ویکی‌پدیا

مواد خودترمیم: تفاوت میان نسخه‌ها

نمایش تاریخچه به صورت تعاملی
→ تفاوت قدیمی‌ترتفاوت جدیدتر ←
محتوای حذف‌شده محتوای افزوده‌شده
دیداریویکی‌متن
جز v2.02b - پروژهٔ چک‌ویکی (دارای پیوندهای داخلی به صورت پیوند بیرونی)
برچسب: WPCleaner
جز جایگزینی با اشتباه‌یاب: ازاینرو⟸از این رو، واکنشپذیر⟸واکنش‌پذیر، وکامپوزیت⟸و کامپوزیت، درطراحی⟸در طراحی، دکتر⟸، اصلاحکننده⟸اصلاح‌کننده، ازکمپلکس⟸از کمپلکس، رفتارترمیم⟸رفتار ترمیم، آنن⟸آن، درترمیم⟸در ترمیم، ترمو ⟸ترمو، ازهمگسسته⟸از هم‌گسسته
خط ۱:
== مواد خود ترمیم شونده و مکانیزم های ترمیم خود به خودی ==
[[پرونده:Self-Healing-Polymer-DHM-Digital-Holographic-Microscopy-lyncee-Tosoh-Corporation.gif|بندانگشتی|اندازه گیری سه بعدی مواد خود ترمیم شونده از شرکت توسن با میکروسکوپ دیجیتال هولوگرافی.سطح توسط یک ابزار فلزی خراشیده شده است.]]
مواد خود اصلاح شونده به موادی گفته می شود که به صورت جزئی یا کامل آسیب وارده به خودشان مثل ترک را بهبود می بخشد و انتظار میرود که خواص اصلی آن ها حفظ شود<ref>دکتر نجمه نجم الدین، گلزار راغب، غزاله رحیمی، فاطمه صباغی - مواد خود اصلاح شونده و مکانیزم های ترمیم خو دبه خودی - دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، دانشکده مهندسی پزشک</ref>.
 
مواد خود ترمیم شونده به عنوان دسته‌ای از مواد هوشمند مطرح شده‌اند که به صورت خودکار، آسیب سطحی یا درونی آن‌ها ترمیم می‌شود.
خط ۲۹:
 
(ث) عدم تحرک پس از ترمیم.]]
استراتژی­ ها و رویکرد های مختلفی برای طراحی مواد خود اصلاح شونده در دسته­ های مختلف مواد مهندسی ، مورد بررسی قرارگرفته است. این مواد دارای خصوصیات ذاتی متفاوتی است؛ با این حال ، برای همه ­ی آن­ ها اصلاح خود به خودی بر اساس اصول مشترکی است. پیشنیاز اصلاح خود به خودی یک آسیب ( '''مکانیکی''' ) ، تشکیل یک فاز متحرک است که ترک موجود را ببندد (شکل 2). اگر آسیبی روی ماده ایجاد شود (شکل ۱الف و ب،) یک ترک به وجود می ­آید. ترمیم خود به خودی در سطح میکروسکوپی تا ماکروسکوپی اتفاق می افتد. در ابتدا با بروز آسیب، به صورت خود به خودی یا به وسیله یک محرک خارجی ، تشکیل فاز متحرک (شکل  2پ) تحریک می­ شود. سپس به دلیل انتقال مستقیم جرم به سمت محل آسیب و متعاقبا واکنش اصلاح موضعی ، به تدریج آسیب از بین می­ رود  (شکل 2ت) لازم به ذکر است که اتصال مجدد صفحات ترک با برهم­ کنش ­های فیزیکی و یا پیوند های شیمیایی صورت می گیرد. پس از ترمیم آسیب ، ماده ­ی متحرک قبلی مجدداً ثابت می شود و بازیابی کامل خصوصیات مکانیکی حاصل می شود (شکل ۱ث.) این اصل کلی ، محدود به یک دسته ی خاص از مواد نیست و با توجه به خواص مواد مختلف ، دمای مورد نیاز برای شروع فرایند متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال دمای محیط برای بتن دمای پایین (کمتر از  ۱٢۰درجه­ی سانتیگراد) برای پلیمرها (وکامپوزیتو کامپوزیت ­های آن­ها) دمای بالا برای فلزات (کمتر از ۶۰۰درجه سانتیگراد) و سرامیک ها (بیشتر از ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد) مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین ، ابعاد آسیبی که می­تواند ترمیم شود با توجه به ابعاد نمونه و تعداد گونه ­های انتقال یافته متفاوت است<ref name=":02" />.
 
