ساخت و بررسي خواص سايشي نانوكامپوزيت Al6061/CNT

مهديه جمشيديجم، علي اكبري و مهرداد خاكبيز گروه مهندسي مواد، دانشگاه آزاد اسلامي واحد سيرجان
m_ jamshidijam@yahoo.com

چكيده
در اين تحقيق مخلوط پودري آلومينيوم حاوي مقادير مختلف نانولولهها ي كربني (2 و 5 درصد وزني) با روش آلياژساز ي مكانيك ي تهيه شد. جهت بررس ي توزيع نانولولهها ي كربني در پودر آلومينيوم از ميكروسكوپ الكتروني روبش ي استفاده گرديد. توزيع اندازه ذرات در مخلوطهاي پودري با استفاده از دستگاه اندازهگيري اندازه ذرات توسط ليزر بررسي و تأثير پارامترها ي فرآيند آلياژسازي بر توزيع ذرات در طول فرآيند آلياژسازي مشخص شد. نمونههاي متراكم شده با روش اكستروژن داغ، تهيه گرديد و خواص سايشي اين كامپوزيت بهدست آمد و اين خواص بر اساس روابط موجود شبيهسازي شد. بررسيها نشان داد كه پس از چهار ساعت آسياكاري مخلوط پودري آلومينيوم حاوي 5 درصد وزن ي نانولولهها ي كربني، يك توزي ع يكنواخت از نانولولهها ي كربني در ذرات ورقهاي شكل آلومينيوم حاصل ميشود.
آسياكاري مخلوط پودري در مدت زمانهاي بيش از چهار ساعت باعث ايجاد ذرات هممحور آلومينيوم شده كه اين ذرات حاوي نانولولههاي كربني بهصورت محبوس ميباشند. نتايج آناليز اندازه ذرات توسط ليزر نشان ميدهد كه اندازه متوسط ذرات (D50) و گستردگي توزيع اندازه ذرات (D90-D10) با افزايش زمان آسياكاري و همچنين افزايش ميزان نانولولههاي كربني كاهش مييابد. نتايج نشان ميدهند، خواص سايشي نانوكامپوزيت توليد شده Al-2%CNT و Al-5%CNT نسبت بهنمونه آلومينيوم خالص در حدود 32% و 38% افزايش مييابد. همچنين نتايج شبيهسازي شده ميزان سايش بر حسب فاصله، تطابق خوبي با نتايج آزمايشگاهي نشان داد.

واژه هاي كليدي:
نانوكامپوزيت زمينه فلزي، نانولوله كربن، آلياژسازي مكانيكي، سايش.

