عنوان

بررسی ساخت، ریزساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت کربن- نانوالیاف کربن

شماره

پ۲۵۳۳۸

زبان متن نوشتاري يا گفتاري و مانند آن

per

عنوان اصلي

بررسی ساخت، ریزساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت کربن- نانوالیاف کربن

نام نخستين پديدآور

مهدی ولی نژاد قناتی

نام ناشر، پخش کننده و غيره

مکانیک

تاریخ نشرو بخش و غیره

۱۴۰۰

نام خاص و کميت اثر

۱۲۹ص.

مواد همراه اثر

سی دی

جزئيات پايان نامه و نوع درجه آن

دکتری

نظم درجات

مهندسی مواد و متالورژی

زمان اعطا مدرک

۱۴۰۰/۰۲/۲۲

متن يادداشت

چکیده: در پژوهش حاضر، نانوکامپوزیت کربنی تقویت شده با نانوالیاف کربنی ساخته شده و سپس ریزساختار و خواص مکانیکی آن بررسی می شود. نانوالیاف کربنی مورد استفاده، توسط روش الکتروریسی فاز مایع (محلول PAN/DMF) سنتز و سپس با استفاده از روش اکسیداسیون شیمیایی تر (اکسیداسیون با محلول اسیدی H2SO4+HNO3+HCl) عامل دار شد. در مرحله ساخت نانوکامپوزیت، مخلوطی از پیش ماده زمینه (رزین نوالاک که غنی از کربن است)، فاز تقویت کننده (نانوالیاف کربن) و عامل سخت کننده (هگزامین) توسط امواج التراسونیک بطور یکنواخت در الکل ایزوپروپونال حل شده و بعد از فیلتراسیون، در دمای ˚C200 تحت نیروی kN 60 پخته می شود. نمونه حاصل، نانوکامپوزیت زمینه پلیمری (زرین نوالاک) است. برای تبدیل زمینه نوالاک کامپوزیت به زمینه کربنی از روش پیرولیز در کوره لوله ای تحت اتمسفر گاز خنثی (آرگون) استفاده شد. بررسی تاثیر پارامترهای الکتروریسی (ولتاژ و غلظت محلول الکتروریسی) و دمای کربونیزاسیون بر خصوصیات نانوالیاف کربنی و همچنین تاثیر نرخ گرمایش فرایند پیرولیز (˚C/min20-5) و غلظت نانوالیاف کربنی (%wt. 4-1) بر خصوصیات کامپوزیت کربن-کربن با استفاده روش های مختلف آنالیز از جمله میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ FE-SEM،CHNS/O ،BET ، XRD،Raman ،FT-IR ، سختی سنجی، تست سایش و آزمون کشش انجام شد. در مرحله سنتز نانوالیاف کربنی، با توجه به مورفولورژی و خواص ریزساختاری مطلوب، ولتاژهای kV 16-14 و محدوده غلظت %wt. 10-6 به عنوان ولتاژ و غلظت بهینه محلول الکتروریسی ثبت شد. بیشترین خواص استحکامی نیز برای نانوالیاف کربونیزه شده تا دماهای ˚C1400-1200 حاصل شد (استحکام کششی در محدوده MPa 241-224 و مدول یانگ در محدوده MPa 6540-6324). در مرحله دوم (مرحله ساخت نانوکامپوزیت کربنی)، مطالعه نتایج نشان داد که در مقایسه با نرخ گرمایش های ˚C/min20-15، نرخ گرمایش های ˚C/min5 و ˚C/min10 منجر به تولید نانوکامپوزیت کربنی کم تخلخل (Vpore=0.09-0.15 cm3.g-1)با غلظت بالای کربن (%wt. 6/93-5/92)، درجه بالای نظم بلوری، استحکام کششی بالا (MPa 36/457-57/448) و سختی زیاد (Hv 67/173-67/156) می شود. بنابراین محدوده ˚C/min10-5 به عنوان محدوده بهینه نرخ گرمایش تشخیص داده شد. در نهایت، تاثیر مقدار نسبی فاز تقویت کننده (نانوالیاف سنتز شده و عامل دار شده در شرایط بهینه فرایندهای ساخت) بر خواص مکانیکی نانوکامپوزیت پیرولیز شده با یک نرخ گرمایش انتخابی بهینه (°C/min10) بررسی و مقدار %wt 3 به عنوان غلظت بهینه نانوالیاف در نانوکامپوزیت تشخیص داده شد. برای نانوکامپوزیت کربنی تقویت شده با %wt. 3 نانوالیاف کربنی، استحکام کششی MPa 76/542، ضریب اصطکاک 28/0 و سختی Hv 194 ثبت شد.

