20
ث ح ب ة ق ل ح ة ب ك ر م ل ا مادة ل ا اج ت ن ا( Al-CNT ) ارة ر ش ب د% ت& ب ل ت ل وا ن, خ سا ل ا ق ث ب ل ا% ي ت% ب ل م ع ن5 ي ب ج, ر م ل ا ة ق% ي ر ط ب ما, لار ت ل ا ورة ث ك الد, راف شD ا ب لاب لطاد ا عد ا, ساف ع هاب م مد ح م% ي عل اش ساء ش% مي__________ 2013-2014 % ي ل عا ل م ا% ي ل ع ت ل ا رة ا, ور ن% ي ر ش ب عة ام ح ة% ب, نg ق ت ل ا دسة, ت ه ل ا ة% ب ل ك ة% ب ق% ت& ن ط ت ل واد ا م ل ا دسة, ت ه

Al- CNT (Special Composite Material)

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Producing the (Al-CNT) composite material

Citation preview

Page 1: Al- CNT (Special Composite Material)

حلقة بحث

(Al-CNT)إنتاج المادة المركبة بطريقة المزج بين عمليتي البثق الساخن والتلبيد بشرارة البالزما

الدكتورة بأشراف الطالب إعداد

عساف مهاب محمد شاش علي ميساء

__________2013-2014

العالي التعليم وزارةتشــــــــريـن جامعة

التقنية الهندسة كليةالتطبيقية المواد هندسة

Page 2: Al- CNT (Special Composite Material)

:Abstractملخص-

لق�د تم إنت�اج م�واد مركب�ة بمص�فوفة من األلم�نيوم المدعم�ة بألي�اف الكرب�ون النانوي�ة •

�(Al-CNT) عن طر�ي�ق� م�ج�مو�ع�ة� م�ن� ا�لعمل�ي�ا�ت �ا�لم�ت�ط�و�رة� �في� م�ج�ا�ل� �ت�قن�ي�ا�ت �ا�لم�س�احيق

المع�د�ني�ة. حي�ث تم� في� البداي�ة توز�ي�ع ا�أللي�اف� بش�كل ج�ي�د� عل�ى ج�زي�ئ�ات ا�أللم�ن�يوم وف�ق ط�رق

. أم�ا الم�ادة (Nano scale Dispersion-NSD)ان�تش�ا�ر �وتوزي�ع ت�عت�م�د عل�ى ت�قني�ات� ا�لن�ا�ن�و

زما مت�بوع�ة بع�م�لية �البثق الساخن. المر�كبة فق�د تم تحضي�رها ع�ن طريق الت�لبيد� بشرارة� �البال�

وق�د أك�دت الدراس�ات المبني�ة على اس�تخدام المج�اهر اإللكتروني�ة عالي�ة الدق�ة على ح�دوث •

ل�ي��اف �ال�كرب��و�ن في� م��اد�ة المركب��ة، وأ�ظه��رت� ال�م��ادة ا�لمركب��ة ( Al-CNT)�ت��وزع �ج�ي��د أل�

a (Al-CNT)المش�كل�ة �مقا�وم�ة ش�د� أعل�ى� ب�ثالث م�رات �م�ن ا�أللم�نيوم ا�لن�قي�،� وه�ذا ي�ع�ود �أسا�س�ا

أللياف الكربون الداعمة.

Page 3: Al- CNT (Special Composite Material)

:Introductionمقدمة-

يتوق�ع أن تق�وم العدي�د من الص�ناعات كص�ناعة الس�يارات، والص�ناعات الفض�ائية، وص�ناعة

a م�تقدم�ة تتم�يز بوزن�ه�ا المنخ�فض وص�البتها (Super Materials)ال�ط�يران بت�ط�وير م�وا�دا

العالي�ة وق�وته�ا الكب�يرة.� باإلض�ا�فة إلى� ذل�ك، ف�إن �الجي�ل الق�ا�دم م�ن المع�ا�دن يجب أن يك�ون

a للطاق�ة، و�رخيص الكلف�ة�. إن� ألي�اف الكر�ب�ون المجهري�ة a للبيئ�ة،� م�وفرا ، (CNTs)ص�دي�قا

م، أص��بحت اآلن معروف��ة بقوته��ا �الكب��يرة، 1991ال��تي �اكتش��فت ألول م��رة ف�ي ع��ام

و�معام�ل مرونته�ا المرتف�ع وبوز�نه�ا الم�نخفض ح�يث انه�ا أف�ض�ل األلي�اف المعر�وف�ة لح�د اآلن.

ول�ذلك،� فإن�ه من المتوق�ع �أن ت�د�خل الم�و�اد المركب�ة� الم�عدني�ة المد�عوم�ة بأل�ي�اف الكرب�ون

(MM-CNT) �.في الص�ناعات ا�إلنشائية ف�ي األجيال� القادمة�

Page 4: Al- CNT (Special Composite Material)

المركب�ة بت�وزع منتظم لأللي�اف (Al-CNT)نبحث في ه�ذه الدراس�ة عن إمكاني�ة تص�نيع م�ادة

a من مس��حوق� المع��دن ع�ن طر�ي��ق ا�لم��زج �بين� ع�ملي��تي ا�لتلب�ي��د بش��رارة� الب�الزم��ا ان�طالق��ا

(SPS�) وال�بث�ق� الس�اخن.� ف�في �الخ�ط�وة األولى�، أج�ر�يت ع�ملي�ة�� ،�(SPS) ب�ت�أثي�ر ق�و�ة �ض�غط

، ومن� ثم� تم �ت�حقي�ق ال�توجي�ه ال�م�نتظم (�Al+CNT)م�ز�دوج� بقص�د� تك�ثيف �ا�لم�ز�يج �المؤ�ل�ف من� �

عن �ط�ري��ق عم�لي��ة �ا�لبث��ق �ال�س��اخن�. �وعن��ده�ا� تم� ت�وص��يف ك��ل� �من� الخ�ص��ائص� ال�م�ي�كانيكي��ة �

لكترو�ني�ة العا�لية ال�دقة.(Al-CNT)�وال�م�جهرية� �لمواد� � � �عن طري�ق ال�مجاهر اال�

بتط�بيق حمول�ة (Vickers) عن طري�ق اختب�ار فيك�رز Al-CNTتم تق�ييم ص�البة مركب�ات

200 g)(� ختب�ار� الع�ا�لمي�ة AUTOGRAPH AG-I(. وت�م قي�اس� م�قاوم�ة� �الش�د �بواس�ط�ة� آ�ل�ة �اال�

50 kN, Shimadzu Co. Ltd., Japan� بع�د �تش�ك�ي�ل ع�ين�ات� نا�تج�ة �من �عملي�ة �الب�ث�ق ،)

.3mmبأقطار

Page 5: Al- CNT (Special Composite Material)

إجراءات تحضير المادة المركبة:

يتم تجه��ير ب��ودرة األلم��نيوم وخلطه��ا باأللي��اف

الكربوني�ة م�ع وس�يط المط�اط الط�بيعي وف�ق

. تت�ألف الكت�ل (NSD)تقني�ة الخل�ط المجه�ري

األو�لي���ة المس���تخدمة �من ب���ودرة ا�أللم���نيوم

a ذات نقا�وة ،%�99.85المذر�رة غازيا�

، %99.5 ومن األلي���اف الكربوني���ة )بنق���اوة

(، إض�افة µm 50-15، وبط�ول 20nmبقط�ر

.NRإلى المطاط الطبيعي

المجهري- 1 Nano ScaleالخلطDesperation

Page 6: Al- CNT (Special Composite Material)

إجراءات تحضير المادة المركبة:

