مدل سازي فرآيند تغيير شكل ذرات نانوكامپوزيت Al-CNT در حين فرآيند آسيابكاري پر انرژي

مهدي اميدي1، مهرداد خاكبيز2*، حسين مناجاتي زاده3
مربي، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، گروه مواد، نجف آباد، اصفهان، ايران
استاديار، دانشكده علوم وفنون نوين، دانشگاه تهران، تهران، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، گروه مواد، نجف آباد، اصفهان، ايران
* khakbiz@ut.ac.ir
(تاريخ دريافت: 28/03/1390، تاريخ پذيرش: 23/04/1390)

چكيده
در اين تحقيق مخلوط پودري آلومينيم حاوي مقادير مختلف نانولولههاي كربني (2 و 5 درصد وزني) با روش آسيابكاري تهيه شد.
توزيع اندازه ذرات در مخلوطهـاي پـودري بـا اسـتفاده از دسـتگاه انـدازه گيـر انـدازه ذرات بررسـي شـد. بـه منظـور بررسـي انـدازه كريستالها آزمايش تفرق اشعه X انجام شد. در ادامه يك مدل جديد به منظور تخمين ميزان كرنش و تنش وارده بر پودرها ارائه شد و نمودار تنش- كرنش پودرها رسم شده و ميزان كارسختي پودرها محاسبه گرديد. ميزان انرژي كسـب شـده توسـط پودرهـا نيـز بـاانتگرال گيري از سطح زير نمودار تنش- كرنش محاسبه شد. سپس ميزان انرژي كه توسط آسياب به پودرها وارد ميشود نيز بدسـتآمده و با تقسيم انرژي كرنش بر انرژي آسياب ميزان بازدهي آسياب بدست آمد. به منظور بررسي اندازه كريستالها آزمـايش تفـرقاشعه X انجام شد. نتايج نشان داد كه با افزايش زمان آسيابكاري و همچنين درصد نانولولههاي كربنـي ، انـدازه ريز تـري از مخلـوطپودرها حاصل ميشود. نمودارهاي تنش بدست آمده نشان داد كه با افزايش زمان آسياب كاري تنش وارد شـده بـر پودرهـا افـزايشمييابد همچنين تنش بيشتري به نمونههاي كامپوزيتي وارد ميشود. بررسيهـا نشـان داد كـه بـا افـزايش ميـزان آسـيابكـاري ميـزانبازدهي آسياب بيشتر ميشود با اين وجود نرخ بازدهي آسياب كاهش مييابد. مطالعات تفرق اشعه ايكس مخلوطهاي پـودري نشـانميدهد كه در فرايند آسيابكاري مخلوط پودري، اندازه كريستالهاي كوچكتري نسبت به پودرهاي خالص ايجاد ميشود.

