پایان نامه ارشد: سنتز نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل و نانو ذرات فريت کبالت و بررسی ویژگی ­های مغناطیسی آن

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته فیزیک

عنوان : سنتز نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل/نانو ذرات فريت کبالت و بررسی ویژگی ­های مغناطیسی آن

دانشگاه مازندران

دانشکده علوم پایه

پایان­ نامه دوره کارشناسی ارشد در رشته فیزیک حالت جامد

موضوع:

سنتز نانوکامپوزيت سيليکا آئروژل/نانو ذرات فريت کبالت و بررسی ویژگی­های مغناطیسی آن

استاد راهنما:

دکتر فقید علی­ اصغر حسینی

دکتر علی بهاری

استاد مشاور:

دکتر حسین میلانی مقدم

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

فصل اول – مفاهیم اولیه

مقدمه………………………………….. 2

1-1 شاخه‌های فناوری نانو………………………………… 2

1-2 روش‌های ساخت نانوساختارها………………………………… 3

1-3 کاربردهای نانوساختارها………………………………… 4

1-4 مواد نانومتخلخل………………………………….. 5

1-5 کامپوزيت‌ها …………………………………10

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 تقويت‌کننده‌ها …………………………………12

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 مواد ديامغناطيس……………………………………. 20

2-4-2-2 مواد پارامغناطيس……………………………………. 21

2-4-2-3 مواد فرومغناطيس……………………………………. 21

2-4-2-4 مواد پادفرومغناطيس……………………………………. 22

2-4-2-5 مواد فريمغناطيس……………………………………. 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 روش‌ها………………………………… 38

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 گرما …………………………………46

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/ SiO4O2CoFe به کمک روش XRD……………….

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

4-3-5 تصويربرداري TEM…………………………………….

4-3-6 بررسي آنالیز BET…………………………………..

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

4-4 خلاصه…………………………………. 77

نتيجه‌گيري………………………………….. 78

پیشنهادات……………………………………. 81

مراجع…………………………………. 82

چکیده:

آئروژل‌ها مواد متخلخلی هستند که حفره‌های نانو‌متری آن‌ها در مقیاس مزو یا میکرو می‌باشد. 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 جایگزین مایع 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 VSM پرداخته 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.

فصل اول: مفاهیم اولیه

مقدمه:

از اواخر قرن بيستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوينی معطوف کردند که به عقيده‌ی عده‌ای تحولی عظيم در زندگی بشر ايجاد می‌کند. اين فناوری نوين که در رشته‌هايی همچون فيزيک، شيمی و مهندسی از اهميت زيادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. می‌توان گفت که نانوفناوری رويکردی جديد در تمام علوم و رشته‌ها می‌باشد و اين امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با يک روش معين به مطالعه‌ی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبک‌های مختلف به بازآرايی اتم‌ها و مولکول‌ها بپردازد.

در چند سال اخير، چه در فيزيک تجربی و چه در فيزيک نظری، توجه قابل ملاحظه‌ای به مطالعه‌ی نانوساختارها با ابعاد كم شده است و از اين ساختارها نه تنها برای درک مفاهيم پايه‌ای فيزيک بلكه برای طراحی تجهيزات و وسايلی در ابعاد نانومتر استفاده شده­است. وقتی كه ابعاد يک ماده از اندازه‌های بزرگ مانند متر و سانتي­متر به اندازه‌هايی در حدود يک دهم نانومتر يا کم­تر كاهش مي‌يابد، اثرات کوانتومی را می‌توان ديد و اين اثرات به مقدار زياد خواص ماده را تحت الشعاع قرار مي‌دهد. خواصی نظير رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی يا ويژگی‌های نوری، مغناطيسی و الکتريکی ماده از جمله‌ی اين خواص‌ می‌باشند [1].

1-1- شاخه های 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].

