بررسی ریزساختار و خواص مکانیکی نانوکامپوزیت زمینه آلیاژ Cu-5Zn تقویت شده با نانولوله های کربنی

نوع مقاله : علمی و پژوهشی

نویسنده

• محمد علی پور

گروه مهندسی مواد، دانشکده مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

10.22067/jmme.2023.82283.1108

چکیده

بعد از کشف نانولوله‌های کربنی مشاهدات نشان داد که نانولوله‌های کربنی دارای خواص چند منظوره بوده و به عنوان یک ماده تقویت کننده برای نانوکامپوزیت‌های فلزی می‌توان از آنها استفاده کرد. در این تحقیق، نانولوله‌های کربنی چند جداره به عنوان تقویت کننده نانوکامپوزیت با زمینه آلیاژ Cu-5Zn استفاده شده است. نانولوله‌های کربنی در درصدهای 1- 25/0 به نانوکامپوزیت اضافه شد. برای پراکندگی خوب نانولوله‌های کربنی در زمینه، از امواج آلتراسونیک استفاده شد. برای ساخت نمونه‌های نانوکامپوزیت از پرس و فرایند تف­جوشی استفاده شد. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی ریزساختار مورد مطالعه قرار گرفت. تأثیر نانولوله‌های کربنی بر روی خواص مکانیکی مانند میکروسختی و استحکام کششی نانوکامپوزیت مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان دادند که با افزودن نانولوله‌های کربنی خواص مکانیکی بهبود می‌یابد. مکانیزم پیشنهادی برای افزایش استحکام در نانوکامپوزیت‌های تقویت شده با نانولوله‌های کربنی مکانیزم پل‌زنی می‌باشد. میکروسختی نانوکامپوزیت‌ها با افزایش نانولوله‌های کربنی تا 75/0 درصد، به صورت خطی افزایش یافته و میزان افزایش سختی نانوکامپوزیت با فاز تقویت کننده نانولوله کربنی، 36 درصد بیشتر از آلیاژ پایه مس-روی به دست آمده است. استحکام کششی نانوکامپوزیت‌های مس با افزایش میزان تقویت کننده نانولوله‌های کربنی، MPa 289 به دست آمده که در مقایسه با آلیاژ پایه مس-روی با استحکام MPa 165 افزایش چشم‌گیری داشته است.

کلیدواژه‌ها

• نانولوله های کربنی
• مس
• متالورژی پودر
• خواص مکانیکی
• نانوکامپوزیت

موضوعات

• متالورژی مکانیکی

---

عنوان مقاله [English]

Investigating the Microstructure and Mechanical Properties of Cu-5Zn Alloy Nanocomposite Reinforced with Carbon Nanotubes

نویسنده [English]

• Mohammad Alipour

Faculty of Mechanical engineering, Department of Materials Engineering, University of Tabriz, Iran

چکیده [English]

After the discovery of carbon nanotubes, observations showed that carbon nanotubes have multi-purpose properties and can be used as a reinforcing material for metal nanocomposites. In this research, multi-walled carbon nanotubes have been used as nanocomposite reinforcement with Cu-5Zn alloy base. Carbon nanotubes were added to the nanocomposite in percentages of 0.25-1. Ultrasonic waves were used for good dispersion of carbon nanotubes in the field. Pressing and sintering processes were used to make nanocomposite samples. The microstructure was studied using a scanning electron microscope. The effect of carbon nanotubes on mechanical properties such as microhardness and tensile strength of nanocomposite was investigated. The results showed that the mechanical properties are improved by adding carbon nanotubes. The proposed mechanism for increasing the strength in nanocomposites reinforced with carbon nanotubes is the bridging mechanism. The microhardness of nanocomposites increases linearly with the increase of carbon nanotubes up to 0.75%, and the increase in hardness of nanocomposite with carbon nanotube reinforcing phase is 36% more than copper-zinc base alloy. The tensile strength of copper nanocomposites is 289 MPa by increasing the amount of carbon nanotube reinforcement, which is a significant increase compared to the base copper-zinc alloy with a strength of 165 MPa.

