—d1896

فصل دوم - آئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی
2-1. 1برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگریز، ب) آئروژل آب‌دوست18
2-2. فازهای مغناطیسی، الف) پارامغناطیس، ب) فرومغناطیس، ج) پادفرومغناطیس، د) فری مغناطیس23
2-3. حلقه پسماند ماده فرو مغناطیس25
2-4. حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس نرم و سخت26
فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت31
3-2. اصلاح شیمی سطح ژل34
3-3. چرخه فشار-دما در حین فرآیند خشک کردن فوق بحرانی36
3-4. شماتیکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو36
فصل چهارم - سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
4-1. فازهای مجزا نمونه روی همزن52
4-2. نمونه‌های در قالب ریخته شده52
4-3. نمونه الکوژل53
4-4. نمونه آئروژل54
4-5. تصاویر FE-SEM نمونه‌ها الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.55
4-6. نمودار توزیع اندازه ذرات الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%56
4-7 . پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% پیش از عملیات حرارتی58
4-8. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 600 درجهی سانتیگراد59
4-9. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 800 درجهی سانتیگراد60
4-10. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 600 درجه‌ی سانتی ‌گراد61
4-11. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 800 درجه‌ی سانتی ‌گراد62
4-12. طیف‌های جذبی FT-IR الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.65
4-13. تصویر TEM یکی از نمونه‌ها67
4-14. نمودارهای لانگمیر الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%69
4-15. نمودارهای BET الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%71
4-16. جذب و واجذب الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.72
4-17. حلقه پسماند نمونه‌ها قبل از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.74
4-18. حلقه پسماند نمونه‌ها بعد از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.75

فهرست جداول
عنوان صفحه
فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. کاربردهای مختلف آئروژل‌ها48
TOC o "1-3" h z u
فصل چهارم - سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
4-1. میزان گرم و لیتر مواد مورد نیاز51
4-2. نتایج حاصل از XRD63
لیست علایم و اختصارات
برونر، امت، تلر(Brunauer, Emmett, Teller) BET
پراش پرتو ایکس (X-Ray Diffraction) XRD
مغناطیسسنج نمونهی ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometer) VSM
میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FE-SEM
میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy) TEM
آنگسترم (Angestrom) Å
اورستد (Oersted) Oe
نانومتر (Nanometer) nm
واحد مغناطیسی (Electromagnetic Units) emu
فصل اولمفاهیم اولیه1854668136024
مقدمهاز اواخر قرن بیستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوینی معطوف کردند که به عقیده‌ی عده‌ای تحولی عظیم در زندگی بشر ایجاد می‌کند. این فناوری نوین که در رشته‌هایی همچون فیزیک، شیمی و مهندسی از اهمیت زیادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. می‌توان گفت که نانوفناوری رویکردی جدید در تمام علوم و رشته‌ها می‌باشد و این امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با یک روش معین به مطالعه‌ی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبک‌های مختلف به بازآرایی اتم‌ها و مولکول‌ها بپردازد.
در چند سال اخیر، چه در فیزیک تجربی و چه در فیزیک نظری، توجه قابل ملاحظه‌ای به مطالعه‌ی نانوساختارها با ابعاد کم شده است و از این ساختارها نه تنها برای درک مفاهیم پایه‌ای فیزیک بلکه برای طراحی تجهیزات و وسایلی در ابعاد نانومتر استفاده شدهاست. وقتی که ابعاد یک ماده از اندازه‌های بزرگ مانند متر و سانتیمتر به اندازه‌هایی در حدود یک دهم نانومتر یا کمتر کاهش می‌یابد، اثرات کوانتومی را می‌توان دید و این اثرات به مقدار زیاد خواص ماده را تحت الشعاع قرار می‌دهد. خواصی نظیر رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی یا ویژگی‌های نوری، مغناطیسی و الکتریکی ماده از جمله‌ی این خواص‌ می‌باشند [1].
1-1 شاخه‌های فناوری نانوتفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر بیان نماییم، می‌توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. اولین و مهمترین عنصر پایه نانو ذره است. نانوذره یک ذره‌ی میکروسکوپی است که حداقل طول یک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و میتوانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و نانوبلورها که زیر مجموعهای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومین عنصر پایه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر می‌باشد. عنصر پایه‌ی بعدی نانولوله‌ها هستند که خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می‌دهند و شامل نانولوله‌های کربنی، نیترید بور و نانولوله‌های آلی می‌باشند [4].
1-2 روش‌های ساخت نانوساختارهاتولید و بهینهسازی مواد بسیار ریز، اساس بسیاری از تحقیقات و فناوری‌های امروزی است. دستورالعمل‌های مختلفی در خصوص تولید ذرات بسیار ریز در شرایط تعلیق وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشریح دقیق فرآیند رسوب‌گیری و روش‌های افزایش مقیاس این فرآیندها در مقیاس تجاری محدودیت وجود دارد. برای تولید این نوع مواد بسیار ریز از پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی یا به طور همزمان از هر دو استفاده می‌شود. برای تولید یک ذره با اندازه مشخص دو فرآیند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پایین) و دیگری ساخته شدن) پایین به بالا). معمولا روش‌های پائین به بالا ضایعاتی ندارند، هر چند الزاما این مسأله صادق نیست [6 و5]. مراحل مختلف تولید ذرات بسیار ریز عبارت است از، مرحله‌ی هسته‌زایی اولیه و مرحله‌ی هسته‌زایی و رشد خود به خودی. در ادامه به طور خلاصه روش‌های مختلف تولید نانوذرات را بیان می‌کنیم. به طور کلی روش‌های تولید نانوذرات عبارتند از:
 چگالش بخار
 سنتز شیمیایی
 فرآیندهای حالت جامد (خردایشی)
 استفاده از شاره‌ها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی
 استفاده از امواج ماکروویو و امواج مافوق صوت
 استفاده از باکتری‌هایی که میتوانند نانوذرات مغناطیسی و نقره‌ای تولید کنند
پس از تولید نانوذرات می‌توان با توجه به نوع کاربرد آن‌ها از روش‌های رایج زمینه‌ای مثل روکشدهی یا اصلاح شیمیایی نیز استفاده کرد [7].
1-3 کاربردهای نانوساختارهایکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت می‌توان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری تولید نمود. این نانوکاتالیزورها بازده واکنش‌های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنش‌ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانو‌ذرات در تولید مواد دیگر استحکام آن‌ها را افزایش داده و یا وزن آن‌ها را کم می‌کند. همچنین مقاومت شیمیایی و حرارتی آن‌ها را بالا برده و واکنش آن‌ها در برابر نور وتشعشعات دیگر را تغییر می‌دهد.
با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت. اخیرا در ساخت شیشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارآیی این نوع شیشهها، عمر آن‌ها را نیز چندین برابر نمودهاست .از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده‌ها، رنگ‌ها، لایه‌های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه‌ها، عینک‌ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی‌ها و در حفاظ‌های الکترومغناطیسی شیشه‌های اتومبیل و پنجره استفاده می‌شود. پوشش‌های ضد نوشته برای دیوارها و پوششهای سرامیکی برای افزایش استحکام سلول‌های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده‌اند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر می‌رسد یکی از ویژگی‌هایی که تحت تأثیر این کوچک شدن اندازه قرارمی‌گیرد تأثیرپذیری از نور و امواج الکترومغناطیسی است. با توجه به این موضوع اخیراً چسب‌هایی از نانوذرات تولید شده‌اند که کاربردهای مهمی در صنایع الکترونیکی دارند. نانولوله‌ها در موارد الکتریکی، مکانیکی و اپتیکی بسیار مورد توجه بوده‌اند. روش‌های تولید نانولوله‌ها نیز متفاوت می‌باشد، همانند تولید آن‌ها بر پایه محلول و فاز بخار یا روش رشد نانولوله‌ها در قالب که توسط مارتین مطرح شد. نانولایه‌ها در پوشش‌های حفاظتی با افزایش مقاومت در خوردگی و افزایش سختی در سطوح و فوتولیز و کاهش شیمیایی کاربرد دارند.
نانوذرات نیز به عنوان پیشماده یا اصلاح ساز در پدیده های فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرارگرفته‌اند. هاروتا و تامسون اثبات کردند که نانوذرات فعالیت کاتالیستی وسیعی دارند، مثل تبدیل مونواکسید کربن به دی اکسید کربن، هیدروژنه کردن استیرن به اتیل بنزن و هیدروژنه کردن ترکیبات اولفیتی در فشار بالا و فعالیت کاتالیستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بین الکترود و الکترولیت ارتباط برقرار می‌کنند [7].
1-4 مواد نانومتخلخلمواد نانو متخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی زیاد، گزینشپذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی‌های مهم آن‌ها می‌باشد. با توجه به ویژگی‎‌های ساختاری، این به عنوان تبادل‌گر یونی، جدا کننده، کاتالیزور، حس‌گر، غشا و مواد عایق استفاده می‌شود.
نسبت حجمی فضای خالی ماده‌ی متخلخل به حجم کل ماده‌ تخلخل نامیده میشود. به موادی که تخلخل آن‌ها بین 2/0 تا 95/0 باشد نیز مواد متخلخل می‌گویند. حفره‌ای که متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ی باز نام دارد که برای صاف کردن غشا، جداسازی و کاربردهای شیمیایی مثل کاتالیزور و کروماتوگرافی (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آن‌ها) مناسب است. به حفره‌ای که دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ی بسته می‌گویند که وجود آن‌ها تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و کاهش وزن ماده شده و در کاربردهای شیمیایی سهمی ندارد. حفره‌ها دارای اشکال گوناگونی همچون کروی، استوانهای، شیاری، قیفی شکل و یا آرایش شش گوش هستند. همچنین تخلخل‌ها می‌توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند [7].
بر اساس دستهبندی که توسط آیوپاک صورت گرفته است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفره‌ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسیمبندی میشوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:
الف) دسته بندی بر اساس اندازهی حفره:
میکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر کمتر از 2 نانومتر.
مزومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر 2 تا 50 نانومتر.
right59626500ماکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر بیش از 50 نانومتر.
center1720850شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].
0شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].

بر اساس شکل و موقعیت حفره‌ها نسبت به یکدیگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شود: حفره‌های راه به راه، حفره‌های کور، حفره‌های بسته و حفره‌های متصل به هم که در شکل (2-1) به صورت شماتیک این حفره‌ها را نشان داده شده است.

شکل 1-2 نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت [8].
بر اساس تعریف مصطلح نانوفناوری، دانشمندان شیمی در عمل نانو متخلخل را برای موادی که دارای حفرههایی با قطر کمتر از 100 نانومتر هستند به کار می‌برند که ابعاد رایجی برای مواد متخلخل در کاربردهای شیمیایی است.
ب) دستهبندی بر‌اساس مواد تشکیل دهنده:
مواد نانومتخلخل آلی
مواد نانومتخلخل معدنی
تقسیمبندی مواد نانومتخلخل آلی
1) مواد کربنی: کربن فعال، کربنی است که حفره‌های بسیار زیاد دارد و مهم‌ترین کربن از دسته مواد میکرومتخلخل است.
2) مواد بسپاری: مواد نانو متخلخل بسپاری به دلیل ساختار انعطاف‌پذیر خود، حفره‌های پایداری ندارند و تنها چند ترکیب محدود از این نوع وجود دارد [8].
تقسیم بندی مواد نانومتخلخل معدنی
1) مواد میکرومتخلخل
زئولیت‌ها: مهم‌ترین ترکیبات میکرومتخلخل بوده که دارای ساختار منظم بلوری و حفره‌دار با بار ذاتی منفی می‌باشند. در اکثر موارد ساختار زئولیتی از قطعات چهار وجهی با چهار اتم اکسیژن و یک اتم مرکزی مثل آلومینیوم، سیلیکون، گالیم یا فسفر تشکیل شده‌اند که با کاتیون‌ها خنثی می‌شوند [8].
چارچوب فلزی-آلی: از واحد‌های یونی فلزی یا خوشه‌ی معدنی و گروه‌های آلی به عنوان اتصالدهنده تشکیل شده است که اتصال آن‌ها به هم، حفره‌ای با شکلی معین مانند کره یا هشت وجهی به وجود می‌آورد. ویژگی بارز این ترکیبات، چگالی کم و سطح ویژه‌ی بالای آن‌هاست [9].
هیبرید‌های آلی-معدنی: از قطعاتی معدنی تشکیل شده‌اند که توسط واحد‌های آلی به هم متصل هستند [10].
2) مواد مزومتخلخل:
سیلیکا: ترکیبات MCM، معروف‌ترین سیلیکای مزومتخلخل هستند.
اکسید فلزات و سایر ترکیبات مزومتخلخل: اکسیدهای نانومتخلخل فلزات مثل تیتانیوم دی اکسید، روی اکسید، زیرکونیوم دی اکسید و آلومینا، فعالیتی بیشتر از حالت معمولی خود دارند. ترکیبات سولفید و نیترید هم میتوانند ساختار مزومتخلخل داشته باشند.
3) مواد ماکرومتخلخل:
بلور کلوییدی: از مجموعه کره‌هایی مانند سیلیکا ساخته می‌شود که فضای بین آن‌ها خالی است. در بلور کلوییدی معکوس کره‌ها توخالی و فضای بین آن‌ها پر است [10].
آئروژل‌ها مواد مزومتخلخل با سطح ویژه و حجم تخلخل بالا هستند که در فصل بعد به آن‌ها می‌پردازیم.
1-5 کامپوزیت‌هاکامپوزیت‌ها (مواد چند رسانهای یا کاهگل‌های عصر جدید) رده‌ای از مواد پیشرفته هستند که در آن‌ها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد مواد جدیدی با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است. اجزای تشکیلدهنده ویژگی‌های خود را حفظ کرده، در یکدیگر حل نشده و با هم ترکیب نمی‌شوند.
استفاده از این مواد در طول تاریخ مرسوم بوده است. از اولین کامپوزیت‌ها یا چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به آجرهای گلی که در ساخت آن‌ها از کاه استفاده شده است اشاره کرد. هنگامی که این دو با هم مخلوط بشوند، در نهایت آجر پخته بهدست می‌آید که بسیار ماندگار‌تر و مقاوم‌تر از هر دو ماده اولیه، یعنی کاه و گل است. شاید هم اولین کامپوزیت‌ها را مصری‌ها ساخته باشند که در قایق‌هایشان به چوب بدنه قایق مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن، آب توسط پارچه جذب شده و چوب باد نکند. قایق‌هایی که سرخپوستان با فیبر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم ساخته می‌شدند از نخستین کامپوزیت‌ها هستند [11].
1-5-1 کامپوزیت یا مواد چندسازهچندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوط دو یا چند عنصر با فازهای کاملا متمایز ساخته شده باشند. در مقیاس ماکروسکوپیک فازها غیر قابل تشخیص‌اند. اما در مقیاس‌های میکروسکوپیک فازها کاملا مجزا هستند و هر فاز خصوصیات عنصر خالص را نمایش می‌دهد. در چندسازه‌ها، نه تنها خواص هر یک از اجزاء باقی مانده بلکه در نتیجهی پیوستن آن‌ها به یکدیگر، خواص جدیدتر و بهتر بهدست می‌آید [11].
1-5-2 ویژگی‌های مواد کامپوزیتیمواد زیادی می‌توانند در دسته‌بندی مواد کامپوزیتی قرار بگیرند، در واقع موادی که در مقیاس میکروسکوپی قابل شناسایی بوده و دارای فازهای متفاوت و متمایز باشند در این دسته‌بندی قرار می‌گیرند. امروزه کامپوزیت‌ها به علت وزن کم و استحکام بالا در صنایع مختلف، به طور گستره‌ای مورد استفاده واقع می‌شوند. کامپوزیت‌ها با کاهش وزن و ویژگی‌های فیزیکی بسیار عالی، گزینه‌ای مناسب برای استفاده در تجهیزات ساختاری می‌باشند. علاوه بر ‌این، کامپوزیت‌ها جایگزین مناسب برای مواد سنتی در کاربردهای صنعتی، معماری، حمل و نقل و حتی در کاربردهای زیر بنایی می‌باشد [12].
یکی از ویژگی‌های بارز کامپوزیت‌ها، حضور فاز تقویـتکننده مجزا از فاز زمینه می‌باشد. ویژگی‌های اختصاصی این دو فاز، در ترکیب با یکدیگر، ویژگی‌های یکسانی را به کل کامپوزیت می‌بخشد. در یک دسته‌بندی ویژه، کامپوزیت‌ها همواره به دو فاز زمینه و تقویتکننده تقسیم می‌شوند. می‌توان گفت در واقع زمینه مانند چسبی است که تقویتکننده‌ها را به یکدیگر چسبانده و آن‌ها را از آثار محیطی حفظ می‌کند.
1-5-3 مواد زمینه کامپوزیتزمینه با محصور کردن فاز تقویت کننده، باعث افزایش توزیع بار بر روی کامپوزیت می‌گردد. در واقع زمینه، برای اتصال ذرات تقویتکننده، انتقال بارها به تقویتکننده، تهیه یک ساختار شبکه‌ای شکل از آن‌ها و حفظ تقویتکننده از آثار محیطی ناسازگار به کار گرفته می‌شود.
1-5-4 تقویتکننده‌هادسته‌ای از مواد معمولی که به عنوان فاز تقویت کننده به کار گرفته می‌شوند، عبارتند از شیشه‌ها، فلزات، پلیمرها و گرانیت. تقویتکننده‌ها در شکل‌های مختلفی از جمله فیبرهای پیوسته، فیبرهای کوتاه یا ویسکرها و ذرات تولید می‌شوند (شکل3-3). تقویت کننده‌ها باعث ایجاد ویژگی‌های مطلوبی از جمله استحکام و مدول بالا، وزن کم، مقاومت محیطی مناسب، کشیدگی خوب، هزینه کم، در دسترسپذیری مناسب و سادگی ساخت کامپوزیت می‌گردند [12].
1-5-5 نانو کامپوزیتنانو کامپوزیت‌ها مواد مرکبی هستند که ابعاد یکی از اجزای تشکیلدهنده آن‌ها در محدوده نانو‌متری باشد. نانوکامپوزیت‌ها هم، در دو فاز تشکیل می‌شود. در فاز اول، ساختار بلوری در ابعاد نانو ساخته می‌شود که زمینه کامپوزیت به شمار می‌رود. در فاز دوم هم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای بهبود ویژگی‌ها به فاز زمینه افزوده می‌شود. توزیع یکنواخت این فاز در ماده زمینه باعث می‌شود که فصل مشترک ماده تقویت کننده با ماده زمینه در واحد حجم، مساحت بالایی داشته باشد [13].

شکل 1-3 نمایشی از انواع مختلف تقویت کننده‌ها در کامپوزیت [12].
1-6 خلاصهدر این فصل به بیان بعضی مفاهیم اولیه پرداختهشد. خلاصه کوتاهی از فناوری نانو، نانوساختارها و روش‌های ساخت آن‌ها گفته شد. بعد از آن مواد متخلخل بررسی شد و در نهایت مختصری در مورد کامپوزیت‌ها، ویژگی‌ها و نانوکامپوزیت‌ها بیان شد.
فصل دومآئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی15418474142773
2-1 تاریخچهحوزهی پژوهشی آئروژل هر ساله به طور وسیعی افزایش می‌یابد به طوری که امروزه توجه بسیاری از دانشمندان جهان را به خود اختصاص دادهاست.
اولین بار ساموئل استفان کیستلر در سال 1931 با ایدهی جایگزینی فاز مایع با گاز در ژل همراه با انقباض کم، آئروژل را تولید کرد. در آن زمان سعی ایشان بر اثبات وجود شبکه‌های جامد در درون ساختار ژل بود. یک روش برای اثبات این نظریه، برداشتن فاز مایع از فاز مرطوب ژل بدون اینکه ساختار جامد از بین برود مطرح بود. برای این کار او با استفاده از یک اوتوکلاو، فاز مایع را از ژل خارجکرد که جامد باقی مانده چگالی بسیار پایینی داشت. او دما و فشار داخلی اوتوکلاو را به نقطه بحرانی مایع رساند تا بر کشش سطحی مایع غلبهکند و ساختار داخلی ژل را از فروپاشی برهاند. به این ترتیب او با موفقیت اولین آئروژل پایه سیلیکا را تولید کرد. ولی به دلیل سختی کار، برای حدود نیمقرن پژوهشی در این زمینه صورت نگرفت. اما از همان ابتدا برای دانشمندانی چون کیستلر، واضح بود که آئروژل ویژگی‌های برجسته‌ای مانند چگالی پایین و رسانایی گرمایی ناچیزی دارد [14].
در سال‌های اخیر، ساختن آئروژل به معنای رساندن الکل به فشار و دمای بخار شدنی و به طبع آن به‌دست‌آوردن نقطهی بحرانی است و باعث استخراج فوق بحرانی از ژل می‌شود. سپس، در سال 1970، دانشمند فرانسوی تایکنر و همکارانش برای بهبود فرآیند تولید دولت فرانسه، موفق شدند روش جدیدی به غیر از روش کیستلر برای تهیهی آئروژل کشف کنند و آن را روش سل-ژل نامیدند. در این روش آلکوکسی سیلان با سیلیکات سدیم، که به وسیله کیستلر استفاده می‌شد، جایگزین گردید. با ظهور روش ارائه شده به وسیله‌ی تایکنر پیشرفت‌های جدیدی در علم آئروژل و فناوری ساخت آن حاصل شد و پژوهش‌گران زیادی به مطالعه در این زمینه روی آوردند. به دلیل انجام مطالعات، تحقیقات و اقدامات صنعتی و نیمه صنعتی که در دهه 70 و 80 بر روی آئروژل‌ها صورت گرفت، این دوره را عصر رنسانس آئروژل نامیدند. [15].
این مواد جایگاه خود را به عنوان مواد جامدی با چگالی و رسانایی گرمایی پایین به‌دست آوردند. پایین‌ترین چگالی آئروژل تولید شده 1/0 میلیگرم بر سانتیمتر مکعب است، تا حدی که نمونه می‌تواند در هوا شناور بماند. گرچه برای ساخت جامد آئروژل مواد بسیاری می‌توانند استفاده شوند ولی آئروژل‌های 2SiO متداول‌ترند. البته می‌توان با واردکردن مواد مختلف در ساختار آئروژل در حین فرآیند ژل شدن، به بهبود ویژگی‌های نمونه‌های نتیجه شده کمک کرد [16].
آئروژل‌ها را می‌توان به عنوان یک ماده منحصر به فرد در زمینه فناوری سبز در نظر گرفت. هشدار جهانی، تهدید آیندهی محیط زیست توسط گاز‌های گلخانهای تولید شده بهدست بشر را تأیید می‌کند. آیندهی انرژی‌های قابل دسترس به خاطر کمشدن منابع نفتی و حتی افزایش تقاضا برای محصولات نفتی، در خطر است. آئروژل‌ها بارها و بارها به افزایش بازدهی برخی ماشین‌ها و سیستم‌ها و کمک به کاهش مصرف انرژی یاری رسانده‌اند. همچنین آئروژل‌ها می‌توانند آلاینده‌های آب را بیرون بکشند و با گرفتن ذرات مضر قبل از ورود به اکوسیستم، سبب تخریبنشدن محیط زیست شوند. دانشمندان دریافتند که این فناوری برای تجدید و حفاظت از انرژی به توسعهی بیشتری نیاز دارد [17].
2-2 شیمی سطح آئروژلسیلیکا آئروژل حاوی ذرات نانومتری هستند. این ترکیبات دارای نسبت سطح به حجم بالا و مساحت سطح ویژهی زیادی هستند. شیمی سطح داخلی در آئروژل‌ها نقش اساسی را در بروز رفتار‌های بی‌نظیر فیزیکی و شیمیایی آن‌ها، ایفا می‌کند. ماهیت سطح آئروژل‌ها تا حد زیادی به شرایط تهیهی آن‌ها بستگی دارد. انتخاب فرآیند مربوط به ترکیبات شیمیایی و ویژگی‌های مورد نظر مشخص برای نانوذرات وابسته است. دو روش پایه برای تولید نانوذرات استفاده می‌شود:
روش از بالا به پایین
اشاره به خردکردن مکانیکی مواد با استفاده از فرآیند آسیابکاری دارد. در این فرآیند مواد اولیه به بلوک‌های پایهی بیشتری شکسته می‌شوند.
روش پایین به بالا
اشاره به ساخت سیستم پیچیده به وسیله ترکیب اجزای سطح اتم دارد. در این فرآیند ساختارها به وسیله فرآیندهای شیمیایی ساخته می‌شوند.
روش پایین به بالا بر پایه ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اتمی یا مولکولی خود تنظیم می‌شوند. این روش به دلیل ساختار پیچیده اتم یا مولکول، کنترل بهتر اندازه و شکل آن‌ها انتخاب شد. روش پایین به بالا شامل فرآیندهای آئروسل، واکنش‌های بارش و فرآیند سل-ژل است [18].
مرحله اول ساختن آئروژل تولید ژل خیس است که بهترین روش برای ساخت آن استفاده از پیشماده الکوکسید سیلیکون، مانند TEOS است. شیمی ساخت Si(OCH2CH3)TEOS است که با اضافه کردن آب، واکنش شیمیایی زیر صورت می‌گیرد [19] :
Si(OCH2CH3)4(liq)+2(H2O)(liq)→SiO2solid+4(HOCH2CH3)liq
اتم سلیکون به دلیل داشتن بار جزئی مثبت کاهشیافته (+) نسبت به دیگر انواع آئروژل بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت. در Si(OEt)+ حدود 32/0 است. این بار مثبت جزئی کاهش یافته، روند ژل شدن پیشماده سیلیکا را آهسته می‌کند.
پیشمادهی الکوکسید M(OR) هستندکه اولین بار توسط امبلن برای سنتز سیلیکا آئروژل استفاده شد. در این ترکیب M نشان دهندهی گروه فلزی، OR گروه الکوکسید و R تعیینکنندهی گروه الکلی هستند. الکوکسیدها معمولا در محلول منبع الکلی خود موجود هستند و امکان خشک کردن این ژل‌ها را در چنین محلول‌هایی فراهم می‌کند [20].
اگر آئروژل از طریق خشک کردن به وسیله الکل تهیه گردد، گروه‌های آلکوکسی (OR) تشکیل دهنده سطح آن است و در این سطح آئروژل خاصیت آبگریزی پیدا می‌کند. اگر تهیه آئروژل از طریق فرآیند دی اکسید کربن باشد آنگاه سطح آئروژل را گروه‌های هیدروکسید (OH) فرا می‌گیرد و خاصیت آب‌دوست پیدا خواهدکرد و مستقیما می‌تواند رطوبت هوا را جذب نماید. البته با حرارت دادن می‌توان رطوبت جذب شده را از ساختار آئروژل حذف نمود. شکل 1-2 به خوبی خاصیت آب‌دوست و آبگریزی را در ساختار آئروژل‌های با گروه‌های عاملی مختلف نشان می‌دهد [21].

شکل 2-1 برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگریز، ب) آئروژل آب‌دوست [18].
2-3 تئوری فیزیکیاتصال شبکه نانو مقیاس سیلیکای جامد آئروژل‌های پایه سیلیکا، ویژگی‌های منحصر به فردی را به آن‌ها می‌دهد. کسر یونی پیوند کووالانت قطبی برای اکسیدهای فلزی مختلف از رابطهی زیر نتیجه می‌شود:
Fionic=1-exp⁡(-0.25 XM-XO2)که XO و XM الکترون‌خواهی O و M را نشان می‌دهد. 2SiO مقدار Fionic 54/0 دارد که طیف مقدار زاویه Si-O-Si را گسترده کرده و شبکه تصادفی را می‌دهد. چهار اکسید دیگر زاویه یونی بزرگ‌تر و مقدار کوچک‌تر زاویه پیوند را سبب می‌شوند. به این معنی که پیوند تصادفی فقط روی ماکرومقیاس‌های بیشتر با ذرات کلوییدی بزرگ‌تر و متراکم‌تر اتفاق می‌افتد، در این صورت، ژل به جای شکلگرفتن شبکهی تصادفی اتصالات به صورت ذره تشکیل می‌شود [14]. شبکهی اتصالات سیلیکا برای وزن نسبی‌اش یک جامد محکم را ایجاد می‌کند.
2-4 خاصیت مغناطیسی مواد2-4-1 منشأ خاصیت مغناطیسی موادیکی از مهمترین ویژگی‌های مواد، خاصیت مغناطیسی آن‌هاست که از زمآن‌های نسبتا دور مورد توجه بوده و هم اکنون نیز در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی قرار گرفته است.
منشأ خاصیت مغناطیسی در جامدها، الکترون‌های متحرک می‌باشند. گرچه بعضی از هسته‌های اتمی دارای گشتاور دو قطبی مغناطیسی دائمی هستند ولی اثر آن‌ها چنان ضعیف است که نمی‌تواند آثار قابل ملاحظه‌ای داشته باشد؛ مگر در تحت شرایط خاص مانند اینکه نمونه در زیر دمای یک درجهی کلوین قرار گیرد یا وقتی که تحت میدان الکترومغناطیسی با بسامدی قرار گیرد که حرکت تقدیمی هسته را تشدید نماید. در بدو ظهور نظریات مغناطیس آزمایش‌های زیادی نشان داد که اندازه حرکت زاویهای کل یک الکترون و گشتاور مغناطیسی وابسته به آن بزرگ‎تر از مقداری است که به حرکت انتقالی آن نسبت داده می‌شد. بنابراین یک سهم اضافی که از خصوصیت ذاتی با یک درجه آزادی داخلی ناشی می‌شد، به الکترون نسبت داده شد و چون این خصوصیت دارای اثر مشابه چرخش الکترون حول محورش بود اسپین نامیده گردید [22].
2-4-2 فازهای مغناطیسیبه طورکلی مواد در میدان مغناطیسی خارجی رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند و با توجه به جهت‌گیری مغناطش، به پنج گروه تقسیم می‌شوند که به بیان آن‌ها می‌پردازیم.
2-4-2-1 مواد دیامغناطیسدر این مواد الکترون‌ها به صورت جفت بوده و اتمها دارای گشتاور مغناطیسی دائمی نیستند و با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می‌شوند و آن را تضعیف می‌کند. پذیرفتاری مغناطیسی χ چنین موادی منفی و خیلی کم است. خاصیت دیامغناطیس ظاهراً در تمام انواع مواد یافت می‌شود، اما اثر آن غالباً به وسیله‌ی آثار قویتر پارامغناطیس یا فرومغناطیس که می‌توانند با این خاصیت همراه باشند، مخفی می‌شود. خاصیت دیامغناطیسی خصوصاً در موادی بارز است که کلاً اتمها یا یونهایی با پوسته‌های بسته‌ی الکترونی تشکیل شده باشند، زیرا در این مواد تمام تأثیرات پارامغناطیسی حذف می‌شوند.
2-4-2-2 مواد پارامغناطیسمواد پارامغناطیس، موادی هستند که برخی از اتمها یا تمامی آن‌ها گشتاور دو قطبی دائمی دارند، به عبارت دیگر گشتاور دو قطبی در غیاب میدان مغناطیسی، غیرصفر است. این دو قطبیهای دائمی رفتاری مستقل از هم داشته که در نهایت جهت‌گیری تصادفی دارند و در میدان‌های کوچک رقابتی بین اثر هم‌خط‌سازی میدان و بی‌نظمی گرمایی وجود دارد، اما به طور متوسط تعداد گشتاورهای موازی با میدان بیشتر از گشتاورهای پادموازی با میدان است. پذیرفتاری در این مواد مثبت است و با افزایش دما، که در اثر آن بی‌نظمی گرمایی زیاد می‌شود، کاهش مییابد. منگنز، پلاتین، آلومینیوم، فلزخاکی قلیایی و قلیایی خاکی، اکسیژن و اکسید ازت از جمله مواد پارامغناطیس‌اند.
2-4-2-3 مواد فرومغناطیس
در برخی از مواد مغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی کوچک به طور خودبهخود با گشتاورهای مجاور خود هم‌خط می‌شوند. اینگونه مواد را فرومغناطیس می‌نامند. در عمل، همه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی مغناطیسی در یک راستا قرار ندارند، بلکه این مواد از حوزه‌های بسیار کوچکی با ابعاد خیلی کمتر از میلیمتر تشکیل شده‌اند، به طوری که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه با حوزه‌های مجاور آن تفاوت دارد.
ممکن است سمتگیری و اندازه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی فرو مغناطیس به گونه‌ای باشد که در کل اثر یکدیگر را خنثی کنند و ماده در مجموع فاقد مغناطش است. اعمال میدان مغناطیسی خارجی بر حوزه‌های مغناطیسی سبب می‌شود که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه تحت تأثیر میدان قرار گرفته و جهت آن‌ها در جهت میدان خارجی متمایل شود. علاوه بر این حوزههایی که با میدان همسویند، رشد میکنند، یعنی حجم آن‌ها زیاد می‌شود و در نتیجه، حوزه‌هایی که سمتگیری آن‌ها نسبت به میدان مناسب نیست کوچک می‌شوند، مرز بین این حوزه‌ها جابجا می‌شود و در نتیجه ماده در مجموع خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند . پذیرفتاری مغناطیسی این مواد مثبت است. آهن، کبالت، نیکل و چندین عنصر قلیایی خاکی جز فرومغناطیس‌ها می‌باشند [23].
مواد فرومغناطیس دارای چند مشخصه‌ی اصلی به صورت زیر می‌باشند:
الف) مغناطش خودبه‌خودی و مغناطش در حضور میدان
ب) حساسیت مغناطش به دما
ج) مغناطش اشباع
د) منحنی پسماند
2-4-2-4 مواد پادفرومغناطیس
در مواد پادفرومغناطیس گشتاورهای مغناطیسی مجاور به صورت موازی، برابر و غیرهم راستا جهتگیری
می‌کنند. این مواد در غیاب میدان مغناطیسی دارای گشتاور صفرند. کروم و اکسیدهای آن ، جز مواد پادفرومغناطیس می‌باشند. چنین موادی معمولاً در دماهای پایین پادفرومغناطیساند. با افزایش دما ساختار نواحی مغناطیسی شکسته شده و ماده پارامغناطیسی می‌شود. این رفتار در مواد فرومغناطیس نیز اتفاق می‌افتد به این ترتیب که در این مواد پذیرفتاری مغناطیسی مواد مغناطیسی با افزایش دما به تدریج کاهش می‌یابد تا زمانی که ماده پادفرومغناطیس شود .
پذیرفتاری مغناطیسی این مواد عدد مثبت بسیار کوچک و نزدیک به صفر است. به دمایی که در آن ماده از حالت پادفرومغناطیس به فرومغناطیس گذار می‌کند، دمای نیل می‌گویند.
χ= CT+TN
که C ثابت کوری و TN دمای نیل است.
2-4-2-5 مواد فریمغناطیس
فریمغناطیس شکل خاصی از پادفرومغناطیس است که در آن گشتاورهای مغناطیسی در جهت موازی و عکس یکدیگر قرار گرفته‌اند، اما با یکدیگر برابر نیستند و به صورت کامل یکدیگر را حذف نمی‌کنند. در مقیاس ماکروسکوپی، مواد فریمغناطیس همانند فرومغناطیس بوده و دارای مغناطش خودبه‌خودی در زیر دمای کوری بوده و دارای منحنی پسماند می‌باشند[23و24]. شکل 2-2 فازهای مغناطیسی را نشان می‌دهد.

شکل 2-2 فازهای مغناطیسی، الف) پارامغناطیس، ب) فرومغناطیس، ج) پادفرومغناطیس، د) فری مغناطیس [24].
دو خاصیت مهم و کلیدی مواد مغناطیسی دمای کوری و هیستروسیس مغناطیسی است. جفت شدگی ‏تبادلی و بنابراین انرژی تبادلی هیسنبرگ مستقیماً با دمای کوری ‏‎(Tc)‎‏ مواد فرو و فریمغناطیس در ‏ارتباط است. در کمتر از دمای ‏Tc، ممان مغناطیسی همان جهت بلوروگرافی ویژه‌ی محور صفر این ‏مواد است. این محور در ‏نتیجه‌ی جفت‌شدگی این اسپین الکترون و ممنتوم زاویهای اوربیتال الکترون ایجاد می‌شود.
‏از آنجایی که مواد فرومغناطیسی مواد جالبی بر حسب کاربردهایشان هستند، خواص آن‌ها باید به ‏طور کمی اندازه‌گیری شود و حلقهی پسماند خواص مغناطیسی جالبی را در این مواد آشکار ‏می‌کند. یک حلقه‌ی پسماند را می‌توان با قراردادن نمونه در یک مغناطیس‌سنج و پاسخ ماده ‏‎(M,)‎‏ ‏به میدان مغناطیسی اعمالی ‏‎(H)‎‏ اندازه‌گیری کرد. چندین کمیت ممکن است از روی حلقه‌ی پسماند ‏به‌دست آید. ‏
اشباع مغناطیسی ‏‎(Ms)‎‏ یا اشباع مغناطیسی ویژه (‏s‏) مواردی‌اند که مقدار مغناطیسشدگی را وقتی ‏که همه دوقطبی‌ها در جهت میدان مغناطیسی اعمالی مرتب شده‌اند نشان می‌دهد.‏
مغناطیس باقیمانده ‏‎(Mr)‎‏ مغناطیسشدگی نمونه در میدان مغناطیسی صفر است و نیروی ‏بازدارندگی ‏‎(Hc)‎، نیرویی از میدان مغناطیسی است که برای تغییر مغناطیسشدگی باقیمانده نیاز است. ‏تغییر بایاس میدان ‏‎(HE)‎، مقدار جابجایی از مرکز حلقهی پسماند را نشان می‌دهد.‏
2-4-5 حلقه پسماندوقتی به یک ماده مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطش محیط سریع افزایش می‌یابد، با افزایش مقدار میدان اعمالی، شتاب افزایش و مغناطش کاهش می‌یابد، این کاهش شتاب ادامه می‌یابد تا مغناطش به مقدار اشباع خود Ms برسد [25].
تغییرات مغناطش مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند، بلکه به خاطر ناهمسانگردی مغناطیسی در محیط، مقداری انرژی را در خود ذخیره می‌کنند. بنابراین وقتی میدان اعمالی در محیط صفر شود، مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطش پسماند Mr گفته می‌شود. با کاهش بیشتر میدان به سمت مقادیر منفی، خاصیت مغناطیسی القا شده به تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک مقدار منفی خواص مغناطیسی ماده کاملا از بین می‌رود. این میدان مغناطیس‌زدا را با Hc نشان می‌دهند و به نیروی ضد پسماند یا وادارندگی مغناطیسی معروف است. پسماند یا نیروی وادارنده عبارتست از میدان معکوسی که برای کاهش مغناطش به صفر نیاز است. با کاهش بیشتر شدت میدان، القای مغناطیسی منفی می‌شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه پسماند را مطابق شکل 2-3 کامل می‌کند. مغناطیس‌های دائمی غالبا در ربع دوم حلقه پسماند خود، مورد استفاده قرار می‌گیرند [26].

شکل 23 حلقه پسماند ماده فرو مغناطیس [26].
مواد مغناطیسی از نظر رفتار آن‌ها در میدان مغناطیس دو گروه تقسیم می‌شوند:
الف) مواد مغناطیس نرم
مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک به راحتی مغناطیده می‌شود و با قطع میدان سریعاً گشتاور مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایین، اشباع مغناطیسی بالا و گشتاور پسماند پایین هستند.
مواد مغناطیس نرم در جاهایی که به تغییر سریع گشتاور مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی کوچک نیاز است مانند موتورها، حسگرها، القاگرها و فیلترهای صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ب) مواد مغناطیس سخت
مواد مغناطیس سخت موادی‌اند که به راحتی مواد مغناطیس نرم، مغناطیده نمی‌شوند و به میدان مغناطیسی اعمالی بزرگ‌تری جهت مغناطیده کردن آن‌ها نیاز است. این مواد گشتاور مغناطیسی را تا مدت‌ها پس از قطع میدان حفظ می‌کنند. همچنین دارای اشباع مغناطیسی، گشتاور پسماند و نیروی وادارندگی بالایی هستند. ساخت یا پخت این مواد در میدان مغناطیسی، ناهمسانگردی مغناطیسی را در این مواد افزایش می‌دهد که حرکت دیواره حوزه‌ها را سخت‌تر می‌کند و نیروی وادارندگی را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند تولید مادهی سخت مغناطیسی بهتری را تضمین کند. کاربرد این مواد در آهن‌رباهای دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است [26].

شکل 24 حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس نرم و سخت[26].
2-5 فریتفریت به آن دسته از مواد مغناطیسی اطلاق می‌شود که جزء اصلی تشکیل دهندهی آن‌ها اکسید آهن است و دارای خاصیت فریمغناطیس می باشند (آرایشی از فرومغناطیس) و پارامترهای مغناطیسی مطلوبی نظیر ضریب نفوذپذیری مغناطیسی بالا از جمله اصلی‌ترین خصیصه‌های آن‌ها به شمار می‌رود. بدین جهت کاربردهای بسیار وسیعی را در زمینه صنایع برق، الکترونیک، مخابرات، کامپیوتر و… به خود اختصاص داده‌اند.
یکی از انواع فریت‌ها نوع اسپینلی آن است، فریت‌های اسپینلی با فرمول عمومی 2-o2+A3+B که در آن 2+A و 3+B به ترتیب کاتیون‌های دو و سه ظرفیتی می‌یاشند.
فریت‌ها دارای خاصیت فریمغناطیس می‌باشند نظم مغناطیسی موجود در فریمغناطیس‌ها ناشی از برهم‌کنش‌های دو قطبی‌های مغناطیسی نیست بلکه ناشی از برهم‌کنش تبادلی است در برهمکنش تبادلی هم‌پوشانی اوربیتال‌های اتمی مد نظر می‌باشد در فریت‌ها برهم‌کنش تبادلی ناشی از هم‌پوشانی الکترون‌های اوربیتال d3 یون‌های A و B و الکترون‌های اوربیتالP 2 یون‌‎های اکسیژن است. و قدرت این بر‌هم‌کنش تبادلی است که خاصیت مغناطیسی نمونه را رقم می‌زند.
2-6 خلاصهدر این فصل به شیمی آئروژل و دو روش بالا به پایین و پایین به بالای تولید نانوذرات اشاره شد. سپس خاصیت مغناطیسی مواد و فاز‌های مغناطیسی ممکن برای مواد مغناطیسی بررسی شد. پس از آن توضیح کوتاهی در مورد حلقهی پسماند و موارد قابل اندازه‌گیری از آن گفته شد و در نهایت مختصری از مواد فریتی بیان گردید.
فصل سومساخت آئروژل و کاربردهای آن19509215088990
مقدمهسیلیکا آئروژل‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد، هم در علم و هم در تکنولوژی توجه زیادی را به خود اختصاص داده‌اند. آئروژل‌ها از پیشماده مولکولی با روش‌های مختلف و تکنیک‌های خشک کردن متفاوت برای جایگزینی منافذ مایع با گاز همراه با حفظ شبکهی جامد، تهیه می‌شوند. [27]
علی‌رغم تمامی تلاش‌های قابل توجهی که در این زمینه صورت گرفته است، چالش‌های اصلی تحت کنترل عوامل یکنواختی(همگنی)، بارگذاری، اندازه و توزیع نانوذرات در شبکه‌ی میزبان آلی باقی ماندهاست، در عوض این شبکه‌ی میزبان به طور مستقیم ویژگی‌های الکتریکی، نوری، مغناطیسی و کاتالیزوری مواد نانوکامپوزیت را حفظ می‌کند.
3-1 سنتز آئروژل با فرآیند سل-ژلتفاوت در ویژگی‌های شیمیایی پیش‌ماده‌ها برای فاز نانو (معمولاً نمک فلزی) و برای ماتریس آلی (عموماً الکوکسید‌ها) موضوع مهمی هستند، چرا که پارامترهای فرآیند سل-ژل بر روی هیدرولیز و چگالش هر کدام از این پیشماده‌ها تأثیر متفاوتی دارد [28]. هر چند این موضوع مساله‌ی مهمی در طراحی هر نانوکامپوزیت سل-ژل است اما در رابطه با آئروژل‌ها حیاتی‌تر می‌باشد، زیرا نیازمند جایگزین شدن حلال موجود در ژل (معمولاً اتانول یا متانول در الکوژل و آب در آکوژل) با تغییر حلال و در نهایت حذف کردن به وسیلهی استخراج حلال فوق بحرانی است. مرحله خشک کردن فوق بحرانی، بسته به این که الکل یا کربن دی اکسید به صورت فوق بحرانی تخلیه شود (به ترتیب نیازمند حرارتی در حدود 350 و 40 درجهی سانتیگراد است). این مرحله مسائل دیگری درباره حلالیت پیشماده‌ها و پایداری حرارتی در شرایط خشک کردن فوق بحرانی را مطرح می‌کند [29]. استراتژی‌های مختلف اتخاذ شده برای سنتر نانوکامپوزیت‌های آئروژل، بسته به اینکه فاز نانو (یا پیش‌مادهی آن) در حین یا بعد از فرآیند سل-ژل اضافه شود، دو رویکرد کلی دارند.
روش اول شامل هیدرولیز و ژل شدن نانوذرات و ماتریس پیشماده و ژل شدن ماتریس پیش‌ماده به همراه شکل‌گیری نانوذرات است. مزیت این روش تولید موادی با بارگذاری نانوذرات قابل کنترل است. از طرفی، چندین اشکال در مورد آن مطرح است. برای بهدست آوردن ژل دارای چند ترکیب همگن شرایط سنتز باید به صورت دقیق انتخاب شود و پیشماده‌های نانوذرات و همچنین عوامل پوشش دهی موردنیاز در شکل‌گیری نانوذرات کلوئیدی ممکن است بر سنتز سل-ژل ماتریس تأثیر بگذارد.
روش دوم شامل روش‌های مبتنی بر اضافه کردن فاز نانو بعد از فرآیند سل-ژل است و باید ساختار متخلخل و مورفولوژی ماتریس را حفظ کند. این روش‌ها شامل تلقیح فاز نانو با اشباع، ته‌نشینی و روش رسوبگذاری بخار شیمیایی می‌باشد. طرح‌واره روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت آئروژل در شکل 3-1 نشان داده شده است.
هرچند این روشها نیز دارای دو اشکال عمده هستند: یکی همگنی ضعیف ترکیب نانوکامپوزیت تولیدشده، دیگری ترد و شکننده بودن آئروژل‌ها. اتصال فلز در یک ماتریس با گروه‌های هماهنگ اصلاح شده است و غوطه‌ور کردن الکوژل و آکوژل در محلول قبل از خشک کردن فوق بحرانی، به ترتیب به عنوان راهحلهایی برای غلبه بر کاستی‌های گفته شده است. رسوب نانوذرات از فاز بخار، بر خلاف روش‌های تلقیح مرطوب، ماتریس متخلخل را تغییر نمیدهد و تضمین میکند که فاز مهمان در سراسر ماتریس توزیع خواهد شد [30].

شکل 3-1 طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت [33].
3-2 شکل‌گیری ژل خیسژل‌های سیلیکا به طور عمومی با هیدرولیز و واکنش چگالش پیشماده سیلیکا به‌دست می‌آیند. ماتریس سیلیکای نهایی متخلخل است و حفره‌های ژل با حلال جانبی هیدرولیز و واکنش پلیمریزه شدن پر شده است. اگر ترکیب محلول بهتواند از ژل خیس بدون سقوط قابل ملاحظه ساختار خارج شود، آئروژل شکل می‌گیرد [31].
روش سل-ژل شامل یک یا چند پیشماده سیلیکون است که متداول‌ترین آن‌ها TEOS و TMOS می‌باشند و داراری چهار گروه الکوکسید شناخته شده در آرایش چهار وجهی در اطراف اتم سیلیکون مرکزی است. واکنش هیدرولیز در چهار جهت اتفاق می‌افتد و منجر به پیوند Si-O-Si می‌شود و یک مادهی کپهای که ترکیبی از 2SiO را می‌دهد. اگر یکی از شاخه‌های الکوکسید اتم سیلیکون توسط گروه عاملی مختلفی که قادر نیست تحت واکنش چگالش قرار گیرد، جایگزین شود گروه عاملی با پیوند کووالانسی به اتم سیلیکون درون ماتریس ژل باقی خواهد ماند. الکوکسیدهای فلزی به راحتی با آب واکنش می‌دهد و بر حسب میزان آب و حضور کاتالیست، عمل هیدرولیز ممکن است کامل انجام شود.
ملکول‌های شکلگرفته آلی-فلزی به مرور زمان بزرگ می‌شوند و به صورت یک ساختار پیوسته در داخل مایع در می‌آیند. این ساختار پیوسته که حالت الاستیک دارد، ژل گفته می‌شود [32].
به طور کلی شکل‌گیری محلول پایدار الکوکسید یا پیشماده‌های فلزی حل شده مرحله اول فرآیند تهیه آئروژل است. این محلول همگن به‌دست آمده در مرحله دوم به علت وجود آب هیدرولیز شده و سل یکنواختی را ایجاد می‌کند. در مرحله سوم واکنش بسپارش ادامه پیدا می‌کند تا سل به ژل تبدیل شود. این مرحله، پیرسازی نیز گفته می‌شود. پس از آن مرحلهی نهایی که خشک کردن است باقی می‌ماند.
3-3 خشک کردن آلکوژلبعد از شکل‌گیری ژل توسط هیدرولیز و واکنش چگالش، شبکه Si-O-Si شکل می‌گیرد. بخش پیرسازی به تشدید شبکه ژل اشاره دارد؛ ممکن است چگالش بیشتر، تجزیه، و ته‌نشینی ذرات سل یا تبدیل فاز داخل فاز جامد یا مایع صورت گیرد. این نتایج در یک جامد متخلخل که حلال در آن گیر افتاده است اتفاق می‌افتد. فرآیند حذف حلال اصلی از ژل (که معمولاً آب و الکل است) را خشککردن می‌گویند. در طول فرآیند خشککردن، ترکخوردگی اتفاق می‌افتد به این دلیل که نیروی مویینگی در گذار مایع-گاز در داخل منافذ ریز وجود دارد. معادله لاپلاس در اینجا به کار می‌رود، هر چه شعاع مویینگی کوچک‌تر باشد، ارتفاع مایع بیشتر و فشار هیدروستاتیک بالاتر خواهد بود. هنگامی که انرژی سطح باعث بالا رفتن ستون مایع داخل مویرگ‌ها می‌شود، مقدار فشار سطحی داخل مویرگ قابل محاسبه است.
قطر حفره در ژل از مرتبهی نانومتر است، به طوری که مایع ژل فشار هیدروستاتیک بالایی را باید اعمال کند. هلال داخل حفره‌ها و نیروهای کشش سطحی سعی می‌کند تا ذرات را به عنوان مایع در حفره‌ها تبخیر کند. این نیروها می‌توانند به گونه‌ای عمل کنند که باعث سقوط حفره و ساختار شوند. بنابراین ژل‌ها با حفره‌های ریز زیاد تمایل به انقباض و ترک خوردن دارند [33]. سل ژلهایی که شیمی سطح آن‌ها اصلاح نشده (شکل3-2) و در شرایط محیط خشک شدند به علت این فروپاشی منافذ تا حدود یک هشتم حجم اولیهی خود کوچک میشوند؛ ماده حاصل زیروژل نامیده میشود. اگر این فرآیند خشککردن به آرامی رخ دهد، زیروژل یکپارچه سالم میتواند تولید شود. اما برای تولید یک آئروژل، باید از عبور از مرز فاز بخار-مایع اجتناب کرد.

شکل 3-2 اصلاح شیمی سطح ژل [34].
روشهای کنونی برای پرهیز از فروپاشی منافذ درساخت آئروژل را میتوان در سه تکنیک کلی دستهبندی کرد. هرکدام از این تکنیکها طراحی شدهاند تا نیروهای مویینگی ناشی از اثرات کشش سطحی را کاسته و یا حذف نمایند. این تکنیکها الف) خشک کردن در شرایط محیط پس از اصلاح سطح، ب) خشک کردن انجمادی و ج) خشک کردن فوق بحرانی است [34]. توضیح کلی درباره هرکدام از این تکنیکها در ادامه آمده است.
3-3-1 فرآیند‌های خشککردن در شرایط محیطاین تکنیکهای خشک کردن طراحی شدهاند تا ژل خیس را در فشار محیط خشک کنند. این روشها نیازمند فرآیندهای شیمیایی با تعویض طولانی مدت حلال برای کاهش نیروهای مویینگی وارد بر نانوساختار یا برای افزایش توانایی نانوساختار در تحمل این نیروهاست (یا با قویتر کردن ساختار و یا با منعطف‌تر ساختن آن). تغییر شیمی سطح ژل خیس بر پایه TEOS برای ارتقاع انقباض قابل برگشت با استفاده از تبادل حلال با هگزان به وسیله اصلاح سطح با فرآیند کاهش گروه سیلانولی با TMCS [35و36]. همچنین استفاده از پیری ژل در محلول الکل یا الکوکسید برای سفت شدن میکرو ساختار به منظور جلوگیری از فروپاشی منافذ است [37]. به علاوه ترکیبکردن شاخه‌های متقاطع سیلیکا آئروژل است که می‌تواند نیروهای مویینگی در حین خشک کردن تحت فشار محیط را تحمل نماید [38].
3-3-2 خشککردن انجمادیخشککردن انجمادی یک ژل خیس منجر به تولید کریوژل میشود. خشککردن انجمادی باعث تولید پودر آئروژل کدر می‌شود [39]. این تکنیک حلال اضافی را با تصعید حذف میکند. ژل خیس منجمد میشود و سپس حلال در فشار پایین تصعید میشود [40]. میکروبلور‌های منجمد که حین فرآیند خشککردن انجمادی شکل می‌گیرند منجر به آئروژل‌های ماکروحفره‌تری در مقایسه با روش استخراج فوق بحرانی میشوند [41].
3-3-3 خشک کردن فوق بحرانیروشهای استخراج فوق بحرانی از مرز بین مایع و بخار با بردن حلال به بالاتر از نقطه فوق بحرانی آن اجتناب می‌کند و سپس از ماتریس سل-ژل به عنوان یک مایع فوق بحرانی حذف می‌شود. در این حالت هیچ مرز مایع-بخاری وجود ندارد، بنابراین هیچ فشار مویینگی دیده نمی‌شود. شکل 3-3 چرخه فشار-دما در طول فرآیند فوق بحرانی را نشان می‌دهد. در عمل انواع متعددی از روشهای استخراج فوق بحرانی وجود دارد که شامل تکنیک‌هایی با دمای بالا، دمای پایین و سریع است.

شکل 3-3 چرخه فشار-دما در حین فرآیند خشک کردن فوق بحرانی [42].
تکنیک‌های استخراج فوق بحرانی الکل دمای بالا، ژل خیس را به حالت فوق بحرانی حلال (معمولاً متانول یا اتانول) در یک اتوکلاو و یا هر مخزن فشار دیگری می‌برد. این مستلزم فشارهای بالا حدود Mpa 8 و دماهای بالا حدود 260 درجهی سانتیگراد می‌باشد [42]. شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشککن فوق بحرانی اتوکلاو را نشان می‌دهد.

شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو [42].
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی دمای پایین بر اساس استخراج 2CO است که دمای نقطه بحرانی پایین‌تری نسبت به مخلوط الکل باقیمانده در منافذ سل-ژل بعد از پلیمریزاسیون دارد. این روش به تبادل حلال به طور سری نیازمند است، ابتدا حلال غیرقطبی و سپس با کربن دیاکسید مایع پیش از استخراج فوق بحرانی که می‌تواند در نقطه فوق بحرانی 2CO اتفاق بیافتد [43]. مزایای این تکنیک دمای بحرانی پایین‌تر و حلال پایدارتر است؛ هرچند مراحل اضافه شده به فرآیند سبب طولانی‌تر شدن زمان آمادهسازی آئروژل می‌شود. از آنجائیکه فشار بحرانی مورد نیاز نسبت به روشهای فوق بحرانی دما بالا تغییری چندانی ندارد (فشار بحرانی 2CO مشابه متانول و اتانول است)، این فرآیند نیز نیاز به استفاده از مخازن فشار دارد. به علاوه روند انتشار تبادل حلال وابسته به اندازهی ژل است.
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی سریع از یک قالب محدود استفاده می‌کند، چه در مخزن فشار و چه در یک فشار داغ هیدرولیک قرار بگیرند. این تکنیکها فرآیندهای تک مرحله‌ای پیش‌ماده به آئروژل هستند و آئروژل را در کمتر از 3 ساعت بهدست می‌آورند. در این روش پیشماده‌های شیمیایی مایع و کاتالیست در یک قالب دو قسمتی ریخته می‌شوند سپس به سرعت گرم می‌شوند [44]. در ابتدا فشار با بستن دو بخش قالب با هم یا با اعمال فشار هیدروستاتیکی خارجی به جای مخازن فشار بزرگ‌تر یا با ترکیبی از این دو تنظیم می‌شود. زمانیکه نقطه فوق بحرانی الکل فرارسید، اجازه داده میشود تا مایع فوق بحرانی خارج شود [45]. برای مثال گوتیه و همکارانش [46] در روند انجام این فرآیند از یک فشار داغ هیدرولیکی برای مهروموم کردن و گرم کردن قالب حاوی مخلوط پیشماده آئروژل استفاده کردند. مخلوط مایع از پیشماده‌های آئروژل در یک قالب فلزی ریخته شد و سپس در فشار داغ قرار گرفت. در طول اجرا، فشار داغ برای مهروموم کردن ترکیب به جای قالب استفاده شد و یک نیروی باز دارندهی فشاری را فراهم کرد. سپس قالب و مخلوط به بالای دما و فشار فوق بحرانی متانول برده شد. در مدت زمان این فرآیند گرم کردن، پیشمادههای آئروژل واکنش نشان داده و یک ژل خیس نانوساختاری متخلخل را تشکیل داد. زمانیکه به حالت بحرانی رسید، فشار کاهش داده شد و مایع فوق بحرانی رها شد.


