پژوهشگران دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، با همکاری محققان پژوهشگاه فضایی ایران، موفق به ساخت نانوکامپوزیتی شده‌اند که قابل کاربرد در سازه‌های درگیر با دماهای بالاست. این نانوکامپوزیت که از خواص حرارتی و مکانیکی مطلوبی برخودار است، می‌تواند به عنوان عایق‌های فداشونده مورد استفاده قرار گیرد. نتایج این طرح مورد توجه نیروگاه‌های حرارتی ، علوم و فناوری هوایی و صنایع شیمیایی خواهد بود.
دانشگاه آزاد اسلامی: بهبود خواص حرارتی کامپوزیت‌های فداشونده با نانوذرات
برای حفاظت سازه‌ها در درجه حرارت‌های بسیار بالا از عایق‌های کامپوزیتی استفاده می‌شود. این عایق‌ها در شرایط شوک‌های حرارتی ناشی از گرمایش ناگهانی و لحظهای عملکرد مطلوبی از خود نشان میدهند. به چنین عایق‌هایی، کامپوزیت‌های فداشونده میگویند. بیشتر کاربردهای نانوسیلیکا، در صنعت پلیمر به‌ویژه کامپوزیت‌هاست. از نانو سیلیکا بیشتر برای بهبود خواص مکانیکی پلیمرها و در برخی موارد به‌عنوان تأخیردهنده‌ی شعله استفاده می شود. با وجود این، در این پژوهش تلاش شده است از این نانوذرات جهت بهبود خواص فداشوندگی کامپوزیت‌ها و درک این مکانیزم در نانوکامپوزیت‌های ساخته شده استفاده شود.
به گفته‌ی آیدین میرزاپور، کارشناس ارشد پلیمر از پژوهشکده حمل و نقل فضایی، ساخت نانوکامپوزیت حاوی نانوذرات سیلیکا ضمن کاهش هزینه‌های تولید سازه‌های کامپوزیتی، عملکرد مکانیکی، حرارتی و فداشوندگی این سازه‌ها را به میزان چشمگیری افزایش داده است. با استفاده از نتایج این طرح، نیاز به ساخت عایق‌هایی با کارایی بالا جهت حفاظت از سازه‌های درگیر در محیط‌های با دمای بالا، مثل فضاپیماهای برگشت‌پذیر به جو، رفع خواهد شد.
افزایش ۱۳ درصدی خواص مکانیکی مثل استحکام خمشی سه نقطه‌ای نانوکامپوزیت‌های ساخته شده تنها با وجود ۳ درصد وزنی نانوسیلیکا نسبت به کامپوزیت بدون نانو سیلیکا، از نتایج به دست آمده در این پژوهش است. همچنین نتایج آزمون گرماوزنسنجی نشان داده است که مقاومت حرارتی نانوکامپوزیت‌های ساخته شده با ۵ درصد وزنی نانوسیلیکا نسبت به کامپوزیت بدون نانو سیلیکا حدود ۱۱۰ درجه سانتی‌گراد بهتر شده است. به عبارتی تخریب حرارتی آن ۱۱۰ درجه دیرتر شروع می‌شود به همین دلیل، نانوسیلیکا می‌تواند به‌عنوان تأخیر دهنده‌ی شعله در کامپوزیت‌های کربنی استفاده شود.
بررسی آزمون‌های فداشوندگی( آزمون شعله اکسی استیلن) نشان داده است که خواص فداشوندگی نانوکامپوزیت‌های ساخته شده نسبت به کامپوزیت بدون نانو سیلیکا به میزان قابل توجهی بهبود یافته است. خوردگی وزنی و پس‌روی سطح نانوکامپوزیت با حضور ۵ درصد وزنی نانوسیلیکا نسبت به کامپوزیت بدون نانو سیلیکا به ترتیب حدود ۲۶ و ۶۱ درصد کمتر شده است.
برای دستیابی به اهداف این پژوهش، ابتدا محلولی از نانوذرات سیلیکا در حلال الکلی تهیه شده است. این محلول با رزین فنولیک ترکیب شده است تا نانوکامپوزیت تهیه شود. پس از اضافه کردن الیاف کربن به این ترکیب و ایجاد یک خمیر یکنواخت، نانوکامپوزیت نهایی (الیاف کربن/رزین فنولیک/ نانو سیلیکا) به کمک فرایند پرس داغ و در دما و فشار بالا ساخته شده است. سپس آزمون‌های فیزیکی مثل دانسیته و سختی، مکانیکی مثل ضربه و خمش سه نقطه‌ای و حرارتی مثل گرماوزنسنجی و فداشوندگی بر روی نمونه‌های ساخته شده انجام گرفته است. گفتنی است که سطح این نمونه‌ها، قبل و بعد از آزمون‌ها، از طریق میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی شد.
