متداول‌ترین روش برای دسته‌بندی کامپوزیت‌ها، تقسیم‌بندی آنها براساس جنس زمینه است، به طوری‌که مواد کامپوزیتی در سه گروه عمده کامپوزیت‌های زمینه فلزی، زمینه پلیمری و زمینه سرامیکی قرار می‌گیرند. با این حال، می‌توان نانوکامپوزیتها را بر مبنای شکل ذرات فاز تقویت‌کننده به سه گروه نانوکامپوزیت‌های نانوذره‌ای، نانوالیافی و نانوصفحه‌ای تقسیم‌بندی کرد. در مقاله حاضر، علاوه بر معرفی انواع کامپوزیت‌ها و نانوکامپوزیتها، به منظور آشنایی و درک بهتر خوانندگان از مفاهیم بنیادین این مواد، به ارائه نمونه‌های متعدد صنعتی و تجاری‌شده از نانوکامپوزیت‌های مهندسی از جمله نانوکامپوزیت‌های الماس-نانولوله، الیاف نانویی، نانوکامپوزیت‌های دیرسوز و نانوکامپوزیت‌های خاک رس-پلیمر پرداخته شده است.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- تقسیم‌بندی کامپوزیت‌ها
3- نانوکامپوزیتها: تحولی بزرگ در مقیاسی کوچک
1-3- نانوکامپوزيت‌هاي نانوذره‌اي
2-3- نانوکامپوزيت‌هاي نانوالیافی
3-3- نانوکامپوزیت‌های نانوصفحه‌ای یا نانولایه‌ای
4- نمونه‌هایی از نانوکامپوزیت‌های تجاری‌شده
1-4- نانوکامپوزيت الماس ـ نانولوله
2-4- جديدترين خودرو نانوکامپوزيتي
3-4- توپ تنيس نانوکامپوزيتي
4-4- الياف نانویی
5-4- نانوکامپوزيت‌هاي ديرسوز
6-4- نانوکامپوزيت خاک رُس ـ پليمر
5- نتیجه‌گیری
1- مقدمه
رشد و بالندگی تمدن‌های پایدار در طول تاریخ بر پایه توسعه مواد جدید و استفاده گسترده از آنها بنا نهاده شده است، به‌طوري‌که دوره‌های تاريخی را براساس مواد نوین مورد استفاده در آن دوره نامگذاری کرده‌اند: عصر سنگ، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد، عصر سيليکون و عصر کربن. ما اکنون در عصر کربن به سر می‌بريم. امروزه مواد کربنی مدرن مانند نانولوله‌های کربنی، گرافن و نانوالماس به صورت گسترده مورد توجه قرار گرفته‌اند. تحول سیر تاریخ تنها با کشف مواد جدید امکان‌پذیر نیست، بلکه لازمه این امر آن است که شاهد تولید و استفاده گسترده از این مواد در حوزه‌های مختلف علمی و صنعتی و به‌ویژه در زندگی روزمره باشیم. یکی از مهمترین و بزرگترین بخش‌های تجاری در دنیای امروز عبارت از تولید طیف گسترده‌ای از مواد کامپوزیتی و نانوکامپوزیتی است؛ از توپ تنیس گرفته تا بدنه هواپیما‌های مسافربری و نظامی. در این میان، ورود و گسترش نانومواد مدرن تحول شگرفی را در این عرصه به وجود آورده است.
معمولاً به منظور ایجاد یا تقویت یک یا چند خاصیت فیزیکی، مکانیکی یا شیمیایی در یک ماده برای کاربردی خاص، آن را با یک یا چند ماده دیگر ترکیب می‌کنند. این فرایند «کامپوزیت سازی» نامیده می‌شود. کامپوزیت‌ها در اصل، ترکیبی از دو یا چند جزء غیر قابل انحلال در یکدیگر هستند که برای دستیابی به خواص منحصر به‌فردی که به تنهایی توسط هیچ کدام از اجزاء قابل دستیابی نیست، تولید می‌شوند. جزئی که حجم کمتری را در سیستم به خود اختصاص داده و دارای توزیع نسبتاً یکنواختی است، فاز تقویت‌کننده، و جزء پیوسته‌ای که مواد تقویت‌کننده را در خود جای میدهد، زمینه نامیده می‌شود. براساس یک قاعده کلی، خواص یک کامپوزیت به جنس زمینه، جنس تقویت‌کننده و چسبندگی بین آنها بستگی دارد. هدف از ساخت کامپوزیت‌ها، بهینه کردن برخی از خواص مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی مواد است. از جمله این خواص می‌توان به رسانایی حرارتی و الکتریکی مطلوب، خواص نوری، صوتی و ارتعاشی اشاره کرد. برای مثال، پلی‌اتیلن که به عنوان یک ماده رنگ ناپذیر برای تولید چمن مصنوعی استفاده می‌شود، با افزودن مقداری پلیمر وینیل استات به ماده‌ای رنگ‌پذیر با انعطاف‌پذیری بالا تبدیل می‌شود. در این مثال، پلی‌اتیلن فاز زمینه و ذرات وینیل استات افزودنی یا فاز تقویت‌کننده نامیده می‌شوند.
2- تقسیم‌بندی کامپوزیت‌ها
کامپوزیت‌ها را می‌توان براساس جنس ماده زمینه، نحوه تشکیل فاز تقویت‌کننده و یا ابعاد آنها تقسیم‌بندی کرد. بر مبنای جنس ماده زمینه، کامپوزیت‌ها به چهار دسته کلی کامپوزیت‌های زمینه فلزی، سرامیکی، آلی (پلیمری و کربنی) و بین فلزی تقسیم می‌شوند. کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی، غالباً برای کاربردهای دما بالا که در آنها حفظ استحکام با افزایش دما امری ضروری است، به کار می‌روند. این کامپوزیت‌ها علی‌رغم خواص منحصربه‌فرد مانند چگالی پایین، سختی و استحکام بالا، محدودیت‌هایی نیز دارد. از جمله این محدودیت‌ها می‌توان به مقاومت پایین در برابر ضربه، تردی، شکست سریع در صورت وجود ترک‌های سطحی و داخلی، مقاومت حرارتی پایین، شوک‌پذیری مکانیکی بسیار کم و غیریکنواخت بودن خواص در سراسر قطعه اشاره کرد. بنابراین، هدف از تولید کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی غلبه بر این محدودیت‌ها با افزودن تقویت‌کننده‌های مناسب است. شکل 1-الف تصویری از یک کامپوزیت سرامیکی را نشان میدهد که در آن، زمینه کاربید سیلیسیم توسط ذرات جدا از هم الماس (جزایر مشکی) تقویت شده است.
معمولاً برای ساخت کامپوزیت‌های زمینه فلزی از اکسیدهای سرامیکی به عنوان تقویت‌کننده استفاده می‌شود. اما یکی از محدودیت‌های اصلی در انتخاب نوع تقویت‌کننده و دمای فرآوری کامپوزیت‌های زمینه فلزی، وجود اختلاف قابل ملاحظه در ضرایب انبساط حرارتی سرامیک‌ها و فلزات است. عدم انتخاب مناسب نوع تقویت‌کننده منجر به کاهش شدید خواص مکانیکی می‌شود. از مهمترین خواص کامپوزیت‌های زمینه فلزی می‌توان به استحکام ویژه (نسبت استحکام به وزن) نسبتاً بالا، سختی و ضریب انبساط حرارتی مطلوب برای اکثر کاربردهای مهندسی اشاره کرد. این مواد در مقایسه با کامپوزیت‌های زمینه پلیمری، دارای استحکام قابل ملاحظه و مقاومت نسبتاً بالا در برابر عوامل و آسیب‌های محیطی است. همچنین، مقاومت در برابر نفوذ گازها، رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا، و پایداری حرارتی نسبتاً خوب، از نقاط قوت کامپوزیت‌های زمینه فلزی محسوب می‌شوند. شکل 1-ج تصویر میکروسکوپی بزرگنمایی‌شده از یک کامپوزیت زمینه فلزی آلومینیم تقویت شده با ذرات الماس را نشان میدهد.
3- نانوکامپوزیتها: تحولی بزرگ در مقیاسی کوچک
گذر از میکروذرات به نانوذرات منجر به تحولات قابل توجهی در خواص فیزیکی مواد می‌شود. در یک حجم مشخص، مواد نانومتری دارای سطح بزرگ‌تری هستند. از آنجایی‌که بسیاری از برهم‌کنش‌های فیزیکی و شیمیایی مهم توسط سطوح و خواص آنها کنترل می‌شود، یک ماده نانوساختار اساساً دارای خواص متفاوتی نسبت به موادی با ابعاد بزرگ‌تر و ترکیب شیمیایی یکسان است. در مورد ذرات و الیاف، مساحت سطح در واحد حجم به طور معکوس با قطر ماده متناسب است، بنابراین، هرچه قطر کوچک‌تر باشد، مساحت سطح در واحد حجم بزرگ‌تر خواهد بود. هندسه اشکال متداول و نسبت مساحت سطح به حجم آنها در شکل 2 آورده شده است.
برای الیاف و صفحات، نسبت سطح به حجم به ویژه در حالت نانومتری با استفاده از اولین عبارت موجود در معادله 
محاسبه می‌شود. دومین عبارت (2L-1 , 4L-1 ) دارای مقدار بسیار ناچیز نسبت به عبارت اول بوده و لذا قابل صرف‌نظر است. بنابراین، از نظر منطقی، تغییر قطر ذره، ضخامت صفحه، و یا قطر لیف از میکرومتر به نانومتر، باعث هزار برابر شدن نسبت سطح به حجم یا به اصطلاح «نسبت ابعادی» می‌شود. لازم به ذکر است که میزان اثربخشی نانومواد تقویت‌کننده در نانوکامپوزیتها تا حد زیادی به میزان پخش شدن یکنواخت آنها در سرتاسر زمینه بستگی دارد. نانوکامپوزیتها براساس شکل اجزای تقویت‌کننده به سه گروه عمده تقسیم می‌شوند که در ادامه مورد مطالعه قرار می‌گیرند.
محاسبه می‌شود. دومین عبارت (2L-1 , 4L-1 ) دارای مقدار بسیار ناچیز نسبت به عبارت اول بوده و لذا قابل صرف‌نظر است. بنابراین، از نظر منطقی، تغییر قطر ذره، ضخامت صفحه، و یا قطر لیف از میکرومتر به نانومتر، باعث هزار برابر شدن نسبت سطح به حجم یا به اصطلاح «نسبت ابعادی» می‌شود. لازم به ذکر است که میزان اثربخشی نانومواد تقویت‌کننده در نانوکامپوزیتها تا حد زیادی به میزان پخش شدن یکنواخت آنها در سرتاسر زمینه بستگی دارد. نانوکامپوزیتها براساس شکل اجزای تقویت‌کننده به سه گروه عمده تقسیم می‌شوند که در ادامه مورد مطالعه قرار می‌گیرند.1-3- نانوکامپوزيت‌های نانوذره‌ای
در اين کامپوزيت‌ها از نانوذرات (مانند نانوذرات فلزی و سرامیکی) به عنوان تقويت کننده استفاده می‌شود. مثلاً در نانوکامپوزيت‌های زمینه پليمری، مقادير کمی (کمتر از 10 درصدِ وزنی) از نانوذرات سرامیکی استفاده می‌شود تا نسبت استحکام به وزن آنها به مراتب افزایش یابد. مهمترين کامپوزيت‌های نانوذره‌ای، سبک‌ترين آنها هستند. جنرال موتورز و تويوتا اتومبیل‌هایی را با استفاده از نانوکامپوزيت‌های حاوی نانوذرات سيليکاتی تولید کرده‌اند که علاوه بر استحکام بالا، وزن کمتر و مصرف سوخت پایین‌تری دارند. کامپوزيت‌های حاوی نانوذرات سيليکاتی به دلیل برخورداری از خواص دیرسوزی مناسب، برای جلوگیری از آتش گرفتن کامل رختخواب‌ها، پرده‌ها و وسائل اماکن مسکونی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در شکل 3-الف نمونه‌ای از نانوکامپوزیت‌های نانوذره‌ای نشان داده شده است.