3-3-4 مقایسه روش‌هاهر یک از روش‌های ساخت آئروژل شرح داده شده در بالا، نقاط قوت و محدودیت‌هایی دارند. مقایسه مستقیم تکنیک‌های مختلف خشک کردن به علت دستورالعمل‌های پیشماده متفاوت، شرایط ژل شدن مختلف، و زمان پیر سازی، به خوبی روش‌های استخراج متفاوت هستند. برای مثال خشککردن فوق بحرانی دما پایین نیاز به زمان پیرسازی کافی دارد، به طوری که ژل‌ها می‌توانند از ظرف اولیه برای استخراج و تبادل حلال خارج شوند.
در فرآیند خشککردن سریع، عموما زمان پیرسازی کوتاه است؛ گرچه، دمای بالا در این فرآیند اثر مشخصی را روی روند واکنش چگالش دارد.
مزیت اصلی تکنیک‌های خشک کردن در فشار محیط، عدم نیاز به تجهیزات فشار بالا می باشد که گران قیمت و به طور بالقوه خطرناک است؛ اگرچه به مراحل پردازش چندگانه با تبادل حلال نیاز دارند. تا به حال مطالعات اندکی در رابطه با استفاده از روش‌های خشککردن انجمادی شده است. این تکنیک‌ها نیاز به تجهیزات خاصی برای رسیدن به دمای پایین لازم برای تصعید حلال و منجر شدن به پودر آئروژل، دارند.
محدودیت اصلی تکنیکهای فوق بحرانی دما بالا، رسیدن به دماهای بالای مورد نیاز برای دست یافتن به نقطه بحرانی حلال الکل و نیز ملاحظات ایمنی در بکار بردن مخزن فشار در این شرایط است.
روش استخراج دما پایین به طور گسترده در تولید آئروژل‌های یکپارچه کوچک تا بسیار بزرگ استفاده شده است، اگرچه می‌تواند روزها تا هفته‌ها تولید آن طول بکشد و مراحل چندگانه تبادل حلال مورد نیاز، آن را تبدیل به فرآیندی پیچیده کند و اتلاف قابل ملاحظه‌ای از حلال و 2CO ایجاد می‌کند. تکنیک‌های خشککردن سریع ساده‌تر و سریع‌تر است. تمامی فرآیند، بر خلاف مراحل چندگانه و مقیاس‌های زمانی در ابعاد روزها و ماهها در سایر روش‌ها، در یک مرحله انجام شده و می‌تواند در چند ساعت تکمیل شود. همچنین این روش‌ها اتلاف کمتری را به وجود می‌آورند. یک ایراد روش‌های خشککردن سریع، نیاز به دما و فشار بالاست [47].
3-4 مروری بر کارهای انجام شدهاگرچه میدانیم که این گزارش‌های جامعی از مقالات مرتبط با نانوکامپوزیت‌های آئروژل نیست، اما تأکید بر این مطلب است که چگونه ترکیب نانوذرات ممکن است احتمال استفاده از آئروژل‌ها را به عنوان مواد جدید افزایش دهد و چگونه مسیر آماده سازی مورد اطمینان برای به‌دست آوردن نانوکامپوزیت‌های آئروژل برای کاربرد خاص را انتخاب نماییم.
پس از آنکه کیستلر در سال 1931 برای اولین بار بدون درهم شکستن ساختار ژل، فاز مایع را از آن جدا کرد، در سال 1938 به مطالعه روی رسانایی گرمایی آئروژل و در سال 1943 درباره سطح ویژه آن‌ها به مطالعه پرداخت [48]. بعد از آن حدود نیمقرن دانشمندان علاقه‌ای به آئروژل‌ها نشان ندادند تا در اویل 1980 آئروژل به عرصه پژوهش بازگشت.
در سال 1992تیلسون و هاربش از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا ژل استفاده کردند و از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشخصه‌یابی آن‌ها استفاده نمودند [49] و سپس هر ساله تحقیقات زیادی روی آئروژل‌ها صورت می‌گیرد.
در سال 2001 کاساس و همکارانش نانوکامپوزیت مغناطیسی را با ورود ذرات اکسید آهن در سیلیکا آئروژل میزبان سنتز کردند. این سنتز که به روش سل-ژل و با خشککردن فوق بحرانی متانول انجام شد، دو نمک آهن استفاده شد: O2H9.(3ON)Fe و O2H2.(EDTA)FeNa. در این پژوهش ارتباط واضحی بین پیشماده، آب و تخلخل و سطح ویژه آئروژل حاصل وجود داشت. استفاده از ترکیب EDTA به عنوان پیش‌مادهی نانوذرات، قطر میانگین حفره‌ها را افزایش داد، گرچه قابلیت حل پایین نمک EDTA در محلول یک مانع بزرگ برای رسیدن به آهن در این روش بود. مساحت سطح ویژه‌ی نمونه‌های کاساس بین /g2m 200 و /g2m 619 بهدست آمد و برخی نمونه‌ها رفتار پارامغناطیس و برخی دیگر رفتار مغناطیس نرم از خود نشان دادند [50].
در سال 2002 واگنر و همکارانش ذرات سیلیکا با هستهی مغناطیسی را با روش ته‌نشینی به‌دست آوردند [51]. و چند سال بعد در سال 2006 ژانگ و همکارانش ذرات پوسته‌ای هسته‌دار را با روش سل-ژل تهیه کردند. این ذرات شامل هستهی مغناطیسی فریت کبالت و پوستهی سیلیکا بودند که از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا استفاده کردند. پس از آنکه ژل‌ها به‌دست آمدند، در 110 درجهی سانتیگراد برای 4 ساعت در خلاء خشک شدند زیرا اگر در هوا خشک شوند احتمال ته‌نشینی بلور‌های اکسید وجود داشت. سپس به مدت 2 ساعت در دماهای مختلف برای به‌دست آوردن نانو بلور پراکنده در ماتریس سیلیکا حرارت داده شد. برای نمونه‌ی آن‌ها شکل‌گیری فاز فریت کبالت در دمای 800 درجهی سانتیگرادکامل شد و خوشه‌های فریت کبالت به سمت نانو بلوری شدن پیش رفتند، زمانی که برهم‌کنش بین خوشه‌های فریت کبالت با ماتریس سیلیکا شکسته شد پیوندهای Si-O-Fe ناپدید شدند. بر طبق گزارش آن‌ها اشباع مغناطیسی نانوکامپوزیت‌ها با افزایش غلظت بیشتر فریت در ماتریس افزایش یافت تا مقدار بیشینه emu/g 98/66 برای نمونه با نسبت مولی 1:1 (wt% 80 فریت کبالت) به‌دست آمد [52].
سیلوا و همکارانش در سال 2007 کامپوزیت ذرات فریت کبالت پخش شده در ماتریس سیلیکا را به روش سل-ژل تهیه کردند. آن‌ها از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا و از نیترات به عنوان پیش‌ماده فریت استفاده کردند. پس از گذشت زمان پیرسازی، نمونه برای 12 ساعت در 110 درجهی سانتیگراد خشک شدند و ذرات فریت کبالت در ماتریس سیلیکا شکل گرفتند. پس از آن عملیات حرارتی برای 2 ساعت در دماهای 300، 500، 700 و 900 درجهی سانتیگراد انجام شد که باعث افزایش در اندازهی ذرات شد. رسوب ذرات خوشه‌ای فریت در دیواره‌های منافذ زیروژل با افزایش دما بیشتر شد و در دماهای بالاتر از 700 درجهی سانتیگراد بلورهای بزرگ‌تر کبالت داخل منافذ ماتریس شکل گرفتند و افزایش در مغناطش اشباع و پسماند مغناطیسی را باعث شدند [53].
در همان سال فرناندز و همکارانش نانو کامپوزیت سیلیکا آئروژل/ آهن اکسید را با فرآیند سل-ژل و تبخیر فوق بحرانی حلال سنتز کردند. آن‌ها نمونه‌ها با پیشماده‌های TEOS و TMOS را با تبخیر فوق بحرانی اتانول و متانول خشک کردند. ذرات مغناطیسی با اندازهی متوسط nm 6 با TEOS و متانول سنتز شدند در حالی که فری‌هیدرات‌ها از TMOS و اتانول به‌دست آمدند. بعضی نمونه‌های آن‌ها رفتار ابر پارامغناطیس از خود نشان دادند [54].
دو سال بعد ژنفا زی و همکارانش نانوذرات فریت کبالت را به روش هم‌نهشت شیمیایی و خشک شدن در هوا در دمای80 درجهی سانتیگراد تهیه کردند. اندازهی قطر نانوذرات سنتز شده nm 20 تا nm 30 بود و دمای کوری در فرآیند افزایش دما کمتر از فرآیند کاهش دما بود. مقدار اشباع مغناطیسی این ذرات emu/g 77/61 بهدست آمد که نسبت که مقدار کپه آن کوچک‌تر بود. در این پژوهش مقدار پایین نیروی وادارندگی به دو دلیل اتفاق می‌افتد: ذرات فریت ممکن است ساختار چند دامنه داشته باشند. شکل‌گیری چند دامنه‌ها و حرکت دیوارهای دامنه می‌تواند کاهش دامنه را نتیجه دهد. همچنین اگر اندازهی بحرانی ذرات [55] بهدست آمده بزرگ‌تر از قطر میانگین ذرات باشد، رفتار تک دامنه را از خود نشان می‌دهند. آن‌ها گزارش کردند که کاهش وادارندگی نمونه‌ها به رفتار وابسته به اندازهی ذرات بستگی دارد [56].
بلازینسکی و همکارانش در پژوهشی که در سال 2013 انجام دادند، سیلیکا آئروژل را با روش سل-ژل و فرآیند فوق بحرانی تهیه کردند. آن‌ها دریافتند که روش خشک کردن فوق بحرانی مؤثرترین روش برای بهدست آوردن بهترین ویژگی این محصولات است. بدین منظور آن‌ها دستگاه خشک کن فوق بحرانی را برای خود ساختند که فشار و دما به طور دستی تنظیم می‌شد و مرحله مهم در آمادهسازی سیلیکا آئروژل‌ها بود. به این ترتیب آن‌ها سیلیکا آئروژل‌های شفاف با مساحت سطح ویژه بالا به‌دست آوردند [57].
در گزارشی دیگر در سال 2014 ساجیا و همکارانش پودر آمورف فریت کبالت را به روش سل-ژل تهیه کردند و این روش را بهترین روش تهیه نانوذرات عنوان کردند. آن‌ها دریافتند که عملیات حرارتی برای تجزیه کامل مقدار مواد آلی و نیترات حاضر در پودر آمورف لازم است. در این فرآیند برای جلوگیری از ته‌نشینی یا رسوبگذاری این واکنش اسید سیتریک به آن اضافه کردند و سپس مراحل خشک کردن و عملیات حرارتی انجام شد. پارامترهای عملیات حرارتی، مرحله نهایی در آماده‌سازی نانوذرات فریت کبالت بودند که بررسی شدند. ساختار اسپینل در همهی نمونه‌های آن‌ها شکل گرفته بود و هنگامی که ذرات شروع به رشد کردند ناخالصی‌ها حذف شد. ویژگی مغناطیسی مرتبط با رفتار فریمغناطیس این نمونه‌ها مقدار emu/g 62 برای اشباع مغناطیسی را نشان می‌دهد [58].
در جدیدترین پژوهشی که دربارهی آمادهسازی و ارزیابی نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/فریت در سال 2014 صورت گرفته است، کاتاگر و همکارانش نانوذرات فریت را به روش ته‌نشینی آماده کردند و سپس TMOS را به آن اضافه نمودند. برای این کار آن‌ها O2H6. 2NiCl، O2H6. 3FeCl و 2ZnCl را با اضافه کردن آب مقطر حل کردند. PH محلول در رفلاکس 110 درجهی سانتیگراد به مدت 24 ساعت 13 تنظیم شده بود. با حذف NaOH که برای PH اضافه شده بود، و شستن مکرر با آب مقطر و اتانول نانوذرات نتیجه شدند. بعد از بهدست آمدن نانوذرات به طور مستقیم به TMOS اضافه شدند و 3NH و آب دیونیزه به عنوان کاتالیست برای تهیه سل همگن اضافه گردیدند. برای مرحله پیر سازی قالب‌های حاوی سل را در اتانول به مدت 2 ساعت و دمای 50 درجهی سانتیگراد پیرسازی کردند و در نهایت ژل خیس را با خشک کردن فوق بحرانی کربن دی اکسید بهدست آوردند. تحقیقات آن‌ها نشان داد که زمان ژل شدن با افزایش نسبت مولی اتانول/TMOS افزایش یافت. همچنین به دلیل کشش سطحی اتانول، نمونه‌ها منقبض می‌شوند یا ترک می‌خورند. نانوکامپوزیت به‌دست آمده ساختار اسکلت شبکه‌ی سه بعدی را حفظ کرد. مساحت سطح ویژه با افزایش مقدار فریت از /g2m 700 تا /g2m 300 تغییر کرد. به علاوه ویژگی مغناطیسی فریت در ساختار نانو کامپوزیت تغییر نکرد [59].
3-5 برخی از کاربردهای آئروژل3-5-1 آئروژل‌ها به عنوان کامپوزیتهمانطور که پیشمادهی الکوکسید سیلیکون برای شکل‌گیری شبکه‌ی ژل با اکسیدهای فلزی دیگر به اندازه‌ی کافی واکنشی است، مطالعات زیادی در زمینه سنتز سیلیکا آئروژل برای کاربردهای مختلف صورت گرفته است [1].
3-5-2 آئروژل‌ها به عنوان جاذبآئروژل‌های فوق آبگریز و انعطافپذیر برای در جذب حلال‌های معدنی و روغن‌ها سنتز شدند. ونکاتشوارا رائو و همکارانش چگالی جذب و واجذب سیلیکا آئروژل‌های فوق آبگریز را با استفاده از یازده حلال و سه روغن بررسی کردند [60].
3-5-3 آئروژل‌ها به عنوان حسگرآئروژل‌ها تخلخل بالا، حفره‌های در دسترس، و سطح در معرض بالا دارند. از این رو کاندیداهای خوبی برای استفاده به عنوان حسگر هستند.بر اساس مطالعه وانگ و همکارانش روی آئروژل لایه‌ی نازک نانوذرات سیلیکا آئروژل نشان داد که مقاومت الکتریکی به طور قابل ملاحظه‌ای با افزایش رطوبت کاهش یافت. زیروژل همان مواد حساسیت کم‌تری را نشان داد. آئروژل‌هایی که اصلاح سطح شدند در مقایسه با آئروژل‌های آب‌گریز کمتر تحت تأثیر رطوبت قرار گرفتند و می‌توانند به عنوان ضد زنگ و عوامل آب‌گریز مورد استفاده قرار بگیرند [61].
چن و همکارش آئروژل‌هایی را برای کاربرد حسگرهای زیستی مطالعه کردند. در مطالعه آن‌ها، آئروژل‌های مزوحفره به وسیله پلیمریزاسیون سل-ژل با یک مایع یونی به عنوان حلال تهیه کردند. نتایج نشان می‌دهدکه آئروژل آماده شده می‌تواند به عنوان یک بسترشناسایی برای اسید نوکلوئیدها به کار رود [62].
3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک پایینلایه نازک‌های آئروژل 2SiO توجه خاصی را به خود اختصاص داد، به دلیل ثابت دی الکتریک خیلی پایین، تخلخل و پایداری حرارتی بالا. پارک و همکارانش لایه نازک سیلیکا آئروژل را برای لایهی داخلی دی الکتریک مورد بررسی قرار دادند و ثابت دی الکتریک را تقریبا 9/1 اندازه‌گیری کردند. آن‌ها ثابت دی الکتریک بسیار پایین فیلم‌های آئروژل را برای لایهی داخلی مواد دی الکتریک تولید کردند. فیلم های سیلیکا آئروژل به ضخامت Å 9500، % 5/79 تخلخل، و ثابت دی الکتریک پایین 2 با روش فرآیند خشک کردن محیط با استفاده از n-هپتان به عنوان حلال خشک کن به‌دست آوردند [63].
3-5-5 آئروژل به عنوان کاتالیزورمساحت سطح ویژه‌ی بالای آئروژل‌ها منجر به کاربردهای زیادی می‌شود، از جمله جاذب شیمیایی برای پاکسازی نشتی. این ویژگی کاربرد زیادی را به عنوان کاتالیزور یا حامل کاتالیزور به همراه دارد. آئروژل‌ها در کاتالیست‌های همگن مناسب هستند، زمانی که واکنش‌دهنده‌ها هم در فاز مایع و هم در فاز گاز هستند [27].
3-5-6 آئروژل به عنوان ذخیره سازیتخلخل بالا و مساحت سطح زیاد سیلیکا آئروژل‌ها می‌تواند برای کاربردهایی مثل فیلترهای گازی، جذب رسانهای برای کنترل اتلاف، محصور سازی، ذخیره سوخت هیدروژن به کار رود. آئروژل‌ها می‌توانند در مقابل تنش گذار مایع/گاز مقاومت کنند زیرا بافت آنها در طول پخت تقویت شد به عنوان مثال در ذخیره سازی، انتقال مایعات چون سوخت موشک‌ها کار برد دارد. به علاوه وزن پایین آئروژل‌ها بزرگ‌ترین مزیت است که در سیستم حمل دارو به دلیل ویژگی زیست سازگار آن‌ها مورد استفاده است [64]. کربن آئروژل‌ها در ساخت الکتروشیمی ابر خازن دو لایه کوچک استفاده شد. ابر خازن‌های آئروژل مقاومت ظاهری پایینی در مقایسه با ابر خازن‌های معمولی دارد و می‌تواند جریان بالا را تولید یا جذب کند.
3-5-7 آئروژل‌ها به عنوان قالبفیلم‌های سیلیکا آئروژل برای سلول‌های خورشیدی رنگ حساس استفاده شدند. مساحت سطح ویژه‌ی فیلم‌های آئروژل روی فیلم‌های شیشه‌ای رسانا تهیه شدند. نشست لایه اتمی برای پوشش قالب آئروژل با ضخامت‌های مختلف 2TiO با دقت کمتر از نانومتر انجام شد. غشاء آئروژل پوشش داده شده با 2TiO در سلول خورشیدی رنگ حساس گنجانیده شد. طول نفوذ شارژ با افزایش ضخامت 2TiO افزایش یافت که منجر به افزایش جریان شد [65].
3-5-8 آئروژل به عنوان عایق گرماجدای از تخلخل بالا و چگالی پایین یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های آئروژل رسانندگی گرمایی پایین آن‌ها است، علاوه بر این، از یک شبکه‌ی سه بعدی با ذرات ریز متصل شده تشکیل شده‌اند. بنابراین انتقال گرما از میان بخش جامد آئروژل‌ها از طریق مسیر پر پیچ و خمی است. فضای اشغال نشده در یک جامد توسط آئروژل به طور معمول با هوا پر شده مگر آن که تحت خلاء مهروموم شده باشد. این گازها می‌توانند انرژی حرارتی را از طریق آئروژل انتقال دهند. حفره‌های آئروژل باز هستند و اجازه عبور گاز از میان مواد را می‌دهند [27].
3-5-9 آئروژل‌ها در کاربرد فضاییناسا از آئروژل‌ها برای به دام انداختن ذرات گرد و غبار روی فضاپیما استفاده کرد. ذرات در برخورد با جامد اسیر شده، گازها تبخیر می‌شوند و ذرات در آئروژل به دام می‌افتند [27].
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را به طور مختصر نشان می‌دهد.
3-6 خلاصهدر این فصل پس از مقدمه‌ی کوتاه، اندکی در مورد سنتز آئروژل با روش سل-ژل گفته شد. پس از آن فرآیند‌های لازم برای شکل‌گیری ژل بیان شد و سپس تکنیک‌های مختلف خشک کردن و شرایط لازم برای این کار با مختصری توضیح نوشته شد. بعد مروری کوتاه به برخی از تلاش‌های انجام شده در این زمینه داشتیم و در آخر برخی از کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را با ذکر مثال درج شد.
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها [27].
خاصیت ویژگی کاربرد
رسانایی الکتریکی بهترین جامد عایق
شفاف
مقاومت در برابر درجه حرارت بالا
سبک ساخت و ساز ساختمآن‌ها و عایقبندی لوازم خانگی
ذخیره سازی
ماشین، وسیله نقلیه فضایی
دستگاه‌های خورشیدی
چگالی/تخلخل سبک‌ترین جامد مصنوعی
سطح ویژه_ی بالا
کامپوزیت‌های چندگانه کاتالیزور
حسگر
ذخیرهی سوخت
تبادل یون
فیلترهای آلاینده‌های گازی
اهداف ICF
حامل رنگ‌دانه
قالب
اپتیکی شفافیت
شاخص بازتاب پایین
کامپوزیت‌های چندگانه اپتیک سبک وزن
آشکارسازهای چرنکوف
راهنماهای نوری
عایق صوتی سرعت صوت پایین اتاق‌های ضد صدا
تطبیق مقاومت ظاهری صوتی در التراسونیک
مکانیکی الاستیک
سبک جاذب انرژی
تله برای ذرات سرعت بالا
الکتریکی ثابت دی الکتریک پایین
قدرت دی الکتریک بالا
سطح ویژهی بالا دی الکتریک برای ICها
جدا کنندهی الکترودهای خلا
خازن
فصل چهارمسنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت21434265186580مقدمهآئروژل‌ها کاندیدا‌های ایدهآلی برای طراحی نانوکامپوزیت‌های کاربردی تقویت شده با نانوذرات فلزی یا اکسید فلزی هستند. مساحت سطح ویژهی بالا با ساختار حفره‌ای، آئروژل‌ها را قادر می‌سازد تا به طور موثری میزبان نانوذرات ریز پراکندهشده باشند و این اطمینان را می‌دهد که نانوذرات در دسترس هستند.
راه گسترش آئروژل‌های کاربردی برای تهیهی مواد کاربردی خلاق از طریق طراحی نانوکامپوزیت‌ها است، به طوری که نانوذرات فلز یا اکسید فلز به داخل ماتریس آئروژل الحاق می‌شوند. با توجه به گسترش محدوده و قابلیت زیستی آئروژل‌ها، تهیه این نانوکامپوزیت‌ها برای جلوگیری از تجمع نانوبلورها و رشد از طریق ذرات بستر برای یک کاربرد خاص را فراهم می‌کند.
4-1 مواد مورد استفاده در پژوهش آلکوکسیدهای فلزی یک دسته از خانواده‌ی ترکیبات آلی فلزی میبا شند که شامل یک بنیان آلی چسبیده به یک عنصر فلزی یا شبهفلزی میباشند. تترا اتیل اورتو سیلیکات (TEOS) که دارای نماد شیمیایی 4)5H2Si(OC می‌باشد از جمله الکوکسیدهایی است که به عنوان پیشماده در سنتز سیلیکا آئروژل به کار می‌رود. در این پژوهش از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا ژل با جرم مولی g/mol 33/208 استفاده شد. متداول‌ترین آئروژل‌ها با بسپارش سل-ژل سیلیکا الکوکسید سنتز شدند [66]. نیترات آهن(ΙΙΙ) 9 آبه و نیترات کبالت(ΙΙ) 6 آبه به ترتیب با جرم مولی‌های g/mol 404 و g/mol 04/291 برای تهیه نانوذرات فریت کبالت به کار رفت. متانول و آب دیونیزه به عنوان حلال نیاز بود.
4-2 روش تجربی و جزئیاتدر ابتدا برای سه درصد وزنی مورد نظر میزان گرم و لیتر مورد نیاز هر ماده محاسبه شد که در جدول 1 نشان داده شدهاست. در همهی درصد وزنی‌ها نسبت نیترات آهن(ΙΙΙ) 9 آبه به نیترات کبالت(ΙΙ) 6 آبه 2 به 1 باقی ماند.

8فصل چهارم

که تعریف می کنیم:
(4-6)
(4-7)
برای مدل کردن نیروهای خارجی فرض می‌شود که اثرات اتلافی، خطی تغییر ناپذیر با زمان (LTI) هستند، و فقط بر اثر مقاومت‌های سیم‌پیچ‌ها به وجود می‌آیند و ضریب اصطکاک چسبندگی مکانیکی . بنابراین تابع اتلاف رایلی (Rayleigh ) فرم زیر را پیدا می‌کند:
(4-8)
که
(4-9)
نیروهای کنترلی ولتاژ هایی هستند که به سیم‌پیچ‌ها اعمال می‌شوند با شرط . در این کار ماشین‍های تحت تحریک همانند ماشینهای (Under actuated ) می‌باشند. یعنی ماشین‌هایی که ولتاژها می توانند فقط به سیم‌پیچ‌های استاتور اعمال می‌شوند(یعنی موتور القایی)یا به هر دو سیم‌پیچی‌های استاتور و رتور (یعنی موتور سنکرون با سیم‌پیچی محلی) مورد بررسی قرار خواهند گرفت. بنابراین بسیار مناسب است که بردار مختصات الکتریکی را به صورت مشخص کنیم که پسوندهای s و r برای نشان دادن متغیرهای سیم‌پیچ‌هایی که به ترتیب "تحریک شده" و "تحریک نشده" هستند استفاده می‌شوند. (اورتگا، 1998)
در حالت ماشین‌های Under actuated تقسیم‌بندی به خوبی با متغیرهای رتور و استاتور منطبق است. توجه داشته باشید ماشین‌هایی مانند موتورهای سنکرون و استپر و موتورهای رلوکتانس متغیر که qe فقط شامل متغیرهای استاتور می‌باشد، و به طور مستقیم توسط ولتاژهای استاتور تحریک می‌شوند. در نهایت فرض می شود که گشتاور بار ????L در زیرسیستم مکانیکی به فرم زیر است:
(4-10)
نکته: ارائه یک گشتاور بار به صورت فرم فوق ثابت می‌کند که به ازای هر کراندار یک کراندار وجود دارد. به جز این که همانگونه که در ادامه نشان داده می‌شود، گشتاور بار هیچ نقشی در مسأله تعقیب گشتاور ندارد و می‌تواند به عنوان یک اختلال خارجی برای مسأله تعقیب سرعت در نظر گرفته شود. با یک پارامتر معیار و .
با توجه به ملاحظات بالا وبا به کارگیری معادلات EL (4-3) تا (4-6) معادلات EL حرکتی ماشین به صورت زیر نشان داده می‌شوند:
(4-11)
(4-12)
که بدون از دست دادن عمومیت، می‌توانیم فرض کنیم که و و تعریف می‍کنیم:

در اینجا τ گشتاور تولید شده است و زیرسیستم‌های الکتریکی و مکانیکی را بر طبق معادله زیر در بر می‌گیرد:
(4-13)
که در مورد حال حاضر ما به معادله زیر کاهش پیدا می‌کند:
(4-14)
که و در محدود و متناوب است.
توجه داشته باشید که، ماشین با پارامترهای EL که شامل چهار گانه است به صورت کامل توصیف شده است که در آن داریم:.(اورتگا، 1998)
4-5 روش مبتنی بر پسیویتی برای طراحی کنترل‌کننده
4-5-1- تجزیه فیدبکی زیرسیستم‌های پسیو
در این قسمت، نشان داده خواهد شد که مدل دینامیکی یک ماشین الکتریکی کلی در شرایط قضیه پسیویتی صدق می‌کند و به همین ترتیب می‌تواند به دو زیرسیستم پسیو که به صورت یک اتصال فیدبک می‌باشند تجزیه شود. یعنی
زیر سیستم الکتریکی ∑eqsu
τ -
qm زیر سیستم مکانیکی ∑m
τL
τL-شکل (4-2): تجزیه زیرسیستم‌های پسیو یک ماشین الکتریکی
*- قضیه 4-1 : (تجزیه زیرسیستم‌های پسیو) سیستم (9.6) - (9.8) می‌تواند به صورت یک اتصال فیدبک منفی از دو زیرسیستم پسیو به صورت شکل (4-2) نمایش داده شود.
Σe: L2ens+1 → L2ens+1 : u-qm ↦ qsτ Σe: L2e → L2e : τ-τL ⟼qm 4-5-2روند طراحی
اساس طراحی از تجزیه زیرسیستم‌های پسیو و با نادیده گرفتن دینامیک‌های مکانیکی بدست می‌آید، تلاش می‍شود که گشتاور تولیدی τ با وارد کردن مقدار مطلوب جریان‌های qeکنترل شود. بنابراین سه مرحله برای طراحی وجود دارد:
تجزیه زیرسیستم‌های پسیو بر مبنای بخش قبل در ماشین به صورتی که Σe به عنوان سیستمی که قرار است کنترل شود وΣm به عنوان یک اختلال پسیو1 در نظر گرفته شوند. برای اطمینان از این که Σm پایداری حلقه را خراب نکند، میرایی حتماً باید به Σe تزریق شود برای این که خاصیت پسیویتی در آن به پسیویتی اکید تبدیل شود.
تعریف یکسری از جریان‌های در دسترس qed یعنی، جریان‌هایی که برای آنها می‌توان یک قانون کنترل پیدا کرد، که در آنها شرط limt→∞qe-qed=0 صادق باشد. برای این منظور، انرژی حلقه بسته باید برای تطابق تابع انرژی مطلوب با خطای جریان شکل داده شود.
تابع انرژی مطلوب در اینجا به صورت Hed≜12qeTDe(qm)qe انتخاب می‌شود و خطای جریان به صورت زیر تعریف می‌گردد:
(4-15) qe≜qe-qed در این میان جریان قابل دسترس، qed انتخاب می‌شود جهت بدست آوردن گشتاور مرجع مطلوب τ* ، به صورتی که اگر qe≡qed آنگاه τ≡τ* باشد. در نهایت شروطی برقرار می‌شود که تحت آن شرط‌ها، از شرط limt→∞qe-qed=0 نتیجه می‌شود limt→∞τ-τ*=0 صادق است و همچنین پایداری داخلی نیز حفظ می‌گردد.
1.Passive Disturbance
4-6 مدل موتور القایی
شماتیک مدل موتورالقایی مورد استفاده در کنترل‌کننده مبتنی بر پسیویتی به صورت شکل(4-3) می‌باشد. شکل (4-4) بلوک دیاگرام مربوط به مدل موتورالقایی که در شبیه‌سازی‌ها از آن استفاده شده است را نشان می‌دهد.
شکل (4-3): مدل موتورالقایی مورد استفاده در کنترل‌کننده

شکل (4-4): دیاگرام مدل موتور القایی مورد استفاده در شبیه‌سازی‌ها
4-6-1 معادلات دینامیکی
تحت فرضیاتی که در بخش 4-3 در مورد پیاده‌سازی فیزیکی یک ماشین بیان گردید، یک مدل استاندارد دو فاز αβ (در این مدل محورهای مربوط به استاتور به صورت ثابت بوده در حالی که محورهای مربوط به رتور با سرعت زاویه‌ای (الکتریکی) رتور می‌چرخند.) از یک موتور القایی قفس سنجابی با p جفت قطب با فاصله هوایی یکنواخت که دارای ne=4 وns=nr=2 بوده و برای پارامترهای الکتریکی آن داریم:
(4-16) De(qm)=LsI2LsreJnp qmLsre-Jnp qmLrI2
(4-17) Re=RsI200RsI2 (4-18) Me=I20(4-19) J=0-110= -JT(4-20) eJnpqm=cos(np qm)-sin(np qm)sin(np qm)cos(np qm)(4-21) e-Jnpqm=(eJnp qm)TLs,Lr,Lsr>0 به ترتیب ماتریس‌های اندوکتانس استاتور و رتور و متقابل می‌باشند.Rr,Rs>0 به ترتیب مقاومت‍های استاتور و رتور بوده و.I2 هم یک ماتریس همانی 2×2 است. (اورتگا، 1998)
معادلات دینامیکی به صورت استفاده مستقیم از معادلات EL (3-21) بدست می‌آیند، همانگونه که در بخش 4-4 با فرم لاگرانژ (4-5) بیان می‌گردند. در نتیجه داریم:
(4-22) De(qm)qe+W1(qm)qmqe+Reqe=Meu(4-23) Dmqm+Rmqm=-τqe,qm-τL(4-24) τqe,qm=12qeTW1(qm)qeکه W1(qm)=dDe(qm)dqm=0npLsrJeJnp qm-npLsrJe-Jnp qm0 qe≜qsT,qrT=[qs1,qs2,qr1,qr2]T بردار جریان بوده و qm سرعت زاویه‌ای رتور می‌باشد.
Dm>0 اینرسی رتور است. سیگنال‌های کنترلی u=[u1 ,u2]T ولتاژهای استاتور بوده و τLگشتاور بار خارجی است. Rm>0 ثابت میرایی چسبندگی مکانیکی1 می‌باشد.
بردار شار λ≜λsT,λrT=[λs1,λs2,λr1,λr2]T تحت معادله (4-25) به بردار جریان qe وابسته است.
(4-25) λ=De(qm)qeکه دومین معادله از معادلات برداری فوق معادله
(4-26) λr=Lsre-Jnp qmqs+Lrqrمی‌باشد که برای استفاده در تحلیل بعدی لازم است.
1. Mechanical viscous damping constant
همچنین توجه داشته باشید که به علت سیم‌پیچ‌های اتصال کوتاه شده در رتورهای قفس سنجابی دومین معادله از معادلات (4-22) به صورت معادله (4-27) تبدیل می‌شود.(اورتگا، 1998)
(4-27) λr+Rrqr=04-6-2 بعضی از ویژگیهای کنترلی مدل
4-6-2-1 ویژگی‌های ورودی-خروجی:
مدل ماشین القایی تشریح شده در بخش 4-6، یک مورد خاص از مدل ماشین عمومی (4-11)-(4-14) می‌باشد. در نتیجه این مدل ویژگی‌های پسیویتی بیان شده در قضیه 4-1 را دارا می‌باشد.
به ویژه که، مدل (4-11) - (4-12) می‌تواند به فرم قانون دوم نیوتن باز نویسی شود، داریم:
(4-28) Dqqجرم × شتاب =-W1qmqeqm12qe⊤W1qmqe-Rq+Mu+ξ نیروها جمعکه درآن داریم: D(q)=diagDeqm,Dm و R=diag{Re,Rm} و M=[Me⊤,0]⊤ و q= [qe⊤,qm]⊤ ξ=[0,-τl]⊤ .
جمله دوم در بخش سمت راست معادله (4-28)، مربوط به نیروهای اتلافی می‌باشد، در حالی که دو جمله آخر بخش سمت راست شامل نیروهای خارجی می‌باشد. بن مایه اصلی فلسفه طراحی برمبنای پسیویتی آشکار ساختن نیروهای بی‌اثر می‌باشد که در این مورد جمله اول بخش سمت راست معادله بالا می‌باشد که براحتی می‌تواند با کل انرژی سیستم ایجاد شود:
(4-29) τ(q,q)=12q⊤D(q)qکه دارای نرخ تغییر (کار سیستم)
(4-30) T=q⊤(-Rq+Mu+ξ)نیروهای بی‌اثر بر تراز انرژی سیستم اثری نمی‌گذارد که در نتیجه از انتگرال‌گیری از معادله بالا داریم:
(4-31) τ(t)-τ(0)شده ذخیره انرژی=0tq⊤Rqdsشده تلف+0tq⊤Mu+ξdsشده وارد به عنوان نتیجه باید گفت که اثر این نیروها می‌تواند به زبان ساده در تحلیل پایداری نا‌دیده گرفته شود. همچنین معادله تراز انرژی اثبات می‌کند که نگاشت [u⊤,τL]⊤→[qs⊤,qm]⊤ با تابع ذخیره τ(q,q) پسیو می‌باشد. به علاوه همانگونه که در بخش 4-5 نشان داده شد، مدل موتور می‌تواند به صورت یک اتصال فیدبک به دو زیرسیستم پسیو با توابع ذخیره به ترتیب τe(qm,qe) وτm(qm) تجزیه گردد.(اورتگا، 1998)
4-6-2-2 ویژگیهای هندسی:
حال ویژگی "قابلیت معکوس پذیری" مدل موتور القایی بیان می‌گردد. لازم به ذکر است این ویژگی برای بدست آوردن یک بیان واضح( explicit ) از یک کنترل‌کننده تعقیب گشتاور مبتنی بر پسیویتی حیاتی می‌باشد. از(4-2)-(4-3) دیدیم که گشتاور به صورت زیر نوشته می‌شود.
(4-32)τ=12qe⊤W1qmqe=npLsrqs⊤JeJnp qmqr
که درآن ارتباط بین Jو eJnp qm به صورت JeJnp qm=eJnp qmJ می‌باشد که از خاصیت پاد متقارن بودن این ماتریس (skew-symetry) J (یعنی J⊤=-J⇒x⊤Jx=0, ∀x∈R2 ) استفاده شده است.
حال (4-26) را برای qr حل می‌کنیم داریم:
(4-33) qr=1Lr(λr-Lsre-Jnp qmqs)و با جایگذاری (4-33) در (4-32) داریم:
(4-34) τ=npLsrLrqs⊤JeJnp qmλrدر نهایت (4-26) را برای qs حل می‌کنیم داریم:
(4-35) qs=1LreJnp qm(λr-Lrqr)وبا جایگذاری (4-35) آن در(4-34) داریم:
(4-36) τ=-npqr⊤Jλr=npRrλr⊤Jλrکه برای qr=-1Rrλr از معادله (4-27) استفاده شده است. این یک نکته کلیدی است که ما در بخش 4-4 برای وارون‌سازی دینامیکی سیستم استفاده کردیم. در این مورد (4-15) فرم زیر را بدست می‌دهد:
(4-37) λr=τλrRrnpJλrهمانطور که دیدیم، معادله فوق نشان می دهد که دینامیک‌های صفر موتور با خروجی‌های τ و λr پریودیک هستند. این واقعیت بسیار واضح‌تر دیده می شود اگر سرعت شیب (slip speed) را به صورت زیر بنویسیم:
(4-38) ρ=ddtarctanλr2λr1=11+λr2λr12λr2λr1-λr2λr1λr12 =1λr2λr⊤Jλr =Rrnpλr2τاز این معادله مشخص می‌شود که اگر τ و λr در مقادیر ثابتی باقی بمانند، شار رتور در یک سرعت ثابت می‍چرخد، این نشان می‌دهد که گشتاور می‌تواند با کنترل کردن اندازه شار رتور و سرعت لغزش کنترل شود. (اورتگا، 1998)
4-6-3 تعریف (مسأله تعقیب سرعت و اندازه شار رتور)
مدل موتور القایی 6 وجهی بیان شده در بالا را در نظر بگیرید که بردار حالت آن [qeT,qm,qm]T می‌باشد، ورودی‍های ولتاژهای استاتور یعنی u ∈R2، سرعت خروجی تنظیم شده qm و شار رتور λr .
فرض کنید:
1- جریان‌های استاتور qs، سرعت رتور qm و موقعی qm ابل اندازه‌گیری هستند.
2- تمامی پارامترهای موتور به طور کامل معلوم می‌باشند.
3- گشتاور بار τL(t) یک تابع معلوم و محدود با مشتق اول کراندار و معلوم می‌باشد، به صورت زیر:
τl(t) ≤C1<∞ , ∀ ∈0 ,∞4- سرعت مطلوب رتور qm*(t) یک تابع کراندار ومشتق پدبر از مرتبه دوم بوده و مشتقات مرتبه اول و دوم آن کراندار می‌باشند به صورت
qm*(t)≤C2 <∞ , ∀t ∈ 0 ,∞ 5- اندازه شار مطلوب رتور β*(t) یک تابع اکیداً پسیو و کراندار و مشتق‌پذیر از مرتبه دوم بوده ومشتقات مرتبه اول و دوم معلوم و کراندار دارد به صورت:
0<δ1≤βα≤βα<∞ , βα≤βα<∞ , βα≤βα<∞ تحت شرایط گفته شده، طراحی یک کنترل‌کننده مبتنی بر پسیویتی تعقیب مجانبی سراسری سرعت و اندازه شار رتور را تضمین می‌کند یعنی
limt→∞qm-qm*(t)=0 limt→∞λr-β*(t)=0با کراندار و یکنواخت بودن تمامی سیگنال‌های داخلی.(اورتگا، 1998)
4-7 یک کنترل‌کننده مبتنی بر پسیویتی حلقه‌ای تودرتو:(Nested-Loop PBC)
در این بخش ما مسأله تعقیب سرعت-موقعیت را با اضافه یک کنترل‌کننده در حلقه بیرونی کنترل‌کننده قبلی حل می‌کنیم که نتیجه آن یک کنترل‌کننده حلقه‌ای تودرتو یا Nested-loop (یا کاسکود یا آبشاری) طبق شکل (4-5) می‍باشد.
????
شکل (4-5): ساختار یک کنترل تودرتو(Nested-Loop)
در این کنترل‌کننده Cil یک کنترل PBC تعقیب گشتاور حلقه داخلی بوده و Col یک کنترل سرعت حلقه بیرونی می‌باشد که گشتاور مطلوب τd را تولید می‌کند. می‌توان نشان داد که Col به عنوان یک سیستم LTI که به صورت مجانبی دینامیک‌های مکانیکی را پایدار می‌کند در نظر گرفته می‌شود. اشکال عمده‌ی تکنیکی این روش طراحی این است که Cil به معلوم بودن τd نیاز دارد. به همین ترتیب نشان‌دهنده نیاز به اندازه qm دارد. برای غلبه بر این مشکل qm را با مشتق تقریبی آن ، با حفظ ویژگی پایداری سراسری جایگزین می‌کنیم.
در این پایان‌نامه یک کنترل‌کننده تعقیب سرعت و اندازه شار رتور بدون مشاهده‌گر به طور کلی تعریف و اثبات خواهد شد. همچنین نشان داده می‌شود که چگونه این کنترل‌کننده با یک انتگرال‌گیری از جریان‌های استاتور مقاوم می‌شود.(اورتگا، 1998)
4-7-1 کنترل گشتاور مبتنی بر پسیویتی بدون مشاهده‌گر
مدل موتور القایی با معادلات دینامیکی (4-22)-(4-24)را در نظر بگیرید، که بردار حالت آن [qeT,qm,qm]T، بردار ورودی آن ولتاژهای استاتور u∈R2 و خروجی‌های تنظیم شده شامل جریان‌های استاتور qe بوده و گشتاور الکترومغناطیسی Te به عنوان کنترل غیرمستقیم در نظر گرفته می‌شود.
فرضیات:
تمام پارامترهای موتور به طور کامل معلوم می‌باشند.
جریانهای استاتور qs و سرعت رتور qm قابل اندازه گیری می‌باشند.
گشتاور بار TL یک تابع معلوم و کراندار و دارای مشتق مرتبه اول می‌باشد، به طوری که
TL(t)≤c1<∞ , ∀t∈0,∞گشتاور الکترومغناطیسی Te* یک تابع معلوم و کراندار می‌باشد، به طوری که
Te*(t)≤c2<∞ , c1< c2 , ∀t∈0,∞تحت این شرایط طراحی یک کنترل‌کننده مبتنی بر پسیویتی تعقیب مجانبی جامع گشتاور الکترومغناطیسی را تضمین می‌کند، یعنی limt→∞Te-Te*=0 . کنترل‌کننده گشتاور الکترومغناطیسی را طی مراحل زیر طراحی می‌کنیم:
الف-پسیویتی اکید با تزریق میرایی
اولین مرحله از روند طراحی تجزیه مدل دینامیکی موتور به دو زیرسیستم الکتریکی ∑e و مکانیکی ∑m می‌باشد که در بخش‌های قبلی به طور کامل توضیح داده شد. در این مرحله نشان می‌دهیم که چگونه میرایی به زیرسیستم الکتریکی تزریق می‌گردد به طوری که نگاشت ورودی کنترل به خروجی قابل اندازه‌گیری « اکیداً غیرفعال خروجی » باشد.
برای اطمینان از پایداری زیرسیستم الکتریکی فیدبک خروجی به فرم زیر انتخاب می‌شود:
(4-39) u=v-K1(qm)qsکه K1(qm)qe جمله تزریق میرایی می‌باشد.
بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل (4-6) این مرحله به صورت مشخص نشان می‌دهد. نگاشت v⟼qs اکیداً غیرفعال خروجی می‌باشد.(اورتگا، 1998)
شکل(4-6) : بلوک دیاگرام تزریق میرایی به زیر سیستم الکتریکی
ب- جریان مرجع و شکل‌دهی انرژی
یک جریان مرجع مناسب qed برای تولید گشتاور الکترومغناطیسی مرجع Te*تعیین می‌شود، به شرطی که اگر qe≡qed آنگاه Te≡Te*. به علاوه بر این، اگر qed کراندار باشد، Te و qe و qm نیز کراندار باشند. افزون بر این، کراندار بودن qed نشاندهنده کراندار بودن qe و v می‌باشد. اگر v و qed در رابطه (4-40) صدق کنند آنگاه داریم qe=qe-qed→0 به ازای t→∞ به طوری که مستقل از qm و qm ونوع انتخاب qed باشد.


(4-40) Mev=Deqmqed+Ceqm,qmqe+Resqm,qmqeکه در آن Ceqm,qm=12W1(qm)qm بوده و Resqm,qm=Re+12W1(qm)qm+K1(qm)000 .
و برای بردار جریان مرجع qed داریم limt→∞=qe-qed=0 .
در پایان سیستم حلقه بسته دارای تابع انرژی مطلوب به صورت Hed=12qeTDeqmqe می‌باشد. این مرحله را اصطلاحاً مرحله شکل‌دهی انرژی می‌گویند.(اورتگا، 1998)
ج- تعقیب گشتاور توسط تعقیب جریان
بر اساس معادله (4-24) برای تعریف qed برای داشتن که گشتاور مرجع داده شده Te* معادله زیر پیشنهاد می‌شود:
(4-41) Te*qed,qm=12qedTW1(qm)qedسپس با استفاده از معادله (4-24) داریم:
(4-42) Te-Te*=12qedTW1qmqed+qeTW1(qm)qedچون W1(qm) کراندار است، در نتیجه آن خواهیم داشت که اگر شرط limt→∞=qe-qed=0 برقرار باشد تعقیب مجانبی گشتاور بدست خواهد آمد.
د- کنترل گشتاور
بردار شار λ=λsT,λrTT توسط معادلات زیر با بردار جریان ارتباط پیدا می‌کند:
(4-43) λ=Deqmqeو
(4-44) λr=Lsre-Jnpqmqs+Lrqrبه خاطر سیم‌پیچهای اتصال کوتاه شده در رتور قفس سنجابی، دومین معادله از معادلات (4-22) به صورت
(4-45) λr+Rrqr=0داده میشود، که با ترکیب آن با معادلات (4-24) و (4-44) معادله گشتاور الکترومغناطیسی به صورت زیر داده می‍شود:
(4-46) Te=npLsrLrqeTJeJnpqmλrمعادله (4-46) می‌تواند برای بدست آوردن qs حل شود که داریم:
(4-47) qs=1LsreJnpqm(λr-Lrqr)حال با جایگذاری آن در (4-46) با استفاده از (4-45) خواهیم داشت:
(4-48) Te=-npqrTJλr=npRrλrTJλrبرای گشتاور مرجع Te* ، یک شار روتور مطلوب λrd توسط معادله دیفرانسیل زیر داده می‌شود:
(4-49) λrd=Rrnpβ*2Te*Jλrd , λrd0=β*(0)0که در آن β* قدرمطلق λrd می‌باشد.(اورتگا، 1998)
ه- تعقیب سرعت و اندازه شار رتور
در پایان، با ترکیب معادلات (4-39) و (4-40) و (4-44) و (4-47) و (4-49)، ورودی کنترل u در شکل (4-5) به صورت کلی زیر بدست خواهد آمد:
(4-50) u=Lsqsd+LsreJnpqmqrd+npLsreJnpqmqmqrd+Rsqsd-K1(qm)qsکه در آن
(4-51) qed=qsdqrd=1Lsr[I2+Lrnpβ*2Te*J]eJnpqmλrdTe*npβ*2Jλrdو داریم، qe=qs-qsd .
اگر ما انتخاب کنیم که K1qm=np2Lsr24εqm2+K1 با شرط 0<ε≤Rr , K1≥0 آنگاه می‌توان گفت که ماتریس Res در معادله (4-40) مثبت معین خواهد بود.
(4-52) Te*=Dmqm*-z+TLکه در آن z=-az+bqm- qm*, a,b>0 , z0=qm0-qm*(0)و داریم برای تخمین گشتاور بار از این عبارت استفاده شده است: TL=-γτLe , γτL≥0که البته برای کنترل سرعت e=qm- qm* یعنی e خطای سرعت رتور می‌باشد.
شکل(4-7) : بلوک دیاگرام کنترل‌کننده گشتاور
برای کنترل سرعت بخش معادلات فوق در مقالات اصلی پسیویتی ارائه شده است، در واقع یک فیلتر خطی از خطای تعقیب سرعت و تخمین گشتاور بار توسط اورتگا و دیگران ‌‍[3] ارائه گردیده است، که نمودار (4-7) بلوک دیاگرام آن را به نمایش می‌گذارد.
و- کنترل‌کننده پیشنهادی
در این پایان‌نامه، کنترل‌کننده سرعت پیشنهادی، یک کنترل‌کننده PI را بوده و همچنین خروجی گشتاور مطلوب در یک محدوده مشخص قرار گرفته است. به عبارت دیگر کنترل‌کننده سرعت با توجه به توان موتور محدود شده است.
بنابراین کنترل‌کننده PI باعث می‌شود که گشتاور مرجع در ناحیه پایدار محدود شده تغییر کند. از منظر مبحث انرژی، می‌توان گفت که کل انرژی سیستم کنترل سرعت محدود شده است و در نتیجه پایداری کل سیستم تضمین خواهد شد.
کنترل‌کننده سرعت پیشنهادی به صورت زیر تعریف می‌شود:
(4-53) T'=Kpqm+KIqmdt(4-54) Te*=Temax اگر T'>TemaxT' اگر Temax> T'>TeminTemin اگر T'<Teminکه در آن qm=qmd-qm , KP>0 , KI>0 و Temax و Temin به گشتاور نامی مرتبط می‌باشند. با اعمال معادله (4-54) خطای ماندگار سرعت رتور به صفر همگرا می‌شود، یعنی limt→∞qm=0 . بلوک دیاگرام مربوط به این قسمت از کنترل‌کننده پیشنهادی به صورت شکل (4-8) می‌باشد. با محدود کردن گشتاور به مقادیری ثابت حداقلی و حداکثری در کنترل‌کننده بهبود در نتایج کنترل‌کننده را انتظار داریم.
شکل(4-8) : بلوک دیاگرام مربوط به کنترل سرعت موتور القایی
معادله (4-54)
معادله (4-53)
شکل) 4-9( : بلوک مربوط به کنترل سرعت پیشنهادی
کنترل‌کننده سرعت
معادلات (4-53) و (4-54)
تبدیل 3 به 2
∫کنترل‌کننده گشتاور
فیلتر فیدبک
اندازه‌گیری wr
تبدیل 2 به 3
معادله (4-49)
معادله (4-51)
معادله (4-50)

_ wr
Td

M
P
W
M

سرعت مرجع

user8310

4-1- انطباق موتور و توربوشارژر 32
4-2- تعیین پارامترهای توربین و کمپرسور 32
4-3- انتخاب توربوشارژر 34
4-4 نواحی کاری کمپرسور 35
4-5- دریچه کنترل توربین 37
4-6- تاخیر در عملکرد توربوشارژر 37
4-7 تغییر در شرایط ورودی 38
4-8- فصل پنجم-مدلسازی موتور 40
5-1- مقدمه 41
5-2- تحلیل جریان در راهگاههای موتور با استفاده از رفتار موج فشاری 41
5--3 محاسبه پارامترهای عملکردی موتور 43
5-3- 1- فشار موثر متوسط اندیکاتوری و ترمزی 43
5-3-2- توان و مصرف سوخت ویژه 44
5-4- مدلسازی بازده حجمی 44
5-5- مدلسازی اصطکاک موتور 45
5-6- مدل اصطکاک جریان سیال 46
5-7-محاسبه ضریب جریان 47
5-8- محاسبه دبی جریان عبوری از سوپاپ 48
5-9-مدل انتقال حرارت بین سیال و راهگاههای جریان 49
5-10-مدلسازی انتقال حرارت در داخل سیلندر 49
5-11- مدلسازی پرخورانی موتور با استفاده از عملکرد پرخوران
5-11-1- انتخاب کمپرسور
5-11-2-انتخاب توربین 51
51
52
فصل شش - مدلسازی موتور EF7 با استفاده از نرم افزار GT-POWER 54
6-1- مدلسازی پورت های ورودی و خروجی 55
6-2- مدلسازی منیفولد و دریچه گاز 55
6-3- مدلسازی انژکتور 58
6-4- مشخصات سیلندر 59
6-5- مدلسازی توربوشارژر 60
6-6- مدلسازی خنک کن میانی 60
6-7- مدلسازی کاتالیست 61
6-8- مدلسازی احتراق 61
فصل هفت- نتایج توربوشارژ کردن موتور EF7 63
7-1- تغییرات اعمال شده به موتور تنفس طبیعی 64
7-2- تعیین هدف 66
7-3- نکاتی در مورد انتخاب توربوشارژر 67
7-4- مشخصات توربوشارژرهای انتخابی 68
7-5- اصطکاک موتورEF7 69
7-6- انتقال حرارت در داخل سیلندر 70
7-7- کالیبراسیون مدل موتور پرخورانی شده 70
7-8- پارامترهای عملکردی موتورEF7 در حالت بار کامل 84
7-9- مقایسه عملکرد دو توربوشارژر با استفاده از نتایج مدل 80
7-10- تعیین بهینه پارامترهای طراحی موتور پرخوران شده با استفاده از مدل 85
(فصل)هشتم-آنالیز حساسیت موتور EF7 95
8-1- آنالیز حساسیت 96
8-1-1- فشار موثر متوسط ترمزی 98
8-1-2-مصرف مخصوص ترمزی سوخت 99
8-1-3- راندمان حجمی 101
8-1-4-سرعت توربین 102
8-1-5- راندمان کمپرسور 104
8-1-6- فشار در پائین دست کمپرسور 105
8-1-7-جریان هوا 107
8-1-8- جریان سوخت 108
8-1-9- گشتاور ترمزی موتور 110
8-1-10- دمای پائین دست کمپرسور 111
8-1-11- دمای پائین دست خنک کن 113
8-1-12- دمای منیفولد 114
8-1-13- فشار منیفولد 116
8-1-14- فشار ورودی توربین 117
8-1-15- فشار خروجی توربین 119
8-1-16- دمای ورودی توربین 120
8-1-17- دمای خروجی از توربین 122
8-1-18- راندمان توربین 123
8-1-19- راندمان اندیکاتوری موتور 125
8-1-20- توان مصرفی کمپرسور 126
8-1-21- فشار موثر متوسط اندیکاتوری 128
8-1-22- ماکزیمم فشار سیلندر 129
8-1-23- درجه ماکزیمم فشار سیلندر 130
8-1-24- ماکزیمم دمای سیلندر 132
8-1-25- فشار ورودی به سیلندر 134
8-1-26- دمای ورودی به سیلندر 135
8-1-27- فشار خروجی از سیلندر 137
8-1-28- دمای خروجی از سیلندر 138
فصل نهم-سوپرشارژ کردن موتور توربوشارژ شده 140
9-1- هدف از سوپرتوربوشارژ کردن 141
9-2- سوپرشارژر روتز
9-3- مدلسلزی و نتایج سوپر شارژینگ 142
143
پیشنهادات
لیست مقالات ارائه شده 151
151
نتایج 152
ضمیمه 156
مراجع 161
چکیده انگلیسی 166
فهرست جداول
جدول(2-1) مقایسه یک موتور توربوشارژری و تنفس طبیعی با گشتاور و توان حداکثر برابر
جدول (5-1) توضیح پارامترهای معادله (5-18)
جدول (6-1) مشخصات هندسی سیلندر موتور تنفس طبیعی
جدول (7-1) مشخصات هندسی سیلندر موتور پرخوران شده
جدول (7-2) مقادیر ثابت فشار موثر متوسط اصطکاکی در دورهای مختلف
جدول(8-1) جدول تعریف متغیرها و مقدار آنها
جدول (8-2) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار موثر متوسط ترمزی
جدول (8-3) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی مصرف مخصوص ترمزی سوخت
جدول (8-4) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان حجمی
جدول (8-5) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی سرعت توربین
جدول (8-6) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان کمپرسور
جدول (8-7) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار در پائین دست کمپرسور
جدول (8-8) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی جریان هوا
جدول (8-9) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی جریان سوخت
جدول (8-10) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی گشتاور موتور
جدول (8-11) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای پائین دست کمپرسور
جدول (8-12) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای پائین دست خنک کن
جدول (8-13) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای منیفولد
جدول (8-14) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار منیفولد
جدول (8-15) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار ورودی توربین
جدول (8-16) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار خروجی توربین
جدول (8-17) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای ورودی توربین
جدول (8-18) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای خروجی از توربین
جدول (8-19) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان توربین
جدول (8-20) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان اندیکاتوری موتور
جدول (8-21) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان توربین
جدول (8-22) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار موثر متوسط اندیکاتوری
جدول (8-23) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی ماکزیمم فشار سیلندر
جدول (8-24) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی درجه مربوط به ماکزیمم فشار
جدول (8-25) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی ماکزیمم دمای سیلندر
جدول (8-26) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار ورودی به سیلندر
جدول (8-27) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای ورودی به سیلندر
جدول (8-28) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار خروجی از سیلندر
جدول (8-29) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای خروجی از سیلندر
جدولA-1 نام های توربین و کمپرسور دو توربوشارژر
جدول A-2 مشخصات عملکرد کمپرسور توربوشارژر1
جدول A-3 مشخصات عملکرد کمپرسور توربوشارژر 2
جدول(A-4 ) مشخصات عملکردی توربین
فهرست اشکال
شکل (2-1) یک نمونه سوپرشارژ
شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر به صورت شماتیک
شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور به صورت طرحواره
شکل(3-1) رابطه بین نسبت تراکم و افزایش فشار ورودی موتور
شکل (4-1) نقشه عملکرد یک کمپرسور
شکل (4-2) مشخصه یک توربین جریان محوری
شکل(5-1) المان در نظر گرفته شده
شکل (6-1) طرحواره پورت های ورودی و خروجی
شکل (6-2) مدل سازی منیفولد توسط چند انشعاب
شکل (6-3) قرار دادن دستگاه مختصات در مرکز انشعاب
شکل (6-4) دریچه گاز
شکل (6-5) مشخصات هندسی سیلندر
شکل(6-6) زمانبندی جرقه در دورهای مختلف(TDC=0)
شکل (7-1) منحنی لیفت و زمانبندی سوپاپ های ورودی و خروجی برای دو موتور تنفس طبیعی و پرخوران شده EF7
شکل (7-2 ) مقدار افزایش مورد نظر درگشتاور موتور در حالت تمام بار
شکل (7-3) مقادیر بیشینیه فشار سیلندر در دورهای مختلف برای یک موتور پرخورانی شده مشابه با موتورEF7 در حالت تمام بار
شکل (7-4) فشار موثر متوسط اصطکاک در دورهای مختلف در حالت بار کامل
شکل (7-5) بازده اندیکه در دورهای مختلف در حالت بار کامل
شکل(7-6) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 1500
شکل(7-7) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 2000
شکل(7-8) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 2500
شکل(7-9) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 3500
شکل(7-10) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 4800
شکل(7-11) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 5000
شکل(7-12) نتایج کالیبراسیون فشار بعد از کمپرسور برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-13) نتایج کالیبراسیون دبی هوا در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-14) نتایج کالیبراسیون بازده حجمی در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-15) نتایج کالیبراسیون گشتاور موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-16) نتایج کالیبراسیون فشار موثر متوسط ترمزی موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-17) نتایج کالیبراسیون جریان سوخت موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-18) نتایج کالیبراسیون فشار بعد از خنک کن موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-19) نتایج کالیبراسیون فشار گازهای خروجی قبل از توربین موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-20) نتایج کالیبراسیون فشار گازهای خروجی بعد از توربین موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-21) بازده ترمزی در دورهای مختلف
شکل(7-22) گشتاور اندیکه در دورهای مختلف
شکل(7-23) گشتاور ترمزی در دورهای مختلف
شکل(7-24) مصرف سوخت ویژه ترمزی در دورهای مختلف
شکل(7-25) فشار مؤثر متوسط پمپاژ در دورهای مختلف
شکل(7-26) دمای خروجی از خنک کن میانی در دورهای مختلف
شکل(7-27) مقادیر گشتاور موتور EF7 TC که از توربوشارژر (1)برای پرخورانی استفاده شده است و گشتاور مورد نظر در حالت تمام بار
شکل(7-28) مقادیر گشتاور موتور EF7 TC که از توربوشارژر (2)برای پرخورانی استفاده شده است و گشتاور مورد نظر در حالت تمام بار
شکل(7-29) مقایسه بازده کمپرسور دو توربوشارژر در دورهای مختلف و در حالت تمام بار
شکل(7-30) مقادیر گشتاور خروجی موتور حاصل از مدل در ارتفاع ۲۰۰۰ متر از سطح دریا
شکل(7-31) بازده کمپرسور دو توربوشارژر در دورهای مختلف موتور در حالت بار کامل
شکل(7-32) دور توربوشارژر در مقابل دور موتور در حالت بار کامل
شکل(7-33) مقادیر فشار بیشینه داخل سیلندر در مقابل دور موتور قبل از اصلاح در پارامترهای طراحی
شکل(7-34) زمانبندی جرقه موتور در دورهای مختلف برای دو حالت تنفس طبیعی( (NAو پرخوران شده) (TC
شکل(7-35) دمای گازهای ورودی به توربین در دورهای مختلف برای زمانبندی جرقه جدید برای موتور TC
شکل(7-36) فشار بیشینه داخل سیلندر در دورهای مختلف برای زمانبندی جرقه جدید برای موتور TC
شکل(7-37) فشار بیشینه داخل سیلندر موتور پورخوران شده در مقابل دور با زمانبندی جرقه جدید و نسبت تراکم 9.8
شکل(7-38) تعیین بهترین زمان باز شدن سوپاپ ورودی در دورrpm1500
شکل(7-39) شکل(7-43) منحنی سوپاپ ورودی و خروجی موتور برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخوران شده
شکل(7-40) مقادیر بازده حجمی موتور پرخوران شده با دو منحنی سوپاپ مختلف در مقابل دور موتور
شکل(7-41) نقاط کارکردی موتور بر روی منحنی عملکردی کمپرسور در حالت بار کامل
شکل(7-42) نقاط کارکردی موتور بر روی منحنی عملکردی توربین در حالت بار کامل
شکل(7-43) مقدار دبی جرمی عبوری از دریچه کنترل توربین در دورهای مختلف
شکل(7-44) بازده حجمی موتور EF7 در مقابل دور موتور برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-45) مقادیر گشتاور ترمزی در مقابل دور موتور برای موتور EF7 در حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-46) مقادیر فشار بیشینه سیلندر در دورهای مختلف موتور برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-47) دمای گازهای حاصل از احتراق در خروجی منیفولد خروجی در موتورEF7 برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-48) ماکزیمم فشار سیلندر
شکل(7-49) سرعت گردشی کمپرسور
شکل(7-50) شکل BMEP موتور EF7 مدل شده
نمودار (8-1) آنالیز حساسیت فشار موثر متوسط ترمزی
نمودار (8-2) متوسط مقادیر مطلق فشار موثر متوسط ترمزی در سرعت های مختلف
نمودار (8-3) نتایج آنالیز حساسیت برای مصرف مخصوص ترمزی سوخت
نمودار (8-4) متوسط مقادیر مصرف مخصوص ترمزی سوخت در سرعت های مختلف
نمودار (8-5) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان حجمی
نمودار (8-6) متوسط مقادیر راندمان حجمی در سرعت های مختلف
نمودار (8-7) نتایج آنالیز حساسیت برای سرعت توربین
نمودار (8-8) متوسط مقادیر سرعت توربین در سرعت های مختلف موتور
نمودار (8-9) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان کمپرسور
نمودار (8-10) متوسط مقادیر راندمان کمپرسور در سرعت های مختلف
نمودار (8-11) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار در پائین دست کمپرسور
نمودار (8-12) متوسط مقادیر فشار در پائین دست کمپرسور در سرعت های مختلف
نمودار (8-13) نتایج آنالیز حساسیت برای جریان هوا
نمودار (8-14) متوسط مقادیر جریان هوا در سرعت های مختلف
نمودار (8-15) نتایج آنالیز حساسیت برای جریان سوخت
نمودار (8-16) متوسط مقادیر جریان سوخت در سرعت های مختلف
نمودار (8-17) نتایج آنالیز حساسیت برای گشتاور ترمزی موتور
نمودار (8-18) متوسط مقادیر گشتاور موتور در سرعت های مختلف
نمودار (8-19) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای پائین دست کمپرسور
نمودار (8-20) متوسط مقادیر دمای پائین دست کمپرسور در سرعت های مختلف
نمودار (8-21) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای پائین دست خنک کن
نمودار (8-22) متوسط مقادیر دمای پائین دست خنک کن در سرعت های مختلف
نمودار (8-23) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای منیفولد
نمودار (8-24) متوسط مقادیر دمای منیفولد در سرعت های مختلف
نمودار (8-25) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار منیفولد
نمودار (8-26) متوسط مقادیر فشار منیفولد در سرعت های مختلف
نمودار (8-27) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار ورودی توربین
نمودار (8-28) متوسط مقادیر فشار ورودی توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-29) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار خروجی توربین
نمودار (8-30) متوسط مقادیر فشار خروجی توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-31) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای ورودی توربین
نمودار (8-32) متوسط مقادیر دمای ورودی توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-33) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای خروجی از توربین
نمودار (8-34) متوسط مقادیر دمای خروجی از توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-35) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان توربین
نمودار (8-36) متوسط مقادیر راندمان توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-37) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان اندیکاتوری موتور
نمودار (8-38) متوسط مقادیر راندمان اندیکاتوری موتور در سرعت های مختلف
نمودار (8-39) نتایج آنالیز حساسیت برای توان مصرفی کمپرسور
نمودار (8-40) متوسط مقادیر راندمان توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-41) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار موثر متوسط اندیکاتوری
نمودار (8-42) متوسط مقادیر فشار موثر متوسط اندیکاتوری در سرعت های مختلف
نمودار (8-43) نتایج آنالیز حساسیت برای ماکزیمم فشار سیلندر
نمودار (8-44) متوسط مقادیر ماکزیمم فشار سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-45) نتایج آنالیز حساسیت برای درجه ماکزیمم فشار سیلندر
نمودار (8-46) متوسط مقادیر درجه مربوط به ماکزیمم فشار در سرعت های مختلف
نمودار (8-47) نتایج آنالیز حساسیت برای ماکزیمم دمای سیلندر
نمودار (8-48) متوسط مقادیر ماکزیمم دمای سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-49) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار ورودی به سیلندر
نمودار (8-50) متوسط مقادیر فشار ورودی به سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-51) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای ورودی به سیلندر
نمودار (8-52) متوسط مقادیر دمای ورودی به سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-53) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار خروجی از سیلندر
نمودار (8-54) متوسط مقادیر فشار خروجی از سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-55) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای خروجی از سیلندر
نمودار (8-56) متوسط مقادیر دمای خروجی از سیلندر در سرعت های مختلف
شکل(9-1) منحنی عملکرد موتور توربوشارژ شده و تنفس طبیعی در حالت بار کامل
شکل(9-2) مسیر جریان هوا در کمپرسور روتز
شکل(9-3) طریقه اتصال توربوشارژ و سوپرشارژ به موتور
شکل(9-4) نحوه قرار گیری سوپرشارژ و توربوشارژ در مدل
شکل(9-5) انطباق ناصحیح موتور و یک سوپرشارژ روتز
شکل(9-6) نقشه عملکرد کمپرسور همراه نقاط عملکردی موتور در حالت بار کامل
شکل(9-7) فشار داخل سیلندر با نسبت دنده5.1 در حالت بار کامل
شکل(9-8) دمای گازهای ورودی به توربین در حالت بار کامل
شکل(9-9) مقایسه توان ترمزی دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-10) مقایسه گشتاور ترمزی دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-11) مقایسه راندمان حجمی دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-12) میزان گشودگی دریچه میان گذر
شکل(9-13) میزان افزایش گشتاور توسط سوپرشارژ بعد از رعایت حد کوبش
شکل(9-14) میزان افزایش راندمان حجمی توسط سوپرشارژ بعد از رعایت حد کوبش
فهرست علائم
دما
فشار
دور N
قطر D
شعاع R
دبی جرمی
ظرفیت گرمایی ویژه گاز
حجم جاروب شده
فشار منیفولد
دمای منیفولد
سطح
سرعت صوت
سرعت صوت بی بعد
طول
ضریب تخلیه جریان
سطح موثر
عدد پرانتل
نرخ جریان سوخت انژکتور(g/s)
سرعت موتور(rpm)
حجم جابجایی(liter)
نسبت سوخت به هوا
تعداد سیلندرها
مدت تزریق(بر حسب زاویه لنگ)
مقدمه
متوسط غلظت آلاینده هائی مانند منواکسیدکربن، هیدروکربنهای نسوخته و اکسیدهای نیتروژن در بسیاری از نقاط شهر تهران بیشتر از حد مجاز توصیه شده توسط سازمان بهداشت جهانی می‌باشد. با توجه به رشد سریع ترافیک، وضعیت در آینده بدتر خواهد شد.


