فهرست مطالب:

چکیده ………………………………………………………………………………………………………… 1

فصل اول: مقدمه……………………………………………………………………………………………  2

فصل دوم: مروری بر تئوری ها و تحقیقات انجام شده …………………………………………………  4

2-1- مقدمه …………………………………………………………………………………….  4

2-2- کامپوزیت ها………………………………………………………………………………………… 7

2-2-1- مزایای استفاده از مواد کامپوزیت …………………………………………………………….  9

2-2-2- تاریخچه صنعت کامپوزیتها ………………………………………………………………………  9

2-3- نانو کامپوزیت ها …………………………………………………………………………….  10

2-3-1- طبقه بندی نانو کامپوزیت ها ………………………………………………………………….  11

2-3-2- سیلیکات های لایه ای …………………………………………………………………………..  12

2-3-3- ساختار نانو کامپوزیت …………………………………………………………………………..  15

2-3-4- خواص مکانیکی ………………………………………………………………………………….  17

2-3-5- نانو کامپوزیت های پلیمری ……………………………………………………………………  18

2-4-تعریف و طبقه بندی کاربیدها …………………………………………………………………….  19

2-5-کاربید سیلیسیم ……………………………………………………………………………..  20

2-5-1-مقدمه ……………………………………………………………………………………………  20

2-5-2-مشخصات عمومی کاربید سیلیسیم …………………………………………………………  21

2-5-3-ساختار و ترکیب کاربید سیلیسیم ……………………………………………………………  21

2-5-4-انواع کاربید سیلیسیم …………………………………………………………………………  22

2-5-4-1-کاربید سیلیسیم نوع بتا () ………………………………………………………………  22

2-5-4-2-کاربید سیلیسیم نوع آلفا () ………………………………………………………….  22

2-5-5- پایداری انواع مختلف SiC بلوری …………………………………………………………  23

2-5-6- وضعیت گذشته و فعلی کاربید سیلیسیم ………………………………………………….. 24

2-5-7- خلاصه ای از خواص SiC  …………………………………………………………………. 

2-5-8- برخی کاربرد های SiC ……………………………………………………………………….. 

2-5-8-1- کاربرد به عنوان ساینده ……………………………………………………………  26

2-5-8-2- دیر گدازها و المنت های کوره ………………………………………………….  26

2-5-8- 3- کاربردهای الکترونی و نوری……………………………………………………. 27

2-5-8-3-1- نیمه هادی کاربید سیلیسیم …………………………………………….  28

2-5-8-3-2- کاربرد در صنعت IC …………………………………………………… 

2-6- شیشه ……………………………………………………………………………………….  28

2-6-1-تاریخچه شیشه …………………………………………………………………………..  28

2-6-2-تعریف شیشه …………………………………………………………………………….  29

2-7- اکسید سریم ………………………………………………………………………………..  30

2-7-1- کاربردهای اکسید سریم ………………………………………………………………..  31

2-8- اکسید سیلیسیم ………………………………………………………………………..  32

2-9- ابزارهای برشی و سایند ها ……………………………………………………………  33

2-9-1- ابزارهای برشی ………………………………………………………………………….  33

2-9-2- ساینده‌ها ………………………………………………………………………………..  35

2-10-ترکیب پولیش پایه سریم و فرایند آماده سازی آن ……………………………………….  38

2-11- مشخصات اکسید سریک ………………………………………………………………..  39

2-12- فرایند آماده سازی ترکیب …………………………………………………………….  40

2-13- ابزارهای ساینده سرامیکی پیوند داده شده …………………………………………  42

2-13-1- مقدمه ……………………………………………………………………………..  42

2-13-2- فرایند تولید ……………………………………………………………………………..  42

2-13-3- هدف از تولید ساینده های سرامیکی ……………………………………………………  43

2-13-4- روش ساخت ترکیبات ………………………………………………………………………..  43

فصل سوم: روش تحقیق ………………………………………………………………………………  44

3-1- مواد اولیه ……………………………………………………………………………………….  44

3-1-1- اکسیدسریم ……………………………………………………………………………  44

3-1-2- کاربیدسیلسیم …………………………………………………………………………….  45

3-1-3- نانوسیلیس ………………………………………………………………………………..  45

3-1-4- افزودنی ها …………………………………………………………………………………….  46

3-2- تجهیزات آزمایشگاهی ………………………………………………………………………..  46

3-2-1- هیتر ……………………………………………………………………………………..  46

3-2-2- کوره ………………………………………………………………………………………… 46

3-2-3- مگنت …………………………………………………………………………………………  46

3-2-4- ترازو ………………………………………………………………………………………….  46

3-2-5- خشک کن ……………………………………………………………………………….  46

3-2-6- CCS …………………………………………………………………………………. 

3-3- ابزار آزمایش و آنالیز نمونه‌ها ………………………………………………………………..  47

3-3-1- دستگاه پراش پرتو ایکس (XRD) ………………………………………………………..  47

3-3-2- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) ………………………………………………..  47

3-3-3- آزمایش اندازه‌گیری استحکام ………………………………………………………………..  47

3-4- روش انجام آزمایش ………………………………………………………………………..  48

3-4-1- تهیه نمونه‌های سری اول ………………………………………………………………..  48

 

 

3-4-1-1- نمونه‌سازی مجموعه A …………………………………………………………… 

3-4-1-2- نمونه‌سازی مجموعه B …………………………………………………………… 

3-4-1-3- نمونه‌سازی مجموعه C …………………………………………………………… 

3-4-2- تهیه نمونه های سری دوم ………………………………………………………………  51

3-4-2-1- نمونه‌ D ………………………………………………………………………………… 

3-4-2-2- نمونه‌ …………………………………………………………………………………  53

3-4-2-3- نمونه‌ …………………………………………………………………………………  53

3-4-2-4- نمونه‌ G ………………………………………………………………………………… 

3-4-2-5- نمونه‌ H ………………………………………………………………………………… 

3-4-3-تهیه نمونه‌ های سری سوم ………………………………………………………..  55

3-4-3-1- نمونه سازی مجموعه I ……………………………………………………………. 

3-4-3-2- نمونه سازی مجموعه J …………………………………………………………… 

3-4-3-3- نمونه سازی سریK ……………………………………………………………….. 

3-4-3-4- نمونه سازی سریL ………………………………………………………………… 

3-4-3-5- نمونه سازی سری M ……………………………………………………………… 

3-4-3-6- نمونه سازی سری N ………………………………………………………………. 

3-4-4- تعیین درصد وزنی جذب آب …………………………………………………………..  62

3-4-5- انجام آزمایش سایش …………………………………………………………….  63

3-4-6- استفاده از نرم افزار Image Analyzer ………………………………………………. 

فصل چهارم: روش تحقیق ……………………………………………………………………..  65

4-1- مقدمه    ………………………………………………………………………………….  65

4-2- بررسی شکل ظاهری نمونه ها از نظر دمای پخت …………………………………….  65

4-2-1- نتایج نمونه های سری اول ………………………………………………………………  65

4-2-2- نتایج نمونه های سری دوم ……………………………………………………………..  66

4-2-3- نتایج نمونه های سری سوم …………………………………………………………….  67

4-2-3-1- نمونه های پخته شده در دمای ºc750 و ºc1000 …………………………………….

4-2-3-2- نمونه های پخته شده در دمای ºc850 …………………………………………………

4-2-3-3- نمونه های پخته شده در دمای ºc1050 ……………………………………………..

4-2-3-4- نمونه های پخته شده در دمای ºc950 …………………………………………….

4-3- بررسی نتایج آنالیز XRD …………………………………………………………………… 

4-3-1- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه I15 ……………………………………………………… 

4-3-2- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه I5 ……………………………………………………….. 

4-3-3- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه I2 ……………………………………………………….. 

4-3-4- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه I19 ……………………………………………………… 

4-3-5- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه N1 ……………………………………………………… 

4-3-6- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه N4 ……………………………………………………… 

4-3-7- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه N17……………………………………………………..

4-3-8- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه N11 ……………………………………………………. 

4-3-9- بررسی و مقایسه نتایج آنالیز XRD نمونه N14 و I9 ……………………………….. 

4-3-10- بررسی و مقایسه نتایج آنالیز XRD نمونه N16 و I17 ……………………………. 

4-4- بررسی نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM )و Image Analyzer…………..

4-4-1- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونهN1 ……………………………… 

4-4-2- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونهN4 ……………………………… 

4-4-3- بررسی نتایج SEM نمونه7N ……………………………………………….. 

4-4-4- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه N11……………………………

4-4-5- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه N14……………………………

4-4-6- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه N16……………………………

4-4-7- بررسی نتایج  SEM نمونه I2…………………………………………………..

4-4-8- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه I9 ………………………………. 

4-4-9- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه I9 ………………………………. 

4-5- نتایج آزمایش  استحکام ……………………………………………………………….  100

4-6- نتایج آزمایش سایش ………………………………………………………………..  101

4-7- تعیین  وزن مخصوص ،درصد حجمی و درصد وزنی جذب آب ……………………….  102

فصل پنجم: نتیجه‌گیری …………………………………………………………………………  103

منابع و مراجع………………………………………………………………………………..  104

چکیده:

در این پروژه ساینده پایه سریم برای صیقل کاری روی سطح شیشه‌های معدنی مورد توجه قرار گرفت. از مواد اولیه اکسید سریم، اکسید لانتانیم، میکروسیلیس، اسید بوریک،  کاربیدسیلسیم، فسفات، فلوراید کلسیم‌، هگزا متافسفات سدیم، تری پلی فسفات سدیم، اکسید روی، سدیم متاسیلیکات استفاده گردید و با دو روش عمومی یکی استفاده از محلول و دیگری بصورت پودر خشک مورد استفاده قرار گرفتند. دمای پخت در شرایط مختلف از 450 تا 1150 درجه سانتی گراد در نظر گرفته شد و شرایط بحرانی برای پخت مشاهده شد که گاهی50± درجه سانتی گراد باعث عدم پخت یا بیش از حد شیشه‌ای شدن می‌گردید. در حدود 150 نمونه مختلف ساخته شد و شرایط پخت و سختی و استحکام آن‌ ها مورد مقایسه قرار گرفت. بررسی‌های میکروسکوپی نشانگر ساختارهای متفاوت بود که در برخی موارد، وجود بیش از حد فاز شیشه‌ای موجب ترک برداشتن و یا اعوجاج نمونه‌ها گردیده بود. آنالیز XRD فازهایی نظیر Ce2Si2O7 , Ce7O12SiO2 CeP5O14, SiC,CeP2 را نشان داد که در اثر واکنش اکسید سریم با سیلیس یا واکنش منابع فسفاتی و اکسید روی و نظایر آن ایجاد شده بود در نهایت ترکیب تری پلی فسفات سدیم‌، نانو سیلیس، اکسید روی‌،اکسید سریم و کاربید سیلیسیم در دمای پخت 950 درجه سانتی گراد انتخاب گردید که ساینده‌ای با خواص موردنظر در آن ایجاد شده بود.

