SUPERVISOR
Masoud Panepour,Mahmood Meratian isfahani
مسعود پنجه پور (استاد راهنما) محمود مراتیان اصفهانی (استاد راهنما)
STUDENT
Hamed Shahrokh Esfahani
حامد شاهرخ اصفهانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Investigation of the catalytic effect of nickel on carbon/carbon Composite fabrication by chemical vapor Infiltration process
The Carbon/Carbon composites, due to possessing a high resistance to thermal shock and excellent mechanical properties such as significant strength and toughness, have been of great interest in the aerospace industry. In this regard, the CVI method is one of the most important methods to produce the C/C composites; however, this method has some disadvantages such as the low growth rate of the carbon over the carbon felt. So, this work was aimed at increasing the growth rate of the CVI method in producing the CF/C composites through using the nickel catalyst. Herein, the carbon felt made of the activated carbon was used as the substrate, over which, the nickel particles were loaded; the nickel nitrate was exploited by dissolving different contents of nickel nitrate in two solvents of acetone and ethanol followed by using ultrasonication and rotary evaporator. Choosing a suitable solvent was done along with optimizing the content of the nickel catalyst over the carbon felt. The appropriate conditions of calcining the nickel nitrate over the carbon felt were determined and afterwards the nickel oxide was reduced under the hydrogen gas. Then, two temperatures of 700°C and 1050°C were considered to carry out the CVI process at different times. The prepared samples were characterized in terms of the phases, chemical composition, and microstructure via XRD, Raman spectroscopy, ICP, EDS, SEM, FESEM, TEM and HRTEM methods and the specific surface area was determined by the BET Test. Density was obtained by the Archimedes method, mechanical properties were investigated through the Bending Test, and the chemical and thermal stabilities were studied by the TG-DTA analysis. The most important results based on the wettability and the low evaporation temperature of acetone, indicated that the acetone can provide a good distribution and increase the deposition of the nickel to up to 40%. Using the rotary evaporator device not only improved the distribution of the nickelarticles, butalso reduced the size of them after CVI process at 700°C to less than 30 nm. The results corresponding to the CVI process at 700°C in 120 to 1080 min revealed that the deposited carbon was of the MWCNT, where, increasing the process duration raised the nanotubes length significantly, however, their diameter was constant in the range of 20-30 nm. In addition, by increasing the amount of the nickel catalyst particles, the amount of the MWCNT tubes was raised substantially. For example, by increasing the process duration for the sample containing 40 wt% nickel particles, the density of the sample was increased from 0.3 g/cm -3 to 0.67 g/cm -3 , in contrast, the specific surface area was reduced from 200 to 51 m 2 /g due to the entanglement of the MWCNTs. From the obtained results, it can be deduced that the CF/MWCNT composite has been formed by the CVI process at 700 °C. Therefore, to proceed the research, the sample prepared after 1080 min by the CVI process at 700 °C was considered. The results of the CVI process at 1050 °C for 720 min declared that the density was increased from 0.67 g/cm -3 to 1.73g/cm -3 . In addition, this can also be argued from HRTEM microscope images that the majority of the entanglement inner filaments of the MWCNTs remained intact and only the surface portion of the fibers was damaged because of the nucleation and growth of the pyrolytic carbon. As a result, this can be introduced as a CF/MWCNT/PyC three-component composite. Furthermore, it was found that the formation of the MWCCNT fibers at 700 °C can decrease 84% of the whole time of producing CF/C composite through the CVI process at 1050 °C. Keywords : Carbon Felt; Nickel catalyst; CVI proce MWCNTs; CF /MWCNT composite; Pyrolytic carbo Composite CF /MWCNT/ PyC
