره نانو لوله کربني بر روي آنها يکسان مي باشد. نتايج به دست آمده در مدل هاي مختلف يکديگر را تاييد مي کنند، و نشان می دهند که هر چه قطر نانو لوله  افزايش يابد، خواص مکانيکي نانولوله هاي کربني به سمت خواص ورقه گرافيتي ميل مي کند.

نتايج اين تحقیق تطابق خوبي را با نتايج گزارش شده نشان مي دهد.

 

واژه هاي کليدي: نانولوله هاي کربني ، خواص مکانيکي، محيط پيوسته ، تعادل- انرژي ، اجزاء محدود ، ورق گرافيتي تک لايه،  ماتريس سختي.

 

 

فصل اول

مقدمه نانو

1-1 مقدمه

1-1-1 فناوري نانو  

    نانو فناوري عبارت ازآفرينش مواد، قطعات و سيستم هاي مفيد با کنترل آنها در مقياس طولي نانو متر و بهره برداري از خصوصيات و پديده هاي جديد حاصله در آن مقياس مي باشد. به عبارت ديگر فناوري نانو، ايجاد چيدماني دلخواه از اتم ها و مولکول ها و توليد مواد جديد با خواص مطلوب است. فناوري نانو، نقطه تلاقي اصول مهندسي، فيزيک، زيست شناسي، پزشکي و شيمي است و به عنوان ابزاري براي کاربرد اين علوم و غني سازي آنها در جهت ساخت عناصر کاملاً جديد عمل مي کند.

 از  لحاظ ابعادي، يک نانو متر اندازه اي برابر 9-10 متر است (شکل 1-1) . اين اندازه تقريباً چهار برابر قطر يک اتم منفرد مي باشد.

 

شکل 1-1: ميکروگراف [1]TEM که لايه هاي نانو لوله کربني چند ديواره  [2](MWCNTs)را نشان مي دهد.

 

    خصوصيات موجي (مکانيک کوانتومي) الکترونها در درون مواد و اندرکنشهاي اتمي، بوسيله ي تغييرات مواد در مقياس نانو متري، تحت تأثير قرار مي گيرند. با ايجاد ساختارهاي نانو متري، کنترل خصوصيات اساسي مواد مانند دماي ذوب، رفتار مغناطيسي و حتي رنگ آنها، بدون تغيير ترکيب شيميايي ممکن خواهد بود. به کارگيري اين پتانسيل، باعث ايجاد محصولات و فناوري هاي جديد با کارايي بسيار بالا خواهد شد که قبلاً ممکن نبوده است. سازمان دهي سيستماتيک ماده در مقياس طولي نانو متر، مشخصه کليدي سيستم هاي زيستي است.

    ساختارهاي نانو، نظير ذرات نانو و نانو لوله ها، داراي نسبت سطح به حجم خيلي بالايي اند، بنابراين اجزاي ايده آلي براي استفاده در کامپوزيت ها، واکنش هاي شيميايي و ذخيره از انرژي هستند.  از  آنجا که نانوساختارها خيلي کوچک اند، مي توانند در ساخت سيستم هايي بکار برده شوند که چگالي المان خيلي بيشتري نسبت به انواع مقياس هاي ديگر دارند. بنابراين قطعات الکترونيکي کوچک تر، ادوات سريع تر، عملکردهاي پيچيده ترو مصرف بسيار کمتر انرژي را مي توان با کنترل واکنش و پيچيدگي نانو ساختار، بطور همزمان بدست آورد.

    در حال حاضر، نانو فناوري يک تکنولوژي توانمند است، اما اين پتانسيل را دارد که تبديل به يک تکنولوژي جايگزين شود. فناوري نانو نه يک فناوري جديد، بلکه نگرشي تازه به کليه ي فناوري هاي موجود است و لذا روش هاي مبتني بر آن، در اصل همان فناوري هاي قبلي هستند که در مقياس نانو انجام مي شوند.