فصل اول: مقدمه

ساخت کامپوزیت‌ها سال‌هاست که مورد توجه قرار گرفته است و برای بهبود خواصی نظیر تنش برشی، استحکام، میزان کرنش تا شکست، نوع شکست و چقرمگی بکار می‌روند. ساخت کامپوزیت‌های سرامیکی گوناگون جهت بهبود خواص، اهمیت ویژه‌ای دارد. بسته به کاربرد کامپوزیت، انتخاب ساختار سرامیکی و فاز جانبی مناسب آن اهمیت فراوانی یافته است. در دهه اخیر کامپوزیت‌های اکسیدی – غیراکسیدی توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است، اما برای انتخاب یک سرامیک اکسیدی مناسب بعنوان فاز اصلی باید به خواصی نظیر نسوزندگی و ضریب انبساط حرارتی توجه کرد. ]1[

  نانوفناوری یا بکارگیری فناوری در مقیاس میلیاردم متر عبارتست از خلق مواد، قطعات و سیستمهای کارا باکنترل اندازه اجزاء ریز سازنده در حد نانومتر و در نتیجه بهره برداری از خصوصیات و پدیده‌‌های جدید بوجود آمده در آن مقیاس. تکنولوژی نانو بعنوان یک روش نو برای سنتز مواد و ساختار‌‌های مفید دارای حداقل یک بعد در حد نانومتر، هم اکنون مورد توجه بسیاری از محققین و مراکز تحقیقاتی و صنعتی در جهان امروز واقع شده است.

   نانو فناوری یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته‌‌هاست که در جهت بررسی اصول و قوانین حاکم بین مولکولها و ساختارهای با ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر گام بر می‌دارد. نانو تکنولوژی یک علم چند رشته ای است و برای درک مفاهیم و اصول بنیادین و قوانین حاکم در دنیای نانو تقریبا به تمام علوم نیاز است. نانو مواد (موادی که حداقل در یک بعد دارای اندازه ای در حد نانومتر هستند) از نظر عمومی‌به دو دسته تقسیم بندی می‌گردند ;مواد نانوساختار و نانوذرات‌. نانوذره به ذره ای گفته می‌شود که ابعادی بین 1 تا 100 نانومتر داشته باشد که پرکابردترین آنها نانوذرات سرامیکی هستند.

   ترکیب ساینده پایه سریم برای سایش کردن با بازدهی بالا و سریع روی سطح شیشه‌‌های معدنی،لنزهای اپتیکی پلاستیکی وصفحات پلاستیکی سازگاری خوبی دارد. پولیش شیشه‌‌های آلی کاملا حساس و متفاوت است. توجه روی این حقیقت است که آنها نرم و شکننده، و در برابر خراش خیلی حساس اند.صیقل دادن نا کافی منجر به خراشهای ریز و صیقل بسیار ساینده موجب خراش درشت و کدر شدن شیشه می شود. در این تحقیق هدف ساخت یک صیقل دهنده‌ی مناسب جهت پولیش کردن شیشه می‌باشد.  اگر بتوان ذرات ریز نانو سیلیس و کاربید سیلسیم را در کنار CeO2  و پیوند دهنده‌‌های مناسب( که از بافت سیمان‌‌های سرامیکی باشند) قرار داد و یک صیقل دهنده ظریفی ساخت که بتواند شیشه‌‌ها را صیقل کند آنگاه یکی از کاربردهای نانو تکنولوژی در صنعت سرامیک مورد بررسی قرارگرفته است.

اگر چه ترکیباتی قبلا برای صیقل کاری شیشه ساخته شده است اما استفاده از نانو ذرات سیلیس و ذرات کاربید سیلسیم در صیقل دهنده‌‌های شیشه بر پایه اکسید سریم کاملا جدید است. مطالعه پیوند   دهنده‌‌های مناسب که بتوانند  SiO2 و SiC  و CeO2 را در کنار یکدیگر نگه دارد و عمل صیقل کاری را پیش برد‌، از جنبه‌‌های نو آوری نیز برخوردار می‌باشد.

در فصل دوم مروری بر مطالعات انجام شده در مورد علم نانو، کامپوزیت‌ها و همچنین مطالعاتی که تا کنون بر روی خواص SiC، SiO2، CeO2 و صیقل‌کاری شیشه صورت گرفته است، ذکر شده است.

در فصل سوم ابتدا با مشخصات مواد اولیه و تجهیزات مورد استفاده در این تحقیق آشنا شده و سپس روش تحقیقی که شامل آماده‌سازی مواد اولیه، بررسی و آنالیز نمونه‌های تهیه شده و بررسی خواص مکانیکی نمونه‌ها می‌باشد، ذکر می‌گردد.

در فصل چهارم نتایج مربوط به پخت نمونه‌ها، نوع فازها و ریزساختار نمونه‌ها و دمای نهایی فرایند و همچنین نتایج مربوط به آنالیز فازی و ریزساختاری نمونه‌های آزمایش شده و خواص مکانیکی آنها ارائه شده و مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد.

فصل دوم: مروری بر تئوری‌ها و تحقیقات انجام شده

1-2- مقدمه

   میلیون‌‌ها سال است که در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری ساخته می‌شوند. علم بشری اینک در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهایی بی نظیر بسازد که در طبیعت نیز گزارش نشده است. فناوری نانو کاربردهایی را به عرصه ظهور می‌رساند که بشر از انجام آن به کلی عاجز بوده است و پیامدهایی را در جامعه بر جا می‌گذارد که بشر تصور آنها را هم نکرده است[1].

   فناوری نانو واژه ای است کلی که به تمام فناوری‌‌های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می‌شود[2]. نانو فناوری، ساخت مواد، قطعات و سامانه‌‌های مفید در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خصوصیات و پدیده‌‌های جدید حاصل از آن مقیاس است. به عبارت دیگر نانوفناوری یک فناوری نوظهور شامل کلیه فعالیت‌‌ها با توانایی کنترل درتک اتم‌‌ها و مولکولها برای ساخت مواد و وسایل جدید با خواص مطلوب است[3]. معمولاً منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود یک تا 100 نانومتر می‌باشد[1]. نانومتر واحد طولی برابر یک میلیاردم متر است. این اندازه تقریباً چهار برابر قطر یک اتم منفرد است. یک مکعب با طول وجه 5/2 نانومتردرحدود 1000 اتم را در خود جای می‌دهد[3]. مفهوم فناوری نانو به دارنده جایزه نوبل،ریچارد فینمن نسبت داده شده است، در یک سخنرانی که وی در سال 1959 ارائه نمود[4]. در این رپچارد فینمن طی یک سخنرانی با عنوان (فضای زیادی در سطوح پائین وجود دارد) ایده فناوری نانو را مطرح ساخت[2]. ودر سال 1960 منتشر شد[4]. او اینطور بیان نمود که : (( اصول فیزیک،تا آنجایی که من می‌توانم ببینم، امکان جابجایی ماهرانه اتم به اتم اشیاء را فراهم می‌سازد و من آن را رد نمی‌کنم.)).

واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می‌باشد، بکار برد[2و5]. بینیگ و رهرر نظریات درکسلر را به طریقه عملی توسعه دادند. در سال 1981 آنها اولین افرادی بودند که توانستند اتمها را ببینند و از اینجا بود که نانوتکنولوژی ممکن شد. دانشمندان خیلی زود توانستند اتمها را به طور منظم بر روی یکدیگر سوار کنند تا ساختارهای در مقیاس نانو را بسازند[6]. در سال 1986 واژه فناوری نانو توسط کی اریک دکسلر، در کتابی تحت عنوان (موتور آفرینش آغاز دوران فناوری نانو) باز آفرینی و تعریف مجدد شد.

وی این واژه را به شکل عمیق تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرارداده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان (نانوسیستم‌‌ها، ماشین‌‌های مولکولی، چگونگی ساخت و محاسبات آنها) توسعه داد[2].

   کلیه مواد رایج همچون فلزات، نیمه‌‌هادی‌‌های، شیشه، سرامیک، پلیمرها توانایی تبدیل به ابعاد نانو را دارا می‌باشند. طیف نانو مواد می‌تواند شامل آلی و معدنی، ذرات کریستالی یا آمورف، پودر یا ذرات دیسپرس شده در یک ماتریس، به صورت ذرات منفرد و جدا از هم یا به صورت آگریگیت، کلوئیدی، سوسپانسیون و محلولهای امولسیونی و‌… باشد. به طور کلی روش‌‌های مختلفی جهت طبقه بندی نانو مواد استفاده می‌شود (جدول 1-2).

تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می‌گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت خوردگی و… تغییر می‌یابد. درحقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌‌های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می‌توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانو مقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانو مقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگ تر فرق می‌کند [2].

مفاهیم جدید نانو فناوری چنان وسیع هستند که احتمالاً علم و فناوری را با روش هایی غیر قابل پیش بینی تغییر می‌دهند. اکنون تنها شمایی مبهم از فرصت‌‌ها و منافعی که نانوساختار سازی برای بشر فراهم کرده است مشاهده می‌شود. محصولات فناوری نانو موجود عبارتند از :

تایر‌‌های با پوشش مقاوم تولید شده از ذرات در مقیاس نانومتر خاک رس معدنی با پلیمرها، داروهای نانو ذره با ویژگیهای رهایش بسیار کنترل شده، چاپ با کیفیت بسیار عالی با بهره گرفتن از ذرات در مقیاس نانومتر با بهترین خصوصیات رنگ‌‌ها و رنگدانه‌‌ها و تولید لیزر و هدهای دیسک مغناطیسی بسیار پیشرفته با کنترل دقیق ضخامت   لایه‌‌ها.

بسیاری از کاربرد‌‌های دیگر که هم اکنون در حال توسعه اند و یا توانمندی بسیار بالایی برای پیشرفت در آینده نزدیک دارند عبارتند از:

صنایع هوا نوردی و اتوماسیون: مواد تقویت شده با نانو ذره‌‌ها برای بدنه‌‌های سبک تر، تایر‌‌های تقویت شده با نانو ذره‌‌ها که فرسایش کمتری دارند و قابل بازیافت هستند، رنگ خارجی بدون نیاز به شستشو، پلاستیک‌‌های غیرقابل اشتعال و ارزان، سامانه‌‌های الترونیک برای کنترل و پوشش خود تعمیر.

الکترونیک و ارتباطات: سامانه ضبط چند رسانه ای با بهره گرفتن از نانولایه‌‌ها، صفحات نمایش مسطح، فناوری سامانه‌‌های بی سیم، قطعات و فرایندهای جدید در فناوری‌‌های اطلاعات و ارتباطات، هزاران برابر افزایش در ظرفیت و سرعت پردازش داده‌‌ها با قیمت پایین تر و بازده بیشتر در مقایسه با مدارات الکترونیکی کنونی.

 مواد: کاتالیزورهای افزایش دهنده بازده انرژی واکنش‌‌های شیمیایی و بازده عمل احتراق (و بنابراین آلودگی کمتر) در وسایل نقلیه موتوری، دریل‌‌ها و ابزارهای برش بسیار سخت و غیره شکننده، سیال‌‌های مغناطیسی هوشمند برای آب بندی و روان کننده‌‌ها.

درمان، بهداشت و علوم زیستی: داروهای نانوساختاری جدید، سامانه‌‌های ژنتیکی و داروسازی به زمان تعیین شده در بدن (رهایش کنترل شده)، ایجاد سازگاری بین اعضای مصنوعی و اعضای مصنوعی و اعضاء و مایعات بدن، خود تشخیصی برای استفاده در خانه و مادی برای بازسازی بافت‌‌ها و استخوان‌‌های بدن.

