اثر گرافن بر خواص فشاری نانوکامپوزیت مس-گرافن

گرافن یکی از مواد کریستالی دو بعدی است که در سال های اخیر شناسایی و تحلیل شده است. این ماده جدید ویژگی های منحصر به فرد زیادی دارد از جمله استحکام، هدایت حرارتی و الکتریکی بسیار بالا می باشد. از گرافن بعنوان ماده ای برای افزایش استحكام، سختی، هدایت الكتریكی و نیز هدایت حرارتی در نانو كامپوزیت های مس استفاده می شود. در این پژوهش از گرافن بعنوان فاز تقویت کننده در نانو کامپوزیت مس/گرافن جهت بهبود خواص مکانیکی استفاده شده است.

در این پروژه برای تهیه نانو کامپوزیت مس/گرافن از روش آلیاژسازی مكانیكی استفاده شده است که متغییرهای موجود در این پروژه شامل درصد گرافن، زمان آسیاب كاری، دمای زینتر و فشار پرس می باشد كه برای جلوگیری از انجام آزمون‏های تکراری از طراحی آزمون به روش تاگوچی استفاده شد تا تعداد آزمون‏های لازم برای رسیدن به جواب بهینه مشخص گردد. برای ساخت نمونه های مناسب از پودر، از روش فشرده سازی گرم تا دمای دمای ℃ 500 استفاده شده است و بعد از آن نمونه ها در کوره زینتر شدند. نتایج آزمایش ها حاکی از افزایش استحکام و سختی  با  افزایش درصد  گرافن  تا  میزان  5/0 درصد وزنی می باشد و بیشترین مقدار سختی و استحکام فشاری برای نمونه حاوی 5/0 درصد وزنی گرافن، 15 ساعت آسیاب کاری، فشار Mpa600 و دمای ℃ 700 می باشد.

واژه های کلیدی : نانوکامپوزیت مس/گرافن- آلیاژسازی مکانیکی- استحکام فشاری.

