نانو کامپوزیت های فلزی بر پایه گرافن - ایران گرافن

نانو کامپوزیت های فلزی چیست؟

نانو کامپوزیت های فلزی ماده ای است که از یک زمینه فلزی یا ماده پایه و ذرات یا الیاف نانو مقیاس پراکنده در آن تشکیل شده است. ذرات یا الیاف در مقیاس نانو را می توان از مواد مختلفی از جمله سرامیک، پلیمر، کربن یا فلزات دیگر ساخت. افزودن این ذرات یا الیاف در مقیاس نانو می تواند خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی و سایر خواص ماتریس فلزی را افزایش دهد.

نانو کامپوزیت های فلزی معمولا با استفاده از تکنیک هایی مانند متالوژی پودر، رسوب الکتریکی یا رسوب فیزیکی بخار تولید می شوند. این روش ها امکان کنترل دقیق اندازه، شکل و توزیع ذرات  یا الیاف نانو مقیاس را در ماتریس فلزی فراهم می کند.

کاربردهای نانو کامپوزیت های فلزی شامل صنایع هوافضا و خودروسازی است که می توان از آن ها برای ساخت قطعات سبک تر و قوی تر استفاده کرد. آن ها همچنین در کاربردهای الکترونیکی و ذخیره انرژی مانند ساخت باتری ها و سلول های سوختی کارآمدتر، استفاده می شوند. علاوه بر این، نانوکامپوزیت های فلزی کاربردهای بالقوه ای در کاربردهای زیست پزشکی، مانند ساخت ایمپلنت هایی با سازگاری زیستی و خواص مکانیکی بهبود یافته دارند.

یکی از معایب اصلی نانو کامپوزیت های فلزی، تمایل آن ها به نشان دادن شکل پذیری و چقرمگی ضعیف است که می تواند استفاده از آن ها را در کاربردهای خاص محدود کند. این به دلیل وجود ذرات یا الیاف در مقیاس نانو است که می توانند به عنوان متمرکز کننده تنش عمل کرده و منجر به شکست زودرس مواد شوند.

برای پرداختن به این موضوع افزودن نانو مواد دیگری همچون گرافن به نانو کامپوزیت های فلزی توجه دانشمندان را به خود جلب کرده است. گرافن یک ماده دو بعدی است که به دلیل خواص مکانیکی استثنای از جمله استحکام، سفتی و چقرمگی بالا شناخته شده است. با افزودن گرافن به نانوکامپوزیت های فلزی، محققان امیدوارند عملکرد مکانیکی کلی آن ها را بهبود بخشند و آن ها را برای استفاده در طیف وسیع تری از کاربردها مناسب تر کنند.

نانو کامپوزیت های فلزی مبتنی بر گرافن

نانو کامپوزیت فلزی مبتنی بر گرافن، ماده ای است که از نانو ذرات یا الیاف فلزی پراکنده در ماتریسی از گرافن تشکیل شده است. گرافن به عنوان یک عامل تقویت کننده عمل می کند و استحکام، سفتی و چقرمگی بیشتری را برای مواد ایجاد می کند. اجزای فلزی بسته به کاربرد خاص می تواند متفاوت باشد، اما فلزات رایج مورد استفاده در این کامپوزیت ها مس، آلمینیوم و نیکل هستند.

این نانوکامپوزیت ها به دلیل خواص بهبود یافته و کاربردهای بالقوه متنوع مورد توجه بالایی قرار گرفته اند. بیایید به خواص و کاربردهای نانوکامپوزیت های فلزی میتنی بر گرافن بپردازیم:

خواص

1. استحکام مکانیکی افزایش یافته: افزودن گرافن به ماتریس های فلزی خواص مکانیکی آن ها را بهبود می بخشد و آن را به طور قابل توجهی قوی تر، سخت تر و در برابر تغییر شکل مقاوم تر می کند.
2. بهبود رسانایی الکتریکی: گرافن یک رسانای عالی الکتریسته است. هنگامی که در نانوکامپوزیت های فلزی گنجانده می شود، رسانایی الکتریکی آن ها را افزایش می دهد و آن ها را برای کاربرد در الکترونیک، حسگرها و زمینه های مرتبط با انرژی مناسب می کند.
3. افزایش رسانایی حرارتی: رسانایی گرمایی استثنایی گرافن باعث افزایش خواص حرارتی نانو کامپوزیت های فلزی می شود. این ویژگی آن ها را در برنامه های مدیریت حرارتی مانند سینک های حرارتی، بسته بندی الکترونیکی و مواد رابط حرارتی مفید می کند.
4. مقاومت در برابر خوردگی افزایش یافته: گرافن هنگامی که با فلزات ترکیب می شود به عنوان یک لایه مانع و قربانی عمل می کند. این یک پوشش محافظ تشکیل می دهد که از رسیدن مواد خورنده به فلز جلوگیری می کند و در نتیجه مقاومت به خوردگی نانو کامپوزیت را بهبود می بخشد.
5. تشدید پلاسمون سطحی مناسب: نانوکامپوزیت های فلزی مبتنی بر گرافن رزونانس پلاسمون سطح قابل تنظیم (SPR) را نشان می دهند که بر خواص نوری آن ها تاثیر می گذارد. این ویژگی در کاربردهایی مانند سنجش، تصویر برداری و اپتوالکترونیک بسیار مهم است.

