هدایت حرارتی نانولوله‏های کربنی-قسمت دوم

[parisa]

• مقدمه:
  در مقاله‏ی قبلی در مورد خواص هدایت حرارتی نانولوله‏های کربنی صحبت کردیم و برخی بررسی‏های انجام شده توسط دانشمندان را بیان نمودیم. در این مقاله با بیان چند مثال از کاربرد نانولوله‏های کربنی در بهبود خواص حرارتی نانوکامپوزیت‏ها موضوع را ادامه می‏دهیم.
• خاصیتی به نام هدایت حرارتی:
  انتقال انرژی و به طور خاص، انتقال حرارت یکی از مباحث بسیار جذاب در علوم و مهندسی است. دانشمندان نظریه‏های مختلفی را برای تشریح چگونگی انتقال حرارت در مواد مطرح می‏کنند. تحقیقات دانشمندان در زمینه‏های کاملا متفاوتی بوده و عده‏ای برای تولید موادی با هدایت حرارتی بسیار بالا و عده‏ای دیگر برای تولید مواد عایق در برابر هدایت حرارتی تلاش می‏کنند. هر یک از این مواد می‏تواند کاربردهای گسترده‏ای در صنایع مختلف داشته باشد. امروزه و با گسترش علم مربوط به مواد نوین و به خصوص پیشرفت نانوکامپوزیت‏ها، ایده‏های زیادی برای تولید موادی با خواص هدایت حرارتی جدید به وجود آمده‏اند.

پرسش 1: آیا می‏توانید کاربردهایی را برای مواد عایق حرارت نام ببرید؟ در مورد موادی که هدایت حرارتی بالایی دارند، چه مصارفی را می‏شناسید؟​

رسانایی حرارتی بالای نانولوله‏های کربنی می‏تواند برای برخی کاربردهای مدیریت حرارتی مفید باشد. مانند تخلیه‏ی حرارت پردازنده‏های سیلیکونی و افزایش رسانایی حرارتی پلاستیک‏ها برای کاربرد در موتورهای الکتریکی. امروزه برای خنک کردن پردازنده‏های رایانه‏ای بعضا از سامانه‏های مختلفی از قبیل سامانه‏های آب‏گرد استفاده می‏شود. اما ایده‏ای که مدت‏هاست مطرح شده است، استفاده از موادی نوین برای بسته‏بندی روی پردازشگرهاست که قابلیت تخلیه‏ی حرارتی بالایی داشته باشند.

پرسش 2: در مقاله‏ی پیش رو، اعداد و ارقامی را بررسی خواهیم کرد که در آزمایشگاه‏ها و توسط ابزارهایی خاص، در مورد میزان هدایت حرارتی اجسام به دست آمده‏اند. بنابراین پیش از شروع این مبحث، لازم است تا در مورد نحوه‏ی اندازه‏گیری میزان هدایت حرارتی مواد اطلاعاتی را داشته باشیم. آیا روش‏های بررسی این خصوصیت ماده را می‏دانید؟

• نانولوله‏های کربنی و بهبود هدایت حرارتی کامپوزیت‏ها

1- کامپوزیت‏های زمینه‏ی پلیمری
گروه‏های زیادی از دانشمندان خواص کامپوزیت‏های اپوکسی / نانولوله‏ی کربنی را بررسی کرده‏اند. اپوکسی دسته‏ای از مواد پلیمری هستند که کاربردهای زیادی در صنایع مختلف دارند. خواص حرارتی این مواد به تازگی مورد توجه ویژه قرار گرفته است. دانشمندی به نام بیرکوک و همکارانش توانستند نانولوله‏های کربنی را داخل زمینه‏ی اپوکسی پراکنده کنند و با موفقیت، کامپوزیت اپوکسی / نانولوله‏ی کربنی را بسازند. آن‏ها سپس رسانایی حرارتی اپوکسی تقویت شده با نانولوله را اندازه‏گیری کرده‏اند و پس از مطالعه‏ی نتایج آزمایش‏هایشان، به این نتیجه رسیدند که افزودن نانولوله‏های کربنی تا یک درصد از وزن کل ماده می‏تواند بهبود چشمگیری در هدایت حرارتی کامپوزیت حاصل ایجاد نماید. این دانشمندان هم‏چنین با ساختن کامپوزیت اپوکسی / الیاف کربنی و بررسی هدایت حرارتی آن، مقایسه‏ای را بین نانولوله‏های کربنی و الیاف کربنی انجام دادند. در شکل 1، تاثیر میزان تقویت کننده و نوع آن را بر هدایت حرارتی رزین اپوکسی مشاهده می‏کنید.

