خصوصیات مكانیكی و ساختاری نانوفیبرهای كربنی PAN ریسیدگی الكتریكی

خصوصیات مكانیكی و ساختاری نانوفیبرهای كربنی PAN ریسیدگی الكتریكی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه  نساجی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

مطالعه 20 الی 100% رایگان مقالات ترجمه شده

1- قابلیت مطالعه رایگان 20 الی 100 درصدی مقالات 2- قابلیت سفارش فایل های این ترجمه با قیمتی مناسب مشتمل بر 3 فایل: pdf انگیسی و فارسی مقاله همراه با msword فارسی -- تذکر: برای استفاده گسترده تر کاربران گرامی از مقالات آماده ترجمه شده، قیمت خرید این مقالات بسیار کمتر از قیمت سفارش ترجمه می باشد.  

چگونگی سفارش

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه (شماره حساب) ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.com شامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر -- مقالات آماده سفارش داده شده عرفا در زمان اندک یا حداکثر ظرف مدت چند ساعت به ایمیل شما ارسال خواهند شد. در صورت نیاز فوری از طریق اس ام اس اطلاع دهید.

خصوصیات مكانیكی و ساختاری نانوفیبرهای كربنی PAN ریسیدگی الكتریكی

تعیین خصوصیات مكانیكی و ساختاری نانوفیبرهای كربنی مشتق شده از PAN  با ریسیدگی الكتریكی

چکیده

خواص مكانیكی و ساختاری نانو فیبرهای كربنی مشتق شده از PAN كه منحصرا به صورت الكتریكی تابیده یا ریسیده  شده در این مقاله ارائه شده است. طیفهای EELS نانوفیبرهای كربنیزه شده نشان می‌دهند كه اتمها تقریبا به 80% پیوند SP² و حدود 2% پیوند SP³ تقسیم می‌شوند. این خصیصه با بی‌نظمی‌های ساختاری مشاهده شده در الیاف توافق دارد. تصاویر TEM یك ساختار پوست- مغزدار در برش عرضی الیاف را نشان می‌دهد. ناحیه پوست شامل سطوح لایه‌دار می‌باشند كه غالبا بصورت موازی با سطح جهت گرفته‌اند اما چندین ریزه بلور در ناحیه پوست وجود دارد كه با توجه به محور بلند الیاف جهت نگرفته‌اند. آنالیز ریز احتراق، 5/89% كربن، 9/3% نیتروژن، 08/3% اكسیژن و 33% هیدروژن را نشان می‌دهد. آزمون مكانیكی بر روی نانوفیبرهای منحصرا كربونیزه شده به طول چند میكرون و قطر صدها نانومتر انجام شده‌اند. ضریب خمش بوسیله روش رزونانس مكانیكی اندازه‌گیری شد و ضریب میانگین 63GPa بدست آمد. نیروی شكستگی اندازه‌گیری شده با استفاده از توزیع آماری ویبول آنالیز شد. متناسب كردن فشار شكستگی ویبول با این توزیع آماری نتیجه 0/64GPa را با احتمال كاهش 63% بدست آورد.

واژه‌های كلیدی : نانوفیبرهای كربنی، ریز ساختار، خواص مكانیكی

خصوصیات مكانیكی و ساختاری نانوفیبرهای كربنی PAN ریسیدگی الكتریكی

مقدمه

نانوفیبرهای كربنی شبیه دیگر نانو ساختارهای شبیه تك بعدی نظیر نانوسیم و نانولوله اخیرا مورد توجه بیشتری قرار گرفته‌اند. این امر به علت كاربرد بالقوه آنها به عنوان مواد كنترل گرما برای تقویت كردن چند سازه‌ها ، كاتالیز كردن دمای بالا ، جداسازی بر اساس غشا به عنوان اجزای نانوالكترونیك‌ها و فوتونیك‌ها می‌باشد.

الیاف كربنی نوعی یا بوسیله پیرولیز الیاف تابیده شده از یك پیش ماده آلی (مانند پلی‌آكریلو نیتریل PAN یا ماده قیر مانند دیگر) تولید می‌شوند و یا بوسیله رسوبگذاری شیمیایی بخار(CVD) تولید می‌شوند. روش ریسندگی فقط می‌تواند الیاف كربنی در مقیاس ریز تولید كند (قطر بزرگتر از 5 میكرومتر). CVD می تواند الیاف كربنی با قطرهای از چندین میكرون تا 10nm را بسازد.

اخیرا الیاف كربنی بوسیله پیرولیز نانوفیبرهای الكتروریسندگی شده با PAN و مواد قیر مانند با قطرهای نوعی به ترتیب چند صد نانومتر و چندین میكرون تولید می‌شوند، اما ساختار و خواص مكانیكی نانوفیبرهای كربنی تولید شده از پیش ماده پلیمری الكتروریسندگی شده ، بسیار نامعلوم است. هدف این مقاله تعیین خصوصیات ساختاری و بدست آوردن ضریب و استحكام نانوفیبرهای كربنی مشتق شده از PAN كه بصورت الكتریكی تابیده شده‌اند، می‌باشد.

