18099

18099

بررسي خواص تابعي مدرج (FGM) نانوكامپوزيت پايه آلومينيوم با افزودن CNT و Al2O3

كارشناسي ارشد

شناسايي و انتخاب مواد فلزي

شهريور ماه 1396

دكتر مرتضي تميزي فر

مواد و متالورژي

در پژوهش حاضركامپوزيت زمينه آلومينيوم (Al) مقاوم شده با نانو لوله هاي كربن چند ديواره (MWCNTs) و نانو اكسيد آلومينيوم (nAl2O3) به صورت تابعي مدرج (FG) با استفاده از روش معمول متالورژي پودر پولكي شامل يك مرحله حمام اولتراسونيك و آسياكاري گلوله اي انرژي بالا و به دنبال آن تفجوشي جرقه پلاسما توليد شده است. نانو لوله هاي كربن در داخل ذرات Al توسط ذرات نانو آلومينا به عنوان يك عامل مخلوط ساز جامد پراكنده گرديدند. دو مقدار مختلف از MWCNT با نسبت 2 و 5 درصد حجمي به زمينه آلومينيوم اضافه گرديد. پودرهاي كامپوزيتي Al-CNTبه مدت 1 ساعت تحت عمليات اولتراسونيك و همزن مغناطيسي مخلوط شدند. پراكندگي CNT ها در داخل زمينه Al توسط آسياكاري مكانيكي در زمان هاي 2 و 4 ساعت انجام شد. مخلوط هاي پودري Al-CNT-nAl2O3 آسياكاري شده به¬صورت تغييرات تابعي مدرج لايه اي از صفر تا 5 درصد حجمي نانولوله هاي كربن فشرده سازي شد. مورفولوژي ساختار FGM توسط ميكروسكوپ الكترون روبشي گسيل ميداني(FESEM)، رفتار تفجوشي پودرهاي كامپوزيتي توسط آناليز حرارتي افتراقي (DTA)، تغييرات ساختار نانو لوله هاي كربن توسط طيف سنجي رامان (Raman spectroscopy)، آناليز فازي كامپوزيت تابعي مدرج نهايي توسط تفرق اشعه ايكس (XRD)، چگالي و درصد تخلخل، مقاومت الكتريكي، سختي و مقاومت سايشي مورد بررسي قرار داديم. در اين پژوهش، پراكنده¬سازي نانو لوله هاي كربن با نسبت 2 و 5 درصد حجمي با ذرات پولك Al پس از آسياكاري سياره اي انرژي بالا به مدت 2 و 4 ساعت انجام شد. با افزايش زمان آسياكاري نسبت ID/IG محاسبه شده از طيف رامان نانو لوله¬هاي كربن، كاهش يافت. آناليز حرارتي افتراقي نشان داد كه قبل از دماي 600 درجه سانتي گراد فاز Al4C3 تشكيل نشده است. تفجوشي FGM طبق آناليز حرارتي افتراقي در دماي 600 درجه سانتي¬گراد انجام شده است. آناليز فازي نشان داد كه بعد از فرآيند SPS هيچ گونه فازي تشكيل نشده است. دانسيته FGM متراكم شده در زمان آسياكاري 2 و 4 ساعت به ترتيب 635/2 و 598/2، درصد تخلخل به ترتيب 75/0 و 38/1 است. بيشترين سختي برابر HV 122 مربوط به لايه 2 درصد حجمي CNT و 4 ساعت آسياكاري شده بود. مقاومت الكتريكي بيشترين افزايش را براي نمونه 2 درصد حجمي CNT و 4 ساعت آسياكاري شده داشت و با افرايش كسر حجمي CNT در زمينه آلومينيوم مقاومت الكتريكي كاهش يافت. ضريب اصطكاك براي لايه 5 درصد حجمي CNT و 4 ساعت آسياكاري شده حدود 04/0 بود. لايه 5 درصد حجمي CNT با 2 ساعت آسياكاري شده به دليل آگلومره شدن نانولوله هاي كربن و جلوگيري از تفجوشي كامل Al در هنگام سايش دچار شكست گرديد. واژه‌هاي كليدي: مواد تابعي مدرج، نانو لوله هاي كربن، نانوكامپوزيت Al-CNT

1396/09/05

4/3/2020 12:00:00 AM

In the present study, a Functionally graded Al-based composite reinforced whit Multi-wall Carbon Nanotubes (MWCNTs) and Aluminum oxide nanoparticles (nAl2O3) is produced by using a conventional flake-powder metallurgy method, including an ultrasonic bath and high-energy Ball milling followed by a Spark Plasma Sintering(SPS). The carbon nanotubes were dispersed in the Al particles by nano-alumina particles as a solid mixing agent. Two different amounts of MWCNT were added with a ratio of 2 and 5 vol% to the aluminum matrix. Al-CNT composite powders were mixed for 1 hour under ultrasonic process and magnetic stirrers. The dispersion of CNTs in the Al matrix was done by mechanical milling at 2 and 4 hours. The Al-CNT-nAl2O3 powder mixtures were condensed in the form of Layered Graded Functional Changes of 0 to 5 vol% carbon nanotubes. Morphology of FGM structure by Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM), Sintering Behavior of Composite Powders by differential thermal analysis (DTA), Structural changes of carbon nanotubes by Raman spectroscopy , The final Functional graded Composite phase analysis by X-ray diffraction (XRD), density and porosity, electrical resistance, hardness and Wear resistance were investigated. In this research, dispersion of carbon nanotubes with a ratio of 2 and 5 vol% with Al-flake particles was performed after 2 and 4 hours of high energy planetary ball milling. By increasing the milling time, the ratio of ID/IG calculated from the Raman spectrum of carbon nanotubes decreased. Differential thermal analysis showed that the Al4C3 phase was not formed prior to the temperature of 600 °C. FGM sintering is performed according to DT analysis at 600 °C. Phase analysis showed that any phase has not been formed after SPS process. The density of compressed FGM at 2 and 4 hours milling time was 2.635 and 2.589, and Porosity percentage was 0.75 and 1.38, respectively. The highest hardness was equal to 122 HV for a layer containing 2 vol% CNT and ball milled for 4 hours. The electrical resistivity had the highest increase for the sample containing 2 vol% CNT and 4 hours of ball milled and the electrical resistance decreased with increasing CNT volume fraction in the aluminum matrix. The friction coefficient for the 5 vol% CNT layer and 4 hours of ball milled was about 0.04. The layer containing 5 vol% CNT and ball milled for 2 hours was fractured during wear test due to the Agglomeration of carbon nanotubes and the prevention of complete Al sintering. Keywords: functionally graded materials, carbon nanotubes, Al-CNT nanocomposites