فهرست مطالب

چکیده 1

فصل اول : کلیات پژوهش

1-1- مقدمه 3

فصل دوم : مروری بر منابع تحقیقاتی

2-1- مشخصات مس 6

2-2- پنج روش اساسی برای تولید پودر مس وجود دارد كه عبارتند از. 7

2-2-1- رسوب الكترولیتی پودر مس.. 7

2-2-2- احیای گازی اكسید مس.. 8

2-2-3- اتمیزه كردن. 9

2-2-4- رسوب پودر مس از محلول سولفات مس با آهن. 10

2-3- تاریخچه گرافن. 10

2-4- معرفی گرافن. 11

2-5- روند تحقیقات انجام شده برروی گرافن. 13

2-6- خواص گرافن. 14

2-6-1- چگالی. 14

2-6-2- رسانایی گرمایی. 14

2-6-3- رسانایی الکتریکی. 14

2-6-4- مساحت سطحی ویژه 14

2-6-5- مقاومت مکانیکی. 14

2-6-6- مدول یانگ... 15

2-6-7- مقامت در برابر شكست.. 15

2-7- كاربرد های گرافن. 15

2-8- روش های تولید گرافن. 16

2-8-1- روش‌ پوسته پوسته کردن میکرومکانیکی. 18

2-8-2- روش رشد همبافته 19

2-8-3- روش رسوب نشانی بخار شیمیایی (CVD) 20

2-8-4- روش تهیه گرافن از اکسید گرافیت.. 21

2-9- نانوكامپوزیت ها 22

2-10- آلیاژسازی مكانیكی. 22

2-11- انواع فرایند های آلیاژسازی مكانیكی. 23

2-11-1- آسیاب كاری مکانیکی (سایش مكانیكی) 23

2-11-2- آسیاب كاری واكنشی (مكانوشیمیایی) 23

2-11-3- آسیاب كاری تبریدی. 23

2-12- انواع آسیاب های مورد استفاده در آلیاژسازی مكانیكی. 24

2-12-1-آسیاب گلوله ای سیاره ای. 24

2-21-2- آسیاب های گلوله ای ارتعاشی. 24

2-12-3- آسیاب های گلوله ای غلتشی. 25

2-12-4- آسیاب های گلوله ای شافتی. 26

2-12-5- آسیاب های گلوله ای  مغناطیسی. 26

2-13- برخی از مهمترین كاربردهای روش آلیاژسازی مکانیکی. 27

2-14- متغییرهای فرآیند روش آلیاژسازی مکانیکی. 27

2-14-1- نوع آسیاب.. 27

2-14-2- زمان آسیاب كاری. 28

2-14-3-  نسبت وزنی گلوله به پودر. 28

2-14-4- میزان پر شدن محفظه آسیاب.. 28

2-14-5- اتمسفر درون محفظه آسیاب.. 29

2-14-6- درجه حرارت.. 29

2-14-7- جنس، اندازه و توزیع اندازه گلوله های آسیاب.. 29

2-15- مبانی فرآیند آلیاژسازی مكانیكی. 30

2-15-1- مخلوط شدن ذرات پودر مواد اولیه 31

2-15-2- افزایش قابل ملاحظه نواقص كریستالی. 31

2-15-3- انتقال جرم بین ذرات پودر. 33

2-16- تحقیقات انجام شده بر کامپوزیت های تقویت شده با گرافن. 33

2-16-1- نانو کامپوزیت آلومینیوم/گرافن. 33

2-16-2- نانو کامپوزیت مس/گرافن و نیکل/گرافن. 35

2-16-3- نانو کامپوزیت اپوکسی/گرافن. 36

فصل سوم : روش تحقیق (مواد و روش کار)

3-1- مواد اولیه 39

3-2- طراحی آزمون به روش تاگوچی. 39

3-3- آلیاژسازی و آسیاب کاری مکانیکی. 41

3-3-1- دستگاه آسیاب.. 41

3-3-2- مراحل آلیاژسازی مکانیکی. 41

3-3-3- قالب.. 42

3-4- آزمایش بررسی و ارزیابی فازی ذرات پودری توسط پراش اشعهX.. 43

3-4-1- محاسبه اندازه دانه و کرنش شبکه 43

3-5- دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی. 44

3-6- دستگاه طیف سنجی رامان 44

3-7- آزمایش اندازه گیری چگالی و درصد تخلخل. 44

3-8- سختی سنجی. 45

3-9- آزمایش استحکام فشاری. 46

فصل چهارم : نتایج

4-1- بررسی مورفولوژی ذرات پودر آسیاب کاری شده 48

4-2- مطالعه پودرهای آسیاب شده با آنالیز پراش اشعه 52

4-2-1- تغییرات فازی در حین آلیاژسازی مکانیکی. 52

4-2-2- اندازه دانه و میکرو کرنش شبکه 54

4-3- طیف سنجی رامان. 56

4-4- بررسی چگالی نمونه ها 57

4-5- بررسی نتایج سختی سنجی. 60

4-6- بررسی نتایج استحکام فشاری. 63

4-7- بررسی سطح شکست نمونه ها توسط. 66

4-8- بررسی نتایج بدست آمده توسط نرم افزار کوآلتک... 68

4-8-1 بررسی نتایج استحکام فشاری. 68

4-8-1-1- تاثیر درصد گرافن بر استحکام فشاری. 68

4-8-1-2- تاثیر زمان آسیاب کاری بر استحکام فشاری. 69

4-8-1-3- تاثیر فشار پرس بر استحکام فشاری. 69

4-8-1-4- تاثیر دمای زینتر بر استحکام فشاری. 70

4-8-1-5- میزان تاثیر پارامتر های چهار گانه بر استحکام فشاری. 71

4-8-1-6- نمونه بهینه پیشنهادی تاگوچی برای استحکام فشاری. 71

4-8-2 بررسی نتایج سختی. 72

4-8-2-1- تاثیر درصد گرافن بر سختی. 72

4-8-2-2- تاثیر زمان آسیاب کاری بر سختی. 72

4-8-2-3- تاثیر فشار پرس بر سختی. 73

4-8-2-4- تاثیر دمای زینتر بر سختی. 74

4-8-2-5- میزان تاثیر پارامتر های چهار گانه بر سختی. 74

4-8-2-6- نمونه بهینه پیشنهادی تاگوچی برای سختی. 75

4-8-3- بررسی نتایج چگالی. 75

4-8-3-1- تاثیر درصد گرافن بر چگالی. 75

4-8-3-2- تاثیر زمان آسیاب کاری بر چگالی. 76

4-8-3-3- تاثیر فشار پرس بر چگالی. 76

4-8-3-4- تاثیر دمای زینتر بر چگالی. 77

4-8-3-5- میزان تاثیر پارامتر های چهار گانه بر چگالی. 77

4-8-3-6- نمونه بهینه پیشنهادی تاگوچی برای چگالی. 78

فصل پنجم : نتیجه گیری

5-1- نتیجه گیری. 80

5-2- پیشنهادها 82

فهرست منابع

منابع. 84

فهرست اشکال

شکل(2-1) : تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از ذره پودر مس الکترولیتی، 2800X. 8

