کاربرد سرامیک در فضاپیماها


سرامیک ها در صنایع مختلف کاربردهای گوناگونی دارند که غالب این کاربردها مربوط به خواص فیزیکی برجسته از جمله تحمل دمای زیاد و مقاومت در مقابل سایش است. در صنایع هوافضا نیز به واسطه خواص و صفات مذکور، سرامیک ها دارای کاربردهای زیادی هستند. از آن جمله می توان به شیشه های ضد مه و ضد یخ پنجره هواپیماها، اجزای مختلف موتور جت، کاشی های شاتل فضایی، قطعات با مقاومت حرارتی بالا، اجزای الکتریکی ـ الکترونیکی، ناوبری و لنزهای تلسکوپ فضایی اشاره کرد. در این مقاله کاربرد سرامیک ها در سیستم های محافظت حرارتی شاتل مورد بررسی قرار گرفته است.
به واسطه سرعت زیاد شاتل در هنگام پرتاب و ورود به جو بدنه شاتل باید دمای زیادی را تحمل کند. حضور سرامیک ها در شاتل باعث تحمل دمای زیاد و در عین حال به حداقل رساندن وزن آن می شود. بر اثر تراست (
Thrust) فراوان در حین پرتاب و سرعت بسیار زیاد در هنگام ورود به جو و خروج از آن ارتعاشات آکوستیکی فراوانی پدید می آید، که عایق بندی سرامیکی مخصوصی این ارتعاشات را دمپ می کند. از طرفی دیگر، قسمت اعظم نیروی بالا برنده (لیفت) در شاتل ها توسط اختلاف فشار سطوح آیرودینامیکی تامین می شود. حضور سرامیک ها باعث در اختیار داشتن سطوح آیرودینامیکی صاف و صیقلی می شود که این موضوع موجب ایجاد نیروی بالا برنده (لیفت) بسیار بالایی می شود. بارگذاری های حرارتی در سطوح مختلف بدنه شاتل متفاوت است. از این رو برحسب میزان حرارتی که در هر قسمت تولید می شود عایق بندی های مخصوص همان رنج دمایی طراحی شده است. از آن جمله می توان به عایق بندی های RCC-AFRSI- FRSI-LRSI-HRSI اشاره کرد. پارامترهای طراحی سیستم محافظت حرارتی شاتل، مراحل ساخت، نصب و نگهداری آن به تفصیل در این مقاله مورد بحث قرار گرفته اند.
سیستم حمل و نقل شاتل فضایی (
STS) به منظور فراهم کردن روشی برای حمل بارها و سرنشینان در مدار کم ارتفاع زمین به وجود آمد. یکی از مسایل اساسی در پیشرفت این امر، طراحی یک سیستم محافظت حرارتی (TPS) قابل استفاده مجدد بود که نه تنها برای گرمای تولید شده در حین بازگشت به جو، بلکه برای پرتاب و فرود آمدن بارهای مکانیکی نیز طراحی شده بود. قسمت اعظم (TPS) شامل چندین هزار کاشی فیبری سیلیکای خالص است که با روکش سرامیکی به زیر ساختارهای آلومینیمی متصل می شوند.
سیستم شاتل شامل چهار عنصر اصلی است. بوسترهای موشک های سوخت جامد (
SRB) موتورهای اصلی شاتل فضایی (SSME)، تانکر (ET) و فضاپیمای شاتل فضایی (SSO). سیستم طوری طراحی شده است که بتواند با ۲۹ هزار و ۵۰۰ Kgatm، به مدار برود و با ۱۴ هزار و ۵۰۰ Kgatm برگردد.
در این مقاله ابتدا سیکل کلی ماموریت یک شاتل فضایی و سپس با توجه به بارگذاری های حرارتی، سیستم محافظت حرارتی که شامل کاشی های مختلف است مورد بررسی قرار گرفته است. نزدیک به
۸۰ درصد نیروی پیش رانش را که برای پرتاب، بوسترهای موشک های سوخت جامد فراهم می کنند و ۲۰ درصد باقیمانده توسط موتورهای اصلی تامین می شود که با سوزاندن هیدروژن و اکسیژن موجود در تانکر، این کار را انجام می دهد. فضاپیما به صورت عمودی به همراه یک تانکر که شامل فضانوردان، موتورهای اصلی و بارهاست از زمین جدا می شود. طی وارد شدن به جو دمای قابل تحمل در زیر بدنه ۱۲۶۰ درجه سانتی گراد و در لبه های فرار و نوک دماغه به ۱۴۹۰ درجه سانتی گراد می رسد. در ارتفاعی تقریباً به اندازه ۴۷ هزار متر سرعت فضاپیما تا هشت برابر سرعت صوت کاهش می یابد و از بیشترین بازدهی حرارتی عبور می کند. در ۱۵۶ هزار و ۵۰۰ متر فضاپیما به محدوده پرواز وارد می شود و می تواند به طور آیرودینامیکی برای نشستن مانور دهد، مانند گلایدر.
برای رسیدن به کمترین وزن فضاپیما
۷۵ هزار کیلوگرم وزن خالص لازم است که از مواد سازه ای با بالاترین بازدهی استفاده شود. همچنین برای رسیدن به حداقل وزن و هزینه سازه اصلی فضاپیما باید از آلومینیم ساخته شود. در بسیاری از قسمت ها مانند درها و قسمت هایی از سیستم مانور به منظور دستیابی به کمترین وزن سازه از اپوکسی - گرافیت استفاده می شود. در این حالت آلومینیم و گرافیت محدود به ۱۷۵ درجه سانتی گراد هستند تا کیفیت آنها پایین نیاید.
در طراحی شاتل ها از تکنیک های گوناگونی برای محافظت از سوختن یک قطعه استفاده می شد. بعضی از این تکنیک ها شامل استفاده از چاه گرمایی و بعضی هم شامل استفاده از فلزات کاهنده بودند که می سوختند و تبخیر می شدند. در نتیجه هیچ کدام از شاتل ها قابل استفاده مجدد نبودند و برای رفع این مشکل متخصصان توانستند از مواد و تکنیک هایی استفاده کنند که شاتل ها را محافظت کند.
سیستم محافظت حرارتی شامل مواد گوناگون کاربردی، برای حفاظت پوسته در دماهای قابل قبول است. به علاوه آنها قابلیت استفاده مجدد در
۱۰۰ ماموریت را در صورتی که مجدداً بازسازی شوند، دارند. همچنین این مواد در محدوده دمایی ۱۵۵- درجه سانتی گراد تا دمای بازگشت به جو که حدود ۱۶۵۰ درجه سانتی گراد است، قابل استفاده هستند. به طور کلی (TPS) از یک پوشش عایق تشکیل شده است. ممکن است عایق ها از یک پوشش قابل انعطاف یا از کاشی های قالب بندی شده باشند. به هر حال، در بعضی قسمت های وسیله (مخصوصاً لبه حمله) ممکن است گرما و فشار خیلی شدید باشد، به طوری که کاشی ها نتوانند محافظت کافی را فراهم کنند. در این قسمت ها، کامپوزیت های مقاوم دما بالا و محکم مستقیماً با سازه های آیرودینامیکی به کار رفته اند. این سطوح داغ نیروی بالابرنده ای را به بدنه و بال ها مانند یک نیروی عمود بر لبه حمله انتقال می دهند و به علاوه از ضربه شدید هنگام ورود به جو جلوگیری می کنند.
همچنان که ذکر شد (
TPS) سیستمی است که شامل مواد ویژه ای جهت پایداری در دماهای بالاست که این مواد به شرح زیر هستند:
عایق سطح قابل استفاده مجدد(
RSI) : این گروه از سه ماده و دو رنگ هستند. بیشتر قسمت های بال ها و چرخ های شاتل را پوشش می دهند. این سه ماده کامپوزیت هایی هستند که اکثراً از الیاف سیلیکا همراه با مواد افزودنی گوناگون ساخته شده اند. عملیات حرارتی در این روش شبیه پختن سرامیک هاست که می تواند با شیشه های سفید یا سیاه پوشانده شود، که این کاشی ها در دو نوع (LRSI) و (HRSI) به شرح زیر هستند:
۱ـ کاشی دما پایین برای عایق کاری سطح (LRSI) که این کاشی ها به رنگ سفید هستند و در قسمت معینی از جلو، وسط، عقب بدنه، اطراف اتاق خلبان، دم قائم، بالای بال و پوسته استفاده شده اند. این کاشی ها مناطقی را که دما زیر ۶۵۰ درجه سانتی گراد است پوشش می دهد و نور خورشید را منعکس می کنند.
کاشی های (
LRSI) از ساختمان سیلیکا با درجه خلوص ۸/۹۹ درصد هستند. ضخامت توسط برخورد بار گرمایی طی وارد شدن به جو معین می گردد. یک پوشش سفیدنوری و مقاوم به رطوبت با ضخامت های ۱۰ میل در بالا و اطراف بدنه فضاپیما به کار می رود. این پوشش از ترکیبات سیلیکا همراه با اکسید آلومینیم ساخته شده است.
۲ـ کاشی دما بالا برای عایق کاری سطح (HRSI) که به رنگ سیاه هستند و مناطقی را که حداکثر دما بین ۶۵۰درجه سانتی گراد تا ۱۲۶۰ درجه سانتی گراد است، را پوشش می دهند و کمک می کنند تا گرما در مدت بازگشت به جو ساطع شود. در مناطقی بر روی قسمت بالایی بدنه جلویی فضاپیما، در اطراف پنجره های بدنه جلویی (درست در قسمت پایین وسیله که (RCC) استفاده نمی شود) بخش های سیستم مانور مخازن (RCS) و پوسته محافظ سیستم کنترل واکنش، لبه حمله و لبه فرار سکان عمودی، مناطق ثابت بال، لبه شهسام و سطح flap بدنه بالایی مورد استفاده قرار می گیرند.
کاشی های (
HRSI) از سیلیکای چگالی پایین و با درصد خلوص بالا و ۸/۹۹ درصد فیبر آمورف (فیبر از ماسه معمولی با ضخامت یک تا دو میل نتیجه می شود) عایق و به وسیله یک اتصال سرامیکی به جسم صلب تبدیل شده است. زیرا ۹۰ درصد کاشی ها توخالی هستند و ۱۰ درصد باقیمانده ماده است.
این کاشی ها در ضخامت های
۵/۲ تا ۵/۱۲ سانتی متر تغییر می کند. ضخامت های متغیر به وسیله بار حرارتی در هنگام ورود به جو به وجود می آیند. به طورکلی کاشی های (HRSI) در سطوح جلویی فضاپیما ضخیم تر هستند و در قسمت انتهایی باریک تر.