شکل 1- مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده برای یک نانولوله‏ی کربنی تک دیواره در دماهای مختلف​

افزودن 1% وزنی نانولوله‏ی کربنی رسانایی حرارتی اپوکسی را بیش از دو برابر می‏کند در حالی‏که همین مقدار از الیاف کربنی رسانایی حرارتی را تنها 40% افزایش می‏دهد. بنابراین نانولوله‏های کربنی قابلیت زیادی برای بهبود خواص حرارتی پلیمرها و در نتیجه توسعه‏ی کامپوزیت‏ها برای کاربردهای مدیریت حرارتی دارند.

پرسش 3: در نمودار شکل 1 مشاهده می‏کنید که میزان بهبود در رسانایی حرارتی کامپوزیت حاصل از افزودن نانولوله‏های کربنی همیشه روند افزایشی نداشته است. بلکه در مقدار برابر با نیم درصد وزنی (wt%5/0) کاهش یافته است. به نظر شما چرا چنین اتفاقی رخ داده است؟​

پرسش 4: در مورد کاربردهای حرارتی اپوکسی مطالعه کنید و بگوئید قابلیت افزایش هدایت حرارتی اپوکسی در چه زمینه‏هایی می‏تواند موجب ایجاد تحول گردد و چه محصولات جدیدی را می‏توان از نتایج آتی این پژوهش متصور شد؟​

2- کامپوزیت‏های زمینه‏ی سرامیکی
گروهی از محققین یک جریان گاز حاوی استیلن (C[SUB]2[/SUB]H[SUB]2[/SUB]) را از روی بستری از نانوذرات آلومینا (Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]) که روی سطح پخش شده بودند، عبور دادند. در نتیجه‏ی فرآیند CVD یا همان رونشانی شیمیایی از فاز بخار، نانولوله‏های کربنی بر روی این نانوذرات رشد کردند. این محققین، سپس با روشی ویژه، این پودرهای نانوکامپوزیتی را به هم فشرده کردند و نانوکامپوزیت Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]/CNT (آلومینا / نانولوله‏ی کربنی) را تولید نمودند و در نهایت خواص هدایت حرارتی نانوکامپوزیت حاصل را بررسی کردند. نتایج اندازه‏گیری‏های این محققین در شکل 2 نشان داده شده است. در این نمودار نتایج آزمایش‏های انجام گرفته بر روی آلومینای خالص نیز گزارش شده است تا بتوان مقایسه‏ی قابل درکی از دو ماده‏ی تقویت شده با نانولوله‏ کربنی و تقویت نشده انجام داد. نکته‏ای که لازم است به آن توجه داشته باشید، این است که برای داشتن مقایسه‏ای قابل قبول میان دو ماده‏ی مورد بررسی که از نظر ترکیب با یکدیگر تفاوت دارند، باید روش ساخت یکسانی را در نظر گرفت. زیرا در غیر این صورت عوامل دیگری نیز به وضوح بر خواص ماده‏ی حاصل تاثیر می‏گذارند و دیگر نمی‏توان تفاوت خواص را تنها به تفاوت ترکیب‏های دو ماده‏ی مورد آزمایش نسبت داد و بنابراین نتایج قابل استناد نخواهند بود.

شکل 2- تغییرات میزان هدایت حرارتی بر حسب دما، برای کامپوزیت آلومینا / نانولوله‏ی کربنی و برای آلومینای خالص که هر دو به یک روش تولید شده‏اند.​

در اینجا مشاهده می‏شود که هدایت حرارتی این نانوکامپوزیت‏ها بسیار بیشتر از آلومینای خالص می‏باشد. برای مثال هدایت حرارتی نانوکامپوزیت آلومینای حاوی 7/39 درصد وزنی نانولوله در دمای 100 درجه ی سانتی‏گراد معادل با W/mk 90/44 میرباشد که در مقایسه با آلومینای خالص 227% افزایش نشان داده است. این مقدار در دمای 250 درجه ی سانتی‏گراد برابر با W/mk 60/98 بوده که 169% رشد را نسبت به زمینه (آلومینا) نشان داده است و در دمای 300 درجه‏ی سانتی‏گراد، با 218% رشد نسبت به آلومینای خالص، به W/mk 63/.52 می‏رسد.

پرسش 5: در مورد کاربردهای حرارتی آلومینا (Al[SUB]2[/SUB]O3) مطالعه کنید و بگوئید قابلیت افزایش هدایت حرارتی آلومینا در چه زمینه‏هایی می‏تواند موجب ایجاد تحول گردد و چه محصولات جدیدی را می‏توان از نتایج آتی این پژوهش متصور شد؟​

اطلاع از خواص هدایت حرارتی بی‏نظیر نانولوله‏های کربنی دانشمندان را بر آن داشت تا تاثیر این خصوصیت را در کامپوزیت بررسی کنند. همان‏گونه که مشاهده شد، افزودن نانولوله‏های کربنی به دیگر مواد می‏تواند بهبود چشمگیری در رسانایی حرارتی این مواد ایجاد کند. اما این ویژگی عالی تنها در کامپوزیت‏ها نمود پیدا نمی‏کند.