تولید نانو پودر به روش پاشش حرارتی

Report
‫مادسیج یعنی دهکده علم و دانش ایران!!‬
‫مادسیج‪ ،‬شبکه آموزش ی پژوهش ی دانشجویان ایران‬
‫‪Madsg.com‬‬
‫تولید نانو پودر به روش پاشش حرارتی‬
‫استاد را هنما‪:‬‬
‫دکتر محمد املاس ی‬
‫تهیه کننده‪:‬‬
‫هادی نجف زاده‬
‫کارشناس ی ارشد نانو تکنولوژی‪-‬گرایش نانو فیزیک‬
‫دانشگاه کاشان‬
[email protected]
‫تابستان‪91‬‬
‫عناوین‬
‫مفاهیم نانوپودر‬
‫روش پاشش حرارتی‬
‫کاربرد نانوپودرها‬
‫نانو پودر‬
‫نانوپودر چيست؟‬
‫ُ‬
‫پودر‌ها ذرات ريزي هستند كه از خرد کردن قطعات جامد و بزرگ‪ ،‬يا‬
‫جامد معلق در محلول‌ها به دست مي‌آيند‪ .‬بنابراين‪،‬‬
‫ته‌نشین شدن ذرات‬
‫ِ‬
‫نانوپودرها را می‌توان مجموعه‌ي از ذرات دانست که اندازه‌ي آنها کمتر از‬
‫‪ 100‬نانومتر است‪( .‬اگر يك متر را يك ميليارد قسمت كنيم‪ ،‬به يک نانومتر‬
‫می‌رسيم‪ .‬طبق تعريف‪ ،‬ساختار نانومتري ساختاري است که اندازه‌ي آن‬
‫کمتر از ‪ 100‬نانومتر باشد‪).‬‬
‫چه پودري را می‌توان نانوپودر به شمار آورد؟‬
‫• پودرها در سه حالت نانوپودر به شمار می‌آيند‪:‬‬
‫• حالت اول‌‪ :‬ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر‪ ،‬در حد نانومتر باشد‪.‬‬
‫يعني اگر ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي يک پودر را به صورت يکي از اشكال منظم هندس ي در نظر بگیريم‪ ،‬ميانگین‬
‫ُ‬
‫اندازه‌ي اضالع آن بین ‪ 1‬تا ‪ 100‬نانومتر باشد‪ .‬مهمترين اشكال هندس ي‪ ،‬كره و مكعب‌اند‪ .‬اگر ساختار ذرات‬
‫ُ‬
‫ُ‬
‫تشكيل‌دهنده‌ي پودر را كره فرض كنيم‪ ،‬بايد قطر كره کمتر از ‪ 100‬نانومتر باشد و چنانچه ساختار آنها مكعب فرض‬
‫شود‪ ،‬ميانگین اضالع مكعب بايد در محدوده‌ي ‪ 1‬تا ‪ 100‬نانومتر قرار گیرد‪ .‬براي مثال‪ ،‬بلورهاي نمك طعام ساختاري‬
‫مكعب‌شکل دارند‪( .‬شکل شماره‌ي ‪)1‬‬
‫بيشتر ذرات تشکيل‌دهندة پودر‪ ،‬ابعادي ميان ‪ 1‬تا ‪ 100‬نانومتر داشته باشند‪ ،‬آن پودر‪ ،‬نانوپودر محسوب‬
‫يادآوري‪ :‬اگر‬
‫ِ‬
‫می‌شود‪.‬‬
‫حالت دوم‪ :‬دانه‌هاي تشکيل‌دهندة پودر‪ ،‬ابعاد نانومتري داشته باشند‪.‬‬
‫در حالتي که اندازه‌ي ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر از صد نانومتر بيشتر باشد‪ ،‬کافي است دانه‌هاي آن‬
‫ابعاد نانومتري داشته باشند تا نانوپودر به شمار آيند‪ .‬يک مثال براي فهم اين موضوع‪ ،‬اتم‌هايي‬
‫هستند که به صورت منظم و درون سلول‌هايي که آنها را "دانه" می‌ناميم‪ ،‬کنار هم قرار گرفته‌اند‪.‬‬
‫مواد بلوري جامد نیز از سلول‌هاي ريزي تشكيل شده‌اند كه به آنها دانه مي‌گويند‪ .‬درون هر دانه‪،‬‬
‫اتم‌ها در يك جهت خاص و رديف‌هاي موازي چيده شده‌اند و تفاوت دو دانة مجاو ِر هم‪ ،‬تفاوت در‬
‫همین جهت‌گیري اتم‌هاست‪.‬‬
‫شكل ‪ :2‬اين ذره‪ ،‬حاوي سه دانه است‪.‬‬