    مراکز علمي و دانشگاهي با آگاهي  از  توانايي هاي وقابليت هاي نانو فناوري به تحقيق و پژوهش در اين زمينه مي پردارند. تفاوت هايي که در سال هاي اخير در زمينه ي نانو بوجود آمده است، حاکي  از  افزايش رغبت به اين حوزه مي باشد. در گذشته، تحقيقات بر اساس علايق و تخصص هاي محقق پيش مي رفت، اما اکنون اغلب کشورها داراي برنامه هاي مدون و راهبردي مشخص در اين زمينه هستند و مراکز علمي و تحقيقاتي خود را مامور پيش برد اين برنامه ها کرده اند.

 

1-2 معرفي نانولوله‌هاي كربني

1-2-1 ساختار نانو لوله‌هاي كربني

    نانو لوله‌هاي كربني [3](CNTs) يك نوع آلوتروپ كربن هستند كه  اخيراً كشف شده‌اند. آنها به شكل مولكول استوانه‌اي هستند و خواص شگفت انگيزي دارند كه آنها را براي بكارگيري در بسياري  از  كاربردهاي نانوفناوري، الكترونيك، اپتيك و حوزه‌هاي ديگر علم مواد مناسب مي سازد. آنها داراي استحكام خارق العاده‌اي بوده، خواص الكتريكي منحصر به فردي دارند، و هادي كارآمدي براي حرارت هستند.

يك نانولوله عضوي  از  خانواده فلورن هاست، كه باكي بال‌ها را نيز شامل مي‌شود. فلورن‌ها خوشه‌ي بزرگي  از  اتم‌هاي كربن در قالب يك قفس بسته مي‌باشند و  از  ويژگي هاي خاصي برخوردارند كه پيش  از  اين در هيچ تركيب ديگري يافت نشده بودند. بنابراين، فلورن‌ها به طور كلي خانواده‌اي جالب توجه  از  تركيب‌ها را تشكيل مي‌دهند كه به طور قطع در كاربردها و فناوري‌هاي آينده مورد استفاده وسيع قرار خواهند گرفت.

    ساختارهاي عجيب و غريب زيادي از فلورن‌ها[4]، شامل: كروي منظم، مخروطي، لوله‌اي و همچنين اشكال پيچيده و عجيب ديگر وجود دارد. در اينجا ما به توضيح مهمترين و شناخته شده‌ترين آنها مي‌پرد از يم. ساختار باکي بال[5] در شكل كره و نانولوله به شكل استوانه است كه معمولاً لااقل يك سر آن با درپوش نيم كروي  از  ساختار باکي بال پوشيده شده است (شكل 1-2) .

 

شکل 1-2: اشکال متفاوت مواد با پايه کربن

 

 نام آن  از  اندازه‌اش گرفته شده، زيرا قطر آن در ابعاد نانومتر (تقريباً 50000 برابر كوچكتر  از  قطر موي سر انسان) بوده و اين در حالي است كه طول آن مي‌تواند به بلندي چند ميليمتر برسد. طول بلند چندين ميكروني و قطر كوچك چند نانومتري آنها نسبت طول به قطر بسيار بزرگي را نتيجه مي‌دهد. لذا مي‌توان آنها را تقريباً به صورت فلورن‌هاي يك بعدي در نظر گرفت. بدين ترتيب انتظار مي‌رود اين مواد  از  خواص جالب الكترونيكي، مكانيكي و مولكولي ويژه‌اي برخوردار باشند. مخصوصاً در اوايل، تمام مطالعات تئوري نانولوله‌هاي كربني به بررسي اثر ساختار تقريباً يك بعدي آنها بر روي خواص مولكولي و الكترونيكي‌شان معطوف مي‌شد.

    نانولوله‌ها در دو دسته‌ي اصلي وجود دارند: نانولوله‌هاي تك ديواره [6](نانولوله ي کربني تک ديوارهs) و نانو لوله‌هاي چند ديواره   [7](MWNTs). نانولوله‌هاي تك ديواره را مي‌توان به صورت ورقه‌هاي بلند گرافيت در نظر گرفت كه به شكل استوانه پيچيده شده‌اند. نسبت طول به قطر نانولوله‌ها در حدود 1000 بوده و همانگونه كه قبلاً ذكر شد مي‌توان آنها را به عنوان ساختارهاي تقريباً يك بعدي در نظر گرفت. نانولوله‌ها مشابه گرافيت تماماً  از  هيبريد SP2 تشكيل شده‌اند،. اين ساختار هيبريدي،  از  هيبريد SP3 كه در الماس وجود دارد قويتر است و استحكام منحصر به فردي به اين مولكول‌ها مي‌دهد. نانولوله‌ها معمولاً تحت نيروهاي واندروالس[8] به شكل ريسمان به هم مي‌چسبند. تحت فشار زياد، نانولوله‌ها مي‌توانند با هم ممزوج و متصل شوند و اين امكان به وجود مي‌آيد كه بتوان سيم‌هاي به طول نامحدود و بسيار مستحكمي را توليد كرد.

