1-1- کلیات……………………………………. 2

1-2- اجرای پروژه………………………………….. 6

1-3- هدف از انجام تحقیق……………………………………. 7

فصل 2- مروری بر منابع…………………………………… 8

2-2- تعریف مواد کامپوزیتی……………………………………. 10

2-3- سیستم‏های کامپوزیتی تقویت‏شده با الیاف (FRC)……………….12

2-4- کامپوزیت‏های زمینه پلیمری (PMC)………………………………….. 12

2-4-1- رزین‏های مورد استفاده در کامپوزیت زمینه پلیمری……………….. 12

2-4-2- الیاف (تقویت‏کننده)………………………………….. 15

2-5- ساخت کامپوزیت‏ها………………………………….. 17

2-5-1- لایه‏ گذاری دستی……………………………………. 17

2-5-2- فرایند قالب‏گیری کیسه ‏ای……………………………………. 18

2-5-3- رشته پیچی……………………………………. 18

2-5-4- برون‏کشی……………………………………. 18

2-6- کاربردهای کامپوزیت‏های زمینه پلیمری……………………………………. 20

2-6-1- کاربرد در صنعت اتومبیل‏سازی……………………………………. 20

2-6-2- کاربردهای دریایی……………………………………. 21

2-6-3- کاربردهای هوا-فضا………………………………….. 22

2-6-4- مواد کامپوزیتی در تکنولوژی انرژی بادی………………………………. 23

2-7- خستگی……………………………………. 25

2-8- خستگی در مواد کامپوزیتی زمینه پلیمری……………………………… 27

2-8-1- آسیب خستگی……………………………………. 28

2-8-2- مدهای مختلف واماندگی خستگی در مواد کامپوزیتی……………….. 31

2-8-3- مقایسه‏ای بین شکست خستگی و استاتیکی………………………. 32

2-8-3-1- واماندگی‏های بین لایه‏ای……………………………………. 33

2-8-3-1-1- مورفولوژی‏های شکست در مد I بارگذاری سیکلی………………… 33

2-8-3-1-2- مورفولوژی‏های شکست در مد II بارگذاری سیکلی……………….. 34

2-8-3-1-3- مورفولوژی‏های شکست در مد ترکیبی I/II بارگذاری سیکلی………. 35

2-8-3-2- واماندگی داخل لایه ‏ای……………………………………. 37

2-9- فاکتورهای تأثیرگذار بر روی رفتار خستگی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری………38

2-9-1- نوع الیاف……………………………………. 38

2-9-2- زمینه و محیط……………………………………. 40

2-9-3- شرایط بارگذاری……………………………………. 41

2-10- آزمون‏های مکانیکی متداول بر روی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری………….. 43

2-10-1- آزمون کشش…………………………………….. 43

2-10-2- آزمون فشار………………………………….. 44

2-10-3- آزمون خستگی……………………………………. 45

2-11- آنالیز حرارتی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری…………………………….. 46

2-12- مروری بر تحقیقات انجام شده………………………………….. 48

2-12-1- تحقیقات انجام شده در رابطه با روش‏های مختلف ساخت کامپوزیت‏های زمینه پلیمری………..48

2-12-2- تحقیقات انجام شده در رابطه با آزمون کشش کامپوزیت‏های زمینه پلیمری…………….49

2-12-3- تحقیقات انجام شده در رابطه با خواص خستگی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری…………….50

2-12-4- تحقیقات انجام شده در رابطه با مکانیزم واماندگی خستگی………………51

2-12-5- تحقیقات انجام شده در رابطه با آنالیز حرارتی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری……………56

فصل 3- مواد آزمایش و روش تحقیق……………………………………. 58

3-1- مشخصات رزین……………………………………. 59

3-2- روش‏های ساخت نمونه…………………………………… 60

3-2-1- روش لایه‏ گذاری دستی……………………………………. 60

3-2-2- روش تزریق رزین به کمک خلأ (VIP)………………………………….. 61

3-3- آماده‌سازی نمونه…………………………………… 63

3-4- انجام آزمون کشش بر روی نمونه ‏های آماده شده………………….. 64

 

 

3-5- انجام آزمون خستگی……………………………………. 65

3-5-1- مشخصات نمونه ‏های تست خستگی……………………………………. 66

3-5-2- آزمون خستگی کشش–کشش…………………………………….. 67

3-6- آنالیز وزن سنجی حرارتی (TGA)………………………………….. 69

3-7- تصویربرداری SEM…………………………………….

فصل 4- نتایج و بحث…………………………………… 71

4-1- نتایج آنالیز وزن‏سنجی حرارتی (TGA)………………………………….. 72

4-2- نتایج تست کشش…………………………………….. 76

4-3- نتایج آزمون خستگی……………………………………. 78

4-3-1- ترسیم منحنی S-N با بهره گرفتن از روابط مختلف خستگی…………… 84

4-3-2- مقایسه منحنی‏های S-N کامپوزیت‏های تولید شده به وسیله فرایندهای دستی و VIP…………

4-3-3- مقایسه منحنی‏های S-N به دست آمده در فرایندهای ساخت VIP و دستی با استاندارد GL………….

4-4- نتایج تصویربرداری SEM…………………………………….

4-4-1- نتایج تصویربرداری SEM از سطوح شکست خستگی نمونه‏ های دستی………..97

4-4-2- نتایج تصویربرداری SEM از سطوح شکست خستگی نمونه ‏های VIP………..

4-4-3- مقایسه مکانیزم‏های واماندگی خستگی برای نمونه ‏های دستی و VIP………….

فصل 5- نتیجه‏ گیری و پیشنهادات……………………………………. 110

5-1- نتیجه‏ گیری……………………………………. 111

5-2- پیشنهادات……………………………………. 113

6- مراجع…………………………………… 114

چکیده:

در این پژوهش، کامپوزیت­های زمینه پلیمری (رزین اپوکسی) تقویت شده توسط پارچه بافته شده از الیاف شیشه ­ای E-glass به دو روش لایه­گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) ساخته شدند و رفتار خستگی آن­ها مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نتایج حاصل از آزمون کشش، استحکام کششی در نمونه­های تولید شده به روشVIP (MPa 362) بیشتر از نمونه‏های تولید شده به روش لایه­گذاری دستی (MPa 242) بود. بر اساس نتایج آزمون خستگی کشش-کشش (1/0=R)، عمر خستگی بیشتری برای نمونه­های VIP مشاهده شد در دامنه تنش MPa67، نمونه­های VIP، 106×11/2 سیکل را تا زمان واماندگی تحمل کردند در حالی که، در دامنه تنش پایین­تر MPa61، نمونه­های دستی 105×29/1 سیکل را تحمل نمودند. تعداد سیکل واماندگی نمونه­های VIP در تنش خستگی MPa200، برابر با 103×0/5 به دست آمد. اما، همین پارامتر برای نمونه‏های دستی در تنش خستگی پایین­تر MPa150 برابر با 103×2/1 حاصل شد. با توجه به نمودار S-N رسم شده، در تعداد سیکل ثابت 100،000 دامنه تنش قابل تحمل نمونه دستی حدود MPa60 تخمین زده شد؛ در صورتی دامنه تنش متناظر برای نمونه VIP حدود MPa90 بود. با توجه به تصاویر SEM سطح شکست نمونه­ها، مکانیزم­ های واماندگی غالب برای نمونه­های ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی تحت بار خستگی به صورت جدایش لایه ­ها و بیرون آمدن الیاف مشاهده شد. در حالی که، مکانیزم­ های واماندگی برای نمونه­های ساخته شده به روش VIP، جدایش الیاف از زمینه و ترک خوردن زمینه بود. نتایج حاصل از آنالیز وزن­سنجی حرارتی (TGA)، تنها نشان دهنده وجود اتصال مکانیکی بین الیاف و زمینه بود، که جدایش الیاف از زمینه و بیرون آمدن الیاف مشاهده شده در تصاویر SEM را توجیه می­کرد. بر اساس نتایج حاصل از این آنالیز، درصد وزنی الیاف برابر با 69% و 52% برای نمونه­های ساخته شده به روش VIP و لایه­گذاری دستی محاسبه شد.

فصل اول: مقدمه

1- مقدمه

1-1- کلیات

افزایش تأثیرات منفی انرژی فسیلی بر روی محیط زیست، مانند گرم شدن جهانی و بحران در دسترس بودن انرژی، بسیاری از کشورها را بر آن داشته است که از انرژی­های جایگزین دیگری مانند انرژی خورشید، باد و خورشید-هیدروژن استفاده کنند. این انرژی­ها تجدیدپذیر و دوست­دار محیط زیست هستند، به گونه‏ای که پاسخ­گوی تقاضای روزافزون بشر برای انرژی می­باشند. انرژی باد، سریع­ترین منبع انرژی رو به رشد در جهان، یک منبع انرژی تجدیدپذیر و تمیز است. اکنون کشورهای بسیاری، به خصوص در اروپا، ایالات متحده آمریکا، چین و ملل دیگر، توجه خاصی به این منبع انرژی دارند ]1[.

بر اساس اطلاعات سازمان انرژی­های نو ایران (سانا)،استفاده از انرژی باد در طول سالیان اخیر بیشترین رشد را در مقایسه با سایر انرژی­های نو تجربه کرده است و توربین­های بادی هر روز بهینه­تر و با ظرفیت توان بیشتر به بازار عرضه می­شوند. تاریخچه انرژی بادی یک سیر تکاملی را به استفاده از قطعات سبک و ساده برای به حرکت درآوردن پره­ها بوسیله نیروی بازدارنده[1] طی کرده است. آسیاب­های بادی که در قدیم مورد استفاده قرار می­گرفتند نخستین نوع توربین­های بادی بودند که به عقیده تمامی کارشناسان نخستین بار توسط ایرانیان به کار گرفته شد ]2[.