‫شکل ‪ :3‬اتم‌ها با زاويه‌ي ‪ 45‬درجه نسبت به افق چيده شده‌اند‪.‬‬
‫شکل ‪ :4‬اتم‌ها با زاويه‌ي ‪ 90‬درجه نسبت به افق چيده شده‌اند‪.‬‬
‫شکل ‪ :5‬اتم‌ها با زاويه ي ‪ 120‬درجه نسبت به افق چيده شده‌اند‪.‬‬
‫• در دانه‌ي ‪( 1‬شکل ‪ ،)3‬اتم‌ها در رديف‌هاي موازي و با زاويه‌ي ‪ 45‬درجه نسبت به افق چيده شده‌اند‪.‬‬
‫در دانه‌ي ‪( 2‬شکل ‪ )4‬اتم‌ها با زاويه‌ي ‪ 90‬درجه و در دانه‌ي ‪( 3‬شکل ‪ )5‬اتم‌ها با زاويه‌ي ‪ 120‬درجه‬
‫نسبت به افق چيده شده‌اند‪ .‬وقتي اين سه دانه در كنار يكديگر قرار بگیرند‪ ،‬يك ذره تشكيل مي‌شود‪.‬‬
‫(شکل ‪ )6‬به فضاي خالي بین دانه‌ها «مرز دانه» مي‌گويند‪ .‬مرز دانه محلي است كه جهت چيده‬
‫شدن اتم‌ها عوض مي‌شود‪.‬‬
‫همچنین دانه‌ها را می‌توان مانند آجرهاي يك ديوار فرض كرد‪ .‬در اين صورت‪ ،‬مرز بین دانه‌ها م ‌الت‬
‫بین آجرهاست‪ .‬اگر قطر اين دانه‌ها بین ‪ 1‬تا ‪ 100‬نانومتر باشد‪ ،‬ذرات حاصل تشكيل نانوپودر‬
‫مي‌دهند‪.‬‬
‫هر چه قطر دانه‌هاي يك ذره كمتر باشد (البته با حجم ثابت)‪ ،‬تعداد دانه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي آن‬
‫بيشتر خواهد بود (واضح است كه هر چه آجرهاي تشكيل‌دهنده‌ي يك ديوار ‪ 1‬متر در ‪ 1‬متر كوچكتر‬
‫باشند‪ ،‬تعداد آجرها بيشتر خواهد بود) و هر چه تعداد دانه‌ها بيشتر شود‪ ،‬مانند گره‌هاي يک فرش‪،‬‬
‫تار و پود آن محكمتر و درهم‌تنيده‌تر است و بنابرين استحكام محصول بيشتر خواهد بود‪.‬‬
‫شکل ‪ :6‬سه دانه در مجاورت هم قرار گرفته‌اند تا يک ذره را تشکيل دهند‪.‬‬
‫يادآوري‪ :‬اگر درصد قابل توجهي از دانه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي ذرات‪ ،‬نانومتري‬
‫باشند‪ ،‬پودر‪ ،‬نانوپودر محسوب می‌شود‪.‬‬
‫• حالت سوم‪ :‬ذرات نانوپودر و ذرات پودر معمولي ترکيب شوند‪.‬‬
‫در اين حالت‪ ،‬پودر را «نانوپودر کامپوزيتي» می‌نامند‪ .‬کامپوزيت که از کلمه‌ي انگليس ي ‪composition‬گرفته‬
‫شده‪ ،‬به معني ترکيب دو يا چند چیز است‪ .‬ملموس‌ترين مثال براي كامپوزيت‪ ،‬كاه‌گل است‪ .‬در كاه‌گل رشته‌هاي كاه در‬
‫زمينه‌ي ِگل پراكنده شده‌اند‪ .‬در نانوپودرهاي كامپوزيتي نیز ذرات نانومتري در زمينه‌ي ذرات بزرگتر (غیر نانومتري‌) پراكنده‬
‫شده‌اند (شکل ‪.)7‬‬
‫شکل ‪ :7‬ذرات با قطر نانومتري در زمينه پراکنده شده‌اند‪.‬‬
‫ً‬
‫• علت ترکيب شدن آنها اختالف خواص اين دو ماده است‪ .‬در کامپوزيت معموال زمينه از يک ماده‌ي نرم و افزودني از‬
‫ماده‌ي سخت انتخاب مي‌شود‪ .‬در اين صورت‪ ،‬هنگامي‌ که به ماده نیرو وارد مي‌شود‪ ،‬زمينه نیرو را به رشته يا پودر‬
‫اضافه‌شده منتقل مي‌كند تا بتواند در برابر نیروي واردشده‌ مقاومت بيشتري داشته باشد‪( .‬شکل شماره‌ي ‪)8‬‬
‫شكل ‪ : 8‬در يک نانوکامپوزيت‪ ،‬ذرات نانويي در زمينه‌اي غیرنانويي پراكنده شده‌اند ‪.‬‬