این کاشی ها در سایزها و شکل های مختلفی در قسمت های بیرونی فضاپیما هستند و در شرایط سرد معلق در مدار، شوک های گرم و سرد مکرر حرارتی و محیط های آکوستیک در حین پرواز دوام می آورند. برای مثال کاشی های (HRSI) در کوره ۱۲۶۰ درجه سانتی گراد شکل داده می شود و می تواند در آب سرد فرو رود، بدون آن که گرمای سطح به سرعت از بین برود. به طوری که یک کاشی روکش دار می تواند با دست بدون دستکش، فقط چند ثانیه بعد از بیرون آمدن آن از درون کوره در حالی که هنوز قرمز است، گرفته شود. دقت شود که این کاشی ها نمی توانند در زیر تغییر شکل بار بدنه مقاومت کنند. بنابراین ایزولاسیون تنش بین کاشی ها و سازه فضاپیما ضروری است. این ایزولاسیون به وسیله یک لایه ایزولاسیون کرنشی (SIP) فراهم می شود. (SIP)ها، کاشی ها را از تغییر شکل های ساختاری فضاپیما، تحریک صوتی و انبساط و شکست ناشی از تنش به دور نگه می دارد. (SIP)ها، عایق های ساخته شده از ماده نمد (Nomex) هستند که در ضخامت های ۲۲۵/۰ ، ۳/۰ یا ۴/۰ سانتی متر فراهم می شوند. (SIP)ها به کاشی متصل می شوند. (SIP) و مجموع کاشی ها به ساختمان فضاپیما متصل هستند.
تا زمانی که انبساط و انقباض حرارتی در مقایسه با سازه فضاپیما بسیار کم باشد، لازم است که شکاف های
۲۵ تا ۶۵ میل که بین آنها قرار دارند برای جلوگیری از تماس کاشی به کاشی از بین بروند. عایق بندی مواد نمد می بایستی در کف شکاف های بین کاشی ها قرار گیرد که به عنوان یک میله پرکننده از آن استفاده می شود. مواد، در یک ضخامت مناسب برای (SIP) فراهم شده و به نوارهایی به عرض ۸۷۵/۱ سانتی متر بریده می شوند و به سازه می چسبند. میله پرکننده مقاومت حرارتی حدود ۴۲۵ درجه سانتی گراد در قسمت بالا دارد.
دیگر کاشی ها با عناوین عایق کامپوزیتی شکست فیبری (
FRCI) و عایق فیبری یک پارچه مستحکم شده (TUFI) شناخته می شوند که سطوح را در درجه حرارتی بین ۶۵۰ تا ۱۲۶۰ درجه سانتی گراد محافظت می کنند و در میزان کمی استفاده می شوند. (FRCI) در قسمت های معدود و (TUFI) بیشتر در قسمت عقب فضاپیما، نزدیک موتور استفاده می شود. کاشی های (FRCI) به وسیله مرکز تحقیقات ایمز ناسا توسعه یافته است.
(
FRCI-12 HRSI) کاشی هایی هستند که از یک کاشی با استحکام بالا که با افزودن AB312 (الیاف برید سیلیکات آلومینیم) که نکستل نامیده شده است، به دست می آیند. با افزودن این الیاف کاشی (FRSI-12 HRSI) به کاشی سیلیکای خالص آبدار تبدیل می شوند. الیاف سیلیکاتی خالص را در طول سینترینگ در دمای بالا جوش می دهند. مواد مقاوم الیاف کامپوزیتی حاصله شامل ۲۰ درصد نکستل و ۸۰ درصد الیاف سیلیکا هستند که کلاً خواص فیزیکی متفاوتی از کاشی های سیلیکا با درجه خلوص ۸/۹۹ درصد دارند. نکستل با یک ضریب انبساط، شبیه میله تقویت کننده عمل می کند. پوشش شیشه ضربه گیرمشکی کاشی های (FRCI-12) فشرده می شوند تا این که به شکل عادی خود باز گردند و حساسیت روکش به ترک خوردگی در طول عملیات و مانورها کاهش یابد.
همه کاشی ها ترد هستند و اگر تحت تاثیر تنش قرار گیرند، ترک می خورند. کاشی ها نمی توانند مستقیماً از آلومینیم ساخته شوند، زیرا ساختار آلومینیمی فضاپیما به علت تغییرات دما منقبض و منبسط می شوند و زمانی که دمای فضاپیما بالا می رود، آنها یا می شکنند یا ترک می خورند. بنابراین کاشی ها باید از یک لایه چسب سیلیکونی و یک لایه ترکیبات برای اتصال پوسته آلومینیمی ساخته شوند.
طی سال ها، خیلی از کاشی ها جایگزین مواد شناخته شده از قبیل کاشی های (
FRSI) و (AFRSI)، عایق سطح انعطاف پذیر و عایق سطح انعطاف پذیر پیشرفته شدند. (FRSI) و (AFRSI) قسمتی از شاتل فضاپیما را که دمای آنها ۳۷۰ درجه سانتی گراد هنگام ورود به جو یا ۴۰۰ درجه سانتی گراد در هنگام بالا رفتن تجاوز نمی کنند، پوشش می دهند که شامل اطراف بدنه و بالای آن، درهای قسمت بار، بالای بارها و سیستم مانور مدار در نزدیکی دم هستند. (FRSI) و (AFRSI) نرم هستند وگاهی از آنها به عنوان روکش حرارتی یاد می شود.
قسمت های دیگر فضاپیما که در معرض شدید گرما قرار دارند، از قبیل لولا برای سطح کنترل پرواز، از آلیاژ (
Inconel) ساختهشده است.
طراحان شاتل در هنگام طراحی فضاپیما توجه زیادی به استفاده از مواد پرکننده، برای پرکردن فضای خالی بعضی مناطق دارند. همچنین آنها از مواد کاهنده در برخی از سطوح استفاده می کنند. این مواد در مدت برگشت به جو می سوزند و بعد از هر پرواز جایگزین می شود.
پرتاب شاتل فضایی، گهگاه باعث از دست رفتن کاشی ها در مدت بلند شدن می شود. این مسئله به دلیل تولید صدای شدید موتور شاتل در اثر نیروی آیرودینامیکی در مدت بالا رفتن است. در واقع موج های صوت کاشی های شل را می لرزاند. هیچ کدام از این کاشی های از دست رفته، فضانورد را به مخاطره نمی اندازد. اما مهندسان مواد چسبنده قوی تری به کار بردند و این امر به منظور اطمینان از به هم چسبیدن کاشی هاست.
علاوه بر کاشی های بیرونی، فضاپیما عایق های درونی زیادی هم دارد؛ مانند (
Q-felt) که نوعی نمد است. این ماده از وارد شدن حرارت اضافی کاشی ها، که به داخل وسیله نفوذ می کند جلوگیری می کند. کاشی های (AFRSI) جایگزین قسمت عظیم کاشی های (LRSI) می شود. (AFRSI) شامل لایه سیلیکا با چگالی پایین است که ترکیبی از سیلیکا خلوص بالا و ۸/۹۹ درصد الیاف سیلیکا آمورف است.
این لایه میان پارچه سیلیکای بافته شده دما بالای بیرونی و بافت شیشه ای دما پایین داخلی قرار گرفته است. چگالی کامپوزیت (
AFRSI) تقریباً در حدود ۱۲۰ تا ۱۳۵
(
kg/m3) و ضخامت از ۱۲۵/۱ تا ۳۷۵/۲ سانتی متر تغییر می کند. میزان ضخامت به وسیله برخورد بار حرارتی به روکش، طی وارد شدن به جو معین می گردد. پوشش ها مستقیماً توسط چسب سیلیکونی با ضخامت ۵/۰ سانتی متر به فضاپیما می چسبند. (FRSI) از همان مواد نومکس مانند (SIP) است. تغییرات ضخامت (FPSI) از ۴/۰ تا یک سانتی متر، که وابسته به مواجهه با بار حرارتی در مدت داخل شدن به جو است. (FRSI) نیز مانند (AFRSI) توسط چسب سیلیکونی با ضخامت ۵/۰ سانتی متر مستقیماً به فضاپیما چسبیده است. پوشش الاستومر سیلیکونی با رنگ دانه سفید برای ضدآب کردن نمد استفاده می شود و حرارت مورد نیاز و خواص نوری را بهبود می بخشد و ۵۰ درجه از سطوح فوقانی فضاپیما را پوشش می دهد. پوشش های (AFRSI) خواص چکش خواری بالا و دوام زیادی دارند. همچنین مناطقی را که دمایی کمتر از ۶۵۰ درجه سانتی گراد دارند تحت محافظت قرار می دهند.
پس از اولین پرتاب (فضاپیمای کلمبیا) از مرکز بین المللی راکول، یک عایق سطح متحرک ارتقا یافته، به دست آمد. این مواد شامل یک ساختار عایق بندی بدون لایه از کامپوزیت ها هستند که بین دو لایه از سازه سفید رنگ در حرکتند. الیاف لایه ای کوارتز بین تار و پود الیاف بافته شده کوارتز خارجی و تار و پود شیشه داخلی گیر کرده است که مانند پتو با ریسمان شیشه ای و کوارتزی به هم بخیه شده اند. تار و پود خارجی پوشش سرامیکی اضافه ای دارد که مستقیماً توسط چسب سیلیکونی به سازه چسبیده اند. (
AFRSI) به منظور تشکیل یک فضای بدون لایه در پروژه های دیسکاوری و آتلانتیس مورد استفاده قرار گرفته اند و جایگزین مقدار زیادی از کاشی های (LRSI) شده اند.
الیاف کربنی تقویت شده با کربن(RCC) : در لبه حمله بال سرپوش جلوی دماغه، قسمت جلوی فضاپیما و ساختار مخزن خارجی آن به کار می روند. (RCC) هنگام بازگشت، مناطقی را که دمایی از ۱۲۶۰ درجه سانتی گراد تا ۱۶۳۰ درجه سانتی گراد دارند، محافظت می کند.
تولید (
RCC) با یک پارچه ابریشمی گرافیتی و تلقیح شده با رزین اسید فنیک صورت می گیرد. این الیاف تلقیح شده به صورت لایه لایه به کار گذاشته و در یک اتوکلاو قرار داده می شوند. این پارچه با شوره الکل در مخزنی از خلاء تلقیح می شود که مجدداً در تبدیل شوره الکل به کربن به عمل آورده می شود. این فرآیند سه بار تکرار می شود تا این که کربن ـ کربن با خواص مطلوب به دست آید.
برای فراهم کردن اکسایش پایدار، لایه خارجی (
RCC) به کاربید سیلیکون تبدیل می شود. (RCC) فشرده شده، در دستگاه تقطیر با یک ماده فشرده که مخلوطی از آلومینیم، سیلیکون و کاربید سیلیکون است، ساخته شده است. دستگاه تقطیر در یک کوره جا می گیرد و با تغییری که در آرگون با یک دوره زمانی طبقه بندی شده حرارتی تا ۱۲۶۰ درجه سانتی گراد جایگزین می شود، پوشیده می گردد. عکس العمل نفوذ در قسمت فشرده خشک کربن ـ کربن که در آن لایه خارجی کربن ـ کربن به کاربید سیلیکون تبدیل می شود، رخ می دهد.
عایق حرارتی کلاهک دماغه از یک پوشش که از فیبرهای سرامیکی و سیلیکایی هستند ساخته شده است. کاشی های (
HRSI) و (FRCI) برای محافظت بدنه جلویی فضاپیما از پرتوهای حرارتی برای سطح خارجی داغ (RCC) استفاده می شوند. طی عملیات پرواز، منطقه بین کلاهک دماغه و لبه های درهای سیستم چرخ های فضاپیما، در حین صعود و افزایش حرارت در مدت بازگشت خساراتی می بیند. کاشی های (HRSI) در این منطقه با (RCC) جایگزین می شوند.
البته تمامی این توصیفات تنها بخشی از طراحی های فوق مدرن مهندسان تراز اول هوافضاست که به صورت مشروح برای شما علاقه مندان توضیح دادیم

فیروز رضائی ; ۸:۳٤ ‎ق.ظ ; ۱۳٩٢/۳/٧

آشکارساز

 

آشکارساز

از ویکی نجوم
 
پرش به: ناوبری, جستجو

 

 

امواج الکترومغناطیسی محدوده ای از امواج با طول موج های مشخص است که می توان در شکل زیر(1)مشاهده کرد. هر رده ی طیفی از امواج الکترومغناطیس احتیاج به یک نوع آشکار ساز خاص دارد.

