بررسی و مقایسه خواص مکانیکی و خوردگی نانو کامپوزیتهای پایه منیزیم – کربن نانو تیوب (Mg-CNT) سنتز شده با فازهای تقویت کننده دیگر به جهت سبک سازی بدنه خودرو

محمد طاهر امیرزاده ایرانق

دانشکده مهندسی مواد ، آزاد اسلامی واحد نجف آباد

چکیده

در اين تحقيق به بررسی خواص فازهای تقویت کننده نانو کامپوزیتهای منیزیم کربن نانو تیوب با درصدهای متغیر به همراه فازهای تقویت کننده دیگر جهت بهبود خواص و ارتقا و بهینه سازی ماده در جهت کاهش وزن و سبک سازی بدنه خودرو پرداخته شده است . بدین منظور پارامترهای موثر در فرایند شامل سرعت چرخش ، درصد وزنی نانو لوله ها ، نحوه فعال سازی آنها بررسی شد. جهت مشخصه یابی نمونه ها از آزمون میکرو سختی سنجی ، کشش ، خوردگی استفاده شد . نتایج نشان داد که افزودن روی تا 4.5 درصد وزنی به کامپوزیت منیزیم کربن نانو تیوب با درصد 1.5 درصد وزنی CNT باعث بهبود استحکام فشاری به میزان 51 درصد میگردد . همچنین در نمونه هایی با 7درصد وزنی روی نسبت به نمونه با 0.7 درصد وزنی روی سختی ویکرز به میزان 31 درصد افزایش و درصد ازدیاد طول به میزان 11 درصد کاهش پیدا کرد . همچنین نرخ خوردگی بر حسب میلیمتر در سال در نمونه با 5 درصد وزنی روی به میزان 58 درصد بهبود پیدا کرد.

مقدمه

آلیاژهاي منیزیم به دلیـل چگـالی پـایین و اسـتحکام ویـژه بـالا، پتانسیل بالایی براي کاربرد در صنایع هـوایی و اتومبیـلسـازي دارند [1 .[منیزیم با دارا بودن چگالی 74/1 گرم بر سانتیمتر مکعب داراي یکی از سبک ترین ساختار هاي فلزي است که باعث شده است این فلز و آلیاژ هاي آن یکی از پرطرفدار ترین مواد در صنایع خودرو سازي ، هوا فضا و کامپیوتر (قطعات صنایع الکتریکی )باشد. هر چند استحکام و مقاومت به خوردگی منیزیم پایین تر از فولاد و آلومینیم می باشد که باعث شده است کاربرد هاي این فلز به شدت کاهش یابد . ولی تقاضا براي مواد سبک وزن و استحکام بالا منجر به توسعه مواد کامپوزیتی با زمینه فلزي و غیر فلزي شده است .یکی از روشهای تولید کامپوزیتهای فلزی آلیاژ سازی مکانیکی است که قابلیتها و مشخصات خاص خود را دارا است . در تحقیقات انجام گرفته توسط افراد مختلف از روش هاي مختلفی از جمله ریخته گري و متالورژي پودر جهت تولید این کامپوزیت استفاده شده است. در خصوص روش ریخته گري باید گفته شود که ریخته گري باید در محیط هاي خلع و یا تحت اتمسفر گاز خنثی باشد.از طرفی ریخته گري گرانشی باعث ایجاد تخلل در قطعه ریخته گري می شود .در ٣ ریخته گري تحت فشار نیز مشکل عدم توزیع یکنواخت کربن نانو تیوب ها وجود دارد .که براي حل این مشکل از اولتراسونیک استفاده می شود ولی میزان پراکندگی کربن نانو تیوب ها در مذاب به این بستگی دارد که چه میزان از این ارتعاشات اولتراسونیک به مذاب منتقل می شود .همچنین به دلیل نقطه ذوب بالاي کربن نانو تیوب ( حدودا 3000 درجه سانتیگراد) و نقطه ذوب پایین منیزیم(640 درجه سانتیگراد) ریخته گري به شکل متداول امکان پذیر نمی باشد و براي ریخته گري باید حتما از روش هاي فوق مدرن که شامل هزینه بسیار بالا می باشد استفاده کرد.لذا استفاده از این روش علاوه بر مشکلات فرایندي ، قیمت تمام شده ساخت را افزایش می دهد. لذا در این تحقیق از روش متالورژي پودر جهت آلیاژ سازي استفاده می شود. لازم به ذکر است در نانو ساختار هاي جدید که توانسته اندتوجه زیادي را به خودشان جلب کنند از کربن نانو تیوب ها استفاده می شود. این بدین دلیل است که کربن نانو تیوب ها داراي خواص مکانیکی بی همتا ، خواص حرارتی و الکتریکی بسیار بالا و دانسیته بسیار پایین می باشند که کاربرد هاي آن را بسیار گسترده کرده است. در این رابطه کربن نانو تیوب داراي استحکام Gpa 30 و سفتی Tpa 1 می باشد که موجب شده ، یکی از ایدئال ترین تقویت کننده ها براي کامپوزیت هاي زمینه فلزي باشد که می تواند استحکام و سفتی را باهم افزایش دهد. فلز روي در دماي محیط تا 6/1درصد وزنی در منیزیم حل می شود و بعد از آن شروع به تشکیل فاز بین فلزي MgZn می کند که این فاز تا 5 درصد وزنی روي ، باعث بهبود خواص خوردگی و بعد از آن به علت تشکیل ساختار شبکه دندریتی در اطرف مرز دانه به صورت کاتد عمل کرده و باعث افزایش خوردگی می گردد .

در سال 2015 گوکوانگ و همکارانش (3)کامپوزیت (CNT/AZ31 )را با استفاده از یک روش 2 مرحله شامل فشردن و اکستروژن قرص هاي CNT/Mg و مخلوط کردن قرص هاي CNT/Mg در مذاب AZ31 و سپس ریخته گري مخلوط آن تولید کردند .این فرایند منجر به توزیع مناسب CNT ها در کامپوزیت و جلوگیري از تخریب و تجمیع آنها می شود در این ازمایش به علت کاهش اندازه دانه به خاطر جوانه زنی ناهمگن خواص مکانیکی هم در شمش و هم در کامپوزیت اکسترود شده بهبود پیدا کرد.استحکام تسلیم کامپوزیت با 0.05 درصد حجمی CNT به میزان 53 درصد افزایش یافته است.که نشان دهنده تاثیر مثبت کربن نانو تیوب بر بهبود خواص مکانیکی منیزیم می باشد .