‫پاشش حرارتی‬
‫• پاشش حرارتی ‪HVOF‬‬
‫فرآیند‪ HVOF‬یکی از پیشرفته ترین سیستم های پاشش ی است که با استفاده ازموج انفجار در‬
‫محفظه احتراق داخلی خود قادر است ذرات مواد کاربیدی را با سرعت حدود ‪ 1200‬تا ‪ 1500‬متر بر‬
‫ً‬
‫ثانیه بر روی سطوح قطعات مورد نظر اعمال و سطحی کامال صاف و مقاوم را ایجاد کند‪ .‬این‬
‫فرآیند تنها روش مقاوم سازی بعض ی قطعات استراتژیک در صنایع هوافضا‪ ،‬نفت و گاز‪ ،‬نیروگاهی و‬
‫‪ ...‬می باشد ‪.‬در این روش به دلیل سرعت زیاد ذرات‪ ،‬پوشش با صافی سطح بسیار باال تولید شده و‬
‫همچنین امکان استفاده از نانو پودرها و ایجاد پوشش های نانوساختارکه خواص قابل توجهی را‬
‫ایجاد می نمایند وجود دارد‪ .‬فرايند ‪ HVOF‬يکی از پيشرفته ترين سيستمهای پاشش ی است که‬
‫در حال حاضر در کشور در مقياس خدمات صنعتی منحصر به فرد می باشد‬
‫پاشش حرارتی‬
‫‪HVOF‬‬
‫• پاشش حرارتی پالسمایی ‪APS‬‬
‫• در این روش انواع مختلف پودر مواد پیشرفته (سرامیکی‪ ،‬سرمتی‪ ،‬بین فلزی‌ و )‪...‬‬
‫در درجه حرارت بین ‪ 10‬تا ‪ 20‬هزار درجه سانتیگراد ذوب و توسط گاز حامل به طور‬
‫یکنواخت بر سطح قطعه پاشیده می‪-‬شوند‪ ،‬با این حال سطح قطعه چندان گرم و‬
‫دچار تنشهای گرمایی نمی شود‪ .‬به این ترتیب سطحی با پوشش یکنواخت و دارای‬
‫چسبندگی و کیفیت بسیار عالی ایجاد خواهد شد و مقاومت قطعه را در برابر عوامل‬
‫فرسودگی محیطی چندین برابر افزایش خواهد داد‪ .‬از مزایای این روش محدوده وسیع‬
‫پوشش‪-‬های قابل اعمال و همچنین کیفیت بسیارخوب این پوششها پس از پاشش می‬
‫باشد‪.‬‬
‫پاشش حرارتی‬
‫‪APS‬‬
‫• پاشش حرارتی شعله ای ‪ Flam‬و قوس ی ‪Arc‬‬
‫• دو روش فوق از روشهای معمول پاشش حرارتی می باشند که بطور وسیعی در صنایع‬
‫مختلف جهت بازسازی یا ساخت قطعات‪ ،‬مورد استفاده قرار میگیرند‪ .‬پوشش های‬
‫روئین یا آلومینی اعمال شده به این روش ها بر روی سطوح سازه های آهنی جهت‬
‫مقابله با خوردگی جوی یا دریایی نظیر اسکله ها‪ ،‬سکوهای نفتی‪ ،‬مخازن نگهداری‬
‫مواد و غیره از این قبیل اند‪ .‬همچنین اعمال پوشش های بابیتی و برنزی جهت تولید یا‬
‫بازسازی یاتاقانهای بزرگ و کوچک و یا بازسازی روتورها‪ ،‬شفت ها و غلطک های‬
‫مختلف در صنایع فوالد‪ ،‬نیروگاهی‪ ،‬نساجی و چاپ از دیگر موارد کاربرد این رو‌ش‬
‫هاست‪.‬‬
‫پاشش حرارتی شعله ای و قوس ی‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫پاشش حرارتی و نشت جت بخار‬
‫در حین اين عمل ذرات حرارت ديده كمي ذوب مي شوند و سپس روي سطح نشست داده خواهند شد‪ .‬پس از آن تغيیر‬
‫شكل داده و منجمد مي شوند و يك پوشش نانو متري روي سطح ايجاد مي كنند‪.‬‬
‫از اين روش در توليد صنعتي نانو پودرها استفاده مي شود‪ ،‬نمونه اي از اين مواد عبارتند از‪ :‬كربن بالك‪ ،‬فوم سيليكا و‬