واژه هايكليدي:
نانوكامپوزيت زمينه فلزي، نانولوله كربني، آسيابكاري، مدل سازي

1- مقدمه
از جملـه روش ه ايي كـه ب ه سـرعت جه ت توليـد مح دوده وغيــره توســعه يافتــه اســت، روش آلياژســازي مكــانيكي وسيعي از مواد پيشرفته مثل نانوكريستالها، نانوكامپوزيتهـا م يباش د [1]. آلياژس ازي/آس ـيابك اري مك ـانيكي روش
مناسبي براي توليد نانوكامپوزيتهايي با توزيع يكنواخـت ازف از اس تحكام بخ ش ن انومتري م ي باش د. در ط ول فراين د آسيابكاري در پودر فلـزات نـرم، تغييـر شـكل پلاسـتيكي،شكســـت و جـــوش ســـرد ذرات اتفـــاق افتـــاده و پـــودرنانوكامپوزيتي با توزيع يكنواخت ذرات در مخلـوط پـودريايجاد ميشود. بررسيهاي انجام گرفته توسط خاكبيز [2-3 ] و همكارانش جهـت توليـد نانوكامپوزيـتهـاي Al-B4C بـا
روش آس يابك اري نش ان م يده د ك ه پ س از 8 س اعت آسيابكـاري يـك توزيـع يكنواخـت از نـانوذراتB4C در ذرات پودر آلومينيم حاصـل مـيشـود . امـروزه مـدل سـازييكي از روشهاي مطلوب در جهت بهينـه سـازي فراينـد بـهمنظور رسيدن به بهتـرين حالـت مـيباشـد . هـم اكنـون مـدلسازي به عنوان يكي از ابزارهاي كارآمد در علم مواد مطرح شده اسـت و تحقيقـات بسـيار فراوانـي در ايـن زمينـه انجـام ميگيرد [ 4- 5]. هـدف همـه ايـن تحقيقـات در سـه بخـشپيش بيني خواص، بهينه سازي فرايند و يا كاهش زمان انجام آزم ايش ه ا م يباش د. ب ا توج ه ب ه قابلي ت مناس ب فراين د آسيابكاري در توليد مواد پيشـرفته هنـوز مـدل كـردن ايـنفرايند در اول راه خود به سر ميبـرد و تحقيقـات زيـادي دراين زمينه انجام نشده است. با اين وجود تـلاش هـايي در ايـنزمينه صورت گرفته اسـت كـه شـامل مـدل سـازي بـا روشش بكه عص بي و ي ا م دل س ازي رياض ي [6 – 7] م يباش د.
مكانيزم تغيـر شـكل پودرهـا در فراينـد آسـيابكـاري هنـوزمعل وم نيس ت و در ه يچك دام از تحقيق ات ص ورت گرفت ه روشي به منظور تخمين تنش وارد بـر پودرهـا مـورد بررسـيقرار نگرفته است. هدف اين تحقيق ارائـه يـك روش جديـدبـه منظ ور م دل س ازي فراين د آس ياب ك اري در س اخت نانوكامپوزيت Al-CNT ميباشد. در اين تحقيق ميزان انرژي كه از آسـياب بـه پـودر انتقـال مـييابـد مـورد محاسـبه قـرارخواه د گرف ت و اثـر پارامتره اي م واد و فراين د ب ر رويبازدهي آسياب مورد بررسي قرار ميگيرد.
2- مواد و روش تحقيق
در اين تحقيق پودر آلياژ آلـومينيم بـا انـدازه 71 ميكرومتـر ونانولولـــههـــاي كربنـــي بـــا قطـــر 80 نـــانومتر از شـــركت Nanotech. Co تهيه شد. مخلـوط پـودر آلـومينيم بـه همـراهمقادير مختلف از نانولولههاي كربنـي (2 و 5 درصـد وزنـي) توسط آسياب گلولهاي پر انرژي در مدت زمانهاي مختلف بين 2 تا 20 ساعت تحت آسيابكاري قـرار گرفتنـد. نسـبتوزني پودر به گلوله در فرايند آسيابكاري 20 و از اتانول به عن وان عام ل كنت رل كنن ده فراين د اس تفاده ش د. پ س از آسيابكـاري در زمـانهـاي مختلـف نمونـههـاي پـودري ازمخلــوط پــودري انتخــاب و مورفولــوژي پودرهــا توســطميكروسكوپ الكتروني روبشي (مدل(CamScan MV2300
و انــدازه ذرات توســط دســتگاه آنــاليز ذرات توســط ليــزر ( مدل 10765 CILAS) مورد بررسـي قـرار گرفـت. جهـتتعيين اندازه كريسـتال هـاي آلـومينيم از الگـوي تفـرق اشـعهايكس (Philips PW-1730) استفاده شد.