2-3- نانوکامپوزيت‌های نانوالیافی
در اين نانوکامپوزيت‌ها، نانوالیاف یا نانولوله‌های تک ديواره/ چند ديواره در زمینه کامپوزيت به‌طور یکنواخت توزيع مي‌شوند. با کاهش قيمت نانولوله‌ها و رفع موانع اختلاط آنها، می‌توان نانوکامپوزیت‌های زمینه پلیمری مناسبی ساخت که رسانايي و استحکام بسیار بالایی داشته و کاربردهای حيرت‌انگيزی مانند آسانسور‌های فضايی براي آن قابل انتظار است. در سال‌های اخیر، تحقيقات گسترده‌ای بر روی توزيع (dispersion) نانولوله‌هاي کربنی در پليمرها، فلزات و سرامیک‌ها انجام شده است. از آنجایی‌که نانولوله‌های تک ديواره خواص مکانیکی و رسانايي الکتريکي مطلوبی (در حد فلزات) دارند، تلاش‌های زیادی برای جايگزين کردن آنها در صنعت شده است. در دسترس‌بودن و تجاری شدن نانولوله‌های چند ديواره، باعث پيشرفت بيشتری در اين زمينه شده است و محصولاتی مانند رنگ‌های پودری حاوی نانولوله‌های کربنی چند ديواره در حال تجاری شدن هستند. استفاده از اين نانولوله‌ها باعث افزایش خواص مکانیکی و رسانايی الکتريکی در مقادیر کم فاز تقويت کننده می‌شود و کاربردهای نظامي زیادی مانند پوشش‌های الکتريکی-مغناطيسی، کامپوزيت‌های رسانای گرما و لباس‌های سربازان آينده خواهد یافت. ساختار نمونه‌ای از نانوکامپوزیت‌های نانولوله‌ای در شکل 3- ب آورده شده است.
3-3- نانوکامپوزیت‌های نانوصفحه‌ای یا نانولایه‌ای
رس یکی از مهمترین تقویت‌کننده‌های نانوصفحه‌ای است. ساختار خاک رس از لایه‌‌هایی تشکیل می‌شود که بر روی یکدیگر چیده شده‌اند. با افزایش فاصله این صفحات و از هم باز شدن آنها می‌توان به تک صفحات جدا از هم رس دست یافت که به آن «نانورس» گفته می‌شود. توزیع یکنواخت این صفحات در زمینه پلیمری، منجر به بهبود خواص مکانیکی، افزایش مقاومت حرارتی، بهبود مقاومت در برابر نفوذ گازها و افزایش مقاومت در برابر اشتعال‌پذیری می‌شود. شکل 3 -ج توزیع نسبتاً یکنواختی از نانورس را در زمینه پلیمری نشان میدهد.
4- نمونه‌هایی از نانوکامپوزیت‌های تجاری‌شده
1-4- نانوکامپوزيت الماس ـ نانولوله
به عنوان مثالی جذاب از نانوکامپوزیت‌های مدرن، نانوکامپوزیت الماس- نانولوله کربنی معرفی می‌شود. محققان سخت‌ترين ماده شناخته‌شده در جهان یعنی الماس را با نانولوله‌های کربنی ترکيب کرده و کامپوزيتی با خواص جديد تولید کرده‌اند. الماس سختی بسیار بالایی دارد ولي رسانای جريان الکتريسيته نيست. نانولوله‌های کربنی علاوه بر سختی بسیار بالا، رسانای جريان الکتريسيته هستند. با ترکیب این دو ماده با يکديگر در مقياس نانومتر، کامپوزيتی با خواص بسیار ويژه به‌دست می‌آید که در نمايشگرهای مسطح کاربرد دارد. در این نانوکامپوزیتها، الماس از گسیختگی نانولوله‌های کربني جلوگیری می‌کند. حال چنانچه نمايشگر را فقط از نانولوله‌های کربنی بسازند، ممکن است به‌راحتی از یکدیگر گسيخته شوند.
