دانلود پایان نامه ارشد درمورد قرن نوزدهم، خانواده ها، استاندارد

ذخیره انرژی
کاربرد گرافن در بخش انرژی نیز قابل توجه است. تلاش‌ها برای استفاده از این ماده جهت ساخت خازن‌های پرقدرت با قابلیت ذخیره و انتقال جریان الکتریسیته آغاز شده‌است. هم‌اکنون نیز بعضی از شرکت‌هایی که در ساخت محصولات الکترونیکی ویژه از نانولوله‌های کربنی استفاده می‌کنند، در حال روی آوردن به گرافن هستند. نمونه‌ای از این محصولات الکترونیکی ویژه، لباس‌هایی هستند که می‌توان آن‌ها را پوشید و در صورت نیاز تجهیزات الکتریکی را با آن‌ها شارژ کرد. همچنین از ترکیب گرافن و آب برای ذخیره انرژی استفاده می کنند. آب، سبب خیس نگهداشتن گرافن (به شکل ژل) می شود و یک نیروی دافعه میان ورقه‌های منفرد ایجاد کرده و با جلوگیری از اتصال دوباره این ورقه‌ها به یکدیگر، امکان استفاده از این ماده را در کاربردهای واقعی ایجاد می‌کند. کارایی ژل گرافنی در ابزارهای ذخیره انرژی هم از نظر میزان بار قابل ذخیره‌سازی و هم از نظر زمان رهایش این بار بسیار بهتر از فناوری دیگر مبتنی بر کربن بود. دکتر دان لی، استاد دانشکده مهندسی مواد دانشگاه موناش به همراه همکارانش روی گرافن کار کرده‌اند؛ این ماده می‌تواند مبنایی برای تولید نسل بعدی سامانه‌های بسیار سریع ذخیره انرژی باشد. وی می‌گوید: «اگر بتوانیم این ماده را به‌ درستی دستکاری کنیم، به‌طور مثال آیفون شما می‌تواند در عرض چند ثانیه و یا حتی کمتر شارژ شود».
1-6-4-تجهیزات نوری ،سلول های خورشیدی و نمایشگرهای لمسی انعطاف پذیر
  گروهی از پژوهشگران دانشگاه کمبریج اظهار داشتند مزیت اصلی گرافن در این است که می‌تواند نور و الکتریسیته را از خود عبور دهد. این ویژگی‌ها در کنار مزایایی مانند استحکام و انعطاف‌پذیری باعث می‌شود تا استفاده از آن به افزایش بازده سلول‌های خورشیدی و لامپ‌هایLED بیانجامد، مضاف بر این‌که در ساخت تجهیزات نسل جدید از جمله نمایشگرهای لمسی، نوریاب‌ها و لیزرهای فوق‌ سریع نیز سودمند خواهد بود. امروزه روش‌های بسیار متنوعی برای ساخت گرافن بکار برده می‌شود که از متداول‌ترین آنها می‌توان به روش ‌های پوسته پوسته کردن میکرومکانیکی، روش رشد همبافته، رسوب بخار و روشهای شیمیایی را نام برد. برخی روش های دیگری همانند شکافتن نانو لوله های کربنی برای تولید نانوشیمیایی نوارهای گرافن و ساخت با امواج ماکرویو نیز اخیراً بکار برده شده اند. گرافن در حالت ایده آل یک ساختار کاملا دو بعدی است؛ نانو ساختاری تک لایه از اتم های کربن که با پیوندهای کووالانسی به هم وصل شده اند و یک شبکه شش ضلعی کاملاً مسطح پدید آورده اند.
1-7- روشهای تولید گرافن
گرافن و گرافن تغییر یافته‌ى شیمیایى یا به ‌عبارت دیگر، مشتقات شیمیایى گرافن، گزینه‌هاى بسیار مناسبى براى کاربردهاى مختلفى همچون مواد ذخیره‌کننده‌ى انرژى، مواد شبه ‌کاغذ، کامپوزیت‌هاى پلیمرى، ابزارهاى بلور مایع و نوسانگرهاى مکانیکى به‌ شمار می‌روند. تاکنون، روش‌هاى مختلفى براى تولید گرافن از گرافیت و مشتقاتش ابداع شده ‌است که هر یک، مزایا و محدودیت‌هایی دارند. در ادامه، به برخی از این روش‌ها اشاره می‌شود:
1-7-1 – لایه لایه کردن میکرومکانیکی گرافیت
این روش که به نام نوار اسکاتلندی یا روش پوست کنی نیز معروف است ، ادامه ی کارهای قبلی در زمینه لایه لایه کردن میکرومکانیکی گرافیت الگودهی شده بود. این روش منجر به تولید مقدار اندکی گرافن می شود که می تواند در مطالعات بنیادی مورد استفاده قرار گیرد.
1-7-2-تولید گرافن از اکسید گرافیت
از قرن نوزدهم که اکسید گرافیت برای اولین بار تهیه شد، برای تولید این ماده، عمدتاً از روش های Brodie ، Staudenmeierو Hummer استفاده شده است. هر سه روش مذکور، شامل اکسید کردن گرافیت در حضور اسیدها و اکسیدکننده های قوی است. به رغم تحقیقات زیادی که برای روشن کردن ساختار اکسید گرافیت انجام شده است، همچنان چندین مدل در مقالات، مورد بحث واقع می شود. برای نمونه در شکل(1-11)، شمای کلی از فرایند Hummeبه تصویر کشیده شده است.
(شکل1-11):شمای کلی از فرآیند Hummers
در (شکل 1-11)، روش Hummers و نهایتاً، کاهش حرارتی نشان داده‌شده‌است. به‌طور خلاصه، در این فرآیند، ابتدا گرافیت به‌صورت حجمی در آب اکسید شده و لایه‌های آن، از هم جدا می‌شوند و در نهایت با حرارت کاهش یافته و گرافن تک‌لایه حاصل می‌گردد. همان‌طور که بیان‌ شد اکسید گرافیت، به‌عنوان پیش ‌ماده برای تولید گرافن در این فرایند درنظر گرفته ‌می‌شود. چون اکسید گرافیت ساختاری لایه‌اى شکل ازجنس ورقه‌هاى اکسید گرافن دارد که بسیار آب‌ دوست است، مولکول‌هاى آب، به ‌راحتى مى‌توانند در بین این صفحات وارد شوند. شایان ذکر است که می‌توان با استفاده از امواج ماورای صوت (شکل 1-12) و به‌ هم ‌زدن شدید مخلوطی از اکسید گرافیت و آب به مدت طولانی، این ماده را کاملاً لایه‌لایه و یک مخلوط معلق کلوئیدی آبی از ورقه‌های اکسید گرافن تولیدکرد. همچنین، در(شکل 1-13)، می‌توان نمایی کلی از مراحل فرآیند تولید گرافن از گرافیت را مشاهده نمود.
(شکل 1-12):امواج ماورای صوت
(شکل 1-13):نمایی کلی از مراحل تولید گرافن از گرافیت
در (شکل 1-14)، تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی19 از صفحات انباشته‌شده و کاهش‌یافته‌ی اکسید گرافیت، ارائه شده‌است.
19.SEM
(شکل 1-14): تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی19 از صفحات انباشته‌شده و کاهش‌یافته‌ی اکسید گرافیت،
1-7-3-تولید گرافن از مشتقات دیگر گرافیت
گرافیت با ترکیبات جوف گذاری شده و گرافیت های بسط20 که نوع خاصی از ترکیبات لایه دار گرافیتی هستند، به عنوان ماده ی21 پذیر اولیه در در ساخت سوسپانسیون های کلوئیدی از ورقه های گرافن تک لایه ای، مورد استفاده قرار گرفته اند. به شکل ایده آل استفاده از گرافیت، ترکیبات لایه دار گرافیت و گرافیت های بسط پذیر، امکان تولید سوپانسیونی از ورقه های گرافنی با کیفیت بالا، تقریباً گرافن خالص را ایجاد کند.
1-7-4-تولید ورقه های گرافن به روش سنتز الکتروشیمیایی
سنتز الکتروشیمیایی ورقه های گرافن ،یک فرآیند تک مرحله ای است. در این فرآیند، از دو میله که از جنس گرافیت با خلوص بالا هستند، به عنوان الکترود استفاده شده است سپس الکترودها را در یک سلول الکتروشیمیایی و در الکترولیتی که حاوی یک محلول یونی و آب است، غوطه ور می سازند که در شکل (1-15) سمت چپ می توان نمونه ای از این سلول الکتروشیمیایی را ملاحظه نمود.
20.intercalation compound graphite
21.expandable graphite
(شکل1-15): سلول الکتروشیمیایی
از سمت چپ به راست، به‌ترتیب: سلول الکتروشیمیایی تولید گرافن، ورقه‌های گرافن از آند گرافیتی و اصلاح‌شده از واکنش شیمیایی، عکس گرافن به‌دست‌آمده از میکروسکوپ الکترونی عبوری22 به‌عنوان محصول این فرآیند، به‌طول و عرض 700 و 500 نانومتر و ضخامت کمتر از 1/1نانومتر.
در (شکل 1-16) نمونه‌ای از الگوی آزمایشگاهی سلول الکتروشیمیایی برای تولید گرافن، نشان داده‌ شده ‌است. در سمت راست سلول الکتروشیمیایی نشان‌ داده‌ شده، محصول به‌دست ‌آمده از این سلول، به ‌نمایش گذاشته شده‌ است.
شکل (1-16): نمونه‌ای از الگوی آزمایشگاهی سلول الکتروشیمیایی برای تولید گرافن
22.TEM
1-8-دگر شکل های کربن(آلوتروپ ها)
1-8-1-الماس
الماس یکی از سنگ‌های قیمتی و یکی از آلوتروپ‌های کربن است که در فشارهای بالا پایدار است. آلوتروپ دیگر کربن گرافیت نام دارد. الماس در حالت پایدار دارای ساختار بلند روی (مکعبی) است. الماس ساختار منشوری نیز دارد که این ساختار بصورت شبه ‌پایدار در طبیعت به صورت کانیلونسدالنیت وجود دارد. در شکل (1-17) ساختار مکعبی الماس نشان داده شده است.
