Processing and thermal behavior of alumina hybrid nanocomposites. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Umer_Hayat_Thesis.pdf - Submitted Version Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives. Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

أدت الحاجة إلى تطوير الخصائص الميكانيكية والوظيفية للمواد الخزفية أحادية الطور- لتلبية الطلب المتزايد على المواد الخزفية المتقدمة- إلى تطوير المواد الخزفية المركبة و المواد المركبة النانوية، بالإضافة إلى تطوير البنية المجهرية الهجينة عن طريق المواد المركبة الهجينة، والتي أمكن الحصول عليها عن طريق تدعيم الطور الأساسي بطورين نانونويين مقويين يملكان تركيبا أشكالا مختلفة. يعتبر أكسيد الألمنيوم من المواد الخزفية المتقدمة، والذي يستخدم في صناعة أدوات القطع و الأعضاء الصناعية و العوازل. يمكن تحسين الخواص الفيزيائية والميكانيكة لأكسيد الألمنيوم عن طريق دمج طور نانوي. بالإضافة إلى ذلك، فإن إضافة جسيمات كاربيد السيليكون النانوية و أنابيب الكربون النانوية تساهم في تشكيل مادة أكسيد الألمنيوم النانوي المركبة ببنية مجهرية مغايرة وخواص متميزة. بالنظر إلى ما نشر في هذا المجال، يمكن ملاحظة أن أغلبه متعلق بتحليل البنية المجهرية والخصائص الميكانيكية ، بينما صرف القليل من البحث في دراسة الخواص الحرارية و التوصيل الكهربائي لهذه المواد المركبة درس هذا العمل البحثي الخواص الحرارية لأكسيد الألمنيوم بدلالة درجة الحرارة، بالإضافة إلى تأثير كاربيد السيليكون وأنابيب الكربون النانوية على الخواص الحرارية والتوصيل الكهربائي لهذه المادة المركبة النانوية الهجينة، حيث ربطت هذه الخصائص مع البنية المجهرية للمادة . ناقش البحث كذلك آليات التوصيل المحتملة. صنعت المادة المركبة الهجينة النانوية- والمكونة من أكسيد الألمنيوم و كاربيد السيليكون وأنابيب الكاربون- باستخدام الطحن الميكانيكي وتقنية التلبيد بشرارة البلازما. وجد أن قيمة معامل التوصيل الحراري في درجة حرارة الغرفة انخفضت من W/mK 21.2 إلى W/mK 34.44 بينما انخفض معامل انتشار الحرارة من mm2/s 7.62 إلى 6.64 mm2/s وانخفضت السعة الحرارية من J/gK 1.24 إلى J/gK 0.87 ، وذلك عند مقارنة أكسيد الألمنيوم أحادي الطور مع المادة المركبة النانوية، والتي احتوت على 5% كاربيد السيليكون و 1% أنابيب الكاربون النانوية. استمر الانخفاض في الخواص الحرارية مع زيادة إضافة المواد المقوية. أدى ارتفاع درجة الحرارة إلى تخفيض كل من معامل التوصيل الحراري و معامل الانتشار الحراري، بينما زاد من قيمة الحرارة النوعية لكل من أكسيد الألمنيوم أحادي الطور و المادة المركبة الهجينة النانوية. أثبت البحث كذلك أن هذه المادة - والتي احتوت على أكسيد الألمنيوم و كاربيد السيليكون وأنابيب الكربون النانوية- تزيد من التوصيل الكهربائي في درجة حرارة الغرفة، والذي يجعلها مادة مناسب تصنيعها بالتفريغ الكهربائي ، و تسهل كذلك تصنيع المنتجات ذات الأشكال المعقدة بغض النظر عن قوتها و صلابتها. أظهر استخدام 5% كاربيد السيليكون و 2% أنابيب الكاربون النانوية زيادة في معامل التوصيل الكهربائي ( S/m 8.85 ) مقارنة بأكسيد الألمنيوم أحادي الطور (6.87x10-10 S/m ).

English Abstract

The quest to improve the mechanical and functional properties of monolithic ceramics, to meet the growing demand for advanced ceramic materials, had led to the development of ceramic matrix composites and nanocomposites. Further improvement in mechanical properties was possible through hybrid microstructure design, the so-called hybrid nanocomposites, achieved by reinforcing a ceramic matrix with two nanoreinforcements that have different morphologies. Alumina is among advanced ceramic materials used to manufacture cutting tools, biomedical implants, and insulators. Improvement in physical and mechanical properties of alumina was possible through the incorporation of a nanoscale phase. Furthermore, production of commercial nanoreinforcements such as SiC nanoparticles and carbon nanotubes facilitated the development of hybrid alumina nanocomposites that have tailored nanostructures and outstanding properties. However, the majority of published research work, on alumina hybrid nanocomposites, has been devoted to the characterization of the microstructure and evaluation of mechanical properties and very limited work was dedicated to the study of the thermal properties and electrical conductivity. In this research work, temperature-dependent thermal properties of alumina were reported and the influence of SiC and CNTs on thermal properties and electrical conductivity of Al2O3-SiC-CNT hybrid nanocomposites was investigated. The properties were correlated with the microstructure and possible transport mechanisms were discussed. The Al2O3-SiC-CNT hybrid nanocomposites were produced using ball milling and spark plasma sintering. The room temperature thermal conductivity, thermal diffusivity and heat capacity of monolithic alumina decreased from 34.44W/mK, 7.62mm2/s and 1.24J/gK to 21.2W/mK, 6.64mm2/s and 0.87J/gK for Al2O3-5SiC-1CNT hybrid nanocomposite and these thermal properties kept on decreasing with further addition of reinforcement content. The increase in temperature decreased the thermal conductivity and thermal diffusivity, but increased the specific heat of the monolithic alumina and the hybrid nanocomposites. The SiC and CNT reinforced alumina hybrid nanocomposites showed significant increase in room temperature electrical conductivity. This makes the hybrid composites suitable for EDM and allows for the manufacturing of low cost products that have intricate shapes, irrespective of their hardness or strength. Al2O3-5SiC-2CNTs had a high electrical conductivity value of 8.85S/m compared to a low value of 6.87x10-10S/m for the monolithic alumina.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering Chemical Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Nouari, Saheb
Committee Members:	Arif, Abul Fazal M. and QURASHI, ANSANUL HAQ
Depositing User:	UMER HAYAT (g201404340)
Date Deposited:	31 Jan 2017 11:26
Last Modified:	30 Dec 2020 12:36
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140221