‫اكسيد تيتانيوم‪.‬‬
‫از معايب اين روش مي توان به موارد زير اشاره نمود‪:‬‬
‫توليد اكسيد ها‪ :‬در اين روش به علت وجود اكسيد كننده ها توليد اكسيد ها در محدوده واكنش اجتناب ناپذير است‬
‫كه اين خود يك محدوديت است‪.‬‬
‫فشار باالي گاز‪ :‬در اين روش به علت باال بودن فشار گاز‪ ،‬پودر هاي توليدي داراي تجمع بااليي مي باشند كه اين امر در‬
‫مراحل بعدي اثر نا مطلوبي دارد‪.‬‬
‫براي حل مشكل دوم مي توان از احتزاق با فشار كم استفاده نمود كه در آن فشار تا حد فشار در روش ‪ CVD‬كاهش‬
‫يافته كه در نتيجه از تجمع ذرات كاسته مي گردد‪.‬‬
‫يك راه رسيدن به ذرات نانومتري با اندازه هاي كوچكتر و يكنواخت تر‪ ،‬كنترل شعله براي رسيدن به شعله‪ ،‬پيشاني‬
‫تخت مي باشد كه در طي آن زمان و دما براي هر ذره برابر خواهد بود‪.‬‬
‫• اين روش جز روش هاي كم هزينه بوده و از آن براي توليد كامپوزيت هاي چند اليه‬
‫اي يا اليه هاي با ضخامت چند نانومتر استفاده مي شود‪.‬‬
‫• مكانیزم اين روش بدين صورت است كه از جت هاي گازي با سرعت صوت يا نزديك‬
‫به آن استفاده مي شود ‪ .‬معموال در اين جت ها از گاز هليوم استفاده مي شود‪ .‬ماده‬
‫اتمیزه شده به همراه اين گاز خارج شده و بر روي يك اليه نشست پيدا مي كند‪.‬‬
‫• براي نشست دادن يكنواخت بر روي يك زير اليه معموال از حركت نوساني و دوراني‬
‫جت ها استفاده مي شود‪.‬‬
‫• تفکافت(پیرولیز) بوسیله ی افشانه ی شعله ای و در فاز گاز و در دمای باال برای تولید نانوذرات به‬
‫کار برده می‪-‬شود‪ .‬ماده ی اولیه به صورت ماده ای است که حاوی اجزای فلزی بوده و این اجزاء در‬
‫ادامه باید به یکدیگر بپیوندند تا نانوذرات را تشکیل دهند‪ .‬به عنوان مثال نمک های اسید‬
‫کربوکسیلیک‪ ،‬استات ها و آلکوکسیدها که ترکیبشان با حالل های قابل احتراق به غلظت و‬
‫استوکیومتری مورد نظر رسیده تا بتوان بوسیله ی شعله ور کردن آنها ذرات را استخراج کرد‪ ،‬از‬
‫جمله موادی هستند که مورد کاربرد این فناوری به عنوان پیش ماده می‪-‬باشند‪ .‬مواد اولیه به‬
‫صورت محلول به سمت نازل هدایت شده و با برخورد با یک جریان شدید گاز اکسید کننده مانند‬
‫اکسیژن پخش شده و توسط شعله ی گاز متان شعله ور می شود‪ .‬ذرات نانویی در قسمت دما‬
‫باالی شعله تشکیل شده و در همان ناحیه رشد می کند‪.‬‬
‫فرایند رشد از طریق کنترل غلظت ماده اولیه و خواص شعله تحت نظر قرار می گیرد‪ .‬هر از چندگاهی‬
‫نانوذرات تولید شده در حالت خشک صافیده و طبقه بندی می شوند‪.‬‬
‫• یکی از طبقه بندی های نانوذرات محیط تولید آنهاست‪ .‬بر این اساس می توان انواع‬
‫در‬
‫روش ها را به دو گروه رسوب دهی در فاز مایع و چگالش در فاز گاز تقسیم کرد‪‌ .‬‬
‫سنتز فاز مایع مانند فرایند سل‪-‬ژل یا هیدرو ترمال نانوذرات در گستره ی با ‌ریکی از‬