3- نتايج و بحث
1-3- بررسي مورفولوژي
تصوير نانولولههاي كربني مـورد اسـتفاده در ايـن تحقيـق درشكل(1- الف) نشان داده شده است. همانطور كـه مشـاهدهميشود اين نانولولههـا بـه شـدت آگلـومره شـده انـد. شـكل (1- ب) تصوير SEM از پودر آلومينيم اوليه را نشان ميدهد در ايــن شــكل پودرهــاي آلــومينيم تقريبــا كــروي شــكل ميباشند.
ش كل (1- ج) ني ز تغيي ـرات مورفول وژي مخل وط پ ودري Al-CNT(%5) را بعــد از 2 ســاعت آســياب كــاري نشــان ميدهد. تصاوير نشان ميدهند كه پودرهاي كروي آلـومينيمدر طول فرايند آسيابكاري به ذرات ورقـه اي شـكل تبـديلشدهاند. شكل(1- ج) نشـان مـيدهـد كـه پـس از 2 سـاعتآسيابكاري مخلوط پودري Al-CNT(5%) ، خوشههايي از نانولولههاي كربني در سطح ذرات پودر آلومينيم وجود دارد كه نشان دهنده عدم توزيع يكنواخت نانولولهها در اين زمـاناز آسيابكاري ميباشد.

(
الف
)
(
ب
)
(
ج
)

(

الف

)

(

ب

)

(

ج

)

شكل (1): تصاوير SEM از پودر الف): نانولولههاي كربني، ب): پودر آلومينيم اوليه و ج): مخلوط AlC(5%) پس از 2 ساعت آسيابكاري

2-3- بررسي اندازه ذرات
توزيع اندازه ذرات به سمت چپ منتقل ميشود. اين موضوع خالص و (Al(5%CNT، الف):Al-2hr، ب):Al-20hr ، نشان ميدهد كه با افزايش زمان آسيابكاري كـه نتيجـه آن ج): Al(5%CNT) -2hr و د):Al(5%CNT) -20hr.
در شكل (2) تاثير زمان آسـياب كـاري بـر توزيـع تجمعـي وتوزي ع نرم ال ان دازه ذرات در Al خ الص و مخل وطه اي پودري (Al(5%CNT نشان داده شده است. همـان گونـه كـهدر نمودارها مشاهده ميشود با افزايش زمان آسـ يابكـاري،از 2 ساعت به 20 سـاعت بـراي هريـك از نمونـههـا نمـودارتغييرشكل پلاستيك شديد و شكستن ذرات ايجاد مـي شـود ، ذرات آلومينيم ورقه اي شكل ريزتري توليد مي شود.

(الف)

(ب)

(ج)

(د)
شكل (2): تاثير زمان آسيابكاري بر توزيع اندازه ذرات آلومينيم Al
در شكل(3) تاثير زمان آسياب كـاري بـر پارامترهـايDmean ( ان دازه متوس ط ذرات) و 50D ( ان دازه 50% درص د ذرات) نشان داده شده است. همانطور كه مشاهده مي شود با افزايش زمان آسياب كاري اندازه ذرات كـاهش مـي يابـد، ولـي درزمانهاي زياد آسياب كاري تغييرات چنداني در اندازه ذرات مشاهده نمي شود. همچنين با افزودن نانولولـه هـاي كربنـي، پودرهاي ريزتري در فرايند آسياب كـاري ايجـاد مـي شـودنتايج بدسـت آمـده در ايـن بخـش بـا نتـايج محققـين ديگـرمطابقت دارد [1].

(الف)

(ب)
شكل (3): تاثير زمان آسيابكاري بر الف): 50D، ب):Dmean

3-3- مدل سازي فرايند آسيابكاري
1-3-3- محاسبه انرژي منتقل شده به پودرها همانطور كه عنوان شد مدل سازي يكي از مقولههايي اسـتكه بسيار مورد توجه قـرار گرفتـه اسـت، لـذا در ايـن بخـشتغييرشكل پودرها در حين فرايند آسيابكـاري مـدل سـازيم يش ود. در ش كل (4) نح وه تغيي ر ش كل پودره ا در اث ربرخورد گلولهها نشان داده شده است.

D
0

)

اوليـه

قطر

پـودر
(

t
f

D
f

D

0



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید