بخشی از مقاله
چکیده: برای تولید کامپوزیتهای تیتانیوم-گرافنمعمولاً از روش متالورژی پودر استفاده میشود. البته جهت تثبیت ساختار کامپوزیت و بهبود خواص آن بهتر است که از نورد گرم و یا جوشکاری پلاسمایی نیز بهره گرفت. افزودن گرافن به تیتانیوم استحکام، مقاومت به سایش و مقاومت حرارتی به میزان قابل توجهی افزایش پیدا میکند . گرافن در درصدهای وزنی مختلف 0/4 ,0/3 ,0/2 ,0/1 و 0/5 به تیتانیوم اضافه میشود. مسئله مهم در تولید کامپوزیتهای گرافن دار، توزیع یکنواخت آن - بهعنوان تقویتکننده - بدون تراکم در یک منطقه خواص درزمینه است. البته بیشینه مقدار این کمیتها در یک درصد وزنی خاص از گرافن حاصل میشود که پیدا کردن این درصد وزنی امری بسیار ضروری است. بر طبق بررسیهای انجامشده تقرباًی در 0/2 درصد وزنی گرافن، بهترین خواص کامپوزیت به دست میآید. ما در این مقاله مروری، سعی بر بررسی تأثیر گرافن بر خواص سایشی، حرارتی تیتانیوم و همچنین مروری بر استحکامبخشی تیتانیوم خواهیم داشت.
واژههای کلیدی: تیتانیوم، کامپوزیتهای تیتانیوم-گرافن، گرافن، جوشکاری پلاسمایی، یکنواخت
-1مقدمه
در سالهای اخیر، تیتانیوم و آلیاژهای آن به علت دارا بودن خواص عالی ازجمله نقطه ذوب بالا، استحکام کششی بالا، چگالی کم، مقاومت به خوردگی عالی و زیست سازگاری بسیار خوب بهطور گسترده ای در صنایع مختلف ازجمله هوافضا و پزشکی بهکاررفته شدهاند; اما به علت مشکلاتی ازجمله مقاومت سایشی کم، استحکام مکانیکی کم در دمای اتاق و هزینه بالا استفاده از آن محدودشده است.
به همین علت محققان در سالیان اخیر البته بهصورت محدود، با استفاده از کربن و مشتقات آن سعی در بهبود معایب ذکرشده داشتهاند . در بین مشتقات کربن، نانولولههای کربن و گرافن شاخصترین و پرکاربردترین تقویتکنندهها به شمار میآیند. لازم به ذکر است حفظ استحکام همراه با چگالی کم مهمترین ویژگی هر تقویتکننده است که تقویتکنندههای مذکور نیز این خواص را در سطح بالای در خود دارند. گفتنی است که چالش های نیز در استفاده از این تقویت کننده ها وجود دارد همچون: توزیع یکنواخت، حفظ پایدای ساختار آنها و انتقال تنش مناسب در فصل مشترک.
بر اساس آخرین تحقیقات انجامشده گرافن خواص مطلوبتری را از خود نشان میدهد. گرافن یک ماده دوبعدی با سطح ویژه بالا,[1] استحکام شکست حدود Gpa, 125 مدول یانگ در حدود Tpa 101 و رسانایی حرارتی w/m. k [2] 3000میباشد. در خانواده گرافن، گرافن چندلایه که ضخامتی در حدود 1-10 نانومتر دارد خواص مشابهی با گرافن تک لایه از خود نشان میدهد. بهعلاوه گرافن چندلایه نسبت به گرافن تک لایه بسیار آسانتر تولید و به کار گرفته میشود.