2-1- روش های ساخت نانوساختارها

توليد و بهينه­سازی مواد بسيار ريز، اساس بسياری از تحقيقات و فناوری‌های امروزی است. دستورالعمل‌های مختلفی در خصوص توليد ذرات بسيار ريز در شرايط تعليق[1] وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشريح دقيق فرآیند رسوب‌گيری و روش‌های افزايش مقياس اين فرآیندها در مقياس تجاری محدوديت وجود دارد. برای توليد اين نوع مواد بسيار ريز از پديده‌های فيزيکی يا شيميايی يا به طور همزمان از هر دو استفاده می‌شود. برای توليد يک ذره با اندازه مشخص دو فرآیند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پايين) و ديگری ساخته شدن) پايين به بالا). معمولا روش‌های پائين به بالا ضايعاتی ندارند، هر چند الزاما اين مسأله صادق نيست [6 و5]. مراحل مختلف توليد ذرات بسيار ريز عبارت است از، مرحله‌ی هسته‌زايی اوليه و مرحله‌ی هسته‌زايی[2] و رشد خود به خودی[3]. در ادامه به طور خلاصه روش‌های مختلف توليد نانوذرات را بيان می‌کنيم. به طور کلی روش‌های توليد نانوذرات عبارتند از:

–  چگالش بخار

–  سنتز شيميايی

–  فرآیندهای حالت جامد (خردايشی)

–  استفاده از شاره‌ها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی

–  استفاده از امواج ماكروويو و امواج مافوق صوت

–  استفاده از باكتری‌هايی كه می­توانند نانوذرات مغناطيسی و نقره‌ای توليد كنند

پس از توليد نانوذرات می‌توان با توجه به نوع كاربرد آن‌ها از روش‌های رايج زمينه‌ای مثل روكش­دهی يا اصلاح شيميايی نيز استفاده كرد [7].

3-1- کاربردهای نانوساختارها

يکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای اين مواد است. با استفاده از اين خاصيت می‌توان کاتاليزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری توليد نمود. اين نانوکاتاليزورها بازده واکنش‌های شيميايی را به شدت افزايش داده و همچنين به ميزان چشم­گيری از توليد مواد زايد در واکنش‌ها جلوگيری خواهند نمود. به کارگيری نانو‌ذرات در توليد مواد ديگر استحکام آن‌ها را افزايش داده و يا وزن آن‌ها را کم می‌کند. همچنين مقاومت شيميايی و حرارتی آن‌ها را بالا برده و واکنش آن‌ها در برابر نور وتشعشعات ديگر را تغيير می‌دهد.

با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزيتی به شدت افزايش خواهد يافت. اخيرا در ساخت شيشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسيد روی استفاده شده است. استفاده از اين ماده علاوه بر افزايش کارآيی اين نوع شيشه­ها، عمر آن‌ها را نيز چندين برابر نموده­است .از نانوذرات همچنين در ساخت انواع ساينده‌ها، رنگ‌ها، لايه‌های محافظتی جديد و بسيار مقاوم برای شيشه‌ها، عينک‌ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی‌ها و در حفاظ‌های الکترومغناطيسی شيشه‌های اتومبيل و پنجره استفاده می‌شود. پوشش‌های ضد نوشته برای ديوارها و پوشش­های سراميکی برای افزايش استحکام سلول‌های خورشيدی نيز با استفاده از نانوذرات توليد شده‌اند.

وقتی اندازه ذرات به نانومتر می‌رسد يکی از ويژگی‌هايی که تحت تأثیر اين کوچک شدن اندازه قرارمی‌گيرد تأثیرپذيری از نور و امواج الکترومغناطيسی است. با توجه به اين موضوع اخيراً چسب‌هايی از نانوذرات توليد شده‌اند که کاربردهای مهمی در صنايع الکترونيکی دارند. نانولوله‌ها در موارد الکتريکی، مکانيکی و اپتيکی بسيار مورد توجه بوده‌اند. روش‌های توليد نانولوله‌ها نيز متفاوت می‌باشد، همانند توليد آن‌ها بر پايه محلول و فاز بخار يا روش رشد نانولوله‌ها در قالب که توسط مارتين[1] مطرح شد. نانولايه‌ها در پوشش‌های حفاظتی با افزايش مقاومت در خوردگی و افزايش سختی در سطوح و فوتوليز و کاهش شيميايی کاربرد دارند.