فصل اول: مقدمه

فصل دوم: مروری بر مطالب

2-1- معرفی و تاریخچه………………………………… 5

2-2- آستنیت باقیمانده……………………………….. 5

2-2-1- پایداری آستنیت…………………………………. 8

2-3- مشخصه‌‌‌‌های سطوح کربوره‫شده…………………………….. 14

الف) ریز‌‌ساختار……………………………….. 14

2-3-1- رفتار سایشی فولاد‌‌‌‌های کربوره‫شده………………………………. 18

2-4- عملیات سردسازی و زیر صفر فولاد……………………………….. 19

2-4-1- تأثیر دما و زمان آستنیته کردن………………………………… 22

2-4-2- انواع فولادها که میتوانند تحت عملیات زیر صفر قرار گیرند…………… 23

الف) فولاد ابزار……………………………….. 23

ب) فولاد‌‌‌‌های زنگ نزن………………………………… 27

ج) فولاد AISI 4340…………………………………

د) فولاد‌‌‌‌های سطح سخت شونده……………………………….. 28

2-5- بازگشت و تاثیر آن بر نمونه‫های عملیات زیر صفر شده…………………… 28

2-6- انواع سایش………………………………….. 31

2-6-2- سایش چسبان………………………………… 33

2-6-3- سایش خوردگی………………………………… 34

فصل سوم: مواد و روش‫های آزمایش

3-1- آلیاژ مورداستفاده……………………………….. 36

3-2- عملیات حرارتی نمونه‫ها………………………………. 36

3-3- آزمون­ها………………………………. 37

3-3-1- سختی­ سنجی………………………………… 37

3-3-2- سایش………………………………….. 38

3-3-3- متالوگرافی نمونه‫ها ……………………………….38

3-3-4- فازیابی با بهره گرفتن از پراش پرتوی ایکس……………………. 39

فصل چهارم: نتایج و بحث

4-1- بررسی ریزساختاری………………………………… 40

4-1-1- متالوگرافی………………………………… 40

4-1-2- بررسی ریزساختار با اشعه‌ی ایکس………………………… 46

4-2- سختی سنجی………………………………… 47

4-3- سایش………………………………….. 49

4-3-1- ضریب اصطکاک………………………………….. 49

4-3-2- بررسی سطوح سایش با بهره گرفتن از میکروسکوپ الکترونی روبشی……..52

4-3-3- تغییرات نرخ سایش…………………………………. 59

 

 

فصل پنجم: نتیجه‫ گیری و پیشنهادات

مراجع……………………………….. 66

چکیده:

در این پژوهش تأثیر زمان عملیات زیر صفر بر رفتار سایشی فولاد 7147/1 (5120) موردمطالعه قرار گرفته است. جهت انجام عملیات کربوره کردن، نمونه­ها درون جعبه­هایی از فولاد نسوز با ترکیبی از پودر زغال، باریم کربنات و سدیم هیدروکسید به نسبت 1:1:50 قرار گرفت و به مدت 6 ساعت، در دمای C◦ 920 کربوره شد؛ سپس در داخل این جعبه در هوا تا دمای محیط خنک شدند. عملیات آستنیته کردن در دمایC◦ 930 به مدت 1 ساعت بر روی نمونه‌ها اعمال و در روغن کوئنچ شد. به‌منظور بررسی تأثیر زمان فرایند زیر صفر عمیق، نمونه‌ها به مدت‌زمان 1، 24، 30 و 48 ساعت در نیتروژن مایع در دمایC◦ 196- نگهداری شدند و سپس در دمای محیط در اتاق نگهداری شد. به‌منظور بهبود خواص فولاد و آزاد­سازی تنش­های داخلی ناشی از کوئنچ، نمونه­ها به مدت 2 ساعت در دمای C ◦ 200 در کوره‌ نگهداری شدند. نمونه­ها پس از آماده سازی سطحی، تحت آزمون­های مختلف قرار گرفتند. برای تعیین فازها از روش پراش پرتو ایکس استفاده شد؛ بدین منظور نمونه‌ها در ابعاد مناسب تهیه و با بهره گرفتن از نرم‌افزار Xpert فازهای موجود با بهره گرفتن از عناصر اولیه تعیین شد. آزمون سایش به روش گلوله روی دیسک با بهره گرفتن از گلوله­ای از جنس کاربید تنگستن بر نمونه‌های دیسکی با دو بار 80 و 110 نیوتون به مسافت 1000 متر در رطوبت هوای 5±30% و درجه حرارت C◦ 5±25 انجام شد. سختی نمونه‌ها به‌صورت ماکرو در مقیاس راکول سی اندازه‌گیری شد. اندازه‌گیری سختی نمونه‌ها قبل و بعد از بازگشت، با بار اعمالی 30 کیلوگرم انجام گردید. همچنین ریز سختی نمونه‌ها با بهره گرفتن از دستگاه ریز سختی سنجی و با نیروی g100 انجام گردید؛ سطوح سایش ابتدا توسط استون تمیز شده و با بهره گرفتن از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) موردمطالعه قرار گرفت. محصولات سایش نیز توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف­سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDS) مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات پراش پرتو ایکس حاکی از کاهش در مقدار آستنیت باقیمانده در اثر اعمال عملیات زیر صفر بوده بگونه­ای که در زمان های بیش ازیک ساعت، پیک آستنیت باقیمانده مشاهده نشده­است. بررسی‌های میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی توزیع بهتر کاربیدها، ریز شدن و افزایش کسر حجمی کاربیدها را در عملیات زیرصفرعمیق نشان داد. بدین ترتیب عملیات زیر صفر عمیق منجر به افزایش در سختی در حد 4 تا 33% و تا 24 ساعت ، افزایش مقاومت سایشی تا %39/191 می­گردد. با افزایش بیش­تر زمان عملیات زیر صفر، مقاومت سایشی نمونه­ها کاهش یافته است؛ به­گونه­ای که در نمونه­ 48 ساعت عملیات زیر صفر شده مقاومت سایشی کاهش یافته است. علت افزایش سختی نمونه­ها کاهش میزان آستنیت باقیمانده در اثر عملیات زیر صفر عمیق و دلیل کاهش مقاومت سایشی نمونه­ها پس از 24 ساعت، رشد کاربید­ها و توزیع غیریکنواخت آن در ساختار و در نتیجه ضعیف شدن زمینه بوده است؛ بنابراین مدت زمان 24 ساعت عملیات زیر صفر عمیق بر فولاد 7147/1 زمانی بهینه است.

فصل اول: مقدمه

در بسیاری از کاربرد‌‌‌‌های صنعتی نیاز به قطعاتی است که دارای سطحی سخت بوده و درعین‌حال از چقرمگی یا مقاومت به ضربه‌ی خوبی نیز برخوردار باشند. ازجمله مواردی که می‌‌توان در این رابطه به‌عنوان مثال به آن‌ ها اشاره کرد عبارت‫اند از:میل‌لنگ، میل بادامک، چرخ‌دنده و قطعات مشابه. این قطعات باید سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش داشته و همچنین بسیار چقرمه و مقاوم در برابر ضربه‌‌‌‌های وارده در حین کار باشند.

بسیاری از قطعات فولادی را می‌‌توان به نحوی عملیات حرارتی کرد که در پایان دارای مجموعه‌ای از خواص بالا باشند،‌یعنی درحالی‌که از مقاومت به سایش خوبی برخوردارند، دارای استحکام دینامیکی خوبی نیز باشند. این نوع عملیات حرارتی که اصطلاحا به سخت کردن سطحی موسوم‌اند، آخرین عملیاتی هستند که باید در مرحله­ پایانی ساخت قطعه و پس‌ازانجام تمام مراحل مربوط به شکل‌دهی نظیر ماشین‌کاری انجام شود.

روش‌‌‌‌های مختلف عملیات حرارتی که به کمک آن‌ ها می‌توان سطح قطعات را سخت کرد، عمدتاً به دو دسته تقسیم می‌شوند. دسته‌ی اول عملیاتی که منجر به تغییر در ترکیب شیمیایی سطح فولاد می‌‌شوند و به عملیات حرارتی­شیمیایی یا ترمو­شیمی موسوم‌اند، نظیر کربن‌دهی، نیتروژن­دهی و کربن نیتروژن­دهی. دسته‌ی دوم روش‌‌‌‌هایی که بدون تغییر ترکیب شیمیایی سطح و فقط به کمک عملیات حرارتی که در لایه‌ی سطحی متمرکز شده، انجام می­شوند و باعث سخت شدن سطح می‌گردند و به عملیات حرارتی موضعی موسوم‌اند، مانند سخت کردن شعله‌ای و سخت­کردن القایی. در آلیاژ‌‌‌‌های آهن–کربن و فولاد‌ها، مارتنزیت از سردکردن سریع آستنیت به وجود می‌آید. واژه­ی مارتنزیت که برای مدت‌‌‌‌ها فقط به ساختار سخت حاصل از سریع سرد کردن فولاد‌‌‌‌های کربنی اطلاق می­ شود برای قدردانی از دانشمند معروف آلمانی به نام مارتنز است. در به­کار بردن واژه‌ی مارتنزیت، اخیراً به‌جای محصولات حاصل، تأکید بیش‌تر بر روی طبیعت دگرگونی گذاشته‌شده است. مارتنزیت فازی است که توسط یک دگرگونی مارتنزیتی ‌یا جابجایی گروهی اتم‌‌‌‌ها حاصل می‌‌شود، گرچه ممکن است فاز یادشده‌، ترکیب شیمیایی، ساختار بلوری و خواص کاملاً متفاوتی از مارتنزیت در فولاد‌‌‌‌ها داشته باشد. دمایی را که در‌یک آلیاژ دگرگونی آستنیت به مارتنزیت شروع می‌‌شود، دمای شروع تشکیل مارتنزیت نامیده و آن را با Ms نشان می‌‌دهند. در حقیقت، Ms نشان دهنده‌ی مقدار نیروی محرکه‌ی ترمودینامیکی لازم برای شروع دگرگونی برشی آستنیت به مارتنزیت است. با افزایش درصد کربن، دمای Ms به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. در حقیقت کربن موجود به‌صورت محلول جامد، استحکام یا مقاومت برشی آستنیت را افزایش می­دهد و بنابراین با افزایش کربن نیرومحرکه‌ی بیش‌تری جهت شروع لغزش برای تشکیل مارتنزیت لازم است. این نیروی محرکه‌ی بیش‌تر، با سرد کردن فولاد تا دمایی پایین‌تر و یا به‌عبارت‌دیگر تحت تبرید بیش‌تر(Ms کمتر) به دست می‌‌آید. دمای پایان تشکیل مارتنزیت (Mf)‌یا دمایی که دگرگونی آستنیت به مارتنزیت در‌یک آلیاژ داده‌شده خاتمه می‌یابد نیز تابعی از درصد کربن آلیاژ است.

آستنیت باقیمانده فازی نرم بوده و در دمای پایین ناپایدار است؛ به‌گونه‌ای که در دمای پایین و در حین کار به مارتنزیت ترد تبدیل می‌‌شود. تبدیل آستنیت به مارتنزیت تقریباً 4% انبساط حجمی ایجاد می‌‌کند که منجر به اعوجاج قطعات می‌‌شود. بنابراین از عملیات زیر صفر یا بازگشت چندتایی در دمایی نسبتاً بالا و یا مدت‌زمان طولانی برای کمینه کردن میزان آستنیت باقیمانده در فولاد‌‌‌‌ها استفاده می‌‌شود.

دو نوع عملیات زیر صفر وجود دارد: 1) زیر صفر سطحی که در محدوده دمایی 100- تا C°60- انجام می­ شود. این عملیات منجر به کاهش آستنیت باقیمانده و افزایش مقاومت سایشی می‌‌شود. 2) زیر صفر عمیق که در دما‌‌‌‌های زیر C°125- انجام می­ شود.

