SUPERVISOR
Masoud Panepour,Mahmood Meratian isfahani
مسعود پنجه پور (استاد راهنما) محمود مراتيان اصفهاني (استاد راهنما)
STUDENT
Hamed Shahrokh Esfahani
حامد شاهرخ اصفهاني
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
چکيده کامپوزيت کربن/کربن بهخاطر مقاومت به شوک حرارتي بالا و خواص مکانيکي عالي آن اعماز استحکام و چقرمگي بهعنوان يکياز مواد بسيار کاربردي بهخصوص در زمينهي هوافضا مورد توجه قرار گرفتهاست. بدينمنظور بهکارگيري فرآيند CVI يکياز روشهاي مهم جهت توليد کامپوزيتهاي کربن/کربن ميباشد، اما از جمله معايب اين روش ميتوان به سرعت پايين رشد کربن بر روي نمد کربني اشاره نمود. لذا هدف ازاين پژوهش افزايش سرعت فرآيند CVI براي توليد کامپوزيت CF/C با استفاده از کاتاليزور نيکل ميباشد. در اين تحقيق از نمد کربني از جنس کربن فعال بهعنوان پيش ساخت استفاده شد، سپس از نيترات نيکل با انحلال درصدهاي وزني متفاوت در دو حلال استون و اتانول براي رسوب آن، روي پيشساخت کربني به وسيلهي تجهيزات الترا سونيک و دستگاه تبخيرکنندهي دوراني استفاده شد. انتخاب حلال مناسب بههمراه بهينهنمودن درصد وزني کاتاليزورنيکل به منظور ايجاد ذرات کاتاليستي بر روي نمد کربني انجام شد. انتخاب شرايط مناسب جهت فرآيندهاي خشک کردن و تکليس براي نيترات نيکل رسوب داده شده، برروي پيش ساخت انجام شد و در ادامه احياء اکسيد نيکل بهوسيلهي گاز هيدروژن صورت گرفت. سپس دو دماي ?700 و?1050 بهترتيب جهت انجام فرآيند CVI در زمانهاي مختلف معين شد، به طوري که تمامي نمونههاي توليد شده طي فرآيند CVI، جهت بررسي فازي، آناليز شيميايي و ريز ساختاري به ترتيب تحت بررسيهاي پراشاشعهي ايکس، طيف سنجي رامان، ICP، EDS، SEM، FESEM، TEMو HRTEM قرار گرفت. همچنين جهت بررسي سطح ويژه از آزمون BET، چگالي از آزمون ارشميدس، خواص مکانيکي از آزمون خمش و پايداري شيميايي و حرارتي از آناليزحرارتي TG-DTA استفاده شد. مهمترين نتايج باتوجه به قابليت ترشوندگي و دماي تبخير پايين استون نشان داد،که اين حلال ميتواند منجر به توزيع مناسب و افزايش ميزان رسوب نيکل تا مقدار 40% وزني گردد. استفاده از دستگاه تبخيرکنندهي دوراني باعث گرديد تا علاوه بر توزيع مناسب ذرات نيکل، اندازهي ذرات آنها پس از انجام فرآيند CVI در دماي ?700 به کمتر از nm30 برسد. نتايج مربوط به فرآيند CVI در دماي ?700 براي زمانهاي 120دقيقه تا 1080 دقيقه نشان ميدهد که کربن رسوب کرده از نوع MWCNT بوده و با افزايش زمان فرآيند قطر آنها بينnm 30-20 ثابت باقي ماندهاست و ميزان طول آنها به شدت افزايش داشتهاست. همچنين با افزايش درصد کاتاليزور نيکل ميزان رشتههاي MWCNT بيشتر شدهاست، براي نمونه با ميزان 40% وزني کاتاليزور نيکل، همراه با افزايش زمان، چگالي نمونه از g/cm 3 3/0 به g/cm 3 67/0 افزايش يافته است درحالي که ميزان سطح ويژه بهدليل در هم پيچيدگي رشتههاي MWCNT از m 2 /g 200 به m 2 /g 50 کاهش يافته است. از مطالعهي اين نتايج ميتوان چنين استنتاج نمود که کامپوزيت CF/MWCNT طي فرآيند CVI در دماي ?700 ايجاد گرديدهاست. از اين رو براي ادامهي تحقيق نمونهي 1080 دقيقه که تحت فرآيند CVI در دماي ?700 بودهاست، بهعنوان نمونهي ممتاز در مرحلهي بعد انتخابگرديد. نتايج نمونهها تحت فرآيند CVI در دماي ?1050 تا مدت زمان 720 دقيقه نشان داد که کربن رسوب دادهشده روي رشتههايMWCNT از نوع کربن پيروليتي ميباشد. نتايج چگالي نمونهي 720 دقيقه در طي فرآيند نام برده، نشان ميدهد که مقدار آن از g/cm 3 67/0 به g/cm 3 73/1 افزايش داشته است. همچنين ميتوان از تصاويرميکروسکوپي HRTEM چنين استدلال نمود که بخش عمدهاي از رشتههاي دروني MWCNT درهم تنيده شده بدون تغيير باقي مانده است و تنها بخشهاي سطحي آن رشتهها دراثر جوانهزني و رشد کربنپيروليتي تخريب ميگردد. در نتيجه با استناد به حضور سه ساختار کربني مختلف در نمونه، ميتوان اين کامپوزيت را به عنوان يک کامپوزيت سهتايي CF/MWCNT/PyC معرفي نمود. به علاوه نتايج اين تحقيق در مقايسه با تحقيقات قبلي به خوبي نشان داده شد که ايجاد رشتههاي MWCNT در دماي ?700 ميتواند، بيش از% 84 از زمان کل ساخت کامپوزيت CF/C را طي فرآيند CVI در دماي ?1050 کاهش دهد. کلمات کليدي : نمدکربني، کاتاليزور نيکل، فرآيند CVI، نانو لولههاي کربني چند ديواره (MWCNT)، کامپوزيتCF/MWCNT، کربن پيروليتي (PyC)، کامپوزيت CF/MWCNT/PyC