به گفته‌ی آیدین میرزاپور، کارشناس ارشد پلیمر از پژوهشکده حمل و نقل فضایی، ساخت نانوکامپوزیت حاوی نانوذرات سیلیکا ضمن کاهش هزینه‌های تولید سازه‌های کامپوزیتی، عملکرد مکانیکی، حرارتی و فداشوندگی این سازه‌ها را به میزان چشمگیری افزایش داده است. با استفاده از نتایج این طرح، نیاز به ساخت عایق‌هایی با کارایی بالا جهت حفاظت از سازه‌های درگیر در محیط‌های با دمای بالا، مثل فضاپیماهای برگشت‌پذیر به جو، رفع خواهد شد.
افزایش ۱۳ درصدی خواص مکانیکی مثل استحکام خمشی سه نقطه‌ای نانوکامپوزیت‌های ساخته شده تنها با وجود ۳ درصد وزنی نانوسیلیکا نسبت به کامپوزیت بدون نانو سیلیکا، از نتایج به دست آمده در این پژوهش است. همچنین نتایج آزمون گرماوزنسنجی نشان داده است که مقاومت حرارتی نانوکامپوزیت‌های ساخته شده با ۵ درصد وزنی نانوسیلیکا نسبت به کامپوزیت بدون نانو سیلیکا حدود ۱۱۰ درجه سانتی‌گراد بهتر شده است. به عبارتی تخریب حرارتی آن ۱۱۰ درجه دیرتر شروع می‌شود به همین دلیل، نانوسیلیکا می‌تواند به‌عنوان تأخیر دهنده‌ی شعله در کامپوزیت‌های کربنی استفاده شود.
بررسی آزمون‌های فداشوندگی( آزمون شعله اکسی استیلن) نشان داده است که خواص فداشوندگی نانوکامپوزیت‌های ساخته شده نسبت به کامپوزیت بدون نانو سیلیکا به میزان قابل توجهی بهبود یافته است. خوردگی وزنی و پس‌روی سطح نانوکامپوزیت با حضور ۵ درصد وزنی نانوسیلیکا نسبت به کامپوزیت بدون نانو سیلیکا به ترتیب حدود ۲۶ و ۶۱ درصد کمتر شده است.
برای دستیابی به اهداف این پژوهش، ابتدا محلولی از نانوذرات سیلیکا در حلال الکلی تهیه شده است. این محلول با رزین فنولیک ترکیب شده است تا نانوکامپوزیت تهیه شود. پس از اضافه کردن الیاف کربن به این ترکیب و ایجاد یک خمیر یکنواخت، نانوکامپوزیت نهایی (الیاف کربن/رزین فنولیک/ نانو سیلیکا) به کمک فرایند پرس داغ و در دما و فشار بالا ساخته شده است. سپس آزمون‌های فیزیکی مثل دانسیته و سختی، مکانیکی مثل ضربه و خمش سه نقطه‌ای و حرارتی مثل گرماوزنسنجی و فداشوندگی بر روی نمونه‌های ساخته شده انجام گرفته است. گفتنی است که سطح این نمونه‌ها، قبل و بعد از آزمون‌ها، از طریق میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی شد.
تصویر SEM از لایه مذاب شده نانوسیلیکا بر روی سطح نانوکامپوزیت
میرزاپور، مکانیزم عملکردی نانو سیلیکا را اینگونه توضیح داد: «این عملکرد بر سه اصل استوار است. در ابتدا این نانوذرات سبب کاهش رسانایی حرارتی کامپوزیت کربنی می‌شوند. از طرفی نانوذرات سیلیکا، از طریق جذب حرارت شعله، با زغال ایجاد شده از طریق فرایند پیرولیز واکنش داده و ضمن مصرف حرارت و انرژی به یک ساختار سرامیکی مقاوم به نام سیلیسیم‌کربید (SiC) تبدیل می‌شوند. همچنین نانوذرات سیلیکا و حتی نانو‌کربید ایجاده شده در دمای بالای ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد ذوب شده و پوششی سرامیکی بر روی الیاف کربن ایجاد می‌کند. این لایه‌ی سرامیکی به‌عنوان لایه‌ی محافظ ثانویه عمل کرده و از رسیدن حرارت، شعله و اکسیژن و در نتیجه تخریب بیشتر لایه‌های زیرین کامپوزیت جلوگیری می‌کند.»
این محققان هم اکنون در حال بررسی اثر سایر نانوساختارها نظیر نانولوله‌های کربنی بر عملکرد و کارآیی سازه‌های کامپوزیتی مورد نیاز در صنعت هوافضای کشور هستند.
نتایج این پژوهش که توسط آیدین میرزاپور، محمد حسین اسداللهی و محمود اکبری- کارکنان پژوهشگاه فضایی ایران– و دکتر سعید باغشاهی- عضو هیئت علمی دانشگاه بین المللی امام خمینی- صورت گرفته است، در مجله‌ی Composites Part A: Applied Science and Manufacturing (جلد ۶۳، شماره ۱، ماه ژانویه، سال ۲۰۱۴، صفحات ۱۵۹ تا ۱۶۷) منتشر شده است.