نانوذرات نيز به عنوان پيش­ماده يا اصلاح ساز در پديده های فيزيکی و شيميايی مورد توجه قرارگرفته‌اند. هاروتا[2] و تامسون[3] اثبات کردند که نانوذرات فعاليت کاتاليستی وسيعی دارند، مثل تبديل مونواکسيد کربن به دی اکسيد کربن، هيدروژنه کردن استيرن به اتيل بنزن و هيدروژنه کردن ترکيبات اولفيتی در فشار بالا و فعاليت کاتاليستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بين الکترود و الکتروليت ارتباط برقرار مي‌کنند [7].

4-1- مواد نانومتخلخل

مواد نانو متخلخل دارای حفره‌هايی در ابعاد نانو هستند و حجم زيادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکيل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ويژه) بسيار بالا، نفوذپذيری يا تراوايی[1] زياد،  گزينش­پذيری خوب و مقاومت گرمايی و صوتی از ويژگی‌های مهم آن‌ها می‌باشد. با توجه به ويژگی‎‌های ساختاری، اين به عنوان تبادل‌گر يونی[2]، جدا کننده[3]، کاتاليزور، حس‌گر، غشا[4] و مواد عايق استفاده می‌شود.

نسبت حجمي فضاي خالي ماده‌ي متخلخل به حجم كل ماده‌ تخلخل[5] ناميده مي­شود. به موادي كه تخلخل آن‌ها بين 2/0 تا 95/0 باشد نيز مواد متخلخل[6] مي‌گويند. حفره‌اي كه متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ي باز[7] نام دارد كه براي صاف كردن غشا، جداسازي[8] و كاربردهاي شيميايي مثل كاتاليزور و كروماتوگرافي[9] (جداسازي مواد با استفاده از رنگ آن‌ها) مناسب است. به حفره‌اي كه دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ي بسته[10] مي‌گويند كه وجود آن‌ها تنها سبب افزايش مقاومت گرمايي و صوتي و كاهش وزن ماده شده و در كاربردهاي شيميايي سهمي ندارد. حفره‌ها داراي اشكال گوناگوني همچون كروي، استوانه­اي، شياري، قيفي شكل و يا آرايش شش گوش[11] هستند. همچنين تخلخل‌ها مي‌توانند صاف يا خميده يا همراه با چرخش و پيچش باشند [7].

بر اساس دسته­بندی که توسط آيوپاک[12] صورت گرفته است، ساختار محيط متخلخل با توجه به ميانگين ابعاد حفره‌ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسيم­بندي مي­شوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:

الف) دسته بندي بر اساس اندازه­ي حفره:

– ميكرومتخلخل[13]: داراي حفره­هايي با قطر كمتر از 2 نانومتر.

– مزومتخلخل[14]: داراي حفره­هايي با قطر 2 تا 50 نانومتر.

– ماكرومتخلخل:[15] داراي حفره­هايي با قطر بيش از 50 نانومتر.

بر اساس شکل و موقعيت حفره‌ها نسبت به يکديگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته تقسيم می‌شود: حفره‌های راه به راه[1]، حفره‌های کور[2]، حفره‌های بسته[3] و حفره‌های متصل به هم[4] که در شکل (2-1) به صورت شماتيک اين حفره‌ها را نشان داده ­شده است.

بر اساس تعريف مصطلح نانوفناوري، دانشمندان شيمي در عمل نانو متخلخل[1] را براي موادي كه داراي حفره­هايي با قطر كمتر از 100 نانومتر هستند به كار مي‌برند كه ابعاد رايجي براي مواد متخلخل در كاربردهاي شيميايي است.

[1] Nanoporous

4 Closed pores

5 Inter-Connected pores

[1] Permeability

[2] Ion Exchanger

[3] Separator

[4] Membrane

[5] Porosity

[6] Porous

[7] Open Pore

[8] Filteration

[9] Chromatography

[10] Closed Pore

[11] Hexagonal

8 IUPAC

[13] Microporous

[14]Mesoporous

1 Microporous

2 Passing pores

3 Dead end pores

[1] Martin

[2] Haruta

[3] Thompson

[1] Colloidal

[2] Nucleation

[3] Spontaneous Nucleation

تعداد صفحه : 103

قیمت : 14700 تومان

———–

——-

پشتیبانی سایت :               serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  --