با توجه به اینکه 89 درصد از منابع آلوده کننده هوای تهران مربوط به خودروها است جایگزینی سوختهای پاکتر که هم از نظر اقتصادی با صرفه تر و هم از لحاظ اثرات زیست محیطی آلودگی کمتری داشته باشند مورد توجه قرار گرفته و بصورت یک ضرورت اجتماعی مطرح گردیده است[1].
گاز سوختی ارزان با آلودگی کمتر است و در صورت فراهم شدن امکان دسترسی بیشتر، یکی از بهترین سوختهای جایگزین بنزین و گازوئیل می‌باشد. با گازسوز کردن خودروها، منواکسیدکربن، هیدروکربنهای نسوخته، دی اکسید گوگرد و ذرات معلق حاصل از احتراق به میزان قابل ملاحظه ای کاهش می‌یابند. علاوه براین سرب بعنوان یکی از زیانبارترین آلوده کننده ها به کلی حذف می‌شود و همچنین از سروصدای موتور نیز کاسته می‌شود.
در مقایسه موتورهای گازسوز با موتورهای بنزینی، توان حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد کاسته می‌شود. دو علت عمده این کاهش یکی حالت گازی سوخت CNGدر هنگام تزریق به موتور می‌باشد که مقداری از فضای هوای ورودی به موتور را اشغال می‌نماید و باعث افت راندمان حجمی می‌گردد، دلیل دیگر بالابودن نسبت هوا به سوخت در شرایط استوکیومتری گاز نسبت به بنزین می‌باشد که برای گاز این رقم در حدود 17.2 به یک می‌باشد و برای بنزین 14.7 به یک می‌باشد. این عامل نیاز بیشتر موتور گازسوز به هوا را نسبت به موتور بنزینی معلوم می سازد یعنی به زبان دیگر اگر بتوان آن مقدار گازی را وارد موتور نماییم که مقدار انرژی آزاد شده آن معادل مقدار بنزین وارد شده به موتور باشد، می‌بایست هوای بیشتری نسبت به حالت بنزینی وارد موتور گردد.
چون مقدار هوای ورودی به موتور در حالت گازی حتی کمتر از مقدار آن درحالت بنزینی می‌باشد بنابراین در موتورهای گازسوز برای بهبود عملکرد نیاز به هوای بیشتری می‌باشد. با توجه به مقاومت گاز طبیعی در مقابل خوداشتعالی می‌توان توان کاسته شده را توسط روشهای مختلفی جبران کرد. اگر خواستار تشویق مردم برای استفاده از گاز طبیعی هستیم کاهش توان در زمان استفاده از گاز طبیعی قابل قبول نیست. روشی که در این نوشتار برای بدست آوردن قدرت بیشتر ارائه می‌شود، عبارت است از بکارگیری توربوشارژر به منظور افزایش دبی جرمی هوا و متعاقب آن افزایش راندمان حجمی و قدرت موتور. همچنین با استفاده از پرخورانی می‌توان برخی از آلاینده های موتور را با هوادهی بیشتر یا اصطلاحا فقیرسوز کردن موتور درحد پائین تری نگه داشت.
فصل اول
مقدمه و مرور بر تحقیقات انجام شده در گذشته
1-1- تاریخچه
توربوشارژینگ موتورهای احتراق داخلی ایده ای بود که به فاصله کمی از اختراع موتورهای احتراق داخلی مطرح گردید. در سال 1885 دایملر پروژه - ریسرچای درباره استفاده از یک فن یا کمپرسور برای اضافه کردن هوای ورودی به موتور دریافت کرد. در سال 1902 لوییس رنو برای اولین بار توربوشارژری از نوع سانتریفیوژ ساخت و بر روی موتور نمونه ای نصب کرد. این توربوشارژر توسط تسمه به میل لنگ متصل می‌گشت و با پنج برابر سرعت آن دوران می‌کرد. اولین سوپرشارژ متحرک با دود اگزوز (توربوشارژ) بین سال های 1909 و 1912 توسط دکتر آلفرد بوچی سوئیسی ساخته شد. اولین نمونه موتور دیزل مجهز به توربوشاژر را او در سال 1915 ارائه کرد[2]. در توربوشارژر ساخت بوچی توربین و کمپرسور هر دو از نوع جریان محوری بودند که توسط اتصال مکانیکی به میل لنگ موتور متصل می شدند. امروزه به این نوع موتور، موتور مرکب اتلاق می‌شود. بعد از چند سال بوچی مدل اصلاح شده ای را مطرح کرد که در آن اتصال مکانیکی بین موتور و توربوشارژر برداشته شده بود، ولی اتصال مکانیکی بین توربین و کمپرسور کماکان پابرجا بود. اولین توربوشارژر ساخت بوچی از نوع جریان یکنواخت بود که با موفقیت و اقبال روبرو نگردید. در سال 1925 بوچی سیستم موفق توربوشارژ ضربه ای ارائه کرد، که به مدل بوچی معروف می‌باشد. رونق بیشتر توربوشارژینگ زمانی آغاز شد که توربوشارژرها بر روی موتورهای سیلندر و پیستونی هواپیماها نصب گردید و میزان سقف پرواز را افزایش داد. زیرا در این هواپیما این مشکل وجود داشت که با اوج گرفتن هواپیما به علت کاهش فشار، قدرت خروجی موتور شدیدا کاهش می‌یافت و این امر سقف پرواز را محدود می‌کرد. با بکارگیری توربوشارژرها و افزایش فشار ورودی کمک زیادی به افزایش ارتفاع پرواز شد. تا زمان جنگ جهانی دوم صنعت توربوشارژر توسعه زیادی یافت. بکارگیری توربوشارژر بر روی موتور دیزلی بهترین روش برای کاهش هزینه های مصرف سوخت، کاهش جای مورد نیاز برای موتور و کاهش وزن موتور، افزایش راندمان و کاهش صدا بود. در دهه هفتاد میلادی استفاده از توربوشارژر برای موتورهای بنزینی بسیار رواج پیدا کرد و کمپانیها خودروهای اسپرتی خود را با موتورهای توربوشارژری ارائه کردند ولی به دلیل تاخیر عملکرد توربوشارژر این موتورها با استقبال مصرف کنندگان روبرو نشدند. توفیق توربوشارژینگ در صنعت خودروهای سواری از زمان ارائه توربو دیزل هایی بود که می‌توانستند با حجم مساوی با موتورهای بنزینی برابری کنند و از لحاظ آلودگی در سطح پائین تری نسبت به موتورهای بنزینی قرار بگیرند[3].1-2- تجربیات انجام شده در زمینه موتور گازسوز
فعالیت های انجام شده را می‌توان به دو دسته کلی مدل سازی موتورها و انطباق تقسیم بندی نمود. تا به امروز، بیشتر تلاشها به مدل سازی موتورهای احتراق داخلی محدود بوده است. از اینرو در ابتدا به تاریخچه مدل سازی موتور می پردازیم.
نخستین قدم جدی در این راه توسط بنسون و آناند برداشته شد[4]. این دو دانشمند مدل شبیه سازی تحلیلی موتور را پایه گذاری کردند. در این مدل هر فرآیند به چند مدل ساده ریاضی تبدیل می شد که برای هر یک از این مدل ها فرم های خاصی از معادلات بقا صادق بود. این زیر مجموعه ها در نهایت به یکدیگر مرتبط می شدند. این مدل سازی علیرغم محدودیت زیاد به علت سادگی و دقت مناسب هنوز از روش های متداول و معتبر به حساب می‌آید.
چند سال بعد این روش بهبود یافت. بنسون و بورا[5] با در نظر گرفتن مدل احتراق دو ناحیه ای با کمک روش عددی رانگ کوتا توانستند به نتایجی بسیار نزدیک به اندازه گیری های تجربی دست یابند. امروزه این روش به دلیل سادگی و جامع بودن یکی از معتبرترین روش های تحلیلی برای آنالیز موتور به حساب می‌آید.
با افزایش بهای بنزین و بحران جهانی سوخت در دهه 1970 مطالعات بنیادی روی سوخت های جایگزین از جمله گاز طبیعی رونق یافت. این روند بار دیگر در دهه 1990 و به منظور غلبه بر مشکل آلودگی محیط زیست احیا گردید. برای شناخت بیشتر و بهتر خواص موتورهای گاز طبیعی ویکس وموسکوا[6] به روش تجربی و با کمک یک دستگاه اندازه گیری فشار غیرخطی، نرخ گذرای هوای عبوری از موتور را در حالات مختلف کاری اندازه گیری کردند.
ویزینسکی و واگنر[7] از دانشگاه بیرمنگام تحقیقات مفصلی بر روی نوع خاصی از سیستم EGR انجام دادند. با استفاده از گازهای خروجی از موتور که سرشار از هیدروژن می‌باشد، توانستند راندمان احتراق را به نحو قابل توجهی افزایش دهند.
در کنار این تحلیل ها تلاش های زیادی برای تعیین استانداردها و دسته بندی مزایا و معایب این موتورها به عمل آمد. از آن جمله وگزین و گوروویچ [8] مزایا و معایب گاز طبیعی مایع شده را برای اتوبوسها و کامیونها بررسی نمودند.
همزمان با تحقیقات انجام شده در زمینه های احتراق داخلی و انتقال حرارت، سیستم های کنترلی مورد استفاده نیز تحت بررسی قرار گرفتند تا با بهینه سازی آن ها آلودگی محیط کاهش و راندمان موتورها افزایش یابد. از جمله این فعالیتها و تحقیقات می‌توان به تلاش مالم و کیست [9] اشاره کرد. آنها با اندازه گیری بار و دور موتور در محدوده وسیع دما و ترکیب آن ها با اندازه گیری دینامیکی فشار و ارتعاش سیلندر سیستم های کنترلی را تحت بررسی قراردادند.
در همین زمان تحقیقات مفصلی نیز بر روی انطباق موتور و توربوشارژر انجام شد. پنج دانشمند ژاپنی به نامهای فوکوزاوا، شیمادو، کاکوهوما، اندو و تاناکا تغییرات راندمان حرارتی موتور گازسوز شش سیلندر را نسبت به پارامترهای نسبت تراکم، شکل محفظه احتراق، اثر سوپاپها و خود توربوشارژر مورد برسی قراردادند[10].
در لابراتوار ملی ماشین های گازی NGML یک سری آزمایش توسط چپمن از دانشگاه کانزاس برای تطابق توربوشارژر و موتور گاز طبیعی دو زمانه صورت گرفت[11] تا اثر این تطابق روی راندمان این مجموعه و میزان تولید NOx مورد بررسی قرارگیرد.
پلکمنس، دوکوکلیر، و لنارس اتوبوسها و کامیونهای با سوخت دیزل را با گاز طبیعی از لحاظ میزان سوخت توان و میزان ایجاد آلاینده ها مورد مقایسه قرار دادند[12].
همچنین با استفاده از مدلسازی یکبعدی بسیاری از مهندسان فعالیت هایی در زمینه بهینه سازی عملکرد موتور انجام داده اند که از آن جمله می‌توان به انتخاب توربوشارژر متناسب با یک موتور مشخص اشاره نمود.[13]
در کشور ما در سال های اخیر چند پروژه تحقیقاتی نیز به ثبت رسیده است که در آنها با مدلسازی یک موتور تغذیه طبیعی، رفتار کاری موتور توربوشارژری را پیش بینی می‌نماید[14].
1-3- اقدامات انجام شده برای نصب توربوشارژر
اقدامات فراوانی برای نصب توربوشارژر بر روی خودروها و بهینه سازی آن صورت گرفته است. در یک تحقیق تاثیر تغییرات زمان بندی سوپاپ ها بر روی قدرت و کاهش مصرف سوخت موتورهای توربوشارژری بررسی شده است[15]. در این پروژه - ریسرچبیان شده است که برای کاهش مصرف سوخت احتیاج به افزایش نسبت تراکم می‌باشد و برای جلوگیری از تولید کوبش، بازخوراند گاز اگزوز در حالت بار کامل راهکار مناسبی است. در عین حال بیان می‌دارد چهار سوپاپه بودن این موتور قدرت آن را تا 20% افزایش می‌دهد.
در تحقیق دیگر موتور 6 سیلندر جگوار با حجم 4 لیتر به سوپرشارژر و خنک کن هوا مجهز گردیده است[16]. هدف اصلی این پروژه افزایش گشتاور این موتور در دورهای پائین و کاهش آلایندگی بوده است. پس از انجام تمامی تغییرات و نصب سوپرشارژر این نتیجه حاصل شد که در حالت دریچه کاملا باز خروجی موتور بسیار مطلوب است و از قدرت خروجی موتور 12 سیلندر جگوار پیشی می‌گیرد و افزایش قدرتی بین 35 تا 50% با موتور 6 سیلندر اولیه حاصل می‌شود. در نهایت جگوار توانسته است با انتخاب مناسب سوپرشارژر میزان قدرت موتور چهار لیتری خود را به موتور 6 لیتری تنفس طبیعی برساند، در حالیکه مصرف سوخت آن در حد موتور چهار لیتری تنفس طبیعی می‌باشد.
طی یک تحقیق توسط اسپیندلر، اقدام به نصب توربوشارژر بر روی یک موتور بنزینی(با حداکثر قدرت 70 کیلو وات) با هدف افزایش قدرت، کاهش مصرف ویژه سوخت و کاهش آلودگی، شده است[17]. بعد از آزمایش تعداد زیادی توربوشارژر با سطح مقطع های مختلف، این نتیجه حاصل شد که هر چه سطح مقطع کوچک تر باشد، میزان گشتاور در سرعت های پائینتر افزایش می‌یابد ولی میزان فشار خروجی موتور در سرعت های بالاتر زیاد خواهد بود. لذا لازم است شرایط بهینه ای بین این دو مسئله انتخاب گردد. آزمایشها نشان داده است استفاده از توربین هایی با دو ورودی حائز ارجحیت می‌باشد[17]. در نهایت روش بهینه ای که انتخاب گردیده است روش ضربانی به همراه توربینی با دو ورودی می‌باشد. نتیجه این تغییرات افزایش قدرت موتور تا 120 اسب بخار با منحنی گشتاوری مشابه موتور تنفس طبیعی با همان قدرت با مزیت کوچکی ابعاد و کمی وزن (150 کیلوگرم در مقابل 185 کیلوگرم) و نیز کم بودن آلاینده های گاز اگزوز می‌باشد.
در تحقیق دیگر موتورهای هینو که بر روی کامیون ها کاربرد دارد با هدف بهینه سازی مصرف سوخت و کاهش آلودگی ها بخصوص اکسیدهای نیتروژن به توربوشارژر مجهز گردیده است[18]. در نتیجه بهبود مصرف سوخت، افزایش گشتاور در سرعت های بالا و ثابت ماندن میزان تولید NOx حاصل شده است. به عنوان یک نتیجه گیری در این پروژه - ریسرچذکر شده است که در انتخاب توربوشارژر اگر هدف افزایش شتاب اولیه و قدرت در سرعت پائین باشد، استفاده از یک توربوشارژر با اندازه کوچک و دریچه فرار مناسب می‌باشد. در صورتیکه هدف کاهش مصرف سوخت در سرعت های بالای موتور باشد، استفاده از یک توربوشارژر با اندازه بزرگ توصیه می‌گردد.
فیلیپی در سال 1994 انطباق توربوشارژر با موتور را به صورت میانیابی در نقشه عملکرد توربوشارژر انجام داد9]1 .[در این تحقیق سه مدل برای سطح سوپاپ در نظر گرفته شد و سعی شده است تا برای به دست آوردن راندمان بیشتر، بهترین مدل سوپاپ به دست آید. در این تحقیق از فناوری سطح متغیر سوپاپ و از مدل صفر بعدی (مدل ترمودینامیکی) برای موتور استفاده شد. برای احتراق مدل شعله دو ناحیه‌ای در نظر گرفته شد که بدین ترتیب شکل محفظه احتراق در محاسبات تأثیر خواهد داشت.
واتسون در بررسی انطباق موتور به توربوشارژر به انطباق موتور لیلاند با چند توربوشارژر متفاوت پرداخت[20]، او عملیات انطباق را توافقی بین گشتاور، توان خروجی موتور، محدوده سرعت موتور، محدودیت دما ، فشار و آلودگی موتور دانست. وی استفاده از توربوشارژرهای هندسه متغیر را بهترین راه توربوشارژرینگ دانست اما در عین حال این نوع توربوشارژرها را از نظر قیمت و قابلیت اطمینان مناسب نمی‌دانست.
اینوال و یوهانسون در سال 1997 روی موتور گاز طبیعی سوز توربورشارژر شده Volvo TD 102 شش نوع پیستون مختلف با محفظه احتراق متفاوت را آزمایش کردند و سرعت متوسط و توربولانس را با سرعت‌سنج لیزری اندازه‌گیری نمودند[21]. آنها علاوه بر موارد فوق، انتقال حرارت، فشار، بازده و آلودگی را اندازه‌گیری کردند. بیشترین توربولانس در محفظه کوارتت در نزدیکی نقطه مرگ بالا مشاهده شد. اندازه‌گیری فشار و انتقال حرارت نیز نشان می‌دهد که این محفظه احتراق سریعی دارد. در عین حال، این محفظه احتراق بیشترین محدوده لاندا را بین کوبش و عدم اشتعال دارد. همچنین کمترین میزان NOx و HCرا دارا می‌باشد و بهترین حالت پایداری احتراق را دارا می‌باشد. دو محفظه احتراق توربین و نبولا نسبت به حالت قبل احتراق نامناسب‌تری دارند. محفظه‌های احتراق دیگر شرایط بدتری را نشان می‌دهد.
گوارنی و سندال[22] در سال 2002 موتور احتراق جرقه‌ای را به صورت یک بعدی مدل کردند و نتایج آن را با نتایج تجربی مقایسه کردند و مدل خود را برای پیش‌بینی راندمان منیفولد و طراحی آن و زمان‌بندی سوپاپ‌ها بسیار کاربردی دانستند و دقت مدل خود را با بررسی تجربی روی موتور نشان دادند.
1-4- معرفی پروژه حاضر
در بخش اول این پروژه تاریخچه ابداع و اقدامات انجام شده برای نصب توربوشارژر مرور می‌شود. در بخش دوم هدف استفاده از توربوشارژینگ و روش های آن توضیح داده می‌شود. بخش سوم تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر، مشکلات توربوشارژینگ و روش های کاهش آن را بیان می‌کند. در بخش چهارم به معادلات حاکم بر توربوشارژر، انتخاب و انطباق توربوشارژر مناسب پرداخته می‌شود. بخش پنجم معادلات و روش مدلسازی موتور و توربوشارژر در نرم افزار GT POWER توضیح داده می‌شود. بخش هفتم مدلسازی موتورEF7 توربوشارژ شده گاز سوز ارائه می‌شود، سپس برای اطمینان از صحت عملکرد این مدل نتایج بدست آمده از مدلسازی در حالت تمام بار و بار جزیی در زمانی که میزان فشردگی دریچه گاز 25 درصد است، روش کالیبراسیون و مقایسه نتایج آن با نتایج تست های تجربی آورده می‌شود. در بخش هشتم آنالیز حساسیت موتور توربوشارژ شده برای بسیاری از پارامترهای عملکردی موتور و توربوشارژر و دما و فشار اکثر نقاط نسبت به شرایط هوای ورودی، تایمینگ سوپاپ ها، زمان جرقه، نسبت تراکم و تغییر هندسه سیستم مکش و تخلیه انجام می‌شود. در بخش نهم سوپرشارژ کردن موتور توربوشارژ شده به منظور افزایش فشار تقویتی در دورهای پائین موتور که توربوشارژ قادر به تامین آن به دلیل سرعت پائین خود، نمی‌باشد توضیح داده می‌شود و به دنبال آن نتایج سوپرتوربوشارژ کردن موتور EF7 گازسوز نشان داده می‌شود. در آخر نتایج به دست آمده از انجام پژوهش بیان شده است.

فصل دوم
توربوشارژ کردن موتورهای احتراق داخلی
2-1- هدف توربوشارژینگ
بطور کلی توربوشارژرها را به دو منظور عمده در موتورهای احتراق داخلی مورد استفاده قرار می دهند.
استفاده از توربوشارژر به جهت بالا بردن توان و عملکرد بهتر موتور، دراین حالت می‌توان با افزایش فشار و چگالی هوای ورودی و اضافه کردن مقدار پاشش سوخت توان یک موتور را تا دو برابر افزایش داد. بنابراین با طراحی مناسب قطعاتی مانند پیستونها، شاتونها، یاتاقانها و سایر اجزا موتور برای شرایط توربوشارژرینگ می‌توان مقدار قدرت به وزن موتور را بالا برد و بجای استفاده از موتورهایی با حجم بالا و قدرت بالا، موتورهای کم حجم تر و مجهز به توربوشارژر با راندمان و قدرت بالا استفاده نمود.
استفاده از توربوشارژر جهت کاهش آلایندگی موتور، هرگاه با ثابت نگه داشتن مقدار سوخت وارد شده به موتور مقدار هوای ورودی را افزایش دهیم می‌توانیم مقدار آلایندگی موتور را کاهش دهیم این روش عمدتًا در موتورهای دیزلی که مخلوط شدن سوخت و هوا بسیار مهم و کیفیت احتراق بسته به این موضوع می‌باشد بسیار حائز اهمیت می‌باشد. واردکردن هوای فشرده با ثابت نگه داشتن سوخت باعث بهبود احتراق و کاهش آلایندگی بدلیل بالا رفتن میزان نسبت هوا به سوخت در موتور می‌گردد.
در بعضی موارد هر دو روش را در یک موتور انجام می‌دهند یعنی با بالا بردن نسبتًا زیاد فشار هوای ورودی و افزایش کم سوخت نسبت به موتور معمولی می‌توان هم توان یک موتور را بالا برد هم مقدار آلایندگی موتور را کاهش داد .[23]
2-2- روشهای پرخورانی
دو روش کلی برای پرخورانی در موتورهای احتراق داخلی وجود دارد:
پرخورانی توسط سوپرشارژها
سوپرشارژها پرخورانهایی می‌باشند که تنها از یک کمپرسور تشکیل شده اند. این کمپرسور توسط تسمه یا چرخ دنده از میل لنگ موتور نیرو گرفته و باعث افزایش فشار هوای ورودی به موتور می‌گردد. از مزایای سوپرشارژها، می‌توان به عکس العمل سریع پرخوران در دورهای پائین موتور اشاره نمود که بدلیل متصل بودن سوپرشارژها توسط تسمه یا چرخ دنده به میل لنگ موتور، این امکان فراهم می‌گردد. بنابراین با افزایش سریع دور موتور، پرخوران به سرعت فعال می‌گردد. از معایب سوپرشارژها توان گرفته شده از میل لنگ موتور است که در حدود ۳۰ درصد از توان افزایش یافته توسط سوپرشارژر است که می‌بایست صرف خود سوپرشارژر گردد. در شکل (2-1) یک نمونه سوپرشارژ نشان داده شده است.

شکل(2-1) یک نمونه سوپرشارژر
پرخورانی توسط توربوشارژرها
توربوشارژرها، پرخورانهایی هستند که از یک توربین و یک کمپرسور با شافت مشترک تشکیل شده اند. در این پرخورانها قسمت ورودی توربین به فلانچ خروجی چند راهه دود متصل می‌گردد و قسمت خروجی توربین به مسیر اگزوز متصل می‌شود. در هنگام خروج محصولات احتراق از چندراهه خروجی، گازهای گرم با سرعت بالا به پره های توربین نیرو وارد می‌نماید و باعث چرخش آن می‌شود و پس از انتقال انرژی خود به پره ها از توربین خارج می گردد. شفت متصل به این چرخ توربین از سمت دیگر به چرخ پره کمپرسور متصل می‌باشد که با چرخش و سرعت بالای خود سیال ورودی(هوا) را از ورودی کمپرسور که به مسیر صافی هوا متصل می‌باشد به داخل کمپرسور شعاعی یا گریز از مرکز کشیده و با عبور از صدا خفه کن وارد چرخ‌گردان کمپرسور می‌شود و پس از انتقال انرژی از پره‌های چرخ‌گردان به این هوا، موجب شتاب گرفتن و به تبع افزایش سرعت آن می‌شود، سپس به درون دیفیوزر هدایت می‌شود. در درون دیفیوزر انرژی جنبشی هوا به انرژی فشاری تبدیل شده و با فشار زیاد وارد خروجی کمپرسور که به مسیر چند راهه ورودی متصل می‌باشد می‌گردد. از طرفی دیگر بالا رفتن فشار هوا منجر به گرم شدن آن می‌گردد. افزایش دما در شروع تراکم موجب مشکلات خود اشتعالی و کوبش در قسمت انتهای مرحله تراکم و یا در طی احتراق می‌گردد. به این دلیل کمپرسورها می‌توانند به یک پس‌خنک‌کن مجهز گردند تا دمای هوای متراکم شده ورودی را کاهش دهند. پس‌خنک‌کن، مبدل های گرما هستند که اغلب از هوای بیرون به عنوان سیال خنک کننده استفاده می‌کنند. همچنین بسیاری از توربوشارژرها دارای یک میان‌بر هستند که در صورت عدم نیاز به افزایش فشار هوای ورودی، گازهای خروجی می‌توانند توربوشارژر را دور بزنند. توربین‌های پیشرفته امروزی دارای هندسه تغییر سطح مقطع ورودی از طریق پره های راهنمای ورودی توربین می‌باشند، به طوریکه با نقاط عملیاتی مختلف موتور، حداکثر بازده حاصل گردد. برای مثال هنگامی که موتور با سرعت پائین در حال فعالیت است، جریان سطح مقطع با بسته شدن این پره‌های راهنما کاهش می‌یابد. توربوشارژرها ممکن است به یک تانک روغن اضطراری نیز مجهز باشند که اگر سیستم روغن‌کاری اصلی موتور از کار افتاد، این سیستم رزرو بتواند روغن‌کاری روتورهای دوار در میان دو یاتاقان صفحه‌ای شعاعی را انجام دهد. توربوشارژرها را وسیعتر ازسوپرشارژرها مورد استفاده قرار می‌دهند. توربوشارژرها بخشی از انرژی جنبشی گازهای خروجی اگزوز را که در موتورهای معمولی تلف می‌گردد را به کار تبدیل کرده و به موتور باز می گرداند، همچنین بالا بودن فشار هوای ورودی و مخلوط شدن بهتر سوخت و هوا باعث بهتر شدن کیفیت احتراق می‌گردد. بنابراین راندمان حرارتی در موتورهای توربوشارژ شده نسبت به موتورهای معمولی بالاتر می‌باشد. در شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر نشان داده شده است.

شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر به صورت شماتیک
2-3- مقایسه موتورهای توربوشارژ شده و تنفس طبیعی
یکی از اهدافی که در استفاده از توربوشارژر مطرح است، جایگزین کردن یک موتور تنفس طبیعی با یک موتور توربوشارژ شده کوچکتر که مصرف سوخت آن کمتر است می‌باشد. در این جایگزینی نباید تغییرات منفی در مشخصات رفتاری موتور نظیر قدرت، گشتاور و آلاینده‌ها بوجود آید. همچنین با توجه به اینکه موتور توربوشارژ شده گرانتر از موتور تنفس طبیعی است باید کاهش مصرف سوخت موتور توربوشارژ شده این اختلاف قیمت را جبران ‌نماید. جدول(2-1) به مقایسه موتور توربوشارژ شده و تنفس طبیعی در حالتی که حداکثر گشتاور و قدرت یکسانی دارد می‌پردازد.
جدول(2-1) مقایسه یک موتور توربوشارژری و تنفس طبیعی با گشتاور و توان حداکثر برابر
مزایا معایب
کاهش تلفات سوخت کاهش نسبت تراکم
کاهش افت اصطکاکی عمل بد دریچه کنترل سوخت در حالت گذرا
کاهش افت پمپاژ در دورهای پائین افزایش تنشهای حرارتی
کاهش آلودگیهای HC,CO افزایش آلودگیهای ناشی از NOx *
کاهش وزن موتور ( افزایش توان ویژه) نیاز به روانکاری پیشرفته‌
کاهش اثرات تغییر شرایط محیط بر موتور افزایش هزینه تولید
کاهش ابعاد موتور نیاز به خنک کن میانی
افزایش بازده گشتاور نامناسب در دور پائین **
* با اضافه نمودن خنک کن میانی NOX از حالت تنفس طبیعی هم کمتر می‌گردد.
** با توربوشارژر هندسه متغیر این اشکال رفع می‌شود.
2-5- انواع سیستمهای توربوشارژری
براساس نحوه ورود گازهای اگزوز به توربین توربوشارژر و ثبات یا نوسان جریان ورودی به توربین از دو نوع سیستم مختلف توربوشارژ کردن استفاده می‌شود.
2-5-1- توربوشارژر فشار ثابت
یک موتور رفت و برگشتی ذاتاً یک وسیله با جریان غیردائم است. گازهای خروجی از سیلندر یک جریان غیر‌دائمی را به وجود می‌آورد. از طرفی، توربو ماشینها برای جریان دائمی طراحی و ساخته می‌شوند. البته توربینها می‌توانند تحت شرایط غیر دائم کار کنند ولی بازده شان در مقایسه با شرایط دائم بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد یافت. بنابراین ترکیب موتور و توربین عمل مشکلی خواهد بود. بوچی (مبتکر سوئیسی توربوشارژر) از یک محفظه با حجم مناسب برای کنترل و ثابت کردن جریان گاز غیردائمی خروجی از سیلندر استفاده کرد. بنابراین بدین گونه جریان ورودی به توربین یکنواخت و فشار ثابت گردید. حجم منیفولد دود یا حجم مخزن، وابسته به فرکانس ضربان گازهای خروجی است که به تناوب از هر سیلندر خارج می‌شود. شدت ضربان گازهای خروجی تابعی از بار موتور، زمانبندی سوپاپ دود، سطح ورودی توربین و حجم منیفولد است. معمولا نسبت حجم منیفولد دود به حجم موتور برای تبدیل نوسانات به فشار ثابت بزرگتر از یک می‌باشد. این نسبت برای موتورهای با تعداد سیلندر بیشتر، در مقایسه با موتورها با تعداد سیلندر کمتر، کوچکتر است. قاعده خاصی را نمی‌توان برای این امر بیان نمود ولی بازه آن ما بین 4/1 تا 6 در تغییر است. یکی از مشکلات ایجاد فشار ثابت در ورودی توربین این است که در صورت تغییر ناگهانی بار یا دور موتور، فشار در مخزن بصورت آرام تغییر کرده و بنابراین انرژی گازهای ورودی به توربین بتدریج زیاد می‌شود که این امر باعث ایجاد تأخیر در پاسخ موتور است. بنابراین اگر تغییر سریع دور یا بار موتور مورد نظر باشد، سیستم فشار ثابت مناسب نخواهد بود. شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور را نشان می‌دهد.

شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور به صورت طرحواره
حجم بزرگ چندراهه ورودی ما را از ثابت ماندن فشار در ورودی توربوشارژ مطمئن می سازد .برای دستیابی به نسبت فشارهای بالاتر از یک، توربوشارژ باید دارای راندمان بالای 45 درصد باشد،پس با داشتن یک توربوشارژر با راندمان بالای 45 درصد فشار ورودی از فشار خروجی بیشتر می‌شود. بنابراین هنگامی که سوپاپ های ورودی و خروجی با هم باز باشند(قیچی سوپاپ ها در زمان تخلیه) مقداری هوای تازه وارد سیلندر می‌شود که باعث تخلیه کامل گازهای سوخته از داخل سیلندر خواهد شد.
2-5-2- توربوشارژینگ با سیستم ضربانی
نقطه ضعف سیستم فشار ثابت این است که بطور کامل از انرژی جنبشی گازهائی خروجی استفاده نمی‌کند. زمانی که گاز با فشار زیاد از سطح نیمه باز سوپاپ تخلیه عبور می‌کند سرعتش به طور محسوس افزایش می‌یابد ولی این گازهای سرعت بالا بطور ناگهانی وارد محفظه تخلیه با حجم وسیع می‌شود و با گاز سرعت پائین برخورد می‌کند و بدلیل پدیده مخلوط شدن اتلافات اصطکاکی بوجود می‌آید و تمام انرژی جنبشی گاز به انرژی فشاری تبدیل نمی‌شود و بخشی از آن به هدر می‌رود. با استفاده از توربوشارژینگ ضربانی می‌توان بخش عمده ای از انرژی گازهای خروجی را به توربین منتقل نمود. برای رسیدن به این منظور بهتر است تلفات ناشی از خفانش جریان در هنگام عبور از سوپاپ خروجی را کاهش داد. بنابراین هر چقدر سوپاپ دود سریعتر باز شود، این تلفات کمتر می‌شود. تلفات ناشی از خفانش وقتی اتفاق می‌افتد که مدت زمان اندکی از باز شدن سوپاپ دود گذشته و سطح جریان گذرنده از اطراف سوپاپ بسیار کم است. در این حالت سرعت سیال به سرعت صوت می‌رسد و هنگامی که سیال به پورت خروجی می‌رسد ناگهان بدلیل افزایش سطح مقطع منبسط می‌شود که این امر باعث تلفات خفانشی می‌گردد. بنابراین هر چه سوپاپ خروجی سریعتر باز شود و همچنین هرچه نسبت سطح گلوگاه سوپاپ به سطح پورت خروجی به مقدار ۱ میل کند تلفات خفانشی کمتر می‌شود.
از مزیت های پرخورانی ضربانی این است که می‌توان با طراحی مناسب، فشار را در پائین دست سوپاپ خروجی به نحو مطلوبی کمتر از فشار سیلندر و فشار منیفولد ورودی(در لحظه ای که سوپاپ ورودی و خروجی هر دو باز است) رساند. اما در پرخورانی با فشار ثابت فشار در مخزن و رانرهای خروجی برابر است. بنابراین نمی‌توان فشار را در پائین دست سوپاپ خروجی کاهش داد. در طراحی منیفولد خروجی یک موتور پرخورانی شده طول رانرهای خروجی را باید نسبتًا طولانی در نظر گرفت تا امواج فشاری منعکس شده از توربین به سوپاپ خروجی در حالیکه باز می‌باشد نرسد. ولی معمولا طول رانرهای خروجی را کوتاه تر در نظر می‌گیرند تا انرژی گازهای خروجی از سیلندر کاهش نیابد در عوض همان طور که بیان شد زمان باز ماندن سوپاپ خروجی را کاهش می‌دهند تا امواج فشاری منعکس شده به داخل سیلندر راه نیابند[24]. همچنین انتخاب منیفولد خروجی کوچک باعث خواهد شد که فشار در منیفولد خروجی در لحظه ای که سوپاپ دود باز می‌شود سریعتر افزایش یابد و در نتیجه سرعت پاسخ نیز بیشتر شود.
یکی از بزرگترین مزایای پرخورانی ضربانی نسبت به پرخورانی فشار ثابت این است که می‌توان انرژی بیشتری از گازهای خروجی را که قابلیت تبدیل شدن به کار مفید را دارند در اختیار توربین قرار داد. اما نکته ای که باید به آن توجه کرد این است که ناپایا بودن جریان باعث می‌شود که توربین در ناحیه ای با بازده پائین کار کند. زیرا در پورخورانی ضربانی وقتی که فشار گازهای خروجی بالا می‌رود، این امر باعث شتاب گرفتن پره های توربین می‌شود و وقتی که فشار پائین می‌آید حرکت پره های توربین نیز کند می‌شود. بنابراین مقداری از انرژی همیشه صرف شتاب دهی به پره های توربین می‌شود و این امر باعث کاهش کارایی توربین می‌گردد[24].
اگر در این سیستم از توربین با کارایی بالا استفاده نشود تمام انرژی هایی که از سیستم فشار ثابت، بیشتر جذب می‌شود از بین می‌رود و این سیستم دیگر مزیتی نسبت به سیستم فشار ثابت ندارد چون راندمان توربین مستقیما بر راندمان موتور تاثیر می‌گذارد[17]. برای بالا بردن راندمان توربین باید فواصل بین گازرسانی به توربین را کاهش داد و در ضمن از قیچی سوپاپ ها استفاده کنیم، با این حال راندمان توربین از حالتی که جریان پایا داریم کمتر است. اگر دو سیلندر به ورودی توربین متصل باشد، بازدهی توربین به دلیل فاصله هوایی ایجاد شده، کاهش می‌یابد. به همین دلیل سیستم ضربه ای هنگامی مناسب می‌باشد که تعداد سیلندرهای ورودی به توربین حداقل سه عدد باشند.
2-6- سیستم‌های تک توربوشارژری
رفتار یک سیستم تک توربوشارژری همگام با پیشرفت توربوشارژرها بهبود می‌یابد که این توسعه برای کامل شدن نیازمند زمان است. توربین های در دسترس با یا بدون دریچه فرار، بازده کافی برای تأمین توان مورد نیاز کمپرسور جهت تولید فشار کافی در سرعت‌های پائین و در حالت گذرا را ندارند. علاوه براین، تغییرات دبی در یک کمپرسور جریان شعاعی یک پارامتر محدودکننده دیگر است[25]. محدوده جریان با افزایش نسبت فشار کاهش می‌یابد، اگر توان کافی برای رساندن کمپرسور به حالت خفگی یا سرج در جریان موجود باشد، این موضوع می‌تواند مشکل ایجاد کند. همچنین در نسبت فشارهای بالاتر دستیابی به محدوده قابل استفاده بسیار سخت تر می‌شود.
در سال 1990، محققان پورشه طی یک بررسی موتور مدل 944 چهار سیلندر پورشه را با چهار سیستم مختلف توربو را مورد آزمایش قرار دادند. آنها سیستم استاندارد را که حجم منیفولد زیادی داشت به یک سیستم کوچکتر شده تغییر دادند و به این منیفولد کوچک شده یک توربوشارژر تک ورودی با دریچه فرار، یک توربوشارژر با ورودی دوگانه (ولی با یک دریچه فرار) و یک توربوشارژر با هندسه متغیر(VTG) متصل کردند و برای به دست آوردن رفتار حالت گذرا آزمایشاتی انجام دادند. شبیه‌سازی وسیله نقلیه را روی دنده دوم و با 2000rpm و فشار متوسط مؤثر ترمزی bar2 آغاز کردند و حالت گذرا را با تغییر دور تا فشار متوسط مؤثر ترمزی bar15 مورد بررسی قرار دادند[33].
با توربورشارژرVTG عکس‌العمل توربوشارژر حدود60% بهبودی داشت برای ورودی دوگانه 24% و برای حالت تک ورودی با کاهش اندازه منیفولد این بهبودی حدود 22% بود. بهبود زیاد در حالت هندسه متغیر، نه فقط به خاطر تغییرات رفتار جریان در توربین بلکه به خاطر کاهش شصت درصدی در اینرسی روتور بود. قابلیت تغییر هندسه در این توربوشارژر اجازه انتخاب پره توربینی که 18% کوچکتر باشد، را می‌دهد. در نهایت آنها به این نتیجه رسیدند که بازده کلی یک توربوشارژر با ممان اینرسی روتور آن متناسب است. در این زمینه مقالات متعددی به چاپ رسیده است. مؤثرترین تکنولوژی موجود (VGT) است که به خاطر دمای بالای موتورهای احتراق جرقه‌ای نیازمند طراحی پیشرفته است[25]. تکنولوژی دیگر که در آن عرض نازل توربین تغییر می‌کند (VNT) است[26].
ویلاند تحقیقاتی را برای کاهش زمان عکس‌العمل توربورشارژر انجام داد. با استفاده از پره توربین از جنس SiN (نیترید سیلیسم) اینرسی (فقط اینرسی پره توربین) 64% کاهش داشت و با جنسTiAl این کاهش به 50% نسبت به حالت استاندارد رسید[27]. راه‌حل دیگر برای بهبود عکس‌العمل توربوشارژر کاهش اصطکاک در یاتاقان‌هاست. ویلاند نشان داد که در سرعت‌های پائین توانی که صرف مقابله با اصطکاک می‌شود یک سوم کل توان توربین است. با تغییر در بلبرینگ، توان لازم برای مقابله با اصطکاک به 50% کاهش می‌یابد. در شرایطی که توان توربین در سرعت‌های پائین و به تبع آن در دبی جرمی پائین، بالا می‌رود کمپرسور می‌تواند به حالت سرج برسد. برای جلوگیری از سرج، کمپرسور باید محدوده وسیع‌تری را تحت پوشش قرار دهد[28].
2-7- سیستم‌های ترتیبی
نوع دیگر مورد استفاده در توربوشارژرهای با هندسه متغیر استفاده از سیستم‌های ترتیبی است. به این صورت که به جای تغییر در هندسه یک توربوشارژر تعداد توربوشارژرها افزایش یابد. دلیل استفاده از این سیستم ازدیاد دامنه تغییرات جریان برای تأمین فشار مورد نیاز است.
محققین ولوو آزمایش‌هایی در زمینه سیستم‌های ترتیبی در سال 1991 انجام دادند]39[. آنها روی موتور 6 سیلندر با فشار نهایی کمی کمتر از 2barتحقیقات خود را انجام دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که اینرسی یک سیستم توربوشارژری موازی30% پائین‌تر از یک سیستم تک توربوشارژری با همان مشخصات نهایی است و به علت کمی اینرسی، عکس‌العمل بهتری نشان خواهد داد. آنها به این نتیجه رسیدند که سیستم ترتیبی سری مزایای بیشتری از سیستم ترتیبی موازی دارد. دلیل آن این است که رسیدن به حالت گذرای یکنواخت برای حالت موازی مشکل‌تر است. سیستم سری محدوده جریان را باریکتر می‌سازد، زیرا جریان باید از دو کمپرسور عبور کند بنابراین اجازه رسیدن به فشارهای بالاتر را می‌دهد. این سیستم شامل یک توربوشارژر فشار پائین و یک توربوشارژر فشار بالا است که توربین فشار پائین می‌تواند با یک شیر پروانه‌ای از مسیر خارج شود. شیر دیگر می‌تواند کمپرسور را از حالت سری به موازی تبدیل کند. کارخانه‌های پورشه و مزدا از این سیستم‌های برای موتورهای خود استفاده می‌کنند. در این سیستم از توربوشارژرهای یکسان استفاده می‌شود.
2-8- سیستم‌های دومرحله‌ای
معمولاً این سیستم برای فشارهای بالای 2bar است. محققین کارخانه kkk سیستم دو مرحله‌ای را برای فشار مطلق 3bar برای موتور دیزل در نظر گرفتند. این سیستم شامل دو توربوشارژر با سایزهای متفاوت به همراه دریچه فرار در قسمت فشار بالا و نیز خنک‌کن میانی برای هر مرحله است. این سیستم برای یک موتور 12 لیتری دیزلی استفاده شد. مقدار افزایش در قسمت فشار بالا و پائین نسبت به حالت استاندارد تک توربوشارژری 85% و 112% گردید[30].
فصل سوم
تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر
3-1- استفاده از توربوشارژر برای موتور گازسوز
معمولا موتورهایی که تبدیل به گازسوز می‌شوند از ابتدا برای سوخت بنزین و بدون استفاده از پرخوران طراحی شده اند لذا در هنگام استفاده از پرخوران برای این موتورها می‌بایست به این نکته توجه نمود که فشارهای دینامیکی، ارتعاشات و نیروهای وارده به قطعات موتور نباید بیش از آنچه که در موتور معمولی است باشد. بنابراین دراستفاده از پرخوران برای یک موتور گازسوز باید سعی نمود تا با در نظر گرفتن محدودیت های تعیین شده برای موتور بنزینی بدون پرخوران نسبت به بهبود عملکرد آن اقدام گردد. اضافه کردن توان در این موتورها می‌بایست با بررسی بیشتر قطعات و مشخص نمودن حد دوام آن ها صورت پذیرد.
3-2- تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر
از آنجاییکه هدف از نصب توربوشارژر علاوه بر افزایش قدرت، افزایش بازده موتور و نیز احتمالا کاهش آلودگی می‌باشد، بر روی قسمت های دیگر موتور نیز لازم است تغییراتی انجام گیرد. برای مثال سیستم پاشش سوخت باید طوری تغییر کند که میزان افزایش سوخت مورد نیاز موتور را با توجه به جرم افزوده هوا تامین کند. همینطور در منیفولدها باید تغییراتی داده شود تا هم امکان نصب توربوشارژر میسر گردد و هم امکان حداکثر استفاده از انرژی ضربه ای موجود در منیفولد میسر گردد. از سوی دیگر با توجه به ایجاد اختلاف فشار مثبت فشار بین منیفولد ورودی و خروجی احتیاج به تغییر زمان بندی سوپاپ ها و همچنین میزان همپوشانی سوپاپ ها می‌باشد. علاوه بر این تغییر زمانبندی سیستم جرقه احتمال دارد موجب بهبود عملکرد موتور گردد که تغییرات احتمالی آن از طریق انجام مدلسازی و نیز از طریق انجام آزمون قابل بررسی می‌باشد.
مباحثی که در زمینه تغییرات لازم موتور ذکر گردید مطالب مربوطه به تصحیح عملکرد موتور از لحاظ بازده و توان خروجی می‌باشد. لازم به ذکر است که تغییراتی نیز در مورد سیستم های جانبی موتور لازم الاجرا هستند. از قبیل تغییر در سیستم های خنک کاری و روغن کاری. با توجه به افزوده شدن دما و فشار در موتور توربوشارژری میزان حرارت تحویلی به بدنه موتور نیز افزایش می‌یابد. اگر سیستم خنک کاری جوابگوی این مازاد حرارت نباشد دمای سطح داخلی موتور افزایش می‌یابد، که این امر موجب اختلال در کیفیت روغن و کاهش گرانروی و عملکرد نامناسب آن می‌گردد. لذا عملکرد سیستم خنک کاری باید مورد بررسی قرار گیرد. در مورد سیستم روغن کاری نیز افزایش روغن مصرفی توربوشارژر برای روغن کاری یاتاقان ها موجب بازنگری بر روی سیستم روغنکاری می‌گردد که در صورت کافی نبودن ظرفیت سیستم پمپاژ روغن موتور باید تمهیداتی برای رفع این نقیصه به کار گرفته شود.
نوع دیگر از ملاحظات در نصب توربوشارژر بر روی موتورهای تنفس طبیعی تحلیل مقاومت بدنه موتور در برابر تنش های مکانیکی و حرارتی القا شده در اثر افزایش فشار و دما توسط توربوشارژر می‌باشد. بنابر ادعای واتسون[24] اگر میزان افزایش قدرت موتور تا حدود 50 درصد قدرت موتور تنفس طبیعی باشد موتور قابلیت تحمل تنش های ناشی از نصب توربوشارژر را خواهد داشت، ولی اگر افزایش قدرت خروجی مورد نظر بیش از این مقدار باشد، طراحی مجدد بعضی از قطعات موتور لازم می‌باشد.
3-3- کاهش مشکلات توربوشارژینگ
3-3-1- جلوگیری از تولید کوبش
در مرحله احتراق پس از جرقه زدن شمع شعله اولیه تشکیل می‌شود که به آن شعله جلویی گفته می‌شود. این شعله شروع به پیشروی در میان مخلوط نسوخته می‌کند و با گذشت زمان در مرحله احتراق حجم گازهای نسوخته کمتر و کمتر می‌شود و این موجب می‌گردد تا دمای مخلوط انتهایی افزایش یابد تا حدی که ممکن است مخلوط به دمای اشتعال برسد. یعنی قبل از رسیدن شعله جلویی مخلوط یا گازهای انتهایی خودبخود مشتعل می‌شوند. این اشتعال خودبخودی بسیار سریع و لحظه ای می‌باشد و موجب ایجاد موج های فشاری در داخل محفظه احتراق می‌شود. از این پدیده بنام پدیده ناک یا کوبش تعبیر می‌شود. کوبش موجب خرابی در سر سیلندر و پیستون و نیز باعث کاهش بازده و افزایش آلاینده هایی نظیر منوکسید کربن می‌شود.
3-3-1-1- روش های جلوگیری از تولید کوبش
کاهش نسبت تراکم. کاهش نسبت تراکم باعث کاهش فشار و دما در انتهای مرحله تراکم می‌شود و این کاهش احتمال خود اشتعالی را کمتر می‌کند. اکثر موتورهای اشتعال جرقه ای توربوشارژ شده در مقایسه با موتورهای تنفس طبیعی نسبت تراکم کمتری دارند. به عنوان مثال طبق شکل(3-1) برای یک موتور تنفس طبیعی با نسبت تراکم 9 اگر بخواهیم فشار تقویتی را 0.5 بار اضافه کنیم باید برای جلوگیری از کوبش، نسبت تراکم را به 6.7 برسانیم[24].