تم تحض�ير النس�ب للحص�ول على تركيب�ة

a. وق�د� تم %5من ال�ب�ودرة تح�وي أ�لياف�ا

a بدرج�ة مع�الج�ة العين�ة البدا�ئي�ة حراري�ا

5000C) ولم��دة )(2h) في ج��و يح��وي�

رغون لت�بخير وس�يط ال�مطاط. األ�

الحرارية- 2 De-Bendingالمعالجة

Page 7: Al- CNT (Special Composite Material)

إجراءات تحضير المادة المركبة:

في Al-CNTبع�د ذل�ك تم تلبي�د م�زيج ب�ودرة

ق��الب� من الكرب��ون �باس��تخد�ام جه��از �التلبي��د

.(SPS-S515)بشرارة البالزما

تم التلبيد ضمن البارامترات التالية: درجة

20)(، مع زمن إبقاء (0C 600حرارة قصوى

min) وبمعدل تدفئة ،(0 40C/min) ،

. وكانت العينات (MPa 50) الضغط

وبطول (mm 15)الملبدة الناتجة ذات قطر

(30 mm).

Spark Plasma Sintering- التلبيد بشرارة البالزما –3

Page 8: Al- CNT (Special Composite Material)

اإلجراءات التجريبية:

تم بث�ق العين�ة الملب�دة المض�غوطة

النا�تج���ة خالل ق���ا�لب مخ���روط�ي

( م�ع (4000Cبت�أ�ثير� در�ج�ة ح�رارة�

. س�رعة �البث�ق (�KN �500)ض�غط

�(2 mm/min) وق�د تمت مع�اين�ة �،

ال�عين��ات النات�ج��ة بع��د �ك��ل خط��وة

با�لمج�اهر �اإللكترو�نية.

Hot Extrusion- البثق الساخن- 4

Page 9: Al- CNT (Special Composite Material)

والمناقشة النتائجVوأنواع- أوًال المجهرية الليف بنية

المحتملة العيوب( األلياف الكربونية aيبين الشكل )

النقية ذات البنية الخيزرانية

المستخدمة في هذه العملية.

( صورة bويوضح الشكل )

مجهرية مكبرة لليف كربوني

تظهر علية مناطق خلل )السهم

األسود( ومناطق غير متبلوره

)السهم األبيض(.

وعيوبها - المستخدمة الكربونية األلياف الشكل

Page 10: Al- CNT (Special Composite Material)

V جزيئات- ثانيا على األلياف توزع آليةاأللمنيوم:

a مجهري�ة ( a)يبين الش�كل ص�ورا

، حيث ال Al-CNT)�لم�زيج� ب�ود�رة )

نالح��ظ وج��ود المط��ا�ط ال�ط��بيعي

وال��ذ�ي ي��دل �على كف��اء�ة ال�عملي��ة

في إ�زا�ل�ة ا�لمط�اط.� ن�الح�ظ ا�ح�تف�اظ

جزيئ�ات األلم�نيوم ب�ش�كلها الك�روي

على �ال�رغم من� تعرض�ها� لعملي�ات

الض�غط والمعال�جة الحرارية.

Page 11: Al- CNT (Special Composite Material)

V جزيئات- ثانيا على األلياف توزع آليةاأللمنيوم:

(b)نالح��ظ بع��د التكب��ير الع��الي في الش��كل

ح���دوت �ت���وزع �منتظم لأللي���اف ع�لى جزئي���ات

األلمنيوم.

المن�اطق ال�تي لم (c)في حين يوض�ح الش�كل

يحدث فيها توزع منتظم لأللياف.