شکل (1-17): ساختار مکعبی الماس
1-8-2-گرافیت
گرافیت یکی از آلوتروپ‌های کربن است که به جهت نرم بودن و رنگ سیاهش در ساخت نوک مداد مورد استفاده قرار می‌گیرد. گرافیت ساختار لایه-لایه داشته و از قرار گرفتن ۶ اتم کربن به صورت ۶ ضلعی منظم پدید آمده است. این اتم‌ها با پیوند کوالانسی به هم متصلند و نمی‌توانند با کربنی خارج از این لایه پیوند کوالانسی تشکیل دهند، بنابراین یک لایه گرافیت از طریق پیوند واندروالس -که پیوند ضعیفی است- به لایه‌های زیرین متصل است. این خاصیت سبب می‌شود لایه‌های گرافیت به راحتی به روی هم بلغزند. به همین دلیل از این ترکیب برای «روان کاری» و «روغن کاری» استفاده می شود. از گرافیت به عنوان الکترودهای کوره، روان کننده، ماده نسوز، قطعات الکتریکی، رنگ‌ها، فولادهای پرکربن، چدن‌ها، مداد گرافیتی استفاده می‌شود.شرایط استاندارد است.در ( شکل 1-18) کانی گرافیت نشان داده شده است.
( شکل 1-18):کانی گرافیت
1-8-3-فولرن
فولرن23 یکی از دیگر شکل‌های مصنوعی عنصر کربن است که از گرما دادن به گرافیت ساخته می‌شود. به جهت شباهت شکل آن به توپ فوتبال، به آن باکی بال24 نیز می‌گویند شکل(1-19). فولرن خود انواع گوناگون و متعددی دارد و می‌تواند به صورت کره، بیضی‌گون، یا استوانه باشد.
«کروتو» و«کرل» را به عنوان کاشفان فولرن می‌شناسند. در سال ۱۹۹۰ ولفگانک25و دانوالد هافمن26 و همکارانش توصیفی از نخستین روش عملی C60 ارائه دادند. واژه ی فولرن از نام «باکمینستر فولر» که طراح گنبدهای ژئودزیک بود گرفته ‌شده‌ است.
23.Fullerene
24.BuckyBall
25.Wolfgang Kratschmer
26.Donald Huffmann
1-8-3-1-فولرن باکمینستر
فولرن باکمینستر27 یک مولکول کروی با فرمول ۶۰C است[25]. این ماده اولین بار در سال ۱۹۸۵ توسط هارولد کروتو، جیمز هلت، شاون اٌبرین، رابرت کارل و ریچارد اسمالی در دانشگاه رایس ایالت تگزاس تهیه شد[20]. کروتو، کارل و اسمالی در سال ۱۹۹۶ برای کشف فولرن باکمینستر و دسته‌بندی اطلاعات درباره آن جایزه نوبل شیمی را دریافت کردند. به افتخار باکمینستر فولر، سازنده گنبد ژئودزیک نام این ماده‌ی شیمیایی را فولرن باکمینستر گذاشتند؛ از آن جهت که ساختار این مولکول شباهت زیادی به گنبد ژئودزیک دارد. باکمینستر اولین فولرنی بود که کشف شد و فراوان‌ترین فولرن در طبیعت نیز هست؛ چرا که به مقدار بسیار کمی در دوده یافت می‌شود[ 27-25].
(شکل 1-19):توپ باکی فولرن 60C
1-8-3-2- نانولوله های کربنی
نانولوله‌های کربنی‌ که از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانه‌ای توخالی ساخته شده ‌است در سال ۱۹۹۱ توسط سامیو ایجیما کشف شد. خواص ویژه و منحصر به فرد آن از جمله مدول یانگ بالا و استحکام کششی خوب از یک طرف و طبیعت کربنی بودن نانولوله‌ها (به خاطر این که کربن ماده‌ای است کم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایندها که نسبت به فلزات برای تولید ارزان‌تر می‌باشد)(شکل1-20) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در کارایی و پرباری روش‌های رشد نانولوله‌ها باشد.
27.Buckminsterfullerene
(شکل1-20): تصویر سه بعدی از یک لوله کربنی
1-8-4-الیاف کربن
الیاف کربن [28] یکی از مهم ترین خانواده های الیاف پیشرفته است که استحکام بسیار بالا (بین 7 تا 10 برابر فولاد ساختمانی بسته به گرید الیاف)، چگالی پایین(حدود دو سوم آلومینیوم)، رسانایی الکتریکی بسیار خوب، قابلیت بافت و تولید پارچه (شکل1-21) ، ساخت کامپوزیت های سبک و مستحکم و پایداری در برابر حرارت آن را از سایر مواد مهندسی متمایز می سازد. مواد اولیه ای که در تولید الیاف کربن به کار می رود، الیاف اکریلیک ویژه(تولید شده با هدف

مطلب مشابه :  دانلود پایان نامه با موضوعACT