=== تقسیم بندی مواد خود ترمیم شونده ===
خط ۴۰:
=== کامپوزیت های خود اصلاح شونده ===
[[پرونده:شکل 3.png|بندانگشتی|شکل 3 )الف) ایجاد ترک ب) آزاد شدن عامل اصلاح شونده پ و ت) روند بهبودی ث) نمونه اصلاحشده]]
کامپوزیت خود اصلاح شونده از یک ماده کامپوزیتی با زمینه پلیمری و ساختاری تقویت شده با الیاف و ماده اصلاح کننده تشکیل شده است. در این کامپوزیت ، یک عامل اصلاح کننده میکروکپسول شده و یک کاتالیزور شیمیایی جامد درون فاز زمینه پلیمری پراکنده شده است. فرایند اصلاح کنندگی با انتشار ترک به داخل میکرو کپسول ها آغاز میشود و سپس عامل اصلاحکنندهاصلاح‌کننده در داخل صفحه ترک آزاد میشود. ظاهر شدن عامل اصلاح کننده در برابر کاتالیزور شیمیایی باعث شروع شدن پلیمریزاسیون ( پلیمر سازی ) و اتصال صفحات ترک به یکدیگر می شود<ref name=":22" /><ref>Talrega, R. (ed.) Damage Mechanics of Composite Materials 139–241 (Elsevier, New York, 1994)</ref><ref>White SR, Sottos NR, Geubelle PH, Moore JS, Kessler MR, Sriram SR, Brown EN, Viswanathan S. Autonomic healing of polymer composites. Nature 2001; 409:794–7</ref>(شکل3) .
 