کلیدواژه‌ها [English]

• Carbon Nanotubes
• Copper
• Powder Metallurgy
• Mechanical Properties
• Nanocomposites

مراجع

[1] P. M. Ajayan, L. S. Schadler, P. V. Braun, “Nanocomposite Science and Technology,” WILEY- VCH GmbH & Co. KGaA, Weinheimpp. 12-18, (2006).

[2] M. Dinulović, B. Rašuo,”Dielectric properties modeling of composite materials”, FME Transactions, vol. 37, no 3, pp.113-118, (2009).

[3] M. Dinulović, B. Rašuo, “Dielectric modeling of multiphase composites”, Composite Structures, vol. 93, no. 12, pp. 3209- 3215, (2011).

[4] R. George, K. T. Kashyap, R. Rahul, S. Dilip, “Synthesis and characterization of carbon nanotubes by arc discharge method,” J. Inst. Eng. India, vol. 88, pp. 23.26, (2007).

 [5]          C. G. Kaufmann, R. Y. S. Zampiva, C. P. Bergmann, A. K. Alves, S. R. Mortari, A. Pavlovic, “Production of multi-wall carbon nanotubes starting from a commercial graphite pencil using an electric arc discharge in aqueous medium,” FME Transactions, vol. 46, pp. 151-156, (2018).

[6] P. J. F. Harris, “Carbon nanotube science,” Cambridge University Press, New York, (2009).

[7] P. W. R. Beaumont, C. Soutis and A. Hodzic, “Structural integrity and durability of advanced composites: Innovative modelling methods and intelligent design,”  Elsevier, Cambridge, UK, (2015).

[8] G. Overney, W. Zhong, D. Tomanek, “Structural rigidity and low-frequency vibrational-modes of long carbon tubules,” Z. Phys. D: At., Mol. Clusters, vol. 27, pp. 93-96, (1993).

[9] J. P. Lu, “Elastic properties of nanotubes and nanoropes, Phys,” Rev. Lett., vol. 79, pp. 1297- 1300,(1997).

 [10] M. M. J. Treacy, T. W. Ebbesen, J. M. Gibson, “Exceptionally high Young’s modulus observed for individual carbon nanotubes,” Nature, vol. 381, pp. 678-680, (1996).

[11] P. G. Koppad, V. K. Singh, C. S. Ramesh, R. G. Koppad, K. T. Kashyap, “Metal matrix nanocomposites reinforced with carbon nanotubes,” In: Tiwari, A., Shukla, S.K. (Eds.): Advanced Carbon Materials and Technology, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, pp. 331-376, (2013).

[12] G. Qianming, L. Dan, L. Zhi, Y. Xiao-Su, L. Ji, “Tribology properties of carbon nanotube-reinforced composites,” In: Friedrick, K., Schlarb, A.K. (Eds.): Tribology and Interface Engineering Series, vol. 55, pp. 245-267, (2008).

[13] H. M. Mallikarjuna,  C. S. Ramesh,  P. G. Koppad, R. Keshavamurthy, K. T. Kashyap, “Effect of carbon nanotube and silicon carbide on microstructure and dry sliding wear behavior of copper hybrid nanocomposites,” Trans. Nonferrous Met. Soc. Vol. 26, pp. 3170-3182, (2016).

[14] H. M. Mallikarjuna, K. T. Kashyap,  P. G. Koppad, C. S. Ramesh, R. Keshavamurthy, “Microstructure and dry sliding wear behavior of Cu-Sn alloy reinforced with multiwalled carbon nanotubes,” Trans. Nonferrous Met. Soc., Vol. 26, pp. 1755-1764, (2016).

