Transcript فایل ارائه نانو کامپوزیت آلومینیوم – گرافن

‫دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد ساوه‬
‫استاد ‪:‬‬
‫جناب آقای دکتر خادم‬
‫موضوع ‪:‬‬
‫نانو كامپوزيت آلومينيوم ‪ -‬گرافن‬
‫تهيه و تنظيم ‪:‬‬
‫سیدحمید دانشمند‬
‫پاييز‪91‬‬
‫نانو ‪:‬‬
‫نانو مواد دسته ای از مواد هستند که ابعاد خارجی یا اندازه فازهای تشکیل دهنده آن حداقل‬
‫در یک بعد کمتر از ‪ 100‬نانو متر باشد‪.‬هر چند که بسیاری از خواص منحصر به فرد نانو مواد‬
‫در ابعاد کمتر از ‪ 50‬نانومتر بروز میکند‪.‬با این تعریف نانو مواد را می توان به گروه های زیر‬
‫تقسیم نمود‪:‬‬
‫‪‬نانو ذره‬
‫‪‬نانو الیه ها‬
‫‪‬نانولوله ها و نانو میله ها‬
‫‪‬نانو کریستال ها‬
‫‪‬نانو کامپوزیت ها‬
‫خواص مواد نانو ساختار ‪:‬‬
‫‪‬افزايش ضريب نفوذ‪.‬‬
‫‪‬افزايش استحكام ‪ ،‬چقرمگي و سختي‪.‬‬
‫‪‬افزايش ضريب انبساط حرارتي‪.‬‬
‫‪‬كاهش هدايت حرارتي و الكتريكي‪.‬‬
‫‪‬كاهش چگالي‪.‬‬
‫نانو کامپوزیت ها ‪:‬‬
‫‪‬كامپوزيت به ماده اي اطالق مي شود كه از دو يا چند جزء تشكيل شده است به طوري كه‬
‫اين اجزا در مقياس ماكروسكوپي با هم خصوصيتي را ايجاد كنند كه به تنهايي در هيچ يك از‬
‫آن اجزا موجود نباشد‪ .‬در صورتي كه حداقل ابعاد يكي از اجزاي تشكيل دهنده در كامپوزيت‬
‫در مقياس نانومتري قرار گيرد‪ ،‬به چنين ماده اي واژه نانو كامپوزيت اطالق مي شود‪.‬‬
‫‪‬مشابه مواد كامپوزيتي‪ ،‬نانوكامپوزيت ها نيز به سه گروه نانوكامپوزيت هاي زمينه فلزي‪،‬‬
‫زمينه پليمري و زمينه سراميكي دسته بندي مي شوند‪.‬‬
‫‪‬يكي از متداول ترين روش هاي توليد كامپوزيت هاي زمينه فلزي ‪،‬آلياژسازي مكانيكي مي‬
‫باشد‪.‬‬
‫آلیاژ سازی مکانیکی ‪:‬‬
‫‪‬روش آلیاژ سازی مکانیکی(‪ )MA‬اولين بارتوسط بنيامين و همكارانش در اواخر دهه شصت‬
‫قرن بيستم ميالدي معرفي شد‪ .‬روش آلیاژ سازی مکانیکی به منظور تولید سوپر آلیاژ های پایه‬
‫نیکل و آهن با توزیع فاز سرامیکی در آن به منظور کاربرد در صنایع هوافضا توسعه یافت‪.‬‬
‫‪‬طي اين فرايند‪ ،‬ذرات پودري خام در اندازه چند ميكرون تحت يك تغيير شكل پالستيكي‬
‫شديد قرار مي گيرند و پيوسته متحمل جوش سرد و شكست مي شوند‪.‬‬
‫انواع آسیاب های مورد استفاده در آلیاژسازی مکانیکی ‪:‬‬
‫‪‬آسیاب گلوله ای ماهواره اي‪.‬‬
‫‪‬آسیای گلوله ای ارتعاش ی‪.‬‬
‫‪‬آسیاب گلوله ای شافتی(سایش ي)‪.‬‬
‫‪‬آسیاب گلوله ای غلتش ی‪.‬‬
‫‪‬آسیاب گلوله ای مغناطیس ی‪.‬‬
‫آسیاب گلوله ای ماهواره اي ‪:‬‬
‫‪‬آسیاب گلوله های ماهواره اي متداولترین نوع آسیاب برای کاربرد در روش آلیاژسازی مکانیکی‬
‫می باشد که در آن تنها چند صد گرم پودر در یک مرحله آسیاب می شوند و برای تحقیقات‬
‫آزمایشگاهی مناسب است‪.‬‬
‫‪‬آسیاب شامل یک صفحه دوار به همراه چهار‪،‬دو و یا یک محفظه است‪.‬در این آسیاب‬
‫صفحه دوار در یک جهت چرخیده و محفظه بر اساس مکانيزمی در جهت خالف حرکت‬
‫صفحه دوار‪،‬حرکت دورانی انجام می دهد‪.‬‬
‫‪‬اين آسياب از انرژي بااليي برخوردار مي باشد‪.‬‬
‫آسیاب گلوله ای ارتعاش ی ‪:‬‬
‫‪‬يكي ديگر از آسياب هاي رايج در مقياس آزمايشگاهي آسياب هاي گلوله اي ارتعاش ي مي‬
‫باشند‪ .‬در اين نوع از آسياب ها چند گلوله داخل محفظه آسياب جاي مي گيرند و محفظه‬
‫كه بر روي يك بازو محكم شده است با فركانس باال ارتعاش مي كند‪.‬‬
‫‪‬اين نوع آسياب در هر بار قادر به آسياب كردن ‪ 10‬تا ‪ 20‬گرم پودر مي باشد‪ .‬يكي از انواع‬
‫متداول آسياب گلوله اي ارتعاش ي‪ ،‬آسياب هاي لرزش ي با نام تجاري ‪ SPEX‬است‪.‬‬
‫آسیاب گلوله ای شافتی(سایش ي) ‪:‬‬
‫‪ ‬اين آسياب داراي يك محفظه استوانه اي و تعداد زياد گلوله بوده و ظرفيت توليد بااليي نيز‬
‫دارند‪.‬‬
‫‪ ‬در آسياب هاي گلوله اي شافتي محفظه آسياب ثابت است و حركت گلوله ها توسط‬
‫تعدادي بازوي ثانويه كه بر روي يك محور عمودي نسب شده اند صورت مي گيرند‪.‬‬
‫‪ ‬به دليل عدم دوران محفظه اي آسياب كنترل درجه حرارت به وسيله عبور يك سيال در‬
‫فاصله بين دو جداره محفظه به سهولت قابل اجرا است‪ ،‬وليكن آب بندي اينگونه آسياب‬
‫ها براي انجام عمليات آلياژ سازي مكانيكي تحت شرايط خال و يا اتمسفر خنثي مشكل‬
‫است‪.‬‬
‫آسیاب غلتش ی ‪:‬‬
‫‪‬اين آسياب ها از يك محفظه استوانه اي حاوي تعداد زيادي گلوله تشكيل شده است‪.‬‬
‫محفظه به صورت افقي بر روي دو غلتك قرار گرفته و توسط آنها دوران مي كند‪.‬‬
‫‪‬گلوله هاي آسياب بر اثر نيروي گريز از مركز تا مسافتي به ديواره آسياب چسبيده و باال مي‬
‫روند‪ .‬سپس در ارتفاع مشخص با غلبه نيروي جاذبه بر نيروي گريز از مركز به پايين سقوط‬
‫مي كنند‪.‬‬
‫‪ ‬با افزايش سرعت چرخش محفظه سرعت آسياب كاري نيز زياد مي شود‪،‬اما چنانچه‬
‫سرعت دوران محفظه از يك سرعت بحراني بيشتر شود نيروي گريز از مركز بر نيروي جاذبه‬
‫غلبه كرده و گلوله ها به جداره محفظه چسبيده و سقوط نمي كنند‪.‬‬
‫آسیاب گلوله ای مغناطیس ی ‪:‬‬
‫این نوع آسیاب ها که با نام تجاری ‪ uni-Ball‬نامیده می شوند و عملکردی مشابه با آسیاب‬
‫های غلتش ی دارند با این تفاوت که در آسیاب های گلوله ای مغناطیس ی یک میدان‬