همانند تیتانیوم، تحقیقات زیادی بر روی کامپوزیتهای پایه مس,[3] منیزیم[4] و آلومینیوم [5,6]با تقویتکننده گرافن انجامشده است; اما چند تحقیق در مورد کامپوزیتهای تیتانیوم - کربن:
1 - ملندز5 و همکارانش Ti-Nd - Nano diamond - و تیتانیوم - نانولولههای کربن را سنتز کردند و به ترتیب مقادیر 1473±125 و 947±71 را برای استحکام این دو کامپوزیت گزارش کردند.[7]
2 - کونده6 و همکارانش کامپوزیت تیتانیوم - نانولولههای کربن را بهوسیله جوشکاری پلاسمایی سنتز کردند که استحکام آن در حدود 742 Mpa بود و تغییرات طول آن 26 افزایش یافت - نسبت به تیتانیوم خالش - .[8]
3 - لی7 و همکارانش تنش تسلیم Mpa 1179 و تنش نهایی Mpa 1182 را برای کامپوزیتهای تیتانیوم - نانولولههای کربن سنتز شده بهوسیله جوشکاری پلاسمایی گزارش کردند.[9]
واکنش بین تیتانیوم - گرافن به صورتی است که ذرات TiC به راحتی میتواند در محدوده وسیعی از دما تولید شوند. توزیع گرافن درزمینه کار دشواری است . گرافن ضخامتی در حد نانو، سطح ویژه و نسبت ظاهری بالایی دارد؛ بنابراین تجمع در یک نقطه یکی از مشکلات رایج استفاده از آنها است. به همین خاطرمعمولاً از فرآیند - ball mill - جهت پراکندهسازی آن درزمینه استفاده میشود.[10]
-2آمادهسازی نمونه
. درزمینه ساخت کامپوزیت محققان روشهای زیادی را بررسی کردند، ما بهطور مختصر یک روش را توضیح میدهیم. تیتانیوم - 99/8 - با اندازه ذره 60 نانومتر و گرافن چندلایه با مقاومت 5-25 نانومتر و طول 1-5 میکرومتر استفاده کرد. گرافن چندلایه در ابتدا به مدت 30 دقیقه تحت اولتراسونیک در آب قرار گرفت - با غلظت - mg/ml 0/1 که در آن از سدیم دودیکل-بنزن سولفونات بهعنوان پراکنده ساز استفاده میشود و پسازآن پودرهای تیتانیوم به محلول موردنظر اضافه شدند - در 30 دقیقه - , پودرهای کامپوزیتکاملاً حل شدند و حلال اضافی خارج شد، سپس با استفاده از bill mill به مدت 12 ساعت و نرخ چرخش rpm 300 در اتانول مخلوط شدند. بعد از خشک شدن کامل در اون در 80 درجه سانتی گراد، پودرهای حامل در یک قالب گرافیتی با قطر داخلی 20 نانومتر تحت بارگذاری واقع شدند - که در آن ورقههای گرافیتی جهت حرکت بهترین قالب و پودرها به کار گرفتهشده بودند - . پودرهای حامل در یک دستگاه جوشکاری پلاسمایی 8 با دمای نگهداری 1100 درجه سانتیگراد و فشار نگهداری 40 زینتر شدند. نرخ گرمایش C/min 150و به مدت 6 دقیقه در بیشترین دما نگهداری شد. سپس نمونهها تا دمای محیط با نرخ سرمایش کوره سرد شدند. کامپوزیتهای موردنظر در غلظتهای چندلایه گرافن 50 درصد وزنی-تیتانیوم تولید شدند. قطعات زینتر شده جهت حذف آلودگیهای گرافیتی روی سطح پولیش شدند.[11]
-3ویژگی میکرو ساختاری:
بهوسیله تست MCT مدول الاستیک و سختی مشاهده می شود. همچنین منحنی تنش-کرنش با استفاده از تکنیک - Continuous Multi cycle - CMC - رسم میشود. این تکنیک شامل 15 سیکل بارگذاری روی یک نقطه است - بار از 200 تا - mN 2000 زمان بارگذاری 20 ثانیه و زمان نگهداری در بیشترین نیرو در این تکنیک 15 ثانیه است. در هرسیکل بیشترین مقدار بارگذاری میشود و سپس تا 50 همان بار باربرداری شد. رفتار خراش در مقیاس میکروسکوپی نمونههای زینتر شده با تست MCT بررسی میشود.[11,12]