(1)
E-M.JPG

 

آشکارساز تابش

حرکت گرمایی معمولی اتم هایی که در گاز یا مایع به هم برخورد می کنند، انرژی کافی برای جابه جا کردن الکترون ها را ندارد، و اتم ها خنثی باقی می مانند.اما وقتی ذره ای پر انرژی چون ذره آلفا یا بتا به سرعت از ماده عبور می کند، الکترون های مسیر ذره یکی پس از دیگری از اتم ها خارج می شوند.حاصل ردی از الکترون های آزاد شده و یون های دارای بار مثبت است.این فرایند یونش مسئول آثار زیان بار تابش پر انرژی در سلول های زنده است. همین طور یونش دنبال کردن مسیر ذرات پر انرژی را نسبتا آسان می سازد.

هر آشکارساز تابش هسته ای، اعم از آشکار ساز ذرات باردار یا فوتون های پر انرژی ، در نهایت یک علامت الکتریکی یا تپ ولتاژ را به دست می دهد که به یک مدار شمارشگر داده می شود؛ این مدار با دریافت علامت الکتریکی یا تب ولتاژ، ورود ذره به دستگاه آشکارساز را ثبت می کند. محیطی که در آن ذرات فرودی اثر هایی تولید می کنند که سرانجام به علامت های الکتریکی تبدیل می شوند، می تواند به اشکال گوناگون باشد.متداولترین آشکارساز هایی که در آزمایش های فیزیک هسته ای به کار می روند عبارتند از آشکارسازهای گازی، نیمه رسانا، سوسوزن و چرنکوف.

آشکارسازهای گازی

ساده ترین آشکارسازی که نسبت به اثرهای یونشی تابش هسته ای در یک گاز حساس است الکتروسکوپ است.وقتی یک الکتروسکوپ باردار شود، یک ورقه طلا(یا نوعی رسانای سبک وزن دیگر)به وسیله نیروی دافعه الکتریکی، از رسانای ثابتی که به آن متصل است جدا می شود، این جابه‌جایی مقیاسی از بار روی الکتروسکوپ است . تابش هسته ای، هنگام عبور از یک الکتروسکوپ باردار، هوا را یونیده می کند و الکتروسکوپ به وسیله یون هایی که روی آن جمع می شوند خنثی و تخلیه می شود. سه رده عمومی از آشکارسازهای گازی عبارتند از: اتاقک یونش، شمارشگر تناسبی و شمارشگر گایگر.

شکل(2)
Ashkarsaz1.jpg

شکل (2) را در نظر بگیرید. اتاقک گازی دارای دو الکترود است، یکی استوانه خارجی و دیگری یک سیم نازک در امتداد محور استوانه. این سیم در یک پتانسیل الکتریکی مثبت بالا نسبت به استوانه قرار داده می شود.دیواره اتاقک خواه از شیشه، فلز یا میکا، آن قدر نازک هست که امکان ورود ذرات باردار یا فوتون ها از خارج را میسر کند.در این اتاقک می توان از گازهای گوناگون استفاده کرد، و فشار نیز از کسری از یک اتمسفر تا چندین اتمسفر می تواند تغییر کند.میدان الکتریکی بین این دو الکترود بسیار نا همگن و در نزدیکی سیم مرکزی بسیار قوی است. تمام آشکارسازهای گازی بر اساس اصل زیر کار می کنند:

•تابش هسته ای، برخی از مولکول های گاز درون اتاقک را یونیده می کند.

میدان الکتریکی ذرات یونیده را به سوی الکترودها می کشاند و جریانی در مدار تولید می کند.

•جریان حاصل در یک مقاومت توسط ابزارهای الکتریکی اندازه گیری می شود. آشکارسازهای نیمه رسانا

آشکارساز نیمه رسانا، یا حالت جامد، از جمله مفیدترین، دقیقترین و موثرترین آشکارسازهای معاصر است.این آشکارساز در ساده ترین شکل خود شامل یک جامد(ماده نیمه رسانا) مانند ژرمانیم(معمولا همراه با ناخالصی لیتیوم) است که بین دو الکترودی که در آنها تپ خروجی پدیدار می شود قرار گرفته است.در حالی که آشکارسازهای گازی با زوج یون هایی که هر یک شامل یک الکترون آزاد و یک یون اند کار می کنند، آشکارساز نیمه رسانا با "زوج یون هایی" که هر یک شامل یک الکترون و یک حفره اند عمل می کند. الکترون های یک ماده خالص نیمه رسانا، یا عایق خالص، در حالت عادی به اتم های مادر خویش مقیدند و نمی توانند مانند حامل های بار در بلور سرگردان باشند. در چنین موادی حامل های بار با برانگیختگی گرمایی توسط اتم های ناخالصی مناسب یا، در وسایل آشکارساز،با عبور ذرات پرانرژی تولید می شوند. اگر یک ذره باردار فرودی یا یک فوتون فرودی به یک الکترون مقید انرژی کافی بدهد، الکترون آزاد می شود.در همین زمان، از جا کندن الکترون مقید از شبکه بلورین، به یک به اصطلاح حفره، یعنی جایی که الکترون از دست رفته است منجر می شود.این حفره در صورتی می تواند پر شود که یک الکترون مجاور به آن منتقل شود، که در این صورت در جای این الکترون، حفره دیگری پدیدار می شود. این فرایند تکرار می شود؛می توان چنین توصیف کرد که حفره‌ای که در جهت مخالف حرکت الکترون ها در ماده حرکت می کند همچون ذره ای با بار مثبت است. به همین دلیل است که زوج الکترون-حفره را زوج "یون" می نامند.یک زوج الکترون-حفره می تواند توسط میدان الکتریکی خارجی شتاب بگیرد و در نتیجه باز هم تعداد بیشتری زوج، که سرانجام به صورت تپ های بزرگ قابل اندازه گیری در الکترودها ثبت می شوند،تولید کند. برای یک شمارگر نیمه رسانا، اندازه تپ در گستره وسیعی به طور خطی به انرژی ذره مربوط است و شمارگر ها را می توان برای شمارش الکترون هایی با انرژی های جنبشی به کوچکی 20کیلو الکترون ولت و یون های سنگینی با انرژی جنبشی به بزرگی 200مگاالکترون ولت به قدر کافی حساس کرد.کارایی این شمارگر ها در ثبت ذراتی که ناحیه حساس را طی می کنند نزدیک به 100درصد است و از کارایی آشکارسازهای گازی خیلی بزرگتر است.زمان صعود سریع این تپ ها، از مرتبه یک نانو ثانیه(10betavan.gif) ،باعث می شود که این شمارگرها را بتوان برای آهنگ های شمارش بالا به کار برد.

آشکارسازهای سوسوزن

طرز کار آشکارهای سوسوزن بر این اساس است که وقتی به بعضی مواد (موسوم به فسفرها) ذرات برخورد کند و یا به آنها نور فرابنفش یا پرتوهای X تابیده شود،نور مرئی گسیل می کنند.وقتی ذره ای با فسفر برخورد می کند، الکترونی را به حالت انرژی بالاتر برمی انگیزد. وانگیختگی فسفر و بازگشت به حالت پایه با گسیل فوتون هایی که در ناحیه مرئی طیف قرار دارند همراه است. نمونه آشنای سوسوزنی یا فسفرسانس را می توان در اسیلوسکوپ پرتو کاتدی یا لامپ تصویر تلویزیون یافت، که در آن الکترون های با سرعت بالا به فسفر برخورد می کنند و گسیل تابش مرئی را موجب می شوند. یکی از ابتدایی ترین وسایل آشکارسازی حضور ذراتα از طریق آثار سوسوزنی آنها بر روی فسفری از جنس سولفور روی بود. در آزمایش های اولیه پراکندگی رادرفورد، یک پرده سولفور روی به عنوان آشکارساز ذرهα با میکروسکوپ مورد مشاهده قرار گرفت.کسل کنندگی و غیر حساسی نسبی این روش، که در آن با مشاهده مستقیم درخش های نور روشن سوسوها شمارش می شوند. در آشکارسازهای سوسوزن نوین، که در آنها از لامپ الکترونی قابل توجهی (تکثیر کننده فوتون یا افزونگر فوتون) استفاده می شود، حذف شده است.

شکل(3)
Ashkarsaz2 800x393.jpg

در شکل (3) نمودار طرح وار یک آشکارساز سوسوزن همراه با افزونگر فوتون را مشاهده می کنیم.فسفر(یک ماده شفاف) می تواند یدور سدیم با مقدار ناچیزی از تالیوم(برای پرتوهای γ)، یا یک جسم آلی مانند آنتراسن(برای الکترون ها)، یا سولفور روی با مقدار ناچیزی نقره(برای ذرات باردار سنگین مانند ذراتα)باشد.این فسفر پس از برانگیختگی اتم هایش بر اثر برخورد با ذرات یا فوتون ها درخش های نوری تولید می کند. فسفر در یک پوشش مانع نفوذ نور پیچیده می شود و فوتون ها احتمالا پس از چند بازتاب در درون فسفر، به فوتوکاتد لامپ افزونگر فوتون می رسند.فوتونی که به کاتد برخورد می کند برخورد فوتوالکتریکی را متحمل می شود، و یک الکترون از سطح کاتد به بیرون رانده می شود.این فوتوالکترون با یک اختلاف پتانسیل حدود 100ولت، به سوی اولین داینود لامپ افزونگر فوتون شتاب می گیرد. وقتی این فوتوالکترون با سطح داینود برخورد کرد، گسیل ثانوی الکترون، با انرژی جنبشی حداقل100 الکترون ولت رخ می دهد و دو یا چند الکترون توسط انرژی که از الکترون اولیه کسب می کنند، از این سطح رها می شوند.سپس این الکترون های ثانوی به واسطه پتانسیل 100ولتی دیگری، به سوی دومین داینود شتاب می گیرند و در انجا افزایش الکترون ها توسط گسیل ثانوی، دوباره رخ می دهد. یک لامپ افزونگر فوتون نوعی، دارای 10داینود یا 10 مرحله تقویت الکترونی است.فوتوالکترون اولیه می تواند در آخرین داینود یک تپ جریان را که به آسانی اندازه گیری می شود و ناشی از ورود حدود یک میلیون الکترون است تولید کند.