با وجود این پیشینه ارزشمند تاریخی و علی‌رغم پتانسیل­های موجود و مناطق مستعد بادخیز کشور، توسعه صنعت باد در ایران با پیشرفت مناسبی روبرو نشده است. در حال حاضر در وزارت نیرو، نصب MW5000 نیروگاه تجدیدپذیر در قانون برنامه پنجم توسعه هدف­گذاری شده است که از این میزان MW4500 آن برای توسعه باد در نظر گرفته شده است و می‌توان گفت در پنج سال آینده قریب به MW4000 بازار برای توسعه بخش خصوصی وجود خواهد داشت. هم اکنون سایت­های بادی بینالود و منجیل، بزرگ­ترین سایت­های بادی کشور محسوب شده که تقریبا MW100 از برق مورد نیاز کشور را تامین می­ کنند، این مقدار سهم ناچیزی از مقدار کل انرژی برق تولید شده در کشور را تشکیل می­دهد ]2[.

اما بر خلاف رویه موجود در داخل کشور، سایر کشورهای جهان به طور گسترده در راستای توسعه صنعت بادی خود گام برداشته اند و میزان انرژی الکتریکی تولید شده بوسیله باد روز به روز سهم بیشتری از کل انرژی تولیدی جهان را تشکیل می­دهد. به عنوان نمونه ­ای از سیاست­گذاری­های کلان در این زمینه می­توان به تصمیم اتحادیه اروپا برای تولید 20% از انرژی خود از منابع پاک تا سال 2020 اشاره کرد. شکل 1-1 ظرفیت کلی انرژی بادی تولیدی در جهان را تا سال 2011 را نشان می­دهد ]2[.

جدول1-1 نیز میزان ظرفیت نیروگاه­های بادی نصب شده در کشورهای شاخص استفاده کننده از انرژی باد را نشان می­دهد.

اغلب پره­های توربین، چه کوچک و چه بزرگ، قسمت ­های اصلی مشابهی دارند: پره­ها، شفت­ها، چرخ­دنده­ها، ژنراتور، و یک کابل (برخی از توربین­ها ممکن است دارای جعبه دنده نباشند). کلیه این قسمت ­ها با هم کار می­ کنند تا انرژی باد را به الکتریسیته تبدیل نمایند. در این بین، پره یکی از مهمترین اجزای توربین­های بادی است که وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن محور اصلی توربین است. طراحی پره توربین­های بادی یکی از مهم­ترین و اصلی­ترین بخش­های طراحی توربین به شمار می­ شود که با توجه به شرایط بسیار متغیر بهره ­برداری و اعمال بارهای شدید بر آن، انتخاب جنس و طراحی سازه­ای آن از اهمیت زیادی برخوردار است. مواد مورد استفاده در ساخت پره­ها به طور قابل ملاحظه­ای بر روی کارایی و خواص آن­ها، مانند وزن پره، مکانیزم آسیب، و عمر خستگی اثرگذار است. پره­های توربین­های بادی از مواد ناهمسان­گرد ساخته می‏شوند که معمولاً از کامپوزیت­های زمینه پلیمری، در ترکیبی از یک تک پوسته و کامپوزیت ساندویچی تهیه شده‏اند. طراحی­های امروزی عمدتاً بر اساس کامپوزیت­های تقویت شده با الیاف شیشه[1] (GFRP) صورت می‏گیرد. به طور کلی مواد مورد استفاده در ساخت پره­های توربین بادی بایستی تحمل بارگذاری­های خستگی شدید را در شرایط کاری داشته باشند ]1[.

ساختار کامپوزیتی به عنوان یک نوع خاص از کامپوزیت­های لایه­ای  تلقی می­ شود و مقبولیت گسترده­ای به عنوان یک ساختار عالی برای دست­یابی به اجزایی با وزن کم و ساختارهایی با سفتی خمشی[2] بسیار بالا، استحکام زیاد، و مقاومت کمانشی بسیار زیاد به دست آورده است. این مواد توسط روش قالب­گیری انتقال رزین[3] (RTM)، RTM به کمک خلاء[4]، لایه­گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلاء[5] (VIP) ساخته می‏شوند. تفاوت روش VIP با روش RTM در آن است که در این روش تنها یک سمت از قالب جامد است در صورتی که در روش RTM هر دو سمت جامد هستند. علاوه بر آن، از یک خلأ اعمالی به منظور نیرو محرکه برای انتقال رزین به تقویت­کننده استفاده می­ شود ]3[.

در تولید پره‌های توربین بادی کوچک و متوسط معمولاً از روش لایه‌گذاری دستی و در پره بزرگ و حتی متوسط با توجه به اهمیت وزن و استحکام سازه از روش تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) استفاده می‌شود. یکی از موضوعاتی که باید در طراحی محصولات مهندسی مورد استفاده قرار گیرد آن است که عمر محصول تولیدی چقدر خواهد بود. عمر در این محصولات به صورت مدت زمانی تعریف می­ شود که محصول قادر است تحت بارهای سرویس عمل­کرد مورد انتظار را داشته باشد. عمر یک قطعه می ­تواند به کوتاهی یک بار استفاده تعیین شود، از سوی دیگر در برخی محصولات باید قابلیت تحمل میلیون­ها سیکل در نظر گرفته شود که توربین­های بادی نیز از این دسته­اند. محصولاتی با چنین عمرهای بالایی مستعد برای شکست خستگی هستند.

گسترش ابزارهای مورد نیاز جهت تعیین عمر خستگی مواد ساخته شده از کامپوزیت با کندی روبروست، دلیل این امر را باید در ماهیت لایه­ای و غیریکنواخت این مواد جست و جو کرد، به طور مثال اگر در فلزات تنها عامل خرابی را طول ترک تشکیل می­دهد، مواد کامپوزیتی حالت‌های مختلف شکست را از خود بروز می­ دهند که از آن جمله می­توان به ترک خوردن زمینه[6]، جدایش الیاف از زمینه[7]، کمانش الیاف، جدایش لایه ­ها[8]، شکست تک­لایه و شکست الیاف اشاره کرد. معمولاً در یک شکست ناشی از خستگی در مواد کامپوزیتی ترکیبی از مکانیزم­ های فوق فعال است و این مسأله به خودی خود تحلیل­های خستگی را با چالش­های فراوانی روبرو می­ کند. حال اولین قدم در تحلیل­های خستگی تعیین منحنی S-N به صورت آزمایشگاهی و در قدم بعد شناسایی مکانیزم­ های مختلف واماندگی خستگی می­باشد. با مشخص شدن این داده‌ها، مهندسین می‌توانند به تخمین‏های اولیه خستگی جهت ساخت محصول برای صنعت و خریداران کمک نمایند.

2-1- اجرای پروژه

در گام اول نیاز صنعت در ساخت پره‌های توربین بادی مورد بررسی قرار گرفت، از آنجا که آزمون‎های دینامیک با توجه به نوع سازه حائز اهمیت هستند طی جلسات برگزار شده در پژوهشکده هوا خورشید دانشگاه فردوسی مشهد موضوع بررسی رفتار خستگی کامپوزیت­های زمینه پلیمری (اپوکسی) تقویت شده با پارچه بافته شده با الیاف شیشه ­ای E-glass، که در ساخت پره­های توربین بادی به کار می­روند، مطرح شد. در ادامه با مطالعه استانداردها و کارهای صورت گرفته بر روی خستگی کامپوزیت‌های زمینه پلیمری امکان‌پذیر بودن و قابلیت اجرای پروژه در دستور کار قرار گرفت. برای این کار لایه­گذاری نمونه­ها را به صورت ترکیبی از الیاف با جهات گوناگون در نظر گرفته شد که به نوعی شرایط به شرایط عمل­کرد واقعی پره­های توربین نزدیک‏تر شده باشد. در این مرحله نمونه سازی با بهره گرفتن از روش دستی و نیز تزریق به کمک خلأ در کارگاه کامپوزیت پژوهشکده هوا خورشید دانشگاه فردوسی مشهد، انجام گرفت. بعد از برش دادن ورق­های کامپوزیتی، به منظور ساخت نمونه، مقاطع برش خورده ماشین­کاری شده و در نهایت نمونه نهایی به دست آمد. پیش از شروع آزمون خستگی با تعریف آزمون‌های مورد نیاز و انجام آن‌ ها از کالیبره بودن دستگاه مورد استفاده اطمینان حاصل شد. در مرحله بعد با انجام تست کشش و شروع تست خستگی مشکلات اولیه انجام تست از جمله شکستن نمونه در فک‌های دستگاه و مشکلات ساخت نمونه‌ مورد بازبینی قرار گرفت و طی جلساتی راهکارهای حل مشکلات مطرح شد.

در گام بعدی با توجه به تعداد نمونه‌های لازم جهت آزمون خستگی و کشش ابعاد صفحه اصلی مشخص و نمونه نهایی تولید شد. با انجام آزمون کشش بارهای اعمالی برای انجام آزمون خستگی تعیین و تست بر روی نمونه‌ها آغاز شد. بر روی نمونه‌های آماده شد به هر دو روش دستی و VIP،رزین و الیاف آنالیز حرارتی TGA صورت گرفت تا بتوان با نتایج به دست آمده از تصویر برداری SEM از سطوح شکست خستگی مکانیزم‌های غالب خستگی شناسایی شود.

3-1- هدف از انجام تحقیق

با توجه به اهمیت موضوع خستگی در پره­های کامپوزیتی توربین­های بادی، در این پژوهش، اثر بارگذاری خستگی در دو روش VIP و لایه­گذاری دستی مورد بررسی قرار گرفت. لازم به ذکر است که در هر کدام از روش­های مذکور جهت­گیری­های معینی از الیاف و پارچه شیشه ­ای به کار گرفته شد تا بتوان تأثیر این پارامتر بر روی خواص خستگی و طول عمر پیش ­بینی شده برای پره­ها را مورد تحقیق و بررسی قرار داد.

در فصل 2 به بررسی مواد مورد استفاده برای ساخت؛ شامل رزین اپوکسی، الیاف و پارچه­های E-glass و روش­های مختلف تولید و آزمون‌های صورت گرفته بر روی آن­ها پرداخته می­ شود. در فصل 3 روش انجام آزمایش و نحوه آماده‌سازی نمونه‌ها برای آزمون کشش، آزمون خستگی تحت بارگذاری کشش-کشش، تصویربرداری SEM و آنالیز حرارتی TGA با دو روش ساخت، یعنی لایه­گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) آورده شده است. درفصل 4 با بهره گرفتن از نتایج آزمون کشش و خستگی، منحنی S-N برای نمونه‏های ساخته شده به دو روش VIP و لایه­گذاری دستی رسم شد و تحلیل‌های لازم بر روی داده‌ها صورت گرفت. به کمک نتایج حاصل از تصویربرداری SEM و آنالیز حرارتی TGA، به ترتیب مکانیزم‌های واماندگی نمونه­های دستی و VIP تحت بارگذاری خستگی و درصد الیاف در نمونه­های ساخته شده به روش­های مذکور علاوه بر نوع اتصال بین الیاف تقویت کننده و زمینه تعیین شد. در انتها در فصل 5 نتیجه‌گیری و پیشنهاداتی به منظور ادامه پروژه ارائه شده است.

[1] Glass fiber reinforced plastic

[2] Bending stiffness

[3] Resin transfer molding

[4] Vacuum assisted RTM

فهرست مطالب:

چکیده ………………………………………………………………………………………………………… 1

فصل اول: مقدمه……………………………………………………………………………………………  2

فصل دوم: مروری بر تئوری ها و تحقیقات انجام شده …………………………………………………  4

2-1- مقدمه …………………………………………………………………………………….  4

2-2- کامپوزیت ها………………………………………………………………………………………… 7

2-2-1- مزایای استفاده از مواد کامپوزیت …………………………………………………………….  9

2-2-2- تاریخچه صنعت کامپوزیتها ………………………………………………………………………  9

2-3- نانو کامپوزیت ها …………………………………………………………………………….  10

2-3-1- طبقه بندی نانو کامپوزیت ها ………………………………………………………………….  11

2-3-2- سیلیکات های لایه ای …………………………………………………………………………..  12

2-3-3- ساختار نانو کامپوزیت …………………………………………………………………………..  15

2-3-4- خواص مکانیکی ………………………………………………………………………………….  17

2-3-5- نانو کامپوزیت های پلیمری ……………………………………………………………………  18

2-4-تعریف و طبقه بندی کاربیدها …………………………………………………………………….  19

2-5-کاربید سیلیسیم ……………………………………………………………………………..  20

2-5-1-مقدمه ……………………………………………………………………………………………  20

2-5-2-مشخصات عمومی کاربید سیلیسیم …………………………………………………………  21

2-5-3-ساختار و ترکیب کاربید سیلیسیم ……………………………………………………………  21

2-5-4-انواع کاربید سیلیسیم …………………………………………………………………………  22

2-5-4-1-کاربید سیلیسیم نوع بتا () ………………………………………………………………  22

2-5-4-2-کاربید سیلیسیم نوع آلفا () ………………………………………………………….  22

2-5-5- پایداری انواع مختلف SiC بلوری …………………………………………………………  23

2-5-6- وضعیت گذشته و فعلی کاربید سیلیسیم ………………………………………………….. 24

2-5-7- خلاصه ای از خواص SiC  …………………………………………………………………. 

2-5-8- برخی کاربرد های SiC ……………………………………………………………………….. 

2-5-8-1- کاربرد به عنوان ساینده ……………………………………………………………  26

2-5-8-2- دیر گدازها و المنت های کوره ………………………………………………….  26

2-5-8- 3- کاربردهای الکترونی و نوری……………………………………………………. 27

2-5-8-3-1- نیمه هادی کاربید سیلیسیم …………………………………………….  28

2-5-8-3-2- کاربرد در صنعت IC …………………………………………………… 

2-6- شیشه ……………………………………………………………………………………….  28

2-6-1-تاریخچه شیشه …………………………………………………………………………..  28

2-6-2-تعریف شیشه …………………………………………………………………………….  29

2-7- اکسید سریم ………………………………………………………………………………..  30

2-7-1- کاربردهای اکسید سریم ………………………………………………………………..  31

2-8- اکسید سیلیسیم ………………………………………………………………………..  32

2-9- ابزارهای برشی و سایند ها ……………………………………………………………  33

2-9-1- ابزارهای برشی ………………………………………………………………………….  33

2-9-2- ساینده‌ها ………………………………………………………………………………..  35

2-10-ترکیب پولیش پایه سریم و فرایند آماده سازی آن ……………………………………….  38

2-11- مشخصات اکسید سریک ………………………………………………………………..  39

2-12- فرایند آماده سازی ترکیب …………………………………………………………….  40

2-13- ابزارهای ساینده سرامیکی پیوند داده شده …………………………………………  42

2-13-1- مقدمه ……………………………………………………………………………..  42

2-13-2- فرایند تولید ……………………………………………………………………………..  42

2-13-3- هدف از تولید ساینده های سرامیکی ……………………………………………………  43

2-13-4- روش ساخت ترکیبات ………………………………………………………………………..  43

فصل سوم: روش تحقیق ………………………………………………………………………………  44

3-1- مواد اولیه ……………………………………………………………………………………….  44

3-1-1- اکسیدسریم ……………………………………………………………………………  44

3-1-2- کاربیدسیلسیم …………………………………………………………………………….  45

3-1-3- نانوسیلیس ………………………………………………………………………………..  45

3-1-4- افزودنی ها …………………………………………………………………………………….  46

3-2- تجهیزات آزمایشگاهی ………………………………………………………………………..  46

3-2-1- هیتر ……………………………………………………………………………………..  46

3-2-2- کوره ………………………………………………………………………………………… 46

3-2-3- مگنت …………………………………………………………………………………………  46

3-2-4- ترازو ………………………………………………………………………………………….  46

3-2-5- خشک کن ……………………………………………………………………………….  46

3-2-6- CCS …………………………………………………………………………………. 

3-3- ابزار آزمایش و آنالیز نمونه‌ها ………………………………………………………………..  47

3-3-1- دستگاه پراش پرتو ایکس (XRD) ………………………………………………………..  47

3-3-2- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) ………………………………………………..  47

3-3-3- آزمایش اندازه‌گیری استحکام ………………………………………………………………..  47

3-4- روش انجام آزمایش ………………………………………………………………………..  48

3-4-1- تهیه نمونه‌های سری اول ………………………………………………………………..  48

 

 

3-4-1-1- نمونه‌سازی مجموعه A …………………………………………………………… 

3-4-1-2- نمونه‌سازی مجموعه B …………………………………………………………… 

3-4-1-3- نمونه‌سازی مجموعه C …………………………………………………………… 

3-4-2- تهیه نمونه های سری دوم ………………………………………………………………  51

3-4-2-1- نمونه‌ D ………………………………………………………………………………… 

3-4-2-2- نمونه‌ …………………………………………………………………………………  53

3-4-2-3- نمونه‌ …………………………………………………………………………………  53

3-4-2-4- نمونه‌ G ………………………………………………………………………………… 

3-4-2-5- نمونه‌ H ………………………………………………………………………………… 

3-4-3-تهیه نمونه‌ های سری سوم ………………………………………………………..  55

3-4-3-1- نمونه سازی مجموعه I ……………………………………………………………. 

3-4-3-2- نمونه سازی مجموعه J …………………………………………………………… 

3-4-3-3- نمونه سازی سریK ……………………………………………………………….. 

3-4-3-4- نمونه سازی سریL ………………………………………………………………… 

3-4-3-5- نمونه سازی سری M ……………………………………………………………… 

3-4-3-6- نمونه سازی سری N ………………………………………………………………. 

3-4-4- تعیین درصد وزنی جذب آب …………………………………………………………..  62

3-4-5- انجام آزمایش سایش …………………………………………………………….  63

3-4-6- استفاده از نرم افزار Image Analyzer ………………………………………………. 

فصل چهارم: روش تحقیق ……………………………………………………………………..  65

4-1- مقدمه    ………………………………………………………………………………….  65

4-2- بررسی شکل ظاهری نمونه ها از نظر دمای پخت …………………………………….  65

4-2-1- نتایج نمونه های سری اول ………………………………………………………………  65

4-2-2- نتایج نمونه های سری دوم ……………………………………………………………..  66

4-2-3- نتایج نمونه های سری سوم …………………………………………………………….  67

4-2-3-1- نمونه های پخته شده در دمای ºc750 و ºc1000 …………………………………….

4-2-3-2- نمونه های پخته شده در دمای ºc850 …………………………………………………

4-2-3-3- نمونه های پخته شده در دمای ºc1050 ……………………………………………..

4-2-3-4- نمونه های پخته شده در دمای ºc950 …………………………………………….

4-3- بررسی نتایج آنالیز XRD …………………………………………………………………… 

4-3-1- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه I15 ……………………………………………………… 

4-3-2- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه I5 ……………………………………………………….. 

4-3-3- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه I2 ……………………………………………………….. 

4-3-4- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه I19 ……………………………………………………… 

4-3-5- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه N1 ……………………………………………………… 

4-3-6- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه N4 ……………………………………………………… 

4-3-7- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه N17……………………………………………………..

4-3-8- بررسی نتایج آنالیز XRD نمونه N11 ……………………………………………………. 

4-3-9- بررسی و مقایسه نتایج آنالیز XRD نمونه N14 و I9 ……………………………….. 

4-3-10- بررسی و مقایسه نتایج آنالیز XRD نمونه N16 و I17 ……………………………. 

4-4- بررسی نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM )و Image Analyzer…………..

4-4-1- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونهN1 ……………………………… 

4-4-2- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونهN4 ……………………………… 

4-4-3- بررسی نتایج SEM نمونه7N ……………………………………………….. 

4-4-4- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه N11……………………………

4-4-5- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه N14……………………………

4-4-6- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه N16……………………………

4-4-7- بررسی نتایج  SEM نمونه I2…………………………………………………..

4-4-8- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه I9 ………………………………. 

4-4-9- بررسی نتایج SEMو Image Analyzer نمونه I9 ………………………………. 

