بخشی از مقاله
چکیده
در سالههای اخیر توجه زیادی به نانو مواد، بخصوص نانو مواد یک بعدی شده است. یکی از مهمترین موادی که در این زمینه توجه محققان را به خود جلب کرده، نانو لوله های کربنی میباشد، که به دلیل داشتن همزمان خواص مکانیکی، فیزیکی و الکترونیکی مطلوب، یک مادهی منحصر به فرد به شمار میآیند. بنابراین تأثیر خواص این ماده به عنوان فاز تقویت کننده بر کامپوزیتهای زمینه فلزی دنیای جدید و فعالی را بر روی نانو تکنولوژی گوشوده است. لذا در پژوهش حاضر با استفاده از روش 3 - SPS - که یکی از روشهای نوین تفجوشی پودرهای فلزی است، کامپوزیتهای زمینه آلومنیوم سری 7068 تقویت شده با نانو لولههای کربنی چند جداره تولید شده است. به منظور تولید کامپوزیتهای ذکر شده ابتدا پودر آلومنیوم سری 7068 خالص را به همراه افزودن درصد مشخصی از اتانول به عنوان ایستگاه کنترل فرآیندی با دو دسته از نانو لولههای کربنی چند جداره دارای متوسط قطرهای داخلی 10nm و 65 nm با درصدهای وزنی مختلف - 0-2 wt% - با استفاده از آسیابکاری سیاره-ای به مدت 24 ساعت با هم مخلوط کرده، سپس عملیات تفجوشی پودر مخلوط شدهی آلومینیومنانو لولههای کربنی چند جداره را با استفاده از دستگاه SPS انجام گردید. مشخصات نانو لوله های کربنی استفاده شده در ساخت کامپوزیتهای مورد نظر با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری و همجنین ریز ساختار کامپوزیت ساخته شده و چگونگی توزیع نانو لولههای کربنی با میکروسکوپ الکترونی روبشی مطالعه گردید. آنالیز فازی نمونههای ساخته شده با استفاده از الگوی پراش اشعه ایکس صورت گرفت. نتایج حاکی از آن است که روش SPS، روش مناسبی برای ساخت کامپوزیتهای مورد نظر است و استفاده از نانو لولههای کربنی به عنوان ماده تقویت کننده در زمینه آلومنیوم سری 7068 در مقدار بهینه 1 - درصد وزنی - و قطر 10nm باعث افزایش سختی تا 82/74 درصد، استحکام خمشی تا 27/34 درصد میشود.
مقدمه
در ساخت کامپوزیتهای زمینه فلزی گستره وسیعی از فلزات و آلیاژها مانند آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای مس، چدن، فولاد، آلیاژهای منیزیم، سوپر آلیاژهای پایه نیکل، آلیاژهای تیتانیوم، آلیاژهای روی و... کاربرد دارند. استحکام و سختی و سایر خواص مکانیکی آلومینیوم نسبت به فلزاتی چون آهن، نیکل و تیتانیوم ضعیفتر میباشد. لذا آلومینیوم صرفا به صورت آلیاژی یا به عنوان کامپوزیت و یا ترکیبی از این دو استفاده میشود تا از خواص مکانیکی بهتری برخوردار باشد - رضوی حسابی و همکاران، 159-168 :2006، دورای و همکاران، . - 100- 105 :2007 همچنین آلیاژهای آلومینیوم سری 7000 به علت مقاومت زیاد نسبت به وزنشان کاربرد گستردهای در صنایع نظامی و صنایع هوا و فضا دارند - هاچ و همکاران 1984، جانسون و همکاران، . - 225 :2003 مقاومت این آلیاژ با افزودن عناصر آلیاژی مس و روی به علت رسوب ترکیبات بین فلزی افزایش پیدا میکند - فارین هولتز و همکاران، 155-208 :2002، پالومینو و همکاران، . - 208 :2006 بر همین اساس کامپوزیتهای زمینه فلزی - MMCs - و بخصوص کامپوزیتهای زمینه آلومینیوم - AMCs - طی دو دهه گذشته مورد توجه قرار گرفته است. از زمان کشف نانو لولههای کربنی که خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی بیهمتایی را دارا میباشند، تلاشهایی برای توسعهی کامپوزیتهای پیشرفته با افزودن این نانو لولهها به فازهای فلزی صورت گرفته است تا به ویژگیهای ایجاد شده نسبت به کامپوزیتهای قدیمی پی برده شود. در حالی که تحقیقات بر روی کامپوزیتهای زمینه فلزی تقویت شده با نانو لوله-های کربنی نسبتا محدود بوده است، که این امر عمدتا به دلیل وجود مشکلاتی در دستیابی به توزیع یکنواخت نانو لولههای کربنی در آلیاژ پایه مربوط میشود، آگلومره شده تقویت کنندهها در فاز زمینه کامپوزیت نیز باعث افت خواص مکانیکی می-شود. آسیابکاری با انرژی بالا روشی است که توزیع ذرات بسیار همگنی را ایجاد میکند و اولین نیاز یک کامپوزیت برای نشان دادن کارایی بالای آن که توزیع یکنواخت فاز تقویت کننده است را حل میکند - فاگاگونال و همکاران، . - 131- 143 :2003 و به همین دلیل در سالهای اخیر روشهایی مانند آلیاژسازی مکانیکی برای تولید کامپوزیتهای پایه فلزی گسترش یافته است. اندازه ذرات تقویتکننده و اندازه دانه فاز زمینه ماده مرکب از جمله عوامل موثر در خواص مکانیکی این نوع از مواد میباشند - وایو و همکاران، . - 206- 213 :2007