این مقاله در ابتدا تعیین خصوصیات ساختاری و تركیب شیمیایی تابیده مانندها (شبه تابیده‌ها) (sa-spun) پیش از آن نانوفیبرهای كربونیزه شده را ارائه می‌دهد. بررسی ضریب خمش و كاهش فشار نانوفیبرهای كربونیزه شده در مرحله بعدی ارائه می‌شوند.

خصوصیات مكانیكی و ساختاری نانوفیبرهای كربنی PAN ریسیدگی الكتریكی

روش آزمایشگاهی

تمام مواد بدون خالص‌سازی بیشتر مورد استفاده قرار گرفتند. پلی‌آكریلونیتریل (PAN) با میانگین وزن مولكولی  به طور جزئی در N و    –N دی‌میتل فرمامید (DMF) حرارت داده شده ، حل شدند تا یك محلول 8% وزنی حاصل شود. محلولهای پلیمری با یك سرنگ 5ml و توسط یك سوزن زیر پوستی با قطر داخلی 0/1mm الكترو تابیده شدند. فشار هوای 150mbar به محلول اعمال شد تا سرعت جریان را كنترل كند. یك الكترو مسی در محلول پلیمری قرار داده شد و محلول خارج شده بر روی لبه تیز یك دیسك جمع كننده متوقف شده تابیده شد (برای جزئیات بیشتر گروه تئوران را ببینید). قدرت میدان الكتروستاتیك در 0/9kv/cm نگهداشته شد و سرعت خطی لبه دیسك جمع كننده v=5m/s بود. تمام آزمایشها در هوا و در دمای اتاق انجام شدند. الیاف PAN تابیده مانند (as-spun) بر روی سوبسترای اكسیدآلومینیوم (آلومینا) كه به لبه چرخ جمع كننده متصل بود ، جمع می‌شد. برای كربونیزه كردن ، سوبستراها در یك كوره لوله‌ای قرار داده می‌شد و در هوا به مدت 30 دقیقه و در دمای 250 درجه سانتیگراد پایدار می‌شد.

خصوصیات مكانیكی و ساختاری نانوفیبرهای كربنی PAN ریسیدگی الكتریكی

نتایج و بحث

مواد و تعیین خصوصیات ساختاری

شكل 2 میكروگرافهای SEM‌ پلیمر الكترو تابیده و نانوفیبرهای كربونیزه شده با بزرگنمایی‌هایی متفاوت را نشان می‌دهد. پس از زمان جمع‌آوری یك ساعته، فیبرهای پلیمری الكتروتابیده همانگونه كه در شكلهای 2a,b نشان داده شده یك كفپوش كوچك متراكم با درجه تخلخل تقریبا 30% و ضخامت 50 میكرومتر را تشكیل می‌دهند. فیبرهای منحصر به فرد، شكل 2b‌ یك برش عرضی یكنواخت با قطر میانگین  دارند اما در چند مورد حبابهایی ظاهر می‌شود. این حبابها به علت ناپایداری مویینگی می‌باشد. در نمونه‌های معین ، اتصالی بین فیبرهای جمع‌آوری شده مشاهده می‌شود كه احتمالا در طی فرآیند ته‌نشست فیبرها تشكیل شده است. پس از فرآیند كربونیزه كردن (شكلهای d , 2c) كفپوشهای كوچك شكل خود را حفظ می‌كنند و قطر میانگین آنها تا  منقبض می‌شود.

ریز احتراق و پیرولیز كف‌پوشهای كوچك كربونیزه شده نشان می‌دهد كه نانوفیبرهای كربونیزه شده شامل 47/89% كربن، مقداری نیتروژن (93/3%) و مقداری اكسیژن (08/3%) و مقدار كمی هیدروژن(33/0%) می‌باشد. حضور نیتروژن به علت پیوندهای C-N كه نوعا هنگامی كه دمای نهایی فرآیند در اعمال گرما كمتر از 2000 درجه سانتیگراد است، در الیاف كربنی PAN‌ یافت می‌شود، آشكار است.

خصوصیات مكانیكی و ساختاری نانوفیبرهای كربنی PAN ریسیدگی الكتریكی

تعیین خصوصیات مكانیكی

برای بدست آوردن ضریب خمش نانوفیبرهای كربنی از روش رزونانس مكانیكی استفاده شده است. شكل10 یك مثال از نانوفیبر قرارگرفته در رزونانس اصلی‌ بوسیله راه‌انداز یا محرك پیزوالكتریك را نشان می‌دهد. فاكتور كیفیت (Q)كه برای نانوفیبرها اندازه‌گیری شده در محدوده 180 تا 260 می‌باشد. Q پایین ممكن است ساختار تربواستراتیك نانوفیبرها را ایجاد نماید. وابستگی دامنه به فركانس (برای ولتاژ ثابت) همانگونه كه برای ارتعاش هماهنگ میرا شده انتظار می‌رود ، تقریبا لوزتسی است (شكل 11 را ببینید). الیاف شكل 11 فاكتور كیفیت Q=250 و ضریب خمش E=75Gpa‌ را دارد.