در سال 2012 فوجان سان و همکارانش (4)با استفاده از روش CVD ) رسوب بخار کاتالیست شیمیایی) کامپوزیتی از منیزیم و CNT تولید کردند. این روش منجر به توزیع یکنواخت CNT ها در کامپوزیت شد. سختی کامپوزیت با 2.4درصد جرمی CNT به میزان 25 درصد افزایش پیدا کرد. استحکام کششی کامپوزیت به Mpa 285 رسید که به معنی 45 درصد افزایش نسبت به منیزیم خالص می باشد.

در سال 2016 جی کیو هان و همکارانش (5)کامپوزیت CNT/Mg را در یک فرایند سه مرحله اي شامل پوشش پودر منیزیم با CNT در ایزوپروپیل الکل ، شستن دوغاب حاصله بوسیله اتانول و خشک کردن به وسیله حرارت و استحکام بخشی به پودر حاصله از طریق SPS ، تولید کردند.که منجر به بهبود داکتیلیته کامپوزیت CNT/Mg نسبت به منیزیم خالص به میزان 33 درصد شد.

شکل 1 –تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی نشر میدانی از نانو لوله های مورد استفاده در این تحقیق .

با توجه به انچه که بیان شدتاکنون به طور کامل و جدی به بررسی کامپوزیتهای تقویت شده منیزیم و کربن نانو تیوب پرداخته شده است اما مقایسه و نظر دهی کامل از باب انتخاب بهترین گزینه جهت کاربردهای ان برای صنعت اتومبیلسازی انتخاب نگردیده است که این امر را میتوان در جنبه های اقتصادی کلان ،تولیدات انبوه و روشهای ساخت ان بررسی کرد.

جدول 1 ، مشخصات آلیاژهای منیزیم

مواد و روش تحقیق

در این فصل ابتدا به شرح مختصری از مشخصات مواد اولیه مورد استفاده در این پژوهش پرداخته می شود. سپس مشخصات تجهیزات مورد استفاده بیان می گردد. بعد از آن روش انجام کار تشریح می شود. ادامه این فصل شامل روش های مشخصه یابی است که خود شامل آزمون های تحلیل و شناسایی، آزمون های خواص مکانیکی و آزمون های خوردگی است.

مشخصات مواد اولیه مورد استفاده در این آزمایش پودر منیزیم، کربن نانو تیوب و روی می باشد که مشخصات مواد خریداری شده به شرح زیر می باشد.

منیزیم مورد استفاده در این تحقیق ساخت شرکت Merck آلمان می باشد

در این تحقیق از نانولولههاي کربنی چند جداره بالاتر از 95 درصد، قطر خارجی 30-20 نـانومتر، قطـر داخلـی 10-5 نانومتر، طول 2 میکرومتر، مساحت ویـژه 110 متـر مربع بر گرم وتولیدي به روش سنتز بخار شیمیایی استفاده شد تصـویر میکروسـکوپی الکترونـی روبشـی نشـر میـدانی ایـن نانولوله ها در شکل (1) نشان داده شده است.

پودر روی مورد استفاده از شرکت Sigma Aldrich با میانگین سایز دانه خریداری شده است. سایر مشخصات به شرح جدول 4 می باشد:

مشخصات تجهیزات مورد استفاده:

ترازوی دیجیتال با دقت 0.01 گرم.

دستگاه بال میل 4 کاپ.

دستگاه لولترا سونیک.

دستگاه همزن مغناطیسی.

آسیاب خانگی.

دستگاه پرس 60 تنی دستی.

کوره تحت گاز آرگون مارک Exciton .

روش کار

این مرحله از این تحقیق آلیاژ سازی مکانیکی بین منیزیم و روی می باشد که به صورت زیر انجام شد: ابتدا مقداری خرده شیشه به علاوه ۵ عدد گلوله مجموعا به وزن ۱۲۰ گرم را داخل هر کدام از کاپ های دستگاه بال میل ریخته و به مدت ۵ دقیق بال میل کرده تا کاپ ها تمیز شدند. سپس کاپ ها را با پارچه و گرفتن باد تمیز کرده و مقادیر منیزیم و روی را به نسبتی که در جدول 5 آمده است داخل هر یک از کاپ ها ریخته و داخل هر کاپ ۵ گلوله انداخته و با دمش گاز آرگون به داخل کاپ ها از عدم حضور اکسیژن در مجاورت مواد اطمینان حاصل شد. تعداد دور در دقیقه و زمان بال میل را به ترتیب روی ۲۰۰ دور در دقیقه و سه ساعت تنظیم (6) و دستگاه روشن شد. بعد از خاموش شدن دستگاه بال میل24ساعت صبر کرده تا پودر نانوی حاصله به دور از اکسیژن و تحت اتمسفر آرگون خنک شود .

سپس میزان 1.5 درصد وزنی کربن نانو تیوب(7) را در 40 میلی لیتر اتانول 96 درصد ریخته (8) و به مدت یک ساعت اولترا سونیک کرده، بعد از باز شدن کامل کربن نانو تیوب ها هرکدام از آلیاژهای منیزیم روی به دست امده از مرحله بال میل را در بشر مربوطه ریخته و به مدت یک ساعت با دستگاه همزن مغناطیسی هم زده شد. سپس مخلوط حاصل را فیلتر کرده و بعد از گذشت 24 ساعت پودر حاصله را در اسیاب دستی به مدت 30 ثانیه و طی 3 مرحله اسیاب کرده و سپس پودر حاصله را با استفاده از یک پرس دستی و قالب فولادی (صرفا جهت ساخت نمونه های مد نظر ، برای ساخت ابعاد بزرگتر قالبها و پرس متفاوت احتیاج است .)کربن دهی سطحی شده و به مشخصات ذکر شده در جدول 6 پرس نموده و قرصهایی به مشخصات جدول 7 تولید گردیده است.

