روش‌های تهیه نانوذرات؛

روش آلیاژسازی مکانیکی

1. مقدمه

روش
آلیاژسازی مکانیکی اولین بار توسط بنیامین(Benjamin)  و همکاران‌اش
در
اواخر دهه شصت ِ قرن بیستم میلادی معرفی شد. آن‌ها این روش را به
منظور
تولید سوپرآلیاژهای پایه نیکلی استحکام یافته با ذرات اکسیدی به کار
بردند.

طی
این فرایند، ذرات پودری خام در اندازه چند میکرون تحت یک تغییر
شکل
پلاستیکی شدید قرار می‌گیرند و پیوسته متحمل جوش سرد و شکست
می‌شوند.
چنانچه پودر مورد استفاده از نظر ترکیب شیمیایی کاملاً همگن باشد
(برای
مثال پودر یک عنصر یا پودر یک آلیاژ) فرایند، آسیاب کردن
مکانیکی ((
Mechanical Milling (MM)نامیده می‌شود. در این حالت، هیچ‌گونه تغییری
در
ترکیب شیمیایی پودر اولیه صورت نمی‌گیرد و آلیاژسازی مکانیکی تنها منجر
به
تغییر در ساختار داخلی و اندازه ذرات پودر می‌گردد. سابقه تاریخی
روش
آسیاب کردن مکانیکی به سال 1987 برمی‌گردد. مزیت آن نسبت به دیگر
روش‌ها،
اجرای آسان و کم‌هزینه در مقیاس صنعتی است.

2. فرایند تولید پودر و پارامترهای اصلی فرایند

ابتدا
مواد خام را به همراه گلوله و مواد کنترل فرایند(PCA یا Process
Control
Agent) ، در داخل محفظه آسیاب می‌ریزند. در اثر چرخش محفظه‌ی
آسیاب،
گلوله‌ها به مواد خام برخورد کرده، منجر به آسیاب شدن و خردتر
شدن
می‌شوند. در این بین نیز مواد خام به دلیل گیرافتادن بین گلوله‌ها بر
اثر
جوش سرد، پرس و به هم متصل می‌شوند و ذرات بزرگتری به وجود می‌آورند.
شکل
1 به زیبایی نحوه پروسه را توضیح می‌دهد.

در اولین مراحل آلیاژسازی
مکانیکی به دلیل نرم بودن ذرات پودر، مکانیزم غالب،
جوش سرد می‌باشد و در
نتیجه اندازه ذرات پودر افزایش می‌یابد که این افزایش تا
چند برابر اندازه
اولیه ذرات پودر گزارش شده است. با ادامه تغییر شکل و کار سخت
شدن ذرات
پودر، تمایل به شکست در ذرات پودر افزایش می‌یابد. در نتیجه در مرحله
دوم
آلیاژسازی مکانیکی، اندازه ذرات پودر کاهش می‌یابد. در مرحله سوم و پس
از
گذشت زمان معینی حالت پایا بین سرعت جوش سرد و شکست به وجود می‌آید.
در
این شرایط اندازه ذرات ثابت می‌ماند و تغییر نمی‌کند.

3. انواع آسیاب

آسیاب‌های
ستاره‌ای  (متداول‌ترین نوع و محصول کارخانه Fritsh آلمان
است)،
شافتی(Attrition milling)، ارتعاشی( Shaker ball mill)،
غلتشی( Tumbler
mill )و مغناطیسی از متداول‌ترین آسیاب‌ها هستند( شکل 2).

آسیاب‌های
سیاره‌ای یکی از انواع آسیاب‌های متداول در آلیاژسازی مکانیکی
هستند که تا
چند صد گرم پودر را در هر بار آسیاب می‌کنند. این نوع آسیاب شامل دو
تا
چهار محفظه است که روی یک دیسک نصب شده‌اند. محفظه‌ها حول محور عمودی
خود
دوران می‌کنند و به طور همزمان دیسک نگهدارنده محفظه‌ها نیز در جهت
مخالف
با چرخش محفظه‌ها دوران دارد. به این ترتیب، مطابق شکل (2-الف) محفظه
دو
نوع حرکت چرخشی خواهد داشت که در نتیجه گلوله‌های داخل محفظه آسیاب
تا
مسافتی به جداره داخلی آن چسبیده و در نقطه‌ای معین از جداره جدا شده و
به
سمت مقابل برخورد می‌کنند.