اثرات زیر صفر‌ عمیق عبارت‌اند از:

1- تبدیل آستنیت باقیمانده به مارتنزیت

2- کاهش تنش­های پسماند

3- تشکیل کاربیدهای بسیار ریز که در بین کاربیدهای درشت قرار می‌‌گیرند

4- تشکیل ابرهای نابجایی در فصل مشترک زمینه‌ی مارتنزیتی و کاربید‌‌‌‌ها در طول فرایند هم‌دما سازی و تشکیل کاربید

5- توزیع یکنواخت کاربید­ها ،کوچک شدن اندازه­ کاربید­های ثانویه، افزایش میزان و چگالی آن‌ ها

6- افزایش مقاومت سایش خراشان و سایش خستگی

7- افزایش استحکام کششی و پایداری

8- افزایش سختی

9- پایداری ابعادی ماده 

10- تولید ساختار مولکولی چگال تر

11- افزایش هدایت الکتریکی فلزات

12- افزایش مقاومت به خوردگی

پارامتر‌‌‌‌های زیر صفر عبارت‌اند از: نرخ سرمایش، دمای هم‌دما سازی، زمان هم‌دما سازی، نرخ گرمایش، دما و زمان بازگشت و دمای آستنیته کردن.

تحقیقات بسیاری بر روی فولاد‫هایی که درصد عناصر آلیاژی و یا کربن آن‫ها بالاست، صورت گرفته است. در این پژوهش‫ها با حصول ترکیب مناسبی از توزیع کاربید‫ها و کاهش یا حذف آستنیت باقیمانده خواص فولاد‫های مورد مطالعه را بهبود داده‫اند.

فولاد 7147/1، فولادی کربوره شونده (سمانته) بوده که در ساخت قطعاتی که ترکیبی از استحکام متوسط، چقرمگی و مقاومت سایشی بالا نیاز است، مورداستفاده قرار گرفته است و گاه برای تهیه­ قطعات مورد مصرف صنایع خودرو‫سازی همچون چرخ‌دنده و میل‌لنگ کاربرد دارد. در فولاد­هایی که به منظور سختی کاری سطحی تحت عملیات کربوره­کردن قرار می­گیرند، با افزایش درصد کربن سطح، Ms کاهش و میزان آستنیت باقیمانده در اثر سریع سرد کردن در سطح افزایش خواهد یافت.

در این پژوهش عملیات زیر صفر عمیق به منظور بهبود خواص سایشی فولاد 7147/1 در زمان‫های مختلف انجام شده است؛ در فصل دوم تحقیقات صورت گرفته بر فولاد‫های مختلف، فصل سوم مواد و روش تحقیق، فصل چهارم نتایج و بحث و در نهایت در فصل پنجم، نتایج حاصل و پیشنهاداتی در راستای بررسی‫های بیشتر و کارآمد گردآوری شده است.

فهرست مطالب:

فصل اول : مقدمه………………………………. 1

1-1-  مقدمه…………………………….. 2

فصل دوم : مروری برمنابع مطالعاتی……………………………… 5

2-1-  فناوری نانو…………………………….. 6

2-2- خواص نانوذرات………………………………. 7

2-3- روش های تولید نانو ذرات………………………………. 7

2-4- کاربرد نانو تکنولوژی……………………………… 8

2-5- نانو کامپوزیت های سرامیکی……………………………… 10

2-5-1- طبقه بندی نانو کمپوزیت های سرامیکی………………………….. 10

2-5-2-  خواص و کاربرد نانو کامپوزیتهای سرامیکی………………………… 11

2-6- نانو محلولهای جامد سرامیکی……………………………… 11

2-6-1- محلول جامد از نوع  بین نشینی……………………………… 11

2-6-2- محلول جامد از نوع جانشینی……………………………… 11

2-6-2-1- انواع محلول جامد جانشینی……………………………… 11

2-6-3- خواص مکانیکی محلول های جامد…………………………….. 12

2-6-4- محلولهای جامد فوق اشباع…………………………….. 12

2-7- روش های سنتز نانو محلول های جامد سرامیکی…………………. 12

2-7-1- آلیاژ سازی مکانیکی……………………………… 12

2-7-2- سل- ژل…………………………….. 13

2-7-3- رسوبی و همرسوبی (رسوبگذاری)…………………………….. 14

2-8-  پیل سوختی چیست؟…………………………….. 15

2-9- تاریخچه پیل سوختی……………………………… 18

2-10- انواع پیل های سوختی……………………………… 19

2-10-1- پیل سوختی اسید فسفریک  (PAFC)……………………………. 19

2-10-2- پیل سوختی قلیایی (AFC)……………………………. 20

2-10-3- پیل سوختی كربنات  مذاب (MCFC)……………………………. 20

2-10-4- پیل  سوختی الکترولیت پلیمر یا غشای مبادله کننده پروتون(PEFC)………21

2-10-5- پیل  سوختی  اكسید جامد (SOFC) …………………………….22

2-10-5-1- تاریخچه پیل ‌سوختی اكسید جامد (SOFC)…………………. 22

2-10-5-2- وظیفه صفحات الكترود متخلخل در پیل ‌سوختی اکسید جامد شامل موارد زیر است……24

2-10-5-3- روابط و واکنشهای موجود در یک پیل سوختی اکسید جامد……………. 24

2-10-5-4- نیروی الکتروموتیو (EMF) و معادله  نرنست برای پیل های سوختی اکسید جامد…….. 25

2-10-5-5- پتانسیل الکتروشیمیایی و رسانایی یونی در پیل های سوختی اکسید جامد………. 26

2-10-5-6- محاسبه رسانایی الکتریکی و مقاومت الکتریکی برای پیل های سوختی اکسید جامد…… 26

2-10-5-7-  جزئیات عملکرد پیل های سوختی اکسید جامد…………………..26

2-11-  مقایسه كلی بین پیل های سوختی از نظر دمای كاركرد و  بازده و توان تولیدی…..29

2-12- مزایا و معایب پیل های سوختی……………………………… 30

2-13- موانع پیش روی استفاده از پیل های سوختی…………….. 31

2-14-  کاربرد های  پیل سوختی……………………………… 32

2-15- زیرکونیا……………………………. 33

2-15-1- خواص  فیزیكی، مكانیكی، و شیمیائی زیركونیا………………. 33

2-15-2- پلی مورف های زیركونیا……………………………. 34

2-15-2-1-  فاز مونوكلینیک زیركونیا……………………………. 34

2-15-2-2- فاز تتراگونال زیركونیا …………………………….35

2-15-2-3- فاز مکعبی زیركونیا……………………………. 35

2-15-3- كاربرد های زیركونیا……………………………. 35

2-15-3-1- كاربرد های مبتنی بر خواص الكتریكی زیركنیا………………………. 36

2-15-3-2- كاربرد های مبنی بر دیرگدازی زیركونیا……………………………. 36

2-15-3-3- كاربرد های مبتنی بر خواص مكانیكی……………………………… 37

2-16- مقدمه ای برآند پیل سوختی اکسید جامد…………………………….. 37

2-17- ناحیه سه فازی درآند…………………………….. 38

2-18-  انواع مواد آندی……………………………… 39

2-18-1-  سرمتYSZ  –Ni…………………………….

2-18-2- فلورایت ها …………………………….41

2-18-3- مواد آندی پروسکایت………………………………. 44

2-18-4- مواد آندی تنگستن برنز…………………………….. 48

2-18-5- مواد آندی پیروکلر…………………………….. 49

2-18-6- مواد آندی سولفور آزاد…………………………….. 50

2-19- توسعه سینتیک و مکانیسم واکنش و مدل آند ها …………………51

2-20- توسعه تکنولوژی های ارزان قیمت برای تولید و ساخت آند………….55

فصل سوم : فعالیت های آزمایشگاهی……………………………… 58

3-1- مواد اولیه مورد استفاده …………………………….59

3-2- روش کار…………………………….. 60

3-2-1- مراحل سنتز پودر (AZ)…………………………….. 60

3-2-1-1- مرحله اول: اختلاط مواد اولیه…………………………….. 61

3-2-1-2- رفلاکس سیستم…………………………….. 61

3-2-1-3- مرحله سوم: سانتریفیوژ محلول…………………………….. 62

3-2-1-4- مرحله ی چهارم : شستشو رسوب بدست آمده …………….62

3-2-1-5- مرحله پنجم: خشک کردن و عملیات حرارتی اولیه………… 62

3-2-2- سنتز پودر AZN))……………………………..

3-2-3- سنتز پودر (AZNC) …………………………….63

3-3- تهیه و ساخت آند پیل سوختی اکسید جامد………………… 64

3-3-1- روش خشک………………………………. 65

3-3-1-1- تخلخل زای: PVA (پلی ونیل استات)…………………… 65

 

 

3-3-1-2- تخلخل زای: T.P.P (تری فنیل فسفین)………………… 67

3-3-1-3- تخلخل زای :خاک اره……………………………. 68

3-3-1-4- تخلخل زای:CMC  (کربوکسی متیل سلولز)……………….. 69

3-3-1-5- تخلخل زای: نمک طعام  (NaCl )………………………….. 70

3-3-1-6- تخلخل زای:  شکر…………………………….. 70

3-3-1-7- تخلخل زای: اوره Urea……………………………..

3-3-1-8- تخلخل زای:PEG  (پلی اتیلن گلیکول)…………………………….. 72

3-3-1-9- تخلخل زای :MC  (متیل سلولز)…………………………….. 73

3-3-1-10- تخلخل زای: مخلوط PVA و T.P.P……………………………..

3-3-1-11- تخلخل زای : مخلوط T.P.P وMC………………………………

3-3-1-12- تخلخل زای: اختلاط  PVAو  PEG………………………………

3-3-1-13- تخلخل زای: PEG وMC………………………………

3-3-1-14- تخلخل زای: PEG وT.P.P……………………………..

3-3-1-15- تخلخل زای: PVA، PEG، MC………………………………

3-3-1-16- تخلخل زا ی : PVA،PEG ، T.P.P……………………………..

3-3-2- روش تر…………………………….. 78

3-3-2-1- تخلخل زای: PVA (پلی ونیل استات)…………………………….. 78

3-3-2-2- تخلخل زای : T.P.P (تری فنیل فسفین)…………………………….. 80

3-3-2-3- تخلخل زای:  MC(متیل سلولز)…………………………….. 82

3-3-2-4- تخلخل زا:PEG  (پلی اتیلن گلیکول)…………………………….. 83

3-3-3- ساخت آند نهایی توسط PEG………………………………

3-4- اندازه گیری چگالی قطعات ساخته شده……………………………. 87

3-4-1- دانسیته ارشمیدسی……………………………… 87

3-4-2-  دانسیته معمولی……………………………… 87

3-5- تجهیزات مورد استفاده……………………………. 88

3-5-1- آنالیز براش اشعه ایکس (XRD) …………………………….88

3-5-2- آنالیز طیف سنجی مادون قرمز فوریه (FTIR)……………………………. 88

3-5-3- آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و آنالیز (EDX) ……………88

3-5-4- آنالیز UV-vis……………………………..

3-5-5- آنالیزمیکروسکوپ الکترونی عبوری TEM……………………………….

