Development and Characterization of Carbon Nanotubes (CNTs) And Silicon Carbide (SiC) Reinforced Al-based Nanocomposites. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Development_and_Characterization_of_Carbon_Nanotubes_(CNTs)_And_Silicon_Carbide_(SiC)_Reinforced_Al-based_Nanocomposites.pdf - Accepted Version Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

تعد المواد المركبة أحد أهم المواد الهندسية والتي تصنع إما على طريقة المصفوفات أو بالتعزيز من أجل الحصول على مواصفات فائقة الفوة على المستوي المتناهي في الصغر لم بكن بالإمكان الحصول عليه بإتخدام كل مادة منفصلة على حدا. الصلابة وخفة الوزن والمقاومة للتفاعلات الكيميائية بالإضافة إلى قوة التحمل للقوى المتغيرة حتى على المدى البعيد يجعل من هذه المواد محل جذب نظرا للمواصفات فائقة التميز مقارنة بغيرها من المواد. تمتملك مصفوفات المعادن المركبة خصائص ميكانيكية وفيزيائية متميزة وكذلك معدن الألمونيوم المركب أصبح محل إهتمام بالغ خصوصا في القطاع الصناعي مثل صاعة مركبات الفضاء ووسائل النقل المختلفة. الهدف من هذا المشروع البحثي هو تحسين تصنيع مركب معدن الألمونيوم من خلال إضافة Carbon nanotubes (CNTs) and silicon carbide particulates (SiCp) بأحجام متناهية الصغر بإستخدام التعدين الميكانيكي وطرق متقدمة تساهم في دمج وتماسك المركبات مثل : Spark Plasma Sintering (SPS) لمعدنين من الألمونيوم هما (Al-7Si-0.3Mg and Al-12Si-0.3Mg) بنسب مختلفة تم إضافة كلا من SiCp and CNTs إلى آلة الطحن لفترات زمنية مختلفة تحت محيط متحكم فيه كل ذلك من أجل دراسة أثر كلا من الفترة الزمنية في عملية الطحن وتوزيع المادة المضافة.تم إختبار وتحليل النتائج بإستخدام تقنيات دقيقة ومتقدمة من اجل دراستها والوصول إلى نتائج علمية دقيقة وصحيحة وهذه الأجهزة مثل: Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM), Energy Dispersive Spectroscopy(EDS), X-Ray Mapping, X-Ray Diffraction(XRD) and Particle Size Analyses(PSA) النتائج أظهرت أن إضافة كلا من SiCp and CNTs بكميات كبيرة في كلا المعدنين يساعد في تحسين بناء البودرة الناتجة وكأن هذه المواد المعززة تعمل كعامل صنفرة داخل المادة الأساسية. كذلك التوزيع الجيد لجسيمات المادة المعززة شوهدت من خلال المجهر الإلكتروني وليس هناك تباين تركيبي من خلال ما شوهد بواسطة ). هناك درجة من التجمع بغض النظر عن أثر مادة إثيل الكحول المضافة خلال طحن CNTs ومن خلال الأشعة السينية تم مشاهدة النقصان في الحجم البلوري وزيادة في الإنفعال الداخلي كلما زادت النسبة الوزنية للمواد المعززة بسبب التشوه البلاستيكي الكبير. نسبة Al/SiC و Al/CNTs تم دمجهم بنجاح من خلال SPS عند درجات حرارة مختلفة (400, 450, 500) ل SiC بنسب وزنية مختلفة (5,12,20,0.5) و الكربون نانو تيوب طحنت لمدة 20 ساعة و3 ساعات على التوالي. تم الوصول إلى أن التسخين إلى 500 درجة مئوية هي أفضل درجة حرارة نظرا لإمكانية تكثيف المادة إلى 98% للمواد المعززة SiCو100% للموتد غير المعززة . عند إضافة 20% من ال SiC هناك إنخفاض قليل في الصلابة. كذلك الصلابة والكثافة في زيادة عند إضافة CNTs فتم الحصول على 100% من الكثافة عند 500 درجة مئوية. فقيمة الصلابة زادت من 68 إلى 82 عند إضافة الكاربون بنسبة مابين 0 إلى 0.5 نسبة وزنية. ختاما التسخين لكلا المعدنين عند درجة 500 مئوية وأعلى يعتبر هو الخيار الأنسب والأفضل كذلك إستخدام SiCp و CNTs كمواد معززة تحسن بشكل ملحوظ صلابة المادة كذلك بالنسبة للمعادن الألمونيوم التي تحتوي على نسبة أعلى من Si تظهر صلابة أعلى عند نفس المعزز وعوامل التسخين.