سپس جهت علمل تفجوشی نمونه ها را در در بوته سرامیکی مخصوص گذاشته و در کوره تحت گاز ارگون با طی 3 مرحله (جدول 8) سینتر انجام گرفت

روش های مشخصه یابی

در این قسمت به شرح مختصری از آزمون و تجهزات مورد استفاده در آزمون ها تحلیلی و شناسایی، آزمون های خواص مکانیکی و آزمون های خوردگی پرداخته می شود.

آزمون های تحلیلی و شناسایی

آزمون های تحلیلی و شناسایی مورد استفاده در این تحقیق ، میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی، آزمون پراش پرتوی ایکس و آزمون طیف سنجی مادون قرمز با تبدیل فوریه می باشند. در ادامه به شرح مختصری از هر یک از این ها پرداخته می شود.

میکروسکوپ نوری (OM)

به منظور مشاهده ریز ساختار، مرز دانه ها و تعیین اندازه دانه در کامپوزیت سنتز شده از میکروسکوپ ها نوری ساخت شرکت Meiyi Thechno استفاده شده است. لازم بذکر است جهت تعیین اندازه دانه و مقیاس گذاری تصاویر بدست آمده با این میکروسکوپ از نرم افزار Ts -view استفاده شده است.

میکروسکوپ الکترونی روبشی

میکروسکوپ الکترونی روبشی، از مناسب ترین وسایل در دسترس برای آزمایش و آنالیز مورفولوژی نانو ساختارها و شناسایی ترکیبات شیمیائی است. توانائی SEM برای بررسی سطح مواد بی نظیر بوده و حائز برتری های فراونی نسبت به میکروسکوپ های نوری است.در میکروسکوپ نوری تشکیل تصویر با استفاده از نورهای منعکس شده از سطح نمونه صورت می گيرد، در حالی که در SEM این مهم با بکارگیری الکترون ها میسر می شود. در واقع این میکروسکوپ یکی از روش های تولید تصاویر با روبش یک پرتو الکترونی روی سطح نمونه است. طول موج الکترون ها از فوتون های نور کوتاه تر بوده و طول موج کوتاه تر باعث ایجاد وضوح، قدرت تفکیک و حصول اطلاعات مناسب تر می شود. در حقیقت در SEM هیچ سیستم نوری-الکترونی برای تشکیل تصویر و بزرگ نمائی وجود ندارد، بلکه تصویر از مشاهده نقطه به نقطه پدیده های سطح منتج از اثر متقابل پرتوی الکترونی با سطح نمونه تشکیل می شود.با این روش تصاویر سه بعدی از ساختار، نمونه به دست می آید.

میکروسکوپ الکترونی روبشی مارک LEO435VP ساخت کشور انگلستان و میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی ساخت شرکت TE-Scan که مجهز به آشکار ساز الکترون ٍانویه نیز بوده است استفاده گریده.

آزمون پراش پرتوی ایکس

پراش پرتوی ایکس برای مطالعه ساختار مواد بلوری استفاده میشود ناحیه پرتوی ایکس در طیف الکترو مغناطیس در محدوده بین پرتو گاما و پرتو فرابنفش قرار دارد با استفاده از این ناحیه طیفی میتوان اطلاعاتی در خصوص ساختار کریستالی ، جنس ماده و نیز تعیین مقادیر عناصر به دست آورد و به منظور بررسی تغییرات فازی و دستیابی به الگوی پراش پرتوی ایکس از دستگاه XRD ساخت کشور هلند(Philips PW1730) با پرتو Cu kα(λ=1.541) استفاده گردید همچنین نمونه ها توسط پراش پرتو ایکس با زاویه 2θ بین 10 تا 90 درجه مورد انالیز قرار گرفته اند .

آزمون ها خواص مکانیکی

ازمون هایی که در این تحقیق جهت بررسی خواص مکانیکی کامپوزیت های منیزیم- کربن نانو تیوب -روی استفاده شد عبارتند از آزمون فشار و آزمون سختی سنج میکرو هادرنس. در ادامه به شرح مختصری از هر یک از اینها پرداخته می شود.

آزمون فشار

برای مطالعه و بررسی حداکثر استحکام فشاری، درصد ازدیاد طول و نمودار تنش-کرنش از دستگاه آزمون فشار مارک SANTAM ساخت کشور ایران استفاده شد.

آزمون سختی سنجی میکروهاردنس

برای بررسی سختی نمونه ها از دستگاه سختی سنج میکروهاردنس ساخت شرکت کو پا پژوهش استفاده شده است، هر نمونه 3 بار تکرار .

آزمون های خوردگی

آزمون هایی که در این پژوهش جهت تعیین خواص خوردگی کامپوزیت های منیزیم-کربن نانوتیوب-روی استفاده شد عبارتند از آزمون غوطه وری در محلول رینگر، آزمون پلاریزاسیون پتانسیو داینامیک، آزمون امپدانس و آزمون pH.

 نتایج و بحث

در این بخش ابتدا به بررسی مرفولوژی و ریز ساختار پودر منیزیم کربن نانو تیوب روی پرداخته می شود سپس ریز ساختار کامپوزیت های منیزیم-کربن نانو تیوب - روی مورد بررسی قرار می گیرد. در ادامه این به تشریح خواص مکانیکی کامپوزیت های منیزیم-کربن نانو تیوب روی طی آزمون های سنجش استحکام فشاری و سختی پرداخته می شود. سپس خواص خوردگی این کامپوزیت ها با استفاده از تست های غوطه وری، آزمون پلاریزاسیون تافل، آزمون امپدانس و آزمون pH مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

مرفولوژی و ریز ساختار

در شکل 3-۱ تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از پودر منیزیم-کربن نانو تیوب -روی قبل از انجام پرس نشان داده شده است. تصاویر نشان می دهد که کربن نانو تیوب ها نسبتا به صورت یکنواخت در پودر پیش ساخته توزیع شده اند که می تواند باعث افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت پایه منیزیم شوند. در شکل 3-۲ دیده می شود که ریز ساختار متشکل است از فاز های اولیه α- Mg و فاز ثانویه که در امتداد مرز دانه ها رسوب کرده است. این موارد بوسیله تصویر آشکار ساز الکترون ثانویه که در شکل 3-۳ نشان داده شده است ، تایید میشود .

نتایج آنالیز پراش پرتوی ایکس از کامپوزیت منیزیم-کربن نانو تیوب روی قبل و بعد از تفجوشی به ترتیب در شکل های 3-۴ و 3-۵ نشان می دهد که این نقاط تیره که در امتداد مرز دانه ها رسوب کرده است فاز ثانویه MgZn2 میباشد که با افزایش درصد روی در این آلیاژ، مقدار این فاز در امتداد مرزدانه ها افزایش می یابد . همچنین دیاگرام سیستم دوتائی منیزیم – روی تشکیل فاز ثانویه MgZn2 را تایید مینماید .

همچنین با مشاهده شکل 3-2 دیده میشود که با افزایش درصد روی اندازه دانه ریز تر شده است علت اینکه با افزایش درصد روی در کامپوزیت Mg-1.5 CNT-x Zn اندازه دانه ریز میشود این است که اولا منیزیم و روی هر دو ساختاری کریستاله هگزاگونال دارند و نرخ نفوذ اتمهای روی به داخل شبکه منیزیم از نرخ نفوذ اتمهای منیزیم به داخل شبکه بیشتر است.

شکل 3-1تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از پودر منیزیم – کربن نانو تیوب – روی با بزرگنمایی های مختلف

شکل 3-2ریز ساختارهای کامپوزیت های منیزیم – کربن نانو تیوب – روی تهیه شده با میکروسکوپ نوری با درصدهای وزنی مختلف رویa:0.7% b:1.5% c:3.0% d:5.0% e:7.0%

شکل 3-3 ، a ، تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از آلیاژ منیزیم با 1.5 درصد کربن نانو تیوب و 7 درصد وزنی روی ، b :توزیع کربن نانو تیوب در زمینه منیزیمی ،c ، نمودار EDS از نقطه یک ،d : نمودار EDS از نقطه 2.

شکل3-4 ، نمودار پراش پرتوی ایکس از پودر منیزیم- کربن نانو تیوب – روی با 7 درصد وزنی روی قبل از تفجوشی.

شکل3-5 ، نمودار پراش پرتوی ایکس از کامپوزیت منیزیم – کربن نانو تیوب – روی با 7 درصد وزنی روی بعد از تفجوشی.

خواص مکانیکی

در این قسمت نتایج آزمون هایی فشار و سختی سنج میکرو هادرنس که بر روی کامپوزیت های منیزیم روی - کربن نانو تیوب انجام شد مورد بررسی قرار خواهد گرفت. لازم بذکر است درصد تخلخل کامپوزیت های Mg - 1. 5CNT - xZn با استفاده از رابطه 3-۱ محاسبه شد که نتایج به شرح جدول 10 می باشد.

در این رابطهWd و Ws به ترتیب عبارت اند از وزن نمونه ها در هوا و وزن نمونه ها پس از غوطه وری در آب و دانسیته تئوری کامپوزیت میباشد که از رابطه 3-2 به دست می آید .

استحکام فشاری

همان طور که نمودار ۴-۶ و ۴-۷ نشان می دهد با افزایش درصد روی تا پنج درصد وزنی به آلیاژMg_1-5CNT_xZn استحکام فشاری افزایش می یابد. علت این است که اولا کامپوزیت های پایه منیزیمی حاوی CNT استحکام بالاتری نسبت به کامپوزیت های بدون CNT دارند. این بدین دلیل است که وجود CNT در کامپوزیت باعث کاهش تخلخل کامپوزیت می شود. حتی در مواردی گزارش شده است که CNT ها حفرات کامپوزیت را پر می کنند و در درون آنها نفوذ می کنند و باعث افزایش چگالی کامپوزیت می شوند که نهایتا منجر به افزایش استحکام فشاری کامپوزیت می گردند. در این رابطه پی اتل آن (10) نشان داد که کامپوزیت های CNT/HA مقاومت بسیار بالاتری در برابر رشد ترک نسبت به هیدروکسید آپاتایت دارند. دوما با توجه به مرجع شماره (11) با افزایش درصد Zn در آلیاژ های Mg_1-5CNT_xZn دانسیته افزایش پیدا کرده و اندازه حفرات کاهش پیدا می کند که این باعث کاهش منابع انتشار ترک با افزایش درصد روی می شود.

دوما بدلیل اینکه شعاع اتمی روی (pm134) کمتر است از شعاع اتمی منیزیم (pm160) است و ساختار کریستالی هر دوی آنها HCP است ، اتم های روی که در شبکه منیزیمی حل شده اند باعث اعوجاج شبکه می شوند.

در صورتی که اتم حل شده خود را در جای مناسب نزدیک به مرکز نابجایی لبه ای بیابند این اعوجاج و واپیچش کم شده و انرژی شبکه تا حدود زیادی کاهش می یابد. لذا اتم های حل شده در نتیجه بر هم کنش میدان های کرنش به طرف نابجایی ها کشیده می شود. اما آهنگ حرکت اتم های حل شده تحت اثر این نیرو های جاذبه را آهنگ نفوذ کنترل می کند. در دماهای بالا آهنگ نفوذ بیشتر است و اتمهای حل شده به سرعت اطراف نا به جایی ها جمع می شوند .