خواصی که در کاربرد انواع کامپوزیتها بسیار موثر است عبارتنداز چگالی، سختی و استحکام آنهاست. در قطعات تولید شده به روش متالوژی پودر به علت خلل و فرج موجود، چگالی و سختی بالا به راحتی قابل حصول نمیباشد، به همین دلیل استفاده از روش نوین زینترینگ با جرقه پلاسما - SPS - که یکی از روشهای متالوژی پودر برای متراکم کردن پودر فلزات، سرامیکها و یا مواد دیگر با اعمال جرقهی پلاسما تحت فشار پرس و تفجوشی مورد اسفاده قرار میگیرد. در این روش توانایی دستیابی به ادغام و یکپارچهسازی پودر بدون ذوب کردن آن و از طریق فعال سازی حرارتی فرآیند انتقال جرم ناشی از کاهش سطح و انرژی مرز دانه امکانپذیر میباشد - یاداو و همکاران، 2011، کوریتا و همکاران، . - 1960-1965 :2011 گروهی از محققان بیان کردهاند که آسیابکاری مکانیکی باعث ایجاد مقدار زیادی تغییر فرم، چگالی بالایی از نابجاییها و توزیع ذرات تقویت کننده در فاز زمینه میشود که سختی را افزایش میدهد و همچنین ریز شدن میکروساختار باعث بهبود خواص مکانیکی میشود - لتی و همکاران، 453-464 :1996، آدامیاک و همکاران، . - 2002-2006 :2004 و گروهی دیگر دریافتهاند که تغییرات پودرها در فرآیند آسیابکاری موجب تغییر نامطلوب خواص فیزیکی و مکانیکی مواد پس از تولید قطعه میشود، به عنوان مثال چگالی و سختی به دست آمده از فشردن گرم پودرهای Niو Alآسیابکاری شده کمتر از پودرهای آسیابکاری نشده است، علت این پدیده ناشی از عیوبی است که در اثر برخوردهای متوالی گلولهها به ذرات پودر در ماده ایجاد میشود - مینگ و همکاران، . - 200- 203 :2006
در تحقیق صورت گرفته دیگر 98 درصد پودر آلومینیوم خالص و 2 درصد وزنی از نانو لولههای کربنی چند جداره را آماده و پس از آسیابکاری مخلوط حاصل در یک قالب استوانهای تحت فشار 375 مگاپاسکال فشرده شده و در نهایت در کورهی معمولی زینتر شده است، مشاهده شده است که قطعهی حاصل نسبت به قطعه-ی بدون نانو لولههای کربنی از نظر سختی ویکرز با افزایش بیش از 2 برابر روبرو شده و استحکام نهایی و تسلیم آن نیز افزایش یافته است - وانگ و همکاران، . - 3427-3433 :2009 در پژوهشی کامپوزیتهایی با فاز زمینه آلومینیوم 2024 و فاز تقویت-کنندهی نانو لولههای کربنی به روش متالوژی پودر ساخته شدند و توزیع یکنواخت نانو لولهها در آلیاژ حاصل شده بود، نتایج بدست آمده نشان از افزایش قابل توجهی در سختی بود که این افزایش تابعی از درصد وزنی نانو لولههای به کار رفته بوده است، علت این افزایش قابل توجه را، توزیع مناسب نانو لولهها در آلیاژ پایه است - پرزپوستامانت و همکاران، . - 13-19 :2013 با این حال تاکنون بررسیهای کمی روی تاثیر درصد افزایش فاز تقویتکنندهی نانو لولههای کربنی و نیز اثر تغییر قطر آنها بر فاز زمینه آلومینیوم سری 7068 صورت گرفته است، به همین دلیل در این مقاله پس از ساخت کامپوزیتهایی با فاز زمینه آلیاژ آلومینیوم 7068 به روش SPS ، با درصد و قطرهای متفاوتی از تقویتکنندهی نانولولههای کربنی، به بررسی تاثیر مقدار و قطر تقویتکننده بر خواص فیزیکی و مکانیکی چگالی، سختی و استحکام خمشی خواهیم پرداخت.در این پژوهش از پودر آلومینیوم با خلوص بیش از 99 درصد و اندازه دانه کمتر از 100میکرومتر و همچنین عناصر آلیاژی منیزیم، روی و مس با خلوص بالای 97 درصد که همه این پودرها ساخت شرکت - Merck - آلمان میباشند و همچنین از ذرات تقویتکنندهی نانو لولههای کربنی چند جداره - MWCNTs - ساخته شده در شرکت نانو مواد آمریکا - US Nano - Materials Inc با متوسط قطر 10 و 65 نانومتر و خلوص بالای 95 درصد استفاده شده است. جدول - - 1 مشخصات ساختاری نانو لولههای کربنی، جدول - - 2 مشخصات فیزیکی و خواص مکانیکی نانو لولههای کربنی و جدول - 3 - ترکیبات شیمیایی آلیاژ آلومینیوم 7068 را نشان میدهند
