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

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.
چکيده خواص منحصربه‌فرد نانولوله هاي کربني ازجمله استحکام کششي بالا، چگالي کم و هدايت الکتريکي و حرارتي عالي، باعث شده است که اين مواد گزينه ي خوبي به‌عنوان فاز تقويت کننده در توليد کامپوزيت هاي زمينه فلزي باشند. هدف از انجام پژوهش حاضر، توليد کامپوزيت مس-نانولوله کربني توسط فرايند نورد تجمعي و نيز بررسي ريزساختار و خواص مکانيکي آن بوده است. ابتدا استحکام پيوند بين ورق ها و پارامتر?هاي مهم تاثيرگذار روي آن، مانند مقدار کاهش ضخامت و مقدار ذرات، مورد ارزيابي قرار گرفت. براي اين منظور، ورق هاي مسي که بين آن ها مقادير مختلف نانولوله کربني توزيع شده بود، در کاهش ضخامت هاي مختلف نورد شدند و سپس نيروي لايه کني و استحکام پيوند ورق ها توسط آزمون لايه کني دولايه به دست آمد. در ادامه، کامپوزيت هاي مس-نانولوله hy;کربني با مقادير مختلف ذرات تقويت کننده، به کمک فرايند نورد تجمعي چهارلايه در دماي محيط توليد شدند. بررسي هاي ريزساختاري توسط ميکروسکوپ هاي نوري، الکتروني روبشي و الکتروني روبشي گسيل ميداني انجام شد. پارامتر هاي ريزساختاري نمونه ها، مانند ميکروکرنش و اندازه ي دانه فرعي نيز با ارزيابي داده هاي پراش پرتوايکس و به کارگيري روش ريت ولد محاسبه شدند. به‌منظور ارزيابي خواص مکانيکي، از آزمون هاي کشش تک محوري و سختي سنجي استفاده گرديد. نتايج آزمون لايه کني نشان داد که با افزايش مقدار ذرات نانولوله کربني، ميزان تغيير شکل آستانه‌اي افزايش مي يابد. همچنين با افزايش مقدار کاهش ضخامت و نيز کاهش مقدار ذرات نانولوله?کربني، نيروي لايه کني ميانگين و استحکام پيوند ورق ها افزايش مي يابد. مشاهده ريزساختار به کمک ميکروسکوپ الکتروني روبشي گسيل ميداني، نشان داد که با افزايش تعداد سيکل نورد تجمعي، توزيع ذرات درون زمينه يکنواخت تر مي شود و پيوند بين نانولوله هاي کربني و زمينه بهبود مي يابد. متوسط اندازه دانه ي فرعي براي نمونه هاي مس خالص و کامپوزيت به ترتيب از 1/97 و nm 7/90 بعد از سيکل اول به 7/82 و nm 9/66 بعد از سيکل پنجم کاهش يافت. نتايج مربوط به آزمون هاي مکانيکي حاکي از آن بود که با افزايش تعداد سيکل، استحکام کششي به‌طور مداوم افزايش مي يابد به‌طوري‌که پس از سيکل پنجم، استحکام کششي مس خالص و کامپوزيت 5/0 درصد حجمي، از MPa 9/221 (براي نمونه ي اوليه) به ترتيب به 6/496 و MPa 5/581 (بعد از سيکل پنجم) مي رسد. همچنين با افزايش مقدار نانولوله کربني تا 5/0 درصد حجمي، استحکام کششي نمونه ي نهايي افزايش و سپس کاهش يافت به‌طوري‌که بيشترين و کمترين مقدار استحکام کششي به ترتيب مربوط به کامپوزيت 5/0 و 1 درصد حجمي بود. پس از مرحله ي اول فرايند نورد تجمعي (سيکل دوم)، مقدار ازدياد طول نمونه ها افت کرد ولي مرحله ي دوم (سيکل سوم، چهارم و پنجم) منجر به بهبود ازدياد طول نمونه ها شد. همچنين بعد از سيکل اول نورد تجمعي، افزايش قابل‌توجهي در مقادير سختي تمامي نمونه ها مشاهده شد ولي با ادامه ي فرايند، تغييرات چندان زيادي در سختي نمونه ها صورت نگرفت. سطح شکست ميکروسکوپي نمونه ي اوليه شامل حفرات عميق و هم‌محور بود که نشان‌دهنده‌ي شکست نرم است. با افزايش تعداد سيکل نورد تجمعي، قطر و عمق حفره ها کاهش يافت و حفرات کشيده شده اي روي سطح مشاهده شد که نشان‌دهنده‌ي مکانيزم شکست نرم برشي بود.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی