کامپوزیت های گرافن چیست و چه کاربردهایی دارد؛ نوشته ای برای مهندسان مواد

طی چند سال اخیر خواص منحصر به فرد کامپوزیت های گرافن توجه بسیاری از محققان و رسانه ها را به خود جلب نموده است. گرافن و مشتقات آن (نظیر اکسیدهای گرافن) از این پتانسیل برخوردار هستند که در مقیاس تجاری تولید شوند و مورد استفاده قرار گیرند.

در بسیاری از کاربردها گرافن به صورت مصنوعی، با کیفیت بسیار بالا و در مقیاس صنعتی تولید می شود. در کاربردهای پیشرفته ای نظیر نانو الکترونیک که به ساختارهای پیچیده ای در مقیاس نانو نیاز است، از نانو مواد گرافن استفاده می گردد.

لازم به ذکر است که یکی از راه های ایجاد نوار ممنوعه (حد فاصل بین نوار رسانش و نوار ظرفیت) در گرافن، تبدیل آن به کامپوزیت های گرافن است.

به این ترتیب می توان در صنعت الکترونیک از مزایای گرافن بهره مند گردید. اگرچه می توان گرافن را در مقیاس نانو تولید نمود، اما هنوز باید خواص نانو گرافن را بیشتر ارتقاء بخشید تا در کاربردهایی که در آنها از این محصول استفاده می شود، بازده کار افزایش یابد.

البته تحقق بخشیدن به این ایده مستلزم صرف هزینه های گزافی می باشد. بنابراین در آینده نزدیک نمی توان نانو گرافن را در مقیاس تجاری تولید نمود.

 

از خواص منحصر به فرد گرافن می توان به استحکام مکانیکی، رسانایی حرارتی و رسانایی الکتریکی فوق العاده آن اشاره کرد.

بسیاری از صنایع حاضرند بدون اینکه منتظر بمانند تا گرافن مصنوعی در مقیاس صنعتی و با قیمت پایین تولید شود، از همین حالا این ماده شگفت انگیز را مورد استفاده قرار دهند.

لازم به ذکر است که گرافن مصنوعی نوعی نیمه رسانا است که در آن از گرافن استفاده نشده است؛ بلکه ساختار نانویی و خواص فیزیکی آن دقیقاً همانند گرافن می باشد.

می توان کامپوزیت های تقویت شده با گرافن (کامپوزیت های گرافن) را در مقیاس تجاری و با هزینه اندک تولید نمود.

 

در این کامپوزیت ها وجود گرافن سبب می گردد که رسانایی و استحکام مواد توده ای (سه بعدی) افزایش یابد.

به علاوه در این کامپوزیت ها (کامپوزیت های گرافن ) می توان از گرافنی استفاده نمود که با روش های ارزان تری تولید شده است.

به عنوان مثال، لایه برداری از گرافیت یکی از روش های ارزان تولید گرافن است.

گفتنی است که بسیاری از مواد هنگامی که به شکل توده ای هستند، نسبت به شکل تک لایه ای (دوبعدی) خود رفتار متفاوتی نشان می دهند.

منشأ این اختلاف رفتار، نیروهای ضعیفی است که تعداد زیادی تک لایه را در کنار هم نگه می دارند و یک توده از آن ماده را ایجاد می کنند.

از آنجا که تولید مواد به شکل تک لایه و در ابعاد بزرگ با چالش هایی همراه است و تقریباً غیر ممکن می باشد، استفاده از شکل توده ای ماده می تواند راه ساده ای برای بهره گیری از خواص منحصر به فرد تک لایه ها باشد.

 

گرافن طبیعی از کیفیت مطلوبی برخوردار نیست، بنابراین دربسیاری از کاربردهای الکترونیکی نمی توان از آن استفاده نمود. اما می توان در نانو کامپوزیت ها از ماده مذکور بهره جست.

امروزه محققان توانسته اند با افزودن مقدار کمی گرافن به فلزات، پلیمرها و سرامیک ها، موادی چقرمه و سبک تولید کنند (کامپوزیت های گرافن). لازم به ذکر است که به مقاومت مواد در برابر شکست ناشی از اعمال تنش، چقرمگی می گویند.

برخی مواد، چقرمه هستند و برخی دیگر ترد و شکننده. معمولاً کامپوزیت ها نسبت به مواد توده ای خالص از رسانایی الکتریکی بالاتری برخوردار هستند و در مقابل حرارت نیز بیشتر مقاومت می کنند.

در سال ۲۰۱۲ میلادی، محققانی از کشور آلمان عملکرد کامپوزیت لاستیک استایرن بوتادین / نانو صفحات گرافن را ارزیابی نمودند.

سپس عملکرد این کامپوزیت، عملکرد کامپوزیت لاستیک استایرن بوتادین / نانو لوله های کربن و عملکرد کامپوزیت لاستیک استایرن بوتادین / گرافیت قابل انبساط را با یکدیگر مقایسه کردند.

گفتنی است که لاستیک استایرن بوتادین یک نوع لاستیک خودرو می باشد. نانو صفحات گرافن، خواص الکتریکی لاستیک استایرن بوتادین را افزایش داده بودند.

به عبارت دیگر با افزودن نانو صفحات گرافن (کامپوزیت های گرافن)، مقاومت ویژه این لاستیک ۱۵% کاهش یافت. در حالی که افزودن نانولوله های کربن چند دیواره، مقاومت ویژه لاستیک را تنها ۵% کاهش داده بود.

لازم به ذکر است که مقاومت ویژه از مشخصات ماده اولیه است و کمتر به نمونه ساخته شده از آن مربوط می شود.

برای آزمایش خواص مکانیکی کامپوزیت لاستیک استایرن بوتادین / نانو صفحات گرافن نیز از روش هایی نظیر آنچه در بالا گفته شد، استفاده گردید.

نتایج آزمایش ها حاکی از آن بود که نانولوله های کربن چند دیواره بیشتر از نانو صفحات گرافن، استحکام کششی لاستیک استایرن بوتادین را افزایش می دهند.

زیرا نانولوله های مذکور در غلظت پایین نیز به صورت شبکه در می آیند. البته عملکرد نانو صفحات گرافن نیز خوب بود. اگرچه نانولوله های کربن چند دیواره در کامپوزیت های لاستیک استایرن بوتادین از خود عملکرد بهتری نشان می دهند، اما برای تولید انبوه این لاستیک ها استفاده از نانو صفحات گرافن مقرون به صرفه تر است.

بیشتر بخوانید: تولید محتوای تخصصی صنعتی – تولید محتوای سایت نفت و پتروشیمی را از این قسمت مطالعه کنید…..

 

کامپوزیت های تیتانیم-گرافن

 

تیتانیم، فلزی است که به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، استحکام بالا و سبکی، به عنوان یک ماده سازه ای مهم شناخته شده است.

به همین علت از این ماده در کاربردهای تجاری، نظامی و صنعتی استفاده می گردد. اما تیتانیم از رسانایی حرارتی پایینی برخوردار است و به همین سبب در بسیاری از کاربردها نمی توان از آن بهره جست.

تحقیقات نشان داده اند که با اضافه کردن گرافن، رسانایی حرارتی تیتانیم به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. در سال ۲۰۱۲ میلادی شرکت اکس جی ساینسز (شرکت تولید کننده مواد مهندسی) و آزمایشگاه ملی اوک ریج با مشارکت یکدیگر کامپوزیت های پیشرفته تیتانیم-گرافن را تولید نمودند.

در این همکاری مشترک از فناوری های شرکت اِکس جی سایِنسِز در تولید انبوه نانو صفحات گرافن استفاده گردید ضمن اینکه فرآیند تولید نانو مواد فلزی در دمای پایین نیز در آزمایشگاه ملی اوک ریج اجرا شد.

“دانشگاه یون نان چین” نیز با یک فناوری پیشرفته تر توانست بر روی گرافن رشد داده شده روی بستر تیتانیم، مولکول های هیدروژن را جذب سطحی نماید.

تحقیقات این دانشگاه نشان داد که حضور تیتانیم باعث می گردد که ملکول های هیدروژن راحت تر به گرافن بچسبند.

به نظر محققان این دانشگاه با روش مذکور می توان ظرفیت پیل های سوختی را افزایش داد و گاز هیدروژن بیشتری در آن ذخیره نمود. لازم به ذکر است که انرژی الکتریکی که توسط پیل سوختی تولید می گردد، حاصل ترکیب هیدروژن و اکسیژن می باشد.

 

پیشرفت های جدید در زمینه تولید کامپوزیت های گرافن

طی سال های اخیر، دانشمندان با استفاده از گرافن، کامپوزیت های پیشرفته ای تولید نموده اند که از خواص مکانیکی و حرارتی بالایی برخوردار می باشند (کامپوزیت های گرافن).

اما تنها در تعدادی از این کامپوزیت ها، رسانایی الکتریکی در حد مطلوب می باشد.

آکادمی علوم شنیانگ (واقع در کشور چین) یک کامپوزیت زمینه پلیمری تقویت شده با گرافن تولید نموده است که از رسانایی الکتریکی بالایی برخوردار می باشد.

در این کامپوزیت، شبکه ای انعطاف پذیر از گرافن به زمینه پلی دی متیل سیلوکسان (از خانواده سیلیکون ها) اضافه شده است.

در این فناوری، کربن بر روی فوم نیکل رشد داده شد و به این ترتیب فوم گرافن تولید گردید.

سپس پلیمر پلی متیل متاکریلات بر روی لایه نازک کربن رسوب داده شد تا از بد شکل شدن فوم گرافن جلوگیری کند.

آنگاه توسط یک اسید قوی زیر لایه نیکل شسته شد و فوم گرافن با “پلی دی متیل سیلوکسان” آغشته گردید.

به این ترتیب یک کامپوزیت زمینه پلیمری تقویت شده با گرافن به دست آمد که علاوه بر سبک بودن از انعطاف پذیری و رسانایی بالایی برخوردار بود.

در سال ۲۰۱۲ میلادی دانشگاه نفت و مواد معدنی (واقع در عربستان سعودی) نانو کامپوزیت دی اکسید تیتانیم/گرافن را تولید نمود.

با بهره گیری از کامپوزیت های گرافن به عنوان یک کاتالیست، می توان ترکیبات آلی خطرناک موجود در فاضلاب ها را با روش تخریب نوری از بین برد. کامپوزیت مذکور با روش های کلسینه کردن و سونوشیمی تولید می گردد.

توضیح اینکه کلسینه شدن عبارت است از فرآیند تشکیل اکسید یک فلز یا ترکیبات دیگر در اثر حرارت دادن فلز در مجاورت هوا.

سونوشیمی عبارت است از استفاده از امواج آلتراسونیک (مافوق صوت) در پیشبرد و تسریع واکنش های شیمیایی که با ایجاد حباب های ریز که از زمان پایداری بسیار کوتاهی برخوردار می باشند (پدیده کاویتاسیون) انجام می شود.

محققان دریافتند که در مقایسه با دی اکسید تیتانیم خالص، کامپوزیت های دی اکسید تیتانیم-گرافن از بازده فتوکالیستی بالایی برخوردار می باشند. لازم به ذکر است که واکنش های فتوکالیستی (کاتالیست های نوری) در نیمه رساناها اتفاق می افتند.

کاتالیزورهای نوری گروهی از کاتالیزورها می باشند که با قرار گرفتن در معرض تابش نور (مرئی یا نامرئی) فعال می گردند.

کاتالیزورهای مذکور معمولاً اکسیدهای جامد نیمه رسانا هستند که با جذب فوتون ها (ذرات نور یا امواج الکترومغناطیسی که مقدار انرژی آن به فرکانس بستگی دارد)، یک جفت الکترون-حفره در آنها ایجاد می شود.

این الکترون-حفره ها می توانند با ذرات موجود در سطح مولکول ها واکنش دهند. از کاتالیزورهای نوری در تصفیه آب، تصفیه هوا از آلاینده ها، شیشه های خود تمیز شونده، تجزیه مولکول های آلی و غیره استفاده می شود.

در کامپوزیت دی اکسید تیتانیم-گرافن، صفحات گرافن سطح بزرگی را ایجاد می کنند و کاتالیست نوری دی اکسید تیتانیم را در بر می گیرند.

نور باعث می شود که الکترون های نوار ظرفیت دی اکسید تیتانیم برانگیخته گردند. صفحات گرافن، الکترون های برانگیخته شده را جذب می کنند و از انتشار امواج الکتریکی جلوگیری می نمایند. به این ترتیب بازده کاتالیزور نوری دی اکسید تیتانیم افزایش می یابد.

 

نتیجه گیری

گرافن نسبت به دیگر مواد شناخته شده از استحکام بالاتری برخوردار می باشد. به همین دلیل طی دهه های اخیر با استفاده از گرافن، کامپوزیت های جدیدی تولید شده است.

کامپوزیت های گرافن نسبت به کامپوزیت های زمینه پلیمری یا دیگر کامپوزیت های پایه کربن (کامپوزیت های تقویت شده با نانولوله های کربن یا الیاف کربن)، از خواص بالاتر و در نتیجه از عملکرد بهتری برخوردار می باشند.

با افزودن مقدار کمی گرافن، خواص کامپوزیت به طور چشمگیری ارتقاء می یابد. به همین علت در مقایسه با دیگر کامپوزیت ها، می توان کامپوزیت های گرافن را به آسانی در مقیاس تجاری تولید نمود و در کاربرد های بسیاری از آن استفاده کرد.

کاربردهایی نظیر لوازم ورزشی، کاشت های (ایمپلنت) پزشکی و بخش هایی نظیر هوا فضا و انرژی های تجدیدپذیر که در آنها از مواد مهندسی (فلزات، پلیمرها و سرامیک ها) استفاده می گردد، از این پتانسیل برخوردار هستند تا از مزایای کامپوزیت های گرافن بهره مند گردند.

کشف گرافن سبب گردید تا با استفاده از آن مواد کامپوزیتی سبک، ارزان قیمت و با عملکرد بالا تولید شوند و برای آنها کاربردهای متنوعی ایجاد گردد.

 

 منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه الکترونیکی کامپوزیت