4-5- نتایج آزمایش  استحکام ……………………………………………………………….  100

4-6- نتایج آزمایش سایش ………………………………………………………………..  101

4-7- تعیین  وزن مخصوص ،درصد حجمی و درصد وزنی جذب آب ……………………….  102

فصل پنجم: نتیجه‌گیری …………………………………………………………………………  103

منابع و مراجع………………………………………………………………………………..  104

چکیده:

در این پروژه ساینده پایه سریم برای صیقل کاری روی سطح شیشه‌های معدنی مورد توجه قرار گرفت. از مواد اولیه اکسید سریم، اکسید لانتانیم، میکروسیلیس، اسید بوریک،  کاربیدسیلسیم، فسفات، فلوراید کلسیم‌، هگزا متافسفات سدیم، تری پلی فسفات سدیم، اکسید روی، سدیم متاسیلیکات استفاده گردید و با دو روش عمومی یکی استفاده از محلول و دیگری بصورت پودر خشک مورد استفاده قرار گرفتند. دمای پخت در شرایط مختلف از 450 تا 1150 درجه سانتی گراد در نظر گرفته شد و شرایط بحرانی برای پخت مشاهده شد که گاهی50± درجه سانتی گراد باعث عدم پخت یا بیش از حد شیشه‌ای شدن می‌گردید. در حدود 150 نمونه مختلف ساخته شد و شرایط پخت و سختی و استحکام آن‌ ها مورد مقایسه قرار گرفت. بررسی‌های میکروسکوپی نشانگر ساختارهای متفاوت بود که در برخی موارد، وجود بیش از حد فاز شیشه‌ای موجب ترک برداشتن و یا اعوجاج نمونه‌ها گردیده بود. آنالیز XRD فازهایی نظیر Ce2Si2O7 , Ce7O12SiO2 CeP5O14, SiC,CeP2 را نشان داد که در اثر واکنش اکسید سریم با سیلیس یا واکنش منابع فسفاتی و اکسید روی و نظایر آن ایجاد شده بود در نهایت ترکیب تری پلی فسفات سدیم‌، نانو سیلیس، اکسید روی‌،اکسید سریم و کاربید سیلیسیم در دمای پخت 950 درجه سانتی گراد انتخاب گردید که ساینده‌ای با خواص موردنظر در آن ایجاد شده بود.

فصل اول: مقدمه

ساخت کامپوزیت‌ها سال‌هاست که مورد توجه قرار گرفته است و برای بهبود خواصی نظیر تنش برشی، استحکام، میزان کرنش تا شکست، نوع شکست و چقرمگی بکار می‌روند. ساخت کامپوزیت‌های سرامیکی گوناگون جهت بهبود خواص، اهمیت ویژه‌ای دارد. بسته به کاربرد کامپوزیت، انتخاب ساختار سرامیکی و فاز جانبی مناسب آن اهمیت فراوانی یافته است. در دهه اخیر کامپوزیت‌های اکسیدی – غیراکسیدی توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است، اما برای انتخاب یک سرامیک اکسیدی مناسب بعنوان فاز اصلی باید به خواصی نظیر نسوزندگی و ضریب انبساط حرارتی توجه کرد. ]1[

  نانوفناوری یا بکارگیری فناوری در مقیاس میلیاردم متر عبارتست از خلق مواد، قطعات و سیستمهای کارا باکنترل اندازه اجزاء ریز سازنده در حد نانومتر و در نتیجه بهره برداری از خصوصیات و پدیده‌‌های جدید بوجود آمده در آن مقیاس. تکنولوژی نانو بعنوان یک روش نو برای سنتز مواد و ساختار‌‌های مفید دارای حداقل یک بعد در حد نانومتر، هم اکنون مورد توجه بسیاری از محققین و مراکز تحقیقاتی و صنعتی در جهان امروز واقع شده است.

   نانو فناوری یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته‌‌هاست که در جهت بررسی اصول و قوانین حاکم بین مولکولها و ساختارهای با ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر گام بر می‌دارد. نانو تکنولوژی یک علم چند رشته ای است و برای درک مفاهیم و اصول بنیادین و قوانین حاکم در دنیای نانو تقریبا به تمام علوم نیاز است. نانو مواد (موادی که حداقل در یک بعد دارای اندازه ای در حد نانومتر هستند) از نظر عمومی‌به دو دسته تقسیم بندی می‌گردند ;مواد نانوساختار و نانوذرات‌. نانوذره به ذره ای گفته می‌شود که ابعادی بین 1 تا 100 نانومتر داشته باشد که پرکابردترین آنها نانوذرات سرامیکی هستند.

   ترکیب ساینده پایه سریم برای سایش کردن با بازدهی بالا و سریع روی سطح شیشه‌‌های معدنی،لنزهای اپتیکی پلاستیکی وصفحات پلاستیکی سازگاری خوبی دارد. پولیش شیشه‌‌های آلی کاملا حساس و متفاوت است. توجه روی این حقیقت است که آنها نرم و شکننده، و در برابر خراش خیلی حساس اند.صیقل دادن نا کافی منجر به خراشهای ریز و صیقل بسیار ساینده موجب خراش درشت و کدر شدن شیشه می شود. در این تحقیق هدف ساخت یک صیقل دهنده‌ی مناسب جهت پولیش کردن شیشه می‌باشد.  اگر بتوان ذرات ریز نانو سیلیس و کاربید سیلسیم را در کنار CeO2  و پیوند دهنده‌‌های مناسب( که از بافت سیمان‌‌های سرامیکی باشند) قرار داد و یک صیقل دهنده ظریفی ساخت که بتواند شیشه‌‌ها را صیقل کند آنگاه یکی از کاربردهای نانو تکنولوژی در صنعت سرامیک مورد بررسی قرارگرفته است.

اگر چه ترکیباتی قبلا برای صیقل کاری شیشه ساخته شده است اما استفاده از نانو ذرات سیلیس و ذرات کاربید سیلسیم در صیقل دهنده‌‌های شیشه بر پایه اکسید سریم کاملا جدید است. مطالعه پیوند   دهنده‌‌های مناسب که بتوانند  SiO2 و SiC  و CeO2 را در کنار یکدیگر نگه دارد و عمل صیقل کاری را پیش برد‌، از جنبه‌‌های نو آوری نیز برخوردار می‌باشد.

در فصل دوم مروری بر مطالعات انجام شده در مورد علم نانو، کامپوزیت‌ها و همچنین مطالعاتی که تا کنون بر روی خواص SiC، SiO2، CeO2 و صیقل‌کاری شیشه صورت گرفته است، ذکر شده است.

در فصل سوم ابتدا با مشخصات مواد اولیه و تجهیزات مورد استفاده در این تحقیق آشنا شده و سپس روش تحقیقی که شامل آماده‌سازی مواد اولیه، بررسی و آنالیز نمونه‌های تهیه شده و بررسی خواص مکانیکی نمونه‌ها می‌باشد، ذکر می‌گردد.

در فصل چهارم نتایج مربوط به پخت نمونه‌ها، نوع فازها و ریزساختار نمونه‌ها و دمای نهایی فرایند و همچنین نتایج مربوط به آنالیز فازی و ریزساختاری نمونه‌های آزمایش شده و خواص مکانیکی آنها ارائه شده و مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد.

فصل دوم: مروری بر تئوری‌ها و تحقیقات انجام شده

1-2- مقدمه

   میلیون‌‌ها سال است که در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری ساخته می‌شوند. علم بشری اینک در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهایی بی نظیر بسازد که در طبیعت نیز گزارش نشده است. فناوری نانو کاربردهایی را به عرصه ظهور می‌رساند که بشر از انجام آن به کلی عاجز بوده است و پیامدهایی را در جامعه بر جا می‌گذارد که بشر تصور آنها را هم نکرده است[1].

   فناوری نانو واژه ای است کلی که به تمام فناوری‌‌های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می‌شود[2]. نانو فناوری، ساخت مواد، قطعات و سامانه‌‌های مفید در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خصوصیات و پدیده‌‌های جدید حاصل از آن مقیاس است. به عبارت دیگر نانوفناوری یک فناوری نوظهور شامل کلیه فعالیت‌‌ها با توانایی کنترل درتک اتم‌‌ها و مولکولها برای ساخت مواد و وسایل جدید با خواص مطلوب است[3]. معمولاً منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود یک تا 100 نانومتر می‌باشد[1]. نانومتر واحد طولی برابر یک میلیاردم متر است. این اندازه تقریباً چهار برابر قطر یک اتم منفرد است. یک مکعب با طول وجه 5/2 نانومتردرحدود 1000 اتم را در خود جای می‌دهد[3]. مفهوم فناوری نانو به دارنده جایزه نوبل،ریچارد فینمن نسبت داده شده است، در یک سخنرانی که وی در سال 1959 ارائه نمود[4]. در این رپچارد فینمن طی یک سخنرانی با عنوان (فضای زیادی در سطوح پائین وجود دارد) ایده فناوری نانو را مطرح ساخت[2]. ودر سال 1960 منتشر شد[4]. او اینطور بیان نمود که : (( اصول فیزیک،تا آنجایی که من می‌توانم ببینم، امکان جابجایی ماهرانه اتم به اتم اشیاء را فراهم می‌سازد و من آن را رد نمی‌کنم.)).

واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می‌باشد، بکار برد[2و5]. بینیگ و رهرر نظریات درکسلر را به طریقه عملی توسعه دادند. در سال 1981 آنها اولین افرادی بودند که توانستند اتمها را ببینند و از اینجا بود که نانوتکنولوژی ممکن شد. دانشمندان خیلی زود توانستند اتمها را به طور منظم بر روی یکدیگر سوار کنند تا ساختارهای در مقیاس نانو را بسازند[6]. در سال 1986 واژه فناوری نانو توسط کی اریک دکسلر، در کتابی تحت عنوان (موتور آفرینش آغاز دوران فناوری نانو) باز آفرینی و تعریف مجدد شد.

وی این واژه را به شکل عمیق تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرارداده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان (نانوسیستم‌‌ها، ماشین‌‌های مولکولی، چگونگی ساخت و محاسبات آنها) توسعه داد[2].

