سنتز نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل/نانو ذرات فريت کبالت و بررسی ویژگی هایWORD

چکیده

آئروژل‌ها مواد متخلخلی هستند که حفره‌های نانو‌متری آن‌ها در مقیاس مزو یا میکرومی‌باشد. چگالی پایین، تخلخل و سطح در معرض داخلی بالا از دیگر ویژگی‌های این مواد می‌باشد.

در این پژوهش نانو کامپوزیت سیلیکا آئروژل/ نانوذرات فریت کبالت به روش سل-ژل آماده­سازی و تحت فرایند فوق بحرانی خشک شد. بدین منظور نيترات آهن() 9 آبه و نيترات کبالت() 6 آبه در حلال‌هایی چون متانول و آب دیونیزه حل شده و به پیش­ماده سیلیکا اضافه و قرار دادن این محلول بر روی همزن مغناطیسی به شکل گیری سل یکنواختی منجر ‌شد. پس از گذشت زمان معین و انجام عمل هیدرولیز، ژل بدست آمده در دستگاه خشک کن فوق بحرانی قرار داده­شد و در نهایت گاز جایگزینمایع موجود در نمونه­ها گردید و آئروژل نهایی حاصل شد.

به منظور بررسی نمونه­های تولید شده از نقطه نظر ساختاری، مورفولوژی و خواص مغناطیسی به تحلیل داده‌های حاصل از آنالیزهای SEM، TEM، XRD ،FT-IR ،BET و VSMپرداخته شد. همانگونه که انتظار می‌رفت این نانو کامپوزیت ضمن حفظ ویژگی­های سیلیکا- آئروژل از جمله تخلخل بالا و چگالی پایین رفتار فرومغناطیس نانوذرات را نیز داشت.

واژه­ های کلیدی:

آئروژل، نانو ذرات فریت، نانوکامپوزیت، سل-ژل، مغناطیس ­سنج نمونه­ ی ارتعاشی

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول – مفاهیم اولیه

مقدمه. 2

1-1 شاخه‌های فناوری نانو. 2

1-2 روش‌هایساختنانوساختارها3

1-3 کاربردهاینانوساختارها4

1-4 مواد نانومتخلخل.. 5

1-5 کامپوزيت‌ها10

1-5-1 کامپوزيت يا مواد چندسازه. 10

1-5-2 ويژگی‌های مواد کامپوزيتی.. 11

1-5-3 مواد زمينه کامپوزيت... 11

1-5-4 تقويت‌کننده‌ها12

1-5-5 نانوکامپوزيت... 12

1-6 خلاصه. 13

فصل دوم - آئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی

2-1 تاريخچه. 15

2-2 شيمي سطح آئروژل.. 16

2-3 تئوري فيزيکي.. 19

2-4 خاصيت مغناطيسي مواد. 19

2-4-1 منشأ خاصيت مغناطيسي مواد. 19

2-4-2 فازهاي مغناطيسي.. 20

2-4-2-1 موادديامغناطيس.... 20

2-4-2-2 موادپارامغناطيس.... 21

2-4-2-3 موادفرومغناطيس.... 21

2-4-2-4 موادپادفرومغناطيس.... 22

2-4-2-5 موادفريمغناطيس.... 23

2-4-5 حلقه پسماند.. 24

2-5 فريت... 27

2-6 خلاصه. 27

فصل سوم-ساخت آئروژل و کاربردهای آن

مقدمه. 29

3-1 سنتز آئروژل با فرآیند سل-ژل.. 29

3-2 شکل‌گيري ژل خيس.... 32

3-3 خشک کردن آلکوژل.. 33

3-3-1 فرآیند‌هاي خشک‌کردن در شرايط محيط... 34

3-3-2 خشک­کردن انجمادي.. 35

3-3-3 خشک کردن فوق بحراني.. 35

3-3-4 مقايسه روش‌ها38

3-4 مروري بر کارهاي انجام شده. 39

3-5 برخي از کاربردهاي آئروژل.. 43

3-5-1 آئروژل‌ها به عنوان کامپوزيت... 43

3-5-2 آئروژل‌ها به عنوان جاذب... 44

3-5-3 آئروژل‌ها به عنوان حسگر. 44

3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دي الکتريک پايين.. 45

3-5-5 آئروژل به عنوان کاتاليزور. 45

3-5-6 آئروژل به عنوان ذخيره سازي.. 45

3-5-7 آئروژل‌ها به عنوان قالب... 46

3-5-8 آئروژل به عنوان عايق گرما46

3-5-9 آئروژل‌ها در کاربرد فضايي.. 47

3-6 خلاصه. 47

فصل چهارم- سنتز و بررسي ويژگي‌هاي نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل/نانوذرات فريت کبالت

مقدمه. 49

4-1 مواد مورد استفاده در پژوهش.... 50

4-2 روش تجربي و جزئيات... 51

4-3 تجزيه و تحليل.. 54

4-3-1 بررسي مورفولوژي سطح.. 54

4-3-2 مطالعه نانو ساختاري نانوکامپوزيت ₂/SiO₄O₂CoFeبه کمک روش XRD... 56

4-3-3 بررسي خواص شيميايي نانوکامپوزيت ₂/SiO₄O₂CoFe به کمک روش FT-IR... 63

4-3-5 تصويربرداري TEM.... 66

4-3-6 بررسي آنالیز BET.. 67

4-3-7 بررسي رفتار مغناطيسي با دستگاه VSM.... 72

4-4 خلاصه. 77

نتيجه‌گيري.. 78

پیشنهادات.... 81

مراجع. 82

فهرست تصاویر

عنوان صفحه

فصل اول – مفاهیم اولیه

1-1. انواع سيليکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) ميکرو متخلخل. 7

1-2. نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت.. 7

1-3. نمايشی از انواع مختلف تقويت کننده‌ها در کامپوزيت.. 12

فصل دوم - آئروژل­ها و مروری بر خواص مغناطیسی

2-1. 1برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آب­گريز، ب) آئروژل آب‌دوست.. 18

2-2. فازهاي مغناطيسي، الف) پارامغناطيس، ب) فرومغناطيس، ج) پادفرومغناطيس، د) فري مغناطيس... 23

2-3. حلقه پسماند ماده فرو مغناطيس... 25

2-4. حلقه پسماند در مواد فرومغناطيس نرم و سخت.. 26

 

فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن

3-1. طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شيمی سنتز نانوکامپوزيت.. 31

3-2. اصلاح شيمی سطح ژل. 34

3-3. چرخه فشار-دما در حين فرآیند خشک کردن فوق بحرانی.. 36

3-4. شماتيکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو. 36

 

فصل چهارم - سنتز و بررسي ويژگي‌هاي نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل/نانوذرات فريت کبالت

4-1. فازهای مجزا نمونه روی همزن. 52

4-2. نمونه‌های در قالب ريخته شده. 52

4-3. نمونه الکوژل.. 53

4-4. نمونه آئروژل.. 54

4-5. تصاوير FE-SEM نمونه‌ها الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.55

4-6. نمودار توزيع اندازه ذرات الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%. 56

4-7 . پراش XRDنمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% پیش از عملیات حرارتی.. 58

4-8. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 600 درجه­ی سانتی­گراد. 59

4-9. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 800 درجه­ی سانتی­گراد. 60

4-10. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 600 درجه‌ی سانتی ‌گراد. 61

4-11. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 800 درجه‌ی سانتی ‌گراد. 62

4-12. طيف‌های جذبی FT-IRالف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.65

4-13. تصوير TEM يکی از نمونه‌ها67

4-14. نمودارهاي لانگمير الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%. 69

4-15. نمودارهاي BETالف) 10%، ب) 15% و ج) 20%. 71

4-16. جذب و واجذب الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.72

4-17. حلقه پسماند نمونه‌ها قبل از عمليات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.74

4-18. حلقه پسماند نمونه‌ها بعد از عمليات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.75

 

فهرست جداول

عنوان صفحه

فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن

3-1. کاربردهای مختلف آئروژل‌ها........................................................................................................ 48

فصل چهارم - سنتز و بررسي ويژگي‌هاي نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل/نانوذرات فريت کبالت

4-1. ميزان گرم و ليتر مواد مورد نياز. 51

4-2. نتایج حاصل ازXRD.. 63

لیست علایم و اختصارات

برونر، امت، تلر(Brunauer, Emmett, Teller) BET

پراش پرتو ایکس (X-Ray Diffraction) XRD

مغناطیس­سنج نمونه­ی ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometer) VSM

میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FE-SEM

میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy) TEM

آنگسترم (Angestrom) Å

اورستد (Oersted) Oe

نانومتر (Nanometer) nm

واحد مغناطیسی(Electromagnetic Units) emu

 مقدمه

1-1 شاخه‌های فناوری نانو

تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های ديگر در مقياس مواد و ساختارهايی است که در اين فناوری مورد استفاده قرار می‌گيرند. در حقيقت اگر بخواهيم تفاوت اين فناوری را با فناوری‌های ديگر بيان نماييم، می‌توانيم وجود عناصر پايه را به عنوان يک معيار ذکر کنيم. اولين و مهم­ترين عنصر پايه نانو ذره است. نانوذره يک ذره‌ی ميکروسکوپی است که حداقل طول يک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و می­توانند از مواد مختلفی تشکيل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سراميکی و نانوبلورها که زير مجموعه­ای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومين عنصر پايه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر می‌باشد. عنصر پايه‌ی بعدی نانولوله‌ها هستند که خواص الکتريکی مختلفی از خود نشان می‌دهند و شامل نانولوله‌های کربنی، نيتريد بور و نانولوله‌های آلی می‌باشند [4].