این حرکات ادامه می یابد تا غلظت اتم های حل شده در اطراف نابجایی افزایش یابد که این اتم های حل شده با اتم های منزیم فاز MgZn2 تشکیل می دهند یا جو نابجایی تشکیل می دهند که در هر دو صورت حرکت نابجایی ها محدود شده و لذا استحکام افزایش می یابد. لازم بن است اتم های حل شده جانشینی با نابجای های پیچی که میدان های کرنش آنها تقریبا برشی محض است هیچ واکنش نشان نمی دهند (12-13). سوما همان طور که در شکل ۴-۲ دیده می شود با افزودن روی اندازه دانه کاهش بدا می کند که این باعث تمرکز تنش و به تاخیر انداختن انتشار ترک می شود (14). لذا با افزودن روی تا ۵ درصد وزنی استحکام فشاری افزایش پیدا می کند اما در نمونه با ۷ درصد وزنی روی استحام فشاری کاهش پیدا کرده است که علت آن این است که وقتی درصد روی ۷ درصد است یک شبکه به هم پیوسته ای از فاز ثانویه ترد MgZn2 دراطراف مرز دانه تشکیل می شود که منبع انتشار ترک است لذا با افزودن درصد روی به بیش از ۵ درصد وزنی استحکام فشاری کاهش پیدا می کند(15). خواص مکانیکی کامپوزیت های منیزیم کربن نانو تیوب-روی در جدول 11 قید شده است.

شکل 3-6 ، نمودار تنش کرنش فشاری کامپوزیت منیزیم – کربن نانو تیوب – روی با درصدهای مختلف وزنی روی .

A:0.7% B:1.5% C:3/0% D:5/0% E:7/0%

شکل 3-7 : روند تغییرات استحکام فشاری با افزودن درصدهای وزنی روی در کامپوزیت

جدول 11، خواص مکانیکی کامپوزیت

روند تغییرات در صد ازدیاد طول در شکل 3-۸ دیده می شود نظر به مرجع (16-17-18) افزودن کربن نانو تیوب به منیزیم باعث افزایش دوقلویی و تضعیف صفحات پایه و نهایتا افزایش لغزش در منیزیم می شود و افزودن کربن نانوتیوب باعث افزایش داکتیلینه می شود همچنین در مرجع شماره (19-20) گفته شده که افزودن کربن نانو تیوب باعث افزایش نابجایی ها در منیزیم و نهایتا بهبود داکتیلینه می شود.

همچنین در مرجع شماره (21) گفته شده که باعث افزایش افزودن روی باعث بهبود داکتیلیته می شود اما همان طور که در نمودار زیر می بینید با افزودن روی به کامپوزیت نه تنها در صد ازدیاد طول بهبود پیدا نکرده بلکه تا حدودی هم کم شده است که علت این است که با توجه به نتایج XRD نمونه با 7 درصد وزنی روی شکل 3-5 در این کامپوزیت MgO ایجاد شده است که بتعث کاهش جزئی در داکتیلیته شده است که این نتایج با نتایج تحقیقات (22-23-24) هم سازگار است . نتایج خواص مکانیکی در جدول 11 نشان داده شده است.

شکل3-8 ، نمودار درصد ازدیاد طول در تنش فشاری در کامپوزیت بر حسب درصد وزنی روی

سختی

جهت اندازه گیری سختی از دستگاه نانو سختی سنج مدل koopa در این امر پژوهشی استفاده شده است . از بار 0.25 N ، زمان نشست 10 ثانیه و بزرگنمایی 20 برابر استفاده شده است . نتایج با درصد های وزنی مختلفی از روی 0.7 تا 7.0 درصد وزنی ، در شکل 3-9 نشان داده شده است.

که نشان دهنده این است که با افزایش درصد وزنی روی در نمونه ها سختی نیز افزایش میابد.

شکل 3-9 ، روند تغییرات سختی ویکرز در کامپوزیت

رفتار خوردگی

نتایج نشان دهنده این امر هستند که با افزودن روی به کامپوزیت تا 5 درصد وزنی نرخ خوردگی روند کاهشی داشته است و با افزودن مقادیر بیشتر روی نرخ خوردگی افزایش میابد

شکل 3-10 ، نرخ خوردگی بر حسب درصد وزنی روی

شکل 3-11 نمودار آزمون آشکار ساز الکترون ثانویه (EDS) از سطح کامپوزیت – منیزیم – کربن نانو تیوب – روی با 7 درصد وزنی روی بعد از غوطه وری در محلول رینگر به مدت 18 ساعت

شکل 3-12 نمودار پراش پرتو ایکس از کامپوزیت – منیزیم – کربن نانو تیوب – روی با 7 درصد وزنی روی بعد از غوطه وری در محلول رینگر به مدت 18 ساعت.

آزمون پلاریزاسیون تافل

برای ارزیابی رفتار خوردگی کامپوزیت منیزیم کربن نانو تیوب روی آزمون پلاریزاسیون تافل در محلول رینگر انجام شده است. که نتایج آن در نمودار شکل 3-۱3 دیده می شود. از روی نمودار دیده می شود که نمونه با 0.7 درصد وزنی روی پتانسیل منفی تری نسبت به سایر نمونه ها با 1.5 ، 3 ، 5 ، 7درصد وزنی روی دارد که این نشان دهنده تاثیر چشمگیر روی بر خواص خوردگی این کامپوزیت می باشد. پتانسیل خوردگی نمونه با ۱۸ درصد وزنی روی ، mVSCE ۱۴۷۰- است که به میزان mVSCE ۴۴ پایین تر از پتانسیل خوردگی نمونه با 1.5 درصد وزنی روی است. مشاهده می شود که با افزودن روی تا ۵ درصد وزنی پتانسیل خوردگی به سمت پتانسیل های نجیب شیفت پیدا می کند. چگالی جریان خوردگی نمونه با ۵ دردصد وزنی روی µA/cm2 25 است که ۷۴ واحد پایین تر است از چگالی جریان خوردگی نمونه با ۰ / ۷ درصد وزنی روی (µA/cm2 0.99 ) .این نشان می دهد که فاز های بین فلزی به طور کلی منحنی های پلاریزاسیون کاتدی نشان دهنده آزاد شدن گاز هیدروژن هستند. در حالیکه منحنی های پلاریزاسیون آندی حل شدن منیزیم را نشان می دهند (25). سینتیک واکنش های کاتدی در نمونه با 0.7 درصد وزنی روی در مقایسه با سایر کامپوزیت ها سریع تر است. این پدیده نشان می دهد که واکنش های کاتدی از لحاظ سینتیکی با افزایش درصد روی کند تر می شوند.

چگالی جریان خوردگی (icorr) ، پتانسیل خوردگی (Ecorr) ، شیب تافل كاتدی (cβ) ، شیب تافل آندی (aβ) و نرخ خوردگی در نمونه ها با درصد های وزنی روی 0.7تا 7.0، از نمودار پلاریزاسیون استخراج شده و در جدول شماره 10 نشان داده شده است. همچنین با استفاده از پارامتر های الکتروشیمایی (icorr، cβ ، aβ) نمونه ها مقاومت پلاریزاسیونی (Rp) مطابق با فرمول3-2 محاسبه شده است (26).

نتایج نشان می دهد که با افزایش درصد روی تا ۵ درصد وزنی مقاومت خوردگی نمونه افزایش می یابد. مشاهده می شود که با افزایش درصد روی تا ۵ درصد وزنی مقاومت خوردگی Rp افزایش می یابد.

دیده می شود که نمونه با ۵ درصد وزنی روی بیشترین مقدار Rp يعني 1/88 KΩ cm2 را دارد. افزودن مقادیر بیشتر روی باعث کاهش Rp تا 1/44 KΩ cm2 می شود. با توجه به اینکه در محدوده mV ۵۰ از پتانسیل خوردگی، تغییرات پتانسیل خوردگی نسبت به چگالی جریان خطی است و نتایج این آزمایش در این محدوده جمع آوری شده است از بروز خطای مربوط به خطی نبودن تغییرات پتانسیل الکتریکی نسبت به جریان خوردگی جلوگیری شده است.

جدول 12 ، نتایج آزمون پلاریزاسیون تافل کامپوزیتها

نتایج جدول 12 نشان میدهد که نمونه با 5 درصد وزنی روی دارای کمترین نرخ خوردگی است و ترتیب افزایش خوردگی به صورت رابطه

ثانویه تاثیر قابل ملاحظه ای روی نرخ خوردگی این کامپوزیت دارند.

زیر میباشد :

Mg_1-5CNT_5.0Zn > Mg_1-5CNT_7.0Zn > Mg_1-5CNT_3.0Zn > Mg_1-5CNT_1.5Zn > Mg_1-5CNT_0.7Zn

شکل 3-13 ، منحنی آزمون پلاریزاسیون تافل کامپوزیتهای منیزیم-کربن نانو تیوب – روی با درصدهای وزنی مختلف روی .A: 0.7% - B: 1.5% - C: 3.0% - D:5.0% - E: 7.0%

آزمون امپدانس

در نمودار های نایکوئیست قطر کمان در فرکانس های بالا نشان دهنده مقاومت بیشتر در فصل مشترک کامپوزیت - الکترولیت می باشد. بنابر این نتیجه می شود که قطر کمان بیشتر نشان دهنده انتقال بار کمتر بين الكترولیت و کامپوزیت می باشد که منجر به افزایش مقدار Rct می شود. منحنی نایکوئیست شکل3-14 نشان می دهد که اضافه کردن بیشتر از ۵ درصد وزنی روی به کامپوزیت پایه منیزیمی منجر به کاهش قطر كمان حلقه ظرفیتی و بنابراین کاهش مقاومت به انتقال بار (Rct) می گردد. این در حالیست که بیشترین مقدار Rct زمانی بدست می آید که ۵ درصد وزنی روی به کامپوزیت پایه منیزیمی اضافه گردد که نشان می دهد اضافه کردن روی تا ۵ درصد وزنی باعث کاهش شدید مقدار انحلال کامپوزیت می گردد.

نمودار بعد پلات در شکل 3-15 نشان می دهد که کامپوزیت هایی که حاوی ۵ درصد وزنی روی هستند دارای بیشترین مقدار مدول امپدانس در فرکانس کم بوده که نشان دهنده حداکثر مقاومت خوردگی می باشد. نتایج آزمون بعد فاز در شکل 3-16 نیز نشان می دهد که کامپوزیت های حاوی ۵ درصد وزنی روی دارای بیشترین زاویه در فرکانس متوسط هستند که نشان دهنده خواص مقاومت به خوردگی بسیار بالای آن ها می باشد.

شکل 3-14 ، نمودار نایکوئیست کامپوزیتهای منیزیم –کربن نانو تیوب – روی با درصدهای وزنی روی A: 0.7% - B: 1.5% - C: 3.0% - D:5.0% - E: 7.0%

شکل 3-15 ، نمودار امپدانس بعد پلات کامپوزیتهای منیزیم-کربن نانو تیوب-روی با درصدهای وزنی مختلف روی.

A: 0.7% - B: 1.5% - C: 3.0% - D:5.0% - E: 7.0%

شکل 3-16 ، نمودار امپدانس بعد فاز کامپوزیتهای منیزیم-کربن نانو تیوب-روی با درصدهای وزنی مختلف روی .

A: 0.7% - B: 1.5% - C: 3.0% - D:5.0% - E: 7.0%

برای نمونه های کامپوزیت منیزیم - کربن نانو تیوب روی که در حال خورده شدن در محلول رینگر است یک مدل در شکل 3-۱7 نشان داده شده است. در این مدل Rs مقاومت محلول در مقابل انتقال بار می باشد. ظرفیت خازنی CPEα را می توان معادل لایه دوگانه الکتریکی دانست زیرا این لایه دوگانه مشتمل بر دو لایه بار است که با فاصله توسط مولکول های آب از همدیگر جدا شده اند.

این فاصله دی الکتریک بین دولایه به دلیل امکان عبور یون های فلزیMg 2+ و 2+ Zn در حال حل شدن و یا یون هایی دیگری مانند +H در محلول رسانایی دارد. بنابراین بدلیل رسانش الکتریکی بین دو صفحه خازن مقاومت الکتریکی Rα را که به صورت موازی با خازن CPEct قرار گرفته به عنوان مقاومت خوردگی فلز در محلول نسبت می دهیم. به دلیل نفوذ محلول رینگر به داخل کامپوزیت حفره هایی در داخل نمونه ایجاد می شود که به خاطر وجود الكتروليت در این حفره ها به مانند یک خازن عمل می کند لذا در اینجا خازن Cpor که به صورت موازی با مقاومت Rpor قرار گرفته است برای این مورد لحاظ شده است.