   کلیه مواد رایج همچون فلزات، نیمه‌‌هادی‌‌های، شیشه، سرامیک، پلیمرها توانایی تبدیل به ابعاد نانو را دارا می‌باشند. طیف نانو مواد می‌تواند شامل آلی و معدنی، ذرات کریستالی یا آمورف، پودر یا ذرات دیسپرس شده در یک ماتریس، به صورت ذرات منفرد و جدا از هم یا به صورت آگریگیت، کلوئیدی، سوسپانسیون و محلولهای امولسیونی و‌… باشد. به طور کلی روش‌‌های مختلفی جهت طبقه بندی نانو مواد استفاده می‌شود (جدول 1-2).

تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می‌گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت خوردگی و… تغییر می‌یابد. درحقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌‌های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می‌توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانو مقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانو مقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگ تر فرق می‌کند [2].

مفاهیم جدید نانو فناوری چنان وسیع هستند که احتمالاً علم و فناوری را با روش هایی غیر قابل پیش بینی تغییر می‌دهند. اکنون تنها شمایی مبهم از فرصت‌‌ها و منافعی که نانوساختار سازی برای بشر فراهم کرده است مشاهده می‌شود. محصولات فناوری نانو موجود عبارتند از :

تایر‌‌های با پوشش مقاوم تولید شده از ذرات در مقیاس نانومتر خاک رس معدنی با پلیمرها، داروهای نانو ذره با ویژگیهای رهایش بسیار کنترل شده، چاپ با کیفیت بسیار عالی با بهره گرفتن از ذرات در مقیاس نانومتر با بهترین خصوصیات رنگ‌‌ها و رنگدانه‌‌ها و تولید لیزر و هدهای دیسک مغناطیسی بسیار پیشرفته با کنترل دقیق ضخامت   لایه‌‌ها.

بسیاری از کاربرد‌‌های دیگر که هم اکنون در حال توسعه اند و یا توانمندی بسیار بالایی برای پیشرفت در آینده نزدیک دارند عبارتند از:

صنایع هوا نوردی و اتوماسیون: مواد تقویت شده با نانو ذره‌‌ها برای بدنه‌‌های سبک تر، تایر‌‌های تقویت شده با نانو ذره‌‌ها که فرسایش کمتری دارند و قابل بازیافت هستند، رنگ خارجی بدون نیاز به شستشو، پلاستیک‌‌های غیرقابل اشتعال و ارزان، سامانه‌‌های الترونیک برای کنترل و پوشش خود تعمیر.

الکترونیک و ارتباطات: سامانه ضبط چند رسانه ای با بهره گرفتن از نانولایه‌‌ها، صفحات نمایش مسطح، فناوری سامانه‌‌های بی سیم، قطعات و فرایندهای جدید در فناوری‌‌های اطلاعات و ارتباطات، هزاران برابر افزایش در ظرفیت و سرعت پردازش داده‌‌ها با قیمت پایین تر و بازده بیشتر در مقایسه با مدارات الکترونیکی کنونی.

 مواد: کاتالیزورهای افزایش دهنده بازده انرژی واکنش‌‌های شیمیایی و بازده عمل احتراق (و بنابراین آلودگی کمتر) در وسایل نقلیه موتوری، دریل‌‌ها و ابزارهای برش بسیار سخت و غیره شکننده، سیال‌‌های مغناطیسی هوشمند برای آب بندی و روان کننده‌‌ها.

درمان، بهداشت و علوم زیستی: داروهای نانوساختاری جدید، سامانه‌‌های ژنتیکی و داروسازی به زمان تعیین شده در بدن (رهایش کنترل شده)، ایجاد سازگاری بین اعضای مصنوعی و اعضای مصنوعی و اعضاء و مایعات بدن، خود تشخیصی برای استفاده در خانه و مادی برای بازسازی بافت‌‌ها و استخوان‌‌های بدن.

فصل اول: مقدمه

فصل دوم: مروری بر مطالب

2-1- معرفی و تاریخچه………………………………… 5

2-2- آستنیت باقیمانده……………………………….. 5

2-2-1- پایداری آستنیت…………………………………. 8

2-3- مشخصه‌‌‌‌های سطوح کربوره‫شده…………………………….. 14

الف) ریز‌‌ساختار……………………………….. 14

2-3-1- رفتار سایشی فولاد‌‌‌‌های کربوره‫شده………………………………. 18

2-4- عملیات سردسازی و زیر صفر فولاد……………………………….. 19

2-4-1- تأثیر دما و زمان آستنیته کردن………………………………… 22

2-4-2- انواع فولادها که میتوانند تحت عملیات زیر صفر قرار گیرند…………… 23

الف) فولاد ابزار……………………………….. 23

ب) فولاد‌‌‌‌های زنگ نزن………………………………… 27

ج) فولاد AISI 4340…………………………………

د) فولاد‌‌‌‌های سطح سخت شونده……………………………….. 28

2-5- بازگشت و تاثیر آن بر نمونه‫های عملیات زیر صفر شده…………………… 28

2-6- انواع سایش………………………………….. 31

2-6-2- سایش چسبان………………………………… 33

2-6-3- سایش خوردگی………………………………… 34

فصل سوم: مواد و روش‫های آزمایش

3-1- آلیاژ مورداستفاده……………………………….. 36

3-2- عملیات حرارتی نمونه‫ها………………………………. 36

3-3- آزمون­ها………………………………. 37

3-3-1- سختی­ سنجی………………………………… 37

3-3-2- سایش………………………………….. 38

3-3-3- متالوگرافی نمونه‫ها ……………………………….38

3-3-4- فازیابی با بهره گرفتن از پراش پرتوی ایکس……………………. 39

فصل چهارم: نتایج و بحث

4-1- بررسی ریزساختاری………………………………… 40

4-1-1- متالوگرافی………………………………… 40

4-1-2- بررسی ریزساختار با اشعه‌ی ایکس………………………… 46

4-2- سختی سنجی………………………………… 47

4-3- سایش………………………………….. 49

4-3-1- ضریب اصطکاک………………………………….. 49

4-3-2- بررسی سطوح سایش با بهره گرفتن از میکروسکوپ الکترونی روبشی……..52

4-3-3- تغییرات نرخ سایش…………………………………. 59

 

 

فصل پنجم: نتیجه‫ گیری و پیشنهادات

مراجع……………………………….. 66

چکیده:

در این پژوهش تأثیر زمان عملیات زیر صفر بر رفتار سایشی فولاد 7147/1 (5120) موردمطالعه قرار گرفته است. جهت انجام عملیات کربوره کردن، نمونه­ها درون جعبه­هایی از فولاد نسوز با ترکیبی از پودر زغال، باریم کربنات و سدیم هیدروکسید به نسبت 1:1:50 قرار گرفت و به مدت 6 ساعت، در دمای C◦ 920 کربوره شد؛ سپس در داخل این جعبه در هوا تا دمای محیط خنک شدند. عملیات آستنیته کردن در دمایC◦ 930 به مدت 1 ساعت بر روی نمونه‌ها اعمال و در روغن کوئنچ شد. به‌منظور بررسی تأثیر زمان فرایند زیر صفر عمیق، نمونه‌ها به مدت‌زمان 1، 24، 30 و 48 ساعت در نیتروژن مایع در دمایC◦ 196- نگهداری شدند و سپس در دمای محیط در اتاق نگهداری شد. به‌منظور بهبود خواص فولاد و آزاد­سازی تنش­های داخلی ناشی از کوئنچ، نمونه­ها به مدت 2 ساعت در دمای C ◦ 200 در کوره‌ نگهداری شدند. نمونه­ها پس از آماده سازی سطحی، تحت آزمون­های مختلف قرار گرفتند. برای تعیین فازها از روش پراش پرتو ایکس استفاده شد؛ بدین منظور نمونه‌ها در ابعاد مناسب تهیه و با بهره گرفتن از نرم‌افزار Xpert فازهای موجود با بهره گرفتن از عناصر اولیه تعیین شد. آزمون سایش به روش گلوله روی دیسک با بهره گرفتن از گلوله­ای از جنس کاربید تنگستن بر نمونه‌های دیسکی با دو بار 80 و 110 نیوتون به مسافت 1000 متر در رطوبت هوای 5±30% و درجه حرارت C◦ 5±25 انجام شد. سختی نمونه‌ها به‌صورت ماکرو در مقیاس راکول سی اندازه‌گیری شد. اندازه‌گیری سختی نمونه‌ها قبل و بعد از بازگشت، با بار اعمالی 30 کیلوگرم انجام گردید. همچنین ریز سختی نمونه‌ها با بهره گرفتن از دستگاه ریز سختی سنجی و با نیروی g100 انجام گردید؛ سطوح سایش ابتدا توسط استون تمیز شده و با بهره گرفتن از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) موردمطالعه قرار گرفت. محصولات سایش نیز توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف­سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDS) مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات پراش پرتو ایکس حاکی از کاهش در مقدار آستنیت باقیمانده در اثر اعمال عملیات زیر صفر بوده بگونه­ای که در زمان های بیش ازیک ساعت، پیک آستنیت باقیمانده مشاهده نشده­است. بررسی‌های میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی توزیع بهتر کاربیدها، ریز شدن و افزایش کسر حجمی کاربیدها را در عملیات زیرصفرعمیق نشان داد. بدین ترتیب عملیات زیر صفر عمیق منجر به افزایش در سختی در حد 4 تا 33% و تا 24 ساعت ، افزایش مقاومت سایشی تا %39/191 می­گردد. با افزایش بیش­تر زمان عملیات زیر صفر، مقاومت سایشی نمونه­ها کاهش یافته است؛ به­گونه­ای که در نمونه­ 48 ساعت عملیات زیر صفر شده مقاومت سایشی کاهش یافته است. علت افزایش سختی نمونه­ها کاهش میزان آستنیت باقیمانده در اثر عملیات زیر صفر عمیق و دلیل کاهش مقاومت سایشی نمونه­ها پس از 24 ساعت، رشد کاربید­ها و توزیع غیریکنواخت آن در ساختار و در نتیجه ضعیف شدن زمینه بوده است؛ بنابراین مدت زمان 24 ساعت عملیات زیر صفر عمیق بر فولاد 7147/1 زمانی بهینه است.

