Skip to main content
SUPERVISOR
MohammadReza Toroghinejad
محمدرضا طرقی نژاد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Bahram Rahnama
بهرام رهنمافلاورجانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

The investigation of microstructure and mechanical properties of Cu-CNT composite fabricated by accumulative roll bonding process
Due to the excellent properties of carbon nanotubes (CNT) such as their high tensile strength, low density, good electrical and thermal conductivity, they are an ideal reinforcement material for metal matrixes. One major aim of this study was hence to fabricate the CNT reinforced Cu matrix (CNT/Cu) composites by accumulative roll bonding (ARB). Prior to the application of ARB processing, the behavior of CNTs at the interface, and also the effect of the degree of thickness reduction and CNT content on the bond strength were evaluated by the peeling test. The microstructure and mechanical properties of the obtained composites were also studied. Microstructural investigations were performed by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The microstructural parameters such as microstrain and sub-grain size were calculated using the Rietveld method. Uniaxial tensile and hardness tests were conducted to evaluate the mechanical properties of the composites. The results of the peeling test demonstrated that the bond strength increase by increasing the thickness reduction and decreasing the CNT content between the strips. With increase in the number of ARB cycles, a better distribution of CNTs was obtained in the copper matrix and also the bonding between CNTs and matrix improved. The results indicate that the average sub-grain size of the pure Cu and composite reduced from 97.1 and 90.7 nm (after the first cycle) to 82.7 and 66.9 nm (after the fifth cycle), respectively. With increasing the number of ARB cycles, the tensile strength and hardness of the ARB -processed pure Cu and Cu-0.5vol.% CNT composite showed a great improvement but their elongation decreased at first step and then increased at second step. The tensile strength of pure Cu and Cu-0.5vol.% CNT composite increased from 221.9 MPa (for the annealed sample) to 496.6 and 581.5 MPa (for five cycle ARB-processed sample), respectively. In addition, by increasing the volume fraction of CNTs, the tensile strength and hardness increased and then decreased. The SEM fractographic investigations revealed that the fracture mode after the first cycle for pure Cu and composite are combination of ductile and shear ductile fracture. However, with increasing the number of ARB cycles, the dimple size and the dimple depth decreased. Keywords: CNT/Cu composite, Accumulative roll bonding, Microstructure, Mechanical properties.
خواص منحصربه‌فرد نانولوله های کربنی ازجمله استحکام کششی بالا، چگالی کم و هدایت الکتریکی و حرارتی عالی، باعث شده است که این مواد گزینه ی خوبی به‌عنوان فاز تقویت کننده در تولید کامپوزیت های زمینه فلزی باشند. هدف از انجام پژوهش حاضر، تولید کامپوزیت مس-نانولوله کربنی توسط فرایند نورد تجمعی و نیز بررسی ریزساختار و خواص مکانیکی آن بوده است. ابتدا استحکام پیوند بین ورق ها و پارامتر?های مهم تاثیرگذار روی آن، مانند مقدار کاهش ضخامت و مقدار ذرات، مورد ارزیابی قرار گرفت. برای این منظور، ورق های مسی که بین آن ها مقادیر مختلف نانولوله کربنی توزیع شده بود، در کاهش ضخامت های مختلف نورد شدند و سپس نیروی لایه کنی و استحکام پیوند ورق ها توسط آزمون لایه کنی دولایه به دست آمد. در ادامه، کامپوزیت های مس-نانولوله hy;کربنی با مقادیر مختلف ذرات تقویت کننده، به کمک فرایند نورد تجمعی چهارلایه در دمای محیط تولید شدند. بررسی های ریزساختاری توسط میکروسکوپ های نوری، الکترونی روبشی و الکترونی روبشی گسیل میدانی انجام شد. پارامتر های ریزساختاری نمونه ها، مانند میکروکرنش و اندازه ی دانه فرعی نیز با ارزیابی داده های پراش پرتوایکس و به کارگیری روش ریت ولد محاسبه شدند. به‌منظور ارزیابی خواص مکانیکی، از آزمون های کشش تک محوری و سختی سنجی استفاده گردید. نتایج آزمون لایه کنی نشان داد که با افزایش مقدار ذرات نانولوله کربنی، میزان تغییر شکل آستانه‌ای افزایش می یابد. همچنین با افزایش مقدار کاهش ضخامت و نیز کاهش مقدار ذرات نانولوله?کربنی، نیروی لایه کنی میانگین و استحکام پیوند ورق ها افزایش می یابد. مشاهده ریزساختار به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی، نشان داد که با افزایش تعداد سیکل نورد تجمعی، توزیع ذرات درون زمینه یکنواخت تر می شود و پیوند بین نانولوله های کربنی و زمینه بهبود می یابد. متوسط اندازه دانه ی فرعی برای نمونه های مس خالص و کامپوزیت به ترتیب از 1/97 و nm 7/90 بعد از سیکل اول به 7/82 و nm 9/66 بعد از سیکل پنجم کاهش یافت. نتایج مربوط به آزمون های مکانیکی حاکی از آن بود که با افزایش تعداد سیکل، استحکام کششی به‌طور مداوم افزایش می یابد به‌طوری‌که پس از سیکل پنجم، استحکام کششی مس خالص و کامپوزیت 5/0 درصد حجمی، از MPa 9/221 (برای نمونه ی اولیه) به ترتیب به 6/496 و MPa 5/581 (بعد از سیکل پنجم) می رسد. همچنین با افزایش مقدار نانولوله کربنی تا 5/0 درصد حجمی، استحکام کششی نمونه ی نهایی افزایش و سپس کاهش یافت به‌طوری‌که بیشترین و کمترین مقدار استحکام کششی به ترتیب مربوط به کامپوزیت 5/0 و 1 درصد حجمی بود. پس از مرحله ی اول فرایند نورد تجمعی (سیکل دوم)، مقدار ازدیاد طول نمونه ها افت کرد ولی مرحله ی دوم (سیکل سوم، چهارم و پنجم) منجر به بهبود ازدیاد طول نمونه ها شد. همچنین بعد از سیکل اول نورد تجمعی، افزایش قابل‌توجهی در مقادیر سختی تمامی نمونه ها مشاهده شد ولی با ادامه ی فرایند، تغییرات چندان زیادی در سختی نمونه ها صورت نگرفت. سطح شکست میکروسکوپی نمونه ی اولیه شامل حفرات عمیق و هم‌محور بود که نشان‌دهنده‌ی شکست نرم است. با افزایش تعداد سیکل نورد تجمعی، قطر و عمق حفره ها کاهش یافت و حفرات کشیده شده ای روی سطح مشاهده شد که نشان‌دهنده‌ی مکانیزم شکست نرم برشی بود.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی