دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساوه استاد : جناب آقای دکتر خادم موضوع :

1. دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساوه  استاد : جناب آقای دکتر خادم  موضوع : نانو كامپوزيت آلومينيوم - گرافن تهيه و تنظيم : سیدحمید دانشمند پاييز91

2. نانو : نانو مواد دسته ای از مواد هستند که ابعاد خارجی یا اندازه فازهای تشکیل دهنده آن حداقل در یک بعد کمتر از 100 نانو متر باشد.هر چند که بسیاری از خواص منحصر به فرد نانو مواد در ابعاد کمتر از 50 نانومتر بروز میکند.با این تعریف نانو مواد را می توان به گروه های زیر تقسیم نمود: • نانو ذره • نانو لایه ها • نانولوله ها و نانو میله ها • نانو کریستال ها • نانو کامپوزیت ها

4. خواص مواد نانو ساختار : • افزايش ضريب نفوذ. • افزايش استحكام ، چقرمگي و سختي. • افزايش ضريب انبساط حرارتي. • كاهش هدايت حرارتي و الكتريكي. • كاهش چگالي.

5. نانو کامپوزیت ها : • كامپوزيت به ماده اي اطلاق 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 اطلاق 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.

6. آلیاژ سازی مکانیکی : • روش آلیاژ سازی مکانیکی(MA) اولين بارتوسط بنيامين و همكارانش در اواخر دهه شصت قرن بيستم ميلادي 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 پلاستيكي شديد قرار مي گيرند و پيوسته متحمل جوش سرد و شكست مي شوند.

7. انواع آسیاب های مورد استفاده در آلیاژسازی مکانیکی : • آسیاب گلوله ای ماهواره اي. • آسیای گلوله ای ارتعاشی. • آسیاب گلوله ای شافتی(سایشي). • آسیاب گلوله ای غلتشی. • آسیاب گلوله ای مغناطیسی.

8. آسیاب گلوله ای ماهواره اي : • آسیاب گلوله های ماهواره اي متداولترین نوع آسیاب برای کاربرد در روش آلیاژسازی مکانیکی می باشدکه 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 مکانیزمی در جهت خلاف حرکت صفحه دوار،حرکت دورانی انجام می دهد. • اين آسياب از انرژي بالايي برخوردار مي باشد.

10. آسیاب گلوله ای ارتعاشی : • يكي ديگر از آسياب هاي رايج در مقياس آزمايشگاهي آسياب هاي گلوله اي ارتعاشي 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 بالا ارتعاش مي كند. • اين نوع آسياب در هر بار قادر به آسياب كردن 10 تا 20 گرم پودر مي باشد. يكي از انواع متداول آسياب گلوله اي ارتعاشي، آسياب هاي لرزشي با نام تجاري SPEX است.

12. آسیاب گلوله ای شافتی(سایشي) : • اين آسياب داراي يك محفظه استوانه اي و تعداد زياد گلوله بوده و ظرفيت توليد بالايي 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 خلا و يا اتمسفر خنثي مشكل است.

14. آسیاب غلتشی : • 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 بالا 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.

16. آسیاب گلوله ای مغناطیسی : این نوع آسیاب ها که با نام تجاری uni-Ball نامیده می شوند و عملکردی مشابه با آسیاب های غلتشی دارند با این تفاوت که در آسیاب های گلوله ای مغناطیسی یک میدان مغناطیسی جایگزین نیروی جاذبه شده است.این نوع آسیاب ها برای کاربرد های آزمایشگاهی مفید می باشد و در هر مرحله تا 100 گرم پودر را اسیاب می کند.تصوير این اسیاب به صورت شماتیک در شکل زيرنشان داده شده است.

17. 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 • میزان پر شدن محفظه • اتمسفر آسیاب کاری

18. کامپوزیت های زمینه آلومینیومی : آلومینیوم با قیمت کم و دانسیته پایین در مقایسه با سایر آلیاژهای سبک مثل منیزیم و تیتانیوم،بیشترین استفاده به عنوان زمینه در کامپوزیت های زمینه فلزی را به خود اختصاص داده است.همچنین آلیاژهای آلومینیوم به واسطه کاربرد گسترده ای که در صنایع مختلف،از صنایع خودرو و هوا فضا تا وسایل تفریحی دارند،کاملا شناخته شده اند و می توان تلفیق مناسبی از استحکام ،انعطاف پذیری و مقاومت به خوردگی را دراین آلیاژها بدست اورد.

19. گرافن : • كربن در طبيعت ساختارهاي مختلفي دارد. الماس و گرافيت از ساختار هاي معروف آن هستند. • در الماس 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 لايه هاي مجزايي با هم پيوند برقرار كرده اند. اين لايه هاي روي هم قرار گرفته و با پيوند ضعيفي به هم متصل شده اند كه هر كدام از لايه هاي موجود درگرافيت را گرافن مي نامند.

20. حالات مختلف كربن : فلورين ها ، نانو لوله هاي كربني و گرافيت.

21. برخي از خواص گرافن : • چگالی كمتر از g/1. • مدول يانگ،گرافن از مدول يانگ بالايي در حدود Gpa1100 برخوردار مي باشد. • رسانایی گرمایی بالا در حدود 5000 وات بر متر درجه کلوین. • رسانایی الکتریکی بالا.

22. 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 22 ميكرومتر استفاده شده است. • مخلوط پودر گرافن( 0/1 درصد وزني)-آلومينيوم، آلومينيوم-نانولوله هاي كربني ( 1 درصد وزني)- آلومينيوم و آلومينيوم خالص در يك آسياب گلوله ای شافتی(سایشي) تحت گاز آرگون به مدت 1 ساعت آسياب شده است. • از اسيد استئاريك ( 2 درصد وزني) بعنوان كنترل كننده فرآيند ‌(PCA)در اين پروژه مورد استفاده قرارگرفته است. • مخلوط پودر هاي تهيه شده در دماي ℃375 و فشار ksi65 بمدت 20 دقيقه تحت پرس ايزواستاتيك داغ قرارگرفته است. • سپس نمونه ها در دماي ℃550 و فشار ton 50 بمدت 4 ساعت تحت عمليات اكستروژن قرار گرفته و بيلت هايي به قطر mm20 از آنها تهيه شده است.

23. نتايج بدست آمده از سختی ویکرز:

24. نتايج بدست آمده از استحکام کششی: (a) Ultimate tensile strengths of pure Al, Al–1 wt% MWNT, and Al–0.1 wt% graphene and (b) strain-to-failure.

25. تفرق اشعه ایکس نانوکامپوزیت آلومینیوم/گرافن X-ray diffraction of pure aluminum, Al–1.0 wt% MWNT composite, and Al–0.1 wt% graphene composite after extrusion.

26. تصویر(TEM) از ساختار نانوکامپوزیت آلومینیوم/گرافن و آنالیز رامان جهت شناسایی گرافن در ساختار نانوکامپوزیت آلومینیوم/گرافن 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.

27. Optical micrographs of extruded Al–1 wt% MWNT, Al–0.1 wt% graphene, and pure Al.

28. تحليل و بررسي : 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 دلايل مختلفي ناشي شود : 1- بدست نياوردن ميزان بهينه درصد گرافن. 2- بوجود آمدن كاربيد آلومينيوم در نمونه ها كه مي تواند ناشي از کیفیت پایین گرافن باشد.