فصل اول: مقدمه

در بسیاری از کاربرد‌‌‌‌های صنعتی نیاز به قطعاتی است که دارای سطحی سخت بوده و درعین‌حال از چقرمگی یا مقاومت به ضربه‌ی خوبی نیز برخوردار باشند. ازجمله مواردی که می‌‌توان در این رابطه به‌عنوان مثال به آن‌ ها اشاره کرد عبارت‫اند از:میل‌لنگ، میل بادامک، چرخ‌دنده و قطعات مشابه. این قطعات باید سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش داشته و همچنین بسیار چقرمه و مقاوم در برابر ضربه‌‌‌‌های وارده در حین کار باشند.

بسیاری از قطعات فولادی را می‌‌توان به نحوی عملیات حرارتی کرد که در پایان دارای مجموعه‌ای از خواص بالا باشند،‌یعنی درحالی‌که از مقاومت به سایش خوبی برخوردارند، دارای استحکام دینامیکی خوبی نیز باشند. این نوع عملیات حرارتی که اصطلاحا به سخت کردن سطحی موسوم‌اند، آخرین عملیاتی هستند که باید در مرحله­ پایانی ساخت قطعه و پس‌ازانجام تمام مراحل مربوط به شکل‌دهی نظیر ماشین‌کاری انجام شود.

روش‌‌‌‌های مختلف عملیات حرارتی که به کمک آن‌ ها می‌توان سطح قطعات را سخت کرد، عمدتاً به دو دسته تقسیم می‌شوند. دسته‌ی اول عملیاتی که منجر به تغییر در ترکیب شیمیایی سطح فولاد می‌‌شوند و به عملیات حرارتی­شیمیایی یا ترمو­شیمی موسوم‌اند، نظیر کربن‌دهی، نیتروژن­دهی و کربن نیتروژن­دهی. دسته‌ی دوم روش‌‌‌‌هایی که بدون تغییر ترکیب شیمیایی سطح و فقط به کمک عملیات حرارتی که در لایه‌ی سطحی متمرکز شده، انجام می­شوند و باعث سخت شدن سطح می‌گردند و به عملیات حرارتی موضعی موسوم‌اند، مانند سخت کردن شعله‌ای و سخت­کردن القایی. در آلیاژ‌‌‌‌های آهن–کربن و فولاد‌ها، مارتنزیت از سردکردن سریع آستنیت به وجود می‌آید. واژه­ی مارتنزیت که برای مدت‌‌‌‌ها فقط به ساختار سخت حاصل از سریع سرد کردن فولاد‌‌‌‌های کربنی اطلاق می­ شود برای قدردانی از دانشمند معروف آلمانی به نام مارتنز است. در به­کار بردن واژه‌ی مارتنزیت، اخیراً به‌جای محصولات حاصل، تأکید بیش‌تر بر روی طبیعت دگرگونی گذاشته‌شده است. مارتنزیت فازی است که توسط یک دگرگونی مارتنزیتی ‌یا جابجایی گروهی اتم‌‌‌‌ها حاصل می‌‌شود، گرچه ممکن است فاز یادشده‌، ترکیب شیمیایی، ساختار بلوری و خواص کاملاً متفاوتی از مارتنزیت در فولاد‌‌‌‌ها داشته باشد. دمایی را که در‌یک آلیاژ دگرگونی آستنیت به مارتنزیت شروع می‌‌شود، دمای شروع تشکیل مارتنزیت نامیده و آن را با Ms نشان می‌‌دهند. در حقیقت، Ms نشان دهنده‌ی مقدار نیروی محرکه‌ی ترمودینامیکی لازم برای شروع دگرگونی برشی آستنیت به مارتنزیت است. با افزایش درصد کربن، دمای Ms به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. در حقیقت کربن موجود به‌صورت محلول جامد، استحکام یا مقاومت برشی آستنیت را افزایش می­دهد و بنابراین با افزایش کربن نیرومحرکه‌ی بیش‌تری جهت شروع لغزش برای تشکیل مارتنزیت لازم است. این نیروی محرکه‌ی بیش‌تر، با سرد کردن فولاد تا دمایی پایین‌تر و یا به‌عبارت‌دیگر تحت تبرید بیش‌تر(Ms کمتر) به دست می‌‌آید. دمای پایان تشکیل مارتنزیت (Mf)‌یا دمایی که دگرگونی آستنیت به مارتنزیت در‌یک آلیاژ داده‌شده خاتمه می‌یابد نیز تابعی از درصد کربن آلیاژ است.

آستنیت باقیمانده فازی نرم بوده و در دمای پایین ناپایدار است؛ به‌گونه‌ای که در دمای پایین و در حین کار به مارتنزیت ترد تبدیل می‌‌شود. تبدیل آستنیت به مارتنزیت تقریباً 4% انبساط حجمی ایجاد می‌‌کند که منجر به اعوجاج قطعات می‌‌شود. بنابراین از عملیات زیر صفر یا بازگشت چندتایی در دمایی نسبتاً بالا و یا مدت‌زمان طولانی برای کمینه کردن میزان آستنیت باقیمانده در فولاد‌‌‌‌ها استفاده می‌‌شود.

دو نوع عملیات زیر صفر وجود دارد: 1) زیر صفر سطحی که در محدوده دمایی 100- تا C°60- انجام می­ شود. این عملیات منجر به کاهش آستنیت باقیمانده و افزایش مقاومت سایشی می‌‌شود. 2) زیر صفر عمیق که در دما‌‌‌‌های زیر C°125- انجام می­ شود.

اثرات زیر صفر‌ عمیق عبارت‌اند از:

1- تبدیل آستنیت باقیمانده به مارتنزیت

2- کاهش تنش­های پسماند

3- تشکیل کاربیدهای بسیار ریز که در بین کاربیدهای درشت قرار می‌‌گیرند

4- تشکیل ابرهای نابجایی در فصل مشترک زمینه‌ی مارتنزیتی و کاربید‌‌‌‌ها در طول فرایند هم‌دما سازی و تشکیل کاربید

5- توزیع یکنواخت کاربید­ها ،کوچک شدن اندازه­ کاربید­های ثانویه، افزایش میزان و چگالی آن‌ ها

6- افزایش مقاومت سایش خراشان و سایش خستگی

7- افزایش استحکام کششی و پایداری

8- افزایش سختی

9- پایداری ابعادی ماده 

10- تولید ساختار مولکولی چگال تر

11- افزایش هدایت الکتریکی فلزات

12- افزایش مقاومت به خوردگی

پارامتر‌‌‌‌های زیر صفر عبارت‌اند از: نرخ سرمایش، دمای هم‌دما سازی، زمان هم‌دما سازی، نرخ گرمایش، دما و زمان بازگشت و دمای آستنیته کردن.

تحقیقات بسیاری بر روی فولاد‫هایی که درصد عناصر آلیاژی و یا کربن آن‫ها بالاست، صورت گرفته است. در این پژوهش‫ها با حصول ترکیب مناسبی از توزیع کاربید‫ها و کاهش یا حذف آستنیت باقیمانده خواص فولاد‫های مورد مطالعه را بهبود داده‫اند.

فولاد 7147/1، فولادی کربوره شونده (سمانته) بوده که در ساخت قطعاتی که ترکیبی از استحکام متوسط، چقرمگی و مقاومت سایشی بالا نیاز است، مورداستفاده قرار گرفته است و گاه برای تهیه­ قطعات مورد مصرف صنایع خودرو‫سازی همچون چرخ‌دنده و میل‌لنگ کاربرد دارد. در فولاد­هایی که به منظور سختی کاری سطحی تحت عملیات کربوره­کردن قرار می­گیرند، با افزایش درصد کربن سطح، Ms کاهش و میزان آستنیت باقیمانده در اثر سریع سرد کردن در سطح افزایش خواهد یافت.

در این پژوهش عملیات زیر صفر عمیق به منظور بهبود خواص سایشی فولاد 7147/1 در زمان‫های مختلف انجام شده است؛ در فصل دوم تحقیقات صورت گرفته بر فولاد‫های مختلف، فصل سوم مواد و روش تحقیق، فصل چهارم نتایج و بحث و در نهایت در فصل پنجم، نتایج حاصل و پیشنهاداتی در راستای بررسی‫های بیشتر و کارآمد گردآوری شده است.

فهرست مطالب:

فصل اول : مقدمه………………………………. 1

1-1-  مقدمه…………………………….. 2

فصل دوم : مروری برمنابع مطالعاتی……………………………… 5

2-1-  فناوری نانو…………………………….. 6

2-2- خواص نانوذرات………………………………. 7

2-3- روش های تولید نانو ذرات………………………………. 7

2-4- کاربرد نانو تکنولوژی……………………………… 8

2-5- نانو کامپوزیت های سرامیکی……………………………… 10

2-5-1- طبقه بندی نانو کمپوزیت های سرامیکی………………………….. 10

2-5-2-  خواص و کاربرد نانو کامپوزیتهای سرامیکی………………………… 11

2-6- نانو محلولهای جامد سرامیکی……………………………… 11

2-6-1- محلول جامد از نوع  بین نشینی……………………………… 11

2-6-2- محلول جامد از نوع جانشینی……………………………… 11

2-6-2-1- انواع محلول جامد جانشینی……………………………… 11

2-6-3- خواص مکانیکی محلول های جامد…………………………….. 12

2-6-4- محلولهای جامد فوق اشباع…………………………….. 12

2-7- روش های سنتز نانو محلول های جامد سرامیکی…………………. 12

2-7-1- آلیاژ سازی مکانیکی……………………………… 12

2-7-2- سل- ژل…………………………….. 13

2-7-3- رسوبی و همرسوبی (رسوبگذاری)…………………………….. 14

2-8-  پیل سوختی چیست؟…………………………….. 15

2-9- تاریخچه پیل سوختی……………………………… 18

2-10- انواع پیل های سوختی……………………………… 19

2-10-1- پیل سوختی اسید فسفریک  (PAFC)……………………………. 19

2-10-2- پیل سوختی قلیایی (AFC)……………………………. 20

2-10-3- پیل سوختی كربنات  مذاب (MCFC)……………………………. 20

2-10-4- پیل  سوختی الکترولیت پلیمر یا غشای مبادله کننده پروتون(PEFC)………21

2-10-5- پیل  سوختی  اكسید جامد (SOFC) …………………………….22

2-10-5-1- تاریخچه پیل ‌سوختی اكسید جامد (SOFC)…………………. 22

2-10-5-2- وظیفه صفحات الكترود متخلخل در پیل ‌سوختی اکسید جامد شامل موارد زیر است……24