‫اختالف اندازه و دانه بندی به دست می آید‪ .‬ولی پودرهای نانویی باقیمانده های‬
‫ناخالص شیمیایی را در ترکیب خود حفظ می کنند‪ .‬در مقابل چگالش فاز گازی‌ از این‬
‫ایراد مبراست اما به خاطر دمای باالی تولید‪ ،‬کلوخه ای شدن ذرات پدیده ای مرسوم‬
‫بوده و مواد آلی نیز حین تولید به ترکیبات ذغالی کربنی تبدیل می شوند‪‌ .‬راه حل های‬
‫مختلفی برای برطرف سازی این مشکل ارائه شده است‪ .‬یکی از موفق ترین آنها‬
‫بکارگیری شعله ی کم فشار یکنواخت است که با دمای ثابت می سوزد‪.‬‬
‫• یکی دیگر از روش ها عبور سریع ذرات پاشیده شده از محیط گرم شعله است که باعث فرار ذرات‬
‫از بهم چسبیدگی خواهد شد‪ .‬همچنین می توان از پیش موادی که در مقابل دمای باال مقاوم ‌تر‬
‫هستند استفاده کرد‪ .‬جنس پلیمرهای استفاده شده می توانند راهکرد مناسبی در جلوگیری از‬
‫سوختن و چسبندگی و باقی ماندن مواد زائد شود‪ .‬اما با همه ی این وجود‪ ،‬بکار گیری این تدابیر نیز‬
‫ً‬
‫کامال مشکل گشا نخواهد بود‪ .‬به عنوان مثال استفاده از پیش‪-‬موادی که فشار بخار باال داشته‬
‫باشند‪ ،‬انعطاف پذیری عملیات را محدود کرده و گاهی مشکالت زیست محیطی دربر خواهند داشت‪.‬‬
‫از سویی دیگر چون مواد مختلف‪ ،‬منحنی های چگالش متفاوتی نیز دارند‪ ،‬ترکیب مولکولی بین آنها رخ‬
‫داده و نانوذرات چند جزئی را تشکیل داده و یا بعد از ایجاد این چند جزئی ها دوباره‬
‫بینشان جدایش رخ می دهد‪ .‬بوجود آمدن سدهای این چنینی بر سر راه تولید به روش پاشش شعله‬
‫ای منجر به ایجاد تغییرات مختلفی در این فرایند شده است‪ .‬نمونه ی این تغییرات ایجاد فرایند‬
‫رسوب احتراقی بخارات شیمیایی ‪ CCVD‬می باشد‪.‬این روش که بر اساس آئروسل طراحی شده‬
‫برای تولید الیه نازک مواد متعددی چون فلزات و اکسیدها بکار برده می شود که کیفیت محصول‬
‫بدست آمده برابر یا حتی بهتر از محصول تولید شده به روش های سنتی بخار شیمیایی می باشد‪.‬‬
‫سود آوری این روش هم که ناش ی از کاهش هزینه های جانبی و سرعت رسوب باالست‪ ،‬همواره قابل‬
‫• عالوه بر پیشرفت در نحوه ی فرایند به روز شدن قطعات بکار رفته در بدنه ی دستگاه نیز عامل‬
‫موثری در بهبود این فرایند شده است‪ .‬بطور مثال شرکت ‪ Nanomiser‬موفق شده دستگاه‬
‫ریز کننده یا اتمایزر که قابلیت پاشش بسیار قوی‪ ،‬تا این اندازه که بتوان هر قطره ی خروجی از‬
‫نوک نازل را از نظر ابعاد و شکل کنترل کرد‪ ،‬به مرحله ساخت رسانده است‪.‬‬
‫تولید ذرات آئروسلی با گستره ی اختالف اندازه کم‪ ،‬همواره یک دغدغه برای این فرایند ب ‌وده است‪.‬‬
‫اگر بتوان این گستره را کم کرد و در عین حال هاله ای مه آلود از ذرات بسیار ریز با یک الیه پوشش‬
‫بسیار نازک از پیش ماده بر روی ذرات را تولید کرد‪ ،‬در آن صورت بازده تولید نانوذرات در یک فشار‬