.

.

3-1-2 تبخير/ سايش ليزري[1]

    در سال 1996، تكنيك تبخير  از  طريق ليزر پالس شده دوتايي، براي بهينه‌سازي روش ليزر به منظور توليد نانولوله هاي تك ديواره در مقادير گرم با كارائي بيشتر  از  هفتاد درصد به كار رفته بود. نمونه‌هايي  از  طريق تبخير ليزري ميله هاي گرافيتي با مخلوطي 50:50  از  پودر كبالت ونيكل (اندازه ذرات در حدود تقريباً يك ميكرون (1 μm در دماي 1200 درجه سانتي‌گراد تحت تأثير جرياني  از  گاز  آرگون تهيه شده بودند و در ادامه در دماي 1000 درجه سانتي‌گراد تحت خلاء عمليات حرارتي بر روي آنها انجام شده بود تا بدين وسيله C60 و فولرنهاي ديگر زدوده و جدا شوند. پس  از  اعمال نخستين پالس ليزر براي تبخير، پالس ثانويه‌اي به منظور تبخير يكنواخت‌تر هدف به كار رفت. استفاده  از  دو پالس متوالي  از  ليزر مقدار كربن رسوب گذاري شده به صورت دود را به حداقل مي‌رساند. پالس ليزر دوم ذرات بزرگتر را مي‌شكند كه  از  طريق نخستين پالس قبلاً ساييده و كاهش پيدا كرده بودند و آنها را به درون ساختار نانولوله  در حال رشد تغذيه مي‌كند (شکل 3-2) .

شکل 3-2: دستگاه تبخير/سايش ليزري

در نتيجه اين ماده به صورت پارچه بافته شده‌اي  از  رشته‌هايي به قطر 10-20nm وبه طول μm 100 يا بيشتر به نظر مي‌رسند. هر رشته، معلوم شده است كه در ابتدا شامل كلافي درهم پيچيده  از  نانولوله هاي تك ديواره امتداد داده شده در راستاي يك محور مشترك مي باشد.  از  طريق تغيير دادن درجه حرارت رشد، تركيب كاتاليست و ساير پارامترهاي فرآيند مي‌توان قطر ميانگين نانولوله  و توزيع آن را تغيير داد.

 از  ليزر براي تبخير هدف گرافيتي، در کوره هايي به دماي C°1200 و حاوي هليوم و نيتروژن با فشار بالا استفاده مي شود. خوشه هاي کربني حاصل  از  هدف گرافيتي، روي يک سطح جمع مي شوند. ماده حاصل  مخلوطي  از  نانو ذرات و نانولوله هاي کربني است. در اينجا نيز افزودن کاتاليزورها، توليد نانولوله هاي تک ديواره را (بجاي چند ديواره) تسهيل مي کند. تبخير ليزري، راندمان بالاتري نسبت به تخليه از الکتريکي دارد. اين روش براي توليد انبوه نانولوله هاي مورد استفاده در مواد کامپوزيتي، کاربرد دارد.

 

3-1-3 رسوب دهي شيميايي بخار به کمک حرارت(CVD) [2]

    تخليه الكتريكي  از  طريق قوس الكتريكي و تبخير ليزري، در حال حاضر روشهاي اصلي به دست آوردن مقاديري  از  نانولوله هاي كربني با كيفيت بالا مي‌باشد. در هر حال، هر دو روش معايب خاص خود را دارند. نخست اينكه، هر دو روش مستلزم تبخير منبع كربني مي‌باشند بنحوي كه هنوز معلوم نشده كه چگونه مي‌توان توليد نانولوله  را در سطح صنعتي ودر مقياس بالا و با استفاده  از  اين روشها دنبال نمود. عيب دوم به اين حقيقت بر مي‌گردد كه روشهاي تبخير، نانولوله ها را در شكلهاي پرپيچ و تاب و با پيچيدگي بالا همراه با مخلوطي  از  شكلهاي ناخواسته  از  كربن يا گونه‌هاي فلزي رشد داده و ايجاد مي‌كند. اين نانولوله ها به سختي خالص سازي، دستكاري و در كنار هم تجمع و آرايش مي يابند تا نانوابزارهايي برپايه معماريهاي مختلف و ساختارهاي مختلف  از  نانولوله ها را بسازند.

    رسوب گذاري شيميايي فاز  بخار هيدروكربنها  از  طريق كاتاليستهاي فلزي، يك روش كلاسيك نسبتاً قديمي و معمول است كه براي توليد مواد كربني گوناگوني نظير الياف كربني، رشته‌هاي كربني و ويسكرها در بيست سال اخير مورد استفاده قرار گرفته است.

    در هر صورت، تاكنون مدركي دال بر اينكه، بتوان اين تكنيك را براي سنتز نانوتيونهاي كربني به كار بست، وجود نداشته است. اين روش شامل تجزيه كاتاليتيكي استيلن با ذرات آهن در دماي 700 درجه سانتي‌گراد مي‌باشد. با استفاده  از  اين روش، چهار شكل ساختاري  از  كربن تشكيل شده‌اند: لايه‌هاي كربن بي‌شكل در سطح كاتاليست، رشته‌هايي  از  كربن بي‌شكل، لايه‌هاي گرافيتي پوشش دهنده ذرات فلزي و نانولوله هاي چند ديواره كه معمولاً در سطح لايه بيروني خودشان با كربن بي شكل پوشش داده شده‌اند. اين نانولوله هاي كربني  از  طريق TEM با قدرت تفكيك بالا هم در شكل رشد يافته‌شان و هم بعد  از  عمليات حرارتي آنها مطالعه شده‌اند. نانولوله هاي رشد يافته عموماً به طور تشكيل شده به نظر نمي‌رسند. در هر صورت، ساختار آنها پس  از  عمليات حرارتي در دامنه دمايي 3000-2500 درجه سانتيگراد در محيط گاز  آرگون بيشتر بهبود يافته و تكميل مي‌شود.

 

شکل 3-3: شماتيک ابزار CVD

 

    مقادير زياد از نانولوله هاي كربني را مي‌توان  از  طريق رسوب گذاري كاتاليتيك استيلن به همراه كاتاليستهاي كبالت (Co) و آهن (Fe) كه روي سيليكا يا زئوليت نشان داده شده‌اند، تهيه كرد (يك زئوليت عبارتست  از  يك ساختار قفس مانند با فضاهاي خالي بزرگ كه ملكولها مي‌توانند وارد آن گردند). فعاليت رسوب گذاري كربن به نظر مي‌رسد كه به مقدار كبالت كاتاليستها مربوط مي‌شود، در حالي كه گزينش پذيري نانولوله ها به نظر مي‌رسد كه تابعي  از  PH در تهيه كاتاليست باشد. معلوم شده است كه فولرنها وكلافهاي درهم پيچيده  از  نانولوله هاي تك ديواره نيز به همراه نانولوله هاي چند ديواره بر روي كاتاليستهايي  از  كبالت/ زئوليت تهيه شده‌اند.

    برخي از محققين تشكيل نانولوله ها را  از  اتيلن مطالعه نموده‌اند. كاتاليستهاي پشتيبان، تقويت شده و پايه (Fe , Co , Ni) شامل يك يا فلز واحد و يا مخلوطي  از  فلزات مي‌باشند كه به نظر مي‌رسد رشد نانولوله هاي تك ديواره جدا شده يا كلافهاي نانولوله  تك ديواره را در محيط اتيلن برانگيخته، تشديد نموده و فراهم مي‌سازند. توليد نانولوله هاي تك ديواره، شامل نانولوله هاي دو ديواره بر روي موليبدن (Mo) و آلياژي  از  آهن – موليبدن همچنين مورد تحقيق قرار گرفته و اثبات شده است. رسوب گذاري شيميايي فاز  بخار كربن در درون منافذ يك بالشتك آلوميناي نازک كه يك غشاء را پديد مي‌آورد با حضور كاتاليست نيكل (Ni) و يا بدون حضور آن انجام شده است. اتيلن با درجه حرارتهاي واكنش 454 درجه سانتي‌گراد براي رسوب گذاري شيميايي فاز  بخار كاتاليز شده با نيكل و درجه حرارت 900 درجه سانتي‌گراد براي يك فرآيند كاتاليز نشده به كار رفته است. نانوساختارهاي كربني به دست آمده سرهاي باز دارند يعني هيچ نوع كلاهكي ندارند.

    متان نيز به عنوان يك خوراك كربني مورد استفاده قرار گرفته است. بويژه  از  آن براي تهيه تراشه‌هاي نانولوله  كه شامل نانولوله هاي تك ديواره مجزا در محلهاي كنترل شده مي‌باشد، استفاده شده است. راندمان بالايي  از  نانولوله هاي تك ديواره (70 – 80%)  از  طريق تجزيه كاتاليتيكي مخلوطي  از  CH4/H2 همراه با ذرات فلزي بخوبي پراكنده شده  از  (Co , Ni , Fe) بر روي منيزيم اكسيد (MgO) در دماي 1000 درجه سانتي‌گراد به دست آمده است. گزارش شده است كه سنتز پودرهاي كامپوزيتي شامل نانولوله هاي كربني به خوبي پخش شده را مي‌توان  از  طريق احياي انتخابي در محيطCH4/H2  از  محلولهاي جامد اكسيدي بين يك اكسيد غيرفعال احيا مانند MgAl2 O4 , Al2 O3 و يك يا چندين اكسيد فلز واسطه به دست آورد. محصول واكنش احياء نانو ذرت بسيار كوچكي  از  فلزات واسطه (Ni , Co , Fe و آلياژهاي آنها) در دماهاي معمولاً بيشتر  از  800 درجه سانتي‌گراد مي‌باشد. تجزيه متان بر روي نانوذرات تازه تشكيل شده  از  رشد بيشتر آنها جلوگيري مي‌كند و در نتيجه درصد بسيار بالائي  از  نانولوله هاي تك ديواره و درصد كمتري  از  نانولوله هاي چند ديواره، به دست مي‌آيد.

واكنش تسهيم نامتناسب كربن مونوكسيد(2CO à C + CO2)  نيز براي توليد نانولوله هاي كربني صف آرايي شده بكار رفته است.

    مطالعه جامعي درباره توليد نانولوله هاي كربني  از  طريق تجزيه كاتاليتيكي تركيبات كربن‌دار گوناگون در مجاورت كاتاليستهاي بر پايه فلزات واسطه تقويت شده، گزارش شده است. معلوم شده است كه تركيبات آهن‌دار آرايه‌هاي نانولوله  خوبي را پديد مي‌آورند. به عنوان مثال، استيلن، اتيلن، پروپيلن، استون –n پنتان، متانول، تولوئن و متان با تركيبات آهن‌دار  آزمايش شده‌اند و در نهايت مشخص شده است كه همه آنها توانايي تشكيل نانولوله هاي كربني را دارند و با استفاده  از  آنها مي‌توان نانولوله هاي كربني را بدست آورد.

    روش هايCVD  نيز امکان رشد نانولوله ها را فراهم مي آورد. کنترل موقعيت و رشد با کاتاليست ها (مخصوصا به شکل نانو ذرات)، قابليت خلق نانولوله هايي با ساختار و وضعيت مورد نظر را فراهم مي آورد.اين روش در توليد قطعات نشر ميداني کاربرد دارد. چالش باقي مانده، کنترل دقيق رشد اين ساختارهاست. سادگي اين روش، سبب کاربرد آن درتوليد انبوه است.

 

 

.

.

.

جهت دریافت و خرید متن کامل پایان نامه و تحقیق و مقاله مربوطه بر روی گزینه خرید که در بالای صفحه قرار دارد کلیک نمایید و پس از وارد کردن مشخصات خود به درگاه بانک متصل شده که از طریق کلیه کارت هایی عضو شتاب قابل پرداخت می باشید و بلافاصله بعد از پرداخت انلاین به صورت خودکار لینک دانلود مربوطه فعال گردیده که قادر به دانلود فایل کامل ان می باشد.

پاسخ دهید