(b ) – المنتظم التوزع ( - مناطق حدوث تكاثف األليافc)مناطق

Page 12: Al- CNT (Special Composite Material)

V الحبيبية- ثالثا الحدود The)دراسةGrain Boundaries):

يبين الشكل صورة مجهرية لمقطع طولي وآخر عرضي لعينة ملبدة

(a-b)ومضغوطة. وبمقارنة الشكل السابق الذي (a -)مع الشكل

جزيئات وضح على األلياف توزع آليةاأللمنيوم

Page 13: Al- CNT (Special Composite Material)

V الحبيبية- ثالثا الحدود The)دراسةGrain Boundaries):

وكم�ا يظه�ر من الش�كل فق�د كش�فت المالحظ�ة أن �الح�د�ود الحب�ي�بي�ة لل�عين�ة �ا�لمض�غوط�ة وال�ملب�دة �تحت�و�ي على ع�دة أ�ط�وار ي�تم ش�رها �باختص�ار كم�ا

يلي:

يمثل كامل حدود الحبيبة حيث أن (a)الشكل •المنطقة الحدودية بين حبيبات األلمنيوم تتألف

–3-األلومينا( )2-مصفوفة االلمنيوم(،)1من )(CNT( 4 كربون غير–

–الغرافيت(،5متبلور(، )

(.Al4C3 – أطوار 6 )

حيث يش�ير الس�هم األبيض إلى منطق�ة األلومين�ا •المكسورة.

– يوض��ح المنطق��ة بين األلي��اف ( b)الش��كل •الكربونية ومصفوفة األلمنيوم

– يوض��ح منطق��ة ط��ور كربي��د ( c)الش��كل •.Al4C3األلمنيوم

وملبدة (TEM)صورة مجهرية مضغوطة لعينة الحبيبة حدود طبقة توضح

Page 14: Al- CNT (Special Composite Material)

V -دراسة البنية المجهرية بعد عملية رابعاالبثق الساخن:

يظه��ر الش��كل امت��داد البني��ة •المجهري����ة للم����ادة المركب����ة ب�ش��كل م��وازي� التج��اه� البث��ق �

وانخف���اض حج�م الحبيب���ات إلى )كم��ا� يش��ير (µm 1)�ح��والي�

بيض في الش�كل- (.b-ال�س�هم اال�

يمكن أن نالح������ظ تش������كل •المس���امات )الس���هم االس���ود

( إض���افة للح���زوز aبالش���كلواألخادي��د بس��بب حرك��ة كت��ل

الساخن (Al-CNT)مقطع طولي لعينة وحزم األلياف. البثق عملية بعد

Page 15: Al- CNT (Special Composite Material)

V األلمنيوم- خامسا كربيد ارتباط آلية: األلمنيوم بمصفوفة

األلمنيوم كربيد إنعملية خالل نشأ الذي

قد ( SPS)التلبيد كانضمن انغرس

األلمنيوم مصفوفةكما البثق عملية أثناء

. الشكل يوضح

بعد البثق(Al-CNT) مجهرية لعينة (TEM) صورة

.aصورة مجهرية لكامل الحدود الحبيبية.b كربيد األلمنيوم المنغرس بين مصفوفة األلمنيوم وحدود

الحبيبة

Page 16: Al- CNT (Special Composite Material)

V )صالبة، -دراسة بعض الخصائص سادسا بعد كل كثافة، محتوى األكسجين(

عملية:

بعض خصائص العينة بعد كل عملية

Page 17: Al- CNT (Special Composite Material)

V الخصائص- سابعا بعض مقارنةاأللمنيوم مع المركبة للمادة الميكانيكية

النقي:

مقارنة بين الجهاد واًالنفعال الحقيقيين لعينة من األلمنيوم (Al-CNT)مادة من أخرى عينة مع المركبة

(Pure Al)النقي

Page 18: Al- CNT (Special Composite Material)

V وتحليل- ثامنا النهائية للعينة الشد اختبارالنتائج:

بعد (Al-CNT)صورة مجهرية لسطح مكسور لعينة اختبارها على الشد

.aالتنقيرات الظاهرة على السطح المكسور.b الجسور الليفية الواصلة ضمن مصفوفة

األلمنيوم

Page 19: Al- CNT (Special Composite Material)