شکل 3-17 ، مدل فیزیکی کامپوزیت در حال خورده شدن در محلول رینگر

در شکل3-18 مدار معادل برای کامپوزیت منیزیم-کربن نانو تیوبروی با درصد های وزنی روی از 0.7 تا 7.0 نشان داده شده است. نتایج این مدار در جدول13 نشان داده شده است. همان طور که نتایج نشان می دهد بیشتر Rα مربوط به نمونه با ۵ درصد وزنی روی می باشد که نشان دهنده بیشترین مقاومت در برابر خوردگی است.

ترتیب افزایش مقاومت در برابر خوردگی به صورت زیر می باشد.

Mg-1.5CNT-5Zn> Mg-1.5CNT-7Zn> Mg-1.5CNT-3Zn>

Mg-1.5CNT-1.5Zn> Mg-1.5CNT-0.7Zn

شکل 3-18 مدار معادل کامپوزیت منیزیم –کربن نانو تیوب – روی با 0.7 درصد وزنی روی .

جدول 13 ، نتایج مدار معادل کامپوزیت منیزیم – کربن نانو تیوب – روی با درصد های وزنی مختلف روی

آزمون pH

به روشی که در قسمتهای قبل گفته شد تست pH انجام شد. دیده شد که pH نمونه ها بعد از گذشت ۳ ساعت بعد از غوطه وری به طور چشمگیری افزایش پیدا کرده است. سپس روند افزایش کند تر شده و در یک مقدار ثابت تقریبا تثبیت می شود. این به خاطر این است که کل سطح نمونه از ابتدا در معرض محلول رینگر بوده و نرخ خوردگی بالاست. با خورده شدن سطح نمونه محصولات خوردگی روی سطح نمونه را پوشانده و سطح فعال را که در تماس با محلول رینگر است کاهش می دهد که این باعث می شود که نرخ خوردگی کاهش پیدا کند. ایجاد محصولات خوردگی و حل شدن این محصولات توسط یون -Cl باعث ایجاد یک تعادل دینامیکی شده که منجر به پایدار شدن pH می شود. ترتیب pH پایدار شده در نمونه های به صورت زیر می باشد.

1.5CNT-5Zn < Mg-1.5CNT-7Zn < Mg-1.5CNT-3Zn

< Mg-1.5CNT-1.5Zn < Mg-1.5CNT-0.7Zn

آزمون طیف سنجی مادون قرمز با تبدیل فوریه

نتایج آزمون طیف سنجی مادون قرمز با تبدیلات فوریه از محصولات خوردگی آلیاژهای پس از غوطه وری در محلول رینگر به مدت 24 ساعت در شکل 3-19 نشان داده شده است. نمونه های تهیه شده به منظور آنالیز سطح از سطح آلیاژها انتخاب شده تا اطمینان حاصل شود که لایه سطحی که شامل محصولات خوردگی است به طور کامل انتخاب شده است. مواد گرفته شده از سطح با استفاده از برومید پتاسیم و با نسبت 1 به 100 دقیق رقیق شده اند تا از بازتاب طیف جلوگیری شود . یک پیک تیز cm-13697 نشان میدهد که این مشخصه نشاندهنده پیوند 0-H در ساختار کریستالی Mg(OH)2 میباشد. باند جذبی پهنی که در cm-1 3426 وجود دارد به نوسانات پیوندهای مولکولهای آب مربوط است. گروه عاملی فسفات در طول موج های 1323-1519 برای حالتυ3 شناسایی شده است . یک باند در طول موج cm-1454 که مرتبط با نوسانات υ2 گروه عاملی کربوکسیل شناسایی شده است. مشهود است که محصولات خوردگی به طور عمده شامل Mg(OH)2 میباشد . با این وجود درصد جذب طیف مادون قرمز توسط Mg(OH)2 در محصولات خوردگی آلیاژهای با افزایش مقدار Zn کاهش پیدا میکند . وجود Mg(OH)2 در محصولات خوردگی این کامپوزیت بوسیله تست XRD نیز تائید میشود.

شکل 3-19 ، نتایج آزمون طیف سنجی مادون قرمز با تبدیل فوریه کامپوزیت ها منیزیم کربین نانو تیوب – روی با درصدهای مختلف روی .

A: 0.7% - B: 1.5% - C: 3.0% - D:5.0% - E: 7.0%

- نتیجه گیری

در این پژوهش کامپوزیت منیزیم-کربن نانو تیوب روی با استفاده از روش آلیاژ سازی مکانیکی تولید شد، نتایج این پژوهش به شرح زیر می باشد:

نتایج ریز ساختاری از نانو کامپوزیت های پایه منیزیمی نشان داد که کامپوزیت های پایه منیزیمیMg - 1.5 CNT - xZn شامل فازهای Mg-α و MgZn2 به همراه توزیع یکنواخت CNT در زمینه منیزیمی می باشد که موجب بهبود قابل ملاحظه خواص مکانیکی کامپوزیت می گردد.

نتایج نشان می دهد افزودن روی تا ۵ درصد وزنی به کامپوزیت های تولید شده باعث بهبود استحکام فشاری می شود. افزودن مقادیر بیشتر از ۵ درصد روی باعث افت شدید در استحکام فشاری کامپوزیت های ساخته شده می شود. با افزایش درصد وزنی روی در کامپوزیت ها منیزیم کربن نانو تیوب روی درصد ازدیاد طول با شیب ملایمی افت پیدا می کند که علت آن به خاطر وجود اکسید های منیزیم است.

با افزایش درصد وزنی روی در کامپوزیت ها منیزیم کربن نانو تیوب روی سختی کامپوزیت افزایش پیدا می کند بیشترین مقدار سختی در کامپوزیت با ۷ درصد وزنی روی بدست آمد.