کامپوزیت کربن/کربن بهخاطر مقاومت به شوک حرارتی بالا و خواص مکانیکی عالی آن اعماز استحکام و چقرمگی بهعنوان یکیاز مواد بسیار کاربردی بهخصوص در زمینهی هوافضا مورد توجه قرار گرفتهاست. بدینمنظور بهکارگیری فرآیند CVI یکیاز روشهای مهم جهت تولید کامپوزیتهای کربن/کربن میباشد، اما از جمله معایب این روش میتوان به سرعت پایین رشد کربن بر روی نمد کربنی اشاره نمود. لذا هدف ازاین پژوهش افزایش سرعت فرآیند CVI برای تولید کامپوزیت CF/C با استفاده از کاتالیزور نیکل میباشد. در این تحقیق از نمد کربنی از جنس کربن فعال بهعنوان پیش ساخت استفاده شد، سپس از نیترات نیکل با انحلال درصدهای وزنی متفاوت در دو حلال استون و اتانول برای رسوب آن، روی پیشساخت کربنی به وسیلهی تجهیزات الترا سونیک و دستگاه تبخیرکنندهی دورانی استفاده شد. انتخاب حلال مناسب بههمراه بهینهنمودن درصد وزنی کاتالیزورنیکل به منظور ایجاد ذرات کاتالیستی بر روی نمد کربنی انجام شد. انتخاب شرایط مناسب جهت فرآیندهای خشک کردن و تکلیس برای نیترات نیکل رسوب داده شده، برروی پیش ساخت انجام شد و در ادامه احیاء اکسید نیکل بهوسیلهی گاز هیدروژن صورت گرفت. سپس دو دمای ?700 و?1050 بهترتیب جهت انجام فرآیند CVI در زمانهای مختلف معین شد، به طوری که تمامی نمونههای تولید شده طی فرآیند CVI، جهت بررسی فازی، آنالیز شیمیایی و ریز ساختاری به ترتیب تحت بررسیهای پراشاشعهی ایکس، طیف سنجی رامان، ICP، EDS، SEM، FESEM، TEMو HRTEM قرار گرفت. همچنین جهت بررسی سطح ویژه از آزمون BET، چگالی از آزمون ارشمیدس، خواص مکانیکی از آزمون خمش و پایداری شیمیایی و حرارتی از آنالیزحرارتی TG-DTA استفاده شد. مهمترین نتایج باتوجه به قابلیت ترشوندگی و دمای تبخیر پایین استون نشان داد،که این حلال میتواند منجر به توزیع مناسب و افزایش میزان رسوب نیکل تا مقدار 40% وزنی گردد. استفاده از دستگاه تبخیرکنندهی دورانی باعث گردید تا علاوه بر توزیع مناسب ذرات نیکل، اندازهی ذرات آنها پس از انجام فرآیند CVI در دمای ?700 به کمتر از nm30 برسد. نتایج مربوط به فرآیند CVI در دمای ?700 برای زمانهای 120دقیقه تا 1080 دقیقه نشان میدهد که کربن رسوب کرده از نوع MWCNT بوده و با افزایش زمان فرآیند قطر آنها بینnm 30-20 ثابت باقی ماندهاست و میزان طول آنها به شدت افزایش داشتهاست. همچنین با افزایش درصد کاتالیزور نیکل میزان رشتههای MWCNT بیشتر شدهاست، برای نمونه با میزان 40% وزنی کاتالیزور نیکل، همراه با افزایش زمان، چگالی نمونه از g/cm 3 3/0 به g/cm 3 67/0 افزایش یافته است درحالی که میزان سطح ویژه بهدلیل در هم پیچیدگی رشتههای MWCNT از m 2 /g 200 به m 2 /g 50 کاهش یافته است. از مطالعهی این نتایج میتوان چنین استنتاج نمود که کامپوزیت CF/MWCNT طی فرآیند CVI در دمای ?700 ایجاد گردیدهاست. از این رو برای ادامهی تحقیق نمونهی 1080 دقیقه که تحت فرآیند CVI در دمای ?700 بودهاست، بهعنوان نمونهی ممتاز در مرحلهی بعد انتخابگردید. نتایج نمونهها تحت فرآیند CVI در دمای ?1050 تا مدت زمان 720 دقیقه نشان داد که کربن رسوب دادهشده روی رشتههایMWCNT از نوع کربن پیرولیتی میباشد. نتایج چگالی نمونهی 720 دقیقه در طی فرآیند نام برده، نشان میدهد که مقدار آن از g/cm 3 67/0 به g/cm 3 73/1 افزایش داشته است. همچنین میتوان از تصاویرمیکروسکوپی HRTEM چنین استدلال نمود که بخش عمدهای از رشتههای درونی MWCNT درهم تنیده شده بدون تغییر باقی مانده است و تنها بخشهای سطحی آن رشتهها دراثر جوانهزنی و رشد کربنپیرولیتی تخریب میگردد. در نتیجه با استناد به حضور سه ساختار کربنی مختلف در نمونه، میتوان این کامپوزیت را به عنوان یک کامپوزیت سهتایی CF/MWCNT/PyC معرفی نمود. به علاوه نتایج این تحقیق در مقایسه با تحقیقات قبلی به خوبی نشان داده شد که ایجاد رشتههای MWCNT در دمای ?700 میتواند، بیش از% 84 از زمان کل ساخت کامپوزیت CF/C را طی فرآیند CVI در دمای ?1050 کاهش دهد. کلمات کلیدی : نمدکربنی، کاتالیزور نیکل، فرآیند CVI، نانو لولههای کربنی چند دیواره (MWCNT)، کامپوزیتCF/MWCNT، کربن پیرولیتی (PyC)، کامپوزیت CF/MWCNT/PyC