‫اتمسفری مناسب شعله باال رفته و به کاربر این امکان را می دهد که از هر نوع پیش ماده ای‪ ،‬بدون‬
‫نگرانی داشتن از فشار بخار آن‪ ،‬استفاده کند‪.‬در این حالت با تغلیظ مناسب محلول و همچنین‬
‫اضافه کردن افزودنی های مناسب به آن می توان بازه ی وسیعی از ترکیبات پرکاربرد صنعتی را به‬
‫سرعت و به راحتی به دست آورد‪.‬‬
‫• ذرات با خلوص باال فقط در اتاقک‌های با فشار پایین تولید می‌شوند چرا که فشار‬
‫‌گردد‪.‬‬
‫پایین موجب افزایش زمان موردنیاز برای واکنش ناخالص ی‌ها با نانوذرات می ‌‬
‫هم‌چنین فشار پایین باعث ایجاد یکنواختی حرارت در طول عملیات می‌شود‪ .‬پاشش‬
‫ً‬
‫حرارتی در فشار پایین را معموال چگالش شیمیایی بخار احتراقی‬
‫در‬
‫)‪(CVC‬می‌نامند‪CVC.‬یک روش جایگزین برای روش چگالش گاز خنثی است‪‌ .‬‬
‫این روش تبخیر کننده‌های سیستم ‪IGC‬توسط منابع دیگر مثل مشعل‌های احتراقی‬
‫یا کوره‌های دیواره داغ یا پالسمای میکروویو جایگزین شده‌اند‪ .‬این روش برای‬
‫تولید نانوذرات اکسید فلزی خالص متنوعی نظیر ‪TiO2, Al2O3,‬‬
‫‪ZrO2, V2O5, Y2O3-ZrO2‬به کار می‌رود‪.‬‬
‫شکل‪ -1‬تصویر شماتیکی از اجزای دستگاه‬
‫پاشش شعله ای‬
‫• به عنوان یک فناوری صنعتی این روش پتانسیل تولید انبوه و صرفه ی اقتصادی را‬
‫دارد‪ .‬همچنین می توان با صرف هزینه ی کم و با رعایت استانداردهای محیط زیستی‬
‫پیش ماده های مصرفی را در حالل های آلی و غیرآلی حل کرده و حتی به عنوان س ‌وخت‬
‫احتراق نیز از آن استفاده کرد‪.‬‬
‫اشکال بعدی دو تصویر شماتیک از دستگاه ‪ CCVD‬و شعله ی تشکیل شده بر‬
‫سر نازل احتراق را نشان می‪-‬دهند‪.‬‬
‫شکل‪ -2‬شماتیکی از دستگاه‬
‫‪CCVD‬‬
‫شکل‪ -3‬تصویر شماتیک شعله در‬
‫‪CCVD‬‬
‫• اجزاء این دستگاه شامل مخزن گاز مخصوص احتراق‪ ،‬محل محلول پیش ماده‪،‬‬
‫ریزکننده یا اتمایزر محلول که شامل نازل نیز می شود و سرانجام بخش های جانبی‬
‫شامل فیلترها‪ ،‬پمپ ها و جمع آوری کننده ی پودر نانویی می باشد‪ .‬دستگاه چهار‬
‫مرحله را در هر دور عملیات انجام می دهد‪:‬‬
‫‪ .1‬آماده سازی محلول پیش ماده ای مورد نیاز که باید تغذیه شود‪.‬‬
‫‪ .2‬ریزسازی محلو ‌ل‬
‫‪ .3‬فرایند شعله ورسازی ریزقطرات جهت تشکیل نانوذرات‬
‫‪ .4‬جمع آوری ذرات در یک محیط کلوئیدی و پخش کردن آنها در محلو ‌ل‬
‫محلول پیش ماده ریز شده و و قطرات آن با گاز اکسیدکننده مخلوط می شود و بعد‬
‫تجزیه ی‬
‫از شعله ور شدن بطور دائم شعله ی احتراقی افشانه ای تشکیل داده و با ‌‬
‫پیش ماده نانوذرات را تشکیل می دهد‪.‬‬
‫• جدول زیر نمایش دهنده ی عناصری‌(به رنگ سبز) است که نانوذرات آنها توسط این دستگاه سنتز‬
‫شده است‪ .‬عکس ها نیز دستگاه ‪ nsp10‬محصول شرکت ‪ TETHIS‬و خروجی نازل را‬
‫نشان می دهند‪:‬‬
‫شکل‪ -4‬نمایی از دستگاه‬
‫‪CCVD‬‬
‫• نازل دستگاه های این فناوری نقش تآثیرگذاری در نحوه ی سنتز نانوذرات دا ‌رد‪ .‬به‬