عامل اصلاح کننده، پوسته میکرو کپسول ، کاتالیزور شیمیایی ، زمینه پلیمری و الیاف تقویت کننده ،  بخش های اصلی یک کامپوزیت خود اصلاح شونده را تشکیل می دهند. عامل اصلاح کننده می تواند ، مونومر دی سیکلوپنتادین (  DCPD ) باشد که همراه با ترت بوتیل کته کول ( 100 – 200 ppm ) دارای لزجت کم و عمر مفید بسیار خوبی است. برای دست یافتن به میکرو کپسول های با قطر میانگین ( 116&nbsp;µm ) عامل اصلاح کننده به روش پلیمریزاسیون درجا در پلی اوره فرمالدهید، به صورت کپسولی در می آید. کاتالیزوری که استفاده می شود ، کلراید روتنیوم بنزیلیدین بیس (تری سیکلو هگزیل فسفین ) است (کاتالیزور گرابس) کاتالیزور گرابس یک پلیمریزاسیون مقابله ای حلقه گشا ( ROMP ) از ( DCPD ) را آغاز کرده و پلیمری سخت با اتصالات عرضی زیاد ایجاد می کند. تجزیه گرمایی کاتالیزور گرابس، در بالای ۱٢۰درجه سانتیگراد رخ میدهد<ref>Kessler MR. Characterization and performance of a selfhealing composite material. PhD Dissertation. University of Illinois at Urbana-Champaign; 2002.</ref><ref name=":32">M. M Caruso , D. A. Delafuente , V. Ho , N. R. Sottos , J. S. Moore , S. R. White , Macromolecules 2007 , 40 , 8830</ref>.
خط ۴۶:
=== پلیمرهای خود اصلاح شونده ===
[[پرونده:شکل 4.png|بندانگشتی|شکل 4) اصلاح خود به خودی با کمک میکرو کپسولها<ref name=":32" />]]
در حال حاضر ، در حوزه مواد خود اصلاح شونده، پلیمرها مهمترین کاربرد را دارند. علت این امر ناشی از سهولت عملکرد و اصلاح سیستم های پلیمری و امکان القای تحریک ترمیم در دماهای کمتر است. در این دسته از مواد ، ترمیم خود به خودی برونی به کمک عامل های ترمیم مایع صورت می گیرد. به این ترتیب که پس از ایجاد آسیب مکانیکی در نمونه، میکرو کپسول های پرشده با یک مونومر، محتویات خود را در محل ترک آزاد می سازند؛ سپس مونومرها در داخل صفحه ی ترک با کمک یک کاتالیزور به پلیمر تبدیل می شود و اتصال مجدد صفحات ترک به یکدیگر صورت می گیرد. اما مشکل این است که بازیابی عملکرد در نمونه فقط یکبار امکان پذیر است. به همین دلیل استفاده از سایر عامل های ترمیم، مثل حلال های خالص (کلروبنزن) <ref>B. J. Blaiszik , M. M. Caruso , D. A. McIlroy , J. S. Moore , S. R. White ,N. R. Sottos , Polymer 2009 , 50 , 990</ref> و نیز ترکیبی از مونومرهای واکنشپذیرواکنش‌پذیر <ref>C. Suryanarayana, K. Chowdoji Rao, D. Kumar, Progr. Org. Coatings 2008, 63, 72.</ref> روغن تخم برزک <ref>J. Yang, M. W. Keller, J. S. Moore, S. R. White, N. R. Sottos, Macromolecules 2008, 41, 9650</ref> ایزوسیانات <ref>S. H. Cho, H. M. Andersson, S. R. White, N. R. Sottos, P. V. Braun, Adv. Mater. 2006, 18, 997</ref> پلی دی متیل سیلوکسان و پلی دی اتیل سیلوکسان <ref name=":12" /> یا رزین های اپوکسی <ref>T. Yin , M. Z. Rong , M. Q. Zhang , G. C. Yang , Comp. Sci. Technol.2007 , 67 , 201</ref><ref>D. S. Xiao, Y. C. Yuan, M. Z. Rong, M. Q. Zhang, Polymer 200950, 2967</ref> مورد مطالعه قرارگرفته اند.
 