اين کامپوزيت در رديابی‌های زيستي (Biomarking) نیز کاربرد دارد بهطوریکه نانولوله‌ها به مولکول‌های زيستي چسبیده و مانند یک حسگر عمل می‌کنند. الماس نيز به عنوان يک الکترود بسیار حساس رفتار می‌کند. با وجود این کاربردها هنوز معلوم نیست که الماس و نانولوله‌های کربنی چگونه محکم به یکدیگر متصل شده‌اند.
اين کامپوزيت در رديابی‌های زيستي (Biomarking) نیز کاربرد دارد بهطوریکه نانولوله‌ها به مولکول‌های زيستي چسبیده و مانند یک حسگر عمل می‌کنند. الماس نيز به عنوان يک الکترود بسیار حساس رفتار می‌کند. با وجود این کاربردها هنوز معلوم نیست که الماس و نانولوله‌های کربنی چگونه محکم به یکدیگر متصل شده‌اند.
2-4- جديدترين خودرو نانوکامپوزيتی
شرکت جنرال‌موتورز خودرویی را طراحي کرده که در بخش‌های مختلف آن، از مواد نانوکامپوزيتی استفاده شده است. این خودرو از نمونه‌های مشابه قبلی، حدود 8 درصد سبک‌تر بوده و در برابر تغييرات دمايی نیز مقاوم است.
3-4- توپ تنيس نانوکامپوزيتی
شرکت ورزشی ويلسون، توپ تنيس دو لايه‌ای را به بازار عرضه کرده که عمر مفيد آن دو برابر توپ‌های معمولی است (حدود چهار هفته). این توپ تنیس از لحاظ خاصيت ارتجاعی و وزن مشابه توپ‌های معمولی است. دوام بالای توپ‌های نانوکامپوزیتی ناشی از پوشش داخلی نانوکامپوزيتی به ضخامت 20 ميکرون است که مانع خروج هوا از توپ هنگام ضربه می‌شود، اما توپ‌های معمولی از جنس لاستيک بوده و در برابر هوا نفوذپذيرند.
4-4- الياف نانویی
با پیدایش نانوالیاف، تحولی در صنعت نساجی به وجود آمده است. امروزه ساخت کامپوزيت‌های تقويت شده با نانوالياف پيشرفت زیادی کرده است. برای نمونه، امروزه الیاف کربنی جامد و توخالي با طول چند ميکرون و قطر خارجي 2 تا بيش از 100 نانومتر تولید می‌شوند و در ساخت نانوکامپوزيت‌ها و روکش‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
با استفاده از دستگاه الکتروریسی (electrospinning) می‌توان طیف وسیعی از نانوالیاف پلیمری، سرامیکی و فلزی را با استفاده از محلول حاوی مولکول‌ها و پیش ماده ترکیبات مختلف تولید کرد. غشا‌های نانوالیافی الکتروریسی‌شده در فيلتراسيون مايعات، گازها و مولکول‌ها، دارورسانی هوشمند با استفاده از مواد آزادکننده دارو در بدن، پوشش زخم‌ها، ترميم پوست، نانوکامپوزيت‌ها، نانوحسگرها، لباس‌های محافظ نظامی و غیره کاربرد دارند.
مهمترين تأثير نانوکامپوزيت‌ها در آينده، کاهش وزن محصولات در کنار افزایش سرعت و بازده آنها خواهد بود. سازمان فضايی آمريکا (ناسا) در زمینه حمايت از گسترش علم و فناوری نانو بسيار فعال است. فناوری نانو تاثیر بسیاری بر عملکرد فضا پيماها، هواپيماهای تجاری، فناوری موشک، کاهش وزن مواد ساختمانی سازه‌های بزرگ، اجزای موتور راکت‌ها و صفحات خورشيدي خواهد داشت. شکل 4 استفاده از محصولات فناوری نانو در بخش‌های مختلف یک فضاپیما را نشان میدهد.