خصوصیات مكانیكی و ساختاری نانوفیبرهای كربنی PAN ریسیدگی الكتریكی

نتیجه‌گیری

این كار تحقیقاتی ساخت الیاف كربنی الكتروتابیده  مشتق شده از PAN، كه سپس با توجه به قطرهایی در محدوده 50 تا 250nm كربونیزه شدند، را به طور خلاصه توصیف می‌كند. تولید این نانوفیبرها، یك مرحله مهم در زمینه بررسی ساختار و خواص آنها، را ارائه می‌دهد و نیز مرحله مهمی، در خصوص توسعه بیشتر آنها جهت كاربرد بالقوه در چندسازه‌ها یا بعنوان اجرای منحصر بفرد، را فراهم می‌نماید. درجه بالایی از جهت یافتگی نانوفیبرهای تابیده مانند (as-spun) حاصل شده كه می‌تواند بوسیله ساختار تشكیل شده در طی فرآیند الكتروتابیدگی توضیح داده شود. طیفهای EELS الیاف كربونیزه شده نشان می‌دهد كه اتمهای كربن به تقریبا 80% پیوند sp² و تقریبا 20% پیوند sp³ تقسیم می‌شوند كه با بی‌نظمی ساختاری مشاهده شده در الیاف توافق دارد.

تصاویر SEM و TEM یك ساختار پوست- مغز در برش الیاف نشان می‌دهد: ناحیه پوستشامل صفحات لایه‌ای است كه غالبا موازی با سطح جهت گرفته‌اند اما چند ریز بلور در ناحیه پوست وجود دارد، بنابراین صفحات لایه‌ای نسبت به محور طولی الیاف جهت نگرفته‌اند. چنین ساختار توربواستراتیك قبلا گزارش شده است. نتایج ریز احتراق یك كفپوش نانوفیبری كربونیزه شده 5/89 كربن و 9/3% نیتروژن ، 08/3% اكسیژن و 33/0% هیدروژن را نشان داد.

ضریب خمش نانوفیبرهای منحصر بفرد بوسیله روش رزونانس مكانیكی اندازه‌گیری شد و ضریب میانگین 63Gpa بدست آمد. قدرت شكست الیاف كربونیزه شده با استفاده از توزیع آماری ویبول آنالیز گردید. بر اساس این فرض كه ارتعاش تراكم تنش در یك نقص بحرانی در حجم معینی از ماده ، سبب ایجاد ارتعاش در استحكام می‌شود. تنش شكست ویبول متناسب با این توزیع آماری با احتمال شكست 63%  0/64Gpa بود. استحكام ویبول مواد با استفاده از یك حجم ثابت نمونه بدست آمد. تحقیق آینده برای بررسی كاربرد تئوری شكست ویبول، باید استحكام نمونه‌هایی را كه محدوده‌ای از حجم را دارند (یعنی با طولها و قطرهای متغیر) بررسی نماید. انتظار می‌رود كه در بررسی حجمهای كوچكتر، توزیع نقصها به ریز ساختار ماده بسیار وابسته باشد. مقایسه خواص مكانیكی نانوفیبرهای كربنی الكتروتابیده مشتق شده از PAN با الیاف كربنی تجاری مشتق شده از PAN جالب توجه است. صرفنظر از اثر اندازه (قطر الیاف تجاری بیشتر از  است)، الیاف كربونیزه شده تجاری معمولا از هم پلیمرهایی (مانند متیل متا كریلات 10%) ساخته می‌شوند كه در معرض فرآیندهای از قبل كشیده شده با حرارت دادن تحت كشش و كربونیزه شدن در دماهای بین 1400 تا 1700 درجه سانتیگراد قرار گرفته‌اند. از آنجا كه بر اساس آگاهی ما، این اولین مقاله‌ای است كه هم ساخت و هم بررسی مكانیكی نانوفیبرهای كربنی الكتروتابیده را نشان میدهد ، شاید این نتیجه‌گیری زود باشد كه خواص مكانیكی نانوفیبرهای كربنی الكتروتابیده با پایه PAN همیشه تابع الیاف تجاری با پایه PAN هستند. قطعا استحكام الیاف بررسی شده در اینجا از الیاف تجاری با پایه PAN پایین‌تر است. اگر بلورشناسی پیش ماده پلیمری و جهت یافتگی مولكولی آن ، در امتداد فرآیند كربونیزه كردن، بتواند بهینه شود، ممكن است سختی و استحكام شكست نانوفیبرهای كربنی بر اساس فرآیند الكترو تابیدگی بطور اصولی اصلاح گردد.

خصوصیات مكانیكی و ساختاری نانوفیبرهای كربنی PAN ریسیدگی الكتریكی