‫عنوان مثال نازل های دوفازی ساخته شده است که مخلوط درهم پخش شده ی‬
‫اکسیژن و پیش ماده را در جتهی مشخص و گاز متان مخلوط با اکسیژن را به صورت‬
‫غالف یا الیه در همان جهت و برروی گاز اولیه می پاشد‪ .‬عالوه بر فشار نازل اولیه ‪،‬‬
‫جریان گازهای احتراقی نیز به پخش و قطره ای شدن پیش ماده کمک می کنند‪.‬‬
‫شکل‪-5‬تصویر شعله ی دستگاه‬
‫‪CCVD‬‬
‫جمع آوری‬
‫• اين روش مزايايي نظیر ارزان بودن‪ ،‬يك مرحله‌اي بودن‪ ،‬تطبيق‌پذيري و سرعت توليد باال را داراست‪ .‬در اين رو‌ش‬
‫احتراق مخلوط اكسیژن و سوخت در مشعل‪ ،‬شعله را ايجاد مي‌كند‪ .‬پيش‌سازهاي شيميايي در منطقه گرم شعله تبخیر‬
‫مي‌شوند و تجزيه حرارتي در منطقه گرم شعله مطابق رخ مي‌دهد‪.‬‬
‫• همانطور که گفته شد فعل و انفعاالت بین شعله و قطرات‪ ،‬منجر به شكل‌گیري نانوذرات مي‌شود‪ .‬ذرات با خلوص باال‬
‫فقط در اتاقك‌هاي با فشار پايین توليد مي‌شوند چرا كه فشار پايین موجب افزايش زمان موردنياز براي واكنش‬
‫ناخالص ي‌ها با نانوذرات مي‌گردد‪ .‬هم‌چنین فشار پايین باعث ايجاد يكنواختي حرارت در طول عمليات مي‌شود‪ .‬پاشش‬
‫ً‬
‫حرارتي در فشار پايین را معموال چگالش شيميايي بخار احتراقي‪CVC) ( 5‬مي‌نامند‪CVC .‬يك روش جايگزين براي‬
‫روش چگالش گاز خنثي است‪ .‬در اين روش تبخیر كننده‌هاي سيستم ‪IGC‬توسط منابع ديگر مثل مشعل‌هاي احتراقي‬
‫يا كوره‌هاي ديواره داغ يا پالسماي ميكروويو جايگزين شده‌اند‪ .‬اين روش براي توليد نانوذرات اكسيد فلزي خالص‬
‫متنوعي نظیر ‪TiO2, Al2O3, ZrO2, V2O5, Y2O3-ZrO2‬به كار مي‌رود‪.‬‬
‫• هم‌چنین نانوذرات مغناطيس ي آهن و كبالت را مي‌توان توسط روش ‪CVC‬و به ترتيب با پیرولیز كربونيل آهن‬
‫‪Fe(CO)5‬و كربونيل كبالت ‪Co2(CO)8‬توليد نمود‪ .‬بررس ي تصاوير ‪TEM‬تهيه شده از اين ذرات‬
‫نشان مي‌دهد كه توليد ذراتي با ابعاد حدود ‪ 10‬نانومتر توسط اين روش عملي است‪.‬‬
‫•‬
‫کاربرد نانوپودرها‬
‫• ‪ .1‬پوشش‌دهي‬
‫يكي از مهمترين كاربرد نانوپودرها «پوشش‌دهي» است‪ .‬وقتي مقداري پودر روي يك سطح ريخته‬
‫ً‬
‫مي‌شود‪ ،‬مي‌تواند تمام سطح را بپوشاند‪ .‬مثال اگر سطح زمین پودر گچ بپاشيم‪ ،‬تمام سطح پوشيده‬
‫ي بین‬
‫مي‌شود و يک سطح يکدست سفيد به وجود مي‌آيد‪ .‬اما در اين حالت هنوز فضاهاي خيلي ريز ‌‬
‫پودرها وجود دارد‪ ،‬يعني پوشش يكپارچه نيست‪ .‬اکنون مقداري آب به گچ اضافه مي‌كنيم ‌و صبر‬
‫مي‌كنيم تا آب توسط حرارت خشك شود‪ .‬مي‌بينيم كه ذرات پودر به هم چسبيده‌اند و يك پ ‌وشش‬
‫ً‬
‫يكدست بر روي سطح به وجود آمده است‪ .‬اساس پوشش‌دهي توسط نانوپودرها نیز دقيقا همین‬
‫ً‬
‫است‪ ،‬يعني پودرها را ـ عمدتا باشدت ـ به سطح مي‌پاشند و بعد توسط يك عامل اضافه‌شونده ـ‬
‫ً‬
‫ي‬
‫ن‬
‫ن‬