با استفاده از دستگاه الکتروریسی (electrospinning) می‌توان طیف وسیعی از نانوالیاف پلیمری، سرامیکی و فلزی را با استفاده از محلول حاوی مولکول‌ها و پیش ماده ترکیبات مختلف تولید کرد. غشا‌های نانوالیافی الکتروریسی‌شده در فيلتراسيون مايعات، گازها و مولکول‌ها، دارورسانی هوشمند با استفاده از مواد آزادکننده دارو در بدن، پوشش زخم‌ها، ترميم پوست، نانوکامپوزيت‌ها، نانوحسگرها، لباس‌های محافظ نظامی و غیره کاربرد دارند.
مهمترين تأثير نانوکامپوزيت‌ها در آينده، کاهش وزن محصولات در کنار افزایش سرعت و بازده آنها خواهد بود. سازمان فضايی آمريکا (ناسا) در زمینه حمايت از گسترش علم و فناوری نانو بسيار فعال است. فناوری نانو تاثیر بسیاری بر عملکرد فضا پيماها، هواپيماهای تجاری، فناوری موشک، کاهش وزن مواد ساختمانی سازه‌های بزرگ، اجزای موتور راکت‌ها و صفحات خورشيدي خواهد داشت. شکل 4 استفاده از محصولات فناوری نانو در بخش‌های مختلف یک فضاپیما را نشان میدهد.
نانوکامپوزيت‌ها در تجهیزات نظامی نیز کاربردهای فراوانی دارند. برای نمونه، با استفاده از این مواد می‌توان قطعات الکترونيکی حساس در برابر تشعشع را به‌خوبی محافظت کرد و یا تجهیزات را از دید رادارها مخفی نمود. نانوکامپوزيت‌ها در صنایع بسته‌بندی مواد غذایی نیز کاربرد دارند. این مواد با جلوگیری موثرتر از نفوذ گازها، ماندگاری مواد غذایی را افزایش می‌دهند؛ هر چند زیست سازگاری این مواد نیز از اهمیت بسزایی برخوردار است.
5-4- نانوکامپوزيت‌های ديرسوز
امروزه حجم وسيعي از کالاهای مصرفي را پليمرهايی تشکيل می‌دهند که به‌راحتی می‌سوزند و خسارات زیادی به بار می‌آورند. بنابراین استانداردهای جديد ايمنی، استفاده از مواد پلیمری ديرسوز را در ساخت پليمرهای مورد استفاده در خودروسازی، صنايع الکترونيک، صنايع نظامی و تجهيزات حفاظتی و حتی لوازم خانگی، در دستور کار خود قرار داده است و کشورهای صنعتی، برای ساخت مواد ايمن‌تر در برابر آتش، تلاش‌های زیادی کرده و نتايج مطلوبي را نیز به‌دست آورده‌اند. برای تهيه پليمرهای ديرسوز، علاوه بر اشتعال‌پذیری، عوامل دیگری را نیز بايد در نظر گرفت. مثلا باید از مواد افزودني ارزان قيمت استفاده کرد تا قيمت تمام شده محصول کاهش یابد. همچنین این مواد باید به گونه‌ای انتخاب شوند که به آساني با پليمر فرآوری شده و تغيير قابل توجهی در خواص كاربردي پليمر ايجاد نكنند. پسماند اين مواد نیز نبايد مشکلات زيست محيطي به وجود آورد. با توجه به اين موارد، خاک رس یکی از بهترين مواد افزودنی به پليمرها محسوب می‌شود که اشتعال‌پذیری آن را به تأخير می‌اندازد و سبب ايمني بيشتر تجهیزات و لوازم می‌شود. مزيت ديگر خاک رس فراوانی آن است. لذا نانوکامپوزيت‌های پليمر- خاک رس جايگزين مناسبي برای مواد پليمری معمولی از نظر اشتعال‌پذیری به شمار می‌روند. مکانیزم‌های مختلفی برای توجیه افزایش مقاومت به اشتعال با افزودن نانوذرات پیشنهاد شده است. بر اساس یکی از معروف‌ترین آنها، نانوذرات موجب طولانی‌تر کردن مسیر نفوذ اکسیژن به داخل ماده و آغاز واکنش حریق می‌شود. هرچه کسر حجمی فاز تقویت‌کننده بیشتر و ذرات ریزتر باشند، مقاومت به اشتعال‌پذیری بیشتر خواهد بود.