شکل 4 مفهوم خود اصلاح کنندگی را توضیح میدهد. اصلاح شدن با قرار دادن یک عامل اصلاح کننده ی میکرو کپسول شده و یک محرک شیمیایی کاتالیزوری در داخل یک زمینه اپوکسی انجام می شود. ترک ایجادشده میکرو کپسول ها را پاره می کند. درنتیجه عامل اصلاح کننده با اثر مویینگی ، در صفحه ترک آزاد می شود. پلیمر سازی عامل اصلاح کننده با تماس با کاتالیزور تعبیه شده شروع می شود و بین صفحات ترک ، پیوند و اتصال برقرار می کند. آسیب ایجادشده که باعث راه اندازی این مکانیزم می شود ، اصلاح خودکار محل تعیین شده را میسر میسازد<ref>X. Chen , M. A. Dam , K. Ono , A. Mal , H. Shen , S. R. Nutt , K. Sheran , F. Wudl , Science 2002 , 295 , 1698</ref>.
خط ۵۲:
امروزه سیستم های میکرو کپسول نیمه تجاری برای روکش های پلیمری و پلیمرهای حجیم در دسترس قرار دارد. عامل ترمیم می تواند در داخل فیبرهای توخالی ( [[الیاف شیشه]] ) قرار داده شود که درنتیجه امکان انتقال عامل با محدوده ی گسترده ای فراهم می شود. مطالعات اخیر نشان داده است که کپسولهای کروی یا فیبرهای استوانه ای برای دست یافتن به بازدهی بالا، در فرایند ترمیم سودمند است. ترمیم خود به خودی درونی در اکثر موارد نیازمند یک محرک خارجی هدفمند ( مخصوصاً حرارت ) است. اما سایر محرک ها نیز برای ترمیم پلیمرها به کار می روند. لازم به ذکر است که در کنار محرک های مکانیکی شناخته شده ، محرک های الکتریکی، الکترومغناطیسی ، مغناطیسی ، بالیستیک و نوری نیز وجود دارند. در ساده ترین مورد، ترمیم خود به خودی درونی با برهم کنش های فیزیکی حاصل می شود. به عنوان مثال حرارت دادن به پلیمرها، باعث شکل گیری جدید زنجیره ها شده و منجر به بسته شدن ترک می شود. برای آسیبی که شامل ایجاد شکاف در زنجیره های پلیمری است، ترمیم خود به خودی با تشکیل پیوندهای شیمیایی جدید حاصل می شود، ً مثلا پلی کربنات ها دارای گروه های انتهایی برای واکنش است، برای شبکه سازی حرارتی بازگشت پذیر با واکنش های دیلز آلدر <ref>X. Chen , F. Wudl , A. K. Mal , H. Shen , S. R. Nutt , Macromolecules 2003 , 36 , 1802</ref><ref>Y.-L. Liu , C.-Y. Hsieh , J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2006 , 44 , 905</ref>"<ref>E. B. Murphy , E. Bolanos , C. Schaffner-Hamann , F. Wudl , S. R. Nutt , M. L. Auad , Macromolecules 2008 , 41 , 5203</ref><ref>M. Wouters , Prog. Org. Coat. 2009 , 64 , 156</ref><ref>Y.-L. Liu , Y.-W. Chen , Macromol. Chem. Phys. 2007 , 208 , 224</ref><ref name=":42">• P. Cordier , F. Tournilhac , C. Soulié-Ziakovic , L. Leibler , Nature 2008 , 451 , 977</ref> و افزودنی های مایکل است<ref name=":42" /> اما عموما دماهای بالاتری ( بالاتر از  ۱۰۰درجه ی سانتیگراد ) برای فرآیند ترمیم خود به خودی مورد نیاز است. پلیمرهای ساختاری دینامیکی ( دینامرها ) که شامل اجزای مونومری که با اتصالات بازگشت پذیر به هم وصل می شود، دینامرها پتانسیل جالب توجهی را برای مواد خود اصلاح شونده ) مثلا در شبکه های پلیمری ) نمایان ساخت که در حال حاضر در دست بررسی است<ref name=":02" />.
[[پرونده:شکل 5.png|بندانگشتی|شکل 5 ) خصوصیات اصلاح خود به خودی یک پلیمر ابر مولکولی توسط لیبلر و همکارانش<ref name=":52">CNRS press release 21.02. 2008</ref>]]
در مقایسه با پیوندهای کووالانسی ، برهم کنش های ضعیف تری همچون پیوند هیدروژنی نیز در فرآیند ترمیم مواد خود اصلاح شونده ی درونی مورد توجه قرارگرفته است. اخیراً لیبلر و همکارانش پلیمر خود اصلاح شونده با ترمیم خود به خودی درونی شامل یک الیگومری ، الاستومر ترمو پلاستیکترموپلاستیک حاوی اسید های چرب و دی اتیلن آمین عامل دار شده با اوره را گزارش کرده اند<ref name=":52" /><ref name=":62">D. Montarnal , P. Cordier , C. Soulé-Ziakovic , F. Tournilhac , L. Leibler , J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2008, 46 , 7925</ref> در حین رخداد یک آسیب، ً عمدتا پیوندهای هیدروژنی ازهمگسستهاز هم‌گسسته می شود ولی به دلیل بازگشت پذیر بودن ، می تواند پس از تراکم ، سطوح بریده شده را بازسازی نماید<ref name=":52" /> ( شکل 5 ) مکانیزم ترمیم توسط پیوندهای هیدروژنی با روکش های آکزونوبل به عنوان روکش های ترمیم کننده خود به خودی مستقل نیز مشاهده شده است که قادر به هموارسازی سطح ، تحت تأثیر کمترین افزایش دما است.
 
