نانوکامپوزیت ها ترکیبات جامد هستند و از چندین لایه تشکیل میشوند. و حداقل یکی از لایه ها دارای یک، دو یا سه بعد با اندازه نانومتر است. کامپوزیت ها دو فاز دارند. یکی از آنها فاز تقویت کننده (الیاف، ورقه ها یا ذرات) هستند و فاز دیگر فاز ماتریس میباشد. دستیابی به فعل و انفعال بهینه بین فازها در مقیاس نانو اتفاق می افتد. استفاده از نانومواد شامل نانوذرات، نانوالیاف و نانورس در ساختار کامپوزیت منجر به تشکیل یک نانوکامپوزیت میشود. نسبت سطح به حجم عامل تقویت کننده در تشکیل یک نانوکامپوزیت است. هنگامی که اندازه اجزای یک ماده به زیر یک سطح خاص یا اندازه بحرانی می‌رسد ویژگی‌های ماده تغییر می‌کند.
مزایای اصلی نانوکامپوزیت ها نسبت به سایر مواد کامپوزیتی شامل نسبت سطح به حجم بالای آنها است و منجر به اندازه های کوچک و فاصله بیشتر ذرات پرکننده، خواص مکانیکی برتر (مانند پلاستیسیته بالا بدون کاهش پایداری، مقاومت در برابر خراش) و بهبود ویژگی های نوری می شود. نانوکامپوزیت‌ها فرصت‌هایی را برای حل موانع پزشکی، صنایع دارویی، بسته‌بندی مواد غذایی، صنایع الکترونیک، و صنایع تولید انرژی فراهم می‌کنند. نانوکامپوزیت ها را می توان به سه دسته تقسیم کرد.
نانـوکامپوزیت های زمینه فلزی (MMNCs)
از اواخر قرن نوزدهم، مواد کامپـوزیتی به طور گسترده در بسیاری از سیستم ها با کارایی بیشتر قابل استفاده هستند. MMNC ها یکی از بزرگترین گروه های ترکیباتی هستند که اغلب با خاک رس تقویت می شوند. ترکیب فلزات و سازه های سرامیکی کاربردهای متنوعی را ارائه می دهند. روش های مختلفی برای ساخت MMNC ها وجود دارد، اما متالورژی پودری یک فرآیند منحصر به فرد در نظر گرفته می شود.
نانوکامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMNCs)
نانوکامپوزیت‌های زمینه سرامیکی با لایه‌های منفرد یا چندگانه سرامیک برای تقویت مقاومت در برابر ترک، جذب گرما و مقاومت شیمیایی اضافه میشوند. در حالی که عیب اصلی سرامیک ها سختی و دوام کمتر آنهاست و آنها را از استفاده برای مصارف صنعتی دور می کند. این محدودیت با تولید نانوکامپوزیت های زمینه سرامیکی برطرف میشود. مدل CMNC دارای ماتریسی است که در آن اجزای دفع کننده انرژی (الیاف یا ذرات) به CMNC ها اضافه می شوند تا سفتی را کاهش داده و مقاومت به ترک را افزایش دهند.
مواد اولیه برای ماتریس‌های نانو کامپوزیت های سرامیکی شامل آلومینا، SiC، SiN و پودرهای آهن و سایر فلزات میباشد. TiO2، سیلیس، خاک رس برای تقویت کننده های آمورف استفاده می شوند. متداول‌ترین تقویت‌کننده‌ها، خاک رس و سیلیکات‌ها به دلیل اندازه کوچک ذرات و برهمکنش شیمیایی هستند. افزودن لایه‌های خاک رس و سیلیس حتی در مقادیر کم ساختار ماتریس را تغییر میدهد. روش های مختلف برای ادغام CMNC ها طراحی شده اند مانند روش مونومر پلیمری، روش‌های اسپری-تیرولیز، روش‌های بخار و روش های شیمیایی عبارتند از فرآیند سل-ژل، روش کلوئیدی.
نانوکامپوزیت های پلیمری (PMNCs)
افزودن نانومواد به مواد پلیمری ویژگی‌های پلیمر از جمله مقاوم سازی، جذب حرارت، مقاومت شیمیایی با عایق الکتریکی و چسبندگی حرارتی، پایداری در برابر شوک های حرارتی را افزایش میدهد. افزودن خاک رس می تواند به طور قابل توجهی نفوذ گاز- بخار را به عنوان پلاکت های رسی کاهش دهد و در نتیجه از تحرک جلوگیری کند و منجر به بهبود قابل توجهی در ماندگاری می شود. یکی از کاربردهای PMNC ها در خنک کننده های با آب دریا در موتورهای دیزلی بزرگ و در نیروگاه ها است، جایی که PMNC ها جایگزینی قوی برای آلیاژ حاوی مس، سیستم های نجات حرارتی از شیرهای آتش نشانی و گازهای دودکش می کنند. و در دمای زیر 3008 درجه سانتیگراد کار می کنند.
نمونه هایی از کاربردهای نانوکامپوزیت ها
مواد نانوکامپوزیت در زمینه های زیست پزشکی، صنعت خودرو، نفت-گاز، ساخت و ساز، صنایع غذایی، صنعت کشاورزی و فناوری اطلاعات مورد استفاده قرار گرفته اند. در ادامه خواص منحصر به فرد و کاربردهای متنوع نانوکامپوزیت ها در زمینه های مختلف می پردازیم.
- روشی برای تولید باتری هایی با توان خروجی بیشتر، و ساخت آند برای باتری‌های لیتیوم یونی از کامپوزیت تشکیل‌شده با نانوکره‌های سیلیکونی و نانوذرات کربن وجود دارد. آندهای ساخته شده از نانوکامپوزیت سیلیکون-کربن تماس نزدیک‌تری با الکترولیت لیتیوم دارند که امکان شارژ یا تخلیه سریع‌تر نیرو را فراهم می‌کنند.
- تسریع روند بهبودی استخوان های شکسته: وقتی یک نانوکامپوزیت نانولوله پلیمری به عنوان نوعی داربست قرار می‌گیرد که رشد استخوان جایگزین را هدایت کند، رشد استخوان جایگزین تسریع میشود.
- افزودن گرافن به کامپوزیت‌های اپوکسی ممکن است به اجزای سخت‌تری نسبت به کامپوزیت‌های اپوکسی با استفاده از وزن مشابه نانولوله‌های کربنی منجر شود. به نظر می رسد گرافن بهتر به پلیمرهای موجود در اپوکسی متصل می شود و امکان جفت شدن موثرتر گرافن را در ساختار کامپوزیت فراهم می کند. این ویژگی می تواند منجر به ساخت قطعاتی با نسبت استحکام به وزن بالاتر برای استفاده هایی مانند تیغه های آسیاب بادی یا اجزای هواپیما شود.
- می توان از نانوکامپوزیت مواد سلولی و نانولوله ها برای ساخت کاغذ رسانا استفاده کرد. هنگامی که این کاغذ رسانا در یک الکترولیت خیس می شود، یک باتری انعطاف پذیر تشکیل می شود.
- محققان در تلاشند تا نانوذرات مغناطیسی و نانوذرات فلورسنت را در یک ذره نانوکامپوزیتی که هم مغناطیسی و هم فلورسنت است، بپیوندند. خاصیت مغناطیسی ذرات نانوکامپوزیت باعث می شود که تومور در طی یک روش MRI که قبل از جراحی انجام میشود، بیشتر قابل مشاهده باشد. خاصیت فلورسنت ذره نانوکامپوزیت می تواند به جراح کمک کند تا تومور را در حین عمل بهتر ببیند.