شکل(2-2) : تصویر میکروسکوپی از ذرات مس احیا شده، 525X . 9

شکل (2-3) : تصویر میکروسکوپی از ذرات پودر مس اتمیزه شده، 450X. 9

شکل (2-4) : طول پیوند کربن ـ کربن در گرافن. 11

شكل (2-5) : حالات مختلف كربن : فلورین ها ، نانو لوله های كربنی و گرافیت.. 12

شكل(2-6) : شکافتن نانو لوله‌های کربنی برای تولید نانو نوارهای گرافنی. 16

شکل (2-7) : (الف) تصویر گرافن واقعی(ب) تصویر گرافن ایده آل. 18

شکل(2-8) : تولید گرافن به روش لایه برداری میکرومکانیکی. 18

شكل(2-9) : اولین تصویر میکروسکوپ نوری منتشر شده از گرافن تهیه شده به روش پوسته پوسته کردن میکرومکانیکی  19

شکل (2-10) : (a) مراحل تهیه GO از گرافیت طی فرآیند اکسایش و سپس کاهش. (b) مراحل تهیه گرافن به روش رسوب سازی با بخار (П) و سولووترمال(Ш) 21

شكل (2-11) : آسیاب گلوله ای سیاره ای. 24

شكل (2-12) : آسیاب گلوله ای ارتعاشی. 25

شكل (2-13) : آسیاب گلوله ای غلتشی. 25

شكل (2-14) : آسیاب گلوله ای شافتی. 26

شكل (2-15) : آسیاب گلوله ای مغناطیسی. 27

شكل (2-16) : طرح ساده ای از ذرات پودر حین برخورد گلوله ها. 30

شکل (2- 17) : (a)  تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) از صفحات گرافن که تا خوردن آن صفحات را نشان می دهد.قسمت مشخص شده روی تصویر طرح تفرق سلول شش وجهی یا هگزاگونال گرافن می باشد. (b) آنالیز رامان (Raman) برای صفحات گرافن رسوب یافته برروی قرص های سیلیکونی در پودر بدون استفاده از حلال  35

شکل (2-18) : (a) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از سطح شکست نانوکامپوزیت اپوکسی-گرافن با 3/0 درصد وزنی نانو نوارهای گرافن که نشان دهنده آگلومره شدن و خوشه ای شدن نانو نوارهای گرافن احاطه شده با زمینه می باشد. (b) نمودار استحکام کششی نانوکامپوزیت اپوکسی-گرافن. 37

شکل(3-1) : تصویر آسیاب گلوله ای سایشی. 41

شکل(3-2) : تصویر قالب، المنت و ترمومتر. 42

شکل (4-1) : تصویر مخلوط پودر Cu-0/5wt% Graphene  با بزرگنمایی X500 (الف) : پس از 10 ساعت آسیاب کاری (ب) : پس از 15 ساعت آسیاب کاری (ج) : پس از 20 ساعت آسیاب کاری. 50

شکل (4-2) : تصویر مخلوط پودر Cu-0/5wt% Graphene  با بزرگنمایی X2000 (الف) : پس از 10 ساعت آسیاب کاری (ب) : پس از 15 ساعت آسیاب کاری (ج) : پس از 20 ساعت آسیاب کاری. 55

شکل (4-3) : سطح شکست نمونه های (الف) :4N و (ب) : 6N با ترکیب Cu-0/5wt% Graphene با 10 و 20 ساعت آسیاب کاری و (ج) : 7N با ترکیب Cu-1wt% Graphene  با 10 ساعت آسیاب کاری. 71

فهرست جداول

جدول(2-1) : برخی از مشخصات مس.. 7

جدول(2- 2) : خلاصه ای از روش های سنتز گرافن. 17

جدول (2-3) : سختی نمونه ها بر حسب ویکرز در حالت های پرس گرم و اکسترود شده 34

جدول(3-1) : پارامترهای موجود در تولید نانو کامپوزیت مس-گرافن. 40

جدول(3-2) : مشخصات تولید نانو کامپوزیت مس-گرافن. 40

جدول (4-1) : اندازه دانه و میکرو کرنش نمونه های Cu-0/5wt% Graphene در زمان های15،10و20ساعت آسیاب کاری  59

جدول (4-2) : چگالی و درصد تخلخل نمونه ها قبل از زینتر. 61

جدول (4-3) : چگالی و درصد تخلخل نمونه ها بعد از زینتر. 58

فهرست نمودارها

نمودار (2-1) : (a) مجموع انتشارات جهانی مرتبط با تحقیقات گرافن.(b) مجموع ارجاعات به انتشارات مرتبط با گرافن؛ بر مبنای بانک های اطلاعاتی CAS و .WOS (c) میزان سرمایه گذاری بنیاد ملی علوم آمریکا در زمینه تحقیقات گرافنی  13