علاوه بر پیوند های هیدروژنی فوق ،که عمدتا ازکمپلکساز کمپلکس فلزی یا برهم کنش های فلز لیگاند است ( مثل کمپلکس های فلز ترپیریدین ) برهم کنش های یونی و برهمکنش های π-π نیز درترمیمدر ترمیم خود به خودی مواد، مورد توجه قرارگرفته اند. این پیوندها مشابه یک بست و یا قلاب مولکولی عمل می کنند. به این صورت که با گسسته شدن پیوندهای شیمیایی (کووالانسی و غیر کووالانسی) در حین رخداد یک آسیب این پیوند قابلیت تشکیل مجدد رادارند<ref name=":02" />.
 
زمینه ی دیگر در حوزه مواد خود اصلاح شونده، '''مکانوشیمی''' است. تنش مکانیکی می تواند یک کاتالیزور را فعال کند و یک واکنش شیمیایی را القا نماید<ref name=":62" />.
خط ۷۵:
=== سرامیک ها و بتن های خود اصلاح شونده ===
[[پرونده:شکل 6.png|بندانگشتی|اصلاح خود به خودی ترک ها در روکش های محافظ در برابر اکسایش SIC/MOSI2 روی سرامیک های SIC]]
اخیرا ترمیم خود به خودی مواد بتنی هیدرولیکی هدف بسیاری از پژوهش های علمی بوده است. در یک بتن تخریب شده، آب به داخل ترک ها نفوذ می کند و تشکیل موضعی هیدرات ها را القا می کند که با توجه به فشار آب، مقدار Ph مورفولوژی ترک و عرض ترک باعث ترمیم ترک می شود. به طورکلی ، عرض ترک نقش مهمی را در فرآیند اصلاح خود به خودی ایفا می کند. به همین دلیل ، کامپوزیت های سیمانی مهندسی  ( ECC ) ساخته شده اند که عرض ترک را حتی در کرنشهای بسیار بالا در مقادیر کمتر از  60 میکرومتر کنترل می کنند درطراحیدر طراحی بتن های خود اصلاح شونده از باکتری ها نیز استفاده شده است. دراین روش که الهام گرفته از طبیعت است، باکتری ها در بتن بدون تحرک می شوند و در صورت نفوذ آب به داخل ترک های جدید ، فعال شده و مواد معدنی را ته نشین می کنند<ref name=":02" /> در مقایسه با بتن ، اطلاعات کمی درباره ی فرآیند های بازسازی مواد سرامیکی مهندسی ترک دار در دسترس است. در سرامیک ها، دماهای بسیار بالای موضعی ، برای ترمیم مورد نیاز است. علت این امر انرژی فعالسازی بالای انتقال جرم نفوذی در ساختارهای کووالانسی یا یونی سرامیک ها ( مثل کامپوزیت SiC/Al<sub>6</sub>Si<sub>2</sub>O<sub>13</sub>  ) است. واکنش ترمیم ، از مرز و سطح دانه در نقاط تماس با ناحیه ی ترک آغاز می شود. به علاوه ، اکسایش فازهای غیر سمی در اتمسفر اکسید شونده مانند هوا ، یک مکانیزم ترمیم مؤثر دیگر در حوزه مواد سرامیکی است. همچنین، در مواد چند جزئی و چند فازی تشکیل یک ماده ی مذاب یوتکتیک (انتقال فاز  ) به عنوان مکانیزم های ترمیم احتمالی مطرح است اکثر فعالیت های صورت گرفته در زمینه ی ترمیم خود به خودی مواد سرامیکی در دماهای بالا صورت گرفته است. به عنوان مثال ، یک فاز شیشه ای حاوی کامپوزیت Si3N4/SiCدر دمای  ۱۰۰۰درجه سانتیگراد ترمیم می شود که افزایش قابل توجه استحکام خستگی استاتیکی و دینامیکی را نیز به همراه دارد. مثال دیگر ، روکش های حفاظت از خوردگی روی سرامیک های  SiCاست که در آن ها فرایند خود اصلاح شوندگی از طریق مکانیزم اکسایش صورت میگیرد. به این صورت که حرارت ناشی از احتراق ، واکنش ترمیم را آغاز می کند و در طی این فرایند یک پرکننده ی واکنش پذیر   SiOC/MoSi2در ماتریس  SiOCبا نفوذ اکسیژن دچار اکسایش می شود و به موجب آننآن SIO2 تشکیل شده و ترک را به صورت کامل می بندد ( شکل 5 ).
 