الخالصة : المركب�ة بتوزي�ع جي�د وبتوجي�ه منتظم لأللي�اف باس�تخدام طريق�ة (Al-CNT)يه�دف الب�احثون إلى إنت�اج م�واد •

والبث�ق الس�ا�خن. ويمكنن�ا أن (SPS)، م�ع الم�ز�ج بين� عملي�تي الت�لبي�د بش�را�رة ا�لبالزم�ا (NSD)التو�زي�ع النا�نوي�ة نستخلص النتائج التالية بعد الدراسة السابقة:

a م�ع درج�ة مقبول�ة لتوجي�ه األلي�اف ( Al-CNT) أن تنتج م�واد (SPS)يمكن لعملي�ة • المركب�ة بكثاف�ة مرتفع�ة نس�بيان عم�لي�ة a قب�ل� القي�ام� بعملي�ة التلبي�د وذل�ك أل� �(NSD)ض�من ا�لمص�ف�وفة، حي�ث إن األلي�اف ك�انت �موزع�ة مس�بقا

a �من �الب�ودر�ة. �إض�افة �ل�ذ�لك ف�إ�ن� ظ�اه�ر�ة ن�م�و� الح�ب�يب�ات ل�م �يح�دث أ�ثن�اء عمل�ي�ة a متج�انس�ا ك�انت� ق�د� انتج�ت� مزيج�اa لل�ت�أثي�ر ا�لتش�ابكي� ل�أللي�ا�ف م�ع �أكس�ي�د األلم�نيو�م، �و�التس�خ�ين ال�س�ريع (�SPS)التل�ب�ي�د بش�ر�ا�رة ا�لب�الزم�ا ، �نظ�را

للعينة.

وال��ذي أدى لتحقي��ق تراب��ط ق��وي بين مص��فوفة (SPS)تم تش��كيل كمي��ة قليل��ة من الكربي��د أثن��اء عملي��ة •األلم�ن�يوم واأللي�ا�ف الك�ربوني�ة�. أم�ا �عملي�ة� البث�ق الس�اخن �الالحق�ة فق�د أ�دت إ�لى تحس�ين ك�ل� من �الكثاف�ة، �ت�وزع

األلياف وتوجيهها.

من األلي�اف الكربوني�ة النانوي�ة يمكنه�ا أن ترف�ع وبش�كل ملح�وظ المتان�ة (CNTs%-5)وكنتيج�ة ف�إن إض�افة •لحوالي ثالث أضعاف مثيلتها في األلمنيوم النقي.

وتفس�ر الزي�ادة في الخص�ائص الميكانيكي�ة نتيج�ة للت�أثيرات الداعم�ة لأللي�اف الكربوني�ة، وال�تي ترتب�ط بق�وة م�ع •مصفوفة األلمنيوم عن طريق األطوار المختلفة لكربيد األلمنيوم المتشكل.

a اس�تنتج الب�احثون أن الم�زج بين عملي�تي التلبي�د بش�رارة البالزم�ا • Hot) وعملي�ة البث�ق الس�اخن (SPS)ختام�اExtrusion ) في تقوية مادة a المركبة.(Al-CNT)يعد فعاال

Page 20: Al- CNT (Special Composite Material)

المراجع العلمية :

1.CA R B O N 4 7 ) 2 0 0 9 ( 5 7 0 –5 7 7 Article, Combination of hot extrusion and spark plasma sintering For producing carbon nanotube reinforced aluminum matrix composites - Hansang Kwon, Mehdi Estili, Kenta Takagi, Takamichi Miyazaki, Akira Kawasaki.

2.Department of Materials Processing, Graduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai 980-8579, Japan.

3.Journal, Carbon nanotube reinforced metal matrix composites.

4.Machining of Metal Matrix Composites - Prof. Dr. J. Paulo Davim.