تفاوت نیروی مماسی، ضریب کسر و عمق نفوذ باقیمانده بهعنوان تابع از فاصله خراش ثبت شد. طول خراش 0/6 و سرعت خراش 0/6 بود. هر خراش تا خراش بغلی 200 میکرومتر بود. نمونهها قبل از خراش پولیش شدند و درنهایت با SEM مورفولوژی نهایی مشاهده میشود. افزایش مقدار گرافن کاهش اندازه دانه تیتانیوم را به دنبال دارد. ریزدانه بودن تیتانیوم بهطور قابلملاحظهای استحکام فشاری را بهبود میبخشد.[11,13]
-4مشخصات میکرو ساختاری:
از آنالیز XRD حاصل از نمونه میتوان دریافت که کامپوزیتهای a-Ti,TiC و مقداری تیتانیوم اکسید است - شکل . - 1 طبق گزارشها لی انرژی آزادگیبس برای واکنش بین تیتانیوم گرافیت در 1073 حدود Kj/mol 173 است[14] ؛ که این مقدار حاکی از اینکه در حین پلاسمای جوشکاری در فصل مشترک TiC , Ti -MLG تشکیل میشود. همچنین TiO2 TiO, در حین مخلوط کردن پودر و جوشکاری پلاسمایی تشکیل میشود. شکل b-1 پیکهای G , D و D2 را در کامپوزیت نشان میدهد؛ که پیک G نشان دهنده کشیدگی باند C-C در گرافن، پیک D نشاندهنده نواقص در ساختار و پیک 2D مربوط به ساختار گرافن چندلایه میباشند.[15,16] وجود پیکهای G و 2D باقی ماندن گرافن چندلایه را در ساختار پس از فرآیند جوشکاری پلاسمایی تائید میکند. دلیل اینکه پیک 2D در ساختار طبیعی گرافن چندلایه دیده نمیشود ولی در این کامپوزیت میبینیم، آلگومره شدنهایی است که در حین فرآیندهای جوشکاری پلاسمایی اتفاق میافتد. همانطور که در شکل c1 و d1 میبینیم ذرات گرافن چندلایه بهطور یکنواختی در تیتانیوم پراکندهشدهاند.[10-13]
-5خواص مکانیکی میکروسکوپی نمونههای زینتر شده:
مدول الاستیک و سختی در جدول 1 دیده میشود. با افزایش مقدار از 0/5 به 1/5 هم مدول و هم سختی بهطور مختصری کاهشیافتهاند.[10] افزایش مدول سختی پس از افزودن گرافن چندلایه را به تشکیل TiC و تیتانیوم اکسید نسبت میدهند. همچنین این مقادیر از مقادیر مربوط به نانو تیوبهای کربن بیشتر است. مشخصات الاستیک و پلاستیک نمونهها را میتوان توسط تستهای کشش و خمش تعیین نمود کمعمولاً به آمادهسازی نمونههای زیادی نیازمند است. به همین علت فیلد و اسوان9 یک روش گامبهگام با باربرداری جزی را برای بررسی و ارائه منحنی تنش-کرنش ارائه کردند. با این روش نیاز به آمادهسازی نمونههای پیچیده نیست.[17]
وانگ10 و همکاران گزارش کردند که استحکام تسلیم فشاری کامپوزیت جوشکاری پلاسمایی شده با Mpa 5620 0/4 است درحالیکه اگر درصد وزنی به 1 افزایش یابد ,این مقدار به Mpa 698 کاهش مییابد. دلیل اینکه گرافن در مقایسه با نانو تیوپ ارقام و نتایج بهتری را نشان میدهد ممکن است به علت سطح ویژه بالای آن باشد که انتظار میرود اتصال قوی بین زمینه و تقویتکننده برقرار شود و درنتیجه اتصال تنش بسیار عالی میباشد.[6]