فصل چهارم : نتایج و بحث………………………………. 90

4-1- بررسی خواص فیزیکی وشیمیایی پودرسنتزشده…………………….. 91

4-1-1- بررسی نتایج حاصل ازآنالیزتفرق اشعه ی ایکس…………………… 91

4-1-1-1- نمونهAZ………………………………

4-1-1-2- نمونه : AZN………………………………

4-1-1-3- نمونه AZNC………………………………

4-1-2- ارزیابی تثبیت فازی در نمونه های تهیه شده، با بهره گرفتن از آنالیز پراش اشعه ی ایکس………98

4-1-2-1- نمونه AZ………………………………

4-1-2-2-  نمونه AZN………………………………

4-1-2-3-  نمونه AZNC………………………………

4-1-2- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمز…………………………….. 101

4-1-2-1- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمزنمونه AZ…………………

4-1-2-2- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمز نمونه AZN………………

4-1-2-3- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمز نمونه AZNC………………

4-1-3- نتایج حاصل از آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشیSEM  و عبوری TEM…………

4-1-3-1- نتایج آنالیز SEM  برای نمونه AZ………………………………

4-1-3-2-  نتایج آنالیز  TEMبرای نمونه AZ………………………………

4-1-3-3- نتایج آنالیز  SEMبرای نمونه  AZN………………………………

4-1-3-4- نتایج آنالیز  TEMبرای نمونه AZN………………………………

4-1-3-5- نتایج آنالیز  SEM برای نمونه AZNC………………………………

4-1-3-6- نتایج آنالیز  TEMبرای نمونهAZNC………………………………

4-1-4- نتایج حاصل از تست EDX………………………………

4-1-4-1- نتایج حاصل از تست EDX برای نمونه AZ………………………………

4-1-4-2- نتایج حاصل از تست EDX برای نمونهAZN………………………………

4-1-4-3- نتایج حاصل از تست  EDXبرای نمونه AZNC………………………………

4-1-5- نتایج حاصل از تست UV-vis……………………………..

4-1-5-1- نتایج حاصل از تست UV-vis برای نمونه AZ………………………………

4-1-5-2- نتایج حاصل از تست UV-vis برای نمونه AZN………………………………

4-1-5-3- نتایج حاصل از تست UV-vis برای نمونه AZNC………………………………

4-1-6-  نتایج حاصل از قطعات ساخته شده به روش اختلاط خشک…………….. 121

4-1-6-1- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای PVA…………………..

4-1-6-2- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای T.P.P…………………..

4-1-6-3- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با خاک اره……………………………. 121

4-1-6-4- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با CMC………………………………

4-1-6-5- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با نمک طعام………………………… 121

4-1-6-6- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با شکر…………………………….. 121

4-1-6-7- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با اوره …………………………….122

4-1-6-8- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PEG………………………………

4-1-6-9- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با MC………………………………

4-1-6-10- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PVA و T.P.P……………………….

4-1-6-11- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با MC و T.P.P……………………..

4-1-6-12- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با  PVA و PEG……………………….

4-1-6-13- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با  PEGوMC………………………..

4-1-6-14- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PEG  و T.P.P……………………..

4-1-6-15- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با  PEGو PVA و MC………………

4-1-6-15- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با  PEGو PVA و T.P.P……………….

4-1-7-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زا ها با حلال برای تهیه یک تخلخل زای مناسب……123

4-1-7-1-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای  PVA و حلال…………………………….. 123

4-1-7-2-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای  T.P.P و حلال…………………………….. 124

4-1-7-3-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای  MCو حلال…………………………….. 124

4-1-7-4-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای  PEGو حلال…………………………….. 124

4-1-8-  نتایج حاصل از قطعات ساخته شده به روش اختلاط تر………………………… 125

4-1-8-1- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای PVA   به روش اختلاط تر…….125

4-1-8-2- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای T.P.P به روش اختلاط تر………125

4-1-8-3- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای MC  به روش اختلاط تر……….125

4-1-8-4- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای PEG  به روش اختلاط تر……….125

4-9-1- نتایج حاصل از دانسیته ارشمیدسی برای قطعات……………………… 126

4-10-1- نتایج حاصل از دانسیته معمولی برای قطعات…………………………. 127

فصل پنجم : نتیجه گیری وپیشنهادات………………………………. 128

5-1- نتیجه گیری نهایی……………………………… 129

5-2-  پیشنهادات………………………………. 130

مراجع……………………………… 131

چکیده:

نانومحلول های  جامد Al/ZrO2 وAl -Ni/ZrO2  و Al-Ni-Cu/ZrO2 به روش سنتز هم رسوبی با بهره گرفتن از هیدرولیز نمک های زیرکونیوم، آلومینیوم، نیکل و مس در اتانول آماده سازی شدند. محلول های جامد تهیه شده دردماهای مختلف و تحت اتمسفر هوا عملیات حرارتی شدند.و نقش عملیات حرارتی در تثبیت فاز مونوکلینیک در دماهای مختلف توسط XRD بررسی شد. خواص فیزیکی و شیمیایی نانومحلول های جامد تهیه شده توسط آنالیزهای FTIR ,UV-vis ,TEM ,SEM و EDX مورد بررسی قرارگرفت. باتوجه به نتایج آنالیز XRDتثبیت فازمونوکلینیک در محلول جامد صورت گرفته و نتایج SEM مورفولوژی کروی و یکنواختی اندازه ذرات رابرای نمونه های تهیه شده نشان می دهند. پودر های تهیه شده به منظور تولید مواد پایه آند پیل سوختی اکسید جامد، به روش تر و باتخلخل زای پلی اتیلن گلیکول مخلوط شده و توسط پرس هیدرولیک یکطرفه شکل دهی شدند و استحکام و دانسیته در آنها به مقدار بهینه رسید. دانسیته نسبی برای بهترین نمونه مقدار062/3 گرم برسانتی متر مکعب بدست آمد و تخلخل نمونه ها در حدود40-50 درصد محاسبه شد.

فصل اول: مقدمه

1-1- مقدمه

انرژی از دیر باز به عنوان موتور محرک جوامع بشری شناخته شده است و با پیشرفت بشر بر اهمیت و تأثیر گذاری آن در زندگی بشر افزوده شده است. بر این اساس هیدروژن به عنوان یکی از سوختهای پاک یکی از بهترین گزینه ها جهت ایفای نقش حامل انرژی در این سیستم جدید ارائه انرژی می  باشد ]1[. بشردرآینده ای نه چندان دورعصر هیدروژن راتجربه خواهدکرد]1و2[. عمل تبدیل انرژی شیمیایی موجود در هیدروژن به انرژی الکتریکی توسط دستگاهی به نام پیل سوختی انجام می پذیرد]3[. پیل های سوختی در کاهش آلودگی محیط زیست نقش به سزایی را ایفا می کنند و به خاطر عدم به کارگیری قطعات  مکانیکی زیاد ایجاد آلودگی صوتی نیز نمی نمایند]3[. پیل های سوختی به عنوان یک منبع بسیار ایده آل انرژی برای استفاده های ساکن وغیر ساکن ، نظیر حمل ونقل و نیرو گاه ها می باشند .در این بین پیل های سوختی اکسید جامد (SOFCs) بدلیل مزایایی نظیر قیمت ارزانترمواد مورد استفاده درآنها، حساسیت کمتر به ناخالصی های گاز هیدروژن وکارایی بسیار بالاتر یکی از جذاب ترین انواع پیل های سوختی می باشد. این پیل های سوختی به دلیل اینکه هیدروژن ورودی به آنها نیاز به هیچ گونه تغییر و خالص سازی اولیه  ندارد، به شدت از نظر قیمت نسبت به سایر پیل های سوختی ارزان تر می باشند]4[. پیل های سوختی اکسید جامد از سه بخش آند و کاتد و الکترولیت تشکیل شده اند. اساس عملکرد یک پیل سوختی اکسید جامد شامل احیای یک اکسنده (O2) درکاتد و اکسایش یک سوخت (H2) در آند می باشد. در این پیل ها نیاز به یک الکترولیت هادی یون اکسیژن و پروتون، برای واکنشهای الکتروشیمیایی اکسایش و کاهش اکسیژن و هیدروژن، انجام شده درالکترودها می باشد]5[.

امروزه در پیل های سوختی اکسید جامد بطور گسترده از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می شود. هیدروژن از منابع مختلف مانند: گازطبیعی، گازهای سنتزی حاصل از تبخیر منابع کربنی و زغال وغیره بدست می آید. هیدروکربنها نیز بطور گسترده به عنوان سوخت این پیل ها رواج پیداکرده اند. سوختهای هیدروکربنی معمولا در دماهای بالای عملکرد پیل سوختی اکسید جامد ناپایدارند و برروی آند به هیدروژن و کربن تبدیل می شوند. سوختهای هیدروکربنی بطور معمول مقدارکمی سولفوربه همراه دارند. کربن حاصل از تجزیه هیدروکربنها و سولفور موجود درآنها مشکلاتی برای عملکردپیل  ایجاد می کنند. برای جلوگیری از نشست کربن در سطح آند معمولا مقداری بخاراضافه به همراه گاز استفاده می شود و همچنین تغیراتی نیز در ترکیبات موادآندداده میشود. برای جلوگیری از سمی شدن پیل توسط سولفور معمولا سوخت را سولفور زدایی می کنند]5[.

 در سالهای اخیر تحقیقات گسترده ای بر روی مواد، کاتالیزورها، علوم سطح و خواص الکتروشیمیایی آندها انجام شده است] 4[. آندهای مورد استفاده در پیل های سوختی اکسید جامد از مواد و تنوع وگستردگی فراوانی برخوردارند. و از روش های ساخت و سنتزمختلفی برای سنتزپودر و ساخت این آندها استفاده می شود. دوویژگی برجسته آند این پیل ها برای انتخاب ماده مناسب برای آند برای کارکردمناسب، الف)رسانایی یونی، ب)رسانایی الکترونی می باشد. زیرکونیا به عنوان یک ماده که به طور ذاتی دارای نقص جای خالی در ساختارمی باشد، یکی ازبهترین گزینه ها برای استفاده درآند این پیل ها می باشد.

     در این تحقیق از سنتز هم رسوبی برای تهیه محلولهای جامد استفاده شد. این روش بدلیل تولید ترکیباتی همگن و با خلوص بسیار بالا ، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار بوده و علاوه بر آن کنترل اندازه دانه نیز در این روش بسیار آسان است]12[. هنگامی که زیرکونیا در دماهای پایین به روش هم رسوبی سنتز می شود امکان پایداری فاز تتراگونال به PH و هیدرولیز کننده مورد استفاد،وابسته می شود. در این تحقیق به روش سنتز همرسوبی، 3 محلول جامد، الف)Al-Zr، ب)Al-Zr-Ni،
ج)Al-Zr-Ni-Cu تهیه و آماده سازی شد. این محلول های جامد به عنوان مواد جدید برای استفاده در آند پیل های اکسید جامد طراحی و آماده شدند. ارزان بودن، غیرسمی بودن، سنتزآسان، تکرارپذیری تولید از جمله مزایای این مواد است. یکی از موارد مهم برای تولید و ساخت آندها در پیل سوختی اکسیدجامد، متخلخل بودن این آندها می باشد. این آندها باید دارای تخلخل با اندازه و توزیع یکنواخت باشند. که به این منظور از موادی مانند کربن و مواد دیگری برای متخلخل سازی استفاده می کنند]13[. دراین تحقیق برای متخلخل سازی آند چند نوع مختلف تخلخل زای، ارزان  قیمت و مناسب در آند استفاده شد. که نهایتا منجر به به استفاده از  PEGبه عنوان تخلخل ساز مناسب شد.پس از سنتز و تهیه محلول های جامد، موادحاصل ابتدا در دمای 500 درجه سانتیگراد عملیات حرارتی شدند و سپس برای تعیین تثبیت فازی و زینترینگ نهایی در دماهای800 و1000 و1200 و14700 درجه سانتی گراد عملیات حرارتی شدند.پس ازآن پودرهای حاصل با دو روش تر و خشک با چند نوع تخلخل زا ترکیب و با روش پرس هیدرولیک یکطرفه شکل دهی شده و عملیات حرارتی نهایی در14700 درجه سانتیگراد بر روی آنها صورت گرفت. قطعات آندی که دارای تخلخل مناسب و توزیع و اندازه تخلخل یکنواخت و استحکام کافی بودند، انتخاب شده و چگالی آنها به روش ارشمیدس اندازه گیری شد.

در فصل دوم این پایانامه مفاهیمی در مورد نانو فناوری و نانو محلول جامدها ارائه گردیده است. در ادامه مفاهیم کلی و واکنشهای انجام شده در انواع پیل های سوختی شرح داده شده است.

سپس مفاهیم کلی و عمومی در موردآندهای پیل سوختی اکسید جامد، روش های ساخت و مواد بکار برده شده در آنها، مورد بحث و بررسی قرارگرفته است. درفصل سوم ابتدا به مواد مورد استفاده در این پروژه پرداخته شده است. در ادامه روش های انجام آزمایش(مواد و تجهیزات)ارائه داده شده و در بخش آخر دستگاه ها و لوازم مورد استفاده جهت بررسی و خواص نمونه ها تشریح گردید. درفصل چهارم نتایج حاصل از آزمایشات و بحث های مربوطه ارائه گردیده است. فصل پنجم نتیجه گیری  کلی از این تحقیق رابیان می کند.

چکیده

مقدمه………………………………………………………………………………………………………………. 1

فصل اوّل: اپتیک غیرخطی

مقدمه………………………………………………………………………………………………………………. 3

تاریخچه…………………………………………………………………………………………………………… 3

1-1- ویژگی‌های محیط خطی………………………………………………………………………………. 4

1-2- ویژگی‌های محیط غیرخطی………………………………………………………………………….. 5

1-3- قطبیدگی محیط خطی و محیط غیرخطی………………………………………………………….. 5

1-4- برآورد ساده‌ای از اندازه كمیت پذیرفتاری……………………………………………………….. 11

1-5- تولید هماهنگ دوم…………………………………………………………………………………….. 12

1-6- تولید بسامد مجموع و بسامد تفاضل………………………………………………………………. 14

1-7- معادلات ماكسول در محیط‌های غیرخطی………………………………………………………… 15

فصل دوّم: مفهوم پذیرفتاری موثر در اپتیک غیرخطی

مقدمه…………………………………………………………………………………………………………….. 20

2-1- پذیرفتاری غیرخطی…………………………………………………………………………………… 20

2-2- پذیرفتاری غیرخطی در تولید بسامد مجموع…………………………………………………….. 23

2-3- پذیرفتاری غیرخطی در تولید هماهنگ دوم……………………………………………………… 23

2-4- پذیرفتاری موثر در پراكندگی اپتیک غیرخطی…………………………………………………… 24

2-5- ذرات ریز……………………………………………………………………………………………….. 28

2-6- اندیس ذرات همساز………………………………………………………………………………….. 31

2-7- پراكندگی………………………………………………………………………………………………… 34

2-8- ویژگی‌های پراكندگی خودبه‌خودی نور…………………………………………………………… 35

2-9- پراكندگی ریلی…………………………………………………………………………………………. 37

2-10- پراكندگی تصحیح شده …………………………………………………………………………….. 37

فصل سوم: نظریه  هماهنگ دوم اپتیكی و جمع فركانس از ذرات با شكل دلخواه

مقدمه …………………………………………………………………………………………………………….. 40

3-1) مباحث نظری……………………………………………………………………………………………. 41

3-2- پراكندگی از ذرات با شكل دلخواه و سطح‌های ساده………………………………………….. 49

3-3- پراكندگی از ذرات بیضوی…………………………………………………………………………… 50

فصل چهارم: نتایج عددی

نتایج عددی …………………………………………………………………………………………………….. 58

نتیجه‌گیری ………………………………………………………………………………………………………. 62

پیوست الف) …………………………………………………………………………………………………… 63

پراكندگی اپتیک غیرخطی از ذرات كروی و استوانه‌ای ………………………………………………… 63

پیوست (ب) ……………………………………………………………………………………………………. 65

ذرات بیضی‌گون ……………………………………………………………………………………………….. 65

 

 

منابع و مآخذ …………………………………………………………………………………………………… 66

چكیده انگلیسی…………………………………………………………………………………………………. 67

چکیده:

مفهوم پذیرفتاری موثر در اپتیک غیرخطی بیان شده است و شدت پراكندگی تصحیح شده در این محیط نشان داده شده است و سپس یک ساختار تئوری برای تولید و پراكندگی هماهنگ دوم اپتیكی و بسامد مجموع نور از سطح ذرات با اشكال مختلف در دامنه‌ی محدودی از ضریب شكست‌های ثابت فراهم شده است. پراكندگی نور را می‌توان برای سطح‌ها همگن و همسانگرد با یک مجموعه متناهی از تابع‌های پراكندگی توصیف كرد قوانین انتخاب با توجه به این تابع‌ها وجود دارد. تابع‌های مربوط به سطوح انطباق‌پذیر بر تصویر آینه‌ای و غیرانطباق‌پذیر بر تصویر آینه‌ای مستقیماً با حجم و سطح در ارتباط هستند. سرانجام توابع صریحی برای ذرات بیضی گون نشان داده شده است و الگوی پراكندگی زاویه‌ای به عنوان تابعی برای جهت‌گیری ذره و یا هنگردی از ذرات نشان داده شده است.

مقدمه:

پدیده‌های بسیار كاربردی در محیط‌های غیرخطی اپتیكی رخ می‌دهد كه از جمله‌ی این پدیده‌ها تولید هماهنگ دوم و فركانس مجموع است كه در این رساله به طور خاص به الگوی پراكندگی این دو پدیده‌ برای اشكال با شكل دلخواه اشاره شده است كه برای بیان بهتر این موضوع ابتدا اپتیک غیرخطی به صورت مختصر توضیح داده شده است و از آنجایی كه برای بدست آوردن الگوی پراكندگی نیازمند محاسبه شدت هستیم و برای محاسبه شدت پراكندگی نیازمند پذیرفتاری موثر هستیم. بعد از بیان اپتیک غیرخطی پذیرفتاری موثر شرح داده شده است و سپس وارد مسئله اصلی كه بیان الگوی پراكندگی است شده‌ایم.

فصل اول: اپتیک غیرخطی

مقدمه:

اگر تمامی پدیده‌های فیزیكی اطراف ما خطی بودند، هم فیزیک خسته كننده بود و هم زندگی بدون مشاهده بسیاری جذابیت‌ها سپری می‌شد. خوشبختانه ما در یک دنیای غیرخطی زندگی می‌كنیم. البته به خاطر داشته باشیم كه همان‌طور كه خطی بودن فیزیک را جذاب می‌كند غیرخطی بودن نیز فیزیک را زیباتر می‌كند]1[.

پدیده‌های اپتیک خطی در محیط خطی رخ می‌دهند و در مقابل آن پدیده‌های اپتیک غیرخطی در محیط غیرخطی رخ می‌دهند اگر ویژگی‌های اصلی این دو محیط به دنبال هم بیان شوند به درك بهتری راجع به محیط غیرخطی خواهیم رسید. به همین علت ما در اینجا پس از بیان تاریخچه توضیح مختصری راجع به این دو محیط می‌دهیم و سپس به صورت تخصصی‌تر وارد مباحث مربوط به اپتیک غیرخطی می‌شویم.

تاریخچه

اولین بار در سال 1961 میلادی، آزمایشی كه فرانكین[1] و وین ریچ[2] در دانشگاه میشیگان انجام دادند. نشان داد كه اگر نور با طول موج  به بلور كوارتز تابانده شود نوری با طول موج  خارج می‌شود و این آزمایش در واقع تولد اپتیک غیرخطی به حساب می‌آید. در واقع این پدیده مشاهده تولد هماهنگ دوم[3] است این آزمایش روشی در بدست آوردن تابش‌های همدوس با توان بالا است كه در آن می‌توان طول موج كوتاهتر به دست آورد. چشمه‌ی نور معمولی برای چنین آزمایش‌هایی خیلی ضعیف است. در كل میدانی در حدود  یک اثر غیرخطی در محیط القا می‌كند كه این میدان متناظر با باریكه‌ای به شدت تقریبی  است. كه به همین دلیل برای مشاهده هماهنگ دوم باریكه لیزر به كار می‌رود ]1[. در كل بیشترین مطالعه روی این موضوع از قرن بیستم و بعد از آن صورت گرفته است.

1-1- ویژگی های محیط خطی

الف) اصل برهم نهی در این محیط صادق است: می‌دانیم نور یک موج الكترومغناطیس است برای اینكه اثرات تركیب (برهم نهی) را به درستی متوجه شویم باید برایند بردار موج  را در یک نقطه از فضا كه در آن دو جابه‌جایی مستقل  و  با هم وجود دارند دقیقاً تعیین كنیم.

ما می‌توانیم اصل برهم نهی را به بیان دیگر نیز ذكر كنیم. به این صورت تعریف می‌شود كه اگر  و  جوابهای مستقل معادله موج  آنگاه تركیب خطی  نیز یک جواب معادله است.

در واقع از آنجایی كه امواج الكترومغناطیس دارای میدان الكتریكی و میدان مغناطیسی می‌باشند برهم نهش این امواج را به صورت زیر نیز می‌توان بیان نمود.

ب) فركانس نور زمانی كه به محیط خطی وارد می‌شود، به هنگام خروج از این محیط، تغییر نمی‌كند.

ج) در محیط خطی نوری، نور دیگر را تقویت نمی‌كند و باریكه نور در محیط خطی برهم كنش نمی‌كنند.

د) هر محیط خطی دارای یک ضریب شكست است كه تغییر نمی‌كند و به شدت نور بستگی ندارد و فقط با سرعت نور سازگار است.

2-1- ویژگی‌های محیط غیرخطی

الف) اصل بر هم نهی صادق نیست

ب) فركانس نور زمانی كه به یک محیط غیرخطی وارد می‌شود، به هنگام خروج از این محیط تغییر می‌كند.

ج) دو باریكه نور در محیط غیرخطی می‌توانند با یكدیگر آمیخته شوند و یكدیگر را تقویت كنند كه در این مرحله می‌گوییم اختلاط صورت گرفته است.

د) در محیط‌های غیرخطی ضریب شكست تغییر می‌كند و به شدت نور بستگی دارد.

3-1- قطبیدگی محیط خطی و محیط غیرخطی

پدیده‌های غیرخطی در نهایت از ناتوانی دو قطبی‌های محیط اپتیكی برای پاسخ خطی به میدان متناوب‌ Eی وابسته به باریكه نور ناشی می‌شوند هسته‌های اتمی و الكترونهای درونی به ترتیب سنگین‌تر و مقیدتر از آن هستند كه به میدان متناوب E در بسامد نور (حدود  تا ) پاسخ دهند. بنابراین الكترونهای بیرونی اتم‌های ماده عمدتاً باعث قطبش محیط اپتیكی توسط میدان Eی باریكه می‌شوند. وقتی نوسان‌های این الكترونها در پاسخ  به میدان كوچك باشند قطبیدگی متناسب با میدان E است، كه توضیح این تناوب را كامل بیان می‌كنیم.

