Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Hossei Enayati,Mohammad Hassan Abbasi,Fatallah Karimzadeh
محمدحسين عنايتي (استاد راهنما) محمدحسن عباسي (استاد راهنما) فتح اله کريم زاده (استاد مشاور)
 
STUDENT
Majid Jafari Bahramabadi
مجيد جعفري بهرام آبادي

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1385

TITLE

Preparation and Characterization of Bulk Al2024 Nanocomposites Reinforced by Carbon Nanotubes
In this study, nanocomposites of Al2024 alloy reinforced by multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs) were produced and optimized using mechanical milling and hot pressing method. Nanostructured Al2024 alloy was synthesized through mechanical milling of the alloy chips after 30h. Morphological and structural changes of Al2024 were examined during mechanical milling using Scanning Electron Microscopy (SEM) observations and X-ray Diffraction (XRD) analysis. Moreover, thermal stability and structural changes of nanostructured Al2024 were evaluated via isothermal heat treatment at various temperatures for different times. MWCNTs with 0-3 volume percents were added to 30h-milled Al2024 powder particles. Differential Thermal Analysis (DTA) was conducted on nanocomposite powders containing 3vol% of MWCNTs. Mechanical milling of nanocomposite powders for 4h, hot pressing at 500?C and 250MPa for 0.5h were selected as optimized parameters for bulk nanocomposite preparation. In order to probe the effect of hot pressing on structural changes, XRD analysis was done on nanocomposite samples before and after consolidation. Variation of relative density of consolidated samples versus MWCNTs volume percent was measured using Archimedes technique. Hardness and compression tests were applied on bulk samples in order to evaluate their mechanical properties. Wear behavior of nanocomposites were characterized using pin-on-disk test method, as well. Mechanical milling applied on Al2024 chips for 30h resulted in particle size reduction from 500µm to 10µm so that equiaxed morphology was achieved for powder particles. Al grain size and lattice strain decreases and increases to 30nm and 0.45%, respectively. Investigation of grain growth kinetics showed that nanostructured Al2024 had high thermal stability so that Al grain size remained in nanosized scale (about 70 nm) even after heating at 550?C for 3h. DTA analysis showed an endothermic peak at ~632?C due to Al2024 melting and an exothermic peak at 632-658?C related to Al and MWCNTs reaction and consequently Al 4 C 3 formation. With MWNTs addition up to 2vol%, relative density remained at 98%, and hardness value increased to 245HV. Ultimate compressive strength of nanocomposites found a maximum value of 814MPa at 2%vol MWCNTs addition which were 365%, 53% and 15% higher than that for Al2024-O (coarse grained Al2024 in annealed condition), Al2024-T6 (coarse grained Al2024 in artificially aged condition through T6 temper) and nanostructured Al2024. Furthermore, Young’s modulus value was increased from 74GPa for nanostructured Al2024 to 94GPa at 2 volume percent of MWCNTs. Keywords Al2024-carbon nanotube nanocomposites, Mechanical milling, Hot pressing, Mechanical properties, Wear behavior
چکيده در اين پژوهش نانوکامپوزيت هاي آلياژ Al2024 تقويت شده با نانولوله هاي کربني چندديواره با روش آسياب کاري مکانيکي و پرس داغ توليد و بهينه سازي شدند. آلياژ Al2024 نانوساختار پس از 30 ساعت آسياب کاري مکانيکي توليد شده و تغييرات مورفولوژيکي و ساختاري آن در حين آسياب کاري با استفاده از مشاهدات ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) و آناليز پراش پرتوي ايکس (XRD) ارزيابي شد. همچنين تغييرات ساختاري و پايداري حرارتي پودرهاي نانوساختار Al2024 با انجام سيکل هاي عمليات حرارتي همدما در دماها و زمان هاي مختلف بررسي شد. نانولوله هاي کربني با مقادير 3-0 درصدحجمي با پودرهاي آلياژي Al2024 مخلوط شده و نمونه ي حاوي 3 درصدحجمي نانولوله ي کربني تحت آناليز حرارتي ديفرانسيلي (DTA) قرار گرفت. آسياب کاري مکانيکي پودرهاي نانوکامپوزيتي به مدت 4 ساعت، پرس داغ در دماي C?500، فشار MPa250 و زمان 5/0 ساعت به عنوان پارامترهاي بهينه ي توليد نانوکامپوزيت ها انتخاب شدند. به منظور بررسي اثر فرايند پرس داغ بر روي تغييرات ساختاري، آزمون پراش پرتوي ايکس بر روي نمونه هاي نانوکامپوزيتي، قبل و بعد از فرايند پرس داغ انجام شد. با استفاده از روش ارشميدس تغييرات چگالي نسبي نانوکامپوزيت ها برحسب درصد حجمي نانولوله ها بدست آمد. از آزمون هاي سختي سنجي و فشار جهت بررسي خواص مکانيکي نانوکامپوزيت ها استفاده شد. خواص سايشي نانوکامپوزيت ها (نظير نرخ سايش، ضرايب اصطکاک و مکانيزم هاي سايش) نيز با استفاده از آزمون سايش پين-ديسک در شرايط غيرروغنکار بررسي شد. در اثر انجام آسياب کاري مکانيکي بر روي براده هاي آلياژ Al2024 به مدت 30 ساعت، اندازه ذرات آلياژ Al2024 از حدود µm500 به µm10 کاهش يافته و مورفولوژي ذرات نيز اغلب بصورت هم محور درآمد. اندازه دانه هاي آلومينيوم نيز به nm30~ کاهش يافته و کرنش شبکه به حدود 45/0% افزايش يافت. بررسي سينتيک رشد دانه هاي آلومينيوم در آلياژ Al2024 نانوساختار، پايداري حرارتي بالاي اين آلياژ را نشان داد به نحوي که پس از عمليات حرارتي در دماي C?550 به مدت 3 ساعت، اندازه دانه هاي آلومينيوم همچنان درمقياس نانومتري (nm70~) باقي ماند. نتايج آناليز حرارتي انجام شده بر روي پودرهاي نانوکامپوزيتي حاوي 3 درصدحجمي نانولوله ي کربني، حضور يک پيک گرماگير در حدود دماي C?632 ناشي از ذوب شدن زمينه ي آلياژي و يک پيک گرمازا در محدوده ي دمايي C?658-632 مربوط به واکنش بين زمينه ي آلومينيوم با نانولوله هاي کربني و تشکيل فاز کاربيدآلومينيوم را نشان داد. با افزودن 2 درصدحجمي نانولوله ي کربني، چگالي نسبي کامپوزيت ها در مقدار 98%~ ثابت باقي مانده و مقدار سختي از حدود HV210 براي آلياژ نانوساختار عاري از نانولوله hy;ي کربني به HV245 افزايش يافت. استحکام فشاري نانوکامپوزيت ها در 2 درصدحجمي نانولوله ي کربني، به بيشينه ي خود يعني MPa814 رسيد که به ترتيب 365%، 53% و 15% بيشتر از آلياژهاي Al2024 در شرايط آنيل (Al2024-O)، پيرسازي شده ي مصنوعي (Al2024-T6) و Al2024 نانوساختار مي باشد. همچنين،

ارتقاء امنیت وب با وف بومی