2-10-5-3- روابط و واکنشهای موجود در یک پیل سوختی اکسید جامد……………. 24

2-10-5-4- نیروی الکتروموتیو (EMF) و معادله  نرنست برای پیل های سوختی اکسید جامد…….. 25

2-10-5-5- پتانسیل الکتروشیمیایی و رسانایی یونی در پیل های سوختی اکسید جامد………. 26

2-10-5-6- محاسبه رسانایی الکتریکی و مقاومت الکتریکی برای پیل های سوختی اکسید جامد…… 26

2-10-5-7-  جزئیات عملکرد پیل های سوختی اکسید جامد…………………..26

2-11-  مقایسه كلی بین پیل های سوختی از نظر دمای كاركرد و  بازده و توان تولیدی…..29

2-12- مزایا و معایب پیل های سوختی……………………………… 30

2-13- موانع پیش روی استفاده از پیل های سوختی…………….. 31

2-14-  کاربرد های  پیل سوختی……………………………… 32

2-15- زیرکونیا……………………………. 33

2-15-1- خواص  فیزیكی، مكانیكی، و شیمیائی زیركونیا………………. 33

2-15-2- پلی مورف های زیركونیا……………………………. 34

2-15-2-1-  فاز مونوكلینیک زیركونیا……………………………. 34

2-15-2-2- فاز تتراگونال زیركونیا …………………………….35

2-15-2-3- فاز مکعبی زیركونیا……………………………. 35

2-15-3- كاربرد های زیركونیا……………………………. 35

2-15-3-1- كاربرد های مبتنی بر خواص الكتریكی زیركنیا………………………. 36

2-15-3-2- كاربرد های مبنی بر دیرگدازی زیركونیا……………………………. 36

2-15-3-3- كاربرد های مبتنی بر خواص مكانیكی……………………………… 37

2-16- مقدمه ای برآند پیل سوختی اکسید جامد…………………………….. 37

2-17- ناحیه سه فازی درآند…………………………….. 38

2-18-  انواع مواد آندی……………………………… 39

2-18-1-  سرمتYSZ  –Ni…………………………….

2-18-2- فلورایت ها …………………………….41

2-18-3- مواد آندی پروسکایت………………………………. 44

2-18-4- مواد آندی تنگستن برنز…………………………….. 48

2-18-5- مواد آندی پیروکلر…………………………….. 49

2-18-6- مواد آندی سولفور آزاد…………………………….. 50

2-19- توسعه سینتیک و مکانیسم واکنش و مدل آند ها …………………51

2-20- توسعه تکنولوژی های ارزان قیمت برای تولید و ساخت آند………….55

فصل سوم : فعالیت های آزمایشگاهی……………………………… 58

3-1- مواد اولیه مورد استفاده …………………………….59

3-2- روش کار…………………………….. 60

3-2-1- مراحل سنتز پودر (AZ)…………………………….. 60

3-2-1-1- مرحله اول: اختلاط مواد اولیه…………………………….. 61

3-2-1-2- رفلاکس سیستم…………………………….. 61

3-2-1-3- مرحله سوم: سانتریفیوژ محلول…………………………….. 62

3-2-1-4- مرحله ی چهارم : شستشو رسوب بدست آمده …………….62

3-2-1-5- مرحله پنجم: خشک کردن و عملیات حرارتی اولیه………… 62

3-2-2- سنتز پودر AZN))……………………………..

3-2-3- سنتز پودر (AZNC) …………………………….63

3-3- تهیه و ساخت آند پیل سوختی اکسید جامد………………… 64

3-3-1- روش خشک………………………………. 65

3-3-1-1- تخلخل زای: PVA (پلی ونیل استات)…………………… 65

 

 

3-3-1-2- تخلخل زای: T.P.P (تری فنیل فسفین)………………… 67

3-3-1-3- تخلخل زای :خاک اره……………………………. 68

3-3-1-4- تخلخل زای:CMC  (کربوکسی متیل سلولز)……………….. 69

3-3-1-5- تخلخل زای: نمک طعام  (NaCl )………………………….. 70

3-3-1-6- تخلخل زای:  شکر…………………………….. 70

3-3-1-7- تخلخل زای: اوره Urea……………………………..

3-3-1-8- تخلخل زای:PEG  (پلی اتیلن گلیکول)…………………………….. 72

3-3-1-9- تخلخل زای :MC  (متیل سلولز)…………………………….. 73

3-3-1-10- تخلخل زای: مخلوط PVA و T.P.P……………………………..

3-3-1-11- تخلخل زای : مخلوط T.P.P وMC………………………………

3-3-1-12- تخلخل زای: اختلاط  PVAو  PEG………………………………

3-3-1-13- تخلخل زای: PEG وMC………………………………

3-3-1-14- تخلخل زای: PEG وT.P.P……………………………..

3-3-1-15- تخلخل زای: PVA، PEG، MC………………………………

3-3-1-16- تخلخل زا ی : PVA،PEG ، T.P.P……………………………..

3-3-2- روش تر…………………………….. 78

3-3-2-1- تخلخل زای: PVA (پلی ونیل استات)…………………………….. 78

3-3-2-2- تخلخل زای : T.P.P (تری فنیل فسفین)…………………………….. 80

3-3-2-3- تخلخل زای:  MC(متیل سلولز)…………………………….. 82

3-3-2-4- تخلخل زا:PEG  (پلی اتیلن گلیکول)…………………………….. 83

3-3-3- ساخت آند نهایی توسط PEG………………………………

3-4- اندازه گیری چگالی قطعات ساخته شده……………………………. 87

3-4-1- دانسیته ارشمیدسی……………………………… 87

3-4-2-  دانسیته معمولی……………………………… 87

3-5- تجهیزات مورد استفاده……………………………. 88

3-5-1- آنالیز براش اشعه ایکس (XRD) …………………………….88

3-5-2- آنالیز طیف سنجی مادون قرمز فوریه (FTIR)……………………………. 88

3-5-3- آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و آنالیز (EDX) ……………88

3-5-4- آنالیز UV-vis……………………………..

3-5-5- آنالیزمیکروسکوپ الکترونی عبوری TEM……………………………….

فصل چهارم : نتایج و بحث………………………………. 90

4-1- بررسی خواص فیزیکی وشیمیایی پودرسنتزشده…………………….. 91

4-1-1- بررسی نتایج حاصل ازآنالیزتفرق اشعه ی ایکس…………………… 91

4-1-1-1- نمونهAZ………………………………

4-1-1-2- نمونه : AZN………………………………

4-1-1-3- نمونه AZNC………………………………

4-1-2- ارزیابی تثبیت فازی در نمونه های تهیه شده، با بهره گرفتن از آنالیز پراش اشعه ی ایکس………98

4-1-2-1- نمونه AZ………………………………

4-1-2-2-  نمونه AZN………………………………

4-1-2-3-  نمونه AZNC………………………………

4-1-2- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمز…………………………….. 101

4-1-2-1- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمزنمونه AZ…………………

4-1-2-2- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمز نمونه AZN………………

4-1-2-3- نتایج حاصل از طیف سنجی مادون قرمز نمونه AZNC………………

4-1-3- نتایج حاصل از آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشیSEM  و عبوری TEM…………

4-1-3-1- نتایج آنالیز SEM  برای نمونه AZ………………………………

4-1-3-2-  نتایج آنالیز  TEMبرای نمونه AZ………………………………

4-1-3-3- نتایج آنالیز  SEMبرای نمونه  AZN………………………………

4-1-3-4- نتایج آنالیز  TEMبرای نمونه AZN………………………………

4-1-3-5- نتایج آنالیز  SEM برای نمونه AZNC………………………………

4-1-3-6- نتایج آنالیز  TEMبرای نمونهAZNC………………………………

4-1-4- نتایج حاصل از تست EDX………………………………

4-1-4-1- نتایج حاصل از تست EDX برای نمونه AZ………………………………

4-1-4-2- نتایج حاصل از تست EDX برای نمونهAZN………………………………

4-1-4-3- نتایج حاصل از تست  EDXبرای نمونه AZNC………………………………

4-1-5- نتایج حاصل از تست UV-vis……………………………..

4-1-5-1- نتایج حاصل از تست UV-vis برای نمونه AZ………………………………

4-1-5-2- نتایج حاصل از تست UV-vis برای نمونه AZN………………………………

4-1-5-3- نتایج حاصل از تست UV-vis برای نمونه AZNC………………………………

4-1-6-  نتایج حاصل از قطعات ساخته شده به روش اختلاط خشک…………….. 121

4-1-6-1- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای PVA…………………..

4-1-6-2- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای T.P.P…………………..

4-1-6-3- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با خاک اره……………………………. 121

4-1-6-4- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با CMC………………………………

4-1-6-5- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با نمک طعام………………………… 121

4-1-6-6- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با شکر…………………………….. 121

4-1-6-7- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با اوره …………………………….122

4-1-6-8- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PEG………………………………

4-1-6-9- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با MC………………………………

4-1-6-10- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PVA و T.P.P……………………….

4-1-6-11- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با MC و T.P.P……………………..

4-1-6-12- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با  PVA و PEG……………………….

4-1-6-13- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با  PEGوMC………………………..

4-1-6-14- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با PEG  و T.P.P……………………..

4-1-6-15- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با  PEGو PVA و MC………………

4-1-6-15- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با  PEGو PVA و T.P.P……………….