برنامه های کاربردی

1. الکترونیک و اجزای رسانا: نانو کامپوزیت های فلزی مبتنی بر گرافن در دستگاه های الکترونیکی، پوشش های رسانا، اتصالات داخلی و الکترونیک انعطاف پذیر کاربرد دارند. رسانایی الکتریکی و حرارتی افزایش یافته آن ها، همراه با استحکام مکانیکی، آن ها را به مواد امیدوار کننده ای برای نسل بعدی الکترونیک تبدیل می کند.
2. ذخیره و تبدیل انرژی: این نانوکامپوزیت ها پتانسیلی در سیستم های ذخیره و تبدیل انرژی نشان داده اند. آن ها را می توان در باتری ها، ابرخازن ها، سلول های سوختی و دستگاه های ذخیره هیدروژن به کار برد. رسانایی الکتریکی بالای آن ها، انتقال بار کارآمد و انتقال انرژی را تسهیل می کند.
3. کاتالیز و الکتروشیمی: خواص منحصر به فرد نانوکامپوزیت های فلزی مبتنی بر گرافن، آن ها را به کاتالیزورهای عالی برای واکنش های شیمیایی مختلف، مانند تولید هیدروژن، کاهش دی اکسید کربن و کاهش اکسیژن تبدیل می کند. سطح بالای آن ها و خواص حمل و نقل افزایش یافته آن ها عملکرد کاتالیزوری را بهبود می بخشد.
4. سنجش و سنجش زیستی: نانوکامپوزیت های فلزی با گرافن حساسیت و گزینش پذیری فوق العاده ای از خود نشان می دهند. آن ها در تشخیص آلاینده های محیطی، تشخیص گازها، حسگرهای شیمیایی و حسگرهای زیستی برای تشخیص پزشکی کاربرد دارند.
5. مواد ساختاری: نانوکامپوزیت های فلزی مبتنی بر گرافن پتانسیل استفاده در مواد ساختاری سبک وزن برای صنایع هوافضا، خودروسازی و ساختمان را دارند. ترکیبی از استحکام بالا، رسانایی الکتریکی و پایداری حرارتی آن ها را به مواد امیدوارکننده ای برای کاربردهایی که به اجزای قوی، رسانا و سبک نیاز دارند تبدیل می کند.
6. کاربردهای بیومدیکال: این نانوکامپوزیت ها در کاربردهای زیست پزشکی مانند دارورسانی، تصویربرداری زیستی و مهندسی بافت امید بخش بوده اند. زیست سازگاری گرافن، فرصت هایی را برای درمان هدفمند، تصویربرداری تشخیصی و پزشکی احیا کننده باز می کند.
7. کاربردهای زیست محیطی و پایدار: نانوکامپوزیت های فلزی مبتنی بر گرافن پیامدهایی در زمینه های زیست محیطی از جمله تصفیه آب، پاکسازی آلاینده ها و پوشش های کارآمد انرژی دارند. خواص آن ها حذف موثر آلاینده ها، عملکرد ضد میکروبی و افزایش بهره وری انرژی را ممکن می سازد.

با وجود اینکه نانوکامپوزیت های فلزی مبتنی بر گرافن امکانات زیادی را برای کاربردهای مختلف ارائه می دهند، ولی تحقیقات بیشتری را در این زمینه می طلبد.

روش های مختلفی برای تولید نانوکامپوزیت های فلزی بر پایه گرافن وجود دارد. از جمله این تکنیک ها که می توان به آن ها اشاره کرد، موارد زیر هستند:

1. رسوب شیمیایی بخار (CVD)
2. رسوب الکتروشیمیایی
3. لایه برداری فاز مایع
4. سنتز درجا
5. رسوب بخار فیزیکی (PVD)

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780081025093000067#:~:text=Graphene%2Dreinforced%20metal%20matrix%20composites,its%20viability%20and%20outstanding%20features.https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/ta/c5ta02240a