بررسی ریزساختار وخواص مکانیکی کامپوزیت لوله‌ای زمینه آلومینیوم تقویت شده با الیاف کربن و شیشه

نوع مقاله : علمی و پژوهشی

نویسندگان

• علی علیزاده ¹
• شهاب پلویی ²
• محمدرضا زحمتکش ³
• مهدی عبدالهی ⁴

¹ مهندسی مواد مرکب، دانشگاه مالک اشتر، تهران، ایران

² مهندسی مواد مرکب، دانشگاه مالک اشتر، تهران. ایران.

³ همکار تحقیقاتی/گروه کامپوزیت - دانشگاه مالک اشتر تهران

⁴ مهندسی مواد مرکب، دانشگاه مالک اشتر، تهران

10.22067/jmme.2023.77877.1066

چکیده

در این پژوهش، کامپوزیت‌های زمینه آلومینیومی با الیاف پیوسته کربن و شیشه با استفاده از آلیاژ آلومینیومی 356A به‌عنوان زمینه و الیاف کربن 300T و الیاف شیشه E-glassبه‌عنوان تقویت‌کننده طی فرآیند ریخته‌گری کوبشی تولید شدند. بدین منظور ابتدا الیاف کربن، با استفاده از روش الکترولس، به‌وسیله‌ی لایه‌ای از نیکل – فسفر پوشش‌دهی گردید. سپس لوله‌ی آلیاژی آلومینیوم 356A و لوله‌های کامپوزیتی با 30 درصد وزنی الیاف کربن پوشش‌دهی شده و بدون پوشش و 30، 40، 50 و 60 درصد وزنی الیاف شیشه در فشار 75 مگاپاسکال و دمای 500 درجه سانتی‌گراد ریخته‌گری شدند و پس از فرآیند ریخته-گری، ریزساختار نمونه‌های کامپوزیتی و خواص مکانیکی آن مورد بررسی قرار گرفتند. پوشش نیکل – فسفر بر روی الیاف کربن تأثیر بسزایی در ترشوندگی الیاف کربن با مذاب آلومینیومی و درنتیجه نفوذ بهتر مذاب آلومینیوم درون الیاف کربن داشت. سختی لوله‌های کامپوزیتی با 50 درصد وزنی الیاف شیشه حدوداً به 2 برابر لوله آلیاژی بود و چگالی با افزایش درصد وزنی الیاف تا 5/9 درصد کاهش پیدا کرد. بالاترین استحکام خمشی، Mpa 82/340 و مربوط به لوله‌ی کامپوزیتی تقویت‌شده با 40 درصد وزنی الیاف شیشه بود. استحکام کششی لوله‌ی کامپوزیتی با 30 درصد وزنی الیاف کربن با افزایش 76 درصدی نسبت به لوله آلیاژی، بیشترین استحکام کششی را داشت. مکانیزم غالب در شکست لوله‌ی کامپوزیتی تقویت‌شده با الیاف کربن، خروج الیاف و در شکست لوله‌های کامپوزیتی تقویت‌شده با الیاف شیشه، برش الیاف بود.

کلیدواژه‌ها

• الیاف کربن
• الیاف شیشه
• پوشش نیکل-فسفر
• ریخته‌گری کوبشی
• آزمون نول

موضوعات

• مواد پیشرفته

---

عنوان مقاله [English]

Investigation on Microstructure and Mechanical Behavior of Carbon and Glass Reinforced Aluminum CompositePipes

نویسندگان [English]

• Ali Aliadeh ¹
• Shahab poloee ²
• mohammadreza zahmatkesh ³
• mehdi abdollahi ⁴

¹ Faculty of Materials & Manufacturing Processes, Malek-e-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.

² Faculty of Materials & Manufacturing Processes, Malek-e-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.

³ Complex of Material and Manufacturing Technology, Malek Ashtar University, Tehran, Iran

⁴ Faculty of Materials & Manufacturing Processes, Malek-e-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.

چکیده [English]

In this research, aluminum matrix reinforced with continuous carbon and glass fibres composite were produced using A356 aluminum alloy as the matrix, and T300 carbon fiber and E-glass as the reinforcement during the squeeze casting process. Carbon fibers were first coated with a layer of nickel-phosphorus using the electroless method. Then, aluminum alloy 356 pipe and composite pipes with 30 weight percent of carbon fibers and 30,40,50 and 60 weight percent of glass fibers were cast at 75 MPa and 500 °C. After casting, the microstructure, and mechanical properties of composite samples were investigated. Nickel-phosphorus coating on carbon fibers has a significant effect on the wettability of carbon fibers with aluminum melt and thus the penetration of aluminum melt into carbon fibers. The hardness of composite pipes reached approximately 2 times that of alloy pipe and the density decreased to 9.5% with increasing weight percent of fibers. The highest bending strength was obtained at 340.82 MPa, which is related to the reinforced composite pipe with40 weight percent of glass fibers. Tensile strength was measured by the nol ring test, in which a composite tube with 30 weight percent of carbon fiber had the highest tensile strength with a 76% increase over the alloy pipe. The predominant mechanism in the failure of carbon fiber-reinforced composite pipe was fiber pull-out and in the failure of glass-fiber-reinforced composite pipes, the fibers were cut.

کلیدواژه‌ها [English]

• Carbon fibers
• Glass fibers
• Nickel-phosphorus coating
• Squeeze casting
• Nol ring test

مراجع

[1] Z. Libin, Z. and H. Jintao, “Metal matrix composites in China,” Journal of Materials Processing Technology, Vol.75, No. 3, pp. 1-5, 1998.