اعمال میدان در محیط منجر به انتقال كوچك ابر الكترونی نسبت به هسته‌ی آن می‌شود و یک دو قطبی القایی بوجود می‌آورد. گشتاور دو قطبی P ناشی از هر اتم یا مولكول با حاصل ضرب بار جابه‌جا شده q و فاصله موثر بین بارهای مثبت و منفی تعیین می‌شود و یا جهت گشتاور دو قطبی از بار منفی به بار مثبت است بزرگی گشتاور دو قطبی در یک ماده معین بستگی به این دارد كه بار تحت تأثیر یک میدان الكتریكی معین تا چه اندازه آسان جابه‌جا شود. آنگاه قطبیدگی P برای این محیط بنا به تعریف عبارت است از مجموع گشتاورهای دو قطبی در واحد حجم:

كه در آن N تعداد دو قطبی‌ها در واحد حجم و e قدرمطلق بار الكترون است.

الكترونها طوری رفتار می‌كنند كه انگار نیروهای مقید كننده آنها به هسته‌ها نیروی كشسانی هستند، كه با قانون هوك داده می‌شوند، كه در آن نیروی باز گرداننده متناسب با جابه‌جایی و در جهت خلاف آن است. هسته‌های سنگین‌تر را

فهرست مطالب:

چكیده……………………………………… 1

پیش گفتار…………………………………… 2

 فصل اول: نظریه تابعی چگالی

1-1 نظریه تابعی چگالی…………………………………….. 9

1-2 مسئله بس- ذره ای…………………………………….. 9

1-3 بررسی مختصر DFT…………………………………….

1-3-1 نظریه هوهنبرگ-كوهن…………………………………….. 13

1-3-2 معادلات كوهن- شم…………………………………….. 16

1-3-3 مقدار Exc……………………………………

1-3-3-1 تقریب میدان موضعی…………………………………….. 21

1-3-3-2 تقریب چگالی اسپین موضعی………………………………….. 23

1-3-3-3 گامی فراتر: تقریب بسط شیب و تقریب شیب تعمیم یافته(GGA)……..24

1-4 مفهوم ویژه مقادیر كوهن- شم…………………………………….. 29

1-4-1 ویژه مقادیر ساختگی كوهن- شم………………………………. 29

1-4-2 مسئله ناپیوستگی XC……………………………………..

1-4-3 روش موج تخت و تقریب شبه‌پتانسیل………………………… 35

1-4-3-1 موج تخت……………………………………… 35

1-4-3-2 شبه پتانسیل…………………………………….. 38

1-5 نظریه هلمن- فاینمن…………………………………….. 42

 فصل دوم: نظریه اختلال بس- ذره‌ای

2-1 مقدمه‌ای بر طیف‌نمایی‌های‌ نظری…………………………………….. 47

2-1-1 اختلال خارجی و تابع دیالکتریک………………………………………. 49

2-1-1-1 پاسخ خطی طیف اپتیكی…………………………………….. 51

2-1-2 طیف الکترونی در KS-DFT…………………………………….

2-2 شبه- ذرات و روش توابع گرین…………………………………….. 56

2-2-1 نمایش شبه- ذرات و تابع طیفی…………………………………….. 59

2-2-2 پنج ضلعی هدین…………………………………….. 60

2-2-3 تقریب GW………………………………………

2-3 روش بته- سالپیتر: معادله‌ی دو- ذره‌ای مؤثر……………………….. 66

2-3 -1 اجزاء و تقریب‌های BSE……………………………………..

فصل سوم: مطالعه ساختار الكترونی نانو صفحه تك لایه و دو لایه شش­ضلعی بورن- نیترید

3-1 خواص ساختاری و الكترونی دو لایه شش‌ضلعی بورن- نیترید………… 78

3-2 مدل بستگی قوی برای تك لایه و دو لایه بورن- نیترید…………………. 81

3-2-1 شبكه لانه زنبوری h-BN……………………………………..

3-2-2 روش كلی…………………………………….. 83

3-2-2-1 ماتریس انتقال H……………………………………..

3-2-2-2 ماتریس همپوشانی S…………………………………….

3-3 نظریه تابعی چگالی…………………………………….. 87

3-4 نتایج انطباق طیف انرژی بین DFT و TB برای تك لایه و دو لایه بورن- نیترید……..88

فصل چهارم: مطالعه خواص الكترونی و اپتیكی دو لایه شش­ضلعی بورن- نیترید، نتایج

4-1 مقدمه……………………………………. 99

4-2 روش محاسبات……………………………………… 99

4-3 بررسی خواص الكترونی و اپتیكی……………….. 102

4-4 جمع‌بندی…………………………………….. 113

پیوست

فعالیتهای پژوهشی…………………………………….. 116

چکیده:

امروزه بطور گسترده‌ای نانو صفحات چند لایه شش­ضلعی بورن- نیترید، بعلت خواص الكترونی و اپتیكی بسیار جذاب آن­ها، بطور تجربی و نظری مورد مطالعه قرار گرفته­اند. هدف اصلی این پروژه بررسی خواص الکترونی و اپتیکی نانو ساختارهایی همچون، نانو صفحات بورن- نیترید، با بهره گرفتن از نظریه­ های GW و BSE در محدوده پاسخ خطی می­باشد. در مبحث خواص الکترونی ما به محاسبه انرژی و ساختار نواری و طیف چگالی حالت شبه- ذرات خواهیم پرداخت. همچنین، از یک مدل بستگی قوی برای ساختار نواری تك- لایه و دو- لایه بورن- نیترید استفاده می­كنیم و شاخص ­های

 جهش و انرژی­های جایگاهی را با بهره گرفتن از انطباق طرح بستگی قوی و داده ­های نظریه تابعی چگالی بدست خواهیم آورد. در مبحث خواص اپتیکی، قسمت­ های حقیقی و موهومی (جذب اپتیکی) تابع دی­الکتریک، در اثر قرار دادن نانو صفحه در دو راستای میدان موازی (قطبش موازی) و میدان عمودی (قطبش عمودی)، و همچنین انرژی و اثرات  اکسیتونی و تابع توزیع احتمال الکترون در اثر قرار دادن مکان حفره در جایگاه ثابت، را بدست خواهیم آورد.

 بنابراین، با توجه به این­که محاسباتی در زمینه­ تاثیر آثار بس- ذره­ای برای نانو صفحات چند لایه شش­ضلعی بورن- نیترید انجام نشده است، این نتایج برای مطالعات تجربی و نظری آینده روی این­چنین ساختارها می ­تواند مفید باشد.

پیشگفتار:

در سال­های اخیر، پژوهش­های گسترده­ای در زمینه­ سامانه­های نانو ساختار انجام شده است، بخصوص با كوچك­تر شدن اجزای تشكیل دهنده قطعات الكترونیكی، بررسی نانو ساختارها اهمیت زیادی در زمینه­ علوم و صنعت پیدا كرده است. خواص فیزیكی این نانو ساختارها، بویژه خواص الكترونی و اپتیكی آن­ها، به رفتار و حالت­های الكترونی آن­ها بستگی دارد. از این­رو، محاسبه حالت های الكترونی مواد و تعیین ساختار نواری انرژی در آن­ها از مهمترین مباحث پژوهشی نظری و تجربی در فیزیک ماده چگال است. با توجه به این كه  بطور کلی گاز الكترون در یک جامد یک سامانه برهم‌كنش­گر است، بنابراین راه حل اساسی برای محاسبه حالت­های الكترونی مواد به حل مسئله بس- ذره­ای منتهی می­ شود. از این­رو، از آغاز پایه گذاری علم فیزیک ماده چگال، تلاش پژوهشگران بر این بوده است تا بعنوان یک تقریب، مسئله بس- ذره­ای گاز الكترون جامد را به یک مسئله قابل حل تبدیل نمایند. كلیه متون مربوط به زمینه ماده چگال و روش­های مختلف و گوناگون محاسبات ساختار نوارهای انرژی الكترونی جامدات، حكایت از به كارگیری انواع تقریب­هایی است كه برای حل معادله شرودینگر انجام می­ شود. خوشبختانه علی­رغم تقریبی بودن روش­های بس­- ذره­ای، این روش­ها موفقیت عملی فوق­العاده­ای را از خود نشان داده­اند و بنابراین در مواردی كه پیچیدگی­های ناشی از آثار برهم­كنش الكترون­ها در رفتار نهایی سامانه مؤثر باشند باید در حد امكان و با روش­های مختلف حداكثر آثار بس- ذره­ای را در محاسبات دخالت داد. در هر صورت باید توجه داشت که هر روش تقریبی گستره اعتبار خاصی دارد.

اما امروزه، هدف اغلب پژوهش­های نظری بر پایه مکانیک کوانتوم، در زمینه مباحث فیزیک ماده چگال و شیمی، یافتن برهم­کنش­های اصلی نمی ­باشد بلکه پرداختن به حل معادله شرودینگر از یک تابع هامیلتونی مشهور است که از حل آن اطلاعات مفیدی حاصل می­ شود. به­ هرحال این هامیلتونی یک مسئله بس- ذر­ه­ای را توضیح می­دهد و برای تعداد بیشتر از 10 الکترون، حل دقیق آن از لحاظ عددی عملاً امکان پذیر نیست. بعلاوه حل دقیق آن، شامل مجموعه ­ای از اطلاعات است که بدون ساده­سازی و تجزیه و تحلیل، به سختی قابل فهم است و برای یک مسئله و شرایط مشخص حاوی تعداد زیادی جزئیات است، که احتمالاً مورد علاقه نیست [1]. بنابراین بازنویسی مجدد مسئله و کار با توابع هامیلتونی مؤثر یا مقادیر انتظاری انتخاب شده که برای حل یک مسئله کاهش یافته مناسب می­باشند، اغلب بهتر است. این روش بطور ایده­ال هم محاسبه و هم تجزیه و تحلیل مقادیر مدنظر را ساده خواهد نمود.

نظریه تابعی چگالی[1] (DFT) [2و3] یكی از متداول­ترین روش­هایی است كه برای محاسبات خواص حالت پایه طراحی شده است و بر پایه اطلاع از تابع چگالی n(r) بجای تابع موج بس- ذره­ای كامل از یک سیتم N ذره­ای پایه­گذاری شده است. مبانی نظریه DFT بر اساس نظریه هوهنبرگ-كوهن- شم [2] بصورت زیر است:

1- چگالی الکترونی حالت پایه از یک سامانه برهم­کنشی از الکترون­، می ­تواند بطور کامل، پتانسیل خارجی­ v®، که الکترون­ها تجربه می­ کنند و بنابراین هامیلتونی، تابع موج بس- ذره­ای، و همه کمیت­های مشاهده پذیر از سامانه، را تعیین ­کند.

2- یک تابعی F[n]وجود دارد بطوری­که انرژی کل E[n] می ­تواند بصورت زیر نوشته شود:

 (1-1)                                                                       

این F یک تابعی عمومی است بطوری­که وابستگی تابعی­اش به چگالی برای همه سامانه­های با برهم­کنش ذره- ذره مشابه، یکسان است.

3. حالت پایه این سامانه را می­توان از طریق کمینه کردن تابعی انرژی کل E[n]برحسب چگالی بدست آورد.