‫مغناطیس ی جایگزین نيروی جاذبه شده است‪.‬این نوع آسیاب ها برای کاربرد های آزمایشگاهی‬
‫مفید می باشد و در هر مرحله تا ‪ 100‬گرم پودر را اسیاب می کند‪.‬تصوير این اسیاب به‬
‫صورت شماتیک در شکل زيرنشان داده شده است‪.‬‬
‫عومل موثر بر فرایند آلیاژسازی مکانیکی ‪:‬‬
‫‪‬نوع آسیاب‬
‫‪‬سرعت آسیاب کاری‬
‫‪‬زمان آسیاب کاری‬
‫‪‬جنس‪،‬ابعاد و نحوه توزیع گلوله ها‬
‫‪‬نسبت وزنی گلوله به پودر‬
‫‪‬ميزان پر شدن محفظه‬
‫‪‬اتمسفر آسیاب کاری‬
‫کامپوزیت های زمینه آلومینیومی ‪:‬‬
‫آلومینیوم با قیمت کم و دانسیته پایين در مقایسه با سایر آلیاژهای سبک مثل منيزیم و‬
‫تیتانیوم‪،‬بیشترین استفاده به عنوان زمینه در کامپوزیت های زمینه فلزی را به خود اختصاص‬
‫داده است‪.‬همچنين آلیاژهای آلومینیوم به واسطه کاربرد گسترده ای که در صنایع مختلف‪،‬از‬
‫صنایع خودرو و هوا فضا تا وسایل تفریحی دارند‪،‬کامال شناخته شده اند و می توان تلفیق‬
‫مناسبی از استحکام ‪،‬انعطاف پذیری و مقاومت به خوردگی را دراین آلیاژها بدست اورد‪.‬‬
‫گرافن ‪:‬‬
‫‪‬‬
‫كربن در طبيعت ساختارهاي مختلفي دارد‪ .‬املاس و گرافيت از ساختار هاي معروف آن هستند‪.‬‬
‫‪‬‬
‫در املاس هر اتم كربن با چهار اتم ديگر پيوند برقرار كرده است و اين ماده بعنوان سخت ترين‬
‫ماده جهان شناخته شده است‪.‬‬
‫‪ ‬در گرافيت اتم هاي كربن در اليه هاي مجزايي با هم پيوند برقرار كرده اند‪ .‬اين اليه هاي روي‬
‫هم قرار گرفته و با پيوند ضعيفي به هم متصل شده اند كه هر كدام از اليه هاي موجود‬
‫درگرافيت را گرافن مي نامند‪.‬‬
‫حاالت مختلف كربن ‪ :‬فلورين ها ‪ ،‬نانو لوله هاي كربني و گرافيت‪.‬‬
‫برخي از خواص گرافن ‪:‬‬
‫‪ ‬چگالی كمتر از‬
‫‪.1 g/‬‬
‫‪ ‬مدول يانگ‪،‬گرافن از مدول يانگ بااليي در حدود ‪ 1100Gpa‬برخوردار مي باشد‪.‬‬
‫‪ ‬رسانایی گرمایی باال در حدود ‪ 5000‬وات بر متر درجه کلوین‪.‬‬
‫‪ ‬رسانایی الکتریکی باال‪.‬‬
‫ساخت نانو كامپوزيت آلومينيوم – گرافن به روش آلياژ سازي مكانيكي ‪:‬‬
‫‪ ‬در اين پروژه سه نمونه شامل آلومينيوم خالص‪ ،‬آلومينيوم‪-‬گرافن و آلومينيوم‪-‬نانولوله هاي‬
‫كربني ساخته شده است‪.‬‬
‫‪ ‬در اين پروژه از پودر آلومينيوم با اندازه ذره ‪ 22‬ميكرومتر استفاده شده است‪.‬‬
‫(‪1‬‬
‫‪ ‬مخلوط پودر گرافن( ‪ 0/1‬درصد وزني)‪-‬آلومينيوم‪ ،‬آلومينيوم‪-‬نانولوله هاي كربني‬
‫درصد وزني)‪ -‬آلومينيوم و آلومينيوم خالص در يك آسياب گلوله ای شافتی(سایش ي) تحت گاز‬
‫آرگون به مدت ‪ 1‬ساعت آسياب شده است‪.‬‬
‫‪ ‬از اسيد استئاريك ( ‪ 2‬درصد وزني) بعنوان كنترل كننده فرآيند )‪ (PCA‬در اين پروژه مورد‬