در
آسیاب ارتعاشی چند گلوله داخل محفظه‌ای کوچک جای می‌گیرند و محفظه
آسیاب
که بر روی یک بازو محکم شده است با فرکانس بالا ارتعاش می‌کند (شکل
2-ب).
در این آسیاب حرکات ارتعاشی در سه بعد صورت می‌گیرد به طوری‌که دامنه
حرکت
در یک بعد بیشتر از دو بعد دیگر است. اگرچه سرعت خطی گلوله‌ها در
آسیاب
گلوله‌ای سیاره‌ای بیشتر از آسیاب ارتعاشی است اما به دلیل فرکانس
بالای
ضربات در آسیاب ارتعاشی، این آسیاب نسبت به آسیاب ستاره‌ای،
پرانرژی‌تر
محسوب می‌شود.

آسیاب‌های غلتشی از یک محفظه استوانه‌ای بزرگ حاوی
تعداد زیادی گلوله و یا
میله تشکیل شده و ظرفیت بالایی در حدود 100-0.5
کیلوگرم دارا می‌باشند. محفظه به
صورت افقی به وسیله دو غلتک چرخان
می‌غلتد (شکل 2-ج). در این نوع آسیاب،
گلوله‌ها بر اثر نیروی گریز از مرکز
تا مسافتی به دیواره محفظه چسبیده و بالا
می‌روند. سپس با غلبه نیروی
جاذبه در ارتفاع مشخصی به پایین سقوط می‌کنند. با
تغییر سرعت چرخش
غلتک‌ها، سرعت آسیاب کرد نیز افزایش می‌یابد. اما بیش از یک
سرعت بحرانی،
نیروی گریز از مرکز بر جاذبه غلبه کرده و گلوله‌ها به جداره
استوانه
می‌چسبند.

آسیاب‌های شافتی همانند آسیاب‌های غلتشی دارای یک محفظه
استوانه‌ای و تعداد
زیادی گلوله بوده و ظرفیت تولید بالایی نیز دارند. در
این نوع آسیاب‌ها، محفظه
استوانه‌ای ثابت است و حرکت گلوله‌ها توسط تعدادی
پروانه که بر روی یک شافت
عمودی نصب شده‌اند، صورت می‌گیرد (شکل 2-د).
بنابراین، کنترل درجه حرارت به
وسیله عبور یک سیال در فاصله بین دو جداره
محفظه به سهولت فراهم می‌گردد. اما
آب‌بندی این گونه آسیاب‌ها برای انجام
عملیات آلیاژسازی مکانیکی تحت شرایط خلأ
یا اتمسفر خنثی مشکل است.

آسیاب
مغناطیسی، عملکردی مشابه با آسیاب غلتشی دارد با این تفاوت که در این
نوع
آسیاب یک میدان مغناطیسی جایگزین نیروی جاذبه شده است (شکل 2-ه). این
نوع
آسیاب برای کاربردهای آزمایشگاهی مفید بوده و تا 100 گرم پودر را در
هر
مرحله آسیاب می‌کند.

آسیاب‌های غلتشی و شافتی نسبت به سایر آسیاب‌ها
از انرژی کمتری برخوردار
هستند اما به دلیل طرفیت بالای تولید، در مقیاس
صنعتی قابل استفاده می‌باشند.

4. مواد کنترلی (PCA)

از آسیاب بدون PCA با توجه به جوش سرد نمی‌توان انتظار نانوپودر
داشت.
که شدت جوش سرد مواد داکتیل زیاد است، به طوری که در یک آسیاب
گلوله‌ای معمولی،
کمتر از 1% کاهش قطر پودر داریم و در آسیاب‌های گلوله‌ای
ویژه،  این مقدار به یک
درصد نمی‌رسد. برای حل این مشکل از PCA استفاده
می‌کنیم. پس این مواد، مهم‌ترین
عامل در رسیدن به نانوپودر هستند. اغلب
آنها موادی آلی‌اند که جذب سطح شده، از
آگلومره شدن (کلوخه‌ای شدن) آن‌ها
جلوگیری می‌نماید.

محدوده‌ی ترکیبی این مواد وسیع است (می‌توان از
مواد مختلفی استفاده کرد). از
مهم‌ترین آن‌ها می‌توان هگزان، اسید استریک
(نوعی اسید آلی)، متانول و اتانول را
نام برد. تحقیقات نشان داده است که
میزان حضور PCAها منجر به کاهش نمایی
اندازه‌ی ذرات می‌شوند. به عنوان
مثال وقتی 1% وزنی اسید استریک به آلومینا
اصافه کنیم، بعد از 5 ساعت
اندازه ذرات 500 میکرومتر ولی اگر 3% اضافه کنیم در
همین مدت به ذراتی با
اندازه‌ی 10 میکرومتر خواهیم رسید.

هم‌چنین این مواد بر روی فاز
نهایی، میزان حلالیت جامد و تغییرات میزان و نوع
ناخالصی مؤثرند. البته
بعضی مواقع محصولات جانبی واکنش‌های آسیاب خود به عنوان
PCA عمل می‌کنند؛
این حالت از نظر کنترل فرایند و آلوده نکردن محصول، بهترین
حالت است. به
عنوان مثال، در تولید زیرکونیا، کلرید زیرکونیوم را با منیزیا وارد
آسیاب
کرده، که در نتیجه داریم:

   ZrCl4 + 2MgO = ZrO2 + 2MgCl2

محصول
جانبی واکنش (کلرید منیزیم) به عنوان یک PCA عمل می‌کند و از به هم
چسبیدن
ذرات منفرد و نانوکریستال زیرکونیا ممانعت به عمل می‌آورد، و در پایان
به
راحتی با یک شستشو از محصول جدا می‌شود.

                                                                                                                         
گردآوری:
مریم ملک دار

منبع.موسسه تبیان

http://daneshname3.ParsiBlog.com

فناوری نانو در عرصه دفاعی امنیتی-قسمت دوم

در قسمت
قبل
به معرفی برخی کاربردهای فناوری نانو در عرصه نظامی پرداختیم و در
این
قسمت نیز به معرفی دیگر کاربردهای نانومواد در این عرصه می پردازیم.

2-2- نانوپودرها

نمونه هایی از کاربردهای نانوپودرها به شرح زیر است:

-
به دلیل هم اندازه بودن اندازه برخی نانوپودرها با طول موج نور مرئی،
این
طول موج را با تلألؤ بسیار زیادی منتشر می کنند. مثلاً فلونورسانس فلز
طلا
در حالت نانو پودر بیش از ده برابر حالت معمولی آن است، لذا در منورها
یا
موادی که نیاز به پراش شدید طیف خاصی از نور مرئی یا مادون قرمز است،
می
توان از نانو پودرهای فلزی از جمله طلا استفاده کرد. به علاوه می توان
رنگ
های متکی بر نانوپودر را به جای رنگ های آلی به کار برد و هواپیماهایی
را
که با فرسایش در سرمای شدید ارتفاعات مواجه هستند، رنگ آمیزی خاص نمود.

-
آلومینیوم در صورت واکنش با اکسیژن، چهار برابر هیدرازین انرژی آزاد
می
کند، ولی واکنش گرمایی پودر به دلیل کمبود سطح مؤثر، احتراق شدیدی
ندارد.
اما نانوپودرهای جدید آلومینیوم کاملاً می سوزند و انرژی بالای خود
را
آزاد می کنند و می توان در هر دو نوع سوخت جامد و مایع موشک، از
آنها
استفاده کرد. با توجه به سرعت واکنش احتراق، به نظر می رسد به اکسید
کننده
کمتری نیاز باشد. همچنین از نانو پودرهای فلزی می توان به عنوان نسل
بعد
مواد انفجاری نیز یاد کرد.

2-3- نانو حسگرهای مولکولی

با
پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در
چند
دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوست نیاز به ساخت حسگرهای
دقیقتر،
کوچکتر و دارای قابلیت های بیشتر احساس شد. بالا بردن درجه حساسیت، بهره
و
دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانوحسگرها،
حسگرهایی
در ابعاد نانومتری هستند که به خاطر کوچکی و نانومتری بودن
ابعادشان از دقت
واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند به طوری که حتی نسبت
به حضور چند اتم از یک
گاز هم عکس العمل نشان می دهند. نانولوله ها به
دلیل دارا بودن خواص مکانیکی و
الکترونیکی ویژه کاربردهای متنوعی پیدا
کردند از جمله می توان به استفاده از
آنها به عنوان حسگرهایی با دقت و
سرعت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظت های
بسیار پایین اشاره کرد.