متن يادداشت

Abstract The aim of the present study is production of carbon nanofibers (CNFs) reinforced carbon nanocomposite. The used CNFs was synthesized by the liquid phase electrospinning method followed by functionalization via wet chemical oxidation method (oxidation with acidic solution H2SO4+HNO3+HCl). In order to produce of the nanocomposite, the mixture of novalak resin (the precursor of matrix), CNFs (reinforcing agent) and hexamine (hardening agent) are firstly cured at 200 ˚C under the load of 60 kN. The produced sample was a polymeric nanocomposite (Novalak matrix composite). Pyrolysis method was used in order to convert the Novalac matrix to the carbon matrix. At the next step, the effect of electrospinning parameters (voltage and concentration of electrospinning solution) and carbonization temperature on the CNFs properties were investigated using various methods such as optical microscopy, FE-SEM, CHNS/O, BET, XRD, Raman, FT-IR, hardness, wear and tensile test. The effect of pyrolysis heating rate (5-20 ˚C/min) and CNFs concentration (1-4% wt.) on the nanocomposite structural and mechanical properties were also studied. In the case of CNFs produced via electrospinning, voltages of 14-16 kV and concentrations of 6-10 % wt. were recorded as the optimal voltage and concentration of the electrospinning solution, according to the desired morphology and microstructural properties. The highest strength was obtained for the CNFs carbonized up to temperatures of 1200-1400 ˚C (tensile strength of 224-241 MPa and Young modulus in the range of 6324-6540 MPa). In the case of carbon nanocomposite , the results showed that the heating rates of 5 ˚C/min and 10 ˚C/min led to production of low porosity carbon nanocomposites (Vpore = 0.09-0.15 cm3.g-1) with high carbon concentration (92.5-93.6 wt.%), high degree of crystalline arrangement, high tensile strength (448.57-457.36 MPa) and high hardness (156.67-173.67 Hv) compared to the heating rates of 15-20 ˚C/min. Therefore, the range of 5-10 ˚C/min was recognized as the optimal heating rates of the pyrolysis process. Finally, the effect of the relative amount of CNFs on the mechanical properties of pyrolyzed nanocomposites was investigated in order to optimize the reinforcing agent concentration in the nanocomposite. The value of 3% wt was recorded as the optimal CNFs concentration in the nanocomposite. tensile strength, friction coefficient and hardness of the carbon nanocomposites reinforced with 3 % wt. CNFs was recorded 542.76 MPa, 0.28 and 194 Hv, respectively

عنوان گونه گون

Investigation of Production, Microstructure and Mechanical Properties of Carbon Nanofiber-Carbon Nanocomposite

عنصر شناسه اي

‏ولی نژاد قناتی،

ساير عناصر نام

‏مهدی

کد نقش

تهيه کننده

عنصر شناسه اي

‏رسولی،

عنصر شناسه اي

رضوانی،

ساير عناصر نام

‏علی

ساير عناصر نام

‏ محمد

تاريخ

استاد راهنما

تاريخ

استاد مشاور

عنصر شناسه اي

‏ تبریز