عنوان تحقیق: تهیه ی نانوکامپیوزیت های منیزیم و کاربردهای آن
مقدمه :
تهیه نانوکامپیوزیت های منیزیم با دو روش اسیاب کردن مکانیکی و استفاده از امواج التراسونیک با شدت بالا مورد مطالعه قرار گرفته است. در روش اول از پودرهای فلزی آلومینیوم، منیزم و تیتانیم استفاده شده است که با تشکیل TiH2 توسط پلی اتیلن گلیکول نانو کامپیوزیتی با بازده استحکامی بالا و قابلیت کشیدگی مطلوب به دست می آید. در روش دوم تقویت کنندگی نانو ذرات SiC برای کامپیوزیت های منیزیم AZ910 و میزان پخش آن مورد بررسی قرار گرفته است.
. نانو کامپیوزیت های حاوی SiC دارای توزیع یکنواخت تروپخش بهتر ذرات هستند و از میزان سختی بیشتری برخوردارند. در این روش میزان جاذبه بین SiC و بست کامپیوزیت و همچنین بر همکنش امواج اولتراسونیگ با نانو ذرات مورد مطالعه قرار گرفته است.
کامپیوزیت های با بستر فلزی کم وزن و سبک بوده و به علت قدرت استحکام و سختی بالا کاربردهای وسعی در صنایع خودرو و هوا فضا پیدا کرده است . لیکن این کاربردها به لحاظ کم بودن قابلیت کشیده شدن در این کامپیوزیت ها محدود شده است
تبدیل کامپیوزیت به نانو کامپیوزیت سبب افزایش بازده استحکامی و رفع محدودیت مذکور می شود. از میان راه های متعددی که برای ساخت نانو کامپیوزیت پیشنهاد شده است دو روش اسیاب کردن مکانیکی و استفاده از روش امواج اولتراسونیک در اینجا مورد بررسی قرار می گیرد.
روش آسیاب کردن مکانیکی اقتصادی تر است و روش امواج التراسونیک خواص بهتری را تامین می کند. نانو کامپیوزیت های به دست آمده از روش های مذکور دارای خواص بهینه ای نظیر دانسیته کم، قدرت استحکام بالا ، مقاومت خزشی عالی، ظرفیت میرایی بالا و پایداری ابعاد خوبی هستند
. همچنین با کاهش آلودگی و زیست سازگاری نسبی خود سبب کاهش مصرف سوخت و کاهش هزینه می شوند.
در این مقاله به بررسی کامپیوزیت های Ti , A% Mg5wt , AZ910 می پردازیم
1- روش اسیاب مکانیکی
در روش آسیاب کردن مکانیکی از پودرهای فلزی نظیر آلومینیوم، تیتانیم و با سایر پودرهای سرامیکی مانند TiC , SiC استفاده می کنند. این پودرهای فلزی بایستی دارای درصد خلوص بالا و به میزان بیشتر از %5/ 98 برای منیزیم % 99/5 برای آلومینیوم . % 98 باشند. پس از اختلاط این پودرهای در یک مخلوط کن 7 شکل با سرعت rpm 45 و به مدت 2 ساعت، آنها را از مرحله آسیاب کردن می گذرانند. آسیاب توسط دستگاه توپی فریتش با rpm 250 انجام می گیرد. پلی اتیلن گلیکول ( به عنوان یک عامل کنترل کننده ی فرایند به مخلوط پودری اضافه می شود.
این عامل نظیر عوامل دیگر که به عنوان کنترل کننده ی فرایند استفاده می شود ناپایدار بوده و با تخریب خود سبب تولید TiH2 تولید می شود. از طرف دیگر فرایند تشکیل TiH2 منفی بوده و به راحتی پیش می رود.
مخلوط پودرها را با گاز نیتروژن با هیدروژن به منظور تولید نیترید یا هیدرید به عنوان فاز دوم مخلوط کرده و تحت فشار به صورت سرد قرار می دهند. سپس در450درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت در یک کوره ی تخلیه قرار گرفته و پس از آن در 450درجه سانتیگراد و با کمک گرافیک به عنوان روان کننده آنرا قالب گیری می کنند.
این عامل نظیر عوامل دیگر که به عنوان کنترل کننده ی فرایند استفاده می شود ناپایدار بوده و با تخریب خود سبب تولید TiH2 تولید می شود. از طرف دیگر فرایند تشکیل TiH2 منفی بوده و به راحتی پیش می رود. مخلوط پودرها را با گاز نیتروژن با هیدروژن به منظور تولید نیترید یا هیدرید به عنوان فاز دوم مخلوط کرده و تحت فشار به صورت سرد قرار می دهند. سپس در C0450 به مدت 2 ساعت در یک کوره ی تخلیه قرار گرفته و پس از آن در C0400 و با کمک گرافیک به عنوان روان کننده آنرا قالب گیری می کنند. میکروسکوپ الکترونیکی انتقال به بررسی تعین فاز و ارزیابی اندازه ذرات می پردازیم.