خصوصیت مهم آشکارساز سوسوزن آن است که تپ ولتاژ خروجی ناشی از لامپ افزونگر فوتون، با انرژی ذره یا فوتونی که در فسفر سوسو راه می اندازد تناسب بسیار نزدیک دارد؛ در این صورت نه تنها می توان ذرات را با آشکارساز سوسوزن آشکار کرد بلکه انرژی آنها را نیز می توان اندازه گیری کرد. آشکارساز های سوسوزن دارای برتری های دیگری نیز هستند؛ این آشکارسازها می توانند در آهنگ های شمارش خیلی بالا، با طول عمرهای تپ ها به کوتاهی یک نانو ثانیه(10betavan.gif) به کار می روند، و کارایی آنها در شمارش پرتوهای γ تقریبا 100درصد است. آشکارساز سوسوزن همراه با تحلیلگر ارتفاع تپ(یک وسیله الکترونیکی که تپ های خروجی از افزونگر فوتون را بر حسب اندازه آنها دسته بندی می کند)طیف سنج سوسوزن را تشکیل می دهند که به وسیله آن انرژی های پرتوهای تکفام γ را می توان به آسانی و با دقت خیلی زیاد اندازه گیری کرد.ولتاژ تپ خروجی مستقیما با انرژی جنبشی الکترون هایی که توسط سه فرایند اثر فوتوالکتریک،اثر کامپتون و تولید زوج الکترون-پوزیترون تولید می شوند، متناسب است.در این فرایند ها پرتوهای γ با ماده سوسوزن برهم کنش می کنند.

آشکارساز چرنکوف

وقتی ذره بارداری در یک محیط شفاف با سرعتی که از سرعت نور در آن محیط بیشتر است حرکت کند، نور مرئی گسیل می شود؛چنین نوری به یادبود کاشف آن به تابش چرنکوف موسوم است. حرکت یک ذره باردار پرانرژی در امتداد یک خط مستقیم در این محیط را می توان به صورت جا به جایی یک به یک یک سری الکترون اتمی واقع بر مسیر آن ذره، از موقعیت تعادل در نظر گرفت. میدان های تابشی ناشی از جا به جایی الکترون ها با هم ترکیب می شوند و یک موج الکترومغناطیسی خروجی قوی تشکیل می دهند؛ همانطور که اگر جسمی با سرعت بیشتر از سرعت صوت در یک محیط کشسان حرکت کند یک موج ضربه ای تولید می شود.

انواع دیگر آشکارساز

شمارشگر گایگر

شمارشگر گایگر از یک سیم مرکزی در استوانه فلزی تو خالی حاوی گازی کم فشار تشکیل شده است.ولتاژی الکتریکی به دو سر استوانه و سیم طوری اعمال می شود که سیم مرکزی مثبت تر از استوانه شود.اگر تابش وارد شمارشگر شود و اتمی از گاز را یونیده کند، الکترون آزاد شده جذب سیم مرکزی دارای بار مثبت می شود.وقتی این الکترون به طرف سیم شتاب می گیرد، با اتم های دیگر برخورد می کند و الکترون های بیشتری را بیرون می اندازد که آنها نیز به نوبه خود الکترون های بیشتری تولید می کنند، و به همین ترتیب باعث می شود که بهمنی از الکترون ها به طرف سیم روان شود.این موضوع تپ کوچکی از جریان الکتریکی به وجود می آورد که ابزار شمارش متصل به شمارشگر را فعال می سازد. این تپ پس از تقویت شدن، صدای تق تق شناخته شده آشکارساز های تابش را به وجود می آورد.

اتاقک ابری

اتاقک ابری مسیر مرئی تابش یوننده را به صورت ردهای مه نمایان می سازد.این دستگاه از اتاقک شیشه ای استوانه ای شکلی تشکیل شده است که بخش بالایی آن را پنجره ای شیشه ای و بخش پایینی آن را پیستونی متحرک مسدود می سازد.با تنظیم پیستون می توان بخار آب یا الکل موجود در اتاقک را اشباع کرد.نمونه پرتوزا درون اتاقک یا بیرون پنجره نازک شیشه ای قرار می گیرد.با عبور تابش از اتاقک، یون ها در مسیر آن تشکیل می شوند.سپس اگر با حرکت پیستون هوای اشباع درون اتاقک ناگهان خنک شود،ریز قطره های رطوبت در اطراف یون ها چگالیده می شوندو رد هایی از بخار به وجود می آورند که نشان دهنده مسیر های تابش اند.این رد ها نسخه های اتمی رد های بلور یخی هستند که هواپیماهای جت در آسمان به جا می گذارند. اتاقک ابری پیوسته از این هم ساده تر است.این اتاقک به علت قرار گرفتن روی تیغه ای از یخ خشک که گرادیان دمای نزدیک به دمای اتاق را در بالا تا دمای بسیار کم در پایین به وجود می آورد، دارای بخار فوق اشباع دائمی است.در تمام انواع این اتاقک ها، لامپی رد های مه تشکیل شده را روشن می سازد و می توان آنها را از پنجره بالایی مشاهده کرد یا از آنها عکس گرفت.این اتاقک را می توان در میدان الکتریکی یا مغناطیسی قوی قرار داد تا مسیر رد ها را طوری خم کند که بتوان اطلاعاتی درباره بار،جرم و تکانه ذرات تابش به دست آورد.ذرات دارای بار مثبت و منفی در جهت های مخالف خم می شوند. اتاقک های ابری را که وسیله بسیار مهمی در پژوهش های کیهانی اولیه بودند اکنون بیشتر برای نمایش به کار می برند. اتاقک حباب

ردهای ذره که در اتاقک حباب مشاهده می شوند حباب های ریز گاز در هیدروژن مایع اند.هیدروژن مایع تحت فشار در اتاقکی متشکل از شیشه و فولاد ضد زنگ تا نقطه شروع به جوشیدن گرم می شود.اگر در لحظه ورود ذره یوننده فشار اتاقک را ناگهان کم کنند، رد باریکی از حباب ها در مسیر ذره بوجود می آید.تمام مایع ناگهان شروع به جوشیدن می کند، اما چند هزارم ثانیه پیش از این واقعه، عکس هایی از رد کوتاه عمر ذره گرفته می شود.مانند اتاقک ابری، میدان مغناطیسی موجود در اتاقک حباب نسبت بار به جرم ذره مورد نظر را مشخص می سازد. پژوهشگران دهه های قبل از اتاقک های حباب استفاده فراوانی می کردند،اما اکنون اتاقک جرقه بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.

اتاقک جرقه

اتاقک جرقه ابزار شمارش متشکل از آرایه صفحات موازی نزدیک به هم است ؛صفحات یک در میان به زمین متصل شده اندو صفحات بین آنها به ولتاژ زیاد (حدود 10KV)متصل شده اند.یون ها با عبور ذرات باردار از اتاقک در گاز بین صفحات تشکیل می شوند.تخلیه الکتریکی در مسیر یون هاجرقه ای مرئی بین صفحات بوجود می آورد ردی متشکل از جرقه های زیاد مسیر ذره را نمایان می سازد.طرح متفاوت موسوم به اتاقک جویبار فقط از دو صفحه به فاصله زیاد از هم تشکیل شده است که بین آنها یک تخلیه الکتریکی، یا جویباری مسیر ذره باردار فرودی را دنبال می کند.امتیاز مهم اتاقک های جرقه یا جویبار نسبت به اتاقک حباب، ثبت رویداد های بیشتر در زمان معین است.

فیروز رضائی ; ۸:٥٤ ‎ق.ظ ; ۱۳٩٢/٢/٢۸

کرومیت

 
 

کرومیت

کرومیت به دست آمده از آلبانی

کرومیت اکسید کروم منیزیم آهن می‌باشد: Fe، Mg)Cr۲O۴). تنها سنگ معدن کروم کانی کرومیت است.

مشخصات

عنصر کروم در طبیعت دارای ۴ ایزوتروپ (۵۰)Cr، (۵۲) Cr، (۵۳ )Cr و (۵۴)Cr می‌باشد که ایزوتوپ (۵۲)Cr از همه فراوانتر می‌باشد، این فلز دارای دو ظرفیت ۳ و ۶ بوده که ۳+Cr دارای پایداری بیشتری است و در طبیعت نیز فلز کروم تقریباً همیشه با این ظرفیت ظاهر میشود. ۶+Cr تنها در محیط‌های قلیائی قوی (PH بالا) موجود است، شعاع یونی آن ۶۴/۰ انگستروم بوده و مشابه آهن سه ظرفیتی (۶۷/۰ انگستروم)، و انادیم ( ۶۵/۰ انگستروم) و آلومینیوم ( ۵۷/۰ انگستروم) می‌باد. کروم به دلیل میل شدید به عناصر دو ظرفیتی مانند Fe، Mg،Ni، Co و... به صورت اکسید مضاعف با این فلزات یافت می‌شود.

منبع

جستجو در ویکی‌انبار در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ کرومیت موجود است.
برگرفته از «htt
 

فیروز رضائی ; ۳:٥٤ ‎ب.ظ ; ۱۳٩٢/٢/۱٥

تهیه نانومواد با روش سل - ژل2

تهیه نانومواد با روش سل - ژل (2)

شرکت در آزمون
برای شرکت در آزمون می بایست وارد سیستم شوید
روش سل- ژل یکی از روش های متعددی است که با استفاده از آن می توان نانوذرات مختلف را سنتز نمود. این روش با ساخت یک سل همگن از مواد آغازگر شروع می شود و سپس با شک تحریک شیمیایی سل به ژل تبدیل می شود. سپس به یکی از روش های معمول، حلال را از ساختار ژل بیرون کشیده و آن را خشک می کنند. بسته به نوع روش خشک کردن، محصول به  دست آمده همچنین ویژگی های آن متفاوت خواهد بود. متناسب با کاربردی که ژل برای آن مقصود سنتز می شود، روش حلال زدایی می تواند متفاوت باشد. انواع این ژل های خشک کابردهای متنوعی در پوشش دهی سطوح، عایق کاری ساختمان، لباس های ویژه، و ... دارد. ضمنا،ً اگر ژل را بوسیله آسیاب های ویژه پودر کنیم، می توانیم به ذراتی در مقیاس نانو دست یابیم.
1 مقدمه: روش سل ژل و محصولات آن
فرآیند سل ژل یک روش سنتز پاین به بالا است. در این فرآیند، محصول حاصل از تعدادی واکنش های شیمیایی برگشت ناپذیر است. در حقیقت این ‏واکنش‌ها باعث تبدیل مولکولهای محلول همگن اولیه به عنوان سل، به یک مولکول نامحدود، ‏سنگین و سه بعدی پلیمری به عنوان ژل می‌شوند. بطور نمونه می‌توان واکنش هیدرولیزی که در پی آن واکنش تراکم رخ می دهد و محصول نهایی بدست می آید را به صورت زیر خلاصه کرد.‏[1] ( شکل 1)

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e

شکل 1- نمای کلی مراحل مختلف واکنش سل- ژل

با مخلوط کردن نمک های اولیه متفاوت می‌توان سامانه های دوتایی یا سه تایی تولید نمود. هر کدام از نمک های اولیه دارای سرعت واکنش مربوط به ‏خودش است که این سرعت واکنش، بستگی به شرایطی چون ‏pH، غلظت، حلال و دما دارد. ژل پلیمری ایجاد شده به صورت یک اسکلت سه بعدی شکل می گیرد که این امر باعث بهم ‏پیوستن حفرات شده و پس از خشک شدن با جمع شدن و انقباض، ایجاد یک جامد صلب ‏محکم می‌کنند. می‌توان گفت که مواد نهایی و محصولات را می‌توان به صورتی طراحی کرد، که باعث ‏بوجود آمدن تخلخل‌های نانو شود که در نتیجه آن، سطح ویژه بسیار بالاتری بدست خواهد آمد.

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1

شکل 2 - تصویر میکروسکوپ الکترونی  تخلخل هایی در ابعاد نانو و افزایش سطح ویژه

در فرآیند سل- ژل، تبدیل سل به حالت ژل اغلب به وسیله تغییر ‏pH‏ و یا تغییر غلظت ‏محلول حاصل می شود. دلایل اصلی استفاده از فرآیند سل- ژل ، تولید محصولی با خلوص بالا، توزیع اندازه ذرات باریک و دست یافتن به نانو ساختاری یکنواخت در دمای پایین است. اغلب روش سل- ژل جهت سنتز ‏نانو اکسیدهای فلزی مورد استفاده قرار می گیرد.
فرآیند سل- ژل شامل تغییر ‏حالت سل به ژل با استفاده از تکنیک‌های مختلف و متفاوت است که در اکثر آنها از خشک نمودن آهسته ‏و ملایم برای حذف حلال استفاده می‌شود. باید توجه داشت که به دلیل وجود پدیده انقباض ‏در هنگام خشک شدن ژل، باید در طول فرآیند خشک کردن، نکات لازم برای جلوگیری از به وجود آمدن ترک را رعایت نمود. ژل تولید شده قابلیت قالب ریزی (Casting) دارد و با استفاده از آن می‌توان ‏قطعات قالب-گیری شده را ساخته و با خشک کردن آنها به یک قطعه یکپارچه دست یافت. ‏قطعات که به این ترتیب بدست می آیند می توانند به عنوان صافی یا غشا مورد استفاده قرار گیرند.
همچنین می‌توان با انجام فرآیندهای پوشش‌دهی ‏چرخشی (Spin Coating) و یا غوطه‌وری فیلم‌های نازکی (Thin Films) به ضخامت ‏nm‏500-50 را بر روی یک زیر لایه تولید ‏نمود. این فیلم‌های نازک تولیدشده کاربردهای وسیعی از لحاظ الکترونیکی، کاربردهای سایشی یا ‏شیمیایی دارند و علاوه بر این بر روی خواص اپتیکی نیز می‌تواند تأثیرگذار باشند.[1-2]

filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9

شکل 3 - نمای کلی روش پوشش دهی الف) چرخشی ب) غوطه وری[3]

تخلخل‌های پیوسته در مقیاس نانو می‌توانند به عنوان محلی جهت پرشدن (Loading) مواد ثانویه باشند.[4] ‏این عمل با استفاده از روش‌هایی نظیر تصفیه در فاز مذاب و یا واکنش های شیمیایی صورت ‏می‌گیرد. این گونه مواد را در دسته نانوکامپوزیت‌ها طبقه‌بندی می کنند. یکی از استفاده های مفید از این مواد متخلخل  این است که این خلل و فرج را با انواع کاتالیست های صنعتی پرمی کنند و بدلیل سطح فعال بسیار بالای این مواد متخلخل، بهره وری کاتالیستی بسیار افزایش یافته و موجب کاهش قیمت تمام شده محصول تولیدی می گردد.

filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6

شکل 4 – تصویر نانو موادمتخلخل که بعد از اصلاح سطح، کاتالیست درون حفره های آن بارگذاری می¬شود.[5]

برای ایجاد قطعات نسبتا متراکم باید از عملیات حرارتی (Sintering ) استفاده نمود. سطح ویژه زیاد، باعث افزایش سرعت فشرده شدن ساختار (تراکم) می‌شود، ولی باید توجه داشت که ‏افزایش دما جهت انجام فرآیند سینترینگ درعین حال مشکل رشد دانه‌ها را نیز به همراه خواهد داشت.

filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a

شکل 5 - انواع فرآیندهای قابل انجام در سل- ژل و محصولات حاصل از هر فرآیند

2 انتخاب کاتالیزور
واکنش دو ماده آب و آلکوکسید بسیار کُند است و با افزودن الکل، محلول رقیق‌تر هم ﻣﻲشود، در نتیجه سرعت واکنش باز هم کاهش می‌یابد. برای افزایش سرعت واکنش، ﻣﻲتوان از کاتالیزور استفاده کرد. کاتالیزوری را که برای تسریع واکنش مورد استفاده قرار می دهیم باید به گونه ای باشد که بعد از انجام واکنش بتوان آن را به‌ راحتی از محیط خارج کرد. در گزارش محققان، هم از اسیدها و هم از بازها به عنوان کاتالیزور در آماده سازی ذرات سیلیس استفاده شده است که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند (شکل 6 را ببینید). در محیطی با خاصیت بازی، ذرات تا اندازة 100 تا 200 نانومتر به‌ سرعت رشد ﻣﻲکنند. در این حالت، نیروهای دافعه باعث ﻣﻲشود که ذرات جدا از هم باقی بمانند. در محیط اسیدی، ذرات در اندازه 2 تا 4 نانومتر متوقف ﻣﻲشوند، ولی در ادامه فرآیند، به‌ سرعت به هم ﻣﻲپیوندند و ذرات بزرگتر را تشکیل می‌دهند.

filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257

شکل 6 - نمودار بستگی اندازه و شکل نانو ذرات به pH [6]

برای سنتز نانو ذرات سیلیس، از کاتالیزور آمونیاک استفاده ﻣﻲشود. از مزایای آمونیاک این است که نقطه جوش پایین دارد و به سرعت از سیستم بیرون می رود. ولی از اسیدهایی چون اسید کلریدریک، نیتریک و استیک نیز می‌توان استفاده نمود که نقطه جوش بالایی دارند. اما در این حالت، خارج کردن آنها از محیط کار راحتی ﻧیست. از معایب دیگرِ این کاتالیزورها این است که باعث به وجود آمدن محصولات جانبی می شوند و دیگر ﻧﻤﻲتوان محصول را با همان پیوندهای شیمیایی مورد نظر تهیه کرد.

filereader.php?p1=main_46d46a759bf6cbed0

شکل 7 - اثر pH بر شکل محصول در مراحل مختلف

3 خشک کردن
از ویژگی ژل ها این است که می توانند شکل ظرفی که در آن تولید شده اند را به خود بگیرند [6]. بسته به استحکام ساختار ژل، می توان یک تکه مستقل با حفره های بزرگ به دست آورد. از آنجا که در این وضعیت حلال یکی از اجزء داخلی ژل محسوب می شود (شبکه را پابرجا نگه می دارد). حفظ ثبات ساختار حفره ها با برداشتن حلال بسیار دشوار است. معمولاً باید اجازه داد ساختار ژل قبل از خشک کردن، رسیده شود (کمی بماند) تا پیوندهای بین ذرات استوارتر گردد. این مرحله بین چند ساعت تا چند روز طول می کشد.به این فرآیند در اصطلاح پیرسازی ( Aging ) گفته می شود.[6] طی فرآیند پیرسازی، ژل به تغییرات خود ادامه می دهد تا پیوندهای جدید شکل گرفته و استحکام اسکلت ژل بیش از پیش گردد.


filereader.php?p1=main_2e3f209d4f2bb3466

شکل 8 – مراحل مختلف سل ژل و جایگاه فرآیند Aging در آن

در فرآیند سل- ژل، در مرحله اولیه مواد شیمیایی ذرات نانومتری به نام سل در محلول را می سازند. در مرحله بعد، این ذرات به هم متصل می شوند و شبکه سه بعدی جامدی به نام ژل ایجاد می کنند. بعد از فرآیند پیرسازی و تهیه ژل، را جدا می کنند. بعد از تهیه ژل از راه های مختلف فاز مایع ( حلال ) را جدا می کنند[7]:
1. ماده را در محیط قرار دهیم تا خودبه خود خشک شود. در این حالت، ماده حاصله زروژل (Xerogel) نام می گیرد و حفره های کمتری دارد و متراکم  است. زروژل به ژلی گفته می‌شود که تمام مایع داخل حفرات ژل خارج شده است، به گونه‌ای ‏که ساختار کمی متراکم‌تر و فشرده‌تر شده است و چروکیدگی نسبت به وضعیت ژل خیس در آن کاملاً ‏مشهود است. (شکل 9 را ببینید)
2. راه دیگر روش فوق بحرانی است که در آن تغییرات شبکه جامد به حداقل می رسد. ماده حاصل دارای شبکه متخلخل و پوکی است که آئروژل (Aerogel) نامیده می شود. آئروژل ( ژل هوادار ) نیز نوعی ژل خشک است. لذا حلال از داخل ژل خارج شده است. در این‌جا خروج حلال ‏به گونه‌ای بوده که هیچ فشردگی (Contraction) یا تغییری در ساختار ژل ایجاد نشده است. این نوع ژل عموماً به این ‏صورت تهیه می‌شود که ژل را تا دمای بحرانی حلال حرارت می‌دهند. بنابراین هیچ تعادلی بین ‏مایع و بخار وجود ندارد، و ژل با سطح ویژه بالا، با حفظ ساختار، در مقایسه با حالت ژل خیس بدست می‌آید. بر خلاف زروژل، در آئروژل تمامی خلل و فرج و ساختار حفظ شده و متراکم نمی شود.
filereader.php?p1=main_d9a9d61ef9ac1fb46

تصویر9 - خشک کردن به وسیله تبخیر ساده و تولید زروژل[8]

خشک کردن با یک فرآیند ساده تبخیر، و یا با حذف حلال در خلاء امکان پذیر است. در اثر نیروهای مویینگی که از برهمکنش بین حلال و دیواره های ساختمان ماده در اثر تبخیر حلال ایجاد می شود، انتظار این است که میزان تخلخل کاهش یابد. اگر چنین باشد، بعد از خشک شدن ژل، این تغییر قابل بازگشت نیست. یک راه مقابله با این مشکل حذف سطح تماسی بین فاز گاز و مایع در سامانه است. این موضوع می تواند با برداشتن حلال ها در زمانی که در حالت فوق بحرانی شان هستند، حاصل شود. نقطه فوق بحرانی در نمودار فازی جایی است که گاز و مایع به صورت فازهای جدا از هم وجود ندارند. ( شکل 10را ببینید ).
بنابراین، حلال بدون نیاز به تغییر فاز حذف می شود. یعنی، نیازی نیست حلال از فاز مایع به گاز تبدیل شده و سپس خارج شود. در این وضعیت حلال در فاز فوق بحرانی است (یعنی جایی که نه مایع است و نه گاز!) در شکل 10پیکان ها و اعداد مسیرهای ممکن را برای رسیدن به این نقطه را نشان می دهد. ابتدا، در یک محفظه کاملاً بسته دما تا بالای نقطه بحرانی ( Tc ) افزایش می یابد، که فشار را از فشار بحرانی بالاتر می برد. ( کمی بالاتر از Pc )، و در نتیجه حالت فوق بحرانی حاصل می شود.