6-4- نانوکامپوزيتِ خاک رُس ـ پليمر
در نانوکامپوزیت‌های خاک رس- پلیمر، از خاک رُس به عنوان فاز تقویت‌کننده براي بهبود خواص پليمر استفاده می‌شود. خاک رُس دارای ساختار لايه لايه است که ضخامت هر لایه در حدود يک نانومتر می‌باشد. صدها يا هزاران لايه با نيروهای ضعيف واندروالسي بر روی یکدیگر قرار می‌گیرند تا يک دانه رُسي را تشکيل دهند. این ذرات رُسی را می‌توان با چینشی مناسب در درون زمینه پليمری، به اَشکال و ساختارهای گوناگون و سازمان يافته توزیع نمود. بسياری از خواص مهندسی با افزودن مقادیر کمی از نانوذرات (کمتر از 5 درصد وزنی) بهبود قابل توجهی می‌يابند. حضور لایه‌های رس در نانوکامپوزيت‌های رُس- پليمر تأثير قابل‌ملاحظه‌ای بر روی خواص نوری پليمر ندارند؛ زیرا ضخامت يک لايه رُس منفرد از طول موج نور مرئي بسيار کمتر است و لذا این نانوکامپوزيت‌ها شفاف هستند. میزان اشتعال‌پذیری اين نانوكامپوزيت‌ها با افزودن 6 درصد وزنی رس، حدود 70 درصد کمتر از پليمر خالص است و علاوه بر این، اغلب خواص كاربردي پليمر نيز تقويت می‌شود. كاهش اشتعال‌پذیری و بهبود همزمان خواص كاربردی پليمرها، منحصراً به کمک فناوري نانو قابل دستیابی است.
اولين کاربرد تجاری نانوکامپوزيت‌های رُس- نايلون 6، در سال 1991 توسعه یافت که از آن، برای روکش نوار زمان‌سنج در ماشين‌های تويوتا استفاده شد. خواص مکانيکي این نانوکامپوزیتها که تنها حاوی پنج درصد سيليکات هستند، نسبت به نايلون خالص بسیار بهتر است، بهطوریکه مقاومت کششی اين نانوکامپوزيت 40 درصد، مدول کششي آن 68 درصد، و انعطاف‌پذيري آن 60 درصد بيشتر از نایلون خالص است. دمای تغييرشکل آن نيز از 65 درجه سانتی‌گراد به 152 درجه سانتی‌گراد افزايش پیدا می‌کند. این در حالی است که مقاومت به ضربه آن تنها 10 درصد کاهش می‌یابد. شایان ذکر است که دسته خاصی از نانوکامپوزيت‌های پليمری تقویت شده با نانورس علاوه بر پايداری حرارتی بالاتر، نفوذپذيری کمتری در برابر گازها و مقاومت بيشتری در برابر انحلال از خود نشان می‌دهند.
افزودن نانوذرات خاک رُس (نانورس) به لاستيک، مزیت‌های بسیاری از جمله افزايش مقاومت لاستيک در برابر سايش، افزايش استحکام مکانيکی، افزايش مقاومت حرارتی، کاهش اشتعال‌پذیری و کاهش وزن لاستيک به همراه دارد. لذا از این نانوکامپوزيت‌ها در صنعت لاستيک سازی نیز استفاده می‌شود.
اولين کاربرد تجاری نانوکامپوزيت‌های رُس- نايلون 6، در سال 1991 توسعه یافت که از آن، برای روکش نوار زمان‌سنج در ماشين‌های تويوتا استفاده شد. خواص مکانيکي این نانوکامپوزیتها که تنها حاوی پنج درصد سيليکات هستند، نسبت به نايلون خالص بسیار بهتر است، بهطوریکه مقاومت کششی اين نانوکامپوزيت 40 درصد، مدول کششي آن 68 درصد، و انعطاف‌پذيري آن 60 درصد بيشتر از نایلون خالص است. دمای تغييرشکل آن نيز از 65 درجه سانتی‌گراد به 152 درجه سانتی‌گراد افزايش پیدا می‌کند. این در حالی است که مقاومت به ضربه آن تنها 10 درصد کاهش می‌یابد. شایان ذکر است که دسته خاصی از نانوکامپوزيت‌های پليمری تقویت شده با نانورس علاوه بر پايداری حرارتی بالاتر، نفوذپذيری کمتری در برابر گازها و مقاومت بيشتری در برابر انحلال از خود نشان می‌دهند.
افزودن نانوذرات خاک رُس (نانورس) به لاستيک، مزیت‌های بسیاری از جمله افزايش مقاومت لاستيک در برابر سايش، افزايش استحکام مکانيکی، افزايش مقاومت حرارتی، کاهش اشتعال‌پذیری و کاهش وزن لاستيک به همراه دارد. لذا از این نانوکامپوزيت‌ها در صنعت لاستيک سازی نیز استفاده می‌شود.
نتیجه‌گیری
مواد مرکبی که در آنها حداقل یکی از ابعاد اجزای تقویت‌کننده کمتر از 100 نانومتر باشد، نانوکامپوزیت نامیده می‌شوند. نسبت ابعادی (Aspect Ratio) کمیتی است که نشان دهنده میزان برهم‌کنش زمینه با اجزای تقویت‌کننده از طریق فصل مشترک آنها در نانوکامپوزیت است و به صورت نسبت سطح به حجم اجزای تقویت‌کننده تعریف می‌شود. هرچه ابعاد اجزای تقویت‌کننده کوچک‌تر باشد، میزان اثربخشی آنها در فاز زمینه بیشتر خواهد بود. علاوه بر شکل اجزای تقویت‌کننده (ذره، لیف یا صفحه)، یکنواختی در پخش این اجزا در زمینه به میزان زیادی بر روی نسبت ابعادی تاثیر می‌گذارد. نانوکامپوزیت‌های پلیمری متداول‌ترین دسته از نانوکامپوزیتها هستند که به‌طور گسترده در زندگی روزمره مورد استفاده قرار می‌گیرند. در مقاله حاضر، مهمترین نمونه‌های نانوکامپوزیتی تجاری شده مانند نانوکامپوزیت‌های الماس-نانولوله، الیاف نانویی، نانوکامپوزیت‌های دیرسوز و نانوکامپوزیت‌های خاک رس-پلیمر مورد مطالعه قرار گرفتند. مشاهده شد که افزودن تقویت‌کننده‌ها به زمینه‌های مختلف می‌تواند خواص آنها را به شدت تحت تاثیر قرار دهد.
منابـــع و مراجــــع
۱ – Guo, B., et al., Microstructuresmechanical properties of carbon nanotubes reinforced pure aluminum composites synthesized by spark plasma sinteringhot rolling. Materials ScienceEngineering: A, 2017.
۲ – Kalsoom, U., et al., A 3D printable diamond polymer composite: a novel material for fabrication of low cost thermally conducting devices. RSC Advances, 2016. 6(44): p. 38140-38147.
۳ – Yang, W., et al., Enhanced thermal conductivitystability of diamond/aluminum composite by introduction of carbide interface layer. DiamondRelated Materials, 2014. 46: p. 35-41.
۴ – Hussan, F., et al., Review article: Polymer-matrix Nanocomposites, Processing, ManufacturingApplication. J. comp. mat, 2006. 40(17).
۵ – Tjong, S.C., Novel nanoparticle‐reinforced metal matrix composites with enhanced mechanical properties. Advanced engineering materials, 2007. 9(8): p. 639-652.
۶ – Yamamoto, G., et al., A novel structure for carbon nanotube reinforced alumina composites with improved mechanical properties. Nanotechnology, 2008. 19(31): p. 315708.
۷ – Yasmin, A., J.L. Abot,I.M. Daniel, Processing of clay/epoxy nanocomposites by shear mixing. a materialia, 2003. 49(1): p. 81-86.