=== فلزات خود اصلاح شونده ===
خط ۱۲۹:
 
=== کاربردهای مواد خود اصلاح شونده ===
در حین استفاده ، همه ی مواد طبیعی و سنتزی آسیب می بیند. اگر میزان آسیب از یک مقدار بحرانی فراتر رود، شکست قطعه و نهایتا کاهش عملکرد دستگاه رخ می دهد. در مقابل، مواد خود اصلاح شونده می توانند روند گسترش آسیب را معکوس کند و از این رو قادر به افزایش طول عمر محصولات خواهند بود ( مدیریت آسیب ) مواد خود اصلاح شونده تا حد زیادی قابلیت اطمینان محصولات را افزایش می دهند. به علاوه ، ً افزایش طول عمر اجزای اساسی مثلا در تولید انرژیهای جایگزین (بادی ، حرارت خورشیدی،) در کاربردهای جدید نوری مثل  LED و یا ایمپلنت های پزشکی می تواند نقش مهمی در بهینه سازی بازده اقتصادی داشته باشد. مثلا می توان طول عمر استنت ها را به کمک این مواد به مقدار قابل توجهی افزایش داد و ازاینرواز این رو هزینه های درمانی نیز به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. مواد خود اصلاح شونده در صنایع هوافضا و خودروسازی می توانند هزینه های انرژی و زیست محیطی را کاهش دهند.
 
=== نتیجه گیری ===
آسیب های ساختاری به کمک مواد اصلاح شونده قابل اصلاح یا ترمیم است به تبع آن خصوصیات مکانیکی نیز تا حدی بازیابی می شود. در این گزارش به بررسی رفتارترمیمرفتار ترمیم خود به خودی در انواع مواد پرداخته شده است. اصول و مکانیزم عملکرد مواد کامپوزیتی و پلیمری در فرایند اصلاح خود به خودی بسیار نزدیک به هم است. امکان انجام ترمیم خود به خودی در کامپوزیت ها و پلیمرها نسبت به فلزات یا سرامیک ها بیشتراست که این امر ناشی از ساختار مولکولی ویژه ی پلیمرها و کامپوزیت ها در محدوده دمایی کاربرد آنها است. لازم به ذکر است که درزمینه ترمیم خود به خودی چالش های دیگری نیز مطرح است. مثلا توسعه ی مواد خود اصلاح شوندهای که قادر به بازیابی سایر خصوصیات مانند رسانایی ، رنگ ، فلوئورسنس پس از تخریب مکانیکی و یا سایر اثرات منفی ( نور شدید ، حرارت و سایر موارد ) است. چالش هایی نیز درزمینه ی سیستم های نانو وجود دارد مثل نانو مواد فتونی متامواد.) این سیستم ها به دلیل نسبت سطح به حجم بالا بیشتر در معرض آسیب قرار می گیرند.
 
=== منابع ===
برگرفته از «https://fa.wikipedia.org/wiki/مواد_خودترمیم»