SUPERVISOR
MohammadReza Toroghinejad,Mahmood Meratian isfahani
محمدرضا طرقي نژاد (استاد راهنما) محمود مراتيان اصفهاني (استاد راهنما)
STUDENT
HASAN ZARE
حسن زارع
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387
TITLE
Production and Evaluation of Carbon Nanotube Reinforced Aluminum Matrix Composite via Equal Channel Angular Pressing) ECAP)
Equal channel angular pressing (ECAP) process is one of the most important methods for powder densification due to the presence of shear strain. In this research, fabrication, mechanical and physical properties of Al-CNT composite produced with the ECAP method was investigated. Carbon nanotubes (CNTs) are expected to be ideal reinforcements of composite materials used in aircraft and sports industries due to their high modulus and low density. Carbon nanotubes (CNTs) have high elastic modulus and high tensile strength, typically Young’s modulus of 1 TPa and tensile strength of 30 GPa . However, it is difficult to take advantage of these mechanical properties in practice due to their poor formability.The best way of application may be to use CNTs as the reinforcement in metallic materials. In fact, there have been several attempts to produce Al/CNTs composites using processes such as hot extrusion , hot press, plasma spray and ball-milling. However, all of these attempts required heating to attain dense packing so that a reaction of CNTs with the Al matrix inevitably occurred and thus aluminum carbides (Al4C3) were unintentionally produced. Since carbides are brittle, cracks are likely to be initiated when the composite is deformed The non agglomerated CNTs were distributed homogenously with 2% consolidation in the Aluminum matrix. The ECAP process was performed o the both monolithic and composite samples for 8 passes. Scanning electron microscopy was utilized to investigate the size of porosities and the distributed CNTs in the powder Aluminum matrix. Transmission electron microscopy was utilized for more detailed investigation of sample microstructure after 8 passes. Relative Density differences of samples were obtained by the use of Archimedes methods. Hardness, pressure and shear punch tests were done to evaluate mechanical properties. The fracture surfaces of shear punched samples were studied by the scanning electron microscopy. In Aluminum samples, both ductile and brittle fracture were observed, but the brittle fracture was the only kind in the composite samples. MAUD software and Riet-Veld were used to analyze the XRD patterns and calculate the minor grains size, micro strain and dislocations density of monolithic and composite samples. In the composite samples, the grain size was reduced to 300nm and dislocations density was increased due to 8 passes of ECAP process. Transmission electron microscopy images showed that increasing the numbers of passes contributed to decrease of porosities and change of porosities shape from oval (elliptic) to spherical. By 2% consolidation addition of CNTs, relative density of composite samples was reduced from 99% to 98% in the eighth pass. In addition, hardness of composite sample was improved from 68HV to 82HV. Pressure strength of nano composite with the 2% consolidation CNTS in the eighth pass was reached to its maximum amount of 260MPa which was 20% more than aluminum samples in the same condition. Also, the amount of reduction for cross-sectional area from 23% in the aluminum sample was decreased to 17% in the composite sample. Furthermore, yang module was increased from 74GPa to 94GPa for the monolithic sample. Keywords: Equal channel angular pressing, Nano tubes, Ball mill attrition, Ultrasonic, Strength pressure, Dislocation density, Reduction of area.
چکيده روش ECAP يکي از مورد توجه ترين روش ها براي چگالش پودرها مي باشد. علت به اين موضوع بر مي گردد که در چگالش پودر به روش مکانيکي حضور کرنش هاي برشي اهميت فراواني دارد. در اين پژوهش از فرايند پرس کردن در دو کانال هم مقطع زاويه دار (ECAP) براي ساخت کامپوزيت آلومينيوم-نانولولههايکربني استفاده گرديد. نانو لوله هاي کربني با استفاده از روش آسياب کاري گلوله اي شافتي و آلتراسونيک به صورت يکنواخت و غير آگلومره به ميزان 2% حجمي در زمينه آلومينيوم توزيع شد. فرايندECAP تا 8 پاس بر روي دو نمونه پودر آلومينيومي و کامپوزيت انجام شد. براي بررسي نحوه توزيع نانو لوله هاي کربني در زمينه پودر آلومينيوم و همچنين بررسي ميزان و اندازه خلل و فرج در نمونه ها از ميکروسکوپ الکتروني روبشي استفاده شد. براي بررسي دقيقتر ريزساختار ماده پس از انجام 8 پاس ECAP بر روي نمونه کامپوزيتي از تصاوير ميکروسکوب الکتروني عبوري استفاده شد. با استفاده از روش ارشميدس تغييرات چگالي نسبي نمونههاي آلومينيومي و کامپوزيتي در پاسهاي مختلف بدست آمد. براي بررسي خواص مکانيکي نمونهها آزمون سختي ، فشار و سنبه برشي در پاسهاي مختلف انجام شد. سطح شکست نمونههاي سنبه برشي توسط ميکروسکوپ الکتروني روبشي مورد بررسي قرار گرفت. شکست در نمونههاي آلومينيوم به صورت ترد و در بعضي نقاط نرم و در نمونه کامپوزيتي به صورت کاملاً ترد اتفاق افتاد. الگوهاي پراش پرتو ايکس مربوط به نمونههاي آلومينيومي و کامپوزيتي درپاسهاي مختلف فرايند ECAP توسط روش ريت-ولد به وسيله نرم افزار MAUD تحليل شد. با استفاده از اين نرم افزار اندازه دانه فرعي نمونههاي آلومينيومي و کامپوزيتي، ميکروکرنش و دانسيته نابجاييها در پاس هاي مختلف فرايند، بدست آمد.در اثر انجام فرايند ECAP بعد از هشت پاس در نمونه کامپوزيتي اندازه دانه به حدودnm 300 کاهش يافته و دانسيته نابجاييها افزايش يافت. بررسي ميکروسکوپ الکترون عبوري نشان داد که با افزايش تعداد پاس ميزان حفره کم شده است و شکل حفرهها از حالت کشيده ( بيضي شکل با گوشه هاي تيز) در روش ECAP به شکل کروي و ريز در مي آيد. با افزودن 2 درصدحجمي نانولولهيکربني، چگالي نسبي نمونه کامپوزيتي در پاس هشتم نسبت به نمونه آلومينيوم از 99% به 98% کاهش يافت. مقدار سختي از حدود HV68 براي نمونه آلومينيومي به HV82 در نمونه کامپوزيتي افزايش يافت. استحکام فشاري نانوکامپوزيتها در 2 درصدحجمي نانولوله هايکربني، در پاس هشتم به بيشينهي خود يعني MPa260 رسيد که 20% بيشتر از نمونه آلومينيومي در پاس هشتم ميباشد. ميزان کاهش در سطح مفطع در نمونه آلومينيومي در پاس هشتم از 23% به 17% در نمونه کامپوزيتي کاهش يافت . همچنين، مقادير مدول يانگ در اين درصدحجمي از GPa74 براي نمونه آلومينيومي به GPa 94افزايش يافت. کلمات کليدي : پرس کردن در دو کانال هم مقطع زاويه دار، نانولوله کربني، آسيابکاريگلولهايشافتي، آلتراسونيک، استحکام فشاري، دانسيته نابجايي، مدول يانگ، کاهش در سطح مقطع