Influence of Processing on Microstructure and Properties of Al-Al2O3 Nanocomposites. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_14-07-2016.pdf Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

تعتبر المركبات النانوية ذات الأساس المعدني من المواد المتقدمة و التي تطورت بإستخدام مواد نانوية مقوية سيراميكية داخل أساسات نانو بلورية معدنية. تتمتع هذه المركبات بخصائص بارزة و إمكانية كبيرة لتطبيقها في عدد كبير من التطبيقات الوظيفية و الهيكلية. بصرف النظر عن أهمية المركب النانوي ذو الاساس المعدني (الألمنيوم و أكسيد الأمنيوم). فإن الدراسات المتعلقة بتصنيعها باستخدام السبك الميكانيكي والتلبيد بشرارة البلازما هي نادرة جدا في الوسط البحثي. إن الهدف الرئيسي من هذا البحث هو إستطلاع إمكانية تصنيع مسحوق بلورات الألمنيوم النانوية و مسحوق المركب النانوي للألمنيوم و أكسيد الألمنيوم بإستخدام طريقتي السبك الميكانيكي و التلبيد بشرارة البلازما. والهدف الثاني هو دراسة تأثير ظروف الطحن والتلبيد على البنية الذرية و الكثافة و الخواص الميكانيكية والحرارية. تم استخدام المجهر الإلكتروني و جهاز حيود الأشعة السينية وتخطيطها لتحديد خصائص المساحيق والعينات المتكلسة. تم قياس كثافة وصلابة العينات المتكلسة باستخدام مقياس الكثافة واختبار الصلادة. تم فحص الخصائص الإنضغاطية للمواد التي تم تطويرها باستخدام اختبار آلة الضغط. تم استخدام المحلل الحراري لتوصيف الخصائص الحرارية ، مثل كل من : الموصلية الحرارية و الانتشار الحراري والسعة الحرارية. تم استخدام مقياس التوسع لقياس معامل التمدد الحراري للعينات المتكلسة. لوحظ أن طحن الألمنيوم لمدة 24 ساعة يعمل على خفض حجم بلوراته إلى أقل من 100 نانومتر. أما بالنسبة لـلمادة المركبة النانوية من الألمنيوم و أكسيد الألمنيوم فإن الطحن لمدة 24 ساعة خفض حجم البلورة للألومنيوم وساعد في توزيع أكسيد الألمنيوم (المقوي) بإنتظام. عملية التلبيد للمساحيق المصنعه عملت على نمو حجم البلورات. عندما تم تلبيد العينات لمدة 20 دقيقة، ساهم أكسيد الألمنيوم على تثبيط النمو وتحسين الصلابة لكنها عملت على خفض الكثافة. أظهر مركب الألمنيوم المقوى بـ 10% من أعلى قيمة صلابة فيكرز (1463 ميجا باسكال). أدت عملية الطحن الميكانيكي لمدة 24 ساعة و من ثم إضافة 10٪ من أكسيد الألمنيوم إلى زيادة قوة تحمل الضغط بمعدل 111.5٪. علاوة على ذلك فإن إضافة أكسيد الألمنيوم النانوي السيراميكي أدى إلى إنخفاض الخواص الحرارية ولكن زاد من الاستقرار الحراري لهذه المركبات المطورة.

English Abstract

Metal matrix nanocomposites are advanced materials developed using ceramic nano-reinforcements and nanocrystalline metal matrices. These composites have outstanding properties and high potential for large number of functional and structural applications. Despite the importance of Al-Al2O3 metal matrix nanocomposites, work pertaining to their processing using mechanical alloying and spark plasma sintering is very scarce in the literature. The objective of this research work is to explore the possibility to synthesize nanocrystalline aluminum and homogenous Al-Al2O3 nanocomposite powders using mechanical alloying and consolidate them through spark plasma sintering technique. The second objective is to investigate the influence of milling and sintering conditions on the microstructure, densification, mechanical and thermal properties of the developed materials. Scanning electron microscopy, x-ray diffraction and mapping were used to characterize the powders and sintered samples. Density and hardness of sintered samples were measured using densimeter and hardness tester, respectively. Compressive properties of the developed materials were evaluated using universal testing machine. A thermal analyzer was used for thermal characterization i.e. thermal conductivity, thermal diffusivity, and specific heat capacity. A dilatometer was used to measure the coefficient of thermal expansion of the sintered samples. It was observed that the milling of pure aluminum for 24 h reduced its crystallite size to less than 100 nm. For Al-Al2O3 nano-composites, milling for 24 h decreased the crystallite size of the aluminum phase and resulted in uniform dispersion of the reinforcement. Sintering of the synthesized powders led to the grain growth. Al2O3 contributed to growth inhibition when samples were sintered for 20 minutes; and improved the hardness but reduced densification. The Al-10 vol. % Al2O3 nanocomposite showed the highest Vickers hardness value of 1463 MPa. Mechanical milling for 24 h and the addition of 10% volume fraction of Al2O3 ceramic nanoparticles increased the compressive strength. A 111.5 % increase in compressive strength was observed for 10% by volume Al-Al2O3 nanocomposite. Furthermore, addition of Al2O3 nanoparticles decreased thermal properties but increased thermal stability of the developed materials.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Nouari, Saheb
Committee Members:	Arif, Abulfazal Muhammad and Syed, Sohail Akhter
Depositing User:	muhammad s khan (g201307430)
Date Deposited:	27 Jul 2016 09:20
Last Modified:	01 Nov 2019 16:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140063