4-1-7-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زا ها با حلال برای تهیه یک تخلخل زای مناسب……123

4-1-7-1-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای  PVA و حلال…………………………….. 123

4-1-7-2-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای  T.P.P و حلال…………………………….. 124

4-1-7-3-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای  MCو حلال…………………………….. 124

4-1-7-4-  نتایج حاصل از اختلاط تخلخل زای  PEGو حلال…………………………….. 124

4-1-8-  نتایج حاصل از قطعات ساخته شده به روش اختلاط تر………………………… 125

4-1-8-1- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای PVA   به روش اختلاط تر…….125

4-1-8-2- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای T.P.P به روش اختلاط تر………125

4-1-8-3- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای MC  به روش اختلاط تر……….125

4-1-8-4- نتایج حاصل از قطعات ساخته شده با تخلخل زای PEG  به روش اختلاط تر……….125

4-9-1- نتایج حاصل از دانسیته ارشمیدسی برای قطعات……………………… 126

4-10-1- نتایج حاصل از دانسیته معمولی برای قطعات…………………………. 127

فصل پنجم : نتیجه گیری وپیشنهادات………………………………. 128

5-1- نتیجه گیری نهایی……………………………… 129

5-2-  پیشنهادات………………………………. 130

مراجع……………………………… 131

چکیده:

نانومحلول های  جامد Al/ZrO2 وAl -Ni/ZrO2  و Al-Ni-Cu/ZrO2 به روش سنتز هم رسوبی با بهره گرفتن از هیدرولیز نمک های زیرکونیوم، آلومینیوم، نیکل و مس در اتانول آماده سازی شدند. محلول های جامد تهیه شده دردماهای مختلف و تحت اتمسفر هوا عملیات حرارتی شدند.و نقش عملیات حرارتی در تثبیت فاز مونوکلینیک در دماهای مختلف توسط XRD بررسی شد. خواص فیزیکی و شیمیایی نانومحلول های جامد تهیه شده توسط آنالیزهای FTIR ,UV-vis ,TEM ,SEM و EDX مورد بررسی قرارگرفت. باتوجه به نتایج آنالیز XRDتثبیت فازمونوکلینیک در محلول جامد صورت گرفته و نتایج SEM مورفولوژی کروی و یکنواختی اندازه ذرات رابرای نمونه های تهیه شده نشان می دهند. پودر های تهیه شده به منظور تولید مواد پایه آند پیل سوختی اکسید جامد، به روش تر و باتخلخل زای پلی اتیلن گلیکول مخلوط شده و توسط پرس هیدرولیک یکطرفه شکل دهی شدند و استحکام و دانسیته در آنها به مقدار بهینه رسید. دانسیته نسبی برای بهترین نمونه مقدار062/3 گرم برسانتی متر مکعب بدست آمد و تخلخل نمونه ها در حدود40-50 درصد محاسبه شد.

فصل اول: مقدمه

1-1- مقدمه

انرژی از دیر باز به عنوان موتور محرک جوامع بشری شناخته شده است و با پیشرفت بشر بر اهمیت و تأثیر گذاری آن در زندگی بشر افزوده شده است. بر این اساس هیدروژن به عنوان یکی از سوختهای پاک یکی از بهترین گزینه ها جهت ایفای نقش حامل انرژی در این سیستم جدید ارائه انرژی می  باشد ]1[. بشردرآینده ای نه چندان دورعصر هیدروژن راتجربه خواهدکرد]1و2[. عمل تبدیل انرژی شیمیایی موجود در هیدروژن به انرژی الکتریکی توسط دستگاهی به نام پیل سوختی انجام می پذیرد]3[. پیل های سوختی در کاهش آلودگی محیط زیست نقش به سزایی را ایفا می کنند و به خاطر عدم به کارگیری قطعات  مکانیکی زیاد ایجاد آلودگی صوتی نیز نمی نمایند]3[. پیل های سوختی به عنوان یک منبع بسیار ایده آل انرژی برای استفاده های ساکن وغیر ساکن ، نظیر حمل ونقل و نیرو گاه ها می باشند .در این بین پیل های سوختی اکسید جامد (SOFCs) بدلیل مزایایی نظیر قیمت ارزانترمواد مورد استفاده درآنها، حساسیت کمتر به ناخالصی های گاز هیدروژن وکارایی بسیار بالاتر یکی از جذاب ترین انواع پیل های سوختی می باشد. این پیل های سوختی به دلیل اینکه هیدروژن ورودی به آنها نیاز به هیچ گونه تغییر و خالص سازی اولیه  ندارد، به شدت از نظر قیمت نسبت به سایر پیل های سوختی ارزان تر می باشند]4[. پیل های سوختی اکسید جامد از سه بخش آند و کاتد و الکترولیت تشکیل شده اند. اساس عملکرد یک پیل سوختی اکسید جامد شامل احیای یک اکسنده (O2) درکاتد و اکسایش یک سوخت (H2) در آند می باشد. در این پیل ها نیاز به یک الکترولیت هادی یون اکسیژن و پروتون، برای واکنشهای الکتروشیمیایی اکسایش و کاهش اکسیژن و هیدروژن، انجام شده درالکترودها می باشد]5[.

امروزه در پیل های سوختی اکسید جامد بطور گسترده از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می شود. هیدروژن از منابع مختلف مانند: گازطبیعی، گازهای سنتزی حاصل از تبخیر منابع کربنی و زغال وغیره بدست می آید. هیدروکربنها نیز بطور گسترده به عنوان سوخت این پیل ها رواج پیداکرده اند. سوختهای هیدروکربنی معمولا در دماهای بالای عملکرد پیل سوختی اکسید جامد ناپایدارند و برروی آند به هیدروژن و کربن تبدیل می شوند. سوختهای هیدروکربنی بطور معمول مقدارکمی سولفوربه همراه دارند. کربن حاصل از تجزیه هیدروکربنها و سولفور موجود درآنها مشکلاتی برای عملکردپیل  ایجاد می کنند. برای جلوگیری از نشست کربن در سطح آند معمولا مقداری بخاراضافه به همراه گاز استفاده می شود و همچنین تغیراتی نیز در ترکیبات موادآندداده میشود. برای جلوگیری از سمی شدن پیل توسط سولفور معمولا سوخت را سولفور زدایی می کنند]5[.

 در سالهای اخیر تحقیقات گسترده ای بر روی مواد، کاتالیزورها، علوم سطح و خواص الکتروشیمیایی آندها انجام شده است] 4[. آندهای مورد استفاده در پیل های سوختی اکسید جامد از مواد و تنوع وگستردگی فراوانی برخوردارند. و از روش های ساخت و سنتزمختلفی برای سنتزپودر و ساخت این آندها استفاده می شود. دوویژگی برجسته آند این پیل ها برای انتخاب ماده مناسب برای آند برای کارکردمناسب، الف)رسانایی یونی، ب)رسانایی الکترونی می باشد. زیرکونیا به عنوان یک ماده که به طور ذاتی دارای نقص جای خالی در ساختارمی باشد، یکی ازبهترین گزینه ها برای استفاده درآند این پیل ها می باشد.

     در این تحقیق از سنتز هم رسوبی برای تهیه محلولهای جامد استفاده شد. این روش بدلیل تولید ترکیباتی همگن و با خلوص بسیار بالا ، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار بوده و علاوه بر آن کنترل اندازه دانه نیز در این روش بسیار آسان است]12[. هنگامی که زیرکونیا در دماهای پایین به روش هم رسوبی سنتز می شود امکان پایداری فاز تتراگونال به PH و هیدرولیز کننده مورد استفاد،وابسته می شود. در این تحقیق به روش سنتز همرسوبی، 3 محلول جامد، الف)Al-Zr، ب)Al-Zr-Ni،
ج)Al-Zr-Ni-Cu تهیه و آماده سازی شد. این محلول های جامد به عنوان مواد جدید برای استفاده در آند پیل های اکسید جامد طراحی و آماده شدند. ارزان بودن، غیرسمی بودن، سنتزآسان، تکرارپذیری تولید از جمله مزایای این مواد است. یکی از موارد مهم برای تولید و ساخت آندها در پیل سوختی اکسیدجامد، متخلخل بودن این آندها می باشد. این آندها باید دارای تخلخل با اندازه و توزیع یکنواخت باشند. که به این منظور از موادی مانند کربن و مواد دیگری برای متخلخل سازی استفاده می کنند]13[. دراین تحقیق برای متخلخل سازی آند چند نوع مختلف تخلخل زای، ارزان  قیمت و مناسب در آند استفاده شد. که نهایتا منجر به به استفاده از  PEGبه عنوان تخلخل ساز مناسب شد.پس از سنتز و تهیه محلول های جامد، موادحاصل ابتدا در دمای 500 درجه سانتیگراد عملیات حرارتی شدند و سپس برای تعیین تثبیت فازی و زینترینگ نهایی در دماهای800 و1000 و1200 و14700 درجه سانتی گراد عملیات حرارتی شدند.پس ازآن پودرهای حاصل با دو روش تر و خشک با چند نوع تخلخل زا ترکیب و با روش پرس هیدرولیک یکطرفه شکل دهی شده و عملیات حرارتی نهایی در14700 درجه سانتیگراد بر روی آنها صورت گرفت. قطعات آندی که دارای تخلخل مناسب و توزیع و اندازه تخلخل یکنواخت و استحکام کافی بودند، انتخاب شده و چگالی آنها به روش ارشمیدس اندازه گیری شد.

در فصل دوم این پایانامه مفاهیمی در مورد نانو فناوری و نانو محلول جامدها ارائه گردیده است. در ادامه مفاهیم کلی و واکنشهای انجام شده در انواع پیل های سوختی شرح داده شده است.

سپس مفاهیم کلی و عمومی در موردآندهای پیل سوختی اکسید جامد، روش های ساخت و مواد بکار برده شده در آنها، مورد بحث و بررسی قرارگرفته است. درفصل سوم ابتدا به مواد مورد استفاده در این پروژه پرداخته شده است. در ادامه روش های انجام آزمایش(مواد و تجهیزات)ارائه داده شده و در بخش آخر دستگاه ها و لوازم مورد استفاده جهت بررسی و خواص نمونه ها تشریح گردید. درفصل چهارم نتایج حاصل از آزمایشات و بحث های مربوطه ارائه گردیده است. فصل پنجم نتیجه گیری  کلی از این تحقیق رابیان می کند.