نمودار (2-2) : تغییرات ضخامت متوسط لایه های نیكل و نیوبیوم در طی آلیاژسازی مكانیكی مخلوط پودرهای  31

نیكل و نیوبیوم باتركیب  .Ni60Nb40. 31

نمودار (2-3) : روند كاهش اندازه دانه های نیكل در حین آلیاژسازی مكانیكی. 32

نمودار (2-4) : نمودار تفرق اشعه X نمونه های آلومینیوم خالص، آلومینیوم-گرافن و آلومینیوم-نانولوله های كربنی. 34

نمودار (2-5) : (a) استحکام کششی نمونه ها و (b) کرنش شکست نمونه ها. 34

نمودار (2-6) : تاثیر تعداد لایه های گرافن برروی هدایت حرارتی نانوکامپوزیت های مس-گرافن و نیکل گرافن  36

نمودار (4-1) : نمودار تفرق اشعه X نمونه های Cu-0/5wt% Graphene در زمان های10 ، 15 و 20 ساعت        آسیاب کاری. 53

نمودار(4-2) :  منحنی Cos  برحسب Sin  نمونه Cu-0/5wt% Graphene پس از 10 ساعت آسیاب کاری  54

نمودار (4-3) : افزایش اندازه دانه پودر نانو کامپوزیت مس-گرافن با افزایش زمان آسیاب کاری  56

نمودار (4-4) : افزایش کرنش شبکه پودر نانو کامپوزیت مس-گرافن با افزایش زمان آسیاب کاری  56

نمودار (4-5) : آنالیز رامان (Raman) برای ردیابی صفحات گرافن در نانو کامپوزیت                    Cu-1wt% Graphene 57

نمودار (4-6) : مقایسه چگالی عملی نمونه ها (الف) :  قبل از زینتر (ب) : بعد از زینتر. 58

نمودار (4-7) : افزایش درصد تخلخل با افزایش دما  (الف) فشار 400 مگاپاسکال (ب) فشار 500 مگاپاسکال (ج) فشار 600 مگاپاسکال. 63

نمودار (4-8) : نتایج بدست آمده از سختی قبل از زینتر. 61

نمودار (4-9) : مقایسه نتایج سختی قبل از زینتر. 61

نمودار (4-10) : نتایج بدست آمده از سختی بعد از زینتر. 62

نمودار (4-11) : مقایسه نتایج سختی بعد از زینتر. 62

نمودار (4-12) : منحنی تنش – کرنش  نمونه 1N  با Cu-0/2wt% Graphene  و 10N (خالص) با 10 ساعت آسیاب کاری و نمونه 11N (خالص میکرو). 67

نمودار (4-13) : منحنی تنش – کرنش  نمونه ها با Cu-0/2wt% Graphene 68

نمودار (4-14) : منحنی تنش – کرنش  نمونه ها با Cu-0/5wt% Graphene 65

نمودار (4-15) : منحنی تنش – کرنش  نمونه ها با Cu1wt% Graphene 66

نمودار (4-16) : تاثیر درصد گرافن بر استحکام فشاری. 68

نمودار (4-17) : تاثیر زمان آسیاب کاری بر استحکام فشاری. 69

نمودار (4-18) : تاثیر فشار پرس بر استحکام فشاری. 74

نمودار (4-19) : تاثیر دمای زینتر بر استحکام فشاری. 74

نمودار (4-20) : میزان تاثیر پارامتر های چهار گانه بر استحکام فشاری. 75

نمودار (4-21) : تاثیر درصد گرافن بر سختی. 72

نمودار (4-22) : تاثیر زمان آسیاب کاری بر سختی. 73

نمودار (4-23) : تاثیر فشار پرس بر سختی. 77

نمودار (4-24) : تاثیر دمای زینتر بر سختی. 78

نمودار (4-25) : میزان تاثیر پارامتر های چهار گانه بر سختی. 74

نمودار (4-26) : تاثیر درصد گرافن بر چگالی. 79

نمودار (4-27) : تاثیر زمان آسیاب کاری بر چگالی. 76

نمودار (4-28) : تاثیر فشار پرس بر چگالی. 76

نمودار (4-29) : تاثیر دمای زینتر بر چگالی. 77

نمودار (4-30) : میزان تاثیر پارامتر های چهار گانه بر چگالی. 81