مقدمه
در سالها ي اخ ير نانولوله هاي كربن ي توجه زيادي را بهخود جلـبنمودهاند. بر اسـاس مطالعـات تئـوري و تجربـي، مـدول يانـگ ودانـ سيته نانولولـ ههـ ا ي كربنـ ي بـ هترتيـ ب بـ ين TPa 5-1 و 3g/cm 8/1-2/1 م يباشد [1]. با توجـه بـهآگلـومره شـدن شـديد نانولولههاي كربن ي، توز يع آنها در زم ينه فلزي با روشها ي معمولي توليد كامپوز يت مشكل بوده و از طرفي با توجه بهامكان واكـنشنانولولههاي كربن ي با زمينههاي فلز ي و بهويـ ژه آلومينيـوم (توليـ د 3Al4C) توليــد ايــن دســته از كامپوزيتهــا بــا روشــها ي ذوبــي محـ دوديت دارد. عليـ رغم مـ وارد مـ ذكور، نانوكامپوزيتهـ اي Al-CNT با روشهاي مختلف توليد شدهاند. بهطور مثـال لا هـا1 وهمك ارانش [2]، نانوكامپوزيته اي Al-CNT را ب ا روش اس پري پلاسما تهيه كرده و نشان دادنـد كـه نانولولـه هـاي كربنـي باعـث
اف زايش قاب ل توج ه س خت ي زمين ه آلوميني وم ي م يش وند. در نانوكامپوزيته اي Al-CNT تهي ه ش ده ب ا روش تزري ق م ذاب، حضور نانو لولهها باعث افزايش 150% در م يكروسختي و كـاهش39% ضريب اصطكاك شدهاست [3]. ـ دنِ گ2 و همكـارانش [4]، نانوكامپوزي ت Al-5%CNT را ب ا روش مت ـالورژي پ ودر تهي ه كــرده و افــزا يش 78% در ميكروســختي نــسبت بــه زمينــه فاقــد نانولوله هـاي كربنـي را مـشاهده كردنـد. از جملـه روشـهايي كـه بـه سـرعت جهـت توليـ د محـدوده وسـيعي از مـواد پ يـ شرفته مثـلنانوكري ستالها، نانوكامپوزيته ا و غي ره توس عه يافت هاس ت، روش آلياژسازي مكانيكي مـي باشـد [5 و 6]. آلي اژسـازي- آسـياكاري مكانيكي روش مناسـبي بـراي تول يـ د نانوكامپوز ي تهـايي بـا توز يـع يكنواخـت از فـاز مـستحكمكننـده نـانومتر ي مـ يباشـد . در طـولفرآيند آسـياكاري نـانوذرات در پـودر فلـزات نـرم، تغ ييـر شـكلپلاس تيكي، شك ست و ج وش س رد ذرات اتف اق افت اده و پ ودر نانوكامپوزيتي با توزيع يكنواخت ذرات نانو در پـودر فلـز ايجـادميشود.
در تحقيق حاضر مخلوط پـودري Al-CNT بـا روش آلياژ سـازي مك انيكي تهي ه شـده و ت أثير پارامتره ا ي فرآين د ش امل زم انآسياكاري، م يزان نانو لولـه هـاي كربنـي بـر مورفولـوژي و انـدازهذرات مورد بررسي قرار گرفتهاست. در ادامه بعد از فشردهسـازيپودرها با روش اكستر وژن گرم، خـواص سايـشي نانوكامپوزيتهـا بـهدس ت آمـده و بع د از مـدل س ازي، اثـر پارامتره اي فرآين د و تركيب پـودر بـر روي ضـريب اصـطكاك و نـرخ سـايش مـوردبررسي قرار گرفتهاست.

روش تحقيق
پ ودر آلي اژ آلوميني وم 6061 ب ا روش اتمي زه ك ردن گ ازي ونانولولههاي كربني با قطر 80 نانومتر از شركت نانوتِك 3 تهيه شد.
مخلوط پودر آلومينيوم بههمراه مقـادير مختلـف از نانولولـههـايكربني (2 و 5 درصد وزني) توسـط آسـياي گلولـهاي پـر انـرژيسايشي (مدل 1S) در مدت زمانهاي مختلف بين 2 تـا 20 سـاعتتحت آسـياكاري در محـيط آرگـن قـرار گرفتنـد. نـسبت وزنـيگلوله بهپودر در فرآيند آسياكاري 20 و از اتانول بهعنـوان عامـلكنترلكننده فرآيند استفاده شد. پـس از آسـياكاري در زمانهـايمختل ف نمون هه اي پ ودري از مخل وط پ ودري تهي ه ش د. اي ن نمونهها جهت بررسي مورفولـوژي و انـدازهگيـري انـدازه ذرهاي توسط ميكروسـكوپ الكترونـي روبـشي مـد ل كمبـريج و آنـاليزذرات بهوسيله ليزر مدلCillas مورد بررسي قرار گرفتند. بعـد ازتهيه نمونه هاي پودري اين مخلوطها با روش اكسترود داغ فـشردهشدند. بهمنظور بررسـي رفتـار سايـشي از دسـتگاهPin On Disk اسـتفاده ش د. ب ار اعمـالي ب ه نمون ههـا 10 ني وتن ب وده و س رعت چ رخش نمون هه ا ني ز rpm 420 ب ودهاس ت. در مقال ه حاض ر، نمون ه ه اي پ ودر ك امپوزيتي ب ه ص ورت Al-x%CNT معرف ي شدهاند كهx نشان دهنده ميزان نانولولـههـاي كربنـي اضـافه شـدهبه مخلوط پودري ميباشد.

نتايج و مباحث
3-1- بررسي مورفولوژي
شكل (1)، تغييرات مورفولوژي مخلوط پودريAl-2%CNT در طول فرآيند آسياكاري را نشان ميدهـد . همانگونـه كـه مـشاهدهميشـود پـس از 2 و 4 سـاعت آسـياكاري ذرات ورقـهاي شـكلآلومينيوم ايجاد شدهاست. تغييـرات مورفولـوژي ذرات در طـولفرآيند آسياكاري ناشـي از اثـرات متقابـل و پيچيـده فرآينـدهايضربه، فشار و برش در طول فرآيند آسياكاري مكانيكي ميباشد.
در اثر برخورد گلولهها بهپودرها، كارسختي در پودرهـا صـورتگرفته، مي شكنند و سطوح شكست صاف و تميز در اثر برخـوردايجاد مي شوند. سطوح تميز ذرات بهواسطه وجود اتمسفر آرگـنپايدار بوده و تحت تأثير تنشهاي برشي موجود جـوش سـرد بـيناين سطوح ايجاد مي شود، لـذا ذرات بـهصـورت موضـعي بـههـمجوش سرد ميشوند و خوشـههـايي را ايجـاد مـيكننـد . چنانچـه مشاهده ميشود، پـس از 12 سـاعت آسـياكاري، ذرات ورقـهاي

)
الف
(

)
ب
(

)
ج
(

)

الف

(

)

ب

(

)

ج

(

(د)
شكل (1): تصاوير SEM از پودر Al-2%CNT پس از الف) 2، ب) 4، ج) 12 و د) 20 ساعت آسياكاري.
تبديل به خوشههايي شده اند. با ادامه فرآينـد آسـياكاري مـشاهدهميشود كه پس از 20 ساعت آسياكاري، ذرات پودري هممحور ايجاد ميشوند (شكل 1- د).
شكل (2)، تغييرات مورفولوژي مخلوط پودريAl-5%CNT درطول فرآيند آسياكاري را نشان ميدهد. همانند مخلـوط پـودريAl-2%CNT پ س از 2 و 4 س اعت آس ياكاري، ذرات ورق هاي شكل آلومينيوم ايجاد شدهاست.
شكل (2- الف)، تصويرSEM با بزرگنمـايي بـالا و پـائين پـودرپس از 2 ساعت آسياكاري مخلوط پودري Al-5%CNT را نشان ميدهد. همانطوركه ديده مـيشـود خوشـههـايي از نانولولـههـايكربني در سطح ذرات پودر آلومينيوم ايجاد ميشـوند . پـس از 4 ساعت آسياكاري خوشههاي نانولوله هاي كـربن از بـين مـيرود، بهطوريكه با 4 ساعت آسياكاري مكانيكي ميتوان به يك توزيعيكنواخت از نانولولههاي كربني در پودر آلومينيوم دسـت يافـت. افزايش زمان آسياكاري در اين مخلـوط پـودري مـشابه مخلـوط پودريAl-2%CNT است ، گر چه به نظر مـيرسـد كـه افـزايشنانولوله كربني از دو بهپنج درصد باعث ريز شدن پودر آلومينيوم ميگردد. تغييرات مورفولوژي پودر آلومينيوم ايجاد شده توسـطآسياكاري مكانيكي در سيستمهاي كامپوزيتي ديگر نيـز مـشاهدهشدهاند [9-7].
3-2- بررسي اندازه ذرات
در شكل (3)، تأثير زمـان آسـياكاري بـر توزيـع انـدازه ذرات درمخلوطهـاي پـودريAl و (Al(5% CNT نـشان داده شـدهاسـت .
همانگونه كه مشاهده ميشود با افزايش زمان آسياكاري، از 2 بـه20 س اعت، نم ودار توزي ع ان دازه ذرات ب هس مت چ پ منتق ل ميشود زيرا با افزايش زمان آسياكاري، ذرات آلومينيوم ورقهاي شكل ريزتري در نتيجه تغيير شـكل پلاسـتيك شـديد و شكـستن ذرات ايجاد ميگردد. با افزايش بيشتر زمـان آسـياكاري، نمـودارتوزيع ذرات بيشتـر بـهسـمت چـپ منتقـل مـيشـود كـه بيـانگرافزايش بيشتر كسر ذرات ريز در پودر آلومينيوم مـيباشـد . علـت

)
الف
(

)
ب
(

)
ج
(

)

الف

(



قیمت: تومان


پاسخ دهید