با
کمک فناوری نانو می توان به شکل های مختلف، حسگرهایی تهیه کرد که به
صورت
تغییر رنگ یا انتقال پیام، مواد شیمیایی را در غلظت های مولکولی
شناسایی
کنند. از این حسگرها می توان برای آشکار سازی مواد مخدر و منفجره
(مثلاً
از بیرون چمدان) یا عوامل شیمیایی مث لگازهای اعصاب استفاده کرد.
این
مسئله می تواند روزی به صلاح بویاب منتهی شود.

2-4- نانو
الکترونیک

نانو
الکترونیک به عنوان یک فناوری متحول کننده، همه چیز از جمله فناوری
نظامی
را در هم خواهد ریخت. واقعیت مجازی پیچیده تر متکی بر نانو الکترونیک،
می
تواند در شبیه سازی عینی بسیاری از رخدادهای استفاده شود و سامانه
های
مدیریتی و آموزشی پرسنل را ارتقا دهد. قوی تر بودن تراشه های
الکترونیکی،
بیان گر دقت ناوبری، هواپیما و موشک هاست. کافی است تصور کنید
یک
ابررایانه را در ون یک موشک قرار داده ایم. توانایی تحلیل و انتقال
داده
بالا، موجب می شود سنجش از راه دور ( که در شناسایی عملیات نظامی
دخیل
است) بیشتر مفید باشد و اطلاعات بیشتری را بتوان از آن استخراج کرد
(مثل
ردگیری یک پایگاه زیرزمینی یا حرکات دشمن در پس مه و گرد و غبار شاید
در
آن هنگام ساده ترین کارها، پیش بینی زمان دقیق نزولات آسمانی و شکست
های
نظامی باشد. آنچه مسلم است این که، اثرات چنین فناوری بزرگی را به سختی
می
توان پیش بینی کرد.

2-5 NEMs

این سامانه، بیانگر
سامانه های مکانیکی – الکترونیکی در ابعاد نانومتر است.
این سامان ها نوعی
فناوری ویژه اند که کاری مشابه حسگرها دارند. این تراشه های
کوچک به صورت
بازوهایی کوچک یا مانند چشم هستند که عمل مخابره کردن پیام های
محیطی مثل
گرما، فشار، سرعت و ... را بر عهده دارند. از مزایای این سامانه کوچکی
آن
است که می شود در همه جا آن را استفاده کرد، از ران بودن و مصرف انرژی
کم
و سادگی در تعمیر از دیگر خصوصیات این سامانه است. از این سامانه ها
می
توان در موشک ها جهت هدایت بهتر و همچنین در خمپاره اندازها برای
حذف
سامانه های مکانیکی از آن سود جست. برخی از شرکت های خارجی در پی
جایگزینی
سامانه های NEMS به جای مین های ضد نفر هستند. این سامانه شامل مجموعه
ای
از حسگرهای سنجش از راه نزدیک و دور است و می تواند به کامپیوتر دستی
فردی
در چند کیلومتر دورتر هشدار دهد که شخصی در حال نفوذ است.

3- نتیجه گیری

فناوری
نانو دارای دامنه استفاده وسیع در صنایع دفاعی – نظامی است و تأثیر
عمده
ای در پیشرفت هر چه بیشتر سامانه های دفاعی دارد. هوشمندی بیشتر، اندازه
و
وزن کوچک تر، از مهم ترین نتایج کاربردهای فناوری نانو در صنایع دفاعی
است.
برخی اطلاعات منتشره در دنیا نشان می دهد که بعضی از دستاوردهای آن
در سال های
جاری به تحقق پیوسته یا خواهد پیوست. کشور ما نیز قطعاً نیاز
دارد، با برنامه
ریزی بلند مدت، بخش دفاعی خود را با این روند اجتناب
ناپذیر دنیا همراه سازد.
بدین منظور پیشنهاد می شود اولاً فناوری نانو به
عنوان یکی از محورهای اولویت
دار در وزارت دفاع مورد توجه قرار گیرد؛
ثانیاً برنامه ای برای موفقیت در این
عرصه زیر نظر مسئولان رده بالای
وزارت دفاع تدوین شود و آموزش پژوهشگران،
استفاده از توانایی پژوهشی
دانشگاه ها، مراکز پژوهشگران، استفاده از توانایی
پژوهشی دانشگاه ها،
مراکز پژوهشی و ایرانیان مقیم خارج از کشور، جزء بخش های این
برنامه قرار
گیرد.

گردآوری:محسن مرادی