افزایش درصد وزنی روی در کامپوزیت ها منیزیم کربن نانو تیوب -روی تا ۵ درصد وزنی باعث بهبود مقاومت به خوردگی می شود و بعد از آن بدلیل افزایش خوردگی میکرو گالوانیکی بین فاز ثانویه MgZn2 و فاز زمینه منیزیم نرخ خوردگی بیشتر می شود.

Body in white

این مقاله توسط محمد طاهر امیرزاده ایرانق در اولین سمپوزیوم ساخت بدنه خودرو (BIW98) The First Symposium on Automotive Body In White manufacturingدر دانشگاه صنعتی شریف ارائه شده است.

مراجع

Zhang, D. T., Xiong, F., Zhang W. W., Qui, C., and Zhang, W., “Superplasticity of AZ31 Magnesium Alloy Prepared by Friction Stir Processing”, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Vol. 21, pp. 1911-1916, 2011.

Gray, J. E., and Luan, B., “Protective Coatings on Magnesium and Its Alloys-a Critical Review”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 336, pp. 88- 113, 2002.

Fujun Sun, Chunsheng Shi, Kyong Yop Rhee, Naiqin Zhao , In situ synthesis of CNTs in Mg powder at low temperature for fabricating reinforced Mg composites , Journal of Alloys and Compounds 551 (2013) 496–501.

G.Q. Han, J.H. Shen, X.X. Ye , B. Chen, H. Imai, K. Kondoh , W.B. Du , The influence of CNTs on the microstructure and ductility of CNT/Mg composites , Materials Letters 181 (2016) 300–304.

Katsuyoshi Kondoh, Hiroyuki Fukuda, Junko Umeda, Hisashi Imai, Bunshi Fugetsu , Microstructural and mechanical behavior of multi-walled carbon nanotubes reinforced Al–Mg–Si alloy composites in aging treatment, CARBON 72 (2014) 15– 21.

Muhammad Rashad, Fusheng Pan, Muhammad Asif, Aitao Tang , Powder metallurgy of Mg–1%Al–1%Sn alloy reinforced with low content of graphene nanoplatelets (GNPs) , Journal of Industrial and Engineering Chemistry xxx (2014) xxx–xxx.

MetehanC.Turhan, QianqianLi, H. Jha, Robert F. Singer, Sannakaisa Virtanen, Corrosion behaviour of multiwall carbon nanotube/magnesium composites in3.5% NaCl , ElectrochimicaActa56 (2011) 7141–7148

Naing Naing Aung, Wei Zhou , Chwee Sim Goh, Sharon Mui Ling Nai, Jun Wei , Effect of carbon nanotubes on corrosion of Mg–CNT composites , Corrosion Science 52 (2010) 1551–1553 .

Keisuke Funatsu, Hiroyuki Fukuda, Rei Takei, Junko Umeda, Katsuyoshi Kondoh, Quantitative evaluation of initial galvanic corrosion behavior of CNTs reinforced Mg–Al alloy, Advanced Powder Technology 24 (2013) 833–837.

Shuhua Cai, Ting Lei, Nianfeng Li, Fangfang Feng , Effects of Zn on microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of Mg–Zn alloys , Materials Science and Engineering C 32 (2012) 2570–2577.

Yingwei Song, En-Hou Han, Dayong Shan, Chang Dong Yim, Bong Sun You, The effect of Zn concentration on the corrosion behavior of Mg–xZn alloys, Corrosion Science 65 (2012) 322–330.

Hui Du, Zunjie Wei, Xinwang Liu , Erlin Zhang , Effects of Zn on the microstructure, mechanical property and bio-corrosion property of Mg–3Ca alloys for biomedical application, Materials Chemistry and Physics 125 (2011) 568–575.

Yang Yan, Hanwen Cao, Yijun Kang, Kun Yu, Tao Xiao, Jie Luo, Youwen Deng, Hongjie Fang, Hanqing Xiong, Yilong Dai , Effects of Zn concentration and heat treatment on the microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of as-extruded Mg-Zn alloys produced by powder metallurgy , Journal of Alloys and Compounds 2016.

V.K. Lindroos, M.J. Talvitie., J. Mater. Process. Technol. 53 (1995) 273–284.

D.J. Lloyd., Int. Mater. Rev. 39 (1994) 1–23.

H. Fukuda, J.A. Szpunar, K. Kondoh, R. Chromik., Corros. Sci. 52 (2010) 3917– 3923.

P. Changizian, A. Zarei-Hanzaki, A.A. Roostaei., Mater. Des 39 (2012) 384–389.

W.Y. Zhou, X.D. Bai, E.G. Wang, S.S. Xie., Adv. Mater. 21 (2009) 4565–4583.

W.H. Knechtel, G.S. Dusberg, W.J. Blau, E. Hernandez, A. Rubio., Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 1961–1963.

Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 1991;354:56–8

Mylvaganam K, Zhang LC. Important issues in a molecular dynamics simulation for characterizing the mechanical properties of carbon nanotubes. Carbon 004;42:2025–32.

Xue QZ. Model for the effective thermal conductivity of carbon nanotube composites. Nanotechnology 2006;17:1655–60.

Kwon H, Estili M, Takagi K, Miyazaki T, Kawasaki A. Combination of hot extrusion and spark plasma sintering for producing carbon nanotube reinforced aluminum matrix composites. Carbon 2009;47:570–7.

Laha T, Agarwal A. Effect of sintering on thermally sprayed carbon nanotube reinforced aluminum nanocomposite. Mater Sci Eng A 2008;480:323–32.

Laha T, Agarwal A, McKechnie T, Seal S. Synthesis and characterization of plasma spray formed carbon nanotube reinforced aluminum composite. Mater Sci Eng A 2004;381:249–58.

Izadi, H. and Gerlich, A. P., “Distribution and Stability of Carbon Nanotubes During Multi-Pass Friction Stir Processing of Carbon Nanotube/Aluminum Composites”, Carbon, Vol. 50, pp. 4744-4749, 2012..