‫عمدتا گازهاي اكسیژ يا آرگو كه همان نقش آب را در مثال گچ باز مي‌كنند ـ و حرارت‪ ،‬اين ذرات‬
‫را به هم مي‌چسبانند تا يك پوشش يكپارچه بر روي سطح ايجاد شود‪ .‬پوشش روي داشبورد ماشین‬
‫ً‬
‫دقيقا به اين روش توليد مي‌شود‪.‬‬
‫• ‪ .2‬ساخت قطعات‬
‫ات پودر ميل زيادي دارند که مانند ُبراده‌هاي آهنربا به هم‬
‫همان‌طور كه ديديم‪ ،‬ذر ِ‬
‫بچسبند‪ .‬از طرفي اين ميل با ِاعمال فشار به پودر و درجه‌ي حرارت به‌شدت افزايش‬
‫مي‌يابد‪ ،‬و بنابراين‪ ،‬با ِاعمال فشار و افزايش درجه‌ي حرارت مي‌توان پودرها را آن‌قدر‬
‫ً‬
‫به هم فشرد تا به هم بچسبند و يك قطعه را توليد كنند‪ .‬اين روش عمدتا براي توليد‬
‫قطعات با شكل‌هاي پيچيده به كار مي‌رود‪( .‬اين پديده به طور طبيعي در نمك طعام‬
‫اتفاق مي‌افتد‪ .‬اگر مقداري نمك طعام در داخل يك نمكدان باقي بماند‪ ،‬بعد از مدتي‬
‫ذرات نمك به هم مي‌چسبند و نمكدان ديگر نمك نمي‌پاشد‪ .‬بنابراين‪ ،‬بايد به نمكدان‬
‫چند ضربه وارد كنيم تا ذرات از همديگر جدا شوند‪).‬‬
‫• ‪ .3‬استفاده در ِك ِرم‌ها‬
‫همان‌طور كه مي‌دانيم‪ ،‬نانوپودرها ذراتي با قطر يك تا ‪ 100‬نانومتر هستند‪ .‬وقتي از‬
‫اين ذرات در ساخت ِك ِرم استفاده مي‌شود‪ ،‬چون قطر آنها كوچك است‪ ،‬اشعه‌هاي‬
‫ُم ّ‬
‫ضر نور خورشيد را كه طول موج‌هاي بزرگتر از صد نانومتر دارند از خود عب ‌ور‬
‫نمي‌دهند‪ .‬اين در حالي است كه اشعه‌هاي نور مرئي را كه موجب ديده شدن‬
‫قطعات‌اند از خود عبور مي‌دهند‪ .‬بنابراين‪ ،‬به صورت شفاف ديده مي‌شوند‪ .‬در اين‬
‫حالت ما ِكرمي داريم كه شفاف است و اشعه‌هاي ُم ّ‬
‫ضر را از خود عبور نمي‌دهد‪.‬‬
‫ِ‬
‫• ‪ .4‬شناسايي آلودگي ها‬
‫ّ‬
‫خواص سطحي خود‪ ،‬وقتي به يك محلول‬
‫ذراتي كه نانوپودرها را تشکيل مي‌دهند‪ ،‬با استفاده از‬
‫حاوي آلودگي (مثل باكتري‪ ،‬سلول سرطان زا و‪ )...‬اضافه مي‌شوند‪ ،‬روي آلودگي‌ها مي‌چسبند ‌و در اثر‬
‫واكنش با آنها تغيیر رنگ مي‌دهند و باعث شناسايي آنها مي‌شوند‪ .‬البته هر ذره كوچكتر ‌از آن است كه‬
‫نگ مجموعه‌ي اين ذرات‪ ،‬آلودگي‌ها را قابل تشخيص و‬
‫نگ حاصل از آن ديده شود‪ ،‬اما تغيیر ر ِ‬
‫تغيیر ر ِ‬
‫شناسايي مي‌كند‪.‬‬
‫در فيلمی که در اسالید بعدی نشان داده شده به عنوان مثالي از كاربرد نانوپودرها آورده شده است‪،‬‬
‫نانوساختار سيليكون در محلول‪ ،‬قطرات روغن را شناسايي مي‌كنند و با نفوذ مقداري‌ از مايع‬
‫ذرات‬
‫ِ‬
‫به داخل حفره‌هاي آنها‪ ،‬تغيیر رنگ مي‌دهند و هدف را قابل تشخيص مي‌نمايند‪.‬‬
Title
• Lorem ipsum dolor sit amet,
consectetuer adipiscing elit.
Vivamus et magna. Fusce sed sem
sed magna suscipit egestas.
• Lorem ipsum dolor sit amet,
consectetuer adipiscing elit.
Vivamus et magna. Fusce sed sem
sed magna suscipit egestas.

similar documents