‫استفاده قرارگرفته است‪.‬‬
‫‪ ‬مخلوط پودر هاي تهيه شده در دماي ℃‪ 375‬و فشار ‪ 65ksi‬بمدت ‪ 20‬دقيقه تحت پرس‬
‫ايزواستاتيك داغ قرارگرفته است‪.‬‬
‫‪ ‬سپس نمونه ها در دماي ℃‪ 550‬و فشار ‪ 50ton‬بمدت ‪ 4‬ساعت تحت عمليات اكستروژن‬
‫قرار گرفته و بيلت هايي به قطر ‪ 20mm‬از آنها تهيه شده است‪.‬‬
:‫نتايج بدست آمده از سختی ویکرز‬
‫نمونه‬
‫شرایط تولید‬
Al pure
As-pressed
Al pure
As-extruded
Al-1wt%MWNT
As-pressed
Al-1wt%MWNT
As-extruded
Al-0.1wt%graphene
As-pressed
Al-0.1wt%graphene
As-extruded
‫سختی ویکرز‬
83±9
96±7
102±4
102±1
99±5
84±5
:‫نتايج بدست آمده از استحکام کشش ی‬
(a) Ultimate tensile strengths of pure Al, Al–1 wt% MWNT, and Al–0.1 wt%
graphene and (b) strain-to-failure.
‫گرافن‬/‫تفرق اشعه ایکس نانوکامپوزیت آلومینیوم‬
X-ray diffraction of pure aluminum, Al–1.0 wt% MWNT composite, and
Al–0.1 wt% graphene composite after extrusion.
‫گرافن و آناليز رامان جهت شناسایی گرافن در ساختار‬/‫) از ساختار نانوکامپوزیت آلومینیوم‬TEM( ‫تصویر‬
‫گرافن‬/‫نانوکامپوزیت آلومینیوم‬
FIG. 3. (A) TRANSMISSION ELECTRON MICROGRAPH OF GRAPHENE PLATELET SHOWING THE
WRINKLED MORPHOLOGY. INSET SHOWS THE SELECTED AREA DIFFRACTION PATTERN (SADP)
OF THE HEXAGONAL GRAPHENE CELL. (B) FOR RAMAN ANALYSIS, THE GRAPHENE PLATELETS
WERE DEPOSITED ON SILICON WAFERS IN POWDER FORM WITHOUT USING ANY SOLVENT. RAMAN
SPECTRA OF THE SAMPLES WERE MEASURED USING A MICRO-SPECTROMETER USING AN
EXCITATION WAVELENGTH OF ∼785 NM. THE RAMAN G, D AND 2D BAND PEAKS ARE OBSERVED
AT ∼1578 CM−1, ∼1321 CM−1 AND ∼2671 CM−1, RESPECTIVELY. NOTE THAT THE D BAND
PEAK IS HIGHER IN INTENSITY THAN THE G BAND AND BOTH PEAKS ARE SIGNIFICANTLY
BROADENED WHICH SUGGESTS A HIGH DENSITY OF DEFECTS IN THE GRAPHENE PLATELETS.
Optical micrographs of extruded Al–1 wt% MWNT, Al–0.1 wt% graphene, and pure Al.
‫تحليل و بررس ي ‪:‬‬
‫همانطور كه در نمودارها و جدول مشاهده شد استفاده از گرافن بعنوان فاز تقويت كننده در‬
‫نانو كامپوزيت آلومينيوم‪-‬گرافن باعث كاهش خواص اين نانو كامپوزيت شده است كه مي تواند‬
‫از داليل مختلفي ناش ي شود ‪:‬‬
‫‪ -1‬بدست نياوردن ميزان بهينه درصد گرافن‪.‬‬
‫‪ -2‬بوجود آمدن كاربيد آلومينيوم در نمونه ها كه مي تواند ناش ي از کیفیت پایين گرافن باشد‪.‬‬