شکل(3-1) رابطه بین نسبت تراکم و افزایش فشار ورودی موتور [24]
البته کاهش نسبت تراکم باعث کاهش راندمان موتور می‌شود ولی این کاهش در راندمان در مقایسه با افزایش بر اثر توربوشارژ کردن چندان زیاد نیست. کاهش در نسبت تراکم باید تا حدامکان کم باشد تا هم راندمان کاهش زیادی نداشته باشد و هم از محدوده خود اشتعالی فاصله گرفته شود. به طور کلی نسبت افزایش فشار در توربوشارژر مناسب با افزایش قدرت مورد نظر انجام می‌گیرد و سپس میزان نسبت تراکم برای حصول حاشیه امنیتی نسبت به تولید کوبش به طور تجربی بدست می‌آید. متاسفانه روش کلی برای انتخاب نسبت تراکم قابل ارائه نمی‌باشد زیرا شروع کوبش شدیدا وابسته به اندازه های موتور، کنترل فشار توربوشارژر و خواص سوخت می‌باشد. اگر روشی برای تعیین میزان کاهش نسبت تراکم موجود نباشد، کاهش دو واحدی نسبت تراکم میانگین مناسبی می‌باشد[24]. مهمترین نکته برای جلوگیری از کوبش پائین نگه داشتن دمای هوای ورودی به موتور می‌باشد.
ریتارد کردن جرقه. به تاخیر انداختن جرقه باعث کاهش دمای احتراق می‌شود. ریتارد جرقه باعث کاهش دما و فشار مخلوط هوا و سوختی که در دورترین فاصله به شعله واقع هستند شده و این امر باعث کاهش احتمال بروز کوبش یا خودسوزی و یا شدت آن می‌شود. ریتاردکردن زاویه جرقه با توجه به اینکه باعث کاهش فشار در مرحله انبساط می‌شود در نتیجه موجب کاهش بازده موتور نیز می‌شود ولی تاثیر آن کمتر از کاهش بازده موتور به دلیل کاهش نسبت تراکم است .[24]البته به تاخیر انداختن زاویه جرقه در حالت بار کامل کاربرد دارد و در حالت بار جزئی نیاز به ریتاردکردن زاویه جرقه نداریم و زاویه جرقه در همان حالت آوانس باقی می ماند. زیرا درحالت بار جزئی مسئله ناک نداریم و به تاخیر انداختن زاویه جرقه که منجر به کاهش بازده می‌شود مناسب نیست. به دلیل اینکه تغییر نسبت تراکم موتور جهت کنترل ناک و فشار و دمای بیشینه سیلندر بسیار سخت و مقرون به صرفه نمی‌باشد، معمولا نسبت تراکم موتور را تا حد ممکن بالا در نظر می‌گیرند و یا ثابت نگه می دارند و با استفاده از تنظیم زاویه جرقه کوبش و دما و فشار بیشینه داخل سیلندر را کنترل می‌کنند. تغییر و تنظیم زمانبندی جرقه به مراتب راحتتر و آسانتر از تغییر نسبت تراکم در موتور می‌باشد. از نکات منفی به تاخیر انداختن زاویه جرقه به هدر رفتن مقدار بیشتری از انرژی در مرحله تخلیه و افزایش دمای گازهای خروجی است که ممکن است به توربین آسیب برساند و این یک مشکل جدی برای سازندگان توربوشارژر می‌باشد.
کاهش حداکثر فاصله مخلوط سوخت و هوا از شمع. برای دستیابی به این امر محفظه احتراق باید طوری طراحی گردد که دورترین نقطه از شمع در فاصله قابل قبولی باشد و جبهه احتراق به سرعت و قبل از جذب حرارت اضافی به این منطقه برسد.
خنک کاری هوای ورودی به موتور. افزایش دمای هوا در کمپرسور و تأثیر آن بر ضربه را می‌توان با استفاده از خنک میانی کاهش داد. با استفاده از خنک کن میانی و کاهش دمای محیط امکان کوبش کاهش می‌یابد و نیاز به تاخیر در زمان جرقه کم می‌شود و می‌توانیم از نسبت تراکم بالاتری نسبت به موتورهای پرخورانی شده بدون خنک کن میانی استفاده کنیم. همچنین خنک کن میانی باعث افزایش بازده حجمی می‌شود زیرا با کاهش دمای هوای ورودی چگالی هوا نیز افزایش می‌یابد و باعث می‌شود که جرم بیشتری از مخلوط هوا و سوخت وارد سیلندر شود. نقاط ضعف این سیستم افزایش حجم منیفولد ورودی و به تبع آن کاهش سرعت پاسخگویی موتور و قیمت بالای آن می‌باشد. چون این خنک‌کن بین کمپرسور و موتور قرار دارد به آن خنک میانی نیز می‌گویند. عبور از خنک‌کن میانی مقداری افت فشار را برای گاز در پی دارد، ولی به علت افزایش چگالی گاز پس از خنک کاری و افزایش قدرت به دنبال آن، این افت فشار قابل اغماض است.
در موتور دارای خنک‌کن میانی، به دلیل افزایش جریان هوا، نسبت سوخت به هوا ضعیف می‌شود و در پی آن دمای ورودی به توربین کم می‌شود در نتیجه انرژی قابل دستیابی در توربین کم می‌شود و در نهایت فشار در سیلندر کاهش پیدا می‌کند ولی اثر افزایش چگالی از اثر کاهش فشار بیشتر است. استفاده از خنک‌کن میانی باعث افزایش قدرت خروجی موتور بدون افزایش یافتن بار حرارتی خواهد شد، مصرف سوخت کم شده و به دلیل مخلوط سوخت به هوای ضعیف، تولید دود نیز کم خواهد شد. مزایای استفاده از خنک‌کن میانی بر همگان روشن است ولی شرایط استفاده از آن بستگی به وجود مایع خنک‌کننده با دمای مناسب و ملاحظات اقتصادی دارد.
با توجه به اینکه سازندگان موتور برای موتورهایشان نسبت به کوبش حاشیه امنیتی در نظر می‌گیرند، می‌توان موتورها را به ملایمت توربوشارژ کرد بدون اینکه کوبش اتفاق بیفتد.
3-3-2- کنترل افزایش فشار در توربوشارژر
کنترل فشار در توربوشارژر شامل کنترل افزایش فشار در کمپرسور می‌باشد. این کنترل می‌تواند به چند طریق صورت پذیرد. اول آنکه در انتخاب توربوشارژر تا حد امکان باید تلاش شود که توربوشارژری که برای موتور انتخاب می‌شود افزایش فشار هوای ورودی موردنظر را تامین نماید. یعنی توان موتور با انتخاب توربوشارژر مناسب تا حد موردنظر افزایش یابد و کمتر و یا بیش از توان موردنظر نشود. اگر از توربین بزرگتر استفاده شود مقدار افزایش فشار هوا و درنهایت توان موتور در دورهای پائین کمتر از حد موردنظر و در دورهای بالا بیش از حد موردنظر خواهد بود. همچنین موجب کاهش در سرعت پاسخ توربوشارژر می‌شود. اگر توربین یک توربوشارژر کوچکتر از حد ایده آل انتخاب شود آنگاه افزایش فشار ورودی هوا و درنهایت توان موتور در دورهای پائین بیش از حد مجاز و در دورهای بالا کمتر از حد مجاز خواهد بود. بنابراین انتخاب توربوشارژر مناسب برای موتور جهت دسترسی به توان و افزایش فشار هوای ورودی خود عاملی مهم در کنترل افزایش فشار خواهد بود.
یک روش دیگر برای کنترل فشار هوای ورودی به داخل موتور استفاده از یک شیر در منیفولد ورودی می‌باشد ولی این روش مناسب نیست زیرا این عمل باعث می‌شود که مقداری از کار تولیدی در توربین به هدر رود و همچنین باعث افزایش تلفات پمپاژ می‌شود. روش دیگری که اکثرا برای کنترل افزایش فشار در توربوشارژر استفاده می‌شود، استفاده از یک شیر در ورودی توربین می‌باشد، که به دریچه کنترل توربین معروف است. اگر فشار گازهای حاصل از احتراق از حد مجاز بالا رود این شیر باز شده و مقداری از گازهای ورودی به توربین را منحرف کرده و به خروجی توربین منتقل می‌کند. در حقیقت این عمل دور زدن گازهای ورودی به توربین است.
با بازشدن این شیر از ورود قسمتی از گازهای حاصل از احتراق به داخل توربین جلوگیری می‌شود. در نتیجه انرژی وارد شده به توربین کاهش می‌یابد و موجب می‌گردد که کار تولیدی توربین و کار منتقل شده به کمپرسور کاهش یابد. پس در نتیجه افزایش فشار در کمپرسور نیز کاهش یافته و به این ترتیب فشار هوای ورودی به داخل موتور کاهش می‌یابد و در نتیجه فشار و دمای بیشینه سیلندر کنترل می‌شود.
یکی دیگر از راههای کنترل افزایش فشار در توربوشارژر استفاده از یک نازل در ورودی توربین می‌باشد که سطح مقطع آن متغیر است. در دورهای پائین سطح مقطع نازل کوچکتر و در دورهای بالا سطح مقطع آن بزرگتر می‌شود تا انرژی مورد نیاز برای توربین مهیا شود. با کنترل انرژی ورودی به داخل توربین با استفاده از این روش می‌توان افزایش فشار در توربوشارژر را کنترل نمود. روش دیگر برای کنترل توربوشارژر استفاده از یک نازل در خروجی توربین است و این نازل باعث افزایش افت فشار در حالتی که دبی گازهای ورودی به توربین بیشتر از حد مجاز باشد می‌شود. بنابراین این عمل باعث می‌شود که در توربین فشار پائین دست ایجاد شود و نسبت فشار در توربین کاهش یابد.
3-3-3- زمانبندی سوپاپ های ورودی و خروجی
در دورهای پائین و به بخصوص در دورهای کمتر از 2000rpm انرژی گازهای خروجی کم است و بنابراین برای افزایش توان در این دورها توسط توربوشارژر با مشکل مواجه می شویم. چون در دورهای بالا مشکل افزایش توان نداریم طراحی زمانبندی و منحنی لیفت سوپاپ ها به گونه ای است که بهترین بازده حجمی را در دورهای پائین و بخصوص کمتر از2000rpm داشته باشیم.
به طور کلی کمترکردن مقدار برخاستگی سوپاپ ورودی و کاهش دادن مدت زمان باز بودن آن در دورهای کمتر از 2400rpm نسبت به دورهای بالا، موجب افزایش بازده حجمی می‌شود. تغییر دیگری نیز در طراحی سوپاپ موتور پرخورانی شده انجام می‌پذیرد و آن کاهش زمانی است که هر ۲ سوپاپ ورودی و خروجی باز هستند. زیرا وقتی در پورت ورودی به دلیل افزایش نسبت فشاری که در کمپرسور صورت می‌گیرد فشار بالا می‌رود، مقداری از مخلوط به راهگاه خروجی راه می‌یابد. در این صورت با افزایش آلاینده ها نظیر هیدروکربن های نسوخته و همچنین کاهش بازده موتور روبرو می شویم. یا ممکن است بدلیل ایجاد فشار پائین دست توسط توربین مقداری از گازهای حاصل از احتراق به داخل راهگاه ورودی وارد شود که این امر نیز خطرناک است زیرا دمای گازهای حاصل از احتراق بالا می‌باشد و ممکن است که مخلوط هوا و سوخت داخل منیفولد مشتعل شود.[24]
3-4- تأثیر توربوشارژر بر آلودگی خروجی
موتور توربوشارژ شده به علت اینکه مقدار و دمای هوای ورودی آن نسبت به موتور تنفس طبیعی بیشتر است آلودگی مونواکسیدکربن و هیدروکربن نسوخته آن کمتر می‌شود. اما به علت دمای بالا و افزایش فشار متوسط ترمزی میزان اکسیدهای نیتروژن آن افزایش می‌یابد[31]. البته باید تأثیر خنک‌کن میانی بر آلودگی اکسیدهای نیتروژن مورد توجه قرار گیرد.
فصل چهارم
انطباق توربوشارژر
4-1- انطباق موتور و توربوشارژر

user8325

تئوری اویلر - برنولیتیری به طول l و ارتفاع h و ضخامت b و ترکی به طول دهانه do و عمق hc در موقعیت نشان داده شده، مانند شکل 2-2 در نظر بگیرید. همان طور که قبلا بیان شد قسمت ترکدار تیر را با یک تیر که ممان اینرسی متفاوتی نسبت به مقاطع بدون ترک دارد، مدل سازی می کنیم. معادلات حرکت با فرض تئوری اویلر- برنولی برای هر قسمت تیر به صورت زیر است:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 2: تیر ترکدار به طول L ، ارتفاع h، عمق ترک hc و طول دهانه doبرای قسمت ابتدایی تیر یعنی از ابتدای تیر تا ابتدای ترک:

(2-1)
با معرفی پارامترهای بی بعد و روش جداسازی متغیرها، معادله حرکت و شکل مد قسمت اول برابر است با:
(2-2)
(2-3)
(2-4)
برای قسمت ترکدار تیر، معادلات حرکت به صورت زیر است:

(2-5)
با معرفی پارامترهای بی بعد و روش جداسازی متغیرها، معادله حرکت و شکل مد قسمت دوم برابر است با:
(6-2)
(7-2)
(8-2)
برای قسمت انتهایی تیر یعنی از انتهای ترک تا انتهای تیر:
(2-9)
(2-10)
با معرفی پارامترهای بی بعد و روش جداسازی متغیرها معادله حرکت و شکل مد قسمت سوم برابر است با:
(2-11)
(2-12)
(2-13)
پارامترهای بی بعد برای پیدا کردن فرکانس طبیعی برای هر قسمت تیر برابر است با:
(2-14)
با توجه به برابر بودن فرکانس طبیعی برای تیر، رابطه بین پارامترهای بی بعدو برابر است با:
(2-15)
(2-16)
(2-17)
گشتاور خمشی و نیروی برشی طبق تئوری اویلر – برنولی اینگونه تعریف می شود:
(2-18) EId2wdx2:خمشی گشتاور (2-19) EId3wdx3 : برشی نیروی شرایط پیوستگی در دو سمت ترک به ترتیب از برابری جابجایی، شیب، گشتاور خمشی و نیروی برشی بدست می آید:
برابری جابجایی:
(2-20)
برابری شیب:
(2-21)
برابری گشتاور خمشی:
(2-22)
برابری نیروی برشی:
(2-23)
که برای تیر با یک ترک خواهد بود.
با اعمال شرایط پیوستگی 8 ثابت از 12 ثابت موجود محاسبه می شود، 4 ثابت باقیمانده از شرط مرزی ابتدا و انتهای تیر بدست می آید. در قسمت بعد مسئله را برای شرایط مرزی مختلف بررسی می کنیم.
تیر دو سر گیردارتیر دو سرگیردار با یک ترک، در موقعیت نشان داده شده، مانند شکل2-3 در نظر می گیریم:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 3 تیر دو سر گیر داربرای پیدا کردن فرکانس طبیعی و ثابت های مجهول، ماتریس ضرایب را با استفاده از شرایط مرزی و شرایط پیوستگی بدست می آوریم. برای تیر دو سرگیردار در ابتدا و انتهای تیر، جابجایی و شیب برابر صفر می باشد.
شرط مرزی ابتدای تیر :
(2-24)
(2-25)
(2-26)
با اعمال شرایط پیوستگی در دو طرف ترک و استفاده از روابط (2-20) تا (2-23)، در سمت چپ ترک، یعنی در موقعیت خواهیم داشت:
برابری جابجایی:
(2-27)
برابری شیب:
(2-28)
برابری گشتاور خمشی:
(2-29)
برابری نیروی برشی:
(2-30)
در سمت راست ترک، یعنی در موقعیت نیز روابط زیر را خواهیم داشت:
برابری جابجایی:
(2-31)
برابری شیب:
(2-32)
برابری گشتاور خمشی:
(2-33)
برابری نیروی برشی:
(2-34)
برای قسمت انتهایی تیر، یعنی خواهیم داشت:
(2-35)
(2-36)
بنابراین ماتریس ضرایب عبارتند از:

معادله فرکانسی، همان دترمینان ماتریس ضرایب می باشد و از برابر صفر قرار دادن دترمینان ماتریس ضرایب و جایگذاری روابط بین و فرکانس طبیعی بدست خواهد آمد.
برای سایر شرایط مرزی تنها شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر، یعنی دو سطر اول و دو سطر آخر در ماتریس ضرایب تغییر خواهد کرد.
تیر یک سر گیردار- یک سر آزادبرای تیر یکسر گیردار مانند شکل 2-4 شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر به صورت زیر خواهد بود:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 4: تیر یک سر گیر دار – یک سر آزاددر ابتدای گیردار مانند معادلات (2-25) و (2-26)، جابجایی و شیب برابر صفر است، و در انتهای آزاد نیز گشتاور خمشی و نیروی برشی برابر صفر می باشد.
(2-37)
(2-38)
تیر دو سرلولابرای دو سرلولا، مانند شکل 2-5 شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر به صورت زیر خواهد بود:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 5 تیر دو سر لولادر ابتدای تیر، جابجایی طبق معادله (2-25) و گشتاور خمشی برابر صفر است:
(2-39)
در انتهای تیر، جابجایی طبق معادله (2-35) و گشتاور خمشی با معادله (2-37)، برابر صفر است.
تیر گیردار- مفصل برشیبرای تیر گیردار- مفصل برشی مانند شکل 2-6 شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر به صورت زیر خواهد بود:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 6: تیر گیردار – مفصل برشی (در مفصل برشی، شیب و نیروی برشی صفر است.)در ابتدای گیردار، جابجایی و شیب، مانند معادلات (2-25) و (2-26) برابر صفر است. در انتهای مفصل برشی، شیب و نیروی برشی برابر صفر است:
(2-40)
(2-41)
در فصل بعد به ارائه نتایج با تغییر پارامترهای موثر و مختلف ترک و مقایسه آنها با یکدیگر می پردازیم.
تئوری تیموشنکودر این قسمت با استفاده از همان مدل سازی قبلی، به بررسی معادلات حرکت و بررسی شرایط مرزی مختلف با استفاده از تئوری تیموشنکو می پردازیم. تفاوت این قسمت با قسمت قبلی این است که در تئوری تیموشنکو، معادلات حرکت و تعاریف مربوط به شیب، گشتاور خمشی و نیروی برشی متفاوت است. روند کار مشابه قسمت قبل است یعنی با استفاده از دترمینان ماتریس ضرایب و معادله فرکانسی، فرکانس های طبیعی بدست می آید. به دلیل آنکه در تئوری تیموشنکو، اثر تغییر شکل برشی و تنش برشی در نظر گرفته می شود، فرکانس طبیعی بدست آمده از تئوری اویلر – برنولی کمتر است.
معادله یک تیر تیموشنکو به صورت زیر است[70]:


(2-42)
(2-43)
با شرایط در نظر گرفته شده مانند شکل 1، به دلیل آنکه صلبیت خمشیEI برای هر قسمت تیر ثابت است، معادله بالا، به شکل زیر خواهد بود:
(2-44)
(2-45)
که در رابطه بالا k، تعداد ترک و i مربوط به هر قسمت تیر می باشد.
با معرفی پارامترهای بی بعد زیر و استفاده از معادلات بالا، به پیدا کردن X, ϕ, ω می پردازیم:
(2-46)
(2-47)
(2-48)
(2-49)
(2-50)
(2-51)
(2-52)
با در نظر گرفتن یک حل پریودیک و روش جداسازی متغیرها و استفاده از دو معادله آخر داریم:
(2-53)
(2-54)
(2-55)
از معادله فوق نسبت به پارامتر بی بعد ξ، مشتق می گیریم:
(2-56)
مقدار را از معادله (2-54)، در معادله (2-56) جایگذاری می کنیم:
(2-57)
با مرتب کردن جملات معادله فوق، به معادله دیفرانسیل مرتبه 4، بر حسب X می رسیم:
(2-58)
با در نظر گرفتن یک حل به صورت زیر، معادله دیفرانسیل مرتبه 4 بالا را حل می کنیم:
(2-59)
(2-60)
(2-75)
(2-61)
(2-62)
همان طور که نشان داده شد عبارت زیر رادیکال، همواره مثبت است؛ با فرض آنکه
(2-63)
بنابراین، جواب های بدست آمده برای λ2 به ترتیب مثبت و منفی می باشد، که جواب های مثبت به صورت هیپربولیکی و جواب های منفی به صورت سینوسی و کسینوسی نمایش داده می شود.
(2-64)
(2-65)
بنابراین :
(2-66)
اندیس i، پاسخ مربوط به هر قسمت تیر می باشد.
با توجه به معادله و جایگذاری Χ بدست آمده از معادله قبلی و انتگرال گیری بر حسب ξ، رابطه ϕ اینگونه بدست می آید:
(2-67)
(2-68)
همان طور که قبلا بیان کردیم، رابطه گشتاور خمشی و نیروی برشی در تئوری تیموشنکو و اویلر – برنولی با یکدیگر متفاوت است. نیروی برشی و گشتاور خمشی برای هر قسمت تیر، در تئوری تیموشنکو به صورت زیر تعریف می شود:
(2-69) kAiGdXidξ-Φi→برشی نیروی (2-70) EIidΦidξ→خمشی گشتاور شرط پیوستگی در موقعیت ترک از نظر مفهوم، همان برابری جابجایی، شیب، گشتاور و نیروی برشی است، تنها تعاریف و روابط مربوط به آنها تغییر می کند.
شرایط پیوستگی در موقعیت ترک برابر است با:
برابری جابجایی:
(2-71)

برابری شیب:
(2-72)

برابری گشتاور خمشی:
(2-73)

برابری نیروی برشی:
(2-74)

که برای تیر با یک ترک می باشد.
در ماتریس ضرایب، جملات مربوط به شرایط پیوستگی برای هر شرط مرزی ثابت بوده، و تنها شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر تغییر می کند.
تیر دو سر گیرداربرای مثال تیر ترکدار دو سرگیردار مانند شکل 2-3 را در نظر بگیرید، در ابتدای گیردار جابجایی و شیب صفر است:
(2-75)
(2-76)
در انتهای گیردار نیز، جابجایی و شیب صفر است:
(2-77)
(2-78)

بنابراین ماتریس ضرایب برای تیر دو سر گیردار به صورت زیر است:

که از حل دترمینان ماتریس فوق برابر صفر، فرکانس های طبیعی سیستم بدست می آید. در ادامه به بررسی سایر شرایط مرزی می پردازیم، و در فصل بعد نتایج مربوط به آنها را نمایش خواهیم داد.
تیر یک سر گیردار -یک سر آزاد
تیر یک سر گیردار – یک سر آزاد مانند شکل 2-4 را در نظر می گیریم، شرایط پیوستگی مربوط به دو طرف ترک مانند تیر دو سرگیردار تغییری نمی کند، و تنها شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر در ماتریس ضرایب تغییر خواهد کرد. در ابتدای گیردار، جابجایی و شیب صفر است که همان معادلات (2-75) و (2-76) می باشد، اما در انتهای آزاد، گشتاور و نیروی برشی، صفر خواهد بود:
(2-79)
(2-80)
تیر دو سرلولابرای تیر دو سرلولا مانند شکل 2-5، در ابتدا و انتهای تیر، جابجایی و گشتاور خمشی برابر صفر است. معادلات مربوط به جابجایی، معادلات (2-75) و (2-77) بوده و معادلات مربوط به گشتاور، معادلات زیر می باشند:
(2-81)
(2-82)
تیر گیردار- مفصل برشیبرای تیر گیردار- مفصل برشی مانند شکل 2-6، شرط مرزی ابتدای تیر، معادلات (2-75) و (2-76) بوده و شرط مرزی انتهای تیر بدین صورت خواهد بود که در مفصل برشی، شیب و نیروی برشی برابر صفر است:
(2-83)
(2-84)
در فصل بعد به ارائه نتایج مربوط به این مدل سازی با تغییر در پارامترهای موثر و مختلف ترک پرداخته و آنها را با یکدیگر مقایسه می کنیم.
در ادامه این فصل به بررسی و مدل سازی تیر ترکدار با شکل های هندسی مختلف ترک می پردازیم:
بررسی تیر شامل چند ترکدر قسمت های قبلی، تیر بررسی شده شامل یک ترک بود، در این قسمت با همان مدل سازی، یک تیر شامل چند ترک را مورد بررسی قرار می دهیم. شکل2-7 یک تیر با دو ترک و شکل2-8 یک تیر با سه ترک را نشان می دهد. با فرض اینکه ترک از نوع باز (open crack) بوده و با استفاده از مدل سازی انجام شده در بخش قبل، هر ترک را با به صورت یک تیر با گشتاور دوم سطح متفاوت مدل سازی می کنیم. تنها تفاوت این بخش با بخش قبلی، بیشتر شدن تعداد ثابت ها و معادلات مربوط به شرایط پیوستگی می باشد. معادلات حاکم و شرایط پیوستگی، برای هر تئوری همان معادلات قبلی برای هر قسمت تیر می باشد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 7 : تیر به طول ,شامل دو ترک به عمق وارتفاعو طول دهانه ترک

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 8 تیر به طول ,شامل سه ترک به عمقوارتفاعو طول دهانه ترک
تئوری اویلر- برنولیبرای تئوری اویلر – برنولی، معادلات را با رابطه کلی، به صورت اندیس دار به شکل زیر می توان نشان داد، (با فرض آنکه، عمق همه ترک ها با یکدیگر برابر باشد):
برای قسمت های بدون ترک :
(2-85)
(2-86)
(2-87)
(2-88)
تعداد ترک می باشد.
برای قسمت های ترکدار:
(2-89)
(2-90)
(2-91)
شرایط پیوستگی در دو طرف ترک، همان برابری جابجایی، شیب، گشتاور و نیروی برشی می باشد.
برای سمت چپ ترک:
(2-92)
(2-93)
(2-94)
(2-95)

برای سمت راست ترک:
(2-96)
(2-97)
(2-98)
(2-99)
(2-100)
تئوری تیموشنکوبرای تئوری تیموشنکو نیز مانند معادلات اویلر – برنولی، معادلات را با رابطه کلی، به صورت اندیس دار با فرض آنکه، عمق همه ترک ها با یکدیگر برابر باشد به صورت زیر می توان نشان داد:
برای قسمت های بدون ترک:

(2-101)
(2-102)
(2-103)
تعداد ترک می باشد
برای قسمت های ترکدار:

(2-104)
(2-105)
(2-106)
شرایط پیوستگی در دو طرف ترک، همان برابری جابجایی، شیب، گشتاور و نیروی برشی می باشد.
برای سمت چپ ترک:
(2-107)
(2-108)
(2-109)
(2-110)

برای سمت راست ترک:
(2-111)
(2-112)
(2-113)
(2-114)
(2-115)
در فصل بعد، به ارائه نتایج برای تیر شامل دو و سه ترک، طبق تئوری اویلر – برنولی و تیموشنکو می پردازیم.
ترک با شکل های هندسی مختلف:در قسمت قبل، به مدل سازی تیر ترکدار با ترک مستطیلی، با فرض باز بودن ترک پرداختیم. در این قسمت برای ترک، شکل های هندسی مختلف فرض شده است؛ مانند ترک مثلثی، بیضوی و سهموی. هدف این قسمت آن است که نشان دهیم با ارائه همان مدل می توانیم ترک های با شکل های هندسی مختلف را نیز مدل سازی کرده و نتایج را بدست آوریم. با توجه به مدل سازی صورت گرفته، که ترک را با یک المان تیر، که گشتاور دوم سطح متفاوت دارد، مدل کرده بودیم، در این قسمت با همان مدل سازی به بررسی ترک با شکل های بیان شده می پردازیم. نکته مهم در مورد این ترک ها، این است که گشتاور دوم سطح آنها مانند ترک مستطیلی در طول ترک ثابت نمی باشد. یعنی با توجه به موقعیت در طول ترک، گشتاور دوم سطح آنها نسبت به موقعیت قبلی، ثابت نیست. در ناحیه ترکدار، رابطه برای ارتعاش آزاد تیر صادق است. به دلیل ثابت نبودن برای این معادله حل تحلیلی وجود ندارد. بنابراین باید از روش های تقریبی یا نیمه تحلیلی استفاده کرد. با استفاده از روش گالرکین و روش متعامدسازی ابتدا ماتریس های جرمی و سفتی را بدست آورده و با استفاده از مقادیر ویژه این دو ماتریس، فرکانس طبیعی تیر را بدست می آوریم. تئوری استفاده شده در این قسمت، تئوری اویلر – برنولی می باشد، ضمن اینکه در روش گالرکین نیاز به استفاده از یک تابع برای شکل مد است که شرایط مرزی هندسی را برآورده کند. برای بدست آوردن این تابع شکل مد، از شکل مد تیر سالم برای هر شرط مرزی استفاده می کنیم.
حل ارتعاش آزاد برای یک تیر با استفاده از تئوری اویلر– برنولی به صورت زیر است:
(2-116)
با استفاده از روش متعامد سازی:
(2-117)
با جایگذاری در معادله فوق خواهیم داشت:
(2-118)
با دو بار انتگرال گیری جز به جز، جمله اول معادله فوق به معادله زیر تبدیل می شود:
(2-119)
بنابراین خواهیم داشت:
(2-120)
در بازه انتگرال گیری اول ، و سوم، ، به دلیل ثابت بودن مقطع، عبارت نیز ثابت می باشد، اما در بازه، به دلیل وجود ترک با شکل هندسی بیان شده عبارات تابعی از می باشد.
بنابراین :
(2-121)
معادله در ناحیه ترکدار با توجه به هندسه ترک و تابع با توجه به شرط مرزی تیر مشخص خواهد شد، که با جایگذاری در معادله قبلی، در نهایت به فرم زیر می رسیم:
(2-122)
که مقادیر ویژه ماتریس فوق، فرکانس طبیعی تیر را نتیجه می دهد.
در ادامه شکل های هندسی مختلف ترک، بررسی شده و روابط حاکم بر را نشان می دهیم. اما عبارت کلی در ناحیه ترکدار این گونه خواهد بود:
برای ترک دو طرفه:
(2-123)
(2-124)
برای ترک یک طرفه:
(2-125)
(2-126)
ترک مثلثی شکل
برای ترک مثلثی مانند شکل2-9 ناحیه ترکدار را به صورت زیر تقسیم بندی کرده و در هر قسمت رابطه مربوط به آن را در نظر می گیریم:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 9 : تیر به طول ,و ارتفاع ، شامل یک ترک مثلثی به عمق و طول دهانه ترک
(2-127)
(2-128)
ترک بیضی شکل
معادله یک بیضی به مرکز و قطرهای برابر است با:
(2-129)
ترک نشان داده شده در شکل 2-10 به مرکز و قطرهای می باشد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 10 : تیر به طول ,و ارتفاع ، شامل یک ترک بیضوی به عمق و طول دهانه ترک
معادله این ترک به صورت زیر است:
(2-130)
لازم به ذکر است به دلیل آنکه نیمه پایینی ترک، مد نظر می باشد از علامت منفی در پشت رادیکال استفاده شده است.
ترک سهمی شکل
معادله یک سهمی عمودی، که راس آن در نقطه و فاصله راس تا کانون آن a باشد، به صورت زیر است:
(2-131)
اگر سهمی، ماکسیمم داشته باشد، علامت آن مثبت، و اگر مینیمم داشته باشد علامت آن منفی می باشد.
معادله یک سهمی عمودی، مانند شکل 2-11 که راس آن در نقطه و با فرض آنکه کانون این سهمی در نقطه قرار داشته باشد :
(2-132)

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 11 : تیربه طول , وارتفاع ، شامل یک ترک سهموی به صورت عمودی به عمق و طول دهانه ترک
معادله یک سهمی افقی که راس آن در نقطه و فاصله راس تا کانون آن a باشد، به صورت زیر است:
(2-133)
اگر دهانه سهمی به سمت راست باشد علامت آن مثبت و اگر به سمت چپ باشد، علامت آن منفی می باشد.
معادله یک سهمی افقی، مانند شکل2-20 که راس آن در نقطه و با فرض آنکه کانون این سهمی در نقطه قرار داشته باشد :
(2-134)
علامت منفی به دلیل آنست که قسمت پایینی سهمی مورد نظر می باشد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 12 : تیر به طول , وارتفاع ، شامل یک ترک سهموی به صورت افقی به عمق و طول دهانه ترک
در فصل بعد به ارائه نتایج مربوط به این قسمت پرداخته ایم، ضمن اینکه در قسمت پیوست ها توابع شکل مد مورد استفاده برای هر شرط مرزی آمده است.
مدل سازی ترک باز و بسته شوندهدر این قسمت به مدل سازی غیرخطی تیر ترکدار می پردازیم. بر خلاف قسمت قبل که فرض می شد ترک در حین ارتعاش همواره باز باقی می ماند، در این قسمت، فرض بر این است که ترک در حین ارتعاش باز و بسته می شود، یعنی ترک از یک حالت کاملا باز به یک حالت کاملا بسته تغییر می کند. این فرض باعث ایجاد ترمهای غیرخطی در معادلات شده که در ادامه بررسی می شود. برای حل این معادلات غیر خطی از روش میانگین گیری استفاده می کنیم.و نتایج را برای حالتهای تک مود و دو مود نشان خواهیم داد.
مدل سازی ترک ساختار منحنیدر این قسمت ترکی با ساختار منحنی شکل مطابق شکل2-21 را مورد بررسی قرار می‌دهیم. زاویه ترک منحنی شکل در وضعیت اولیه θ0 است که در حین ارتعاش این زاویه بتدریج تغییر می‌نماید. عمق ترک برابر h0 و طول وجه ترک برابر lc است. فرض کنید که ترک با شکل منحنی دارای شعاع انحنای ρ است. اگر برای مثال ترک به صورت قسمتی از دایره با شعاع ρ در نظر گرفته شود، نقاط ابتدایی و انتهایی ترک و از آنجا مقدار گشودگی دهانه به صورت زیر خواهد بود:
(2-135)

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 13 : تیر ترکدار با ترک منحنی شکل با شعاع انحناهای متفاوت، عمق و طول وجه

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 14 ترک با ساختار منحنی دایره ای شکل به شعاع انحنایدر دو طرف و زاویه اولیه و طول دهانه
در این صورت در اثر نیروها و حرکت حاصله زاویه ترک و گشودگی دهانه مربوطه تغییر می‌کند. این تغییرات موجب می‌گردد که سطوح منحنی‌ها بر روی هم غلتیده و از طول وجه اولیه lc ترک و یا گشودگی اولیه دهانه کاسته شود، مانند شکل2-15، اگر که ترک در جهت بسته‌شدن دچار تغییر زاویه شود. به این ترتیب اگر شیب منحنی خیز تیر در نقطه وسط ترک برابر باشد، در این صورت زاویه مابین بصورت زیر خواهد بود.
(2-136)
و سطحی از ترک که بر روی هم می‌غلتد نیز به صورت زیر خواهد بود.
(2-137)
این میزان از غلتش سطوح بر روی هم از عمق اولیه به همین میزان خواهد کاست. در نتیجه میزان عمق ترک در حین بسته شدن در نقطه ترک xc به صورت زیر تغییر خواهد کرد.
(2-138)
و محدوده ترک بصورت زیر تغییر خواهد کرد.
(2-139)
مقدار گشودگی دهانه ترک نیز به صورت زیر تعیین خواهد شد.
(2-140)

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 15 : موقعیت نقاط ابتدا و انتهای ترک و نیز تغییرات هندسه ترک در حین ارتعاشطول وجه ترک نیز بصورت زیر تعیین خواهد شد:
(2-141)
که برای ترک دایره‌ای با شعاع ثابت ρ به صورت زیر درخواهد آمد
(2-142)
(2-143)
(2-144)
طول وجه ترک نیز برابر خواهد شد با:
(2-145)
عمق ترک در هر نقطه به صورت زیر در خواهد آمد:
(2-146)
(2-147)
در ادامه ساختار ترک را نسبت به موقعیت میانی ترک متقارن در نظر گرفته می‌شود. اگر زاویه ترک کوچک باشد و شعاع انحنای ترک نسبت به ضخامت تیر بزرگ باشد، در این صورت ترک را می‌توان در هر لحظه بتقریب به صورت V شکل به صورت معادله (2-136) در نظر گرفت، در ادامه از این فرض ساده‌کننده برای حل استفاده خواهد شد. با این فرض محدوده ترک بصورت زیر تغییر خواهد کرد:
(2-148)
(2-149)
نقاط گوشه‌ای ترک به صورت زیر می‌باشند:
(2-150)
در این معادله خطی که برای تقریب وجوه در هر لحظه استفاده می‌شود، بصورت زیر تعیین می‌گردد.
(2-151)
در این صورت ارتفاع دهانه باز ترک برابر است با:
(2-152)
انرژی جنبشی تیر به صورت زیر می‌باشد.
(2-153)
با جایگذاری رابطه (2-152) در رابطه (2-153)، انرژی جنبشی برابر است با:
(2-154)
به همین ترتیب انرژی پتانسیل برابر است با:
(2-155)
با جایگذاری رابطه (2-152) در رابطه (2-155)، انرژی پتانسیل برابر است با:
(2-156)

با قرار دادن در معادلات زیر داریم:
(2-157)

(2-158)

(2-159)

با تعریف روابط زیر :
(2-160)
(2-161)
(2-162)
(2-163)
(2-164)
(2-165)
در حالت واقعی محدوده ترک کوچک می‌باشد، لذا انتگرال‌های مربوطه را می‌توان بصورت‌های زیر تقریب زد:
(2-166)
(2-167)
(2-168)

(2-169)

(2-170)

(2-171)

کمیت های بی بعد را به صورت زیر تعریف می کنیم:
(2-172)
با قرار دادن روابط (2-160) تا (2-171) در معادله (2-159) و قرار دادن روابط (2-160) تا (2-162) در معادله (2-158) و قراردادن روابط (2-163) تا (2-165) در رابطه (2-157) و جایگذاری روابط بدست آمده در معادله لاگرانژ، و وارد کردن کمیت های بی بعد تعریف شده در رابطه بدست آمده از این جایگذاری ها و ساده سازی، معادله حرکت بدست می آید:
(2-173)

بررسی ترک v- شکلدر قسمت قبل معادله حرکت را برای ترک دایره ای شکل بدست آوردیم، در این قسمت معادله حرکت را برای ترک -v شکل بدست خواهیم آورد. زاویه ترک V شکل در وضعیت اولیه θ0 است که در حین ارتعاش این زاویه بتدریج تغییر می‌نماید. عمق ترک برابر h0 و طول وجه ترک برابر lc است که . در این صورت گشودگی دهانه ترک در وضعیت اولیه برابر خواهد بود. در این صورت محدوده اولیه ترک بصورت زیر مشخص می‌گردد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 16 ترک با ساختار v-شکل و مشخصات هندسی (2-174)
(2-175)
در اثر نیروها و حرکت حاصله زاویه ترک و گشودگی دهانه مربوطه تغییر می‌کند و مقدار گشودگی دهانه ترک نیز به صورت زیر تعیین خواهد شد.
(2-176)

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 17 : ترک با ساختار v- شکل در حین ارتعاش در هنگام بسته شدن.در این صورت زاویه ترک در حین ارتعاش از رابطه بدست خواهد آمد و محدوده ترک بصورت زیر تغییر خواهد کرد.
(2-177)
(2-178)
وجه ترک به صورت یک خط با رابطه‌ای به صورت زیر است:
(2-179)
در این صورت ارتفاع دهانه باز ترک برابر است با:
(2-180)
با استفاده از رابطه (2-154) انرژی جنبشی برابر است با:
(2-181)
به همین ترتیب انرژی پتانسیل با استفاده از رابطه (2-155) برابر است با:
(2-182)
حال جابجایی تیر را به صورت در نظر می‌گیریم،در این صورت با استفاده از معادلات لاگرانژ داریم:
(2-183)
(2-184)
(2-185)
(2-186)
(2-187)
در این صورت معادلات حرکت بصورت زیر خواهند بود:
(2-188)

در حالت واقعی محدوده ترک کوچک می‌باشد، لذا انتگرال‌های مربوطه را می‌توان بصورت‌های زیر تقریب زد.
(2-189)
(2-190)
(2-191)
(2-192)
(2-193)
که با جایگذاری در معادله خواهیم داشت:
(2-194)
تفاوت معادلات بدست آمده برای ترک دایره ای شکل و ترک V- شکل نشان دهنده این است که مدل ارائه شده نسبت به پارامتر شکل ترک حساس است، یعنی مدل ارائه شده با تغییر شکل ترک تغییر می کند.
حل مسئله با روش میانگین گیریمعادله حرکت بدست آمده در قسمت قبل غیرخطی می باشد. برای حل معادلات غیرخطی روش های مختلفی مانند پرتوربیشن، میانگین گیری و... وجود دارد در این قسمت با استفاده از روش میانگین گیری به حل معادله بدست آمده در قسمت قبل می پردازیم، با فرض یک مد، معادله (2-194) بصورت زیر تبدیل می‌گردد:
(2-195)
برای تعیین نحوه تغییر دامنه و فرکانس با زمان، با استفاده از روش میانگین‌گیری، حلی به صورت زیر در نظر گرفته می‌شود.
(2-196)
که
(2-197)
در این صورت با مشتق‌گیری از رابطه (2-196) داریم:
(2-198)
برای اینکه معادله فوق دارای حل پریودیک باشد، عبارت زیر باید برابر صفر باشد:
(2-200)
بنابراین:
(2-201)
با مشتق‌گیری از داریم:
(2-202)
که با جایگذاری رابطه (2-196)، (2-201) و (2-202) ، در معادله (2-195)، معادله حرکت به فرم زیر تبدیل می‌گردد:
(2-203)
برای پیداکردن دامنه و فاز حرکت از رابطه زیر استفاده می کنیم:
(2-204)
با قراردادن رابطه( 2-203 )در معادله ( 2-204)، تابع F1τ,ω0,ϕ,a را به صورت زیر بدست می آوریم:
(2-205)
با استفاده از روابط (2-200) و (2-204) دامنه و فاز حرکت بصورت زیر تعیین می‌شوند:
(2-206)
(2-207)
از حل معادلات دیفرانسیل فوق مقادیر در بازه زمانی مشخص بدست می آید.
برای ترک دایره ای شکل نیز با فرض یک مود، به روشی مشابه ترک V- شکل معادله بدست آمده برابر است با:
(2-208)

که مشابه روش قسمت قبل، برابر است با:
(2-209)

در فصل بعد نتایج مربوط به این مدل سازی و تغییرات فرکانس زاویه ای و زاویه ترک را در حین ارتعاش به صورت شکل های مختلف برای هر شرط مرزی نشان می دهیم.

نتایج مدل سازی
مقدمهدر این فصل با استفاده از روابط فصل دوم و مدل سازی انجام شده به ارائه نتایج می پردازیم. نتایج این فصل در بخش های مختلف ارائه می شود. ابتدا در قالب جداول، نتایج مربوط به ترک باز ساده، سپس نتایج مربوط به تیر چند ترکه و در انتها، نتایج مربوط به شکل های هندسی مختلف ترک ارائه گردیده است. در ادامه نتایج مربوط به ترک باز و بسته شونده در قالب شکل های مختلف ارائه می شود.
نتایج ترک باز ساده
در این قسمت به ارائه نتایج مربوط به ترک باز ساده می پردازیم. این نتایج برای شرایط مرزی مختلف، عمق های مختلف ترک، موقعیت های مختلف ترک و طول دهانه های مختلف ترک نشان داده می شود و اثر هر کدام از این پارامترها را روی فرکانس طبیعی بررسی می کنیم، و همچنین برای بررسی درستی نتایج، آنها را با نتایج مربوط از روش ارائه شده در مرجع [67] مقایسه می کنیم.
ویژگی های هندسی و مکانیکی تیر مورد نظر به صورت زیر است:

تیر با نسبت های مختلف عمق ترک:در این بخش به ارائه نتایج برای نسبت های مختلف عمق ترک می پردازیم. پارامتر بی بعد عمق ترک را برای مقادیر مختلف در نظر گرفته و نتایج بدست آمده از روش ارائه شده را با روش متعارف [67] یعنی روشی که در آن با استفاده از روابط مکانیک شکست در موقعیت ترک، فنر گذاشته می شود، مقایسه می کنیم. در همه جداول ستونی مربوط به سه فرکانس طبیعی اول تیر سالم (بدون ترک) برای هر شرط مرزی آورده شده است، که برای نشان دادن این مطلب است که فرکانس طبیعی تیر ترکدار همواره از تیر بدون ترک کمتر است زیرا سفتی تیر ترکدار از تیر سالم کمتر است.
در جدول3-1 فرکانس های طبیعی بی بعد، مربوط به سه مود اول ارتعاشی را برای شرط مرزی گیردار-گیردار با موقعیت ترک و طول دهانه ترک، را برای تیر اویلر- برنولی و تیر تیموشنکو نشان می دهیم. همان طور که از نتایج جداول پیداست با افزایش عمق ترک، سفتی تیر کاهش پیدا کرده و در نتیجه فرکانس طبیعی تیر نیز کاهش می یابد. همچنین نتایج این روش با روش متعارف نزدیکی و تطابق بسیار خوبی دارد.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 1 : فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر گیردار با عمق های مختلف و موقعیت ترک و طول دهانه و مقایسه نتایج با روش متعارف و تیر سالمhchتیر سالم تیر ترکدار
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.1 22.373 22.276 22.329 22.233 22.360 22.264
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 120.579 118.506 120.770 118.691
0.2 22.373 22.276 22.205 22.111 22.333 22.237
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 119.682 117.644 120.540 118.47
0.3 22.373 22.276 21.993 21.901 22.282 22.187
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 118.185 116.204 120.138 118.045
0.4 22.373 22.276 21.670 21.582 22.185 22.091
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 116.016 114.113 119.416 117.39
0.5 22.373 22.276 21.225 21.142 21.992 21.9012
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 113.223 111.417 118.049 116.0748
0.6 22.373 22.276 20.676 20.599 21.578 21.491
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.06
120.90 118.818 110.075 108.369 115.314 113.4377
0.7 22.373 22.276 20.076 20.007 20.610 20.5349
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.057
120.90 118.818 106.978 105.363 109.718 108.0231
در جداول 3-2 تا 3-4، سه فرکانس طبیعی بی بعد اول را، برای شرایط مرزی مختلف به ازای عمق های ترک از تا و موقعیت ترک و طول دهانه ترک ، برای تیر اویلر – برنولی و تیر تیموشنکو نشان داده شده است. در بالای هر جدول، شرط مرزی مربوط به آن تیر نشان داده شده است، ضمن آنکه مانند جدول قبل به ازای افزایش عمق ترک، فرکانس طبیعی تیر کمتر شده و همچنین فرکانس تیر ترکدار از تیر سالم کمتر می باشد. از نتایج پیداست که تطابق خوبی بین نتایج روش ارائه شده و روش متعارف وجود دارد.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 2 : فرکانس های طبیعی مربوط به تیر یکسر گیردار با عمق های مختلف و موقعیت ترک و طول دهانه و مقایسه نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار یکسرگیردار تیر سالم hchروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 3.514 3.515 3.512 3.513 # "0.00%" 3.513 3.5142 3.5160 0.1
21.946 22.022 21.899 21.974 21.9582 22.0344 61.192 61.697 61.192 61.697 61.1927 61.6972 3.513 3.5148 3.506 3.507 3.5142 3.5160 0.2
21.924 22.000 21.732 21.806 21.9582 22.0344 61.192 61.697 61.192 61.697 61.1927 61.6972 3.511 3.5134 3.495 3.496 3.5142 3.5160 0.3
21.887 21.962 21.445 21.517 21.9582 22.0344 61.192 61.697 61.191 61.697 61.1927 61.6972 3.509 3.510 3.477 3.478 3.5142 3.5160 0.4
21.816 21.891 21.007 21.076 21.9582 22.0344 61.192 61.696 61.190 61.696 61.1927 61.6972 3.503 3.505 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.5
21.677 21.751 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.191 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 3 : فرکانس های طبیعی مربوط به تیر گیردار- مفصل برشی با عمق های مختلف و موقعیت ترک و طول دهانه و مقایسه نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار گیردار-مفصل برشی تیر سالم hchروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 5.5896 5.5944 5.586 5.5930 5.5872 5.5933 0.1
30.081 30.214 30.031 30.163 30.0926 30.2258 73.906 74.632 73.882 74.608 73.9131 74.6389 5.5890 5.5939 5.586 5.5922 5.5872 5.5933 0.2
30.06 30.193 29.859 29.989 30.0926 30.2258 73.895 74.613 73.797 74.523 73.9131 74.6389 5.5882 5.5931 5.584 5.590 5.5872 5.5933 0.3
30.022 30.154 29.563 29.690 30.0926 30.2258 73.875 74.601 73.651 74.376 73.9131 74.6389 5.5872 5.5927 5.582 5.588 5.5872 5.5933 0.4
29.950 30.082 29.113 29.234 30.0926 30.2258 73.839 74.565 73.431 74.155 73.9131 74.6389 5.5861 5.5915 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.5
29.807 29.937 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.767 74.494 73.130 73.854 73.9131 74.6389 جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 4: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر لولا با عمق های مختلف و موقعیت ترک و طول دهانه و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار دو سر لولا تیر سالم hchروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 9.853 9.864 9.833 9.843 9.8591 9.8696 0.1
39.3125 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 87.947 88.778 87.764 88.590 87.9946 88.8264 9.844 9.854 9.758 9.769 9.8591 9.8696 0.2
39.3125 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 87.865 88.693 87.125 87.936 87.9946 88.8264 9.827 9.837 9.630 9.64 9.8591 9.8696 0.3
39.3124 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 87.719 88.544 86.05 86.835 87.9946 88.8264 9.796 9.806 9.430 9.439 9.8591 9.8696 0.4
39.3123 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 87.450 88.268 84.869 85.221 87.9946 88.8264 9.734 9.744 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.5
39.312 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 86.921 87.727 82.4 83.106 87.9946 88.8264 تیر با نسبت های مختلف طول دهانه ترک:در این قسمت نتایج را به ازای تغییر در طول دهانه ترک نشان خواهیم داد. همان گونه که قبلا بیان شد، مزیت روش ارائه شده نسبت به روش های دیگر این است که در روش ارائه شده، فرکانس طبیعی با تغییر در طول دهانه ترک تغییر می کند، اما نتایج روش متعارف، نسبت به تغییر طول دهانه ترک ثابت است.
جدول 3-5، سه فرکانس طبیعی بی بعد مربوط به سه مود اول ارتعاش تیر ترکدار گیردار-گیردار را به ازای عمق ترک ثابت و موقعیت ترک و طول های مختلف دهانه ترک از تا نشان می دهد.
در جداول 3-6 تا 3-8، فرکانس های طبیعی بی بعد مربوط به سه مود اول را برای شرایط مرزی مختلف به ازای طول های مختلف دهانه ترک از تا و موقعیت ترک و عمق ترک ، برای تیرهای اویلر – برنولی و تیر تیموشنکو نشان داده شده است. همان طور که از نتایج پیداست با افزایش طول دهانه ترک، فرکانس طبیعی تیر کاهش می یابد. ضمن اینکه به دلیل آنکه روش متعارف نسبت به پارامتر طول دهانه ترک حساسیتی ندارد نتایج مربوط به روش متعارف به ازای تغییر این پارامتر تغییر نمی کند.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 5: فرکانس های طبیعی تیر دو سر گیردار با طول های مختلف دهانه ترک و موقعیت ترک و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمdoLتیر سالم تیر ترکدار دو سر گیردار
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.001 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3699 22.273
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.869 118.786
0.002 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3667 22.270
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.836 118.754
0.004 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3600 22.263
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.770 118.691
0.005 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3568 22.260
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.737 118.659
0.008 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3470 22.251
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.640 118.566
0.01 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3406 22.244
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6726 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.576 118.505
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 6 : فرکانس های طبیعی مربوط به تیر یکسر گیردار با طول های مختلف دهانه ترک و موقعیت ترک و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار تیر سالم doLروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 3.509 3.510 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.001
21.816 21.891 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.192 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 3.503 3.505 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.002
21.677 21.751 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.191 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 3.498 3.500 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.003
21.542 21.615 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.190 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 3.493 3.495 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.004
21.412 21.484 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.189 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 3.483 3.485 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.006
21.161 21.232 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.187 61.695 61.188 61.694 61.1927 61.6972 جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 7: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر گیردار- مفصل برشی با طول های مختلف دهانه ترک و موقعیت ترک و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار تیر سالم doLروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 5.584 5.591 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.001
29.947 30.079 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.8391 74.5649 73.130 73.854 73.9131 74.6389 5.583 5.590 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.002
29.807 29.937 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.767 74.494 73.130 73.854 73.9131 74.6389 5.582 5.588 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.003
29.672 29.799 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.699 74.425 73.130 73.854 73.9131 74.6389 5.580 5.586 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.004
29.540 29.667 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.632 74.359 73.130 73.854 73.9131 74.6389 5.580 5.585 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.006
29.290 29.413 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.506 74.234 73.130 73.854 73.9131 74.6389 جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 8: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر لولا با طول های مختلف دهانه ترک و موقعیت ترک و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار تیر سالم doLروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 9.796 9.806 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.001
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 87.445 88.263 82.398 83.106 87.9946 88.8264 9.734 9.744 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.002
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 86.921 87.727 82.398 83.106 87.9946 88.8264 9.673 9.683 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.003
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 86.423 87.217 82.398 83.106 87.9946 88.8264 9.614 9.624 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.004
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 85.95 86.732 82.398 83.106 87.9946 88.8264 9.499 9.508 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.006
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 85.065 85.827 82.398 83.106 87.9946 88.8264 بررسی اثر تغییر موقعیت ترکدر این قسمت، موقعیت ترک را از قسمت های ابتدایی تیر تا قسمت های انتهایی تیر، به ازای عمق و طول دهانه ثابت تغییر می دهیم و نتایج را نشان می دهیم. نکته قابل توجه در این قسمت این است که، تنها در حالت شرط مرزی تیر یک سر گیردار با تغییر موقعیت ترک از ابتدا تا انتها، فرکانس طبیعی مربوط به مود اول، افزایش می یابد و در مورد شرایط مرزی دو سر گیردار و دو سر لولا به علت تقارن، در فاصله های برابر از تکیه گاه ها، فرکانس های طبیعی یکسان است. برای حالت دوسر لولا با نزدیک کردن موقعیت ترک به میانه تیر فرکانس طبیعی اول کاهش پیدا کرده و بعد از آن افزایش می یابد. در مورد بقیه شرایط مرزی، نظم خاصی وجود ندارد. نتایج مربوط به هر دو روش ارائه شده و روش متعارف نشان دهنده این موضوع می باشد. ضمن اینکه تطابق و نزدیکی خوبی بین نتایج دو روش وجود دارد.
در جداول 3-9 تا 3-12، نتایج مربوط به بررسی اثر موقعیت ترک به ازای و نشان داده شده است. شرط مرزی هر تیر نیز در بالای جدول مربوط به آن آورده شده است.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 9: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر گیردار با موقعیت های مختلف ترک و طول دهانه و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمLCLتیر سالم تیر ترکدار دو سر گیردار
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.1 22.373 22.276 21.572 21.484 22.202 22.107
61.672 61.062 61.289 60.695 61.594 60.986
120.90 118.818 120.862 118.774 120.899 118.839
0.2 22.373 22.276 22.343 22.247 22.372 22.275
61.672 61.062 60.304 59.721 61.454 60.848
120.90 118.818 114.532 112.712 119.971 117.678
0.3 22.373 22.276 22.133 22.039 22.341 22.245
61.672 61.062 58.111 57.586 61.016 60.423
120.90 118.818 118.575 116.619 120.445 118.385
0.4 22.373 22.276 21.516 21.430 22.231 22.137
61.672 61.062 59.761 59.200 61.318 60.718
120.90 118.818 119.153 117.113 120.577 118.498
0.5 22.373 22.276 21.225 21.142 22.177 22.082
61.672 61.062 61.672 61.063 61.672 61.062
120.90 118.818 113.224 111.417 119.397 117.371
0.6 22.373 22.276 21.516 21.430 22.231 22.137
61.672 61.062 59.761 59.200 61.318 60.718
120.90 118.818 119.153 117.113 120.577 118.498
0.7 22.373 22.276 22.133 22.039 22.341 22.245
61.672 61.062 58.111 57.586 61.016 60.423
120.90 118.818 118.575 116.619 120.445 118.385
0.8 22.373 22.276 22.343 22.247 22.372 22.275
61.672 61.062 60.304 59.721 61.454 60.848
120.90 118.818 114.532 112.712 119.971 117.678
0.9 22.373 22.276 21.572 21.484 22.202 22.107
61.672 61.062 61.289 60.695 61.594 60.986
120.90 118.818 120.862 118.774 120.899 118.839
همان طور که از نتایج جدول فوق مشخص است در فاصله های برابر از تکیه گاه ها، مثلا در موقعیت ترک و به علت تقارن فرکانس های طبیعی بدست آمده برابر می باشد.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 10: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر یک سر گیردار با موقعیت های مختلف ترک و طول دهانه و عمق ترک و مقایسه نتایج با روش متعارف و تیر سالمLCLتیر سالم تیر ترکدار یک سر گیردار
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.1 3.5160 3.5142 3.156 3.155 3.445 3.443
22.0344 21.9582 21.288 21.221 21.874 21.799
61.6972 61.1927 61.309 60.821 61.618 61.115
0.2 3.5160 3.5142 3.250 3.248 3.465 3.463
22.0344 21.9582 22.019 21.943 22.035 21.959
61.6972 61.1927 60.345 59.857 61.481 60.979
0.3 3.5160 3.5142 3.332 3.331 3.482 3.480
22.0344 21.9582 21.714 21.639 21.986 21.910
61.6972 61.1927 58.189 57.758 61.051 60.561
0.4 3.5160 3.5142 3.400 3.399 3.495 3.494
22.0344 21.9582 20.950 20.881 21.846 21.771
61.6972 61.1927 59.864 59.413 61.358 60.864
0.5 3.5160 3.5142 3.452 3.450 3.505 3.503
22.0344 21.9582 20.463 20.399 21.751 21.677
61.6972 61.1927 61.693 61.188 61.696 61.191
0.6 3.5160 3.5142 3.486 3.484 3.512 3.510
22.0344 21.9582 20.543 20.478 21.767 21.693
61.6972 61.1927 59.451 58.972 61.266 60.766
0.7 3.5160 3.5142 3.505 3.503 3.516 3.514
22.0344 21.9582 21.091 21.022 21.867 21.794
61.6972 61.1927 57.024 56.592 60.800 60.310
0.8 3.5160 3.5142 3.513 3.512 3.52 3.517
22.0344 21.9582 21.711 21.637 21.978 21.902
61.6972 61.1927 58.228 57.781 61.091 60.597
0.9 3.5160 3.5142 3.515 3.514 3.521 3.519
22.0344 21.9582 22.003 21.927 22.041 21.965
61.6972 61.1927 61.165 60.667 61.613 61.109
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 11: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر لولا با موقعیت های مختلف ترک و طول دهانه و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمLCLتیر سالم تیر ترکدار دو سر لولا
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.1 9.8696 9.8591 9.793 9.783 9.857 9.847
39.4784 39.31251 38.395 38.240 39.302 39.138

user8290

4-7 . پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% پیش از عملیات حرارتی58
4-8. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 600 درجهی سانتیگراد59
4-9. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 800 درجهی سانتیگراد60
4-10. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 600 درجه‌ی سانتی ‌گراد61
4-11. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 800 درجه‌ی سانتی ‌گراد62
4-12. طیف‌های جذبی FT-IR الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.65
4-13. تصویر TEM یکی از نمونه‌ها67
4-14. نمودارهای لانگمیر الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%69
4-15. نمودارهای BET الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%71
4-16. جذب و واجذب الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.72
4-17. حلقه پسماند نمونه‌ها قبل از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.74
4-18. حلقه پسماند نمونه‌ها بعد از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.75

فهرست جداول
عنوان صفحه
فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. کاربردهای مختلف آئروژل‌ها48
TOC o "1-3" h z u
فصل چهارم - سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
4-1. میزان گرم و لیتر مواد مورد نیاز51
4-2. نتایج حاصل از XRD63
لیست علایم و اختصارات
برونر، امت، تلر(Brunauer, Emmett, Teller) BET
پراش پرتو ایکس (X-Ray Diffraction) XRD
مغناطیسسنج نمونهی ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometer) VSM
میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FE-SEM
میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy) TEM
آنگسترم (Angestrom) Å
اورستد (Oersted) Oe
نانومتر (Nanometer) nm
واحد مغناطیسی (Electromagnetic Units) emu
فصل اولمفاهیم اولیه1854668136024
مقدمهاز اواخر قرن بیستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوینی معطوف کردند که به عقیده‌ی عده‌ای تحولی عظیم در زندگی بشر ایجاد می‌کند. این فناوری نوین که در رشته‌هایی همچون فیزیک، شیمی و مهندسی از اهمیت زیادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. می‌توان گفت که نانوفناوری رویکردی جدید در تمام علوم و رشته‌ها می‌باشد و این امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با یک روش معین به مطالعه‌ی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبک‌های مختلف به بازآرایی اتم‌ها و مولکول‌ها بپردازد.
در چند سال اخیر، چه در فیزیک تجربی و چه در فیزیک نظری، توجه قابل ملاحظه‌ای به مطالعه‌ی نانوساختارها با ابعاد کم شده است و از این ساختارها نه تنها برای درک مفاهیم پایه‌ای فیزیک بلکه برای طراحی تجهیزات و وسایلی در ابعاد نانومتر استفاده شدهاست. وقتی که ابعاد یک ماده از اندازه‌های بزرگ مانند متر و سانتیمتر به اندازه‌هایی در حدود یک دهم نانومتر یا کمتر کاهش می‌یابد، اثرات کوانتومی را می‌توان دید و این اثرات به مقدار زیاد خواص ماده را تحت الشعاع قرار می‌دهد. خواصی نظیر رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی یا ویژگی‌های نوری، مغناطیسی و الکتریکی ماده از جمله‌ی این خواص‌ می‌باشند [1].
1-1 شاخه‌های فناوری نانوتفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر بیان نماییم، می‌توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. اولین و مهمترین عنصر پایه نانو ذره است. نانوذره یک ذره‌ی میکروسکوپی است که حداقل طول یک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و میتوانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و نانوبلورها که زیر مجموعهای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومین عنصر پایه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر می‌باشد. عنصر پایه‌ی بعدی نانولوله‌ها هستند که خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می‌دهند و شامل نانولوله‌های کربنی، نیترید بور و نانولوله‌های آلی می‌باشند [4].
1-2 روش‌های ساخت نانوساختارهاتولید و بهینهسازی مواد بسیار ریز، اساس بسیاری از تحقیقات و فناوری‌های امروزی است. دستورالعمل‌های مختلفی در خصوص تولید ذرات بسیار ریز در شرایط تعلیق وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشریح دقیق فرآیند رسوب‌گیری و روش‌های افزایش مقیاس این فرآیندها در مقیاس تجاری محدودیت وجود دارد. برای تولید این نوع مواد بسیار ریز از پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی یا به طور همزمان از هر دو استفاده می‌شود. برای تولید یک ذره با اندازه مشخص دو فرآیند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پایین) و دیگری ساخته شدن) پایین به بالا). معمولا روش‌های پائین به بالا ضایعاتی ندارند، هر چند الزاما این مسأله صادق نیست [6 و5]. مراحل مختلف تولید ذرات بسیار ریز عبارت است از، مرحله‌ی هسته‌زایی اولیه و مرحله‌ی هسته‌زایی و رشد خود به خودی. در ادامه به طور خلاصه روش‌های مختلف تولید نانوذرات را بیان می‌کنیم. به طور کلی روش‌های تولید نانوذرات عبارتند از:
 چگالش بخار
 سنتز شیمیایی
 فرآیندهای حالت جامد (خردایشی)
 استفاده از شاره‌ها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی
 استفاده از امواج ماکروویو و امواج مافوق صوت
 استفاده از باکتری‌هایی که میتوانند نانوذرات مغناطیسی و نقره‌ای تولید کنند
پس از تولید نانوذرات می‌توان با توجه به نوع کاربرد آن‌ها از روش‌های رایج زمینه‌ای مثل روکشدهی یا اصلاح شیمیایی نیز استفاده کرد [7].
1-3 کاربردهای نانوساختارهایکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت می‌توان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری تولید نمود. این نانوکاتالیزورها بازده واکنش‌های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنش‌ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانو‌ذرات در تولید مواد دیگر استحکام آن‌ها را افزایش داده و یا وزن آن‌ها را کم می‌کند. همچنین مقاومت شیمیایی و حرارتی آن‌ها را بالا برده و واکنش آن‌ها در برابر نور وتشعشعات دیگر را تغییر می‌دهد.
با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت. اخیرا در ساخت شیشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارآیی این نوع شیشهها، عمر آن‌ها را نیز چندین برابر نمودهاست .از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده‌ها، رنگ‌ها، لایه‌های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه‌ها، عینک‌ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی‌ها و در حفاظ‌های الکترومغناطیسی شیشه‌های اتومبیل و پنجره استفاده می‌شود. پوشش‌های ضد نوشته برای دیوارها و پوششهای سرامیکی برای افزایش استحکام سلول‌های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده‌اند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر می‌رسد یکی از ویژگی‌هایی که تحت تأثیر این کوچک شدن اندازه قرارمی‌گیرد تأثیرپذیری از نور و امواج الکترومغناطیسی است. با توجه به این موضوع اخیراً چسب‌هایی از نانوذرات تولید شده‌اند که کاربردهای مهمی در صنایع الکترونیکی دارند. نانولوله‌ها در موارد الکتریکی، مکانیکی و اپتیکی بسیار مورد توجه بوده‌اند. روش‌های تولید نانولوله‌ها نیز متفاوت می‌باشد، همانند تولید آن‌ها بر پایه محلول و فاز بخار یا روش رشد نانولوله‌ها در قالب که توسط مارتین مطرح شد. نانولایه‌ها در پوشش‌های حفاظتی با افزایش مقاومت در خوردگی و افزایش سختی در سطوح و فوتولیز و کاهش شیمیایی کاربرد دارند.
نانوذرات نیز به عنوان پیشماده یا اصلاح ساز در پدیده های فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرارگرفته‌اند. هاروتا و تامسون اثبات کردند که نانوذرات فعالیت کاتالیستی وسیعی دارند، مثل تبدیل مونواکسید کربن به دی اکسید کربن، هیدروژنه کردن استیرن به اتیل بنزن و هیدروژنه کردن ترکیبات اولفیتی در فشار بالا و فعالیت کاتالیستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بین الکترود و الکترولیت ارتباط برقرار می‌کنند [7].
1-4 مواد نانومتخلخلمواد نانو متخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی زیاد، گزینشپذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی‌های مهم آن‌ها می‌باشد. با توجه به ویژگی‎‌های ساختاری، این به عنوان تبادل‌گر یونی، جدا کننده، کاتالیزور، حس‌گر، غشا و مواد عایق استفاده می‌شود.
نسبت حجمی فضای خالی ماده‌ی متخلخل به حجم کل ماده‌ تخلخل نامیده میشود. به موادی که تخلخل آن‌ها بین 2/0 تا 95/0 باشد نیز مواد متخلخل می‌گویند. حفره‌ای که متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ی باز نام دارد که برای صاف کردن غشا، جداسازی و کاربردهای شیمیایی مثل کاتالیزور و کروماتوگرافی (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آن‌ها) مناسب است. به حفره‌ای که دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ی بسته می‌گویند که وجود آن‌ها تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و کاهش وزن ماده شده و در کاربردهای شیمیایی سهمی ندارد. حفره‌ها دارای اشکال گوناگونی همچون کروی، استوانهای، شیاری، قیفی شکل و یا آرایش شش گوش هستند. همچنین تخلخل‌ها می‌توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند [7].
بر اساس دستهبندی که توسط آیوپاک صورت گرفته است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفره‌ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسیمبندی میشوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:
الف) دسته بندی بر اساس اندازهی حفره:
میکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر کمتر از 2 نانومتر.
مزومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر 2 تا 50 نانومتر.
right59626500ماکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر بیش از 50 نانومتر.
center1720850شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].
0شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].

بر اساس شکل و موقعیت حفره‌ها نسبت به یکدیگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شود: حفره‌های راه به راه، حفره‌های کور، حفره‌های بسته و حفره‌های متصل به هم که در شکل (2-1) به صورت شماتیک این حفره‌ها را نشان داده شده است.

شکل 1-2 نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت [8].
بر اساس تعریف مصطلح نانوفناوری، دانشمندان شیمی در عمل نانو متخلخل را برای موادی که دارای حفرههایی با قطر کمتر از 100 نانومتر هستند به کار می‌برند که ابعاد رایجی برای مواد متخلخل در کاربردهای شیمیایی است.
ب) دستهبندی بر‌اساس مواد تشکیل دهنده:
مواد نانومتخلخل آلی
مواد نانومتخلخل معدنی
تقسیمبندی مواد نانومتخلخل آلی
1) مواد کربنی: کربن فعال، کربنی است که حفره‌های بسیار زیاد دارد و مهم‌ترین کربن از دسته مواد میکرومتخلخل است.
2) مواد بسپاری: مواد نانو متخلخل بسپاری به دلیل ساختار انعطاف‌پذیر خود، حفره‌های پایداری ندارند و تنها چند ترکیب محدود از این نوع وجود دارد [8].
تقسیم بندی مواد نانومتخلخل معدنی
1) مواد میکرومتخلخل
زئولیت‌ها: مهم‌ترین ترکیبات میکرومتخلخل بوده که دارای ساختار منظم بلوری و حفره‌دار با بار ذاتی منفی می‌باشند. در اکثر موارد ساختار زئولیتی از قطعات چهار وجهی با چهار اتم اکسیژن و یک اتم مرکزی مثل آلومینیوم، سیلیکون، گالیم یا فسفر تشکیل شده‌اند که با کاتیون‌ها خنثی می‌شوند [8].
چارچوب فلزی-آلی: از واحد‌های یونی فلزی یا خوشه‌ی معدنی و گروه‌های آلی به عنوان اتصالدهنده تشکیل شده است که اتصال آن‌ها به هم، حفره‌ای با شکلی معین مانند کره یا هشت وجهی به وجود می‌آورد. ویژگی بارز این ترکیبات، چگالی کم و سطح ویژه‌ی بالای آن‌هاست [9].
هیبرید‌های آلی-معدنی: از قطعاتی معدنی تشکیل شده‌اند که توسط واحد‌های آلی به هم متصل هستند [10].
2) مواد مزومتخلخل:
سیلیکا: ترکیبات MCM، معروف‌ترین سیلیکای مزومتخلخل هستند.
اکسید فلزات و سایر ترکیبات مزومتخلخل: اکسیدهای نانومتخلخل فلزات مثل تیتانیوم دی اکسید، روی اکسید، زیرکونیوم دی اکسید و آلومینا، فعالیتی بیشتر از حالت معمولی خود دارند. ترکیبات سولفید و نیترید هم میتوانند ساختار مزومتخلخل داشته باشند.
3) مواد ماکرومتخلخل:
بلور کلوییدی: از مجموعه کره‌هایی مانند سیلیکا ساخته می‌شود که فضای بین آن‌ها خالی است. در بلور کلوییدی معکوس کره‌ها توخالی و فضای بین آن‌ها پر است [10].
آئروژل‌ها مواد مزومتخلخل با سطح ویژه و حجم تخلخل بالا هستند که در فصل بعد به آن‌ها می‌پردازیم.
1-5 کامپوزیت‌هاکامپوزیت‌ها (مواد چند رسانهای یا کاهگل‌های عصر جدید) رده‌ای از مواد پیشرفته هستند که در آن‌ها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد مواد جدیدی با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است. اجزای تشکیلدهنده ویژگی‌های خود را حفظ کرده، در یکدیگر حل نشده و با هم ترکیب نمی‌شوند.
استفاده از این مواد در طول تاریخ مرسوم بوده است. از اولین کامپوزیت‌ها یا چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به آجرهای گلی که در ساخت آن‌ها از کاه استفاده شده است اشاره کرد. هنگامی که این دو با هم مخلوط بشوند، در نهایت آجر پخته بهدست می‌آید که بسیار ماندگار‌تر و مقاوم‌تر از هر دو ماده اولیه، یعنی کاه و گل است. شاید هم اولین کامپوزیت‌ها را مصری‌ها ساخته باشند که در قایق‌هایشان به چوب بدنه قایق مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن، آب توسط پارچه جذب شده و چوب باد نکند. قایق‌هایی که سرخپوستان با فیبر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم ساخته می‌شدند از نخستین کامپوزیت‌ها هستند [11].
1-5-1 کامپوزیت یا مواد چندسازهچندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوط دو یا چند عنصر با فازهای کاملا متمایز ساخته شده باشند. در مقیاس ماکروسکوپیک فازها غیر قابل تشخیص‌اند. اما در مقیاس‌های میکروسکوپیک فازها کاملا مجزا هستند و هر فاز خصوصیات عنصر خالص را نمایش می‌دهد. در چندسازه‌ها، نه تنها خواص هر یک از اجزاء باقی مانده بلکه در نتیجهی پیوستن آن‌ها به یکدیگر، خواص جدیدتر و بهتر بهدست می‌آید [11].
1-5-2 ویژگی‌های مواد کامپوزیتیمواد زیادی می‌توانند در دسته‌بندی مواد کامپوزیتی قرار بگیرند، در واقع موادی که در مقیاس میکروسکوپی قابل شناسایی بوده و دارای فازهای متفاوت و متمایز باشند در این دسته‌بندی قرار می‌گیرند. امروزه کامپوزیت‌ها به علت وزن کم و استحکام بالا در صنایع مختلف، به طور گستره‌ای مورد استفاده واقع می‌شوند. کامپوزیت‌ها با کاهش وزن و ویژگی‌های فیزیکی بسیار عالی، گزینه‌ای مناسب برای استفاده در تجهیزات ساختاری می‌باشند. علاوه بر ‌این، کامپوزیت‌ها جایگزین مناسب برای مواد سنتی در کاربردهای صنعتی، معماری، حمل و نقل و حتی در کاربردهای زیر بنایی می‌باشد [12].
یکی از ویژگی‌های بارز کامپوزیت‌ها، حضور فاز تقویـتکننده مجزا از فاز زمینه می‌باشد. ویژگی‌های اختصاصی این دو فاز، در ترکیب با یکدیگر، ویژگی‌های یکسانی را به کل کامپوزیت می‌بخشد. در یک دسته‌بندی ویژه، کامپوزیت‌ها همواره به دو فاز زمینه و تقویتکننده تقسیم می‌شوند. می‌توان گفت در واقع زمینه مانند چسبی است که تقویتکننده‌ها را به یکدیگر چسبانده و آن‌ها را از آثار محیطی حفظ می‌کند.
1-5-3 مواد زمینه کامپوزیتزمینه با محصور کردن فاز تقویت کننده، باعث افزایش توزیع بار بر روی کامپوزیت می‌گردد. در واقع زمینه، برای اتصال ذرات تقویتکننده، انتقال بارها به تقویتکننده، تهیه یک ساختار شبکه‌ای شکل از آن‌ها و حفظ تقویتکننده از آثار محیطی ناسازگار به کار گرفته می‌شود.
1-5-4 تقویتکننده‌هادسته‌ای از مواد معمولی که به عنوان فاز تقویت کننده به کار گرفته می‌شوند، عبارتند از شیشه‌ها، فلزات، پلیمرها و گرانیت. تقویتکننده‌ها در شکل‌های مختلفی از جمله فیبرهای پیوسته، فیبرهای کوتاه یا ویسکرها و ذرات تولید می‌شوند (شکل3-3). تقویت کننده‌ها باعث ایجاد ویژگی‌های مطلوبی از جمله استحکام و مدول بالا، وزن کم، مقاومت محیطی مناسب، کشیدگی خوب، هزینه کم، در دسترسپذیری مناسب و سادگی ساخت کامپوزیت می‌گردند [12].
1-5-5 نانو کامپوزیتنانو کامپوزیت‌ها مواد مرکبی هستند که ابعاد یکی از اجزای تشکیلدهنده آن‌ها در محدوده نانو‌متری باشد. نانوکامپوزیت‌ها هم، در دو فاز تشکیل می‌شود. در فاز اول، ساختار بلوری در ابعاد نانو ساخته می‌شود که زمینه کامپوزیت به شمار می‌رود. در فاز دوم هم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای بهبود ویژگی‌ها به فاز زمینه افزوده می‌شود. توزیع یکنواخت این فاز در ماده زمینه باعث می‌شود که فصل مشترک ماده تقویت کننده با ماده زمینه در واحد حجم، مساحت بالایی داشته باشد [13].


شکل 1-3 نمایشی از انواع مختلف تقویت کننده‌ها در کامپوزیت [12].
1-6 خلاصهدر این فصل به بیان بعضی مفاهیم اولیه پرداختهشد. خلاصه کوتاهی از فناوری نانو، نانوساختارها و روش‌های ساخت آن‌ها گفته شد. بعد از آن مواد متخلخل بررسی شد و در نهایت مختصری در مورد کامپوزیت‌ها، ویژگی‌ها و نانوکامپوزیت‌ها بیان شد.
فصل دومآئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی15418474142773
2-1 تاریخچهحوزهی پژوهشی آئروژل هر ساله به طور وسیعی افزایش می‌یابد به طوری که امروزه توجه بسیاری از دانشمندان جهان را به خود اختصاص دادهاست.
اولین بار ساموئل استفان کیستلر در سال 1931 با ایدهی جایگزینی فاز مایع با گاز در ژل همراه با انقباض کم، آئروژل را تولید کرد. در آن زمان سعی ایشان بر اثبات وجود شبکه‌های جامد در درون ساختار ژل بود. یک روش برای اثبات این نظریه، برداشتن فاز مایع از فاز مرطوب ژل بدون اینکه ساختار جامد از بین برود مطرح بود. برای این کار او با استفاده از یک اوتوکلاو، فاز مایع را از ژل خارجکرد که جامد باقی مانده چگالی بسیار پایینی داشت. او دما و فشار داخلی اوتوکلاو را به نقطه بحرانی مایع رساند تا بر کشش سطحی مایع غلبهکند و ساختار داخلی ژل را از فروپاشی برهاند. به این ترتیب او با موفقیت اولین آئروژل پایه سیلیکا را تولید کرد. ولی به دلیل سختی کار، برای حدود نیمقرن پژوهشی در این زمینه صورت نگرفت. اما از همان ابتدا برای دانشمندانی چون کیستلر، واضح بود که آئروژل ویژگی‌های برجسته‌ای مانند چگالی پایین و رسانایی گرمایی ناچیزی دارد [14].
در سال‌های اخیر، ساختن آئروژل به معنای رساندن الکل به فشار و دمای بخار شدنی و به طبع آن به‌دست‌آوردن نقطهی بحرانی است و باعث استخراج فوق بحرانی از ژل می‌شود. سپس، در سال 1970، دانشمند فرانسوی تایکنر و همکارانش برای بهبود فرآیند تولید دولت فرانسه، موفق شدند روش جدیدی به غیر از روش کیستلر برای تهیهی آئروژل کشف کنند و آن را روش سل-ژل نامیدند. در این روش آلکوکسی سیلان با سیلیکات سدیم، که به وسیله کیستلر استفاده می‌شد، جایگزین گردید. با ظهور روش ارائه شده به وسیله‌ی تایکنر پیشرفت‌های جدیدی در علم آئروژل و فناوری ساخت آن حاصل شد و پژوهش‌گران زیادی به مطالعه در این زمینه روی آوردند. به دلیل انجام مطالعات، تحقیقات و اقدامات صنعتی و نیمه صنعتی که در دهه 70 و 80 بر روی آئروژل‌ها صورت گرفت، این دوره را عصر رنسانس آئروژل نامیدند. [15].
این مواد جایگاه خود را به عنوان مواد جامدی با چگالی و رسانایی گرمایی پایین به‌دست آوردند. پایین‌ترین چگالی آئروژل تولید شده 1/0 میلیگرم بر سانتیمتر مکعب است، تا حدی که نمونه می‌تواند در هوا شناور بماند. گرچه برای ساخت جامد آئروژل مواد بسیاری می‌توانند استفاده شوند ولی آئروژل‌های 2SiO متداول‌ترند. البته می‌توان با واردکردن مواد مختلف در ساختار آئروژل در حین فرآیند ژل شدن، به بهبود ویژگی‌های نمونه‌های نتیجه شده کمک کرد [16].
آئروژل‌ها را می‌توان به عنوان یک ماده منحصر به فرد در زمینه فناوری سبز در نظر گرفت. هشدار جهانی، تهدید آیندهی محیط زیست توسط گاز‌های گلخانهای تولید شده بهدست بشر را تأیید می‌کند. آیندهی انرژی‌های قابل دسترس به خاطر کمشدن منابع نفتی و حتی افزایش تقاضا برای محصولات نفتی، در خطر است. آئروژل‌ها بارها و بارها به افزایش بازدهی برخی ماشین‌ها و سیستم‌ها و کمک به کاهش مصرف انرژی یاری رسانده‌اند. همچنین آئروژل‌ها می‌توانند آلاینده‌های آب را بیرون بکشند و با گرفتن ذرات مضر قبل از ورود به اکوسیستم، سبب تخریبنشدن محیط زیست شوند. دانشمندان دریافتند که این فناوری برای تجدید و حفاظت از انرژی به توسعهی بیشتری نیاز دارد [17].
2-2 شیمی سطح آئروژلسیلیکا آئروژل حاوی ذرات نانومتری هستند. این ترکیبات دارای نسبت سطح به حجم بالا و مساحت سطح ویژهی زیادی هستند. شیمی سطح داخلی در آئروژل‌ها نقش اساسی را در بروز رفتار‌های بی‌نظیر فیزیکی و شیمیایی آن‌ها، ایفا می‌کند. ماهیت سطح آئروژل‌ها تا حد زیادی به شرایط تهیهی آن‌ها بستگی دارد. انتخاب فرآیند مربوط به ترکیبات شیمیایی و ویژگی‌های مورد نظر مشخص برای نانوذرات وابسته است. دو روش پایه برای تولید نانوذرات استفاده می‌شود:
روش از بالا به پایین
اشاره به خردکردن مکانیکی مواد با استفاده از فرآیند آسیابکاری دارد. در این فرآیند مواد اولیه به بلوک‌های پایهی بیشتری شکسته می‌شوند.
روش پایین به بالا
اشاره به ساخت سیستم پیچیده به وسیله ترکیب اجزای سطح اتم دارد. در این فرآیند ساختارها به وسیله فرآیندهای شیمیایی ساخته می‌شوند.
روش پایین به بالا بر پایه ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اتمی یا مولکولی خود تنظیم می‌شوند. این روش به دلیل ساختار پیچیده اتم یا مولکول، کنترل بهتر اندازه و شکل آن‌ها انتخاب شد. روش پایین به بالا شامل فرآیندهای آئروسل، واکنش‌های بارش و فرآیند سل-ژل است [18].
مرحله اول ساختن آئروژل تولید ژل خیس است که بهترین روش برای ساخت آن استفاده از پیشماده الکوکسید سیلیکون، مانند TEOS است. شیمی ساخت Si(OCH2CH3)TEOS است که با اضافه کردن آب، واکنش شیمیایی زیر صورت می‌گیرد [19] :
Si(OCH2CH3)4(liq)+2(H2O)(liq)→SiO2solid+4(HOCH2CH3)liq
اتم سلیکون به دلیل داشتن بار جزئی مثبت کاهشیافته (+) نسبت به دیگر انواع آئروژل بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت. در Si(OEt)+ حدود 32/0 است. این بار مثبت جزئی کاهش یافته، روند ژل شدن پیشماده سیلیکا را آهسته می‌کند.
پیشمادهی الکوکسید M(OR) هستندکه اولین بار توسط امبلن برای سنتز سیلیکا آئروژل استفاده شد. در این ترکیب M نشان دهندهی گروه فلزی، OR گروه الکوکسید و R تعیینکنندهی گروه الکلی هستند. الکوکسیدها معمولا در محلول منبع الکلی خود موجود هستند و امکان خشک کردن این ژل‌ها را در چنین محلول‌هایی فراهم می‌کند [20].
اگر آئروژل از طریق خشک کردن به وسیله الکل تهیه گردد، گروه‌های آلکوکسی (OR) تشکیل دهنده سطح آن است و در این سطح آئروژل خاصیت آبگریزی پیدا می‌کند. اگر تهیه آئروژل از طریق فرآیند دی اکسید کربن باشد آنگاه سطح آئروژل را گروه‌های هیدروکسید (OH) فرا می‌گیرد و خاصیت آب‌دوست پیدا خواهدکرد و مستقیما می‌تواند رطوبت هوا را جذب نماید. البته با حرارت دادن می‌توان رطوبت جذب شده را از ساختار آئروژل حذف نمود. شکل 1-2 به خوبی خاصیت آب‌دوست و آبگریزی را در ساختار آئروژل‌های با گروه‌های عاملی مختلف نشان می‌دهد [21].

شکل 2-1 برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگریز، ب) آئروژل آب‌دوست [18].
2-3 تئوری فیزیکیاتصال شبکه نانو مقیاس سیلیکای جامد آئروژل‌های پایه سیلیکا، ویژگی‌های منحصر به فردی را به آن‌ها می‌دهد. کسر یونی پیوند کووالانت قطبی برای اکسیدهای فلزی مختلف از رابطهی زیر نتیجه می‌شود:
Fionic=1-exp⁡(-0.25 XM-XO2)که XO و XM الکترون‌خواهی O و M را نشان می‌دهد. 2SiO مقدار Fionic 54/0 دارد که طیف مقدار زاویه Si-O-Si را گسترده کرده و شبکه تصادفی را می‌دهد. چهار اکسید دیگر زاویه یونی بزرگ‌تر و مقدار کوچک‌تر زاویه پیوند را سبب می‌شوند. به این معنی که پیوند تصادفی فقط روی ماکرومقیاس‌های بیشتر با ذرات کلوییدی بزرگ‌تر و متراکم‌تر اتفاق می‌افتد، در این صورت، ژل به جای شکلگرفتن شبکهی تصادفی اتصالات به صورت ذره تشکیل می‌شود [14]. شبکهی اتصالات سیلیکا برای وزن نسبی‌اش یک جامد محکم را ایجاد می‌کند.
2-4 خاصیت مغناطیسی مواد2-4-1 منشأ خاصیت مغناطیسی موادیکی از مهمترین ویژگی‌های مواد، خاصیت مغناطیسی آن‌هاست که از زمآن‌های نسبتا دور مورد توجه بوده و هم اکنون نیز در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی قرار گرفته است.
منشأ خاصیت مغناطیسی در جامدها، الکترون‌های متحرک می‌باشند. گرچه بعضی از هسته‌های اتمی دارای گشتاور دو قطبی مغناطیسی دائمی هستند ولی اثر آن‌ها چنان ضعیف است که نمی‌تواند آثار قابل ملاحظه‌ای داشته باشد؛ مگر در تحت شرایط خاص مانند اینکه نمونه در زیر دمای یک درجهی کلوین قرار گیرد یا وقتی که تحت میدان الکترومغناطیسی با بسامدی قرار گیرد که حرکت تقدیمی هسته را تشدید نماید. در بدو ظهور نظریات مغناطیس آزمایش‌های زیادی نشان داد که اندازه حرکت زاویهای کل یک الکترون و گشتاور مغناطیسی وابسته به آن بزرگ‎تر از مقداری است که به حرکت انتقالی آن نسبت داده می‌شد. بنابراین یک سهم اضافی که از خصوصیت ذاتی با یک درجه آزادی داخلی ناشی می‌شد، به الکترون نسبت داده شد و چون این خصوصیت دارای اثر مشابه چرخش الکترون حول محورش بود اسپین نامیده گردید [22].
2-4-2 فازهای مغناطیسیبه طورکلی مواد در میدان مغناطیسی خارجی رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند و با توجه به جهت‌گیری مغناطش، به پنج گروه تقسیم می‌شوند که به بیان آن‌ها می‌پردازیم.
2-4-2-1 مواد دیامغناطیسدر این مواد الکترون‌ها به صورت جفت بوده و اتمها دارای گشتاور مغناطیسی دائمی نیستند و با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می‌شوند و آن را تضعیف می‌کند. پذیرفتاری مغناطیسی χ چنین موادی منفی و خیلی کم است. خاصیت دیامغناطیس ظاهراً در تمام انواع مواد یافت می‌شود، اما اثر آن غالباً به وسیله‌ی آثار قویتر پارامغناطیس یا فرومغناطیس که می‌توانند با این خاصیت همراه باشند، مخفی می‌شود. خاصیت دیامغناطیسی خصوصاً در موادی بارز است که کلاً اتمها یا یونهایی با پوسته‌های بسته‌ی الکترونی تشکیل شده باشند، زیرا در این مواد تمام تأثیرات پارامغناطیسی حذف می‌شوند.
2-4-2-2 مواد پارامغناطیسمواد پارامغناطیس، موادی هستند که برخی از اتمها یا تمامی آن‌ها گشتاور دو قطبی دائمی دارند، به عبارت دیگر گشتاور دو قطبی در غیاب میدان مغناطیسی، غیرصفر است. این دو قطبیهای دائمی رفتاری مستقل از هم داشته که در نهایت جهت‌گیری تصادفی دارند و در میدان‌های کوچک رقابتی بین اثر هم‌خط‌سازی میدان و بی‌نظمی گرمایی وجود دارد، اما به طور متوسط تعداد گشتاورهای موازی با میدان بیشتر از گشتاورهای پادموازی با میدان است. پذیرفتاری در این مواد مثبت است و با افزایش دما، که در اثر آن بی‌نظمی گرمایی زیاد می‌شود، کاهش مییابد. منگنز، پلاتین، آلومینیوم، فلزخاکی قلیایی و قلیایی خاکی، اکسیژن و اکسید ازت از جمله مواد پارامغناطیس‌اند.
2-4-2-3 مواد فرومغناطیس
در برخی از مواد مغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی کوچک به طور خودبهخود با گشتاورهای مجاور خود هم‌خط می‌شوند. اینگونه مواد را فرومغناطیس می‌نامند. در عمل، همه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی مغناطیسی در یک راستا قرار ندارند، بلکه این مواد از حوزه‌های بسیار کوچکی با ابعاد خیلی کمتر از میلیمتر تشکیل شده‌اند، به طوری که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه با حوزه‌های مجاور آن تفاوت دارد.
ممکن است سمتگیری و اندازه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی فرو مغناطیس به گونه‌ای باشد که در کل اثر یکدیگر را خنثی کنند و ماده در مجموع فاقد مغناطش است. اعمال میدان مغناطیسی خارجی بر حوزه‌های مغناطیسی سبب می‌شود که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه تحت تأثیر میدان قرار گرفته و جهت آن‌ها در جهت میدان خارجی متمایل شود. علاوه بر این حوزههایی که با میدان همسویند، رشد میکنند، یعنی حجم آن‌ها زیاد می‌شود و در نتیجه، حوزه‌هایی که سمتگیری آن‌ها نسبت به میدان مناسب نیست کوچک می‌شوند، مرز بین این حوزه‌ها جابجا می‌شود و در نتیجه ماده در مجموع خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند . پذیرفتاری مغناطیسی این مواد مثبت است. آهن، کبالت، نیکل و چندین عنصر قلیایی خاکی جز فرومغناطیس‌ها می‌باشند [23].
مواد فرومغناطیس دارای چند مشخصه‌ی اصلی به صورت زیر می‌باشند:
الف) مغناطش خودبه‌خودی و مغناطش در حضور میدان
ب) حساسیت مغناطش به دما
ج) مغناطش اشباع
د) منحنی پسماند
2-4-2-4 مواد پادفرومغناطیس
در مواد پادفرومغناطیس گشتاورهای مغناطیسی مجاور به صورت موازی، برابر و غیرهم راستا جهتگیری
می‌کنند. این مواد در غیاب میدان مغناطیسی دارای گشتاور صفرند. کروم و اکسیدهای آن ، جز مواد پادفرومغناطیس می‌باشند. چنین موادی معمولاً در دماهای پایین پادفرومغناطیساند. با افزایش دما ساختار نواحی مغناطیسی شکسته شده و ماده پارامغناطیسی می‌شود. این رفتار در مواد فرومغناطیس نیز اتفاق می‌افتد به این ترتیب که در این مواد پذیرفتاری مغناطیسی مواد مغناطیسی با افزایش دما به تدریج کاهش می‌یابد تا زمانی که ماده پادفرومغناطیس شود .
پذیرفتاری مغناطیسی این مواد عدد مثبت بسیار کوچک و نزدیک به صفر است. به دمایی که در آن ماده از حالت پادفرومغناطیس به فرومغناطیس گذار می‌کند، دمای نیل می‌گویند.
χ= CT+TN
که C ثابت کوری و TN دمای نیل است.
2-4-2-5 مواد فریمغناطیس
فریمغناطیس شکل خاصی از پادفرومغناطیس است که در آن گشتاورهای مغناطیسی در جهت موازی و عکس یکدیگر قرار گرفته‌اند، اما با یکدیگر برابر نیستند و به صورت کامل یکدیگر را حذف نمی‌کنند. در مقیاس ماکروسکوپی، مواد فریمغناطیس همانند فرومغناطیس بوده و دارای مغناطش خودبه‌خودی در زیر دمای کوری بوده و دارای منحنی پسماند می‌باشند[23و24]. شکل 2-2 فازهای مغناطیسی را نشان می‌دهد.

شکل 2-2 فازهای مغناطیسی، الف) پارامغناطیس، ب) فرومغناطیس، ج) پادفرومغناطیس، د) فری مغناطیس [24].
دو خاصیت مهم و کلیدی مواد مغناطیسی دمای کوری و هیستروسیس مغناطیسی است. جفت شدگی ‏تبادلی و بنابراین انرژی تبادلی هیسنبرگ مستقیماً با دمای کوری ‏‎(Tc)‎‏ مواد فرو و فریمغناطیس در ‏ارتباط است. در کمتر از دمای ‏Tc، ممان مغناطیسی همان جهت بلوروگرافی ویژه‌ی محور صفر این ‏مواد است. این محور در ‏نتیجه‌ی جفت‌شدگی این اسپین الکترون و ممنتوم زاویهای اوربیتال الکترون ایجاد می‌شود.
‏از آنجایی که مواد فرومغناطیسی مواد جالبی بر حسب کاربردهایشان هستند، خواص آن‌ها باید به ‏طور کمی اندازه‌گیری شود و حلقهی پسماند خواص مغناطیسی جالبی را در این مواد آشکار ‏می‌کند. یک حلقه‌ی پسماند را می‌توان با قراردادن نمونه در یک مغناطیس‌سنج و پاسخ ماده ‏‎(M,)‎‏ ‏به میدان مغناطیسی اعمالی ‏‎(H)‎‏ اندازه‌گیری کرد. چندین کمیت ممکن است از روی حلقه‌ی پسماند ‏به‌دست آید. ‏
اشباع مغناطیسی ‏‎(Ms)‎‏ یا اشباع مغناطیسی ویژه (‏s‏) مواردی‌اند که مقدار مغناطیسشدگی را وقتی ‏که همه دوقطبی‌ها در جهت میدان مغناطیسی اعمالی مرتب شده‌اند نشان می‌دهد.‏
مغناطیس باقیمانده ‏‎(Mr)‎‏ مغناطیسشدگی نمونه در میدان مغناطیسی صفر است و نیروی ‏بازدارندگی ‏‎(Hc)‎، نیرویی از میدان مغناطیسی است که برای تغییر مغناطیسشدگی باقیمانده نیاز است. ‏تغییر بایاس میدان ‏‎(HE)‎، مقدار جابجایی از مرکز حلقهی پسماند را نشان می‌دهد.‏
2-4-5 حلقه پسماندوقتی به یک ماده مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطش محیط سریع افزایش می‌یابد، با افزایش مقدار میدان اعمالی، شتاب افزایش و مغناطش کاهش می‌یابد، این کاهش شتاب ادامه می‌یابد تا مغناطش به مقدار اشباع خود Ms برسد [25].
تغییرات مغناطش مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند، بلکه به خاطر ناهمسانگردی مغناطیسی در محیط، مقداری انرژی را در خود ذخیره می‌کنند. بنابراین وقتی میدان اعمالی در محیط صفر شود، مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطش پسماند Mr گفته می‌شود. با کاهش بیشتر میدان به سمت مقادیر منفی، خاصیت مغناطیسی القا شده به تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک مقدار منفی خواص مغناطیسی ماده کاملا از بین می‌رود. این میدان مغناطیس‌زدا را با Hc نشان می‌دهند و به نیروی ضد پسماند یا وادارندگی مغناطیسی معروف است. پسماند یا نیروی وادارنده عبارتست از میدان معکوسی که برای کاهش مغناطش به صفر نیاز است. با کاهش بیشتر شدت میدان، القای مغناطیسی منفی می‌شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه پسماند را مطابق شکل 2-3 کامل می‌کند. مغناطیس‌های دائمی غالبا در ربع دوم حلقه پسماند خود، مورد استفاده قرار می‌گیرند [26].

شکل 23 حلقه پسماند ماده فرو مغناطیس [26].
مواد مغناطیسی از نظر رفتار آن‌ها در میدان مغناطیس دو گروه تقسیم می‌شوند:
الف) مواد مغناطیس نرم
مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک به راحتی مغناطیده می‌شود و با قطع میدان سریعاً گشتاور مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایین، اشباع مغناطیسی بالا و گشتاور پسماند پایین هستند.
مواد مغناطیس نرم در جاهایی که به تغییر سریع گشتاور مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی کوچک نیاز است مانند موتورها، حسگرها، القاگرها و فیلترهای صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ب) مواد مغناطیس سخت
مواد مغناطیس سخت موادی‌اند که به راحتی مواد مغناطیس نرم، مغناطیده نمی‌شوند و به میدان مغناطیسی اعمالی بزرگ‌تری جهت مغناطیده کردن آن‌ها نیاز است. این مواد گشتاور مغناطیسی را تا مدت‌ها پس از قطع میدان حفظ می‌کنند. همچنین دارای اشباع مغناطیسی، گشتاور پسماند و نیروی وادارندگی بالایی هستند. ساخت یا پخت این مواد در میدان مغناطیسی، ناهمسانگردی مغناطیسی را در این مواد افزایش می‌دهد که حرکت دیواره حوزه‌ها را سخت‌تر می‌کند و نیروی وادارندگی را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند تولید مادهی سخت مغناطیسی بهتری را تضمین کند. کاربرد این مواد در آهن‌رباهای دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است [26].

شکل 24 حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس نرم و سخت[26].
2-5 فریتفریت به آن دسته از مواد مغناطیسی اطلاق می‌شود که جزء اصلی تشکیل دهندهی آن‌ها اکسید آهن است و دارای خاصیت فریمغناطیس می باشند (آرایشی از فرومغناطیس) و پارامترهای مغناطیسی مطلوبی نظیر ضریب نفوذپذیری مغناطیسی بالا از جمله اصلی‌ترین خصیصه‌های آن‌ها به شمار می‌رود. بدین جهت کاربردهای بسیار وسیعی را در زمینه صنایع برق، الکترونیک، مخابرات، کامپیوتر و… به خود اختصاص داده‌اند.
یکی از انواع فریت‌ها نوع اسپینلی آن است، فریت‌های اسپینلی با فرمول عمومی 2-o2+A3+B که در آن 2+A و 3+B به ترتیب کاتیون‌های دو و سه ظرفیتی می‌یاشند.
فریت‌ها دارای خاصیت فریمغناطیس می‌باشند نظم مغناطیسی موجود در فریمغناطیس‌ها ناشی از برهم‌کنش‌های دو قطبی‌های مغناطیسی نیست بلکه ناشی از برهم‌کنش تبادلی است در برهمکنش تبادلی هم‌پوشانی اوربیتال‌های اتمی مد نظر می‌باشد در فریت‌ها برهم‌کنش تبادلی ناشی از هم‌پوشانی الکترون‌های اوربیتال d3 یون‌های A و B و الکترون‌های اوربیتالP 2 یون‌‎های اکسیژن است. و قدرت این بر‌هم‌کنش تبادلی است که خاصیت مغناطیسی نمونه را رقم می‌زند.
2-6 خلاصهدر این فصل به شیمی آئروژل و دو روش بالا به پایین و پایین به بالای تولید نانوذرات اشاره شد. سپس خاصیت مغناطیسی مواد و فاز‌های مغناطیسی ممکن برای مواد مغناطیسی بررسی شد. پس از آن توضیح کوتاهی در مورد حلقهی پسماند و موارد قابل اندازه‌گیری از آن گفته شد و در نهایت مختصری از مواد فریتی بیان گردید.
فصل سومساخت آئروژل و کاربردهای آن19509215088990
مقدمهسیلیکا آئروژل‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد، هم در علم و هم در تکنولوژی توجه زیادی را به خود اختصاص داده‌اند. آئروژل‌ها از پیشماده مولکولی با روش‌های مختلف و تکنیک‌های خشک کردن متفاوت برای جایگزینی منافذ مایع با گاز همراه با حفظ شبکهی جامد، تهیه می‌شوند. [27]
علی‌رغم تمامی تلاش‌های قابل توجهی که در این زمینه صورت گرفته است، چالش‌های اصلی تحت کنترل عوامل یکنواختی(همگنی)، بارگذاری، اندازه و توزیع نانوذرات در شبکه‌ی میزبان آلی باقی ماندهاست، در عوض این شبکه‌ی میزبان به طور مستقیم ویژگی‌های الکتریکی، نوری، مغناطیسی و کاتالیزوری مواد نانوکامپوزیت را حفظ می‌کند.
3-1 سنتز آئروژل با فرآیند سل-ژلتفاوت در ویژگی‌های شیمیایی پیش‌ماده‌ها برای فاز نانو (معمولاً نمک فلزی) و برای ماتریس آلی (عموماً الکوکسید‌ها) موضوع مهمی هستند، چرا که پارامترهای فرآیند سل-ژل بر روی هیدرولیز و چگالش هر کدام از این پیشماده‌ها تأثیر متفاوتی دارد [28]. هر چند این موضوع مساله‌ی مهمی در طراحی هر نانوکامپوزیت سل-ژل است اما در رابطه با آئروژل‌ها حیاتی‌تر می‌باشد، زیرا نیازمند جایگزین شدن حلال موجود در ژل (معمولاً اتانول یا متانول در الکوژل و آب در آکوژل) با تغییر حلال و در نهایت حذف کردن به وسیلهی استخراج حلال فوق بحرانی است. مرحله خشک کردن فوق بحرانی، بسته به این که الکل یا کربن دی اکسید به صورت فوق بحرانی تخلیه شود (به ترتیب نیازمند حرارتی در حدود 350 و 40 درجهی سانتیگراد است). این مرحله مسائل دیگری درباره حلالیت پیشماده‌ها و پایداری حرارتی در شرایط خشک کردن فوق بحرانی را مطرح می‌کند [29]. استراتژی‌های مختلف اتخاذ شده برای سنتر نانوکامپوزیت‌های آئروژل، بسته به اینکه فاز نانو (یا پیش‌مادهی آن) در حین یا بعد از فرآیند سل-ژل اضافه شود، دو رویکرد کلی دارند.
روش اول شامل هیدرولیز و ژل شدن نانوذرات و ماتریس پیشماده و ژل شدن ماتریس پیش‌ماده به همراه شکل‌گیری نانوذرات است. مزیت این روش تولید موادی با بارگذاری نانوذرات قابل کنترل است. از طرفی، چندین اشکال در مورد آن مطرح است. برای بهدست آوردن ژل دارای چند ترکیب همگن شرایط سنتز باید به صورت دقیق انتخاب شود و پیشماده‌های نانوذرات و همچنین عوامل پوشش دهی موردنیاز در شکل‌گیری نانوذرات کلوئیدی ممکن است بر سنتز سل-ژل ماتریس تأثیر بگذارد.
روش دوم شامل روش‌های مبتنی بر اضافه کردن فاز نانو بعد از فرآیند سل-ژل است و باید ساختار متخلخل و مورفولوژی ماتریس را حفظ کند. این روش‌ها شامل تلقیح فاز نانو با اشباع، ته‌نشینی و روش رسوبگذاری بخار شیمیایی می‌باشد. طرح‌واره روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت آئروژل در شکل 3-1 نشان داده شده است.
هرچند این روشها نیز دارای دو اشکال عمده هستند: یکی همگنی ضعیف ترکیب نانوکامپوزیت تولیدشده، دیگری ترد و شکننده بودن آئروژل‌ها. اتصال فلز در یک ماتریس با گروه‌های هماهنگ اصلاح شده است و غوطه‌ور کردن الکوژل و آکوژل در محلول قبل از خشک کردن فوق بحرانی، به ترتیب به عنوان راهحلهایی برای غلبه بر کاستی‌های گفته شده است. رسوب نانوذرات از فاز بخار، بر خلاف روش‌های تلقیح مرطوب، ماتریس متخلخل را تغییر نمیدهد و تضمین میکند که فاز مهمان در سراسر ماتریس توزیع خواهد شد [30].

شکل 3-1 طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت [33].
3-2 شکل‌گیری ژل خیسژل‌های سیلیکا به طور عمومی با هیدرولیز و واکنش چگالش پیشماده سیلیکا به‌دست می‌آیند. ماتریس سیلیکای نهایی متخلخل است و حفره‌های ژل با حلال جانبی هیدرولیز و واکنش پلیمریزه شدن پر شده است. اگر ترکیب محلول بهتواند از ژل خیس بدون سقوط قابل ملاحظه ساختار خارج شود، آئروژل شکل می‌گیرد [31].
روش سل-ژل شامل یک یا چند پیشماده سیلیکون است که متداول‌ترین آن‌ها TEOS و TMOS می‌باشند و داراری چهار گروه الکوکسید شناخته شده در آرایش چهار وجهی در اطراف اتم سیلیکون مرکزی است. واکنش هیدرولیز در چهار جهت اتفاق می‌افتد و منجر به پیوند Si-O-Si می‌شود و یک مادهی کپهای که ترکیبی از 2SiO را می‌دهد. اگر یکی از شاخه‌های الکوکسید اتم سیلیکون توسط گروه عاملی مختلفی که قادر نیست تحت واکنش چگالش قرار گیرد، جایگزین شود گروه عاملی با پیوند کووالانسی به اتم سیلیکون درون ماتریس ژل باقی خواهد ماند. الکوکسیدهای فلزی به راحتی با آب واکنش می‌دهد و بر حسب میزان آب و حضور کاتالیست، عمل هیدرولیز ممکن است کامل انجام شود.
ملکول‌های شکلگرفته آلی-فلزی به مرور زمان بزرگ می‌شوند و به صورت یک ساختار پیوسته در داخل مایع در می‌آیند. این ساختار پیوسته که حالت الاستیک دارد، ژل گفته می‌شود [32].
به طور کلی شکل‌گیری محلول پایدار الکوکسید یا پیشماده‌های فلزی حل شده مرحله اول فرآیند تهیه آئروژل است. این محلول همگن به‌دست آمده در مرحله دوم به علت وجود آب هیدرولیز شده و سل یکنواختی را ایجاد می‌کند. در مرحله سوم واکنش بسپارش ادامه پیدا می‌کند تا سل به ژل تبدیل شود. این مرحله، پیرسازی نیز گفته می‌شود. پس از آن مرحلهی نهایی که خشک کردن است باقی می‌ماند.
3-3 خشک کردن آلکوژلبعد از شکل‌گیری ژل توسط هیدرولیز و واکنش چگالش، شبکه Si-O-Si شکل می‌گیرد. بخش پیرسازی به تشدید شبکه ژل اشاره دارد؛ ممکن است چگالش بیشتر، تجزیه، و ته‌نشینی ذرات سل یا تبدیل فاز داخل فاز جامد یا مایع صورت گیرد. این نتایج در یک جامد متخلخل که حلال در آن گیر افتاده است اتفاق می‌افتد. فرآیند حذف حلال اصلی از ژل (که معمولاً آب و الکل است) را خشککردن می‌گویند. در طول فرآیند خشککردن، ترکخوردگی اتفاق می‌افتد به این دلیل که نیروی مویینگی در گذار مایع-گاز در داخل منافذ ریز وجود دارد. معادله لاپلاس در اینجا به کار می‌رود، هر چه شعاع مویینگی کوچک‌تر باشد، ارتفاع مایع بیشتر و فشار هیدروستاتیک بالاتر خواهد بود. هنگامی که انرژی سطح باعث بالا رفتن ستون مایع داخل مویرگ‌ها می‌شود، مقدار فشار سطحی داخل مویرگ قابل محاسبه است.
قطر حفره در ژل از مرتبهی نانومتر است، به طوری که مایع ژل فشار هیدروستاتیک بالایی را باید اعمال کند. هلال داخل حفره‌ها و نیروهای کشش سطحی سعی می‌کند تا ذرات را به عنوان مایع در حفره‌ها تبخیر کند. این نیروها می‌توانند به گونه‌ای عمل کنند که باعث سقوط حفره و ساختار شوند. بنابراین ژل‌ها با حفره‌های ریز زیاد تمایل به انقباض و ترک خوردن دارند [33]. سل ژلهایی که شیمی سطح آن‌ها اصلاح نشده (شکل3-2) و در شرایط محیط خشک شدند به علت این فروپاشی منافذ تا حدود یک هشتم حجم اولیهی خود کوچک میشوند؛ ماده حاصل زیروژل نامیده میشود. اگر این فرآیند خشککردن به آرامی رخ دهد، زیروژل یکپارچه سالم میتواند تولید شود. اما برای تولید یک آئروژل، باید از عبور از مرز فاز بخار-مایع اجتناب کرد.

شکل 3-2 اصلاح شیمی سطح ژل [34].
روشهای کنونی برای پرهیز از فروپاشی منافذ درساخت آئروژل را میتوان در سه تکنیک کلی دستهبندی کرد. هرکدام از این تکنیکها طراحی شدهاند تا نیروهای مویینگی ناشی از اثرات کشش سطحی را کاسته و یا حذف نمایند. این تکنیکها الف) خشک کردن در شرایط محیط پس از اصلاح سطح، ب) خشک کردن انجمادی و ج) خشک کردن فوق بحرانی است [34]. توضیح کلی درباره هرکدام از این تکنیکها در ادامه آمده است.
3-3-1 فرآیند‌های خشککردن در شرایط محیطاین تکنیکهای خشک کردن طراحی شدهاند تا ژل خیس را در فشار محیط خشک کنند. این روشها نیازمند فرآیندهای شیمیایی با تعویض طولانی مدت حلال برای کاهش نیروهای مویینگی وارد بر نانوساختار یا برای افزایش توانایی نانوساختار در تحمل این نیروهاست (یا با قویتر کردن ساختار و یا با منعطف‌تر ساختن آن). تغییر شیمی سطح ژل خیس بر پایه TEOS برای ارتقاع انقباض قابل برگشت با استفاده از تبادل حلال با هگزان به وسیله اصلاح سطح با فرآیند کاهش گروه سیلانولی با TMCS [35و36]. همچنین استفاده از پیری ژل در محلول الکل یا الکوکسید برای سفت شدن میکرو ساختار به منظور جلوگیری از فروپاشی منافذ است [37]. به علاوه ترکیبکردن شاخه‌های متقاطع سیلیکا آئروژل است که می‌تواند نیروهای مویینگی در حین خشک کردن تحت فشار محیط را تحمل نماید [38].
3-3-2 خشککردن انجمادیخشککردن انجمادی یک ژل خیس منجر به تولید کریوژل میشود. خشککردن انجمادی باعث تولید پودر آئروژل کدر می‌شود [39]. این تکنیک حلال اضافی را با تصعید حذف میکند. ژل خیس منجمد میشود و سپس حلال در فشار پایین تصعید میشود [40]. میکروبلور‌های منجمد که حین فرآیند خشککردن انجمادی شکل می‌گیرند منجر به آئروژل‌های ماکروحفره‌تری در مقایسه با روش استخراج فوق بحرانی میشوند [41].
3-3-3 خشک کردن فوق بحرانیروشهای استخراج فوق بحرانی از مرز بین مایع و بخار با بردن حلال به بالاتر از نقطه فوق بحرانی آن اجتناب می‌کند و سپس از ماتریس سل-ژل به عنوان یک مایع فوق بحرانی حذف می‌شود. در این حالت هیچ مرز مایع-بخاری وجود ندارد، بنابراین هیچ فشار مویینگی دیده نمی‌شود. شکل 3-3 چرخه فشار-دما در طول فرآیند فوق بحرانی را نشان می‌دهد. در عمل انواع متعددی از روشهای استخراج فوق بحرانی وجود دارد که شامل تکنیک‌هایی با دمای بالا، دمای پایین و سریع است.

شکل 3-3 چرخه فشار-دما در حین فرآیند خشک کردن فوق بحرانی [42].
تکنیک‌های استخراج فوق بحرانی الکل دمای بالا، ژل خیس را به حالت فوق بحرانی حلال (معمولاً متانول یا اتانول) در یک اتوکلاو و یا هر مخزن فشار دیگری می‌برد. این مستلزم فشارهای بالا حدود Mpa 8 و دماهای بالا حدود 260 درجهی سانتیگراد می‌باشد [42]. شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشککن فوق بحرانی اتوکلاو را نشان می‌دهد.

شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو [42].
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی دمای پایین بر اساس استخراج 2CO است که دمای نقطه بحرانی پایین‌تری نسبت به مخلوط الکل باقیمانده در منافذ سل-ژل بعد از پلیمریزاسیون دارد. این روش به تبادل حلال به طور سری نیازمند است، ابتدا حلال غیرقطبی و سپس با کربن دیاکسید مایع پیش از استخراج فوق بحرانی که می‌تواند در نقطه فوق بحرانی 2CO اتفاق بیافتد [43]. مزایای این تکنیک دمای بحرانی پایین‌تر و حلال پایدارتر است؛ هرچند مراحل اضافه شده به فرآیند سبب طولانی‌تر شدن زمان آمادهسازی آئروژل می‌شود. از آنجائیکه فشار بحرانی مورد نیاز نسبت به روشهای فوق بحرانی دما بالا تغییری چندانی ندارد (فشار بحرانی 2CO مشابه متانول و اتانول است)، این فرآیند نیز نیاز به استفاده از مخازن فشار دارد. به علاوه روند انتشار تبادل حلال وابسته به اندازهی ژل است.
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی سریع از یک قالب محدود استفاده می‌کند، چه در مخزن فشار و چه در یک فشار داغ هیدرولیک قرار بگیرند. این تکنیکها فرآیندهای تک مرحله‌ای پیش‌ماده به آئروژل هستند و آئروژل را در کمتر از 3 ساعت بهدست می‌آورند. در این روش پیشماده‌های شیمیایی مایع و کاتالیست در یک قالب دو قسمتی ریخته می‌شوند سپس به سرعت گرم می‌شوند [44]. در ابتدا فشار با بستن دو بخش قالب با هم یا با اعمال فشار هیدروستاتیکی خارجی به جای مخازن فشار بزرگ‌تر یا با ترکیبی از این دو تنظیم می‌شود. زمانیکه نقطه فوق بحرانی الکل فرارسید، اجازه داده میشود تا مایع فوق بحرانی خارج شود [45]. برای مثال گوتیه و همکارانش [46] در روند انجام این فرآیند از یک فشار داغ هیدرولیکی برای مهروموم کردن و گرم کردن قالب حاوی مخلوط پیشماده آئروژل استفاده کردند. مخلوط مایع از پیشماده‌های آئروژل در یک قالب فلزی ریخته شد و سپس در فشار داغ قرار گرفت. در طول اجرا، فشار داغ برای مهروموم کردن ترکیب به جای قالب استفاده شد و یک نیروی باز دارندهی فشاری را فراهم کرد. سپس قالب و مخلوط به بالای دما و فشار فوق بحرانی متانول برده شد. در مدت زمان این فرآیند گرم کردن، پیشمادههای آئروژل واکنش نشان داده و یک ژل خیس نانوساختاری متخلخل را تشکیل داد. زمانیکه به حالت بحرانی رسید، فشار کاهش داده شد و مایع فوق بحرانی رها شد.
3-3-4 مقایسه روش‌هاهر یک از روش‌های ساخت آئروژل شرح داده شده در بالا، نقاط قوت و محدودیت‌هایی دارند. مقایسه مستقیم تکنیک‌های مختلف خشک کردن به علت دستورالعمل‌های پیشماده متفاوت، شرایط ژل شدن مختلف، و زمان پیر سازی، به خوبی روش‌های استخراج متفاوت هستند. برای مثال خشککردن فوق بحرانی دما پایین نیاز به زمان پیرسازی کافی دارد، به طوری که ژل‌ها می‌توانند از ظرف اولیه برای استخراج و تبادل حلال خارج شوند.
در فرآیند خشککردن سریع، عموما زمان پیرسازی کوتاه است؛ گرچه، دمای بالا در این فرآیند اثر مشخصی را روی روند واکنش چگالش دارد.
مزیت اصلی تکنیک‌های خشک کردن در فشار محیط، عدم نیاز به تجهیزات فشار بالا می باشد که گران قیمت و به طور بالقوه خطرناک است؛ اگرچه به مراحل پردازش چندگانه با تبادل حلال نیاز دارند. تا به حال مطالعات اندکی در رابطه با استفاده از روش‌های خشککردن انجمادی شده است. این تکنیک‌ها نیاز به تجهیزات خاصی برای رسیدن به دمای پایین لازم برای تصعید حلال و منجر شدن به پودر آئروژل، دارند.
محدودیت اصلی تکنیکهای فوق بحرانی دما بالا، رسیدن به دماهای بالای مورد نیاز برای دست یافتن به نقطه بحرانی حلال الکل و نیز ملاحظات ایمنی در بکار بردن مخزن فشار در این شرایط است.
روش استخراج دما پایین به طور گسترده در تولید آئروژل‌های یکپارچه کوچک تا بسیار بزرگ استفاده شده است، اگرچه می‌تواند روزها تا هفته‌ها تولید آن طول بکشد و مراحل چندگانه تبادل حلال مورد نیاز، آن را تبدیل به فرآیندی پیچیده کند و اتلاف قابل ملاحظه‌ای از حلال و 2CO ایجاد می‌کند. تکنیک‌های خشککردن سریع ساده‌تر و سریع‌تر است. تمامی فرآیند، بر خلاف مراحل چندگانه و مقیاس‌های زمانی در ابعاد روزها و ماهها در سایر روش‌ها، در یک مرحله انجام شده و می‌تواند در چند ساعت تکمیل شود. همچنین این روش‌ها اتلاف کمتری را به وجود می‌آورند. یک ایراد روش‌های خشککردن سریع، نیاز به دما و فشار بالاست [47].
3-4 مروری بر کارهای انجام شدهاگرچه میدانیم که این گزارش‌های جامعی از مقالات مرتبط با نانوکامپوزیت‌های آئروژل نیست، اما تأکید بر این مطلب است که چگونه ترکیب نانوذرات ممکن است احتمال استفاده از آئروژل‌ها را به عنوان مواد جدید افزایش دهد و چگونه مسیر آماده سازی مورد اطمینان برای به‌دست آوردن نانوکامپوزیت‌های آئروژل برای کاربرد خاص را انتخاب نماییم.
پس از آنکه کیستلر در سال 1931 برای اولین بار بدون درهم شکستن ساختار ژل، فاز مایع را از آن جدا کرد، در سال 1938 به مطالعه روی رسانایی گرمایی آئروژل و در سال 1943 درباره سطح ویژه آن‌ها به مطالعه پرداخت [48]. بعد از آن حدود نیمقرن دانشمندان علاقه‌ای به آئروژل‌ها نشان ندادند تا در اویل 1980 آئروژل به عرصه پژوهش بازگشت.
در سال 1992تیلسون و هاربش از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا ژل استفاده کردند و از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشخصه‌یابی آن‌ها استفاده نمودند [49] و سپس هر ساله تحقیقات زیادی روی آئروژل‌ها صورت می‌گیرد.
در سال 2001 کاساس و همکارانش نانوکامپوزیت مغناطیسی را با ورود ذرات اکسید آهن در سیلیکا آئروژل میزبان سنتز کردند. این سنتز که به روش سل-ژل و با خشککردن فوق بحرانی متانول انجام شد، دو نمک آهن استفاده شد: O2H9.(3ON)Fe و O2H2.(EDTA)FeNa. در این پژوهش ارتباط واضحی بین پیشماده، آب و تخلخل و سطح ویژه آئروژل حاصل وجود داشت. استفاده از ترکیب EDTA به عنوان پیش‌مادهی نانوذرات، قطر میانگین حفره‌ها را افزایش داد، گرچه قابلیت حل پایین نمک EDTA در محلول یک مانع بزرگ برای رسیدن به آهن در این روش بود. مساحت سطح ویژه‌ی نمونه‌های کاساس بین /g2m 200 و /g2m 619 بهدست آمد و برخی نمونه‌ها رفتار پارامغناطیس و برخی دیگر رفتار مغناطیس نرم از خود نشان دادند [50].
در سال 2002 واگنر و همکارانش ذرات سیلیکا با هستهی مغناطیسی را با روش ته‌نشینی به‌دست آوردند [51]. و چند سال بعد در سال 2006 ژانگ و همکارانش ذرات پوسته‌ای هسته‌دار را با روش سل-ژل تهیه کردند. این ذرات شامل هستهی مغناطیسی فریت کبالت و پوستهی سیلیکا بودند که از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا استفاده کردند. پس از آنکه ژل‌ها به‌دست آمدند، در 110 درجهی سانتیگراد برای 4 ساعت در خلاء خشک شدند زیرا اگر در هوا خشک شوند احتمال ته‌نشینی بلور‌های اکسید وجود داشت. سپس به مدت 2 ساعت در دماهای مختلف برای به‌دست آوردن نانو بلور پراکنده در ماتریس سیلیکا حرارت داده شد. برای نمونه‌ی آن‌ها شکل‌گیری فاز فریت کبالت در دمای 800 درجهی سانتیگرادکامل شد و خوشه‌های فریت کبالت به سمت نانو بلوری شدن پیش رفتند، زمانی که برهم‌کنش بین خوشه‌های فریت کبالت با ماتریس سیلیکا شکسته شد پیوندهای Si-O-Fe ناپدید شدند. بر طبق گزارش آن‌ها اشباع مغناطیسی نانوکامپوزیت‌ها با افزایش غلظت بیشتر فریت در ماتریس افزایش یافت تا مقدار بیشینه emu/g 98/66 برای نمونه با نسبت مولی 1:1 (wt% 80 فریت کبالت) به‌دست آمد [52].
سیلوا و همکارانش در سال 2007 کامپوزیت ذرات فریت کبالت پخش شده در ماتریس سیلیکا را به روش سل-ژل تهیه کردند. آن‌ها از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا و از نیترات به عنوان پیش‌ماده فریت استفاده کردند. پس از گذشت زمان پیرسازی، نمونه برای 12 ساعت در 110 درجهی سانتیگراد خشک شدند و ذرات فریت کبالت در ماتریس سیلیکا شکل گرفتند. پس از آن عملیات حرارتی برای 2 ساعت در دماهای 300، 500، 700 و 900 درجهی سانتیگراد انجام شد که باعث افزایش در اندازهی ذرات شد. رسوب ذرات خوشه‌ای فریت در دیواره‌های منافذ زیروژل با افزایش دما بیشتر شد و در دماهای بالاتر از 700 درجهی سانتیگراد بلورهای بزرگ‌تر کبالت داخل منافذ ماتریس شکل گرفتند و افزایش در مغناطش اشباع و پسماند مغناطیسی را باعث شدند [53].
در همان سال فرناندز و همکارانش نانو کامپوزیت سیلیکا آئروژل/ آهن اکسید را با فرآیند سل-ژل و تبخیر فوق بحرانی حلال سنتز کردند. آن‌ها نمونه‌ها با پیشماده‌های TEOS و TMOS را با تبخیر فوق بحرانی اتانول و متانول خشک کردند. ذرات مغناطیسی با اندازهی متوسط nm 6 با TEOS و متانول سنتز شدند در حالی که فری‌هیدرات‌ها از TMOS و اتانول به‌دست آمدند. بعضی نمونه‌های آن‌ها رفتار ابر پارامغناطیس از خود نشان دادند [54].
دو سال بعد ژنفا زی و همکارانش نانوذرات فریت کبالت را به روش هم‌نهشت شیمیایی و خشک شدن در هوا در دمای80 درجهی سانتیگراد تهیه کردند. اندازهی قطر نانوذرات سنتز شده nm 20 تا nm 30 بود و دمای کوری در فرآیند افزایش دما کمتر از فرآیند کاهش دما بود. مقدار اشباع مغناطیسی این ذرات emu/g 77/61 بهدست آمد که نسبت که مقدار کپه آن کوچک‌تر بود. در این پژوهش مقدار پایین نیروی وادارندگی به دو دلیل اتفاق می‌افتد: ذرات فریت ممکن است ساختار چند دامنه داشته باشند. شکل‌گیری چند دامنه‌ها و حرکت دیوارهای دامنه می‌تواند کاهش دامنه را نتیجه دهد. همچنین اگر اندازهی بحرانی ذرات [55] بهدست آمده بزرگ‌تر از قطر میانگین ذرات باشد، رفتار تک دامنه را از خود نشان می‌دهند. آن‌ها گزارش کردند که کاهش وادارندگی نمونه‌ها به رفتار وابسته به اندازهی ذرات بستگی دارد [56].
بلازینسکی و همکارانش در پژوهشی که در سال 2013 انجام دادند، سیلیکا آئروژل را با روش سل-ژل و فرآیند فوق بحرانی تهیه کردند. آن‌ها دریافتند که روش خشک کردن فوق بحرانی مؤثرترین روش برای بهدست آوردن بهترین ویژگی این محصولات است. بدین منظور آن‌ها دستگاه خشک کن فوق بحرانی را برای خود ساختند که فشار و دما به طور دستی تنظیم می‌شد و مرحله مهم در آمادهسازی سیلیکا آئروژل‌ها بود. به این ترتیب آن‌ها سیلیکا آئروژل‌های شفاف با مساحت سطح ویژه بالا به‌دست آوردند [57].
در گزارشی دیگر در سال 2014 ساجیا و همکارانش پودر آمورف فریت کبالت را به روش سل-ژل تهیه کردند و این روش را بهترین روش تهیه نانوذرات عنوان کردند. آن‌ها دریافتند که عملیات حرارتی برای تجزیه کامل مقدار مواد آلی و نیترات حاضر در پودر آمورف لازم است. در این فرآیند برای جلوگیری از ته‌نشینی یا رسوبگذاری این واکنش اسید سیتریک به آن اضافه کردند و سپس مراحل خشک کردن و عملیات حرارتی انجام شد. پارامترهای عملیات حرارتی، مرحله نهایی در آماده‌سازی نانوذرات فریت کبالت بودند که بررسی شدند. ساختار اسپینل در همهی نمونه‌های آن‌ها شکل گرفته بود و هنگامی که ذرات شروع به رشد کردند ناخالصی‌ها حذف شد. ویژگی مغناطیسی مرتبط با رفتار فریمغناطیس این نمونه‌ها مقدار emu/g 62 برای اشباع مغناطیسی را نشان می‌دهد [58].
در جدیدترین پژوهشی که دربارهی آمادهسازی و ارزیابی نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/فریت در سال 2014 صورت گرفته است، کاتاگر و همکارانش نانوذرات فریت را به روش ته‌نشینی آماده کردند و سپس TMOS را به آن اضافه نمودند. برای این کار آن‌ها O2H6. 2NiCl، O2H6. 3FeCl و 2ZnCl را با اضافه کردن آب مقطر حل کردند. PH محلول در رفلاکس 110 درجهی سانتیگراد به مدت 24 ساعت 13 تنظیم شده بود. با حذف NaOH که برای PH اضافه شده بود، و شستن مکرر با آب مقطر و اتانول نانوذرات نتیجه شدند. بعد از بهدست آمدن نانوذرات به طور مستقیم به TMOS اضافه شدند و 3NH و آب دیونیزه به عنوان کاتالیست برای تهیه سل همگن اضافه گردیدند. برای مرحله پیر سازی قالب‌های حاوی سل را در اتانول به مدت 2 ساعت و دمای 50 درجهی سانتیگراد پیرسازی کردند و در نهایت ژل خیس را با خشک کردن فوق بحرانی کربن دی اکسید بهدست آوردند. تحقیقات آن‌ها نشان داد که زمان ژل شدن با افزایش نسبت مولی اتانول/TMOS افزایش یافت. همچنین به دلیل کشش سطحی اتانول، نمونه‌ها منقبض می‌شوند یا ترک می‌خورند. نانوکامپوزیت به‌دست آمده ساختار اسکلت شبکه‌ی سه بعدی را حفظ کرد. مساحت سطح ویژه با افزایش مقدار فریت از /g2m 700 تا /g2m 300 تغییر کرد. به علاوه ویژگی مغناطیسی فریت در ساختار نانو کامپوزیت تغییر نکرد [59].
3-5 برخی از کاربردهای آئروژل3-5-1 آئروژل‌ها به عنوان کامپوزیتهمانطور که پیشمادهی الکوکسید سیلیکون برای شکل‌گیری شبکه‌ی ژل با اکسیدهای فلزی دیگر به اندازه‌ی کافی واکنشی است، مطالعات زیادی در زمینه سنتز سیلیکا آئروژل برای کاربردهای مختلف صورت گرفته است [1].
3-5-2 آئروژل‌ها به عنوان جاذبآئروژل‌های فوق آبگریز و انعطافپذیر برای در جذب حلال‌های معدنی و روغن‌ها سنتز شدند. ونکاتشوارا رائو و همکارانش چگالی جذب و واجذب سیلیکا آئروژل‌های فوق آبگریز را با استفاده از یازده حلال و سه روغن بررسی کردند [60].
3-5-3 آئروژل‌ها به عنوان حسگرآئروژل‌ها تخلخل بالا، حفره‌های در دسترس، و سطح در معرض بالا دارند. از این رو کاندیداهای خوبی برای استفاده به عنوان حسگر هستند.بر اساس مطالعه وانگ و همکارانش روی آئروژل لایه‌ی نازک نانوذرات سیلیکا آئروژل نشان داد که مقاومت الکتریکی به طور قابل ملاحظه‌ای با افزایش رطوبت کاهش یافت. زیروژل همان مواد حساسیت کم‌تری را نشان داد. آئروژل‌هایی که اصلاح سطح شدند در مقایسه با آئروژل‌های آب‌گریز کمتر تحت تأثیر رطوبت قرار گرفتند و می‌توانند به عنوان ضد زنگ و عوامل آب‌گریز مورد استفاده قرار بگیرند [61].
چن و همکارش آئروژل‌هایی را برای کاربرد حسگرهای زیستی مطالعه کردند. در مطالعه آن‌ها، آئروژل‌های مزوحفره به وسیله پلیمریزاسیون سل-ژل با یک مایع یونی به عنوان حلال تهیه کردند. نتایج نشان می‌دهدکه آئروژل آماده شده می‌تواند به عنوان یک بسترشناسایی برای اسید نوکلوئیدها به کار رود [62].
3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک پایینلایه نازک‌های آئروژل 2SiO توجه خاصی را به خود اختصاص داد، به دلیل ثابت دی الکتریک خیلی پایین، تخلخل و پایداری حرارتی بالا. پارک و همکارانش لایه نازک سیلیکا آئروژل را برای لایهی داخلی دی الکتریک مورد بررسی قرار دادند و ثابت دی الکتریک را تقریبا 9/1 اندازه‌گیری کردند. آن‌ها ثابت دی الکتریک بسیار پایین فیلم‌های آئروژل را برای لایهی داخلی مواد دی الکتریک تولید کردند. فیلم های سیلیکا آئروژل به ضخامت Å 9500، % 5/79 تخلخل، و ثابت دی الکتریک پایین 2 با روش فرآیند خشک کردن محیط با استفاده از n-هپتان به عنوان حلال خشک کن به‌دست آوردند [63].
3-5-5 آئروژل به عنوان کاتالیزورمساحت سطح ویژه‌ی بالای آئروژل‌ها منجر به کاربردهای زیادی می‌شود، از جمله جاذب شیمیایی برای پاکسازی نشتی. این ویژگی کاربرد زیادی را به عنوان کاتالیزور یا حامل کاتالیزور به همراه دارد. آئروژل‌ها در کاتالیست‌های همگن مناسب هستند، زمانی که واکنش‌دهنده‌ها هم در فاز مایع و هم در فاز گاز هستند [27].
3-5-6 آئروژل به عنوان ذخیره سازیتخلخل بالا و مساحت سطح زیاد سیلیکا آئروژل‌ها می‌تواند برای کاربردهایی مثل فیلترهای گازی، جذب رسانهای برای کنترل اتلاف، محصور سازی، ذخیره سوخت هیدروژن به کار رود. آئروژل‌ها می‌توانند در مقابل تنش گذار مایع/گاز مقاومت کنند زیرا بافت آنها در طول پخت تقویت شد به عنوان مثال در ذخیره سازی، انتقال مایعات چون سوخت موشک‌ها کار برد دارد. به علاوه وزن پایین آئروژل‌ها بزرگ‌ترین مزیت است که در سیستم حمل دارو به دلیل ویژگی زیست سازگار آن‌ها مورد استفاده است [64]. کربن آئروژل‌ها در ساخت الکتروشیمی ابر خازن دو لایه کوچک استفاده شد. ابر خازن‌های آئروژل مقاومت ظاهری پایینی در مقایسه با ابر خازن‌های معمولی دارد و می‌تواند جریان بالا را تولید یا جذب کند.
3-5-7 آئروژل‌ها به عنوان قالبفیلم‌های سیلیکا آئروژل برای سلول‌های خورشیدی رنگ حساس استفاده شدند. مساحت سطح ویژه‌ی فیلم‌های آئروژل روی فیلم‌های شیشه‌ای رسانا تهیه شدند. نشست لایه اتمی برای پوشش قالب آئروژل با ضخامت‌های مختلف 2TiO با دقت کمتر از نانومتر انجام شد. غشاء آئروژل پوشش داده شده با 2TiO در سلول خورشیدی رنگ حساس گنجانیده شد. طول نفوذ شارژ با افزایش ضخامت 2TiO افزایش یافت که منجر به افزایش جریان شد [65].
3-5-8 آئروژل به عنوان عایق گرماجدای از تخلخل بالا و چگالی پایین یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های آئروژل رسانندگی گرمایی پایین آن‌ها است، علاوه بر این، از یک شبکه‌ی سه بعدی با ذرات ریز متصل شده تشکیل شده‌اند. بنابراین انتقال گرما از میان بخش جامد آئروژل‌ها از طریق مسیر پر پیچ و خمی است. فضای اشغال نشده در یک جامد توسط آئروژل به طور معمول با هوا پر شده مگر آن که تحت خلاء مهروموم شده باشد. این گازها می‌توانند انرژی حرارتی را از طریق آئروژل انتقال دهند. حفره‌های آئروژل باز هستند و اجازه عبور گاز از میان مواد را می‌دهند [27].
3-5-9 آئروژل‌ها در کاربرد فضاییناسا از آئروژل‌ها برای به دام انداختن ذرات گرد و غبار روی فضاپیما استفاده کرد. ذرات در برخورد با جامد اسیر شده، گازها تبخیر می‌شوند و ذرات در آئروژل به دام می‌افتند [27].
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را به طور مختصر نشان می‌دهد.
3-6 خلاصهدر این فصل پس از مقدمه‌ی کوتاه، اندکی در مورد سنتز آئروژل با روش سل-ژل گفته شد. پس از آن فرآیند‌های لازم برای شکل‌گیری ژل بیان شد و سپس تکنیک‌های مختلف خشک کردن و شرایط لازم برای این کار با مختصری توضیح نوشته شد. بعد مروری کوتاه به برخی از تلاش‌های انجام شده در این زمینه داشتیم و در آخر برخی از کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را با ذکر مثال درج شد.
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها [27].
خاصیت ویژگی کاربرد
رسانایی الکتریکی بهترین جامد عایق
شفاف
مقاومت در برابر درجه حرارت بالا
سبک ساخت و ساز ساختمآن‌ها و عایقبندی لوازم خانگی
ذخیره سازی
ماشین، وسیله نقلیه فضایی
دستگاه‌های خورشیدی
چگالی/تخلخل سبک‌ترین جامد مصنوعی
سطح ویژه_ی بالا
کامپوزیت‌های چندگانه کاتالیزور
حسگر
ذخیرهی سوخت
تبادل یون
فیلترهای آلاینده‌های گازی
اهداف ICF
حامل رنگ‌دانه
قالب
اپتیکی شفافیت
شاخص بازتاب پایین
کامپوزیت‌های چندگانه اپتیک سبک وزن
آشکارسازهای چرنکوف
راهنماهای نوری
عایق صوتی سرعت صوت پایین اتاق‌های ضد صدا
تطبیق مقاومت ظاهری صوتی در التراسونیک
مکانیکی الاستیک
سبک جاذب انرژی
تله برای ذرات سرعت بالا
الکتریکی ثابت دی الکتریک پایین
قدرت دی الکتریک بالا
سطح ویژهی بالا دی الکتریک برای ICها
جدا کنندهی الکترودهای خلا
خازن
فصل چهارمسنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت21434265186580مقدمهآئروژل‌ها کاندیدا‌های ایدهآلی برای طراحی نانوکامپوزیت‌های کاربردی تقویت شده با نانوذرات فلزی یا اکسید فلزی هستند. مساحت سطح ویژهی بالا با ساختار حفره‌ای، آئروژل‌ها را قادر می‌سازد تا به طور موثری میزبان نانوذرات ریز پراکندهشده باشند و این اطمینان را می‌دهد که نانوذرات در دسترس هستند.
راه گسترش آئروژل‌های کاربردی برای تهیهی مواد کاربردی خلاق از طریق طراحی نانوکامپوزیت‌ها است، به طوری که نانوذرات فلز یا اکسید فلز به داخل ماتریس آئروژل الحاق می‌شوند. با توجه به گسترش محدوده و قابلیت زیستی آئروژل‌ها، تهیه این نانوکامپوزیت‌ها برای جلوگیری از تجمع نانوبلورها و رشد از طریق ذرات بستر برای یک کاربرد خاص را فراهم می‌کند.
4-1 مواد مورد استفاده در پژوهش آلکوکسیدهای فلزی یک دسته از خانواده‌ی ترکیبات آلی فلزی میبا شند که شامل یک بنیان آلی چسبیده به یک عنصر فلزی یا شبهفلزی میباشند. تترا اتیل اورتو سیلیکات (TEOS) که دارای نماد شیمیایی 4)5H2Si(OC می‌باشد از جمله الکوکسیدهایی است که به عنوان پیشماده در سنتز سیلیکا آئروژل به کار می‌رود. در این پژوهش از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا ژل با جرم مولی g/mol 33/208 استفاده شد. متداول‌ترین آئروژل‌ها با بسپارش سل-ژل سیلیکا الکوکسید سنتز شدند [66]. نیترات آهن(ΙΙΙ) 9 آبه و نیترات کبالت(ΙΙ) 6 آبه به ترتیب با جرم مولی‌های g/mol 404 و g/mol 04/291 برای تهیه نانوذرات فریت کبالت به کار رفت. متانول و آب دیونیزه به عنوان حلال نیاز بود.

–335

D3BIA: density,Degeneracy and Delocalization-Bases Index of Aromaticity
DFT : Density Functional Theory
DI: Delocalization Index
GTO : Gaussian-Type Orbital
HF : Hartree Fock
HOMA: Harmonic Oscillator Model of Aromaticity
HOMO : Highest Occupied Molecular OrbitalKS: Kohn-Sham
LUMO : Lowest unoccupied Molecular Orbital
MO : Molecule Orbital
MP : Moller-PlessetNICS : Nucleus-Independent Chemical Shift
NLO : Non Linear Optical Material
NMR : Nuclear Magnetic Resonance
PDI: Para Delocalization Index

فصل اول1-1ترکیب های حلقوی آروماتیکبنزن نمونه نخستینمولکولی است که دارای خواص فیزیکی قابل ملاحظه ای ناشی از عدم استقرار الکترونهای است. از نظر تاریخی شیمیدانان پژوهشهای زیادی روی دیگر مولکولهای مشابه بنزن نموده اند. بورازین (B3N3H6) ، بوروکسین (B3O3H3) و بورتین (B3S3H3) نمونه هایی از این ترکیبها هستند. این ترکیبها ساختاری مشابه بنزن دارند و توپولوژی اوربیتالهای مولکولی پای آنها مشابه است. این پرسش که آیا الکترونهای پای آنها همانند بنزن نامستقرند (رزونانس بین ساختارهای ککوله) چندان واضح نیست.
1-2آروماتیستیاز معرفی آروماتیستی به وسیله ی August Kekule در 1865 تاکنون به طور پیوسته قلمروهاینوینی در شیمی را تسخیر شده است. در ابتدا آروماتیسیتی برای ترکیبهای آلی زیر گسترش یافت:
هیدروکربنهای تک حلقوی مزدوج مسطح و یونهای آنها که دارای 4n+2 الکترون هستند.
هیدروکربنهای مزدوج چند حلقوی- هیدروکربنهای بنزوییدی ساخته شده ازحلقه های بنزنی جوش خورده.
هیدروکربنهای کربوکسیلیک مزدوج چند حلقوی بر پایه سیستمهای غیر بنزوییدی مانند آزولن و دیگر هیدروکربنهای مزدوج دارای حلقه های چهار، پنچ، هفت و هشت عضوی.
ترکیبهای دارای اتمهای فلزی نیز آروماتیک می توانند باشند. در 1979 Thorn و Hoffmann پیش بینی نمودند که برخی متالوسیکلهای فرضی باید خصلت پیوندی نامستقر و مقداری خصلت آروماتیک را نشان دهند. در سالیان بعد از آن حدود 25 متالوبنزن جداسازی و شناسایی شد.نخستین مثال از یک متالوبنزن پایدار و قابل جداسازی اسمابنزن بود که در سال 1982 گزارش شد. خانواده بزرگی از متالوبنزنها (ایریدابنزن) نیز بعدها تهیهشدند در حالی که یک سری از دی متالوبنزنها با دو اتم فلز در حلقه بنزن نیز گزارش شدند.
واژه "متالوآروماتیسیتی" در 1979 نخستین بار برای توصیف کمپلکسهای فلزی سیکلوبوتادی ان پیشنهاد شد. نخستین ترکیب آلی فلزی دارای یک حلقه آروماتیک تشکیل شده از اتمهای فلز در 1995 تهیه شد. Na2[(Mes2C6H3)Ga]3 که شامل حلقه آروماتیک سه گوش که دارای دو الکترون است. نخستین ترکیب آلی فلزی آروماتیک تشکیل شده از چهار اتم گالیم که دارای ساختار مربعی بود K2[Ga4(C6H3-2,6-Trip2)2] .
1-3معیارهای آروماتیک بودن:جدول (1-1) معیار های آروماتیک بودنخاصیت آروماتیسیتی
ماهیت الکترونی: 4n+2‌الکترون
انرژی:
مزدوج شدن حلقوی
نامستقر بودن
شکاف اوربیتالهای جبهه ای پایداری
افزایش خصلت
افزایش خصلت
شکل هندسی:
طول پیوندهای یکسان وجود خصلت
خواص مغناطیسی:
ناهمسانگردی تاثیرپذیری دیامغناطیس
برتری5مغناطیسی
جابه جایی شیمیایی 1H NMR
NICS افزایش یافته
بالا
دیاپروتیک
منفی بزرگ
واکنشپذیری:
ساختار شیمیایی
ابقا ساختار برای مثال بنزن
جانشینی الکترون دوستی
طیف سنجی:
UV
IR/Raman
فوتوالکترون انرژی بالا
تقارن بالا
انرژیهای اتصال زدایی الکترون بالا
جریان حلقه آروماتیک اثری است که در مولکولهای آروماتیک مانند بنزن، نفتالن مشاهده می شود. اگر یک میدان مغناطیسی عمود بر صفحه سیستم آروماتیک اعمال شود جریان حلقه ای در الکترونهای حلقه آروماتیک القا می شود. این نتیجه مستقیم قانون آمپر است زیرا الکترونهای شامل شده آزاد به گردش اند به جای آن که در پیوندها مستقر باشند مانند آن چه در مولکولهای غیر آروماتیک است ، لذا به میدان مغناطیسی به شدت پاسخ می دهند.
جریانهای حلقه آروماتیک با طیف سنجی NMR مرتبط اند. پس آنها جابه جاییهای شیمیایی هسته های 13C, 1H را در حلقه های آروماتیک و نیز دیگر مولکولهای آلی و معدنی تحت تاثیر قرار می دهند. این اثر امکان تشخیص محیطهای هسته ای را ممکن ساخته و در نتیجه در تعیین ساختار مولکولی کاربرد وسیعی دارد. در بنزن پروتونهای آروماتیک دچار واپوشیدگی می شوند چون میدان مغناطیسی القایی جهت یکسانی مانند با میدان خارجی دارد.
پس یک جریان حلقه دیامغناطیس یا دیاپروتیک با آروماتیستی همراه است و جریان حلقه ای پاراتروپیک نشانه پادآروماتیسیتی است. اثر مشابهی در فولرنهای سه بعدی مشاهده می شود و به آن جریان کره گویند.
کوششهای متعددی برای بیان کمی آروماتیسیتی انجام شده است:
1-4 بیان کمی آروماتیستی1-4-1 جابه جایی شیمیایی مستقل از هسته:پارامتر جابه جایی شیمیایی مستقل از هسته برای توصیف آروماتیسیتی از نقطه نظر مغناطیسی به کار برده می شود. این شاخص به وسیله P.v.R. Schleyer و همکارانش براساس پوششهای مغناطیسی ابداع گردید و با روشهای ساده محاسبه گردید. هم اینک محاسبه ها با روشهای آغازین پیشرفته انجام می شوند(25). این شاخص با محاسبه منفی پوشش مغناطیسی مطلق اتم روحدر مرکز حلقه(26)یا نقطه های مورد نظر دیگر(27) به کاربرده می شود.مقدار NICS نشان داده شده به صورت NICS(1.0) به مفهوم محاسبه آن در فاصله Å1 بالای حلقه است و انتظار می رودجزییات ساختار الکترونی را مشخص کند. زیرا مقدار NICS(0.0) در صفحه با مشارکتهایی موضعی پیوندهای و جفتهای تنها تحت تاثیر قرار می گیرد(28). حلقه های دارای NICS منفی آروماتیک، حلقه های دارای NICS نزدیک به صفر غیر آروماتیک و حلقه های دارای NICS مثبت پاد آروماتیک اند.
شاخص دیگر مولفه "خارج صفحه" تنسور NICS است که در فاصله Å1 بالای مرکز حلقه محاسبه می شود و با NICS(1.0)zz مشخص می شود که اندازه خوبی برای مشخصه های سیستم حلقه است(29). از آن جا که یک میدان مغناطیسی عمود بر صفحه حلقه اعمال می شود، این مقدار با چگالیهای جریان القایی در سیستم حلقه ای مولکول ارتباط مستقیم تری دارد. در نتیجه NICSzz محاسبه شده در فاصله های دور از مرکز حلقه (جایی که NICSzz تحت تاثیر مشارکتهای از سیستم قرار می گیرد) به خوبی NICS را مشخص می کند(30).
ثابت شده است برای مشتقهای بورازین NICS(2.0)zz معیار مناسبی برای آروماتیسیته است(31).
مقدارهای موشکافی شدهNICS با نرم افزار deMonNMRمحاسبه می شوند(32). بر این اساس NICS(total) به سهمهایی از پیوندهای ، NICS() ، پیوندهای ، NICS() ، و سهمهای دیگر (پیوندهای با هیدروژن، جفتهای تنها در صفحه مولکول، اوربیتالهای مغزی) تقسیم می شود.
برای مثال برای بنزن:
جدول (1-2) NICS برای بنزنStructure Opt Level/Basis set NICS(0.0) NICS(1.0) NICS(r)zz
Benzene B3LYP/6-311+G** HF/6-31+G* -9.7 -11.5 r=1.0-31.9
Borazine B3LYP/6-311+G** HF/6-311+G** -1.3 -1.9 r=-6.7
1-4-2ناهمسانگردی تاثیر پذیری مغناطیسی:ناهمسانگردی تاثیر پذیری مغناطیسی (33)به صورت زیر تعریف می شود:
(1-1)
در این رابطه محور z به صورت عمود بر صفحه حلقه تعریف می شود. این رابطه تفاوت بین تاثیر پذیریهای دیامغناطیس خارج صفحه و میانگین تاثیر پذیریهای دیامغناطیس داخل صفحه (xy) است. کارایی این شاخص مستقل بودن از سیستم مرجع است. این شاخص به روشCSGT محاسبه می شود(34). منفی تر بودن این شاخص نشانه خصلت آروماتیسیتی بیشتر است.
1-4-3تاثیر پذیری مغناطیسی(35):این شاخص تفاوت تاثیر پذیری مغناطیسی سیستم و یک سیستم مرجع ناشی از افزایش اتم یا پیوند است:
=-(1-2)
این شاخص نیز به روش CSGT محاسبه می شود. منفی تر بودن این شاخص نشانه خصلت آروماتیسیتی بیشتر است.
1-4-4 شاخصهای ناشی از نطریه اتم در مولکول:نظریه اتمها در مولکولها در شکلهای زیر برای مطالعه آروماتیسیتی به کار رفته است(36).
درجه عدم استقرار الکترون پای (DI):Bader و همکارانش عدم استقرار چگالی بیشتری را در هیدروکربنهای سیر نشده حلقوی نسبت به گونه های مشابه ناحلقوی پیدا نمودند.درجه عدم استقرار الکترون پای (DI) به طور کمی بر اسای این نظریه با استفاده از شاخص عدم استقرار تعیین می شود. این شاخص با انتگرال دوگانه چگالی همبستگی- تبادل حول حوزه هایاتمهای A و B به دست می آید. حوزه یک اتم در نظریه AIM به صورت گستره ای در فضای واقعی محدود به سطوح گرادیان شار صفر در یک چگالی الکترونی (r) یا تا بی نهایت تعریف می شود(37) به طور کمی تعداد الکترونهای نامستقر بین A و B تعیین می شود(38).
برای مثال برای بنزن می توان نوشت:
جدول (1-3) درجه عدم استقرار الکترون پایبرای بنزنE(atom) DI
B3LYP/6-311++G** 3.8102745332e+001 1.3965407413e+000
شاخص عدم استقرار پارا (PDI): Sola و همکارانش شاخص عدم استقرار را با معیارهای آروماتیک دیگر مرتبط کردند(39). آنها یک معیاری آروماتیک موضعی نوینی را معرفی نمودند: شاخص عدم استقرار پارا (PDI) .
Hernandez-Trujillo و Matta نیز معیار هندسی را پیشنهاد نمودند که DI را به عنوان اندازه تناوب اشتراک الکترون در نظر می گیرد.
D3BIA :Caio L. Firme و همکارانش معیار نوینی برای آرماتیسیتی در نظر گرفتند(40). نظریه ها بر اساس:
چگالی الکترونی در حلقه
درجه یکسانی عدم استقرار
درجه همترازی اتمها در حلقه
استوار بود و آن را D3BIA نامیدند. فرمول آن عبارت است از:
D3BIA=[RDF] [DIU] (1-3)
که در این رابطه:
RDF=(1+2)RCP (1-4)
2 مقدار ویژه میانگین ماتریکس Hessian چگالی از BCP به RCP ، وRCP مقدار چگالی الکترونی در نقطه بحرانی حلقه است.(1-5)
انحراف میانگین و <DI> میانگین DI حلقه است.
(تعداد اتمهای حلقه)/(تعداد اتمهای همتراز)=(1-6)
برای مثال برای بنزن می توان نوشت:
جدول (1-4) انحراف میانگین و RDF و DIU و D3BIA برای بنزنRCP 2 RDF DIU D3BIA
B3LYP/6-311++G** 0.021479650957751 0.538176419309952 0.00992 1 1.00 0.00992
1-4-5 مدل هماهنگ کروی آروماتیسیتی:در بین تعریفهای کمی به کار رفته برای آروماتیسیتی بر اساس معیار شکل هندسی، HOMA بیشترین اطمینان را دارد(41). مطابق نظر Krygowski و همکارانشبه صورت سهم دو عبارت تعریف می شود:
HOMA=1-EN-GEO(1-7)
در این رابطه EN اندازه طویل شدن طول پیوند میانگین نسبت به یک مقدار بهینه است:
EN= (Ropt - Rav)2(1-8)
در این رابطه Ropt طول پیوند بهینه برای یک مولکول کامل آروماتیک است( برای پیوندهای CCبرابر Å 388ر1 است). Rav طول پیوند میانگین گونه های در نظر گرفته شده است.یعنی:
Rav =(1-9)
عبارت GEO نشانه افزایش یک در میان طول پیوند است و برابر است با:
GEO=(1-10)
Rav دلالت بر طول پیوند میانگین سیستم در نظر گرفته شده و n تعداد پیوندهای فاصله ای بین هسته ای Ri است. برای پیوندهای CC مقدار برابر 7ر257 است.
به صورت جمع نرمال شده انحراف مربعهای طول پیوندها از مقدار بهینه تعریف می شود. یک سیستم آروماتیک HOMA=1 و پاد آروماتیک HOMA=0 دارد.
مقدارهای Ropt و برای پیوندهای CN, CO, CP, CS, NN, NO نیز گزارش شده اند.
برای مثال برای مولکول بنزن می توان نوشت چون Ri=1.3946 پس Rav=1.3946 در نتیجه:
جدول (1-5) مقادیر HOMO و GEO و EN برای بنزنEN= (Ropt - Rav)2 GEO= HOMO
B3LYP/6-311+G** =(257.7)(1.388-1.3946)2=0.0112254 (1.3946-1.3946)*6(257.7/6)=0 0.9887746
کمیت قابل اندازه گیری دیگر جابه جایی شیمیایی یونهای لیتیم در کمپلکسهای آن است. از آن جا که لیتیم تمایل به اتصال به وجه آروماتیک حلقه ها دارد، خود سبب آروماتیک شدن می شود. در نتیجه از جا به جایی شیمیایی آن می توان برای این منظور استفاده کرد. برای مثال این مقدار در کمپلکسهای CpLi و Cp2Li- به ترتیب ppm 6ر8- و 1ر13- است.
1-5ترکیبهای X3Y3H6
s-triphosphatriborin Borazine

alumazine

شکل (1-1) ترکیب های X3Y3H6 را نشان می دهد.1-6بورازین:بورازین ترکیب معدنی است که از عنصرهای بور، نیتروژن و هیدروژن تشکیل شده است. در این ترکیب حلقوی سه واحد هیدروبوران(BH) و سه واحد آمینو (NH) به طور یک در میان قرار دارند. این ترکیب در سال 1926 به وسیله ی Alfred Stock و Pohlandاز واکنش دی بوران و آمونیاک تهیه شد(42). ساختار این ترکیب هم الکترون و یکسان با بنزن است و به همین دلیلی بنا به پیشنهاد Nils Wibergبنزن معدنی نامیده می شود. این ترکیب همچنین به نام Borazol نیز نامیده می شود که از نام آلمانی بنزن که بنزول است ناشی می شود.

شکل (1-2) بورازین1-6-1سنتزبورازین از واکنش دی بوران و آمونیاک در نسبت یک به دو در دمای 300-250 با بهره 50% تهیه می شود:
3 B2H6 + 6 NH32 B3N3H6+3 LiCl + 9 H2
مسیر موثر دیگر از واکنش لیتیم بوروهیدرید و آمونیوم کلرید با بهره ای بهتر می باشد:
3 LiBH4 + 3 NH4Cl → B3H6N3 + 3 LiCl + 9 H2
در یک فرآیند دو مرحله ای، بور تری کلرید نخست به تری کلروبورازین تبدیل شده :
3 BCl3 + 3 NH4Cl → Cl3B3H3N3 + 9 HClسپس پیوندهای B-Cl به پیوندهای B-H تبدیل می شوند:
Cl3B3H3N3 + 3 NaBH4 → B3H6N3 + 3/2 B2H6 + 3 NaCl1-6-2ویژگیهابورازین مایعی بیرنگ با بوی ویژه ترکیبهای آروماتیک است. این ترکیب در آب به بوریک اسید، آمونیاک و هیدروژن تجزیه می شود. بورازین با تغییر آنتالپی استاندارد تشکیل kJ/mol 531- از نظر گرمایی بسیار پایدار است. برخی از خواص فیزیکی این ترکیب در جدول 1 ارایه شده است.
جدول(1-6) برخی از خواص فیزیکی بورازیننقطه جوش ، C نقطه ذوب، C چگالی، gr.cm-3 ظاهر جرم مولی، gr.mol-1
55 58- 81ر0 بی رنگ 50ر80
1-6-3ساختاربورازین هم ساختار بنزن است و همانند آن دارای پیوندهایی با طول یکسان است. فاصلهی بین نیتروژن و بور در حلقه pm 6ر143 و فاصله کربن-کربن در بنزن pm7ر139 است. پیوند بور-نیتروژن بین طول پیوند بور-نیتروژن یگانه (pm151) و پیوند بور-نیتروژن دوگانه (pm131) است. این داده ها نشان دهنده ی عدم استقرار الکترونهای جفت تنهای نیتروژن هستند.
1-6-4مزومرهاالکترونگاتیوی بور (04ر2 در مقیاس پاوولینگ) از نیتروژن (04ر3) کمتر است. از سوی دیگر کمبود الکترونی اتم بور و جفت تنهای نیتروژن امکان ساختارهای مزومری متنوع را ممکن می سازد:

شکل (1-3) ساختارهای مزومری بورازین.بور اسید لوییس و نیتروژن باز لوییس است.
1-6-5واکنشهابورازین واکنشپذیرتر از بنزن است. این ترکیب با HCl واکنش می دهد.اگر آروماتیسیتی بورازین نیز مانند بنزن بود، این واکنش بدون کاتالیست ممکن نبود:
B3N3H6 + 3HCl → B3N3H9Cl3
واکنش افزایشی بدون کاتالیزور رخ نمی دهد. در بورازینها حمله هسته دوستی در بور و حمله الکترون دوستی در نیتروژن رخ می دهد. گرما دادن بورازین تا C 70 هیدروژن را آزاد کرده و سبب تشکیل بسپار بورازنیل یا پلی بورازین می شود که واحدهای تکپار با تشکیل پیوندهای بور-نیتروژن نوین به صورت پارا جفت می شوند.

شکل(1-4)تشکیل بسپار بورازنیل1-6-6کاربردها:بورازین و مشتقهای آن پیشماده های مناسبی برای سرامیکهای بورنیترید هستند. بورنیترید می تواند با گرما دادن پلی بورازیلن تا C 1000 تهیه شود(42). بورازینها همچنین ماده اولیه ای برای سرامیکهای دیگر مانند بورکربونیتریدها نیز هستند(43).

شکل (1-5)تشکیل سرامیک بورکربونیترید از بورازین1-7فوق قطبش پذیریافزون بر گشتاور دوقطبی ناشی از توزیع نامتقارن بار در یک مولکول ممکن است توزیع الکترونی با وارد شدن یک فقدان الکتریکی تغییر شکل دهد. از این راه یک گشتاور دوقطبی القایی در مولکل ایجاد می شود. مطزان تاثیر گذاری میدا الکتریکی در قطبی ساختن مولکول با قطبش پذیری مولکول تعیین می شود. قطبش پذیری بنا به تعریف گشتاور دوقطبی القا شده از سوی میدان التریکی به شکل یک واحد است.
برهم کنش نور با ماده سبب تغییر وابسته به زماندر توزیع چگالی الکترونی در مولکولها می شود (قطبش). در این صورت گشتاور دوقطبی القایی به گشتاور دوقطبی ذاتیo افزوده می شود:
= o + Eloc + Eloc Eloc + ElocElocEloc +… (1-11)
در این رابطه:
Eloc = میدان الکتریکی موضعی اعمال شده به مولکول
= قطبش پذیری خطی مرتبه نخست
= فوق قطبش پذیری مربعی (نخست)مرتبه دوم
= فوق قطبش پذیری مکعبی (دوم)مرتبه سوم
قطبش پذیری اتم همسانگرد است، یعنی راستای میدان الکتریکی هرچه باشد، واپیچش یکسان است. قطبش پذیری بیشتر مولکول ها ناهمسانگرد است، یعنی بستگی به راستای میدان دارد. یعنی در راستاهای مختلف مقدارهای مختلف دارد. لذا مانند دیگر خواص ناهمسانگرد (مانند گشتاور لختی یک مولکول و رسانایی یک بلور) یک خاصیت تنسوری است.
(1-11)
و چون xy=yx،xz=zx ،yz=zy است، پس دارای شش مولفه است.
در حالی که تنها قطبش پذیری خطی در میدان های E ضعیف موثر است، سهم های ناخطی ، و .. در میدان های قوی مانند تابش لیزر آشکار می شوند. هر اثری ناشی از جمله های دوم یا بالاتر این سری را اثرهای ناخطی نامند. زیرا از جمله هایی ناشی می شود که نسبت به E ناخطی اند. آن دسته از ماده هایی رفتار نور در اثر تابش به آنها نسبت به میدان الکتریکی ناخطی است را ماده های نوری ناخطی(NLO) می نامند.
ماده های با ویژگی نوری ناخطی (NLO) توجه زیادی را به خود جلب نموده اند و برنامه های گسترده ای را در علم مواد دربرگفته اند. آنها در گستره ی پردازش پیام نورو سوییچ ها، تبدیل فرکانس های نوری و نیز ذخیره داده های نوری مواد موثری اند.
بیشترین کاربرد در دو برابر کردن فرکانس نور لیزر است. ماده های بررسی شده گستره کامل شیمی را در برمی گیرند از جامدهای معدنی مانند LiNbO3 تا گونه های آلی فلزی مانند مشتق های فروسن تامولکول های آلی.
قطبش می توان به صورت اختلاط حالت های برانگیخته بالاتر با حالت پایه در نظر گفته شود. پس یک مولکول با قطبش پذیری ناخطی بالا شرایط زیر را می تواند داشته باشد:
حالت های برانگیخته کم انرژی، برای نمونه یک شکاف اوربیتال های جبهه ای کوچک
قدرت نوسانگر بالای جهش الکترونی
تفاوت بزرگ بین گشتاور دوقطبی حالت پایه و برانگیخته نشان داده شده با حلالپوشی رنگ.
فقدان مرکز تقارن: ماده ای که مرکز تقار دارد خواص برداری نمی تواند نشان دهد. در نتیجه تمام مولفه ای تنسور فوق قطبش پذیری در گروه نقطه ای مرکز دار دار صفرند.
از سال 1987 که ماردر و همکارانش ثابت کردند که مشتق هایی از فروسن کارایی تولید هارمونیک دوم بزرگی دارند(44)(SHG) مطالعه های نظری و تجربی زیادی به درک رابطه های ساختاری و ویژگی ها و بهینه کردم خواص نوری مرتبه دوم رنگ سازهای فلز دار اختصاص یافته است(45).
دو دسته ار کمپلکس هایی که در گستره ی زیادی بررسی شده است عبارتند از:
متالوسن ها: که لیگاند به شدت با فلز جفت می شود
کمپلکس های پیریدین دار که جفت شدن ضعیفی با فلز مرکزی وجود دارد.
با این وجود طراحی کمپلکس ها نوین با فوق قطبش پذیری بالا موضوعی جذاب و رقابت برانگیز است.
متالابنزن ها طبقه ی از کمپلکس های آلی فلزی اند که فلز بخشی از یک سیستم - آروماتیک است. دو تا از شش الکترون اوربیتال های d فلزند که حول سیستم نامستقرند و پس انتظار می رود از الکترونهای d دیگر کمپلکسهای آلی فلزی قطبش پذیرتر باشند.چندین کمپلکس متالابنزن جداسازی شده اند مانند اسمابنزن ها، ایریدابنزن ها و پلاتینابنزن ها. واکنشپذیری و پایداری این کمپلکس ها به صورت نظری مطاله شده است. آروماتیسیتی کمتر متالابنزن ها نسبت به بنزن و حلقه های ناجور اتم نفش مهمی در خواص نوری ناخطی (NLO) این کمپلکس ها دارد. جایگزینی حلقه های فنیل در رنگسازهای دهنده- -پل- پذیرنده (D--A) با حلقه های ناجور اتم دار مانند تیوفن یا تیازول به صورت تجربی و نظری نشان داده است که فوق قطبش پذیری به گونه ی موثری افزاپش می یابد. این افزایش فوق قطبش پذیری توجیه می شود با:
انرژی عدم استقرار آرواتیک کمتر ناجور آروماتیک نسبت به بنزن که شکاف انرژی بین حالت پایه و حالت برانگیخته انتقال بار (CT) را کاهش می دهد.
اثرهای القایی حلقه های پر الکترون یا کم الکترون در به ترتیب دهندگی یا پذیرندگی.
چگالی الکترونی بپشتر پل.
مواد NLO آلی کاربردها خوبی در گستره هایی مانند الکترواپتیک و فوتونیک دارند(46). این مواد با میدان های الکترومغناطیس برهمکنش کرده و میدان های الکترومغناطیس نوینی ایجاد می کنند که فرکانس و فاز آنها تغییر کرده است.
فصل دوم: شیمی محاسباتی2-1مقدمهشیمی محاسباتی، پدیده های شیمیایی را بدون انجام آزمایش های تجربی امکان پذیر می کند. این روش نه تنها مولکولهای پایدار را مورد بررسی قرار می دهد بلکه مولکول هایی با طول عمر کوتاه حد واسط های ناپایدار و حتی حالت های گذار را نیز مورد بررسی قرار می دهد.همچنین از این طریق می توان اطلاعاتی راجع به مولکول ها و واکنش هایی که بررسی آن ها از طریق تجربی غیر ممکن است، بدست آورد. برای شروع یک مطالعه محاسباتی جنبه های زیادی باید در نظر گرفته شود از جمله اینکه روشهای محاسباتی باید با توجه به اندازه سیستم مورد مطالعه و خاصیت هایی که مورد نظر است انتخاب شوند.
2-2نیروهای بین مولکولیموضوع اصلی بیان نیروی بین دو مولکول توسط یک تابع انرژی پتانسیل است. در فاصله بی نهایت بین 2 اتم، هیچگونه برهمکنشی وجود ندارد و انرژی کل سیستم دو اتمی با مجموع انرژی های دو اتم مجزا برابر است.
اگر دو اتم به اندازه جزئی از هم فاصله داشته باشند، برهمکنش بین آنها بر انرژی کل سیستم تاثیر می گذارد و آن را افزایش می دهد.با توجه به متقارن بودن اتمها، انرژی برهمکنش بین آنها فقط به فاصله r بستگی دارد و مستقل از جهت گیری نسبی آنها می باشد.تغییر انرژی کل که ناشی از برهمکنش بین دو اتم است به عنوان تابع انرژی پتانسیل بین دو مولکول شناخته شده است .
بر این اساس، پتانسیل بین مولکولی عبارت است از تفاوت انرژی کل سیستم دو اتمی در جدایی بی نهایت و هنگامی که دو اتم به فاصله r از یکدیگر قرار گرفته باشند این اختلاف انرژی از لحاظ عددی با کار لازم برای آوردن دو اتم از فاصله بی نهایت به فاصله r برابر است.
2-3انواع نیروهای بین مولکولیبر اساس دانش کنونی، نیروهای بین ذره ای را می توان به چهار دسته تقسیم بندی نمود:
1-گرانشی
2-الکترومغناطیسی
3-هسته ای قوی
4-هسته ای ضعیف
نیروهای هسته ای قوی عامل ایجاد پیوند بین نوترون های و پروتون های درون هسته بوده و محدوده عملکرد آنها در حدود nm 10 می باشد.از طرف دیگر امروزه معلوم شده نیروهای هسته ای ضعیف دارای منشا الکترومغناطیسی بوده و نظیر نیروهای هسته ای دارای برد کوتاه هستند.با توجه به اینکه ابعاد مولکولی معمولا از مرتبهnm10×5 هستند لذا این نیروهای هسته ای نمی توانند مشارکت مؤثری در نیروی بین مولکولی داشته باشند. بر عکس ، نیروهای گرانشی دارای برد بسیار بلند بوده و می توانند به عنوان منبع جاذبه بین مولکولی در نظر گرفته شوند. اما از لحاظ بزرگی در حدود 10 برابر کمتر از نیروهای بین مولکولی هستند بنابراین نیروهای بین مولکولی بایستی دارای یک منشا الکترومغناطیسی باشند.منبع برهمکنش می تواند ناشی از ذرات باردار، الکترون ها و پروتون هایی که یک اتم یا مولکول را تشکیل می دهند باشد. بر اساس ماهیت مولکول های برهمکنش دهنده سه عامل ممکن است بر نیروی جاذبه بین آنها مؤثر باشد که به صورت زیر خلاصه می شوند.
2-3-1نیروهای الکترواستاتیکیمعلوم شده که بعضی از مولکول ها نظیر HCl به علت توزیع غیر یکنواخت بار الکتریکی در مولکول، دارای ممان دو قطبی دائمی می باشند. بنابراین بخشی از انرژی برهمکنش برد بلند این نوع مولکول ها از برهمکنش الکترواستاتیکی بین ممان های دو قطبی آنها ناشی می شود.به خاطر اینکه انرژی الکترواستاتیکی بین دو دوقطبی ارتباط قوی با جهت گیری نسبی آنها دارد، لذا گاهی به آن انرژی جهت گیری می گویند.
2-3-2نیروهای القاییاگر برهمکنش بین یک مولکول با گشتاور دو قطبی دائمی و یک مولکول غیر قطبی را در نظر بگیریم میدان الکتریکی مولکول دو قطبی توزیع بار الکتریکی را در مولکول دیگر تغییر داده و یک گشتاور دو قطبی القایی را در آن به وجود آورد. دو قطبی القا شده با دو قطبی القا کننده برهمکنش انجام داده و یک نیروی جاذبه تولید می شود. به هنگام برهمکنش دو مولکول قطبی این سهم القایی همزمان با سهم الکترواستاتیکی وجود دارد.
2-3-3نیروهای پراکندگیاین نیرو با ارزیابی افت و خیز در مقدار دانسیته الکترونی قابل بررسی است. این نیرو برای مولکول ها در حالت پایه همواره مقدار منفی خواهد داشت و در واقع از نوع جاذبه است که به نیروهای واندروالس معروف است. در برهمکنش دو مولکول که هیچ کدام از آن ها گشتاور دو قطبی دائمی ندارند درک منشا انرژی جاذبه ممکن است تا حدودی مشکل به نظر برسد. با این وجود می توان تصور نمود که در یک مولکول فاقد گشتاور دو قطبی دائمی، الکترون ها دارای یک حرکت پیوسته بوده و دانسیته الکترونی در مولکول به طور پیوسته در زمان و مکان در حال نوسان است. بنابراین در هر لحظه از زمان هر مولکول دارای یک دو قطبی الکتریکی لحظه ای خواهد بود. دوقطبی لحظه ای ایجاد شده در یک مولکول، یک دوقطبی لحظه ای را در مولکول دوم القا می کند. دوقطبی القا شده در مولکول دوم و دوقطبی القا کننده در مولکول اول با هم برهمکنش انجام داده و حاصل آن انرژی جاذبه ای است که انرژی پراکندگی نامیده می شود.
تعیین اندازه انرژی برهمکنش بسیار مشکل است. بنابراین روشهای مبتنی بر اندازه گیریهای تجربی نمی توانند ماهیت نیروهای بین مولکولی به درستی بیان کنند لازم است روشهای محاسباتی به کار برده شوند.
2-4روشهای مدل سازی کامپیوتری2-4-1مکانیک مولکولیدر مکانیک مولکولی از قوانین مرتبط با فیزیک کلاسیک برای پیش گویی ساختار و خواص مولکول ها استفاده می شود.بسیاری از برنامه های کامپیوتری از قبیل گوسینو هایپرکمو در بر دارنده روش های مکانیکی مولکولی بوده و این روش ها به طرق مختلف و با توجه به میدان نیروی به کار برده شده قابل استفاده هستند.لازم به ذکر است که هر میدان نیرو دارای بخش های اساسی زیر است. دسته ای از روابط ریاضی که چگونگی تغییرات انرژی پتانسیل یک مولکول را با توجه به موقعیت اتم های تشکیل دهنده آن تعیین می کنند.
مجموعه ای از پارامترها که تعیین کننده ثابت های نیرو هستند،و از طریق آن ها ارتباط بین خواص اتمی با انرژی و اطلاعات ساختاری نظیر طول پیوند و زوایای پیوندی بیان می شود.مکانیک مولکولی در انجام محاسبات ،الکترون های سیستم را به وضوح منظور ننموده و اثرات الکترونی بطور ضمنی و از طریق پارامترهای تعریف شده بررسی می شوند.از محدودیت های این روش به موارد زیر می توان اشاره نمود.
هر میدان نیروی خاص فقط برای سری محدودی از مولکول ها نتایج خوبی را بدست می دهد.در نظر گرفتن اثرات الکترونی بطور ضمنی و پارامتری باعث می شود که تخمین های مکانیک مولکولی در مسائل شیمیایی نظیر تشکیل پیوند،پیشگویی خواص شیمیایی مولکولی و برهمکنش اوربیتال های مولکولی غیر قابل استناد و ناکارآمد باشد.
2-4-2مکانیک کوانتومیمحاسبات در بردارنده خواص الکترونی،بر پایه قوانین مکانیک کوانتومی استوار است.مکانیک کوانتومی بیان می کند که انرژی و سایر خواص وابسته به آن برای یک مولکول با حل معادله شرودینگر بدست می آید:
Hᴪ =Eᴪ(1-12)
از آنجایی که برای اکثر سیستم ها،و حتی کوچکترین سیستم ها دارای تقارن کامل نیز، حل دقیق معادله شرودینگر عملی نیست،روش های مکانیک کوانتومی تقریب های ویژه ای را برای حل معادله شرودینگر به کار می برند. محاسبات مولکول ها در شیمی کوانتومی می تواند بر اساس سه روش زیر انجام گیرد:
2-5 طبقه بندی روش هاروش نیمه تجربی
روش آغازین
تئوری تابع چگالی(DFT)
2-5-1روش های نیمه تجربیدر روش های نیمه تجربی فقط از الکترون های لایه ظرفیت استفاده شده و الکترون های داخلی به صورت یک پتانسیل مرکزی، در نظر گرفته می شود. استفاده از این روش و وارد کردن پتانسیل موثر، در مواردی که مولکول مورد بررسی، شامل اتم های سنگین(نظیر فلز در برابر پیوندهای آنزیمی) باشد، از نظر زمان و هزینه مقرون به صرفه خواهد بود. در این روش فقط از اربیتال های نوع اسلیتر (STO) و مجموعه های پایه حداقل برای توصیف اربیتال های اتمی استفاده شده و برای سادگی محاسبات از بعضی پارامترهای حاصل از اندازه گیری های تجربی نیز استفاده می شود. رایج ترین روش های محاسباتی نیمه تجربی، عبارتند از: MNDO PM3 AM1، MINDO. با توجه به استفاده از پارامترهای تجربی، روش های نیمه تجربی فقط آرایش الکترونی حالت پایه را توصیف می کنند. توضیحات مفصل تر را درباره این روش می توان در منابع مختلف یافت.
2-5-2روش های آغازینعبارت Ab initio از نظر لغوی به معنای آغازین است اما در اینجا به معنای حل دقیق و بدون تقریب معادله شرودینگر است. این تعریف نشان می دهد که نتایج محاسباتی، به طور مستقیم از اصول نظری بدست می آیند و داده های تجربی و آزمایشگاهی هیچ دخالتی در آن ندارند. در حقیقت این یک تقریب در محاسبات مکانیک کوانتومی است. تقریب ها معمولا از تقریب های ریاضی نشات می گیرند مانند استفاده از یک تابع پیچیده و یا پیدا کردن جوابهای تقریبی برای یک معادله دیفرانسیلی پیچیده در یک محاسبه ab initio، نقطه آغاز یک ساختار هندسی از ملکول است که در آن ماهیت و مختصات هر یک از اتمها تعریف شده است.همچنین با توجه به اتم های موجوددر ملکول مورد نظر یک مجموعه پایه از اوربیتالهای اتمی انتخاب می شود. بنابراین در این روش بر خلاف روش های نیمه تجربی ، پارامترهای تجربی وارد محاسبات نشده و محاسبات بر قوانین مکانیک کوانتومی و برخی ثوابع فیزیکی نظیر سرعت نور، جرم وبارالکترون، بار هسته ها و ثابت پلانک استوار است.
2-5-3 تقریب هارتری- فاکپایین ترین سطح و متداول تربن نوع از محاسبات ab initio، محاسبات هارتری- فاک نامیده می شود که در آن عملگر هامیلتونی شامل دو عبارت، انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی است. تقریب اولیه در این نوع محاسبه، تقریب میدان مرکزی خودسازگار است. دافعه کلونی الکترون-الکترون با انجام انتگرال گیری از عبارت دافعه محاسبه می شود. این یک محاسبه متغیر است به این معنا که انرژی های تقریبی محاسبه شده همگی برابر یا بزرگتر از مقدار انرژی واقعی هستند. یکی از مزیت های این روش، تفکیک معادله شرودینگر به تعدادی معادله تک الکترونی است که نتیجه آن یک تابع موج تک الکترونی بوده که یک اوربیتال نامیده شده و مقدار ویژه حاصل از آن بیانگر انرژی یک اوربیتال است. تقریب دوم در محاسبات هارتری- فاک این است که یک تابع موج با تعدادی توابع ریاضی توصیف می شود. توابع استفاده شده اغلب اوقات ترکیبی خطی از اوربیتال های گوسینی است.به علت ترکیب خطی اوربیتال های اتمی انرژی محاسبه شده، بزرگتر از انرژی حدی هارتری فاک می باشد. به منظور بدست آوردن یک اوربیتال با تقارن p,s یا d توابع گوسینی در یک تابع زاویه ای ضرب می شوند و سپس این اوربیتال ها به صورت یک دترمینان اسلیتر و با در نظر گرفتن دو شرط اساسی آرایش داده می شوند. شرط اول عبارت است از اینکه، الکترون ها باید غیر قابل تمییز باشند، شرط دوم آن است که تابع موج باید نسبت به جابجایی دو الکترون نامتقارن باشند.
با وجود استفاده از یک بسط طولانی در اوربیتالهای ملکولی و رسیدن به حد نهایی هارتری-فاک، هنوز هم با نقص هایی در تابع موج که بر آمده از تقریب های معادله هارتری-فاک می باشند روبرو هستیم.دو منبع مهم خطا در معادلات اولیه وجود دارد، یکی اینکه کل تئوری بر مبنای معادله شرودینگر است که اثرات نسبیتی در آن لحاظ نشده است، حرکت الکترون های داخلی با سرعتی است که در مقایسه با سرعت نور قابل صرف نظر کردن نیست واین سهم اثرات نسبیتی و ثابت نبودن جرم را نشان می دهد.ولی از آنجائیکه اکثر تغییرات شیمیایی و بیولوژیکی مولکول مربوط به الکترون های ظرفیتی اند، این خطا معمولا ثابت بوده و مشکل بزرگی را ایجاد نمی کند. منبع خطای دوم که جدی تر و با اهمیت تر است خطای مربوط به انرژی همبستگی نامیده می شود.
2-5-3-1تئوری اختلال مولر- پلستاثرات همبستگی الکترونی را می توان به صورت یک عبارت اختلال به تابع موج هارتری- فاک اضافه نمود. این روش، تئوری اختلال مولر- پلست نامیده می شود. بر مبنای این تئوری، روش HF معادل با اختلال مرتبه اول می باشد. یک مقدارکوچک از اثرات همبستگی با استفاده از اختلال مرتبه دوم از روش مولر پلست (MP2)، در محاسبات منظور می شود. محاسبات مرتبه سوم(MP3) و مرتبه چهارم (MP4) نیز عموما مورد استفاده قرار می گیرند. اما اختلال مرتبه پنجم(MP5) و درجات بالاتر از آن به دلیل مقرون به صرفه نبودن از نظر زمان محاسباتی به ندرت مورد استفاده قرار می گیرند. در تئوری اختلال، همخوانی یا عدم همخوانی نتایج انرژی محاسبه ای با مقدارواقعی، بستگی به ماهیت سیستم تحت بررسی دارد. یکی از مزیت های این روش دامنه کاربردی وسیع آن می باشد که محاسباتی با دقت را ایجاد می کند اما زمان محاسبات بسیار بالایی را نیاز دارد.
2-5-3-2روش بر همکنش های پیکربندیدر روش برهمکنش های پیکربندی برای وارد کردن اثرات همبستگی ترکیبات خطی بیشتری از حالتهای پایه و برانگیخته را در بدست آوردن تابع موج استفاده می کنند. محاسبات برهمکنش پیکربندی دارای صحت خیلی بالایی هستند. محاسبات برهمکنش پیکربندی بر اساس نحوه و تعداد حالت های برانگیخته در تشکیل هر دترمینان تقسیم بندی می شوند.
2-5-3-3روش میدان خودسازگار چند پیکربندیدر روش میدان خودسازگار چند پیکربندی در مقایسه با روش برهمکنش های پیکربندی تعداد کمتری از حالتهای برانگیخته در نظر گرفته می شود.حالتهای برانگیخته ای مدنظر هستند که سهم بیشتری را در انرژی همبستگی دارند ولی به کار بردن این روش مستلزم به کارگیری دقت زیادی در انتخاب حالتهای برانگیخته است و نتایج صحیح تری را می دهد.
2-5-4تئوری تابع چگال(DFT)تئوری تابع چگال(DFT) در سالهای اخیر شهرت زیادی پیدا کرده است. بر مبنا مشاهدات علمی نشان داده شده این روش از نظر سرعت محاسباتی پایین تر از روشهای دیگر با دقت و صحت مشابه می باشد. این تئوری نسبت به روشهای دیگر ab initio در سال های اخیر توسعه بیشتری یافته است.در این روش به منظور محاسبه انرژی یک مولکول به جای استفاده از یک تابع موج از دانسیته الکترونی استفاده می شود. از مزایای بزرگ DFT، اعمال انتگرال های دافعه کولمبی روی یک تابع سه بعدی و منظور کردن اندکی از اثرات همبستگی الکترونی در حین محاسبه می باشد. این روش از نظر محاسباتی و صحت نتایج، سریع تر و دقیق تر از روش HFمی باشد. امروزه اکثر محاسبات DFT ،با مجموعه پایهGTOبهینه شده HF انجام می شوند. البته صحت و درستی نتایج در صورت استفاده از مجموعه های پایه کوچک به میزان زیادی کاهش می یابد.از این رو با توجه به دقت وصحت نتایج، کوچکترین مجموعه پایه مورد استفاده G31-6 می باشد. با به کار بردن توابع پایه بهتری در محاسبات DFT می توان نتایج با حد دقت و صحت نتایج روش های محاسباتی MP2 بدست آورد. روش DFT به روش متعدد دیگری تقسیم می شود که ساده ترین آن روش، Xa نامیده می شود. در این روش محاسباتی اثر تعویض الکترونی در نظر گرفته می شود ولی از اثرات همبستگی الکترونی چشم پوشی می شود. در یک سری روش های ترکیبی توابع به دست آمده از روش های دیگر با اجزایی از محاسبات هارتری- فاک که معمولا انتگرال های تعویضی هستند تلفیق می شوند. عموماً روش های ترکیبی و تصحیح گرادیانی از نقطه نظر صحت و درستی بهترین نتایج را می دهند. از جمله این روشها می توان B3LYP، PBE، B3PW91،PW91 ، MPW1PW91 و ....را نام برد که روشهای ،PW91،PBE،MPW1PW91 برای محاسبات انرژی بر همکنش از نظر دقت و صحت مشابه MP2 می باشند ولی زمان محاسباتی خیلی کمتری را نیازمند هستند.
2-6مجموعه های پایهبعد از انتخاب روش محاسباتی، باید مجموعه های پایه به منظور ساختن اوربیتال های مولکولی فراگیر تعیین گردند تا روند محاسبات به مسیر مناسبی هدایت شود. این نکته باید در نظر گرفته شود که ممکن است یک روش و مجموعه پایه برای یک کاربرد، کاملاً به جا و منحصر به فرد باشد در حالیکه در سایر موارد غیر قابل استفاده باشد.اوربیتال های مولکولی ترکیب از اوربیتال های اتمی هستند که امروزه ترجیحاً مجموعه های پایه نامیده می شود. به دو طریق می توان از مجموعه پایه استفاده نمود. در روش اول اوربیتال های اتمی به عنوان توابع در نظر گرفته می شوند.در این روش از مجموعه های پایه حداقل استفاده و نتایج آن معمولاً برای مولکول های حجیم یا به منظور انجام پیش بینی های کیفی مورد استفاده قرار می گیرند. در روش دوم توابع تشکیل دهنده مجموعه پایه، شامل یک سری توابع ریاضی هستند که حداکثر انعطاف پذیری را متناسب با اوربیتال های مولکولی دارند. در این روش، مجموعه های پایه مورد استفاده از توابع گوسی تشکیل و با توجه به دقت لازم برای انجام محاسبات نوع و تعداد توابع گوسی مورد استفاده تعیین می شود. افزودن توابع قطبش پذیر و نفوذی به مجموعه های پایه یکی از راهکارهای ارتقاء و بهبود نتایج این روش محسوب می شود. همچنین استفاده از توابع پایه ظرفیتی شکافته ای، که در آن اوربیتال های ظرفیتی به دو یا سه تابع شکافته می شوند، متداول وکارساز است.به عنوان مثال در مجموعه پایه G311-6 اوربیتال های ظرفیتی به سه تابع شکافته می شوند.
2-6-1مجموعه پایه حداقلکوچکترین مجموعه های پایه، مجموعه پایه حداقل نامیده می شوند. از جمله مجموعه های پایه حداقل که بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، مجموعه پایه STO-nG است. معروف ترین مجموعه پایه حداقل، STO-3G است که ترکیب خطی از سه اوربیتال گوسینی تطبیق داده شده با یک اوربیتال اسلیتری می باشد. البته همانطور که در بخش قبل اشاره شد، مجموعه های پایه حداقل معمولاً برای مولکول های خیلی بزرگ و نتایج کیفی استفاده می شوند.
2-6-2مجموعه پایه ظرفیتی شکافتهمتداولترین مجموعه های پایه شکافته که توسط گروه پاپل مطرح شدند، عبارتند از:
7-41G, 6-311G, 6-21G, 4-22G, 6-31G, 3-21G
در 6-31GT، هر لایه مرکزی متشکل از شش تابع اولیه GTO و هر اوربیتال ظرفیتی آن با دو حالت انقباضی، یکی با سه تابع اولیه و دیگری با یک تابع اولیه گوسینی توصیف می شود. این نوع مجموعه های پایه بیشتر برای مولکول های آلی استفاده می شوند. برای اتم ها، سری پایه 3-21G برای همه اتم ها تا Xe و سری پایه 6-31G قابل کاربرد است.
برای اینکه اجازه دهیم شکل اوربیتال ها تغییر کند می توانیم سهم هایی را از اوربیتال ها با اندازه حرکت زاویه ای بالاتر در نظر آورد، به عنوان نمونه می توان از یک و دو اوربیتال d مربوط به هر اتم کربن استفاده نمود. نماد گذاری لازم برای نشان دادن این موضوع عبارت است از اضافه کردن یک حرف برای نوع اوربیتال در نظر گرفته شده در انتهای نام اختصاری ، به عنوان مثال 6-31G(2d,p) که معنی آن این است که دو اوربیتال d مربوط به اتم های سنگین و یک اوربیتال p مربوط به اتم های هیدروژن را در محاسبات وارد می کند.
2-6-3توابع پایه نفوذیتوابع پایه نفوذی، توابعی با نمادهای کوچک می باشند که شکل تابع موج را در فاصله دورتر از هسته توصیف می کنند. این نوع توابع برای آنیون های دارای توزیع دانسیته الکترونی بالا و همچنین برای برهمکنش های با دامنه بلند مورد استفاده قرار می گیرند. لازم به ذکر است که توابع نفوذی می توانند همراه با توابع پلاریزه، استفاده شده و به ایجاد سری های پایه 6-31+G و 6-31++G منتهی شوند.
2-6-4 مجموعه های پایه قطبش پذیرمجموعه پایه بهبود یافته با اضافه کردن یک یا دو علامت ستاره نظیر 6-31G**, 6-31G* مشخص می شوند. یک ستاره بیانگر این است که مجموعه ای از توابع اولیه d به اتم های غیر هیدروژنی اضافه می شود. دو ستاره مجموعه ای توابع p را به اتم های هیدروژن اضافه می کند. این نوع توابع، توابع پایه قطبش پذیر نامیده می شوند، زیرا به تابع موج قابلیت انعطاف پذیری بیشتری برای تغییرشکل می دهند.
2-7نرم افزارهای به کار رفته در این مطالعهHyperchem 8.0.3:

شکل (2-1) نمایی از نرم افزار هایپرکم.ساختار تمام مولکول های مورد نظر با استفاده از نرم افزارHyperchem 8.0.3رسم شده است.
Gaussian Viewer Version 5.0.8 :

شکل(2-2) نمایی از نرم افزار گوس ویو.برای رسم ساختارهای مورد نظر جهت اماده کردن فایل های ورودی نرم افزار محاسباتی از Gaussian Viewer Version 3.07 استفاده شده است.
Gaussian 2003 Version:

شکل (2-3) نمایی از نرم افزار گوسیین.به منظور بهینه کردن ساختارهای مورد نظر، تمامی ساختارها با استفاده از نرم افزار(48) Gaussian 2003 Version B.03با مجموعه پایه ها و سطح مناسب بهینه شده اند. مجموعه پایه 6-311G(d,p)(49.50.51) برای تما اتمها به کار رفته است. بهینه کردن ساختار کمپلکسها با استفاده از روش تابعگان چگالی B3LYPانجام شدهاست(52.53.54). آنالیز ارتعاشی نیز برای اطمینان از قرار داشتن کمپلکسها بر روی کمینه انرژی منحنی انرژی پتانسیل یعنی حالت پایه انجام شده است.
تمام داده های خروجی انرژتیک، ساختاری، ویژگی های و دیگر ویژگی ها با استفاده از این نرم افزار صورت گرفت. پس از بهینه کردن ساختارهای مورد نظر داده های طول ها و زوایای پیوندی با استفاده از نرم افزار Gaussian Viewer 3.07 خوانده شده اند. سیمای اوربیتالهای مولکولی نیز با استفاده از این نرم افزار رسم شده‌اند.
Chem Draw Version 9.0.1:

شکل (2-4) نمایی از نرم افزار کم دراو.برای رسم گرافیکی شکل تمام مولکولهای بررسی شده از نرم افزار Chem Draw Version 9.0.1 استفاده شده است.
ویژگی های سخت افزاری
تمام این نرم افزارهاتحت سیستم عامل Windows 7 Ultimateنصب شده اند. محاسبه ها با استفاده از رایانه Intel(R)Core(TM) 2Duo CPU 2.53GHzبا 4GB رم انجام شده است.
فصل سوم: بحث و نتیجه گیری3-1جنبه های پر انرژی (انرژتیک )شکل 3-1 بررسی بنزن و رنگسازهای دارای بورازین را در این پروژه - ریسرچنشان می دهد.