[2] A. Alizadeh, M. Abdollahi Azghan, “Investigation on the microstructure and tensile properties of Al5083-TiB2 nanocomposites produced by stir casting method,” Journal of Advanced Materials and Technologies, Vol.10, No.2, pp. 45-57, 2021.

[3] A. Alizade, M. Abdollahi Azghan, H. Abedi, “Investigation of Microstructure and Mechanical Behavior of Al/SiC/CNT Surface Composite Fabricated by Friction Stir Processing,” Journal of Solid and Fluid Mechanics, Vol. 11, No. 6, pp. 219-233, 2022.

[4] S.W. Ip, R. Sridhar, J.M. Toguri, T.F. Stephenson, A.E.M. Warner, “Wettability of nickel coated graphite by aluminum,” Materials Science and Engineering: A, Vol. 244, No.1, pp. 31-38, 1998.

[5] M. Abdollahi Azghan, F. Bahari-Sambran, R. Eslami-Farsani, “Modeling and experimental study on the mechanical behavior of glass/basalt fiber metal laminates after thermal cycling,” International Journal of Damage Mechanics, Vol. 30, No. 8, pp. 1192-1212, 2021.

[6] E. Hajjari, M. Divandari, A. Mirhabibi, “The study of electroless coating of nickel on carbon fibers,” Iranian Journal of Materials Science & Engineering, Vol. 1, No. 1, pp. 3-48, 2004.

[7] M. Akbari, M. Ezzati, P. Asadi, “Investigation of the effect of tool probe profile on reinforced particles distribution using experimental and CEL approaches,” International Journal of Lightweight Materials and Manufacture, Vol. 5, No. 2, pp. 213-223, 2022.

[8] T. Arunkumar, T. Selvakumaran, R. Subbiah, K. Ramachandran, S. Manickam, “Development of high-performance aluminium 6061/SiC nanocomposites by ultrasonic aided rheo-squeeze casting method,” Ultrasonics Sonochemistry, Vol. 76, pp. 105-123, (2021).

[9] A. Kareem, J. Abu Qudeiri, A. Abdudeen, T.  Ahammed, A. Ziout,  “A review on AA 6061 metal matrix composites produced by stir casting,” Materials,  vol. 14, No. 1, pp. 175, 2021.

[10] J. Deng, Z. Ye, L. Shan, D. You, G.  Liu,  “Imputation Method Based on Collaborative Filtering and Clustering for the Missing Data of the Squeeze Casting Process Parameters,” Integrating Materials and Manufacturing Innovation, vol. 11, No.1, pp. 95-108, 2022.

[11] A. Jahangiri, S. Marashi, M. Mohammadaliha, V. Ashofte, “The effect of pressure and pouring temperature on the porosity, microstructure, hardness and yield stress of AA2024 aluminum alloy during the squeeze casting process,” Journal of Materials Processing Technology, vol. 245, pp. 1-6, 2017.

[12] I.N. Orbulov, I. Kientzl, J. Blücher, J. Ginsztler, A. Németh, “Production and investigation of a metal matrix composite pipe,” 14th European Conference on Composite Materials (ECCM-14), Hungary, 2010.

[13] S. Seshan, A. Gurupraad, M. Prabha, A. Sudhakar, “Fibre-reinforced metal matrix composites-a review,” Journal of the Indian Institute of Science, vol. 76, No.1, pp. 1-14, 1996.

[14] E. Hajjari, M. Divandari, H. Arabi, “Effect of applied pressure and nickel coating on microstructural development in continuous carbon fiber-reinforced aluminum composites fabricated by squeeze casting,” Materials and Manufacturing Processes, vol. 26, No.4, pp. 599-603, 2011.

[15] A. Daoud, “Microstructure and tensile properties of 2014 Al alloy reinforced with continuous carbon fibers manufactured by gas pressure infiltration,” Materials Science and Engineering: A, vol. 391, No.1-2, pp. 114-120, 2005.

[16]  Y. Iwai, T. Honda, T. Miyajima, Y. Iwasaki, M. KSurappa, J. FXu, “Dry sliding wear behavior of Al2O3 fiber reinforced aluminum composites,” Composites science and technology, vol. 60, No.9, pp. 1781-1789, 2000.

[17] R. Arsenault, “The strengthening of aluminum alloy 6061 by fiber and platelet silicon carbide,” Materials Science and Engineering, vol. 64, No.2, pp. 171-181, (1984).

[18] B. Ma, J. Wang, T. Lee, S. Dorris, J. Wen, U. Balachandran “Microstructural characterization of Al4C3 in aluminum–graphite composite prepared by electron-beam melting,” Journal of Materials Science, Vol. 53, No.14, pp. 10173-10180, 2018.

[19] P. Bindumadhavan, T.K. Chia, M. Chandrasekaran, H. Wah, L. Lam, O. Prabhakar, “Effect of particle-porosity clusters on tribological behavior of cast aluminum alloy A356-SiCp metal matrix composites,” Materials Science and Engineering: A, vol. 315, No.1-2, pp. 217-226, 2001.

[20] K. Arjun, S. de Barros, S. Budhe, “Theoretical determination of elastic and flexural modulus for inter-ply and intra-ply hybrid composite material,” Composite Structures, Vol. 281, pp. 114-121, 2022.

[21] C. McCullough, H. Deve, T. Channel, “Mechanical response of continuous fiber-reinforced Al2O3-Al composites produced by pressure infiltration casting,” Materials Science and Engineering: A, vol. 189, No.1-2, pp. 147-154, 1994.

[22] M. Zasadzińska, P. Strzępek, A. Mamala, P. Noga, “Reinforcement of aluminium-matrix composites with glass fibre by metallurgical synthesis,” Materials, Vol. 13, No. 23, pp. 41-54, 2020.