filereader.php?p1=main_ad304601e6638bf2b

شکل 10- نمودار فازی فشار- دما برای رسیدن به شرایط بحرانی

در نمودار فازی فشار- دما، Pc و Tc به ترتیب به فشار و دمای بحرانی اشاره دارند. پیکان های 1 و 2 مسیر خشک کردن فوق بحرانی را نشان می دهند. در ابتدا، مایع با افزایش دما به سیال فوق بحرانی تبدیل می شود. فشار هم همزمان افزایش می یابد. در ادامه، با ثابت نگه داشتن دما، فشار پایین آورده می شود. بنابراین سیال فوق بحرانی به فاز گازی تبدیل می شود و از محیط خارج می گردد. در ادامه در عین حال که دما بالاتر از دمای بحرانی است، فشار کم می شود و به این ترتیب سیال فوق بحرانی مستقیماً به فاز بخار می رود و از داخل اتاقک آزاد می شود. چون فشار لازم برای این کار برای حلال های معمولی بالاتر از 6 مگاپاسکال است، به یک اتوکلاو (Autoclave) نیاز است. در حالی که الکل به دماهای بالایی برای رسیدن به حالت بحرانی نیاز دارد، ( اتانول حدود 243 درجه سانتیگراد )CO2 در دمایی حدود دمای اتاق ( حدود 31 درجه سانتیگراد ) بحرانی می شود.
چند رسانه ای 1- فیلمی در پوشه انیمیشن به زبان انگلیسی درمورد روش خشک کردن آئروژل به روش فوق بحرانی سرد
روش خشک کردن فوق بحرانی سرد ( روش CO2 ) این مزیت را دارد که ژل حاصل شده از این فرآیند تخلخل و سطح بالاتری دارد. این در حالی است که در دماهای بالا، ( روش خشک کردن فوق بحرانی داغ ) چهارچوب اولیه ژل خیس بهتر حفظ می شود
.

filereader.php?p1=main_52053048decaa0cbd

شکل 11 – نمونه ای از دستگاه اتوکلاو- با کنترل دما و فشار می توان به شرایط ایده آل برای واکنش رسید

3-1 چگونه یک سیال فوق بحرانی بسازیم؟
وقتی آب در دیگی سرباز داغ شود، دمای آن از دمای جوش بالاتر نمی رود حتی اگر تمام آب تبخیر شود. اما اگر آب را در یک محفظه بدون درز و کاملاً بسته داغ کنیم دمای، آن می تواند از دمای جوش خیلی بالاتر برود.

filereader.php?p1=main_d3d078bf2fc1425e6

شکل 12 - دستیابی به حالت فوق بحرانی به شرایط ویژه¬ای نیاز دارد.

برای حصول شرایط فوق بحرانی برای سیال، دستگاه هایی بطور تجاری وجود دارد. روشهای معمول فوق بحرانی معمولاً به زمان قابل توجهی برای فرآیند پیرسازی (مرحله پیش از خشک کردن) و همچنین مراحل شستشو برای برداشتن محصولات جانبی ممکن نیاز دارند. همچنین در مواردی که از روش سرد استفاده می شود، برای جایگزین کردن حلال اولیه با دی اکسیدکربن این روش ها خیلی زمان بر بودند. برای سرعت دادن به فرآیند حذف حلال، چند گروه تحقیقاتی روشهای استخراج فوق بحرانی سریع (RSCE) را توسعه دادند.

4 بحث و نتیجه گیری
• مرور تصویری فرآیند سل- ژل در یک نگاه

filereader.php?p1=main_f4fc7371dbc6aba67

شکل 13- مروری مختصر بر فرآیند سل- ژل[8]

• روش سل ژل با ساخت سل آغاز، با ژل شدن ادامه و با خشک کردن ژل پایان می-یابد.
• در این روش، محلول همگن اولیه به سل تبدیل می شود، سپس سل را با تغییر غلظت یا pH تحریک می کنند تا به ژل تبدیل شود و در نهایت با یکی از روش های حلال زدایی آن را خشک می کنند.
• نوع خشک کردن بر خواص ژل تأثیر مستقیم دارد.
• بسته به نوع کاربرد، روش های خشک کردن متفاوتی را می توان استفاده کرد.
• خشک کردن معمولی، ژلی متراکم تر و با تخلخل کمتر حاصل می کند. اما خشک کردن در حالت فوق بحرانی تخلخل ژل را حفظ کرده و سطح ویژه بالایی بوجود می آورد.

فیروز رضائی ; ۸:٠٤ ‎ق.ظ ; ۱۳٩٢/٢/٤

تهیه نانومواد با روش سل – ژل1

تهیه نانومواد با روش سل – ژل





فرآیند سُل- ژل (‏Sol-gel‏) یک روش شیمیایی تر (Wet Chemical Method) برای سنتز انواع نانوساختار ها به ویژه نانوذرات ‏اکسید فلزی می باشد. در این روش پیش ماده مولکولی (معمولاً آلکوکسید فلزی) در آب یا آلکل حل ‏شده و با حرارت و همزدن در اثر هیدرولیز/الکلیز (معادلات 1و2) به ژل تبدیل می شود. حال باید ژل ‏را خشک کرد که برای محلول الکلی می تواند با سوختن الکل انجام پذیرد. پس از خشک کردن ژل ‏آنرا پودر می کنند و پودر حاصله را جهت کلسینه شدن (Calcination) حرارت می دهند. روش سل- ژل روش ارزانی است و به دلیل دمای پایین واکنش (Low Temperature Technique) می توان کنترل مناسبی بر ترکیب ‏شیمیایی محصولات داشت. سل- ژل می تواند در فرآیند ساخت سرامیک ها به عنوان ماده قالب گیری در قالب ‏استفاده شود (Casting) یا به عنوان حد واسط فیلم های خیلی نازک (Thin Films) از اکسیدهای فلزی برای فرآیندهای مختلف ‏استفاده شود. مواد حاصل از روش تهیه سل- ژل می تواند در کاربردهای متفاوت نوری (Optics)، ‏الکترونیک، انرژی، سطح، سنسورهای زیستی (‏Biosensors‏ )، دارویی و تکنولوژی جداسازی (مثل کروماتوگرافی-Chromatography) ‏به کار برده شود.

1 مقدمه
روشهای زیادی، از جمله فرآیند سل- ژل (روش محلولی)، تراکم بخار خنثی، آلیاژسازی مکانیکی یا برخورد باگلوله های پر انرژی، روش پلاسما و روش های الکتروشیمیایی از روشهای معمول برای تولید نانو ذرات هستند. اگر چه همه روشهای ذکر شده برای تولید حجم زیادی از نانو مواد استفاده می شوند، اما روش سل- ژل دارای محبوبیت و کاربرد صنعتی بالاتری نسبت به سایر روش های موجود است و این امر بی علت نیست! سل – ژل هم اکنون می تواند نانو ذراتی با کیفیت بالا ( تولید ذرات با اندازه یکسان) را در حجمی بالا تولید کند. این روش قادر است همزمان دو یا چند نوع نانو ذره را با هم تولید کند. مفهوم این جمله این است که با مخلوط کردن پیش ماده های سنتز دو یا چند فلز ( یا اکسید فلز ) مختلف با نسبت های معین قادر خواهیم بود که محصولات آلیاژی را در یک مرحله سنتز کنیم. البته روش های دیگری هم هستند که قادر به انجام چنین کاری می باشند (روش پلاسما و روش های الکتروشیمیایی و چگالش از فاز) ولی باید خاطر نشان کرد که در مقیاس صنعتی هیچ کدام از آنها قادر به رقابت با روش سل - ژل نیستند.
روش سل- ژل همچنین می تواند امکان ساخت کامپوزیتهای بسیار همگن و با خلوص بسیار بالا ( با 99.99 درصد خلوص ) را فراهم کند. همچنین این روش قادر است نسبت به روشهای رایج که محدوده دمایی بسیار بالایی ( بین 1400 تا 3600 درجه سانتیگراد ) دارند، نانو مواد سرامیکی و فلزی را در دماهای بسیار پایین تری ( حدود 70 تا 320 درجه سانتیگراد ) تولید کند.
از دیگر دلایل محبوبیت روش سل – ژل به اختصار میتوان موارد زیر را ذکر کرد:
1) سنتز در دمای پائین
2) ابزار انجام آن ساده است
3) تهیه محصولاتی با خلوص بالا
4) راندمان تولید بسیار بالا
5) تولید قطعات اپتیکی با اشکال پیچیده
6) سنتز ترکیبات یکنواخت به صورت اکسیدهای کامپوزیتی
7) امکان طراحی ترکیب شیمیایی و بهدست آوردن ترکیب همگن وجود دارد
8) امکان استفاده از محصول به اشکال خاص مثل الیاف ، آئروژل و تهیه پوشش سطوح
9) امکان استفاده از این فرایند برای سنتز مواد در حالت بی¬شکل و به کارگیری آنها جهت لایههای نازک
10) تولید مواد دارای خواص فیزیکی اصلاح شده مانند ضریب انبساط حرارتی پایین و ‏جذب اشعه ‏Uv‏ کم و شفافیت اپتیکی بالا
11) تولید مواد متخلخل که اجازه غنی شدن با ترکیبات آلی و پلیمری را می دهد
12) واکنش پذیری شیمیایی بالای پیش ماده ها به دلیل انجام فرایند در فاز محلول
13) کنترل دقیق ساختار مواد با امکان تنظیم متغیرهای مرحله اولیه تشکیل سل و تشکیل ‏شبکه
14) سرمایهگذاری اولیه کم و در عین حال کیفیت بالای محصولات
فرآیند سل- ژل روش جدیدی نیست. در سال 1800 «ابلمن» به طور اتفاقی مشاهده کرد که تتراکلرید سیلیکون (SiCl4) که در ظرفی رها شده بود، ابتدا هیدرولیز و سپس به ژل تبدیل شد. در سال 1950 مطالعات گستردهای در زمینه سنتز سرامیکﻫﺎ و ساختارهای شیشهای با استفاده از این روش آغاز شد. شایان ذکر است که با این روش، بسیاری از اکسیدهای غیرآلی مانند TiO2، SiO2، ZrO2 سنتز شدند. آئروژل ها یکی از محصولات فرایند سل- ژل هستند. ساده ترین تعریف از یک آئروژل، ژلی خشک است که با حذف رطوبت از یک ژل مرطوب به دست آمده است. بسته به شیوه حذف رطوبت، ساختمان این ژل تا حد زیادی ساختار ژل خیس (ژل اولیه) را حفظ می کند. ژل خیس را می توان با فرایندهای مختلفی آماده کرد. به این روشها عموماً روشهای سل- ژل اطلاق می شود. در زیر واکنش های شیمیایی درگیر در روش سل ژل به اختصار آورده شده است:

برای نمایش در سایز اصلی بر روی نوشته کلیک کنید ، مشخصات تصویر هست 720 در293 پیکسل .


شکل1- خلاصه واکنش های سل-ژل

برای نمایش در سایز اصلی بر روی نوشته کلیک کنید ، مشخصات تصویر هست 720 در384 پیکسل .


شکل 2- ژل خیس، ژل خشک، آئروژل

به طور کلی در هر فرآیند شیمیایی (Chemical Process) محصول بدست آمده، حاصل واکنش های شیمیایی مختلف است. در روند فرایند سل ژل نیز واکنش های مختلفی رخ می دهد تا محصول نهایی بدست آید. در این قسمت به بررسی تفصیلی مهمترین واکنش هایی خواهیم پرداخت که فرایند سل ژل بر پایه آنها بنا شده است.