English Abstract

Composites are engineered materials developed from constituent materials; matrix and reinforcements, to attain synergistic behavior at the micro and macroscopic level which are different from the individual materials. The high specific strength, low weight, excellent chemical resistance and fatigue endurance makes these composites superior than other materials despite anisotropic behaviors. Metal matrix composites (MMCs) have excellent physical and mechanical properties and alumium (Al) alloy composites have gained considerable interest and are used in multiple industries including: aerospace, structural and automotive. The aim of this research work is to develop an advanced Al-based nanocomposites reinforced with Carbon nanotubes (CNTs) and silicon carbide particulates (SiCp) nanophases using mechanical alloying and advanced consolidation procedure (Non-conventional) i.e. Spark Plasma Sintering (SPS) using two types of aluminum alloys (Al-7Si-0.3mg and Al-12Si-0.3Mg). Different concentrations of SiCp and CNTs were added and ball milled for different milling periods under controlled atmosphere to study the effect of milling time and the distribution of the second phases. Characterization techniques were used to investigate the morphology of the as received monolithic and milled powder using Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), X-Ray Mapping, X-Ray Diffraction (XRD) and Particle Size Analyses (PSA). The results revealed that the addition of high concentrations of SiCp and CNTs in both alloys aided in refining the structure of the resulting powder further as the reinforcement particles acted like a grinding agent. Good distribution of reinforcing particles was observed from SEM and no compositional fluctuations were observed from the EDS. Some degree of agglomerations was observed despite the ethyl alcohol sonication effect of the CNTs before ball milling. From the XRD; continuous reduction in crystallite size and increase in internal strains were observed as milling progressed with increase in wt.% reinforcement due to the severe plastic deformation. Al/SiC and Al/CNTs were successfully consolidated by the SPS at sintering temperatures of 400, 450 and 500C with SiC at 5, 12 and 20wt% and 0.5wt%CNT milled for 20hrs and 3 hrs respectively. It was obtained that sintering temperature of 500C was the most suitable as the densification achieved for SiC reinforced sample was above 98% and 100% for unreinforced sample. The hardness increased with increasing SiC content from 0, 5 to 12 wt% i.e 68, 82, 85 respectively. At 20%wt of SiC a slight decrease in the hardness was observed i.e. 70 which might be attributed to high wt.% SiC, a similar trend was observed for the other alloy studied. For CNT reinforced samples, the hardness and densification increased significantly and 100% densification was obtained at 500ºC, a hardness value from 68 to 82 was achieved from 0 to 0.5wt%CNT with a similar trend to the other alloy of interest. Conclusively, sintering of both alloys at 500ºC and above is the most suitable, the use of SiCp and CNTs as reinforcements improved the hardness, 12wt% SiC showed better hardness values than 20wt% SiC at all three temperatures and the Al alloy containing higher Si in its alloying elements showed better hardness values using the same reinforcement and sintering parameters.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Mohammed Al-Aqeeli, Nasser/Dr
Committee Members:	Tahar, Laoui/Dr and Saheb, Nouari/Dr
Depositing User:	Abdullah Gujba (g200904830)
Date Deposited:	22 May 2012 07:33
Last Modified:	01 Nov 2019 15:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/138630