[15] P. G. Koppad,   K. T. Kashyap, V.  Shrathinth, T. A. Shetty, R. G. Koppad, “Microstructure and microhardness of carbon nanotube reinforced copper nanocomposites,” Mater. Sci. Technol., vol. 29, pp. 605-609, (2013).

[16] P. G. Koppad, H. R.  Aniruddha Ram, K. T. Kashyap, “On shear-lag and thermal mismatch model in multiwalled carbon nanotube/copper matrix nanocomposites,” J. Alloys Compd., vol. 549, pp. 82-87, (2013).

[17] P. G. Koppad, H. R. A. Ram, C. S. Ramesh, K. T. Kashyap, R. G. Koppad, “On thermal and electrical properties of multiwalled carbon nanotubes/copper matrix nanocomposites,” J. Alloys Compd., Vol. 580, pp. 527-532,(2013).

[18] R. George, K. T. Kashyap, R. Rahul, S. Yamdagni, “Strengthening in carbon nanotube/aluminium (CNT/Al) composites,” Scr. Mater. 53, pp. 1159- 1163, (2005).

[19] H. R. A. Ram, P. G. Koppad, K. T. Kashyap, “Nanoindentation studies on MWCNT/aluminum alloy 6061 nanocomposites,” Mater. Sci. Eng. A, Vol. 559, pp. 920-923, (2013).

[20] K. T. Kashyap, K. B.  Puneeth, A. Ram, P. G. Koppad, “Ageing kinetics in Carbon nanotube reinforced Aluminium alloy AA6063,” Mater. Sci. Forum, vol. 710, pp. 780-785, (2012).

[21] J. P. Tu, Y. Z. Yang, L. Y. Wang, X. C. Ma, X. B. Zhang, “ Tribological properties of carbon-nanotube- reinforced copper composites,” Tribol. Lett., vol. 10 pp. 225-228, (2001).

[22] K. T. Kim, S. I. Cha, S. H. Hong, S. H. Hong, “Microstructures and tensile behavior of carbon nanotubes reinforced Cu matrix nanocomposites,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 430, pp. 27-33, (2006).

[23] Y. A. Sorkhe, H. Aghajani & A. Taghisadeh Tabrizi, “Synthesis and characterisation of Cu–TiO2 nanocomposite produced by thermochemical process, Powder Metallurgy,” Powder Metallurgy, pp. 107-111, (2016).

[24] G. Naseri Azari Golnaz, A. Taghizadeh Tabrizi, H. Aghajani, “Investigation on corrosion behavior of Cu–TiO2 nanocomposite  synthesized by the use of SHS method,” Journal of Materials Research and Technology, vol 8, no. 2, pp. 2216-2222, (2019)

 [25] S. A. N. Mehrabani, A. T. Tabrizi,, H. Aghajani, H. Pourbagheri, “Corrosion Behavior of SHS-Produced Cu–Ti–B Composites,” International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, Vol. 29, No. 3, pp. 167–172, (2020).

[26] H. Aghajani, M. Roostaei, S. Sharif Javaherian, A. Taghizadeh Tabrizi, A. Abdoli Silabi, N. Farzam Mehr, “Wear behavior of self-propagating high-temperature synthesized Cu-TiO2 nanocomposites”, Synthesis and Sintering, vol.1, no. 3, pp.127-134, (2021).

[27] K. V. Shivananda Murthy, D. P. Girish, R. Keshavamurthy, T. Varol, P. G. Koppad, “Mechanical and thermal properties of AA7075/TiO2/Fly ash hybrid composites obtained by hot forging,” Prog. Nat. Sci.: Mater. Int., vol. 27, pp. 474-481, (2017).

[28] G. S. Pradeep Kumar, P. G. Koppad, R. Keshavamurthy, M. Alipour, “Microstructure and mechanical behaviour of in situ fabricated AA6061–TiC metal matrix composites,” Arch. Civ Mech. Eng., Vol. 17, pp. 535-544, (2017).