2) روش اولتراسونیک
در این روش از یک الیاژ منیزیم به نام AZ 91D همچنین عنوان بستر کامپیوزیت استفاده می شود که اگر شامل 5 درصد وزنی SiC باشد به صورت AZ91D / 55iC درمی آید. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است توسط نفوذ امواج اولتراسونیک با شدت بالا به عمق آلیاژ عمل ذوب انجام می گیرد که در یک بوته گرافیتی رخ می دهد. در جدول 1 نیز ترکیب شیمیایی AZ 91D آمده است. برای تهیه AZ91D / 55iC نیز از SiC به عنوان یک تقویت کننده استفاده می شود که ترکیب شیمیایی آن درجدول 3 آمده است. مذاب منیزیم به دست آمده را با مخلوط گازهای
Co2/ SF6 حفاظت کرده و سپس نانو ذرات SiC را به بوته و از سطح مذاب در دمای کنترل شده ی C0620 اضافه می کنیم . و خود نانو ذرات SiCدر مذاب ویسکوزیته آن بیشتر شده و با اعمال دمایی تا C0700 میزان جاری شدن رضایت بخشی به دست می آید.
سپس نمونه ها با محلول اسسید نیتریک در اتانول برای 5 ثانیه در دمای اتاق سیاه قلم کرده و گاهی برای هدایت حرارتی و قابلیت هدایت بهتر آنها را با Au مخلوط می کند.
در این روش نیز برای تعیین ریز ساختار کامپیوزیت AZ91D / 55iC و تعیین فاز آن از XRD و برای بررسی میزان پخش نانو ذرات از SEM و جاذبه بین ذرات SiC و بستر منیزیم از XPS استفاده می کنیم.
بحث و نتایج
1-روش آسیاب مکانیکی به طور کلی در این روش از طریق واکنش های TiH2 و در دو مرحله آلیاژسازی و گرم کرددن انجام می شود. در مرحله اول با تخریب بخشی از مولکول پلی اتیلن گلیکول واکنش زیر رخ می دهد. که اگر n=1 فرض شود 3Ti + H(OCH 2CH2) n Oh ( 1+2 n ) TiH2 + ( 1+n) CO +(n+1) C
پس از آسیاب به علت افزایش سطح تماس و ریزی دانه های و منیزیم امکان تشکیل محلول جامدی از منیزیم به خاطر حلالیت زیاد هیدروژن در منیزیم وجود دارد. در مرحله دوم اتمهای هیدروژن حل شده در منیزیم در حین مرحله ی خاکستر شدن خارج شده و تیتانیم باقی می ماند. تیتانیم و منیزیم به میزان 6 درصد افزایش می یابد. شکل 2 طیف های XRD را برای نمونه های آسیاب شده به روش یهای مکانیکی نشان می دهد. طیف a1 قبل از اعمال حرارت بوده و پهن بودن پیک های منیزیم و تیتانیم در هم بسیار ناچیز و قابل صرف نظر کردن است با آلیاژسازی مکانیکی حلالیت منیزیم و تیتانیم زیاد شده و با افزاایش آلومینیوم در منیزیم حلالیت کاهش می یابد. پیک های مشاهده شده در دو دمای 8/04 و 59 درجه ی سانتیگراد مربوط به TiH2 هستند.
تصاویر TEM را برای نمونه های آسیاب شده مکانیکی نشان می دهد که ساختار زیر نمونه های را پس ا 30 ساعت که تحت فرایند آلیاژ شدن قرار گرفته است را نشان می دهد و به طوری که یکنواختی در بستر پخش شده اند.
1) روش آسیاب کردن مکانیکی
1-قابلیت کشیدگی نمونه های آلیاژ شده که نانو کامپیوزیت منیزم بسیار بیشتر از نمونه های آسیاب نشده است.
2-افزایش طول نمونه های آلیاژ شده مکانیکی به استحکام دانه بندی آن مربوط شده و به همین علت کمتر از نمونه های عادی است.
3-از روش های تولید TiH2 به طور موقت آمیزی می توان در ساخت نانو کامپیوزیت منیزیم بهبود یافته استفاده کرد.
2) روش اولتراسونیک
1-با این روش میزان پخش شدن بهتر شده و نانو ذرات کربید سیلیسیم به طور تقریبا یکنواختی در بستر انجام می شود. ضمن این که میزان تحلیل نیز کاهش می یابد.
2-نمونه های AZ91D/55iC به میزان 75% نسبت به نمونه های AZ91D خالص سخت تر هستند . با افزایش میزان SiC سختی و تقویت کنندگی کامپیوزیت بیشتر می شود.
3-Mg2Si تنها در AZ91D/55iC وجود دارد.