(پخش انیمیشن) [برای مشاهده لینک ها شما باید عضو سایت باشید برای عضویت در سایت بر روی اینجا کلیک بکنید]


2 مراحل فرآیند سل ژل
برای تولید محصول به روش سل – ژل لازم است ابتدا مقدمات و شرایط لازم برای واکنش ها را فراهم نمود.
2-1 تهیه محلول همگن (Homogeneous)
لازم است تا در ابتدا یک محلول همگن شامل حلال و پیش ماده هایی که قرار است در طول فرآیند، محصول نهایی را شکل دهند آماده گردد. برای این کار ابتدا حلال ( آب، الکل، حلال های آلی یا نسبتی از آنها ) و پیش ماده (Precursor) را در یک ظرف حل می کنیم تا محلول همگن حاصل شود. گاهی لازم است تا از ترکیب دو حلال با نسبت های معین استفاده شود تا پیش ماده ها به طور کامل در آن حل شود و محلول همگن حاصل شود. به عنوان مثال برخی از پیش ماده های آلی فلزی را ابتدا باید در یک حلال آلی قابل حل در آب حل کرد و سپس محلول حاصل را در آب حل نمود. اما در مواردی که پیش ماده مورد نظر نمک فلزی باشد به طور مستقیم در آب قابل حل بوده و نیازی به حلال آلی وجود ندارد.
پیش ماده های آلکوکسیدی بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند اما می توان به طریق دیگری غیر از مسیر الکوکسیدی نیز روش سل – ژل را پیش برد که به آن مسیر کلوئیدی گفته می شود. راجع به مزایا و معایب هر کدام از دو مسیر بالا در مجالی دیگر به طور مفصل بحث خواهد شد.
آلکوکسیدهای فلزی به عنوان پیش ماده روش سل ژل یک دسته از خانوادة ترکیبات آلی فلزی می¬باشند که شامل یک بنیان آلی متصل به یک عنصر فلزی یا شبه فلزی می باشند . مثالی که اخیرا بسیار مورد مطالعه قرار گرفته تترا اتوکسید سیلسیم یا Si(OC2H5)4 می باشد. این پیش ماده با نام تترا اتوکسی سیلان (TEOS ) نیز شناخته می شود. در شکل زیر چند نمونه از آغازگرها متدوال برای سنتز اکسید سیلسیم آورده شده است.


برای نمایش در سایز اصلی بر روی نوشته کلیک کنید ، مشخصات تصویر هست 646 در349 پیکسل .


شکل 3- چند نمونه از آغازگر های متداول برای سنتز SiO2 با روش سل ژل

2-2 تشکیل سل (Sol)
پس از ساخت یک محلول همگن باید آن را به سل تبدیل کرد. می توان گفت که واکنش هیدرولیز (Hydrolysis) پایه این مرحله است. اصولا کلمه هیدرولیز از ترکیب دو کلمه هیدرو و لیز تشکیل شده و مفهوم آن تجزیه بوسیله آب است. اصطلاح تجزیه به هر موردی اطلاق می شود که یک حالت پیچیده به حالتی ساده تر تبدیل گردد. در شیمی گاهی آب می تواند مولکولی را شکسته و به مولکول های ساده تری تبدیل کند. به طور خلاصه به دسته ای از واکنش ها که در آن آب مولکولی را شکسته (بر اثر یک واکنش شیمیایی) و به مولکول های ساده تر تبدیل می کند اصطلاحا هیدرولیز می گوییم.

برای نمایش در سایز اصلی بر روی نوشته کلیک کنید ، مشخصات تصویر هست 720 در471 پیکسل .


شکل 4- نمای کلی از تمامی مراحل سل ژل

واکنش هیدرولیز چندان پیچیده نیست. برای آغاز این فرآیند کمی آب به محیط واکنش افزوده می شود ( این در حالتی است که محلول همگن در حلالی فاقد آب تهیه شده باشد ). حضور آب باعث خواهد شد تا واکنش هیدرولیز بر روی پیش ماده صورت گیرد و به نوعی آن را فعال کرده تا ذرات اکسید فلزی گرد هم آمده و تشکیل ذرات ریز و جامدی بدهند که در حلال پراکنده هستند. به چنین ترکیبی سل (به عنوان یک محصول میانی فرآیند) اطلاق می شود.

برای نمایش در سایز اصلی بر روی نوشته کلیک کنید ، مشخصات تصویر هست 720 در373 پیکسل .





شکل 5- نمای کلی از واکنش هیدرولیز

سل از کلمه انگلیسی Solution به معنای محلول گرفته شده و لذا محلولی است کلوئیدی از واکنش دهندههای مختلف، (مثل پیش ماده ها، حلال، کاتالیزورهای اسیدی یا بازی و سایر افزودنی ها مورد نیاز) که قرار است در ادامه واکنش طی مراحل هیدرولیز و تراکم به ژل تبدیل شود. البته لازم است که به این نکته اشاره گردد که سل ها کمی با محلول های حقیقی متفاوت هستند. در محلول حقیقی جسم حل شونده به صورت اتم٬ مولکول و یا یون درحلال به طور یک نواخت پراکنده شده و اندازه ذرات از 1 nm تجاوز نمی کند. اما اگر اندازه ذرات بزرگتر از 100 nm باشد، به تدریج ته نشین می شوند (مخلوط سوسپانسیونی). اگر اندازه ذرات بین 1 تا حدود 100 متغیر باشد، معمولا به صورت پراکنده درهمه جای مخلوط باقی می ماند که به این گونه مخلوط ها کلویید می گویند. سل ها شامل ذرات بسیار ریز ( کمتر از 100 nm ) پراکنده شده در فاز حلال هستند و در واقع یک محلول یا به اصطلاح درست تر مخلوط کلوییدی را تشکیل می دهد. پس با توجه به همه توضیحات بالا می توان سل را اینگونه تعریف کرد که: " سل عبارتست از مخلوط جامد پراکنده شده در مایع که به علت کوچکی ذرات جامد قادر است برای مدت بسیار طولانی ( ماه¬ها ) پایدار بماند و ته نشین نشود. "
مهمترین نکته ای که راجع به یک سل خوب و قابل قبول باید گفت این است که سل حاصل باید به گونه¬ای تهیه شود تا بتواند برای ماه¬ها پایدار باشد و رسوب نکند. به عبارت دیگر باید اندازه ذرات آنقدر کوچک باشد که حرکات براونی (Brownian Motion) ذرات بر نیروی جادبه زمین غلبه کرده و ذرات ته نشین نشوند و و برای مدت طولانی همگن باقی بمانند. اگر سل حاصل دارای چنین ویژگی باشد می توان امیدوار بود تا محصولی همگن، خالص و با بازده بالا تولید شود.
2-3 تشکیل ژل
برای این کار کافی است، محلول ساخته شده را به نوعی تحریک کرده، تا ذرات ریز پراکنده شده (که هر کدام شامل چند تا چند ده واحد مولکولی یا اتمی از آغارگر های مربوطه هستند) شروع به نوعی گردهمایی کنند. با ایجاد بر همکنش های ( فیزیکی و شیمیایی ) میان ذرات معلق پراکنده شده در محلول سل، آنها به صورت واحد هایی متشکل از چند ده هزار مولکول کنار هم جمع شده و تشکیل یک مولکول سه بعدی بی نهایت بزرگ می دهند که نوعا تمام حجم ظرف واکنش را به خود اختصاص می دهد.


برای نمایش در سایز اصلی بر روی نوشته کلیک کنید ، مشخصات تصویر هست 620 در131 پیکسل .


شکل 6 – واکنش تراکم

این مولکول غول پیکر که دارای خلل و فرج بسیار فراوانی است تمام حلال را در درون خود به دام می اندازد، و ژل خیس ( Wet Gel ) نام دارد.

برای نمایش در سایز اصلی بر روی نوشته کلیک کنید ، مشخصات تصویر هست 720 در194 پیکسل .


شکل 7 – نمای کلی برای واکنش تراکم و تبدیل به ژل


برای تولید ژل خیس نیاز به تحریک محلول سل داریم تا به ژل برسیم. این تحریک می تواند با استفاده از معرف مناسب ( آب خالص یا آب به همراه NaOH , HCl ) انجام شود. در واقع در مرحله تبدیل سل به ژل که توسط واکنش¬هایی موسوم به تراکم (Condensation) کنترل می شوند، یک واکنش بسپارش معدنی (Inorganic Polymerization) به شمار ‏می رود که محصول نهایی آن شبکه اکسیدی حاوی خوشه های اکسید فلزی ‏M-O-M‏ است.‏


برای نمایش در سایز اصلی بر روی نوشته کلیک کنید ، مشخصات تصویر هست 720 در466 پیکسل .



شکل 8 – تصویر مدل سه بعدی مربوط به واکنش تراکم


واکنش تراکم دقیقا عکس واکنش هیدرولیز است. در هیدرولیز مولکولی درشت با مصرف آب به اجزاء ساده تر تبدیل می شود، اما در تراکم دو مولکول ساده به هم می پیوندند و تشکیل یک مولکلول پیچیده تر را می دهند. در حاشیه این ترکیب شدن یک مولکول کوچک مثل آب آزاد می شود. یک واکنش تراکمی وقتی انجام می شود که دو هیدروکسید ( یا یک هیدروکسید + یک آلکوکسید ) فلزی (M-OR+HO-M) با هم ترکیب می شوند تا یک اکسید فلزی(M-O-M) ایجاد کنند. ژل در نهایت به عنوان محلول ساخته می شود. در مرحله بعد باید به روشی حلال را از آن جدا کنیم تا فرآیند تکمیل شود. ژل ها انواع مختلفی دارند، که هر کدام خصوصیات و کاربردهای مخصوص به خود را دارند. بسته به نوع حلال مورد استفاده یا نوع روش خشک کردن، اسامی، ویژگی ها و کاربردهای آنها متفاوت خواهد بود.

پخش انیمیشن آنلاین :

[برای مشاهده لینک ها شما باید عضو سایت باشید برای عضویت در سایت بر روی اینجا کلیک بکنید]
3 بحث و نتیجه گیری:
روش سل ژل، روش ارزان و قابل دسترس برای تولید در حجم صنعتی می باشد. در این روش با ساخت یک محلول سل خوب ( شفاف و پایدار ) و تبدیل آن به ژل طی فرآیند هیدرولیز و در پی آن تراکم به محصول ژل خیس رسیده و با یکی از روش هایی که برای خشک کردن ژل خیس وجود دارد، ژل را خشک کرده و به محصول نهایی که یک ساختار جامد متخلخل است می رسیم. نحوه خشک کردن بستگی مستقیم به نوع محصول و ویژگی های آن دارد. در مقاله دیگر به تفصیل به این موارد پرداخته خواهد شد.

فیروز رضائی ; ۱۱:٢۸ ‎ق.ظ ; ۱۳٩٢/٢/٢

شیشه های ویژه...

شیشه سیلیس گداخته

شیشه سیلیسی گداخته یا سیلیس شیشه‌ای را می‌توان با گداختن سیلیس خالص تولید کرد، اما چنین محصولاتی معمولا حباب دارند و نمی‌توان آنها را به‌صورت شفاف تولید کرد. اکنون کمپانی کورنینگ ، این شیشه را به روش تفکافت فاز بخار تتراکلرید سیلیسیم در دمای بالا تولید می‌کند. این نوع فرایند ، بطور طبیعی برای کنترل سیستمهایی مناسب است که در آنها امکان تولید خالص فراهم باشد.

سیلیس خامی که با این روش تولید می‌شود، به شکل ورق یا بول (بول ، خرده سنگهای استوانه‌ای یا گلابی شکل کانی مصنوعی است) است. دمای بالای واکنش ، باعث بیرون رانده شدن آلاینده‌های نامطلوب می‌شود و مقدار ناخالصی‌های موجود در سیلیس گداخته را به حدود یک در صد میلیون قسمت می‌رساند. شیشه سیلیس گداخته ، حداقل مقدار جذب فراصوت را داراست. از این شیشه بدلیل انبساط گرمایی کم آن در آینه‌های تلسکوپی استفاده می‌شود.

شیشه پر سیلیس

این محصول که به نام ویکور شناخته می‌شود، پیشرفت مهمی درجهت تولید شیشه‌ای است که از نظر ترکیب و خواص به شیشه سیلیس گداخته نزدیک است. در این روش ، محدودیتهای پیشین در زمینه ذوب و شکل‌دهی از میان رفته است. کالاهای نهایی ، حدود 96% سیلیس و 3% اسید بوریک دارد و 1% بقیه از آلومین و قلیا تشکیل شده است. از ترکیبات بورو سیلیکات-شیشه حاوی حدود 75% سیلیس ، در مراحل اولیه فرایند هنگامی که شیشه‌ها ذوب و قالبگیری می‌شوند، استفاده می‌شود. پس از خنک شدن ، کالاها را تحت عملیات گرمایی و تابکاری قرار می‌دهند که سبب جدا شدن شیشه به دو فاز فیزیکی متمایز می‌شود. کالای شیشه‌ای را در حمام محلول اسید هیدرو کلریک 10% (98C) به مدت کافی فرو می‌برند تا فاز انحلال‌پذیر ، کاملا از آن خارج شود.

سپس با شستشوی کامل ، کمترین مقدار باقیمانده از فاز انحلال‌پذیر و همچنین ناخالصی‌ها شسته می‌شوند و سپس تحت عملیات گرمایی از بدنه ، آب‌زدایی شده و ساختارسلولی به شیشه غیر متخلخل تبدیل می‌شود. این روش از تولید شیشه ، سبب ساخت محصولی می‌شود که می‌توان آن را تا حرارت قرمز آلبالویی ، گرم کرده ، سپس بدون ایجاد هیچگونه آثار نامطلوب ، آن را درمخلوط آب و یخ فرو برد. این شیشه در برابر مواد شیمیایی نیز بسیار مقاوم و در برابر تمام اسیدها به جز اسید هیدرو فلوئوریک بسیار پایدار است. البته این اسید (درمقایسه با سایر شیشه‌ها) با سرعت کمتری به این شیشه حمله می‌کند. در ضمن ، انقباض این شیشه به نسبت یکنواخت و مساوی صورت می‌گیرد، بطوری که شکل اولیه همچنان حفظ می‌شود.



شیشه رنگی

هر چند قرنها از این شیشه‌ها تنها برای تزئین استفاده می‌شد، امروزه استفاده از شیشه‌های رنگی برای مقاصد صنعتی و علمی ضروری است. این شیشه‌ها ، در صدها رنگ مختلف تولید می‌شوند. شیشه رنگی ممکن است یکی از انواع سه‌گانه زیر باشد:



  1. رنگ شیشه براثر جذب فرکانس خاصی از نور ، توسط عوامل موجود در محلول بوجود می‌آید. عوامل ایجاد رنگ در این گروه ، اکسیدهای عناصر واسطه بویژه گروه اول هستند (مانند Cr , V , Ti ). این طبقه را می‌توان به دو زیر گروه تقسیم کرد، یکی شیشه‌هایی که رنگ آنها ، بدلیل محیط ساختاری شیمیایی آنهاست و دیگری شیشه‌هایی که رنگ آنها به دلیل اختلاف در حالت اکسایش آنهاست. مثلا NiO حل شده در شیشه سدیمی _ سربی است که رنگ قهوه‌ای ایجاد می‌کند. اما این ترکیب در شیشه پتاسی تولید یک سرخ ژاسپ می‌کند.

  2. رنگ بر اثر ترسیب ذرات کلوئیدی در شیشه بی‌رنگ ، ضمن انجام عملیات گرمایی بوجود می‌آید. مثال معمول این نمونه ، ترسیب طلایی کلوئیدی است که شیشه طلایی _ یاقوتی پدید می‌آورد.

  3. رنگ بوسیله ذرات میکروسکوپی یا ذرات بزرگتر که ممکن است خود رنگی باشند، بوجود می‌آید. مانند قرمز سلنیمی که در چراغهای راهنمایی ، حباب فانوسها و غیره بکار می‌رود. البته ممکن است این ذرات ، بی‌رنگ باشند و شیشه نیمه‌شفاف تولید کنند.
شیشه‌های پوشش دار

این شیشه‌ها با ترسیب فیلمهای فلزی شفاف بر روی سطح شیشه شفاف یا رنگی تولید می‌شوند. این فیلمها طوری طراحی می‌شوند که مشخصات عبور و بازتابش خاصی از نور را که در معماری امروز دارای اهمیت است، ایجاد کنند.

شیشه‌های مات یا نیمه شفاف

این شیشه‌ها در حالت مذاب ، شفاف‌اند. اما هنگام شکل دهی به دلیل جدایی و تعلیق ذرات ریز در محیط شیشه ، کدر می‌شوند. این ذرات از نظر اندازه و چگالی در شیشه ، انواع متفاوتی دارند و نور را به هنگام عبور ، پخش می‌کنند. شیشه مات ، اغلب از شیشه شفاف حاوی نقره بدست می‌آید. این ذرات نقره در واقع نقش هسته را برای رشد بلورهای غیر فلزی ایفا می‌کنند. این نوع شیشه برای ایجاد برخی سبکهای معماری مثلا در پنجره نورگیرها به منظور عبور طول موج مشخصی از نور و برای ظروف غذا خوری بکار می‌رود.

شیشه ایمنی

شیشه‌های ایمنی در دو نوع چندلایی و با پوشش سخت می‌باشند و شیشه نشکن را نیز می‌توان شیشه ایمنی به حساب آورد. این شیشه‌ها به‌آسانی شیشه معمولی نمی‌شکنند و ظروف غذا خوری ساخته شده از اینها ، در مقایسه با ظروف غذا خوری معمولی سبکتر و سه برابر محکمترند.

شیشه فوتوفرم

شیشه فوتو فرم ، نسبت به نور ، حساس است و عمدتا از سیلیکات لیتیم تشکیل یافته است. اکسید پتاسیم و اکسید آلومینیوم موجود در این شیشه ، خواص آن را اصلاح می‌کند و مقادیر بسیار کم ترکیبات سریم و نقره ، اجزایی هستند که نسبت به نور ، حساس‌اند. بر اثر تاباندن نور فرابنفش به این شیشه ، نقره توسط سریم حساس می‌شود و با انجام عملیات گرمایی در دمایی نزدیک به 600درجه سانتی‌گراد در اطراف آن ، تصویری از متاسیلیکات لیتیم ایجاد می‌شود.

متاسیلیکات لیتیم در اسید حل می‌شود. لذا می‌توان آن را به کمک اسید هیدروفلوئوریک 10% حذف کرد. اگر نور پس از عبور از نگاتیو یک نقشه شیشه ، تابانیده شود، یک کپی بسیار دقیق با تمام جزئیات و ریزه کاریها بر روی شیشه بدست می‌آید. مثلا به همین روش می‌توان نقشه مدارهای الکتریکی شیشه‌ای را به ارزانی و به شکل دقیقی تولید کرد. این فرایند ، ماشین‌کاری شیمیایی شیشه نامیده شده است.



شیشه فوتوکرومیک سیلیکاتی

این نوع شیشه‌ها مکمل شیشه فوتوفرم هستند، اما در عین حال خواص نامعلوم زیر را نیز دارند:



  • تیره شدن در نور بر اثر وجود نور فرابنفش درطیف مرئی
  • بی‌رنگ شدن یا کمرنگ شدن در تاریکی و بی‌رنگ شدن گرمایی در دماهای بالاتر.

این خواص نور رنگی واقعا برگشت پذیرند و دچار خستگی نمی‌شوند. در این شیشه ، ذرات هالید نقره در اندازه‌هایی کمتر از یک میکرون موجودند که در مقایسه با هالید نقره معمولی عکاسی ، واکنش متفاوتی را در برابر نور از خود نشان می‌دهند. این ذرات را در شیشه صلب و نفوذناپذیری که از نظر شیمیایی بی‌اثر است، جای می‌دهند. بدین ترتیب ، مراکز رنگی که محل نورکافت‌ هستند، نمی‌توانند از مکان خود به جای دیگر نفوذ کنند و ذرات پایدار نقره را تشکیل دهند و ترکیب برگشت ناپذیر تولید کنند.

شیشه _ سرامیک

این ماده ، ماده‌ای است که مانند شیشه ، ذوب و شکل داده می‌شود و سپس بوسیله فرایندهای واشیشه‌ای شدن کنترل شده ، تا حد زیادی به سرامیک بلورین تبدیل می‌شود. از این مواد ، در ساخت پوشش آنتن رادار هواپیما ، موشکهای هدایت شونده و وسایل الکترونیکی مختلف استفاده می‌شود. همچنین این مواد تحت نام تجاری پیرو سرام در تولید ظروف آشپزخانه که همزمان برای هر سه کار پخت ، پذیرایی و انجماد غذا استفاده می‌شوند، بکار می‌روند.

الیاف شیشه

اگرچه الیاف شیشه ، محصول جدیدی نیست، با این حال سودمندی آن بدلیل ظرافت فوق‌العاده‌اش افزایش یافته است. می‌توان این ماده را به صورت رشته کشید، یا آنکه برای تولید عایق ، نوار و صافیهای هوا می‌توان آن را به روش دمشی به شکل شبکه حصیری در آورد. الیاف کشیده شده برای تقویت پلاستیک‌های مختلف بکار می‌روند و محصول چند سازه حاصل در ساخت لوله ، مخزن و وسایل ورزشی نظیر چوب ماهیگیری و چوب اسکی استفاده می‌شوند. متداولترین رزین‌هایی که با الیاف شیشه مصرف می‌شوند، رزینهای اپوکسی و پلی استر هستند.

فیروز رضائی ; ۱۱:٢٦ ‎ق.ظ ; ۱۳٩٢/٢/٢

کتاب مواد سرامیکی و شیشه ای(ساختار، خواص و فرآیند)

دانلود کتاب:

Ceramic and Glass Materials


Structure, Properties and Processing

فیروز رضائی ; ٧:٤٢ ‎ق.ظ ; ۱۳٩۱/۱٢/٧

مفاله در مورد بنتونیت

لینک مستقیم دانلود

http://uploadtak.com/images/b328_downloadR6KMlDKAr44.pdf

فیروز رضائی ; ۸:٠٩ ‎ق.ظ ; ۱۳٩۱/۱٠/٢٧
← صفحه بعد صفحه قبل →