معادلات كوهن- شم [2](KS) که در سال 1965 معرفی گردید، نظریه تابعی چگالی را به ابزاری خاص برای بدست آوردن چگالی حالت پایه تبدیل كرد. كوهن- شم سامانه برهم­كنش­گر واقعی را كه در آن تمام الكترون­ها به هم مربوط­اند و تحت تأثیر پتانسیل واقعی سامانه قرار دارند را با سامانه­ای غیر برهم­كنش­گر كه در آن ذرات در معرض پتانسیل مؤثری قرار می­گیرند، عوض كردند. با معرفی یک سامانه فرضی، سامانه کوهن- شم، شامل الكترون­های بدون برهم­كنشی و با اعمال یک میدان متوسط موضعی شامل پتانسیل هارتری، پتانسیل خارجی و برهم­كنش­های تبادلی- همبستگی[3](xc)، در روشی مشابه با روش هارتری- فوك به معادلات خود- سازگاری رسیدند كه با روش آن­ها چگالی حالت پایه سامانه محاسبه می­گردد. با قرار دادن این چگالی در تابعی انرژی، انرژی حالت پایه محاسبه می­ شود. درطرح کوهن- شم، الکترون­ها ازیک معادله شروینگر تک- ذره­ای ساده با یک پتانسیل خارجی مؤثر vKS پیروی می­نمایند:

(2-1)                                                                      

اوربیتال كوهن- شم iφ و ویژه مقادیر كوهن- شم iε بدست آمده، بطور کلی دارای یک معنی و مفهوم فیزیکی مستقیمی نمی­باشند اما برای ساختن چگالی درستی از سامانه برهم­كنشی بر طبق رابطه زیر استفاده می­شوند:

(3-1)                                                                                            

با توجه به این­كه vKS تابعی از چگالی الكترونی است، این معادلات باید بصورت خود سازگار حل شوند. پتانسیل مؤثر vKS معمولاً بصورت زیر نوشته می­ شود:

(4-1)                                                                          

در این معادله، جمله اول پتانسیل خارجی، برهم­كنش كولنی بین الكترون­ها و هسته، می­باشد و جمله دوم شامل قسمت كلاسیكی برهم­كنش الكترون- الكترون (هارتری) می­باشد. پیچیدگی مسئله در پتانسیل همبستگی- تبادلی vxc[n]® نهفته است كه بصورت vxc[n]®=δExc[n]/δn® تعریف می­ شود كه در آن Exc[n] انرژی همبستگی- تبادلی است.

تقریب­های بسیار مؤثری برای محاسبه Exc[n] بیان شده است، نظیر تقریب چگالی موضعی[4] (LDA) [3] یا تقریب گرادیان تعمیم یافته[5] (GGA) [4] و بسیاری از خواص حالت پایه نظیر پارامترهای شبكه یا فركانس­های فونونی، امروزه با بهره گرفتن از اصول اولیه با دقتی حدود چند درصد محاسبه می­شوند. با این وجود خاصیت­های حالت پایه­ای وجود دارند که حتی برای سامانه­های ساده بخوبی انجام نشده است. تنها حدود 10% از انرژی­های پیوندی در LDA محاسبه می­شوند و یا گزارش­های نادرستی كه برای خاصیت­های پاسخ استاتیك، همانند ثابت دی­الكتریک ∞ε، كه اغلب بطور قابل ملاحظه­ای زیاد محاسبه می­شوند، بیان شده است [5]. سامانه­های همبستگی قوی نیز مثالی است كه تقریب­های ذكر شده بالا قادر به توصیف خواص الكترونی و اپتیكی آن­ها نمی­باشند [6]. این­چنین مسئله­هایی در محاسبه خاصیت­های حالت پایه، در اعتبار استفاده از تقریب­های بكارگیری شده، محدودیت­هایی ایجاد می­كند.

نکته مهم دیگر از حالت پایه مربوط به نظریه تابعی چگالی كوهن- شم، برانگیختگی­ها (پاسخ اپتیكی به میدان الكتریكی وابسته به زمان) می­باشند كه در این نظریه قابل دسترس نیستند. البته هیچ اشكالی به تقریب­های موجود وارد نیست، بلكه واقعیت این است كه نظریه تابعی چگالی برای توصیف ­چنین پدیده­هایی کارآمد نیست. در حقیقت، حتی اگر بتوانیم ویژه مقادیر كوهن- شم را بصورت دقیق محاسبه كنیم، اختلاف آن­ها لزوماً نزدیک به انرژی­های برانگیخته اندازه ­گیری شده، نخواهد بود و دوم این­كه آن­ها برای انرژی الكترون­های اضافه شده یا حذف شده هیچ توضیحی ندارند. بنابراین شکاف انرژی كوهن- شم در گزارشات عمومی نسبت به شکاف­های انرژی اندازه ­گیری شده، بسیار كوچك است كه این به تقریب­های انتخاب شده برای پتانسیل­های همبستگی- تبادلی وابسته است. اگر بخواهیم با یک هامیلتونی مؤثر كه بتواند ویژه مقادیر را برای انرژی الكترون­های اضافه شده به سامانه یا حذف شده از آن، یا بعبارت دیگر انرژی­های برانگیختگی، تعیین کند کار کنیم، اطلاع از چگالی حالت پایه کافی نیست. برای این منظور دو رهیافت ویژه را مورد توجه قرار می­دهیم:

ابتدا، چگونگی انتشار و نوسانات ذرات در سامانه مورد نظر را بررسی می­کنیم كه منجر به پیدایش توابع همبسته مرتبط با توابع پاسخ می­ شود (همانند پاسخ خطی برای جذب اپتیكی) بطوری­که این توابع همبسته، توابع گرین تك ذره، دو ذره و یا مراتب بالاتر هستند. با بهره گرفتن از تابع گرین تك- ذره­ای كه مربوط به انتشار الكترون یا حفره است، می­توان انرژی الكترون اضافه شده یا حذف شده را اندازه ­گیری كرد. بعنوان مثال می­توان به آزمایشات اندازه ­گیری مستقیم و معكوس تابش نور به ماده اشاره کرد[6]. علاوه بر این انرژی­های برانگیختگی را می­توان از قسمت حفره- ذره­ی تابع گرین دو‌ ذره‌ای، كه به سهم خود قطب­هایی در انرژی­های برانگیختگی دارد، بدست آورد. بخش کاهش­پذیر از تابع چهار- نقطه­ای L(r, r1, r´, r1´) مربوط به تابع گرین دو- ذره­ای، منجر به تابع پاسخ دونقطه‌ای  (r, r´, ω)χ می­ شود كه طیف قابل اندازه ­گیری، همانند طیف جذب و یا طیف اتلاف انرژی الكترون[7](EELS) را مشخص می­كند. نظریه اختلال بس- ذره­ای[8] (MBPT)، چارچوبی از تقریب­های مناسب برای این­چنین توابع گرین، كه قابل دست­یابی هستند، ارائه می­دهد. بطور خاص تقریب GW، كه در سال 1965 بوسیله لارس هدین[9] [7] معرفی شد، بصورت بسیار موفق انرژی الكترون­های اضافه شده یا حذف شده برای فلزات، نیمرساناها و نارساناها را توصیف می­كند و بنابراین یكی از روش­های مورد انتخاب برای توصیف آزمایش­هایی همچون اندازه ­گیری مستقیم و معكوس تابش نور به ماده می‌باشد. در خصوص برانگیختگی­های طبیعی، معادله بته – سالپیتر[10](BSE)، نقطه شروع خوبی برای تقریب­هایی از χ [11-8] خوهد بود. بنابراین، برای یک توصیف كامل و درك فیزیكی قابل اطمینان از یک سامانه برهم­كنش­گر، بعلت ظاهر شدن توابعی نظیر L(r, r1, r´, r1´) كه مهمترین خاصیت آن­ها غیر جایگزیده بودن آن­هاست، بجای توابع جایگزیده n(r)، هزینه بالای محاسباتی باید پرداخت شود.

دومین راه، محاسبه تحول زمانی تابعی چگالی برای سامانه­ای است كه در معرض یک پتانسیل خارجی وابسته به زمان قرار گرفته است. تابع پاسخ χ، برای مثال، بطور مستقیم از رابطه پاسخ خطی بین تغییرات پتانسیل خارجی و چگالی القاء شده بدست می ­آید . این روش باعث تعمیم نظریه تابعی چگالی به نظریه تابعی چگالی وابسته به زمان[11](TDDFT) [16- 12] می­ شود. با مبنا قرار دادن نظریه رانگ- گراس[12]، می­توان بطور مستقیم خط سیر مکانیک کوانتومی در TDDFT از سامانه تحت تاثیر توسط پتانسیل خارجی وابسته به زمان را، از طریق بررسی کمیت مورد نظر در بینهایت (به جای به کمینه رسانیدن انرژی کل، آن­طوری که برای حالت پایه انجام شد)، مشابه با مکانیک کلاسیک، بدست آورد. بنابراین می­توان معادلات کوهن- شم وابسته به زمان را بصورت تعمیمی از حالت استاتیک بدست آورد و از آن­ها توابع پاسخ توضیح دهنده برانگیختگی­های طبیعی سامانه را محاسبه کرد. در این حالت، مشکل پیدا کردن تقریب­های مناسب برای پتانسیل همبستگی- تبادلی وابسته به زمان vxc[n](r,t) می­باشد. باید توجه داشت که وابستگی تابعی به چگالی در کل فضا و در همه زمان­های گذشته می­باشد. تقریب­های زیادی برای سامانه­های محدود پیشنهاد و امتحان شده ­اند. حتی تقریب بسیار ساده چگالی موضعی بی­درو[13](ALDA که می­توان آن­ را LDA وابسته به زمان نیز نامید) که بصورت  داده می­ شود، در بسیاری از موارد بسیار موفق بوده است [12و 17].

امروزه، استفاده از روش­هایی نظیر GW ، BSE و TDDFT بطور مداوم در حال گسترش است که در آن برهم­کنش­ها مهم می­باشند. البته حل مستقیم معادله شرودینگر امکان­ پذیر نمی ­باشد. پژوهش حاضر حاوی مرور و بررسی روش­های MBPT، GW و BSE، برای سامانه­های پیچیده درزمینه ­های نانوفناوری، ذخیره داده ­ها و الکترونیک نوری[14] می­باشد.

فصل اول: نظریه تابعی چگالی

1-1- نظریه تابعی چگالی

از آنجایی­که پژوهش حاضر مربوط به شبیه­سازی نظری سامانه­های واقعی مورد استفاده در فن‌آوری­های قابل سنجش می­باشد، از روش­های بكارگیری شده و مؤثر برای موفقیت این مطالعه استفاده می­كنیم. برای درك خواص حالت پایه الكترونی سامانه، از روش محاسبات اولیه[1] بر پایه نظریه تابعی چگالی (DFT) بهره گرفته­ایم. گرچه كارآیی نظریه تابعی چگالی شناخته شده است اما برای در نظر گرفتن خصوصیت­های حالت برانگیخته، مربوط به برانگیختگی­های طبیعی و بار نظیر انتشار و جذب اپتیکی، مجبور به استفاده از نظریه اختلال بس- ­ذره­ای(MBPT) خواهیم بود.

بنابراین این بخش و بخش بعدی را با خلاصه­ای از بعضی ویژگی­های مهم و البته شناخته شده مربوط به روش­های DFT و MBPT مورد استفاده در كدهای كامپیوتری، برای سامانه مورد نظر دنبال می‌كنیم.

1 Ab initio

1 Density-Functional Theory

2 Kohn-Sham

1 Exchange- correlation

2 Local Density Approximation

3 Generalized Gradient Approximations

1 Direct and inverse photoemission

2 Electron energy loss spectra

3 Many-body perturbation Theory

4 Lars Hedin