شکل (3-1)فرم رزونانسی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف x .جدول 3-1 محاسبه انرژی، انرژی های نسبی برای تمام مولکول ها را نمایش می دهد. انرژی نسبی نشان می‌دهد که ایزومرB پایدارتر از ایزومر N در تمام گونه ها ست.
جدول (3-1) انرژی مطلق(هارتری)انرژی نسبی(E)ثابت هامت آنها (p)گشتاور دوقطبی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف .xE(N) E(B) E p tot(N) tot(B)
H -551.2612 -551.2867 16.0114 0.00 1.6170 1.1312
F -650.5254 -650.5510 16.0681 0.15 1.5716 0.3888
Cl -1010.883 -1010.9086 15.7131 0.24 2.0451 1.0524
Br -3124.8041 -3124.8291 15.6812 0.23 1.9662 0.9264
OH -626.5042 -626.5308 16.7007 -0.38 3.2086 2.2789
NH2 -606.6340 -606.6614 17.1915 -0.57 3.8899 3.8318
Me -590.5887 -590.6147 16.2763 -0.14 1.9659 1.7426
CN -643.5280 -643.5516 14.8121 0.70 5.2518 4.3900
CF3 -888.4017 -888.4258 15.1485 0.53 5.2419 2.4079
CHO -664.6178 -664.6416 14.9093 - 4.3992 2.9788
COOH -739.8939 -739.9179 15.1083 0.44 3.0916 1.5469
NO2 -755.8200 -755.8431 14.4770 0.81 5.6899 4.6521
یک رابطه خطی خوب بین مقادیر انرژی های نسبی همراه با ثابت هامت آنها((p) ( ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>March</Author><Year>1985</Year><RecNum>82</RecNum><DisplayText><style face="superscript">19</style></DisplayText><record><rec-number>82</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xafwx29p8rax5cefev2vfv0w5d5fedpzzwwv">82</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>J. March </author></authors></contributors><titles><title>Advanced Organic Chemistry</title></titles><edition>3rd ed</edition><section>244</section><dates><year>1985</year></dates><pub-location>New York </pub-location><publisher>John Wiley &amp; Sons</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>19 وجود دارد (شکل 3-2)

شکل (3-2) رابطه انرژی نسبی با ثابت هامت آنها (p).3-2گشتاور دو قطبیمقادیر گشتاور دو قطبی در جدول 1-1 جمع آوری شده است. در حال حاضر مقادیر ایزومر N گشتاور دو قطبی بیشتری از ایزومرB دارند. ارتباط خوبی بین و ثابت هامت آنها (p) نشان داده شده. شکل 3-3 را ببینید.

شکل (3-3) رابطه گشتاور دوقطبی با ثابت هامت(p).3-3قطبش پذیری قطبش پذیری واکنش یک سیستم در میدان الکتریکی اعمال شده را توصیف می کند(20).آن ها نه تنها قدرت فعل و انفعالات مولکولی را تعیین می کنند(21) (همانند القا بلند مدت بین مولکولی، نیروهای پراکندگی و غیره.) بلکه به عنوان مقطع پراکندگی های مختلف و فرایندهای برخورد و همچنین خواص نوری غیر خطی سیستم را تعیین می کند.
قطبش همسانگرد<α> به عنوان مقدار متوسط در معادله زیر محاسبه می شود:
(3-1)
و قطبش پذیری ناهمسانگردی هست:
Δα=(αXX- αYY)2+(αYY- αZZ)2+(αZZ- αXX)2212(3-2)
محاسبه مقادیر قطبش همسانگرد و ناهمسانگرد نشان می دهد این مقادیر در کمپلکس های پایدار کاهش می یابد، همان طور که انتظار می رود از اصول حداقل انرژی و حداقل قطبش پذیری در اکثر موارد (به جز OH، NH2 = x ، جدول(3-2))(22).
جدول (3-2)قطبش همسانگرد و نا همسانگرد رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xB-isomer
xx yy zz <>
H 255.71 146.88 69.02 157.21 162.42
F 257.31 146.22 69.06 157.53 163.91
Cl 298.59 150.04 72.49 173.71 199.00
Br 314.96 153.43 75.96 181.45 211.20
OH 278.63 149.43 70.21 166.09 182.22
NH2 304.09 152.91 72.38 176.47 203.75
ME 289.33 155.58 78.54 174.49 184.74
CN 317.68 150.19 75.19 181.03 215.03
CF3 278.75 153.74 79.25 170.59 174.61
CHO 310.82 158.57 74.32 181.24 207.62
COOH 312.53 160.04 75.68 182.75 207.93
NO2 307.25 160.32 74.23 180.60 204.08
N-isomer
X xx yy zz <>
H 260.78 139.70 73.94 158.14 164.16
F 260.85 139.05 74.10 158.00 164.22
Cl 304.18 144.03 76.04 174.75 202.87
Br 320.34 147.51 79.45 182.44 215.10
OH 277.67 141.71 76.15 165.18 178.03
NH2 297.11 144.44 79.75 173.77 193.31
ME 292.30 148.75 83.39 174.82 185.10
CN 335.43 147.45 74.20 185.70 233.39
CF3 292.31 150.50 78.86 173.90 188.15
CHO 331.83 155.85 73.32 187.01 228.70
COOH 330.59 156.57 75.49 187.56 225.76
NO2 334.72 158.12 72.08 188.31 231.91
از سوی دیگر یک ارتباط خوب بین مقادیر قطبش همسانگرد و ناهمسانگرد با مقادیر نسبی انرژی وجود دارد.(شکل 3-4)

شکل (3-4)رابطه قطبش همسانگرد و نا همسانگرد (iso)N-isomer-(iso)B-isomer and(aniso)N-isomer-(aniso)B-isomer با ثابت هامت(p).3-4آنالیز اوربیتال جبهه اییک ویژگی جالب برای این مولکول ها شکاف انرژی Eg بین بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده(HOMO) و کمترین اوربیتال مولکولی خالی (LUMO)است. شکاف انرژی به عنوان بازتابی از فعالیت های شیمیایی مولکول در نظر گرفته شده است. مقادیر انرژی اوربیتال جبهه ای در جدول 3-3 جمع آوری شده است.
جدول (3-3)انرژی اوربیتال جبهه ای (هارتری) انرژی شکاف (E) و سختی (S)و پتانسیل شیمیایی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xB-isomer
HOMO LUMO E S
H -0.2307 -0.0586 4.6814 2.3407 0.2136 -3.9372 3.3113
F -0.2316 -0.0606 4.6529 2.3264 0.2149 -3.9773 3.3999
Cl -0.2345 -0.0670 4.5582 2.2791 0.2193 -4.1036 3.6944
Br -0.2333 -0.0673 4.5193 2.2596 0.2212 -4.0909 3.7032
OH -0.2158 -0.0514 4.4735 2.2367 0.2235 -3.6357 2.9548
NH2 -0.2004 -0.0451 4.2273 2.1136 0.2365 -3.3414 2.6412
ME -0.2242 -0.0553 4.5965 2.2982 0.2175 -3.8044 3.1488
CN -0.2483 -0.0873 4.3799 2.1899 0.2283 -4.5666 4.7612
CF3 -0.2460 -0.0758 4.6327 2.3163 0.2158 -4.3801 4.1412
CHO -0.2444 -0.0893 4.2194 2.1097 0.2369 -4.5416 4.8884
COOH -0.2418 -0.0813 4.3685 2.1842 0.2289 -4.3973 4.4264
NO2 -0.2545 -0.1051 4.0651 2.0325 0.2459 -4.8930 5.8895
N-isomer
HOMO LUMO E S
H -0.2092 -0.0381 4.6550 2.3275 0.2148 -3.3653 2.4330
F -0.2109 -0.0401 4.6477 2.3238 0.21515 -3.4161 2.5109
Cl -0.2140 -0.0471 4.5407 2.2703 0.2202 -3.5542 2.7820
Br -0.2135 -0.0475 4.5171 2.2585 0.2213 -3.5516 2.7925
OH -0.1976 -0.0312 4.5255 2.2627 0.2209 -3.1142 2.1430
NH2 -0.1853 -0.0256 4.3456 2.1728 0.2301 -2.8719 1.8979
ME -0.2041 -0.0351 4.5968 2.2984 0.2175 -3.2554 2.3054
CN -0.2252 -0.0695 4.2360 2.1180 0.2360 -4.0116 3.7991
CF3 -0.2223 -0.0569 4.5007 2.2503 0.2221 -3.8009 3.2098
CHO -0.2212 -0.0735 4.0202 2.0101 0.2487 -4.0109 4.0017
COOH -0.2188 -0.0645 4.1990 2.0995 0.2381 -3.8562 3.5415
NO2 -0.2301 -0.0918 3.7628 1.8814 0.2657 -4.3816 5.1021
این مقادیر نشان می دهند مقادیر انرژی HOMOو LUMO در استخلاف های مولکولی کاهش می یابد، به جز OH,NH2،Me = x. همچنین این مقادیر درایزومر پایدارتر کاهش می یابد. شکل 3-5رابطه خطی بین انرژی اوربیتال مرزی و مقادیر ثابت هامت را ارائه می دهد.

شکل (3-5)رابطه اوربیتال جبهه ای با انرژی نسبی.جدول 3-3 شکاف HOMO-LUMO تمامی ساختارها را نمایش می دهد. این مقادیر جایگزینی از علل کاهش شکاف انرژی را از سوی دیگر محاسبات شکاف مقادیری را نشان می دهد، که این مقادیر افزایش پیدا می کند در ایزومر پایدارتر، همانطور که انتظار می رود از اصول انرژی حداقل و حداکثر سختی در اکثر موارد انتظاری می رود (به جز OH، NH2 = x و جدول 3-3) ارتباط خوبی در میان مقادیر سختی نسبی با مقادیر ثابت وجود دارد. (شکل3-6)

شکل (3-6)رابطه بین مقادیر سختی و ثابت هامت (به جز OH,Me,NH2 )به منظور ارزیابی پتانسیل شیمیایی ()از این کمپلکس ها، این مقایر را می توان از انرژی های اوربیتال HOMOو LUMO با استفاده از بیان تقریبی زیر محاسبه کرد(23)و(24):
=(HOMO + LUMO)/2
این مقادیر نشان می دهد که ایزومر پایدارتر دارای پتانسیل شیمیایی کمتری است.
برای محاسبه الکترو فیلیسیتی از این کمپلکس ها، شاخص، با استفاده از عبارت زیر محاسبه می شود:
ω=μ22ηمقادیر شاخص الکترو فیلیسیتی در جدول 3-3 نشان می دهد ایزومر پایدارتر بزرگترین الکترو فیلیسیتی را دارد.
3-5تجزیه و تحلیل ساختاریشکل هندسی بهینه سازی شده رنگسازی های دارای بورازین مورد مطالعه در کار با برچسب زدن اتم در شکل3-1 نشان داده شده است. همه مولکول های مورد مطالعه اساساً غیر مسطح هستند. جدول 3-4 نشان می دهد داده های ساختاری انتخاب شده برای ساختارهای بهینه شده با گروه های مختلف x.
این مقادیر نشان می دهد که باندهای C1C2، C3C4، C5C6 بلندتر هستند در حالی که باندهای B1N2 و B3N3 کوتاه ترند. این تغییرات در طول باند نشان می دهد سهم بیشتر ساختار رزونانسی یونی ناآروماتیک را نشان می دهد.
جدول (3-4)حداکثر طول موج جذب شده(max)،قدرت نوسانگر رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xB-isomer
X B1 N1 N1B2 B2N2 N2B3 B3N3 N3B1 B1C2’ C1’C2’ C1’C1 C1C2 C2C3 C3C4 C4C5 C5C6 C6C1
H 1.439 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.559 1.345 1.469 1.404 1.391 1.392 1.396 1.388 1.406
F 1.438 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.559 1.345 1.469 1.404 1.391 1.385 1.389 1.387 1.406
Cl 1.438 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.560 1.345 1.469 1.403 1.391 1.389 1.393 1.387 1.405
Br 1.438 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.560 1.345 1.469 1.403 1.391 1.390 1.394 1.388 1.405
OH 1.440 1.427 1.430 1.430 1.426 1.440 1.557 1.346 1.466 1.402 1.390 1.395 1.400 1.384 1.408
NH2 1441 1.426 1.430 1.431 1.425 1.441 1.555 1.348 1.463 1.405 1.387 1.403 1.407 1.383 1.407
ME 1.439 1.427 1.429 1.430 1.426 1.439 1.558 1.346 1.468 1.402 1.392 1.396 1.403 1.386 1.406
CN 1.436 1.429 1.429 1.430 1.428 1.436 1.563 1.345 1.469 1.405 1.387 1.401 1.405 1.384 1.406
CF3 1.437 1.429 1.429 1.430 1.428 1.437 1.562 1.344 1.470 1.403 1.390 1.393 1.398 1.385 1.406
CHO 1.437 1.429 1.429 1.430 1.428 1.437 1.562 1.345 1.468 1.405 1.389 1.397 1.403 1.382 1.410
COOH 1.437 1.429 1.429 1.430 1.428 1.437 1.562 1.345 1.469 1.405 1.388 1.398 1.401 1.384 1.407
NO2 1.436 1.480 1.429 1.430 1.429 1.436 1.564 1.345 1.469 1.406 1.388 1.390 1.393 1.388 1.407
N-isomer
X N1 B1 B1N2 N2B2 B2N3 N3B3 B3N1 N1C2’ C1’C2’ C1’C1 C1C2 C2C3 C3C4 C4C5 C5C6 C6C1
H 1.445 1.424 1.428 1.429 1.425 1.447 1.417 1.340 1.468 1.405 1.391 1.393 1.395 1.389 1.406
F 1.445 1.424 1.428 1.429 1.425 1.447 1.417 1.340 1.468 1.405 1.391 1.385 1.388 1.389 1.406
Cl 1.446 1.423 1.428 1.429 1.424 1.448 1.415 1.341 1.466 1.405 1.390 1.389 1.392 1.388 1.406
Br 1.446 1.423 1.428 1.429 1.424 1.448 1.415 1.341 1.466 1.405 1.391 1.390 1.392 1.389 1.406
OH 1.444 1.425 1.428 1.428 1.426 1.446 1.420 1.340 1.467 1.403 1.391 1.394 1.398 1.386 1.408
NH2 1.443 1.425 1.428 1.428 1.427 1.445 1.421 1.340 1.466 1.404 1.388 1.402 1.404 1.386 1.406
ME 1.444 1.425 1.428 1.429 1.425 1.446 1.418 1.340 1.467 1.402 1.392 1.396 1.402 1.387 1.407
CN 1.448 1.422 1.428 1.430 1.422 1.450 1.411 1.343 1.463 1.407 1.386 1.402 1.405 1.384 1.409


CF3 1.447 1.423 1.428 1.430 1.423 1.449 1.413 1.342 1.465 1.405 1.389 1.393 1.397 1.386 1.408
CHO 1.448 1.422 1.428 1.430 1.423 1.450 1.412 1.343 1.462 1.407 1.388 1.397 1.404 1.381 1.413
COOH 1.447 1.423 1.428 1.430 1.423 1.449 1.413 1.342 1.464 1.407 1.387 1.398 1.401 1.383 1.409
NO2 1.449 1.422 1.428 1.430 1.422 1.451 1.410 1.343 1.462 1.409 1.386 1.391 1.394 1.384 1.410
3-6طیف های الکترونیشدیدترین انتقال الکترونی (max) از مولکولها را یافتیم. طول موج، مقاومت نوسانگر، ترکیب انتقالات توسط محاسبات TD-DFT به دست آمده در جدول 3-5داده شده است. این محاسبات نشان دهنده کاهش max در ایزومر B هست.
جدول (3-5)مقادیر اجزا و tot(10-30 esu) رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xN-isomer B-isomer
Character max f max F
H HOMOLUMO 286.95 0.6877 277.81 0.8117
F HOMOLUMO 288.60 0.5803 279.87 0.7579
Cl HOMOLUMO 294.37 0.7667 286.60 0.8986
Br HOMOLUMO 296.29 0.8082 290.02 0.9224
OH HOMOLUMO 296.39 0.5979 290.45 0.8057
NH2 HOMOLUMO 308.24 0.6218 306.66 0.8390
ME HOMOLUMO 290.82 0.7622 283.37 0.9175
CN HOMOLUMO 309.30 0.9708 295.71 0.9774
CF3 HOMOLUMO 294.60 0.8166 281.36 0.8660
CHO HOMOLUMO 323.59 0.9312 306.52 0.9179
COOH HOMOLUMO 313.42 0.9459 298.05 0.9504
NO2 HOMOLUMO 352.16 0.6839 326.03 0.6617
یک ارتباط خوب بین pوmax(=max, N-isomer -max, B-isomer) وجود دارد برای تمامی استخلاف ها، به جز Br و CN و Cl = x (شکل 3-7) شدیدترین انتقال الکترونی برای همه مولکول ها به انتقالات HOMO-LUMO نسبت داده می شود.

شکل (3-7)رابطه بینmax(=max, N-isomer -max, B-isomer) و ثابت هامت(p)،به جز (Cl, CN, Br).3-7فوق قطبش پذیریاولین مقادیر فوق قطبش پذیری استاتیک(tot) برای همه مولکول ها در جدول 3-6 نشان داده شده است.
جدول (3-6) اجزاء و مقادیر tot(10-30 esu) برای رنگسازهای دارای بورازین با گروهای مختلف X-B-isomer
X H F Cl Br Me NH2 CN COOH CHO NO2 CF3 OH
βXXX 27.92 26.61 21.49 20.99 29.33 57.02 15.42 4.93 68.14 3.67 10.33 48.85
βXXY -9.91 -13.85 -11.08 -10.08 -33.26 -24.01 -6.88 -1.79 -25.08 -4.08 -7.31 -21.73
βXYY 4.12 1.54 -0.66 0.10 10.95 7.76 -1.39 3.56 14.93 3.49 1.20 4.83
βYYY 4.43 7.11 10.78 9.09 16.90 10.21 7.00 0.90 -5.81 3.09 3.94 3.26
βXXZ -42.46 -46.68 -19.80 -7.01 -63.98 -78.85 -6.25 20.84 -24.35 22.80 0.61 -65.60
βXYZ 22.02 30.45 21.38 13.69 22.40 35.23 14.20 0.84 23.86 -1.27 14.17 39.39
βYYZ 17.17 21.99 33.30 37.40 -13.14 32.28 43.58 47.38 30.67 47.21 41.22 24.84
βXZZ -73.27 -125.84 -127.38 -144.89 -119.27 -341.15 49.14 127.63 158.15 247.97 -0.65 -214.01
βYZZ 44.32 74.29 86.67 94.46 76.66 298.37 -25.12 -83.97 -92.64 -156.04 -0.49 96.98
βZZZ 702.19 1222.74 1411.03 1642.97 1291.75 3344.65 -265.34 -959.81 -1360.79 -2515.21 192.77 2159.49
βtot 5.87E-30 1.04E-29 1.24E-29 1.45E-29 1.05E-29 2.87E-29 2.06E-30 7.83E-30 1.19E-29 2.13E-29 2.03E-30 1.84E-29
βtot10-30 5.87 10.4 12.36 14.52 10.53 28.7 2.06 7.83 11.93 21.28 2.03 18.37
X H F Cl Br Me NH2 CN COOH CHO NO2 CF3 OH
βXXX 247.31 -62.44 -70.46 -71.57 -72.78 -52.44 -78.01 -84.23 -28.74 -83.25 -73.97 -54.15
βXXY 56.14 1.42 8.41 10.24 -10.93 0.55 19.91 25.08 1.05 23.13 18.90 -7.18
βXYY -118.15 6.78 -0.60 -1.83 14.06 10.16 -6.89 -4.92 5.59 -2.67 -7.83 9.90
βYYY 10.69 1.80 9.41 11.30 14.80 10.00 4.63 1.12 -4.83 2.69 5.99 1.17
βXXZ -16.83 130.47 168.08 183.09 121.68 124.45 205.88 231.36 196.48 2.22 191.36 124.20
βXYZ 55.60 32.42 15.30 6.60 15.46 46.48 -19.69 -35.69 -19.04 -47.56 -14.32 48.57
βYYZ -4.49 -3.04 16.05 20.13 -32.96 -17.82 33.65 33.20 21.67 41.72 31.66 -9.35
βXZZ -24.05 -10.19 13.26 10.97 -1.53 -104.13 152.54 207.31 219.93 324.39 81.17 -56.11
βYZZ 1.08 10.43 -1.62 -0.20 1.07 172.54 -117.38 -169.26 -174.82 -266.02 -73.68 27.66
βZZZ 7.03 234.41 79.71 157.52 59.52 1848.99 -2007.88 -2856.46 -3397.78 -5040.28 -1030.40 979.37
βtot 1.09E-30 3.18E-30 2.34E-30 3.17E-30 1.38E-30 1.70E-29 1.53E-29 2.25E-29 2.76E-29 4.33E-29 6.99E-30 9.50E-30
βtot10-30 1.09 3.18 2.34 3.17 1.38 17.02 15.31 22.45 27.57 43.27 6.99 9.5
N-isomer
نتایج نشان می دهد که بزرگی اولین تنسور فوق قطبش پذیری همه مولکول ها نسبتاً متوسط است و NO2 و NH2 بیشترین مقدار ایزومر N و B را به ترتیب دارند. همچنین این مقادیر نشان می دهد اولین مقدار فوق قطبش پذیری ایزومر بیشتر از ایزومر B با خروج استخلافات هستند. از سوی دیگر این مقادیر ایزومر N کمتر از ایزومر β با استخلافات دهنده هستند.
یک ارتباط خوب بین tot و max در ایزومر N برای همه استخلافات نشان داده شده است (شکل 3-8). اما ارتباط مشابهی در ایزومر B برای استخلاف های دهنده و خارج کردن استخلاف ها وجود دارد.

شکل (3-8)رابطه بین اولین قطبش پذیری(tot) و max.
نتیجه کلی:مطالعه خواص الکتریکی، ساختاری، اسپکتروسکوپی و همچنین به عنوان اولین فوق قطبش پذیری استاتیک رنگسازها دارای بورازین نشان داد پایداری ایزومر B از گونه N بیشتر است. کاهش مقادیر قطبش همسانگرد و ناهمسانگرد و افزایش مقادیر شکاف HOMO-LUMO در کمپلکس های پایدار ناسازگار با اصول انرژی حداقل و قطبش حداقل در اکثر موارد بود (به جز OH،NH2 = x).
محاسبات نشان داد که شدیدترین جهش الکترونی با توجه به انتقال HOMOLUMO در همه مولکول هاست.
مطالعات تئوری نشان داد استخلاف های گیرنده (پذیرنده) باعث افزایش مقادیر اولین فوق قطبش پذیری در ایزومر N نسبت به ایزومر B می باشد، این مقادیر در ایزومر N کمتر از ایزومر B با استخلاف دهنده است.

کارهای آیندهبر اساس مطالعه انجام شده و نتیجه های به دست آمده می توان کارهای زیر را در ادامه این مطالعه پیشنهاد نمود:
بررسی اثر نوع مجموعه پایه،روش محاسباتی بر روی ساختارهای مورد نظر.
بررسی اثر حلال بر روی خواص و ساختار گونه های بررسی شده.
بررسی ساختارو خواص دیگر رنگسازهای دارای حلقه آروماتیک معدنی.
بررسی اثر طول زنجیر کربن-کربنی بر روی ساختار و خواص رنگساز.

مراجع ADDIN EN.REFLIST (1) C. D.Dimitrakopolous,; P.Malenfant, Adv. Mater.14(2002)pp 99-114.
(2) D. R.Kanis,; M. A.Ratner,; T. J.Marks, Journal of Organometallic Chemistry 614–615 (2000) pp 309–313(3) P. J.Mendes,; T. J. L.Silva,; A. J. P.Carvalho,; J. P. P.Ramalho, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM (2010)pp 33–42.(4) D.Avcı,; A.Basoglu,; YAtalay, Struct Chem (2010)pp227-234.(5) M.Medved,; S.Budzák,; I. Cernušák, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM ,961 (2010),pp194-201.
(6) W.Bartkowiak,; K.Strasburger, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM 960 (2010) pp 93–97 .
(7) Souza, L. A. D.; Jr., A. M. D. S.; Junqueira, G. M. A.; Carvalho, A. C. M.; Santos, H. F. D. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM (2010), 92-101.(8) A.Karton,; M. A.Iron,; M. E. v. d.Boom,; J. M. LMartin,. J. Phys. Chem. A (2005)pp109-113.
(9) P. C.Ray, Chemical Physics Letters (2004)pp, 354-359.(10) A.Hameed,; A.Rybarczyk-Pirek,; J.Zakrzewski, Journal of Organometallic Chemistry (2002)pp 315-317.
(11) M. J.Frisch,; G. W.Trucks,; H. B.Schlegel,; G. E.Scuseria,; M. A.Robb,; J. R.Cheeseman, Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, (2003).(12) J. S.Dewar, M.; C. H.Reynolds, J. Comp. Chem.(1986),pp141-146.(13) K.Raghavachari,; J. A.Pople,; E. S.Replogle,; M.Head-Gordon, J. Phys. Chem. A (1990)pp 94-101.(14) A. D.McLean,; G. S.Chandler, J. Chem. Phys. (1980)pp 72-77.(15) R.Krishnan,; J. S.Binkley, R.Seeger, J. A.Pople, J. Chem. Phys. (1980)pp645- 650.(16) A. D.Becke, J. Chem. Phys (1993)pp 98-104.(17) D. A.Keleiman, Phy. Rev. (1962) pp 126-129.
(18) E.Runge, E. K. UGross,. Phys. Rev. Lett. (1984)pp 52-59.(19) J.March, Advanced Organic Chemistry; 3rd ed ed.; John Wiley & Sons: New York 1985.(20) C. R.Zhang,; H. S.Chen,; G. H.Wang, Chem. Res. Chinese (2004)pp 20-28.(21) Cheng, H.; Feng, J.; Ren, A.; Liu, J. Acta Chim. Sin. 2002, 60, 830.(22) Roy, D. R.; Chattaraj, P. K. r. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 1612.(23) Pearson, R. G. Chemical Hardness; Wiley-VCH: Oxford, 1997.(24) Parr, R. G.; Yang, W. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules; Oxford University Press: New York, 1989.(25) M. Hofmann, P.v.R. Schleyer, Inorg. Chem. 1999, 38, 652; (b) M. Unverzagt, H.J. Winkler, M.Brock, M. Hofmann, P.v.R. Schleyer, W. Massa, A. Berndt, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1997, 36, 853.(26)P . von R. Schleyer, C. Maerker, A. Dransfeld, H. Jiao, N. J. R. Van Eikema-Hommes, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 6317.
(27)K.Michatl .Cyrañski, M.Tadeusz. Krygowski, M. Wisiorowski, Nicolaas J. R. van Eikema Hommes, Paul von Ragué Schleyer, Angewandte Chemie internl. Ed., (1998) pp 37-41.
(28) P. Von, R. Schleyer, H. Jiao, N. J. R. Van Eikema-Hommes, V. G.Malkin, O. L. Malkina, J. Am. Chem. Soc. (1997)pp 119-224.
(29)C. Corminboeuf, Th. Heine, G.Seifert, P.von Ragué Schleyer and Jacques Weber,  Phys. Chem. Chem. Phys., (2004)pp 273-284.
(30) C. Corminboeuf, Th. Heine, G.Seifert, P.von Ragué Schleyer and Jacques Weber,  Phys. Chem. Chem. Phys., (2004)pp 273-284.
(31) C R. Miao, G. Yang, C. Zhao, J. Hong, L. Zhu, J. Mol. Struct.:(THEOCHEM), (2005)pp 715-722.
(32)V. G.Malkin,; O. L.Malkina, L. A.Eriksson,; D. R. Salahub, J .Am. Chem. Soc. (1994)pp 116-124.
(33) (a)W. H. Flygare, Chem. Rev. 1974, 74, 653. (b)D. H. Hutter, W. H. Flygare, Top. Curr. Chem. (1976)pp 63-69.
(34) T. A. R. FKeith,. W. Bader, Chem. Phys. Lett. (1993)pp 210-223.
(35) H. J. Dauben, Jr., J. D.Wilson, J. L. Laity, J. Am. Chem. Soc. (1968)pp 90-95.
(36) The delocalization index is a measure of the number of electrons that are shared or exchanged between two atoms or basins. Integration of the Fermi hole density leads to the localization index (LI) and delocalization index. For more information see F--era, X.; Austen, M. A.; Bader, R. F. W.; J. Phys. Chem. A 1999, 103, 304; Merino, G.; Vela, A.; Heine, T.; Chem. Rev. (2005)pp 105-114.
(37) (a)R. W. F. Bader. Atoms in molecules: A quantum Theory; Claredon: Oxford, 1990.(b) R. W. F. Bader. Acc. Chem. Res. 1985,18, 9.(c) R. W. F. Bader. Chem. Rev. (1991)pp 91-98.
(38)J.Poater,; Solà, M., Duran, M.; F--era, X.; J. Chem.Phys.A (2001)pp 105-111.
(39) J.Poater,; X.F--era,; M.Duran,; M.Solà,; Chem. Eur. J. (2003)pp 422-426.
(40)density, degeneracy and delocalization-bases index of aromaticity
Caio L. Firme, Sergio E. Galembeck, O. A. C. Antunesa and Pierre M. Esteves J. Braz. Chem. Soc., (2007)pp 18-24.
(41)(a) P.v.R. Schleyer. Chem. Rev 2001,101,1115.(b)T.M. Krygowski, B. T. Stepiern, Chem. Rev., (2005) pp105-109.
(42)Stock A., Pohland E (1926). "Boric acid solution, VIII Regarding knowledge of B2H6 and B5H11".HYPERLINK "http://en.wikipedia.org/wiki/Berichte"Berichte (59): 2210–2215.
(43)Polymeric precursors to boron based ceramics Larry G. Sneddon, Mario G. L. Mirabelli, Anne T. Lynch, Paul J. Fazen, Kai Su, and Jeffrey S. Beckdon, Pure & Appl. Chem., 63, (1991)pp 407-413.
(44)Jong-Kyu Jeon, Yuko Uchimaru, and Dong-Pyo Kim Inorg. Chem., 43 ,(2004)pp 479-488.
(45)M. L. H.Green,; S. R.Marder,; M. E.Thompson,; J. A.Bandy,;Bloor, D.; P. V.Kolinsky,; R. J. Jones, Nature (London) (1987)pp 360-362.
(46)A. Karton, A.Mark Iron, E.Milko. van der Boom,* and Jan M. L. M J. Phys. Chem. A 2005, 109, 5454-5462, and references in it
(47) R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 2nd ed.; Academic Press: SanDiego, CA, 2003.(53) Dalton, L. R. J. Phys.: Condens. Matter 2003, 15, R897-R934.(54) van der Boom, M. E. Angew. Chem., Int. Ed. 2002, 41, 3363-3366.(55) van der Boom, M. E.; Marks, T. J. Layer-by-Layer Assembly of
Molecular Materials for Electrooptical Applications. In Polymers forMicroelectronics and Nanoelectronics; Lin, Q., Ed.; ACS Symposium Series
874; American Chemical Society: Washington, DC, 2004; pp 30-43.
(48)risch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, J. A.; Jr.; Vreven, T.; Kudin, K. N.; Burant, J. C.; Millam, J. M.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Barone, V.; Mennucci, B.; Cossi, M.; Scalmani, G.; Rega, N.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Klene, M.; Li, X.; Knox, J. E.; Hratchian, H. P.; Cross, J. B.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Ayala, P. Y.; Morokuma, K.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Zakrzewski, V. G.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Malick, D. K.; Rabuck, A. D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cui, Q.; Baboul, A. G.; Clifford, S.; Cioslowski, J.; Stefanov, B. B.; Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, I.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al-Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.; Gonzalez, C.; Pople, J. A. Gaussian 03, Revision B.03; Gaussian, Inc., Pittsburgh PA,: 2003.
(49)R. Ditchfield, W. J. Hehre, J. A. Pople, J. Chem. Phys 54 (1971) pp 724-733.
(50)P. C. Hariharan, J. A. Pople, Mol. Phys 27 (1974) 209-212.
(51)M. S. Gordon, Chem. Phys. Lett. 76 (1980) pp 163-175.
(52) C. C. J. Roothan, "New Developments in Molecular Orbital Theory," Rev. Mod.Phys. 23, (1951).pp69-77.(53) J. A. Pople and R. K. Nesbet, "Self-Consistent Orbitals for Radicals," J. Chem. Phys. 22, (1954) pp571-584.
(54) R. McWeeny and G. Dierksen, J. Chem. Phys., (1968)pp49-56.

نمونههایی از فایلهای ورودی فایل ورودی برای بهینه کردن ساختار و محاسبه فرکانسهای ارتعاشی و فوق قطبش پذیری
%chk=o1-OH.chk
%mem=6MW
%nproc=1
# rb3lyp/6-311g(d,p) opt freq
Title Card Required
0 1
B
N 1 B1
B 2 B2 1 A1
N 3 B3 2 A2 1 D1 0
B 4 B4 3 A3 2 D2 0
N 1 B5 2 A4 3 D3 0
H 1 B6 2 A5 3 D4 0
H 2 B7 1 A6 6 D5 0
H 3 B8 2 A7 1 D6 0

project

٢-۵١-مبدل دو مرحلهای ٠۶
فصل٣ : طراحی مدار راهانداز (DRIVER) به
روش مستقیم ٣-١-مقدمه ٣۶
٣-٢-سوئیچ و اﳌاای قدرت ۴۶
٣-٣-سنسور تعیین موقعیت و سرعت موتور ۶۶
٣-۴-آنﱰل دور و حلقه فیدبک ٧۶
فصل۴ : روش های عملی کاهش ریپل گشتاور
۴-١-بدست آوردن رابطه گشتاور از مدار معادل SRM ٧٢
۴-٢-بررسی رابطه L با موقعیت روتور θ ٧٣
۴-٣-بررسی تاثیر جریان بر L ۵٧
۴-۴-اثر ثابت گشتاور dL(θ,i)/dθ بر روی گشتاور ٧٧
۴-۵-اثر i 2 بر روی گشتاور ٧٨
۴-۶-ﲨع بندی در مورد کاهش ریپل گشتاور ٨٠
فصل۵ : طراحی مدار راهانداز (DRIVER) به روش غیرمستقیم
۵-١-مقدمه ٨٢ ۵-٢-تشخیص موقعیت روتور بدون استفاده از سنسور ٨٣ ۵-٣-آنﱰل جهت چرخش ۶٩ فصل۶ : نتیجه گیری و پیشنهادات ٩٩ نتیجه گیری پیشنهادات ١٠٢ پیوست نقشه های ﴰاتیکی سخت افزار دستگاه ١٠٣ پیوست اطلاعات نرم افزاری سیستم ١١٠ فصل٧ : مـراجـع ١٣٩ ۶
فهرست شکل ها صفحه عنوان ١-١.a-شکل :دو ﳕونه موتور رلوآتانسی با یک دندانه در هر قطب. ١٧ ١-١.b-شکل :ﳕونهای دیگر با دو دندانه در هر قطب . ١٧ ١-٢.شکل : ﳓوه عملکرد موتور رلوآتانس. ١٩ ١-٣-الف.شکل :ﴰای موتور رلوآتانس با برجستگی دوگانه. ٢٠ ١-٣-ب.شکل :ﴰای موتور رلوآتانس با برجستگی واحد. ٢٠ ١-۴-١.شکل :موتور رلوآتانس از نوع روتور صفحهای. ٢٢ ١-۴-٢.شکل :موتور رلوآتانس سوئیچی چند لایه. ٢٣ ١-۵-.aشکل :روتور با فاصله x از استاتور. ۶٢ ١-۵-.bشکل :منحنی شار برحسب mmf برای x1 و x2 آه x1>x2 ۶٢ ١-۶-.aشکل :یک قطب از موتور رلوآتانس. ٢٨ ١-۶-.bشکل :منحنی اندوآتانس برحسب موقعیت روتور. ٢٨ ١-٧-١.شکل :مدار معادل موتور رلوآتانسی. ٣١ ١-٧-٢.شکل :منحنی گشتاور ـ سرعت یک موتور رلوآتانسی ﳕونه. ٣٢ ٢-١.شکل :دستهبندی مدارات مبدل. ۴٣ ٢-٢.a-شکل :مبدل پل نامتقارن. ۵٣ ٢-٢.b-شکل :شکل موجهای مبدل پل نامتقارن ـ روش اول. ۶٣ ٢-٢.c-شکل :شکل موجهای مبدل پل نامتقارن ـ روش دوم. ٣٨ ٢-٢.d-شکل :استفاده از SCR و آاهش تعداد ترانزیستورهادرمبدل پل نامتقارن. ٣٩ ٢-۴-.aشکل :توپولوژی R-Dump ١۴ ٢-۴-.bشکل :شکل موجهای توپولوژی R-Dump ١۴ ٢-۵-.aشکل :مبدل Bifilar ٢۴ ٢-۵-.bشکل :شکل موجهای مبدل Bifilar ٣۴ ٢-۶-.aشکل :مبدل، منبع تغذیه dc دو نیمهای. ۴۴ ٢-۶-.bشکل :شکل موجهای مبدل با منبع تغذیه دو نیمهای. ۵۴ ٢-٧.a-شکل :مبدل با q ترانزیستور و 2q دیود. ۶۴ ٧
٢-٧.b-شکل :شکل موجهای مدار فوق با روش اول.٧۴


٢-٧.c-شکل :شکل موجهای مدار فوق با روش دوم.٨۴
٢-٨-١.شکل :مبدل با (١(q+ سوئیچ در هر فاز.٩۴
٢-٨-٢.شکل :ﲠبود یافته مدار(١(q+ ترانزیستوری.٠۵
٢-٩.a-شکل :مدار مبدل C-Dump١۵
٢-٩.b-شکل :شکل موجهای مبدل C-Dump٢۵
٢-١٠-١.شکل :مبدل C-Dump با قابلیت جریان هرزگرد.۴۵
٢-١٠-٢.شکل :عملکرد مدار بدون ﳘپوشانی جریان فازها.۴۵
٢-١١.a-شکل :مبدل با یک ترانزیستور مشﱰک.۵۵
٢-١١.b-شکل :عملکرد مدار.۵۵
٢-١٢.شکل :مبدل با حداقل تعداد ترانزیستورو تغذیه ورودی متغیر. ٧۵
٢-١٣.شکل :مبدل با ولتاژ DC متغیر و توپولوژی Buck-Boost ٨۵
٢-۴١.a-شکل :مبدل با (1.5q) سوئیچ.٩۵
٢-۴١.b-شکل :عملکرد مدار.٩۵
٢-۵١.شکل :مبدل دو مرحلهای.١۶
٣-١.شکل :بلوک دیاگرام مدار آنﱰل موتور.٣۶
٣-٢-١.شکل :مدار ساده هر فاز.۴۶
٣-٢-٢.شکل :مدار درایو ترانزیستورهای قدرت.۵۶
٣-٣-١.شکل :مدار معادل فتواینﱰاپﱰ.۶۶
٣-٣-٢.شکل :مدار آامل سنسورها.۶۶
٣-٣-٣.شکل :شکل موجهای ناشی از سنسورها.٧۶
٣-۴-١.شکل :پالسهای PWM٨۶
٣-۴-٢.شکل :مدار سرعت موتور.٨۶
٣-۴-٣.شکل :مدار آنﱰل PI٩۶
٣-۴-۴.شکل IC-TL494:٧٠
۴-١.شکل :مدار معادل موتور رلوآتانسی.٧٢
۴-٢-١.شکل :تغییرات اندوکتانس با موقعیت روتور.۴٧
۴-٢-٢.شکل :پایین شکل،روتوراصلاح شده درمقایسه باروتور معمولی. ۵٧
٨
۴-٣.شکل :تغییرات اندوکتانس با جریان بر حسب زاویه. ۶٧ ۴-۴.شکل :استفاده از دیودهای هرزگرد برای ﲣلیه سریع تر جریان ٧٨ سیم پیچ. ۴-۵.شکل :کنﱰل جریان برای کاهش ریپل گشتاور. ٨٠ ۵-١-١.شکل :شفت انکدر و سه عدد سنسور برای تشخیص موقعیت روتور ٨٢ دریک موتور سه فاز ۴/۶. ۵-٢-١.شکل :شکل جریان سیمپیچ در استاتور. ۵٨ ۵-٢-٢.شکل :مدار مبدل ۶ سوئیچه با سه عدد مقاومت sense جریان. ۶٨ ۵-٢-٣.شکل :مقطع عرضی یک موتور رلوکتانس. ٨٧ ۵-٢-۴.شکل :پالسهای اعمال شده به یک فازﳕونه و جریان حاصله ٨٨ در ﳘان فاز. ۵-٢-۵.شکل :پالسهای اعمال شده به سه فاز و جریان حاصله در ٨٩ فازها. ۵-٢-۶.شکل :فاز A در حالت ﳘپوشانی کامل. ٩٢ ۵-٢-٧.شکل :فاز A در حالت عدم ﳘپوشانی کامل. ٩٢ ۵-٢-٨.شکل :پالسهای تشخیص و فرمان اعمال شده به یک فاز و ۴٩ جریاای حاصله. ۵-٢-٩.شکل :پالسهای تشخیص و فرمان اعمال شده به یک فاز و ۵٩ جریاای حاصله بعد از تقویت. ۵-٢-١٠.شکل :جریاای حاصل از پالسهای تشخیص هرسه فاز به ۵٩ صورت مالتی پلکس شده. ۵-٢-١١.شکل :پالسهای تشخیص وفرمان دو فاز متوالی. ۶٩ ۵-٣-١.شکل :ترتیب فرمان ها برای حرکت راست گرد یا چپ گرد. ٩٧ ۶-١.a-شکل :منحنی جریان فازها. ٩٩ ۶-١.b-شکل :منحنی گشتاور قبل از آنﱰل جریان. ٩٩ ۶-١.c-شکل :منحنی گشتاور باآنﱰل جریان. ٩٩ ۶-٢.شکل :منحنی گشتاور برحسب سرعت موتور. ١٠٠ ۶-٣.شکل :ارتباط میکرو با A/D و آنالوگ سوئیچ. ١٠٣ ۶-۴.شکل :مدار تغذیه رگوله شده برای درایور. ۴١٠ ٩
۶-۵.شکل :مدار تولید کننده PWM بر اساس سرعت.۵١٠
۶-۶.شکل :مدار مبدل۶ سوئیچه به ﳘراه مدار ﳏدود کننده جریان. ۶١٠
۶-٧.شکل :یک فاز از مدار مبدل به ﳘراه درایور MOSFET ها . ١٠٧
۶-٨.شکل :مدار راه انداز و مدار مبدل به ﳘراه موتور. ١٠٨
۶-٩.شکل :استاتور موتور ماشین لباسشویی.١٠٩
۶-١٠.شکل :روتور موتور ماشین لباسشویی.١٠٩
١٠
چکیده
ویژگیهای جذاب و مفید موتورهای رلوکتانس سوئیچی باعث افزایش میزان کاربرد آا در صنعت شده است که می توان به مواردی از قبیل هزینه پایین تولید، قابلیت کار در سرعت های ﳐتلف، راندمان بالا و دوام زیاد اشاره کرد. پیشرفت الکﱰونیک قدرت و رشد چشمگیر صنعت نیمه هادی تأثیر فراوانی بر طراحی و ساخت راه اندازهای موتورهای رلوکتانسی بر جای اده است. به این
صورت که با در دسﱰس قرار گرفﱳ مدارهای ﳎتمع ﳐتلف و کاهش
قیمت آا، این ادوات در ساخت راه اندازهای موتورهای رلوکتانسی مورد استفاده قرار گرفته و روز به روز باعث هوﴰندترشدن این راه اندازها گردیده اند.
به طورکلی دو روش برای راه اندازی موتورهای رلوکتانسی وجود
دارد :
١- روشهای مبتنی بر داشﱳ سنسور ٢- روشهای بدون سنسور روشهای بدون سنسور به علت حذف سنسورها و ﳘچنین اتصالات
مربوطه در صنعت دارای طرفداران بیشﱰی می باشد که از عمده ترین دلایل آن می توان به خراب شدن سنسورها به مرور زمان و نیاز به تنظیم سنسورها اشاره کرد. روشهای بدون سنسور به علت پیشرفت روزافزون علم الکﱰونیک و کنﱰل رشد چشمگیری پیدا کرده اند و با استفاده از مفاهیم ﳐتلف تنوع زیادی یافته اند. در فصل یک، ساختار موتورهای رلوکتانسی مورد بررسی قرار گرفته
است و در فصل دوم انواع مدارات مبدل ارائه شده و در فصل سوم راه اندازی با استفاده از سنسور گفته شده است و در فصل
چهارم رابطه ریاضی گشتاور مورد بررسی واقع شده و روش های عملی جهت کاهش ریپل گشتاور ارائه شده است و در فصل پنجم جزئیات روشی نوین در راه اندازی بدون سنسور موتورهای رلوکتانس سوئیچ شونده را بیان می کنیم.
١١
ﳘچنین در ضمائم، نقشه های ﴰاتیک سخت افزار و اطلاعات نرم افزاری مدار راه انداز آمده است.
١٢
مقدمه
با توجه به پیشرفت روز افزون صنایع نیمه هادی، موتورهای رلوکتانسی جایگاه ویژه ای در عرصه های ﳐتلف صنعت پیدا کرده اند. از ﲨله دلایل این امر می توان به مواردی از قبیل سادگی ساختمان این نوع موتورها، راندمان بالای آا نسبت به سایر موتورها و عدم نیاز به نگهداری اشاره کرد.
موتورهای رلوکتانسی بر خلاف اغلب موتورهای الکﱰیکی نیاز به یک سیستم راه انداز دارند، این سیستم راه- انداز به طور کلی به دو روش زیر قابل طراحی می باشد :
با استفاده از سنسور
بدون استفاده از سنسور
روشهای بدون سنسور به علت نداشﱳ سنسور و ﳘچنین اتصالات مربوطه در صنعت دارای طرفداران بیشﱰی می باشد که از عمده ترین دلایل آن می توان به توانایی کارکرد موتور در شرایط نامناسب ( از قبیل ﳏیطهای بسیار گرم و پر گرد و غبار ) و
عدم نیاز به تنظیم و نگهداری مداوم سنسور اشاره کرد.
روش ارائه شده مبتنی بر اعمال پالسهای شناسایی به موتور هم در مرحله ایستا و هم در مرحله چرخش می- باشد. عمده ترین مزایای این روش را نسبت به سایر روشهای مرسوم می توان در
موارد زیر ذکر کرد:
١- توانایی راه اندازی موتورهایی در گسﱰه توان چند ده وات
تا چندین کیلو وات.
٢- توانایی راه اندازی موتور با سطح ولتاژ ﳐتلف.
٣- این روش علاوه بر اینکه توانایی راه اندازی از حالت
ایستا با گشتاور زیاد را داراست، قادر است عملیات کنﱰل موتور را در سرعتهای ﳐتلف طبق تنظیمات اﳒام دهد.
۴- ریپل گشتاور به میزان قابل توجهی کاهش یافته است.
١٣
عملکرد موتور را طبق این روش می توان به مراحل زیر تقسیم
ﳕود :
١- مرحله تشخیص فاز مناسب در حالت ایستا.
در این مرحله با اعمال پالس شناسایی به هریک از فازها و ثبت نتایج حاصله و ﲢلیل آا مناسبﱰین فاز جهت دریافت اولین فرمان انتخاب می شود.
٢- مرحله اول چرخش با داشﱳ قابلیت تنظیم سرعت توسط PWM
در این مرحله الگوریتمی به صورت پیاپی و حلقه وار تکرار می شود تا موتور به میزان تعیین شده که می بایست در ابتدای کار تنظیم شود برسد.
١۴
فصل اول:
ساختمان موتورهای رلوآتانسی
١۵
١-١- مقدمه
راهاندازهای موتورهای رلوآتانسی سوئچ شونده، (SRM) برای آاربردهای صنعتی خواستگاه جدیدی میباشند. آلید فهمیدن هرماشینی فهمیدن گشتاور آن میباشد آه از اصول اولیه منتج میشود. عملکرد ماشین و خصوصیات برجسته آن از روابط گشتاور بدست می آیند. در این فصل ساختمان موتورهای رلوآتانسی را از نظر میگذرانیم، در دهه اخیر ﲢقیقات و مطالعات بر روی این دسته از موتورها بسیار افزایش یافته و به نتایج ارزندهای هم رسیده است بطور آه امروزه آا جزء ماشینهای الکﱰیکی مطرح در سطح جهان میباشند. از سال ١٩۶٩ یک موتور با رلوآتانس متغیر برای آاربردهای با سرعت متغیر ارائه شد آه منشأ آن به سال ١٨۴٢ برمیگردد، گرچه این ماشین جزء ماشینهای سنکرون میباشد اما خصوصیات جدیدی را دارد. ﳘانند موتورهای DC سیمپیچهایی بر روی استاتور این موتورها وجود دارد اما روتور آا هیچ مگنت یا سیمپیچ ندارد. روتور و استاتور قطبهای برجستهای دارند، این ماشین در شکل a)١-١) نشان داده شده است. و یک مدل تغییر یافته با دو دندانه در هر قطب نیز در شکل b)١-١)
آورده شده.
١۶

شکل (١-١) : (a) دو ﳕونه موتور رلوآتانسی با یک دندانه در هر قطب.
(b) ﳕونهای دیگر با دو دندانه در هر قطب
هرگاه قطبهای مقابل هم در استاتور ﲢریک شوند روتور (align)
ﳘردیف با آن میشود. در یک مدار مغناطیسی، عضو چرخشی (روتور)
میخواهد به موقعیتی برود آه آمﱰین رلوآتانس یا بیشﱰین اندوآتانس حاصل گردد.[16] وقتی دو قطب روتور ﳘراستا با دو قطب ﲢریک شده استاتور میشوند دو دسته دیگر از قطبهای روتور نسبت به دسته دیگری از قطبهای استاتور غیرهمراستا هستند، پس
١٧
این دو قطب استاتور ﲢریک میشوند تا قطبهای روتور را ﳘراستا
آنند، بهﳘین ترتیب با سوئیچ آردن متوالی جریان به داخل
سیمپیچهای قطبهای استاتور، روتور میچرخد، با حرآت روتور، توان و گشتاور ایجاد میشود.
این شامل سوئیچ آردن جریان در داخل سیمپیچهای استاتور است آه موجب رلوآتانس متغیر میشود، بنابراین یک چنین راهانداز موتور با سرعت متغیر بهعنوان راهانداز موتور رلوآتانسی سوئیچ شونده نامیده میشود.
١-٢- عملکرد اولیه موتور رلوآتانس
توجه آنید آه قطبهای r1 و r′1 از روتور و قطبهای C و C′ از استاتور با هم ﳘراستا هستند. اعمال یک جریان به فاز a با جهت نشان داده شده در شکل -a)٢-١) باعث ایجاد یک شار در قطبهای a و a′ از استاتور و قطبهای r2 و r′2 از روتور میگردد آه باعث آشیدن قطبهای r2 و r′2 از روتور به ﲰت قطبهای a و a′
از استاتور میشود. بهترتیب وقتی آه آا ﳘراستا هستند جریان فاز a قطع م یشود و موقعیت متناظر در شکل -b)٢-١) نشان داده شده است. حال فاز b ﲢریک میشود تا r1 و r′1 را در جهت عقربههای ساعت به ﲰت b و b′ بکشد، بطور مشابه ﲢریک فازC باعث ﳘراستا شدن C و C′ با r2 و r′2 میگردد، بنابر این با سه بار ﲢریک متوالی روتور °٩٠ میچرخد.[8]
١٨

شکل(٢-١) : ﳓوه عملکرد موتور رلوآتانس
١-٣- انواع موتورهای رلوآتانس متغیر
موتورهای رلوآتانس متغیر به دو دسته تقسیم میشوند:
الف) موتورهای رلوآتانس متغیر با برجستگی دوگانه ب) موتورهای رلوآتانس متغیر با برجستگی واحد[38]
در روتور هر دو نوع از موتورهای مذآور هیچگونه سیمپیچ یا مغناطیس دائم وجود ندارد و تنها منبع ﲢریک سیمپیچ استاتور میباشد. استاتور و روتور از مواد مغناطیسی با قابلیت نفوذپذیری مغناطیسی بالا ساخته میشوند در شکل (٣-١) (الف) و (ب) به ترتیب ﴰاهایی از یک موتور رلوآتانس با برجستگی دو گانه و دیگری با برجستگی واحد نشان داده شده است.[17]
١٩

شکل(٣-١) : (الف) ﴰای موتور رلوآتانس با برجستگی دوگانه
(ب) ﴰای موتور رلوآتانس با برجستگی واحد
١-۴- دسته بندی موتورهای رلوآتانسی از ﳊاظ ساختار
موتورهای رلوآتانس متغیر با برجستگی دوگانه از ﳊاظ ساختاری
به سه دسته آلی تقسیم میشوند آه عبارتند از : ١- موتورهای استوانهای با قطب برجسته مضاعف ٢- موتورهای صفحهای ٣- موتورهای چند لایهای آه این تقسیمبندی بنا به شکل ظاهری موتورها صورت گرفته
است.[37] - موتورهای رلوآتانس سوئیچی استوانهای با قطب برجسته
مضاعف : این موتورها دارای قطبهای برجسته بر روی استاتور و روتور
میباشند و از اینرو به آن قطب برجسته مضاعف میگویند. ﳕای
ظاهری دو مدل از آا در شکل (١-١) آمده است. سیمپیچهای آن
بر روی استاتور بسته شده و هیچگونه سیمپیچی روی روتور آن
وجود ندارد، بسته به جایگاه و موقعیت روتور جریان را در
٢٠
سیمپیچهای استاتور وصل میﳕاییم. حال ﲤایل به فراهم آوردن مسیری آم رلوآتانس در مدار مغناطیسی روتور باعث ایجاد گشتاور میشود.
- موتورهای رلوآتانس سوئیچی صفحهای :
آاربرد موتورهای صفحهای آه با جریان مستقیم آار میآنند از
نوع دیگر آا بیشﱰ است. برای چنین موتورهایی روتورهای
صفحهای بکار گرفته شده آه در آا اندازه فیزیکی از عوامل اصلی ﳏسوب میشود. لفظ »روتور صفحهای« ﲞاطر شکل فیزیکی ساختار روتور آن میباشد. چنین موتورهایی میتوانند دارای قطر بسیار بزرگ ولی طول آوچک یا بالعکس باشند و در ﳏدوده ما بین آا نیز ساخته میشوند و لذا چنین سیستمی دارای تنوع بسیار گسﱰدهای در اندازه و شکل ظاهری میباشد و حتی میتوان آن را در مکانهایی آه از ﳊاظ فضا بسیار ﳏدود میباشند بکار برد .[13]
یک مدل بسیار ساده از این موتور در شکل (١-۴-١) آمده است. در این شکل یک روتور ضخیم آه در داخل قطبهای استاتور؛ جهت ایجاد
گشتاور بیشﱰ در حرآت است را ملاحظه میآنید. چنانچه ملاحظه میگردد ساختار این سیستم بسیار ساده است.[5]
٢١

شکل(١-۴-١) : موتور رلوآتانس از نوع روتور صفحهای
- موتورهای رلوآتانس سوئیچی چند لایه :
ﳕای ظاهری این موتور در شکل (٢-۴-١) نشان داده شده است.
ﳘانطور آه در شکل نشان داده شده است این موتور از چند لایه ﳎزای مستقل تشکیل شده است آه هرقسمت میتواند معرف یک فاز موتور بوده و القای متقابل بین سیمپیچ فازها به حداقل ﳑکن رسیده است. در این ساختار ﳏدودیت افزایش قطبهای استاتور به سبب آمبود فضای سیمبندی مرتفع گشته و امکان دسﱰسی به قطبهای بیشﱰ و به تبع آن گشتاور بالاتر در موتورهای با ابعاد آوچک میسر میگردد .[11]
از آﳒا آه مسیر شارهای هر فاز ﳎزا بوده، میتوان از روی شار جاری در هر فاز به موقعیت روتور آن نسبت به استاتور پی برد و به سهولت در حذف سنسورهای موقعیت گام برداشت.[33]
٢٢

شکل(٢-۴-١) : موتور رلوآتانس سوئیچی چند لایه
- موتورهای رلوآتانس متغیر با برجستگی واحد :
ﴰای آلی این موتورها در شکل (ب ٣-١) نشان داده شده است.
استاتور اینگونه موتورها مشابه موتورهای AC میباشد ولی روتور آا طوری ساخته شده آه گشتاور تولید شده از تغییرات رلوآتانس بوجود میآید.
١-۵- ایجاد گشتاور در یک موتور رلوآتانس سوئیچی (روابط و
نتایج)
آلید فهمیدن هر ماشینی فهمیدن گشتاور آن میباشد آه از
اصول اولیه منتج میشود. روابط گشتاور نیاز به یک رابطه بین شار یا اندوآتانس با موقعیت روتور دارد، به منظور اختصار
٢٣
برای بیان تئوری پایه فقط عملکرد غیراشباع مورد بررسی قرار میگیرد.
ﳘانطور آه در شکل (۵-١) نشان داده شده سیمپیچ دارای N دور میباشد و وقتی آه با یک جریان i ﲢریک میشود سیمپیچ شار φ را ایجاد میآند. با افزایش جریان ﲢریک آرمیچر به ﲰت یوک آه ثابت است حرآت میآند. برای دو مقدار فاصله هوایی x1 و x2 شار برحسب mmf رسم شده است بهطوری آه x1>x2 میباشد. منحنی شار برحسب mmf برای x1 خطی میباشد بهخاطر اینکه رلوآتانس فاصله هوایی غالب میباشد. این امر باعث آاهش شار در مدار مغناطیسی میشود، انرژی الکﱰیکی ورودی بهصورت زیر نوشته میشود.
we  ∫eidt ∫idt ddNtφ  ∫Nidφ ∫Fdφ

در اینجا e، emf القایی بوده و F ، mmf میباشد، این انرژی الکﱰیکی ورودی، we، مساوی با ﳎموع انرژی ذخیره شده در سیم پیچ، wf، و انرژی تبدیل شده به آار مکانیکی، wm، میباشد.
we = wf + wm
وقتی آار مکانیکیای اﳒام ﳕیشود، مانند ﳊظهای آه آرمیچر از موقعیت x1 شروع میآند، انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی، برابر انرژی الکﱰیکی ورودی میباشد، این منطق با مساحت OBEO
در شکل (۵-١) میباشد متمم این انرژی ذخیره شده در میدان
مغناطیسی، coenergy نامیده میشود، با مساحت OBAO در شکل (۵-٢
) داده میشود، و بهصورت ریاضی با رابطه ∫φdF داده میشود،
بطور مشابه در موقعیت x2 برای آرمیچر، اثری ذخیره شده در
میدان مغناطیسی منطبق با مساحت OCDO بوده و coenergy با
مساحت OCAO داده میشود برای تغییرات افزایش داریم dwe = dwf + dwm
٢۴
برای یک ﲢریک ثابت F1 آه با نقطه آار A در شکل (۵-١) داده میشود، انرژیهای ﳐتلف بهصورت زیر بدست میآیند :
(BCDEB) مساحت dwe  ∫φφ12 F1dφ  F1 φ2 −φ1 =
(OBEO) مساحت- (OCDO) مساحت x  x = − dw f 2 x  x dw f  dw f 1 با استفاده از معادلات فوق، انرژی مکانیکی بهصورت زیر بدست میآید :
(OBCO) مساحت dwm =dwe = dwf =
آه این مساحت بین دو منحنی برای یک mmf داده شده میباشد، در مورد یک ماشین با حرآت دوار انرژی مکانیکی افزایشی برحسب گشتاور الکﱰومغناطیسی و تغییرات در موقیعت روتور بهصورت زیر نوشته میشود.
dwe = Tedθ
بنابراین گشتاور الکﱰومغناطیسی بهصورت زیر بدست میآید :
T  dwm
edθ

برای حالتی آه ﲢریک ثابت است (وقتی آه mmf ثابت میباشد)
آار مکانیکی اﳒام شده برابر نرخ تغییرات coenergy میباشد، w′f،
آه فقط متمم انرژی ذخیره شده در میدان میباشد، بنابراین آار
مکانیکی اﳒام شده بهصورت زیر نوشته میشود :
dwm = dw′f
بهطوری آه :
we′  ∫φdF  ∫φd (Ni)  ∫Nφdi ∫λ(θ,i)di ∫L(θ,i)idi
در اینجا، اندوآتانس، L، و اتصال شار، λ ، توابعی از
موقعیت روتور و جریان میباشند، این تغییرات در coenergy بین
دو موقعیت θ1 و θ2 روتور اتفاق میافتند.
٢۵
dw′f (i,θ)  dw′f  dw T  m i  cons tan t dθ dθ dθ e اگر اندوآتانس بهصورت خطی با موقعیت روتور تغییر آند آه
در عمل عموماً این گونه نیست[6]، گشتاور بهصورت زیر میتواند نوشته شود :
i2 . dL(θ,i)  T 2 dθ e در رابطه اخیر dL(θ,i) ثابت گشتاور نامیده شده و واحد آن dθ N.m
A2 میباشد، باید تأآید شود آه این یک ثابت نیست و مرتباً

تغییر میآند و این بیان میآند آه SRM یک مدار معادل برای شرایط آار دائمی ندارد.

شکل(۵-١) : (a) روتور با فاصله x از استاتور (b) منحنی شار برحسب mmf برای x1 و x2 آه x1>x2
٢۶
- از رابطهگشتاور میتوان نتایج زیر را بدست آورد
١- گشتاور با توان دوم جریان متناسب است، بنابراین جریان میتواند در یک جهت برقرار شود تا گشتاور در یک جهت ایجاد
شود. بنابراین فقط با یک سوئیچ میتوان جریان را در سیمپیچ برقرار ﳕود، این سبب آاهش تعداد سوئیچهای قدرت و آاهش هزینه میشود.
٢- ثابت گشتاور با شیب اندوآتانس برحسب موقعیت روتور داده میشود. اینطور فهمیدهاند آه اندوآتانس سیمپیچ استاتور تابعی
از موقعیت روتور و جریان میباشد و بنابراین آن را غیرخطی میسازد.
٣- بهخاطر تناسب گشتاور با توان دوم جریان، این خصوصیت شبیه موتورهای DC سری میباشد، بنابراین SRM دارای گشتاور
راهاندازی خوب میباشد.
۴- عملکرد ژنراتوری با برقراری جریان در یک جهت هنگامیآه
شیب اندوآتانس منفی است، امکانپذیر میباشد.
۵- تغییر جهت چرخش با تغییر ترتیب فرمان سیمپیچهای استاتور امکانپذیر میباشد آه این یک عمل ساده است.
۶- گشتاور و سرعت هر دو به وسیله مدار مبدل (Converter) آنﱰل میشوند.
٧- این ماشین یک مدار مبدل آنﱰل شونده نیاز دارد و با تغذیه سهفاز برقشهر بهطور مستقیم ﳕ یتواند آار آند.
٨- تزویج در بین سیمپیچهای استاتور بسیار آم بوده و در بسیاری از آاربردها قابل صرفنظر میباشد. بنابراین هر فاز از این موتور میتواند بطور مستقل از فازهای دیگر عمل آند.
٩- بهخاطر اینکه جریان فقط لازم است در یک جهت در سیمپیچها جاری شود، ﲤام مبدﳍای قدرت دارای یک سوئیچ بصورت سری با سیم پیچ هستند بنابراین هیچگاه خطای shoot-through رخ ﳕیدهد.
٢٧
١-۶- رابطه بین موقعیت روتور و اندوآتانس سیمپیچ استاتور
برای یک جریان ثابت، اندوآتانس برحسب موقعیت روتور در شکل (۶-١) نشان داده شده است. این منحنی با صرفنظر از اثرات لبهای و اشباع سیمپیچ ترسیم شده است.

شکل(۶-١) : (a) یک قطب از موتور رلوآتانس (b) منحنی اندوآتانس برحسب
موقعیت روتور
نواحی ﳐتلف بر روی شکل (۶-١) را بهصورت زیر میتوان ﲢلیل آرد.
١ - φ1 - و φ4 - φ5 فازهای استاتور و روتور هیچگونه ﳘپوشانی با ﳘدیگر ندارند و شار عبوری به وسیله مسیر فاصله هوایی تعیین میشود، بنابراین اندوآتانس مینیمم شده و مقداری
٢٨
تقریباً ثابت باقی میماند بنابراین، این ناحیه باعث ایجاد گشتاور ﳕیشود، اندوآتانس در این ناحیه، اندوآتانس غیرﳘراستا
Lu(unaligned) نامیده میشود.
٢φ1- φ2 - در این ناحیه قطبها با هم ﳘپوشانی پیدا آردهاند بنابراین شار بطور عمده از ﳌینیتهای استاتور و روتور عبور
میآند، با تغییر موقعیت روتور اندوآتانس افزایش مییابد و به آن یک شیب مثبت میدهد، جریان تزریق شده به داخل سیمپیچ در این ناحیه باعث ایجاد یک گشتاور مثبت میشود، این ناحیه با ﳘپوشانی آامل قطبهای استاتور و روتور خاﲤه پیدا میآند.
٣φ2- φ3 - در این ناحیه حرآت روتور باعث تغییر ﳘپوشانی آامل فاز استاتور و روتور ﳕیشود و بنابراین تغییری در مسیر شار آه اآنون از طریق ﳌینیتها میباشد ایجاد ﳕیشود و اندوآتانس در مقدار حداآثر خود ثابت باقی میماند. این
اندوآتانس، اندوآتانس حالت ﳘپوشانی آامل La(aligned) نامیده میشود، از آﳒا آه تغییری در اندوآتانس ایجاد ﳕیشود بنابراین گشتاور تولید شده در این ناحیه صفر میباشد، هر چند جریان جاری در سیمپیچ غیرصفر باشد با دانسﱳ این حقیقت، این زمان ﲠﱰین زمان برای خاموش آردن فاز میباشد زیرا جریان برگشتی ناشی از انرژی ذخیره شده در فاز استاتور باعث ایجاد گشتاور منفی ﳔواهد شد.
۴φ3- φ4 - در این ناحیه قطب روتور در حال دور شدن از موقعیت ﳘپوشانی آامل فاز استاتور و روتور میباشد. این ناحیه خیلی شبیه ناحیه φ1- φ2 میباشد اما در این ناحیه با افزایش موقیت روتور، اندوآتانس آاهش مییابد و باعث تولید یک شیب منفی میگردد، عملکرد موتور در این ناحیه باعث ایجاد گشتاور
منفی میگردد. به خاطر اشباع جریان عبوری از سیمپیچ، رسیدن به منحنی
ایدهآل شکل فوق امکانپذیر ﳕیباشد، اشباع جریان باعث ﲬیده
٢٩ شدن منحنی به ﲰت بالا میشود و شیب را آاهش میدهد، بنابراین ثابت گشتاور آاهش مییابد. پس اشباع جریان باعث آاهش یافﱳ گشتاور و توان خروجی میشود.[14]
١-٧- مدار معادل موتور رلوآتانسی
مدار معادل اولیه یک موتور رلوآتانسی با صرفنظر آردن از اثر تزویج بین سیمپیچها بصورت زیر خواهد بود. ولتاژ اعمال شده به سیمپیچی فاز برابر با ﳎموع افت ولتاژ مقاومتی و نرخ تغییرات شار عبوری میباشد.
dλ(θ,i) V  Rs i  dt RS مقاومت بر هر فاز بوده و λ شار عبوری میباشد.
λ = L(θ,i) i
dL(θ,i)  dθ i di RSiL(θ,i) dL(θ , i )i V  RS i  dθ dt dt dt dL(θ,i) iw  di i  L(θ,i) V  R dθ m dt S در رابطه اخیر میتوان بهجای dL(θ,i) iwm ، e ، یعنی emf القا dθ شده را جایگذاری آرد. dL(θ,i) و dL(θ,i) Kb  Kbwmi e  iwm dθ dθ V  RS i  L(θ,i) dtdi  e

٣٠

شکل(١-٧-١) : مدار معادل موتور رلوآتانسی
با فرض ثابت بودن جریان در یک پریود داریم :
dL V  R i iw m dθ S V i  dL ( w (R m dθ S معادله اخیر بیانگر آن است آه جریان با سرعت نسبت عکس دارد و چون گشتاور با ﳎذور جریان نسبت دارد بنابراین گشتاور با ﳎذور سرعت نسبت عکس خواهد داشت.
Tα 1

w2m
این مطلب رفتار گشتاور سرعت یک موتور DC سری را تداعی میآند.[10]
٣١

شکل(٢-٧-١) : منحنی گشتاور ـ سرعت یک موتور رلوآتانسی ﳕونه
در موتورهای رلوآتانسی آه حرآت ابتدایی را خود آغاز
میآنند، تیغههای روتور باید با تیغههای استاتور مربوط به خودش ﳘپوشانی داشته باشد. تا در هر موقعیتی بر روی روتور آن گشتاور وجود داشته باشد.
ترآیبات ﳐتلف از تعداد قطبها (Nr , Ns) آه بهترتیب قطبهای
استاتور و روتور میباشند. ذیلا آورده شده است. 4 Nr = 6 Ns = برای موتور 3 فازه
6 = Nr 8 Ns = برای موتور 4 فازه
4 = Nr Ns = 10 برای موتور 5 فازه
البته ترآیبات دیگری نیز وجود دارد و تفاوت آا در این
است آه در برخی از جایگاههای روتور ﳑکن است گشتاوری تولید نگردد.[9]
٣٢
فصل دوم:
مدارات راه انداز (DRIVER)
٣٣
٢-١- پیکربندی مدارات مبدل
در موتورهای رلوآتانسی، تزویج بسیار ناچیز است، این امر سبب عدم وابستگی به دیگر فازها در آنﱰل هر فاز و تولید گشتاور میشود. درحالیآه این خصوصیت یک برتری ﳏسوب میشود، نداشﱳ تزویچ نیاز به عملکرد درست با انرژی مغناطیسی ذخیره شده دارد. در هنگام خاموش شدن فاز باید مسیری برای ﲣلیه انرژی ذخیره شده بوجود آورد، در غیراینصورت این انرژی سبب ایجاد ولتاژ بیش از حد خواهد شد و به سوئیچهای نیمه هادی صدمه خواهد رساند. این انرژی میتواند بهصورت آزاد بهحرآت درآید، ﲞشی از آن به انرژی الکﱰیکی/ مکانیکی تبدیل شده و ﲞشی دیگر از آن در سیمپیچهای ماشین تلف میشود[15]، روش دیگر بازگرداندن آن بر روی منبع ولتاژ DC میباشد.
دستهبندی مدارات مبدل بهصورت q ، q+1 ، 1. 5 q و 2 q سوئیچ در هر فاز و مبدل قدرت دو مرحلهای است آه q تعداد فازهای ماشین میباشد.[20]
این دستهبندی در شکل (١-٢) نشان داده شده است.

شکل(١-٢) : دستهبندی مدارات مبدل
٣۴
٢-٢- مبدل پل نامتقارن شکل -a)٢-٢) مبدل پل نامتقارن را با درنظر گرفﱳ یک فاز
SRM نشان میدهد.[3] بقیه فازها نیز بهطور مشابه متصل
میشوند. با روشن شدن ترانزیستورهای T1و T2 جریان در فاز A
برقرار میشود، اگر جریان بالاتر از حد تعیین شده برسد، T1و T2
خاموش میشوند. انرژی ذخیره شده در سیمپیچ فاز A موتور جریان را در ﳘان جهت حفظ میآند تا اینکه ﲣلیه شود، بنابراین دیودهای D1و D2 بهصورت مستقیک بایاس شده و باعث شارژ شدن دوباره منبع میشوند، این امر سبب آاهش سریع جریان و رسیدن
آن به زیر حد تعیین شده میشود این عملکرد با شکل موجهای شکل
-b)٢-٢) تشریح شده است. باید توجه داشت آه یک جریان با اندازه IP در هنگام عملکرد موتوری آه شیب اندوآتانس مثبت است مورد نیاز میباشد. در اینجا جریان فاز A ، ia، بهوسیله یک فیدبک جریان و مقایسه با ia ، در حدود ia حفظ میشود، ∆i
میزان اختلاف با جریان تعیین شده میباشد.

شکل(-a٢-٢) : مبدل پل نامتقارن
٣۵

شکل(-b٢-٢) : شکل موجهای مبدل پل نامتقارن ـ روش اول
وقتی اختلاف جریان ia و ia به اندازه -∆i شود، ترانزیستورهای
T1 و T2 بطور ﳘزمان خاموش میشوند در این هنگام دیودهای D1 و
D2 باعث هدایت جریان به منبع ولتاژ DC میشوند، توجه آنید آه
ولتاژ فاز A در این ﳊظه منفی و به اندازه منبع ، Vdc،
میباشد، روش آنﱰلی فوق (روش١) از آﳒا آه ریپلهای بیشﱰی به خازن تغذیه اعمال میآند باعث آوتاه شدن عمر این خازن و
افزایش تلفات سوئیچینگ در ترانزیستورهای قدرت میشود. برای
ﲠﱰ شدن این مسأله میتوان از روش سوئیچینگ متناوب استفاده
آرد.[4] انرژی ذخیره شده در فاز A میتواند بهطور مؤثر در داخل
خودش استفاده شود، این آار با خاموش آردن T2 به تنهایی (روش
٣۶
دوم) امکانپذیر است. در این مورد جریان در داخل T1 و فاز A
و D1 جاری میشود، اگر از افت ولتاژ بر روی ترانزیستورو دیود صرفنظر آنیم، ولتاژ بر روی فاز A صفر خواهد شد. شکل ( -C٢-٢ ) در این روش (روش دوم) نسبت به روش اول زمان بیشﱰی طول میآشد تا جریان از IP + ∆I به IP-∆I برسد. این امر سبب آاهش فرآانس سوئیچینگ و بنابراین آاهش تلفات سوئیچینگ خواهد شد.
در روش دوم وقتی فاز میخواهد آاملا خاموش شود یعنی وقتی ia
صفر است، آنگاه T1 و T2 ﳘزمان خاموش میشوند در این فاصله ولتاژ دو سر سیمپیچ -Vdc خواهد شد و ﳘچنین D1 و D2 هدایت میآنند تا اینکه ia صفر شود، ولتاژ روی T2 در حین خاموشی و هنگامیآه T1 روشن است، مساوی ولتاژ منبع، Vdc ، میباشد بنابراین ولتاژ ترانزیستورها و دیودها باید در حدود ولتاژ منبع تغذیه باشد. در روش دوم جریان برگشتی فازها دیرتر از روش اول صفر میشود ﳘچنین در روش دوم انرژی ذخیره شده به انرژی مکانیکی مفید تبدیل میشود، این روش برای آنﱰل جریان استفاده میشود ولی هنگامی آه جریان باید سریعاً خاموش شود، دشارژ در داخل منبع مفید خواهد بود، یعنی زمانی آه شیب اندوآتانس صفر میشود و بعد از آن منفی خواهد شد، در این زمان دیرتر خاموش شدن فاز باعث ایجاد گشتاور منفی و از دست رفﱳ انرژی خواهد شد.
توجه آنید آه این مدار مبدل به ازای هر فاز دو ترانزیستور و دو دیود نیاز دارد.
٣٧

شکل(-c٢-٢) : شکل موجهای مبدل پل نامتقارن ـ روش دوم
ﲠرهبرداری از ادوات قدرت در مبدل نامتقارن ضعیف میباشد.
میتوان زماای سوئیچ آا را افزایش داد. این آار با آاهش
تعداد ترانزیستورهای قدرت و استفاده از SCR ﳑکن خواهد شد.[7]
ﳘانطور آه در شکل -d)٢-٢) دیده میشود تعداد فازها باید
زوج باشد. SCR ها برای هدایت جریان به فاز مناسب استفاده
میشوند و برای آنﱰل استفاده ﳕیشوند. با این وجود استفاده از
SCR نیاز به مدارات جانبی داشته آه باعث افزایش تعداد
قطعات، هزینه و ابعاد مدار راهانداز خواهد شد.
تعداد دیودها به یکعدد در هر فاز تقلیل یافته است. باید توجه داشت آه فازهای غیرمتوالی در یک گروه با هم قرار میگیرند و با یک دسته از ترانزیستورها ﲢریک میشوند. این آار
٣٨
سبب میشود آه یک فاز بتواند در موقع لزوم به سرعت خاموش شود و جریانش به صفر برسد. برای ﲢریک فاز A، ترانزیستورهای T1 و
T2 و تریستور S1 روشن میشوند، اگر جریان به مقدار تعیین شده برسد T1 خاموش میشود و جریان از طریق فاز A و ترانزیستور T2
S1 و D2 برقرار میشود، در این هنگام ولتاژ دو سر فاز A در
صورت ایدهآل در نظر گرفﱳ قطعات صفر خواهد بود در این روش انرژی ذخیره شده در اندوآتانس ماشین به انرژی مکانیکی تبدیل شده و جریان فاز آاهش مییابد، هنگامیآه جریان فاز باید آاملا خاموش شود. T1 و T2 ﳘزمان خاموش میشوند آه باعث روشن شدن D1
D2 میشود، در این هنگام ولتاژ در دو سر سیمپیچ فاز -Vdc
خواهد شد. ﲞشی از انرژی به منبع بازگشته و ﲞشی دیگر از آن
به انرژی مکانیکی تبدیل خواهد شد به این ترتیب جریان فاز به
سرعت به صفر میرسد. تریستور S2 مانع از گردش جریان فاز A از طریق فاز C میشود.

شکل(-d٢-٢) : استفاده از SCR و آاهش تعداد ترانزیستورهادرمبدل پل
نامتقارن
٣٩
٢-٣- مبدﳍای یک سوئیچ در هر فاز
مبدﳍای یک سوئیچ در هر فاز بهخاطر آوچک بودن ابعاد مبدل و ﳘچنین آاهش قیمت ساخت آا جذاب هستند این مبدﳍا دارای اشکال عدم توانایی اعمال ولتاژ صفر در دو سر سیمپیچ هستند، این ﳏدودیت سبب افزایش مبادله انرژی بین ماشین و منبع ولتاژ dc
میشود آه خود موجب تلفات بیشﱰ و آاهش بازده میشود ﳘچنین نویز صوتی افزایش مییابد.[35]
٢-۴- مبدل R-Dump
شکل (۴-٢) یک مبدل با یک سوئیچ و یک دیود در هر فاز را
نشان میدهد، وقتی T1 خاموش میشود جریان آزادانه از طریق
دیود D2 عبور میآند و خازن CS را شارژ میآند پس از مقاومت
خارجی R عبور میآند. این مقاومت مقداری از انرژی ذخیره شده
در فاز A را مصرف میآند آه باعث مشکل دیر ﲣلیه شدن سیمپیچ
میشود. علاوه براین اتلاف انرژی در مقاومت باعث آاهش بازده
میشود. ولتاژ بر روی T1 در هنگامیآه خاموش میشود برابر Vdc +
IaR میباشد. مقدار R هم میزان تلفات را تعیین میآند هم میزان ولتاژ حداآثر را آه ترانزیستور باید ﲢمل آند. اگر R آوچک باشد جریان فاز دیرتر خاموش شده و ﳑکن است در ناحیهای آه اندوآتانس دارای شیب منفی است سیمپیچ ﳘچنان جریان داشته و هنوز ﲣلیه نشده باشد. این امر سبب ایجاد گشتاور منفی و آاهش گشتاور موتوری میشود. اگر R بزرگ باشد آنگاه افت ولتاژ روی ترانزیستورها بزرگ بوده و ترانزیستوری آه ﲢمل ولتاژ بالاتری داشته باشد نیاز است.[18]
۴٠

شکل(۴-٢) : (a) توپولوژی R-Dump
(b) شکل موجهای توپولوژی R-Dump
٢-۵- مبدل Bifilar
در شکل (۵-٢) یک مبدل با یک ترانزیستور فاز دیده میشود اما انرژی ذخیره شده در برمیگردد. اینآار با استفاده از یک سیمپیچ

ویک دیود در هر فاز به منبع dc bifilar (دو رشتهای)
۴١
با پلاریته نشان داده شده در شکل امکانپذیر میباشد. وقتی ترانزیستور T1 خاموش میشود emf القا شده در سیمپیچ دارای
پلاریتهای است آه دیود D1 را روشن میآند. این باعث ﲣلیه
جریان از طریق D1 میشود و انرژی به منبع باز میگردد.
هنگامیآه ترانزیستور خاموش میشود ولتاژ بر روی سیمپیچ bifilar
ثانویه برابر ولتاژ منبع dc میباشد ولتاژ بر روی سیمپیچ
اصلی بستگی به نسبت دور سیمپیچها دارد. با در نظر گرفﱳ نسبت دور a بین سیمپیچ اصلی سری با ترانزیستور و سیمپیچ bifilar
ثانویه، ولتاژ بر روی ترانزیستور برابر خواهد بود با:
vT1 = vdc + avdc = (1+a) vdc
این نشان میدهد آه ولتاژ بر روی T1 میتواند خیلی بزرگﱰ از ولتاژ منبع باشد. ﳘچنین نیاز به یک سیمپیچ ثانویه باعث ایجاد ﳏدودیت در فضای سیمبندی برای سیمپیچ اصلی شده و اقتصادی ﳕیباشد.[19]

شکل(-a۵-٢) : مبدل Bifilar
۴٢

شکل -b)۵-٢) : شکل موجهای مبدل Bifilar
٢-۶- مبدل با منبع تغذیه dc دو نیمهای
مبدل با منبع تغذیه dc دو نیمهای برای هر فاز یک سوئیچ
داشته و به این صورت آار میآند آه فاز A با روشن شدن T1
ﲢریک میشود. جریان در ترانزیستور T1، فاز A و خازن C1
برقرار میشود. وقتی ترانزیستور T1 خاموش میشود جریان با
حرآت از مسیر فاز A و خازن C2 و دیود D2 ادامه مییابد. در
این عمل خازن C2 شارژ شده و بنابراین انرژی ذخیره در فاز A
بهسرعت ﲣلیه میشود مشابه این عمل برای فاز B اتفاق میافتد،
۴٣
است و 0.5 vdc
عملکرد این مدار برای فاز A در شکل -b)۶-٢) نشان داده شده
است. وقتی T1 روشن است ولتاژ در دو سر فاز A برابر vdc 2
خواهد بود و وقتی T1 خاموش میشود ولتاژ دو سرفاز A برابر
−vdc 2 خواهد شد.[24] ولتاژ بر روی ترانزیستور T1 وقتی آه روشن
است قابل صرفنظر میباشد و وقتی خاموش میشود برابرvdc
وقتی آه جریان سیمپیچ به صفر میرسد ولتاژ T1 برابر
خواهد شد. برخی از اشکالات این درایو این است آه فقط نصف
ولتاژ تغذیه برای ﲢریک فاز استفاده میشود. برای تعادل بار
بر روی خازای تغذیه باید تعداد فازهای ماشین زوج باشد.
شکل(-a۶-٢) : مبدل، منبع تغذیه dc دو نیمهای
۴۴

شکل(-b ۶-٢) : شکل موجهای مبدل با منبع تغذیه دو نیمهای
٢-٧- مبدل با q ترانزیستور و 2q دیود
در شکل -a)٧-٢) یک مبدل با یک سوئیچ در هر فاز نشان داده شده است، توجه آنید آه دیودهای هرزگرد D1 و D2 و D3 و D4
دیودهای سریع هستند و دیودهایD5 و D6 و D7 و D8 دیودهای با سرعت روشن شدن پایین هستند. با روشن شدن ترانزیستورهای T1 و
T4 فاز A ﲢریک میشود وقتی جریان به میزان تعیین شده رسید ترانزیستورهای T1 و T2 خاموش میشوند. این آار سبب روشن شدن دیودهای D1 و D4 شده تا جریان را برقرار سازند، در این حین ولتاژ بر روی فاز A برابر -vdc خواهد شد آه نشان دهنده
۴۵
انتقال انرژی از سیمپیچ به منبع ولتاژ DC میباشد. ﳘانطور آه در شکل -b)٧-٢) دیده میشود این آار سبب صفر شدن سریع جریان
فاز A میشود (روش اول) در روش دوم آه سوئیچها ﳘزمان خاموش
ﳕیشوند. در این حالت T4 روشن بوده و T1 خاموش میشود و برای
سیکل بعدی T1 روشن بوده و T4 خاموش میشود تا جریان rms
سوئیچها آاهش یابد. این عملکرد در شکل -c)٧-٢) نشان داده
شده است برای ﲢریک فاز B باید ترانزیستورهای T1 و T2 با هم عمل آنند.[27]

شکل(-a٧-٢) : مبدل با q ترانزیستور و 2q دیود
۴۶

شکل(-b٧-٢) : شکل موجهای مدار فوق با روش اول
۴٧

شکل(-c٧-٢) : شکل موجهای مدار فوق با روش دوم
٢-٨- مبدل با (١(q+ سوئیچ و دیود
یک آرایش (١(q+ سوئیچ در شکل (١-٨-٢) نشان داده شده است، برای اینکه فاز A ﲢریک شود، T1 و T2 باید روشن شوند آه باعث اعمال ولتاژ منبع به دو سر سیم پیچ میشود. وقتی جریان ia به حد تعیین شده میرسد یک روش این است آه T1 یا T2 خاموش شوند، در این صورت جریان از طریق T1 و D2 یا T2 و D1 برقرار شده و ولتاژ در دو سر فاز صفر میشود، روش دیگر این است آه T1 و T2
ﳘزمان خاموش بشوند و ولتاژ دو سر سیمپیچ -vdc شود و جریان آاهش یابد، برای خاموش آردن فاز A و آاهش سریع جریان در آن
۴٨
روش دوم انتخاب میشود. بطور مشابه برای فاز B،
ترانزیستورهای T2و T3 و دیودهای D2 و D3 استفاده میشوند و برای فاز C ترانزیستورهای T3 و T4 و دیودهای D3 و D4 استفاده
میشوند، ترانزیستورهای T2 و T3 و دیودهای D2و D3 بهصورت مشﱰ
ک استفاده میشوند این امر نهتنها باعث افزایش جریان عبوری
از آا میشود بلکه در آنﱰل مستقل فازها نیز ﳏدودیت ایجاد
میآند. بهعنوان مثال اجازه دهید فاز A خاموش شده و فاز B
ﲢریک شود، در این حال T1 باید خاموش شود و T2 و T3 روشن شوند، این امر سبب میشود آه ولتاژ روی فاز A صفر شود، در صورتی آه مطلوب ما -vdc میباشد. این امر سبب دیرتر خاموش شدن فاز A
شده و حتی ﳑکن است باعث ایجاد گشتاور منفی و آاهش گشتاور موتوری شود.[21]

شکل (١-٨-٢) : مبدل با (١(q+ سوئیچ در هر فاز
ﲠبود یافته مدار فوق با دیودهای اضافه و q
شکل (٢-٨-٢) نشان داده شده است. این مدار میباشد، نیمی از آا (دیودهای Da و Db و Dc

ترانزیستور در دارای 2q دیود و (Dd جریان را
۴٩
به فاز مناسب هدایت میآنند و بنابراین میتوانند دیودهای با سرعت آم باشند. فقط ماشینهایی با تعداد فاز زوج میتوانند از فواید این درایو ﲠرهمند شوند. [25]

شکل(٢-٨-٢) : ﲠبود یافته مدار(١(q+ ترانزیستوری
٢-٩- مبدل C-Dump مبدل C-Dump با مدار بازیافت انرژی در شکل (٩-٢) نشان
داده شده است. ﲞشی از انرژی مغاطیسی ذخیره شده در فاز به
خازن Cd منتقل شده و از آن از طریق Tr و Lr و Dr بازیابی شده
به منبع ولتاژ DC ورودی منتقل میشود. فرض آنید آه
ترانزیستور T1 روشن شود تا فاز A ﲢریک گردد و هنگامیآه
جریان فاز A به میزان تعیین شده میرسد، T1 خاموش میشود،
اینآار باعث روشن شدن دیود D1 میشود و جریان از طریق خازن
Cd بسته میشود آه باعث افزایش ولتاژ روی آن میشود. در نتیجه جریان فاز A آاهش مییابد، وقتی آه جریان به اندازه ∆i از
میزان تعیین شده آمﱰ شد، T1 روشن میشود تا جریان به مقدار
تعیین شده نزدیک شود. وقتیآه جریان باید آاملا در فاز A
۵٠
خاموش شود، T1 خاموش میشود و مقداری از انرژی ذخیره شده در فاز A در خازن Cd ذخیره میشود و ﲞشی از آن به انرژی مکانیکی
تبدیل میشود. این مبدل حداقل تعداد سوئیچ را داشته و ﳘچنین
جریان در آن بطور مستقل از فازهای دیگر آنﱰل میشود. اشکال
اصلی این مبدل این است آه سرعت خاموش شدن فاز به اختلاف
ولتاژ تغذیه ورودی، vdc، و ولتاژ vo روی Cd بستگی دارد، سریعﱰ خاموش شدن جریان نیازمند vo بزرگﱰ است آه باعث افزایش میزان ولتاژی خواهد شد آه ادوات قدرت باید ﲢمل آنند. ﳘچنین تبادل انرژی بین Cd و منبع تغذیه dc ورودی باعث تلفات اضافی شده و بازده ماشین را پایین میآورد. مدار باز یافت انرژی فقط هنگامیعمل میآند آه یکی از ترانزیستورهای T1، T2 ، T3 یا T4
روشن باشند تا از جریان هرز گرد فازها جلوگیری شود. Tr
زمانیآه ترانزیستورهای T1 تا T4 ﳘگی خاموش هستند خاموش می شود.[2]

۵١

شکل(٩-٢) : (a) مدار مبدل C-Dump
(b) شکل موجهای مبدل C-Dump
٢-١٠- مبدل C-Dump با قابلیت جریان هرزگرد
مبدل SRM به روش C-Dump توانایی ایجاد ولتاژ صفر ولت را
بر روی فازها نداشت، این امر سبب افزایش نویز صوتی در این
موتورها میشود. ﳘچنین فازهای ماشین هم با ولتاژ منبع dc و
هم با اختلاف ولتاژ بین منبع dc و خازن C-dump مواجه میشدند یعنی یک ولتاژ با تغییرات بسیار زیاد، تقریباً دو برابر ولتاژ منبع dc، این موضع باعث تلفات بیشﱰ میشود، ﳘه این مسائل با اضافه آردن یک ترانزیستور و ایجاد جریان هرزگرد به ﳘراه دیود DS برای بازیافت انرژی ذخیره شده در خازن C-Dump
۵٢
برطرف می شوند. شکل (١-١٠-٢) در این آرایش Lr حذف شده است.
برای ﲢریک فاز A، ترانزیستور T1 روشن می شود. مرحله ١، وقتی جریان فاز به میزان تعیین شده میرسد T1 خاموش شده و Tf روشن میشود، مرحله ٢، زمانی شروع میشود آه ولتاژ Cd به ولتاژ منبع dc میرسد، در این هنگام Tf روشن شده و جریان در فاز
ترانزیستور Tf و دیود D1 برقرار میشود (در این هنگام ولتاژ
دو سر سیمپیچ صفر است). وقتی جریان فاز باید خاموش شود T1
خاموش شده و Tf روشن ﳕیشود، در نتیجه ﲞشی از انرژی به خازن
Cd منتقل میشود و ﲞشی دیگر به انرژی مکانیکی تبدیل میشود، این مرحله ٣ است، و در این مرحله ولتاژ دو سر فاز ماشین برابر (vd-vo) خواهد شد.
مرحله ۴ زمانی آغاز میشود آه فاز آاملا خاموش شده است و انرژی داخل Cd میتواند برای ﲢریک فاز B یا فاز C استفاده شود، در این مرحله دیود DS خاموش شده و اجازه میدهد آه ولتاژ Cd به فاز دارای جریان منتقل شود در ﲤامی این مراحل آنﱰل مستقل جریان فازها امکانپذیر میباشد. فقط هنگامیآه جریان فازها با هم ﳘپوشانی دارند روشن آردن Tf باعث دیرتر خاموش شدن فاز درحال خاموش شدن خواهد شد. شکل موج عملکرد مدار بدون ﳘپوشانی جریان فازها در شکل (٢-١٠-٢) نشان داده شده است.[34]
۵٣

شکل (١-١٠-٢) : مبدل C-Dump با قابلیت جریان هرزگرد

شکل (٢-١٠-٢) : عملکرد مدار بدون ﳘپوشانی جریان فازها
۵۴
٢-١١- مبدل با یک ترانزیستور مشﱰک
شکل (١١-٢) یک مبدل با یک ترانزیستور مشﱰک برای فازها را نشان میدهد، T1 قسمت بالای فازها را از منبع dc جدا میآند تا انرژی بتواند به خازن C1 منتقل شود، در غیر اینصورت جریان بهصورت هرزگرد در داخل فاز و دیود جاری خواهد شد، وقتی ﲞواهیم فاز A ﲢریک شود، ترانزیستورهای T1 و T3 روشن میشوند، هنگامیآه جریان به میزان تعیین شده رسید ترانزیستور T1 و T2
ﳘزمان یا به تنهایی خاموش خواهند شد. اشکال این مبدل عدم توانایی آنﱰل جریان بهصورت مستقل در هنگامیآه جریاا با هم ﳘپوشانی دارند میباشد، هنگامیآه فاز A در حال خاموش شدن است اگر فاز B یا C روشن شود جریان در فاز A بهصورت هرزگرد خواهد شد و ﲣلیه آن طولانیتر میشود.[39]

شکل (١١-٢) : (a) مبدل با یک ترانزیستور مشﱰک
(b) عملکرد مدار
۵۵
٢-١٢- مبدل با حداقل تعداد سوئیچ و تغذیه ورودی متغیر
دو ﳕونه مبدل با (١(q+ ترانزیستور بررسی شدند، با وجود
ﳏدودیتهایی آه داشتند بهخاطر سادگی توپولوژی و خصوصیات
آنﱰلی جالب از آا استفاده میشود. این نوع مبدﳍا ﳘان ولتاژ منبع را به ادوات نیمه هادی اعمال میآنند اما توانایی آنﱰل جریان فازها را هنگامیآه جریاا با هم ﳘپوشانی دارند (وقتی یک فاز در حال خاموش شدن است فاز دیگر ﲞواهد روشن شود)
ندارند. نوع C-dump مشکل آنﱰل جریان بهصورت مستقل را حل
آرده اما ادوات نیمههادی باید ولتاژ بزرگﱰی را ﲢمل آنند،
ﳘچنین در مبدل C-dump گردش انرژی بیشﱰ است و تلفات بالاتر
میباشد. اشکالات فوق استفاده از این مبدﳍا را در عمل ﳏدود آرده است.
مبدل نشان داده شده در شکل (١٢-٢) با ﳘان تعداد ترانزیستور دیگر مشکل آنﱰل مستقل جریان فازها را ندارد.
ترانزیستور TC، دیود DC، سلف LC و خازن CC مدار آاهنده ولتاژ
DC ورودی را تشکیل میدهند. این مدار ولتاژ vdc ورودی را به vi
آاهش میدهد تا اینکه ولتاژ مورد نظر به سیمپیچ ماشین اعمل شود. با آاهش ولتاژ vi دیگر نیاز به سوئیچینگ ترانزیستورهای قدرت فازها ﳕیباشد و فقط یک بار برای اعمال ولتاژ به فاز روشن شده و یک بار هم برای خاموش شدن جریان، خاموش میشوند.
در نتیجه تلفات ناشی از سوئیچینگ ترانزیستورهای فازها و تلفات هسته به حداقل میرسد. ﳘچنین این مبدل خاموش شدن سریع فازها را درحالیآه حداآثر ولتاژ روی ادوات نیمههادی برابر ولتاژ DC تغذیه است فراهم میآند، درست برخلاف مبدل [28]C-dump
.
۵۶

شکل (١٢-٢) : مبدل با حداقل تعداد ترانزیستور و تغذیه ورودی متغیر
٢-١٣- مبدل با ولتاژ DC متغیر و توپولوژی Buck-Boost
در شکل(١٣-٢) یک مبدل با ولتاژ DC ورودی متغیر و با چهار عدد ترانزیستور و دیود نشان داده شده است. به ازای هر فاز ماشین فقط یک عدد ترانزیستور وجود دارد، این ترانزیستور با سیمپیچ فاز بصورت سری قرار گرفته و از خطای shoot-through
جلوگیری میآند. ترانزیستور TC، دیود DC، سلفL و خازن خروجی
C طبقه خروجی مبدل Buck-Boost را تشکیل میدهند. ولتاژ DC
ورودی به ماشین، Vi، میتواند از صفر تا دو برابر ولتاژvdc
تغییر آند تا ولتاژ مورد نظر را به سیمپیچهای ماشین اعمال
آند. بنابراین خاموش شدن سریع فازها با ولتاژ vdc ثابت امکانپذیر است، با روشن شدن ترانزیستور v1 ولتاژ vi به فاز A
اعمال شده و باعث ﲢریک این فاز میشود. وقتی T1 خاموش میشود صرفنظر از خاموش یا روشن بودن ترانزیستور TC، جریان از مسیر
D1 و منبع ولتاژ vdc و سیمپیچ فاز A جاری میشود، انرژی
ذخیره شده در خازن C در زمانی آه ترانزیستور TC خاموش است
میتواند به فازی آه قرار است روشن شود انتقال یابد، به ﳘین
۵٧
دلیل آنﱰل مستقل فازها در این توپولوژی امکانپذیر است.
برتری این مبدل نسبت به مبدلی آه طبقه خروجی آن بصورت Buck
آار میآند این است آه ولتاژ خروجی آه به فازها اعمال میشود میتواند بیشﱰ از vdc شود تا افزایش جریان در سیمپیچ در حال
روشن شدن سریعﱰ صورت پذیرد، این برتریها در این مدار مبدل
بهﳘراه افزایش ولتاژی است آه سوئیچ مدار مبدل ولتاژ باید
ﲢمل آند، این ولتاژ برابر ولتاژ dc ورودی به اضافه ولتاژ
خروجی مدار مبدل dc به dc میباشد و با فرض اینکه ولتاژ خروجی مبدل dc به dc دو برابر ولتاژ dc ورودی است. ولتاژی آه این ترانزیستور باید ﲢمل آند سه برابر ولتاژ dc ورودی میباشد، حتی برای حالتی آه ولتاژ خروجی مدار مبدل آوچکﱰ از ولتاژ ورودی است، میزان ولتاژی آه این ترانزیستور باید ﲢمل آند نسبت به مبدل Buck بیشﱰ میباشد.[39]

شکل (١٣-٢) : مبدل با ولتاژ DC متغیر و توپولوژی Buck-Boost
۵٨
٢-۴١- مبدل با (1. 5 q) سوئیچ و دیود
این مبدل در شکل (١۴-٢) نشان داده شده، آه آمﱰ از دو
سوئیچ برای هر فاز نیاز دارد و به ازای دو فاز سه عدد سوئیچ دارد، علاوه بر این در صورتی آه تعداد فازهای ماشین زوج باشد و بصورت غیرمتوالی در یک گروه قرار گرفته باشند امکان آنﱰل مستقل جریان فازها وجود دارد. در این مبدل سوئیچهای T5 و T6
هریک باید جریان دو فاز را از خود عبور بدهند بنابراین
میزان جریانی آه باید ﲢمل آنند نسبت به ترانزیستورهای T1 و
T2 و T3 و T4 بیشﱰ است، شکل موجهای مربوط به این مبدل در
هنگام آار در شکل -b)١۴-٢) نشان داده شده.[39]

شکل (١۴-٢) : (a) مبدل با (1.5q) سوئیچ
(b) عملکرد مدار
۵٩
٢-۵١- مبدل دو مرحلهای
آرایشی آه توانایی انتقال انرژی را بهصورت مستقیم از
سیمپیچهای فاز به منبع ولتاژ ac داشته باشد در شکل (١۵-٢)
نشان داده شده آه دو مرحله تبدیل ولتاژ در آن صورت میگیرد،
طبقه اول شامل یک مبدل آنﱰل شونده با شش عدد ترانزیستور و
شش عدد دیود است آه ورودی سه فاز 60 HZ را به خروجی ac تکفاز
و با فرآانس متغیر ارتباط میدهد، طبقه بعدی یک طبقه قدرت
بوده آه به وسیله آن هر فاز ﲢریک میشود بیشﱰ مدارات
راهانداز موتور رلوآتانس سوئیچ شونده به جز آا آه تغذیه
ورودیشان را باطری تشکیل میدهد ﳕیتوانند انرژی را مستقیماً
از ماشین به منبع ورودی منتقل آنند، این امر بهخاطر وجود یکسوسازهای دیودی و ﳏدودیت جریانی در خازای الکﱰولیتی میباشد. بنابراین فقط ﲞش آوچکی از انرژی به خازن برگشته و دوباره استفاده میشود. در نتیجه یک مقاومت باید موازی خازن واقع شود تا مانع از افزایش ولتاژ dc در آن شود، آه این خود باعث آاهش بازده میشود، در این موارد شارژ و دشارژ متناوب خازن باعث آاهش عمر آن میشود، مبدل مطرح در این قسمت فاقد خازن بوده و میتواند انرژی را مستقیماً از ماشین به منبع منتقل آند. اشکال این مبدل این است آه تعداد ترانزیستورها و دیودها در آن زیاد است و هزینه ساخت آن نسبت به سایر مبدﳍا بیشﱰ میباشد. و درجاهایی آه انرژی بازیافتی مورد توجه نباشد اقتصادی نیست. آاربردی آه میتواند مناسب باشد آنﱰل متغیر سرعت و تولید فرآانس ثابت از انرژی باد است.[22]
۶٠

شکل (١۵-٢) : مبدل دو مرحلهای
۶١
فصل سوم:
طراحی مدار راهانداز (DRIVER)
به روش مستقیم
۶٢
٣-١- مقدمه
موتورهای رلوآتانس به یک مدار راهانداز برای چرخش نیاز دارند. مدار راهانداز بستگی به مورد استفاده میتواند، بسیار ساده باشد. در عین حال آنﱰل سرعت موتور در یک حلقه بسته، حذف سنسورهای تعیین موقعیت روتور، آاهش ریپل گشتاور و ...
میتوانند بر پیچیدگی، حجم و قسمت مدار طراحی شده تأثیر بگذارند.
شکل (١-٣)، بلوک دیاگرام مدار آنﱰل یک موتور رلوآتانس را نشان میدهد.

شکل (١-٣) : بلوک دیاگرام مدار آنﱰل موتور
۶٣
٣-٢- سوئیچ و اﳌاای قدرت
روش متداول برای سوئیچ آردن سیمپیچهای موتور رلوآتانس استفاده از دو سوئیچ برای هر فاز میباشد و چون موتور طراحی شده سه فاز میباشد، ﲨعاً ۶ سوئیچ ترانزیستوری مورد نیاز میباشد. شکل (١-٢-٣) مدارد ساده هر فاز را مشان میدهد.
هنگامی آه سوئیچها روشن باشند ولتاژ تغذیه بر روی سیمپیچ فاز موجب عبور جریان از آن میشود. پس از خاموش شدن سوئیچها جریان سیمپیچ از طریق دیودها عبور میﳕاید و این جریان پس از مدت زمانی آه بستگی به L و R سیم پیچ دارد به ﲰت صفر میل میآند و سپس دیودها نیز خاموش میشوند.

شکل (١-٢-٣) : مدار ساده هر فاز
دیودها از نوع سریع میباشند. ترانزیستورهای سوئیچ میتوانند MOSFET یا IGBT باشند آهIGBT دارای خازن ورودی
آمﱰی است، در عین حال حداآثر ولتاژ شکست آا بالاتر از
MOSFET ها میباشند. افت ولتاژ بر روی IGBT برابر VCesat میباشد آه در حد 1.5 تا 2.5 ولت است در حالیکه افت ولتاژ بر روی MOSFET وابستگی به مقاومت درین وسورس دارد آه این مقاومت نیز وابستگی شدیدی به حرارت دارد. مدار ﲢریک گیت
۶۴
برای ترانزیستورهای MOSFET و IGBT یکسان میباشد. بنابراین میتوان این مدار را برای هر دو بکار برد.
با توجه به اینکه بیشﱰین تلفات در مدارهای سوئیچینگ در زمان روشن و خاموش شدن سوئیچ صورت میگیرد، بایستی زمان روشن و خاموش شدن ترانزیستورها را به حداقل رساند. از آﳒایی آه
ورودی این ترانزیستورها دارای یک خازن است، برای شارژ آردن
و دشارژ آردن آن نیاز به یک منبع با امپدانس خروجی آم
میباشد، برای این منظور از ترآیب دو ترانزیستور npn و pnp
استفاده میشود آه یک امیﱰ فالوور دو جهته میباشد، هم جریان دهی و هم جریان آشی مناسب دارد، با توجه به β بالاتر از 100
برای این ترانزیستورها در صورتی آه جریان بیس در حد 10mA در نظر گرفته شود، جریان خروجی این ترانزیستورها 1A خواهد بود.
در این صورت زمان روشن و خاموش شدن ترانزیستورهای قدرت در این مدار آمﱰ از 500ns میباشد. شکل (٢-٢-٣) مدار درایو ترانزیستورهای قدرت را نشان میدهد.

شکل (٢-٢-٣) : مدار درایو ترانزیستورهای قدرت
۶۵
٣-٣- سنسور تعیین موقعیت و سرعت موتور برای چرخش موتورهای رلوآتانس، بایستی هر آدام از فازهای
سه گانه با ترتیب و زاویه مشخص روشن شوند، این ترتیب و
زاویه بستگی به تعداد قطبهای روتور و استاتور و ﳏل قرار
گیری آا نسبت بههم دارد. به ﳘین منظور بایستی از یک ﳎموعه سنسور برای مشخص آردن این وضعیت استفاده ﳕود. یکی از روشهای متداول، استفاده از یک پره شکافدار به ﳘراه سه عدد فتواینﱰاپﱰ (Photo Interrupter) میباشد. فتواینﱰاپﱰ قطعهای است آه در آن یک فرستنده و یک گیرنده مادون قرمز وجود دارد. شکل (١ -٣-٣) مدار معادل یک مدل از آن را نشان میدهد.

شکل (١-٣-٣) : مدار معادل فتواینﱰاپﱰ
سه عدد از این قطعات الکﱰونیکی در زاویه 30° نسبت به هم
قرار میگیرند و یک پره شکافدار آه به ﳏور روتور متصل شده
است از میان آا میگذرد. شکافهای پره شکافدار بگونهای تنظیم شده است آه ﳘواره یک شکاف در مقابل یکی از سه فتو اینﱰاپﱰ
قرار میگیرد. بنابراین ﳘواره یکی از این سه سنسور، نور را
از خود عبور میدهد و از دو سنسور دیگر نور عبور ﳕیآند،
طراحی پره شکافدار بستگی به تعداد قطب روتور دارد. شکل (٢-٣ -٣) مدار آامل سنسورها را نشان میدهد.

شکل (٢-٣-٣) : مدار آامل سنسورها
۶۶
شکل موجهای ناشی از سنسورها برای سه فاز در شکل (٣-٣-٣)
مشاهده میشود.

شکل (٣-٣-٣) : شکل موجهای ناشی از سنسورها
از پالسهای ایجاد شده برای روشن آردن ترانزیستورهای هر
فاز استفاده میشود. ترتیب فازها بگونهایست آه موتور تنها در جهت راست میچرخد. برای چرخش در جهت چپ یک ﳎموعه ٣ تائی فتواینﱰاپﱰ دیگر نصب میشود. انتخاب جهت چرخش و ﳎموعه فتواینﱰاپﱰها توسط میکروآنﱰلر صورت میگیرد.
٣-۴- آنﱰل دور و حلقه فیدبک برای آنﱰل دور موتور بایستی جریان سیمپیچها را آنﱰل ﳕود،
برای این منظور از روش PWM استفاده میشود. در این حالت هر
آدام از پالسهای خروجی از فتواینﱰاپﱰها با یک موج پالسی
PWM آمیخته میشود و بدینترتیب زمان عبور جریان از یک
سیمپیچ و در نتیجه میزان جریان آن آنﱰل میگردد. هر چه نای
روشن ]یا یک بودنPWM [ بیشﱰ باشد جریان عبوری بیشﱰ است و
در نتیجه دور و گشتاور موتور بیشﱰ میشود. شکل (١-۴-٣) سه
شکل موج را نشان میدهد، اولی پالسهای سنسور موقعیت، دومی پالسهای PWM میباشد. سومین شکل موج در نتیجه AND آردن آن دو پالس میباشد آه به ترانزیستورهای یکی از فازها اعمال میگردد.
۶٧

شکل (١-۴-٣) : پالسهای PWM
فرآانس پالسهای ,PWM ثابت است و تغییرات نای پالس میتواند در یک حلقه فیدبک آنﱰل شود تا سرعت موتور ﳘواره با تغییر بار ثابت ﲟاند.[1] سرعت موتور از روی تعداد پالسهای موقعیت در ثانیه اندازهگیری میشود، برای این آار از مدار شکل (٢-۴-٣) استفاده میشود.

شکل (٢-۴-٣) : مدار سرعت موتور
ولتاژ VP متناسب با سرعت موتور است، مقاومتهای R1 و R2 و
مقدار خازن C بستگی به میزان تغییرات سرعت و مقدار سرعت و تعداد پالسهای فازها در ثانیه دارد. بدیهی است هرچه سرعت بالاتر باشد، تعداد پالسهای فازها در ثانیه بیشﱰ است و مقدار
R1 و R2 و C آوچکﱰ میشود. برای آنﱰل PI روی موتور از آنﱰل
۶٨
آننده شکل ٣-۴-٣ استفاده میشود. VP ولتاژ متناظر با سرعت میباشد و Vref ولتاژ مرجع متناسب با سرعت مرجع میباشد. Ve
ولتاژ خطا متناسب با اختلاف دو سرعت است.[29]

شکل (٣-۴-٣) : مدار آنﱰل PI برای پالسهای PWM از TL494 استفاده میشود. این IC دارای
یک مولد PWM است آه نای پالسهای آن توسط چند ورودی قابل
آنﱰل میباشد. شکل (۴-۴-٣) قسمتهای ﳐتلف این IC را نشان
میدهد. توسط پایههای ١ و ٢ و ١۵ و ١۶ و از طریق دو op-amp
داخلی میتوان ولتاژی را در پایه ٣ ایجاد آرد آه سطح این ولتاژ بین 0 تا ٣.٣ ولت تغییر میآند و تغییرات آن موجب تغییر
در نای پالس خروجی میگردد. op-amp، را میتوان در حلقه بسته و یا بهعنوان مقایسه آننده بکار برد. مدار حلقه فیدبک شکل ۴
-١٠ با استفاده از پایههای ١ و ٢ و یکی از op-amp ساخته میشود. از op-amp دوم برای ﳏدد آردن جریان موتور استفاده میشود. هنگامی آه جریان موتور از یک حد مشخص مثلا ١٠ آمپر بیشﱰ شود، ولتاژ در پایه ١۶ بیشﱰ از ولتاژ پایه ١۵ میشود و
۶٩
ولتاژ پایه ٣ تغییر می آند. بطوریکه موجب بسته شدن PWM در خروجی میگردد و بدینترتیب جریان ﳏدود میگردد.[26]

شکل (۴-۴-٣) : IC-TL494
پایه ۴ این IC برای Soft Start میباشد، اگر این پایه به آرامی
از ولتاژ +5v به ﲰت 0 ولت برسد. PWM نیز با ﳘان سرعت از %0
به %100 میرسد. از این پایه در زمان روشن آردن موتور در
ابتدای آار استفاده میشود.
٧٠
فصل چهارم:
روش های عملی کاهش
ریپل گشتاور
٧١
۴-١- بدست آوردن رابطه گشتاور از مدار معادل : SRM
با توجه به شکل (١-۴) ولتاژ اعمال شده به یک فاز برابر است با ﳎموع افت ولتاژ مقاومتی و میران شار پیوندی که با رابطه زیر داده می شود.
V R s i  d (dtNφ)

Nφ  L(θ,i)i

شکل (١-۴) : مدار معادل موتور رلوآتانسی
در این رابطه، L اندوکتانس بوده که تابعی از جریان سیم پیچ وموقعیت روتور می باشد
dL(θ,i) i di RsiL(θ,i) d{L(θ,i) i} V R s i  dt dt dt توان ورودی با رابطه زیر داده می شود :
pi Vi  Rs i 2 i 2 dL(dtθ,i)  L(θ,i)i dtdi

و می توان نوشت :
dL(θ,i) i 2 1  di L(θ,i)i2 )  L(θ,i)i 1 ) d 2 2 dt dt dt با استفاده از رابطه اخیر در رابطه pi خواهیم داشت :
٧٢
dL(θ,i) i 2 1 ,i)i 2 )  L(θ 1 ) d pi  Rs i 2  2 dt dt 2 رابطه فوق نشان می دهد که توان ورودی برابر است با ﳎموع تلفات مقاومتی که با Rsi2 داده می شود و انرژی ذخیره شده در داخل سیم پیچ که با رابطه 12 L(θ,i)i2 داده می شود ونیز توان فاصله هوایی , Pa که با رابطه زیر داده می شود :
dθ dL(θ,i) i 2 1  dL(θ,i) i2 1 P  dt dθ 2 dt 2 a wm  ddtθ

Pa  1 i2 dL(θθ,i) wm 2 d

توان فاصله هوایی، حاصلضرب گشتاور الکﱰو مغناطیسی و سرعت روتور می باشد که با رابطه زیر داده می شود
Pa  wmTe
با توجه به دو رابطه اخیر، گشتاور الکﱰومغناطیسی بدست خواهد آمد
dL(θ,i) i2 1  T dθ 2 e در رابطه فوق، dL(θ,i) ثابت گشتاور نامیده می شود و به خاطر dθ رابطه ای که اندوکتانس، L ،با موقعیت روتور و جریان سیم پیچ دارد ، یک کمیت غیر خطی می باشد.
۴-٢- بررسی رابطه L با موقعیت روتور : θ
با توجه به شکل (١-٢-۴) در مکان هایی که روتور واستاتور کاملا ﳘراستا هستند، ( (θ2 −θ3 و مکان هایی که روتور و استاتور کاملا غیر ﳘراستا هستند، ( (0 −θ1 و ( (θ4 −θ5 تغییر در اندوکتانس
٧٣
ﳔواهیم داشت. یعنی dL(θ,i) صفر می باشد، در نتیجه گشتاور در dθ
این نقاط صفر خواهد شد، حتی اگر سیم پیچ دارای جریان باشد.

شکل (١-٢-۴) : تغییرات اندوکتانس با موقعیت روتور
راه حل مساله فوق تغییر شکل مکانیکی روتور به ﳓوی است که در شکل (٢-٢-۴) نشان داده شده است. با این کار هیچ گاه اندوکتانس هنگام چرخش روتور مقداری ثابت ﳔواهد داشت، در نتیجه گشتاور صفر ﳔواهد شد.
٧۴

شکل (٢-٢-۴) : پایین شکل، روتور اصلاح شده
در مقایسه با روتور معمولی
۴-٣- بررسی تاثیر جریان بر : L
در جریاای که هسته موتور هنوز اشباع تغریبا شبیه ﳕودار (٣-۴) است. افزایش رفﱳ هسته موتور می شود، این امر در استاتور ﳘراستا هستند به خاطر کاهش gap

نشده، رابطه L و θ جریان سبب به اشباع جاهایی که روتور و مشهودتر است. با به
اشباع رفﱳ هسته، dθdL کاهش می یابد و این امر سبب افت گشتاور می شود.[36]

٧۵

شکل (٣-۴) : تغییرات اندوکتانس با جریان بر حسب زاویه
راه حل مساله فوق کنﱰل جریان می باشد، به این ترتیب که قبل از ﳘراستا شدن روتور و استاتور هنگامی که dθdL در حال کاهش است جریان را افزایش می دهیم تا کاهش L جﱪان شود. افزایش