DEVELOPMENT OF TWO-PHASE REINFORCED ALUMINA NANOCOMPOSITE FOR CUTTING TOOLS APPLICATIONS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF PhD_Thesis_Khwaja_Mohammad.pdf Download (18MB) | Preview

Arabic Abstract

تعتبر صلابة وصلادة المواد الخزفية أهم المحفزات لاستعمالها في مختلف المجالات. لكن ضعف مقاومتها للكسر حد من استعماها في كثير من التطبيقات مثل مواد القطع. لحسن الحظ أصبح ممكنا تحسين خواصها الميكانيكية عن طريق إضافة طورين داعمين متناهيي الصغر وأشكال مختلفة. لكن يبقى الحصول على خليط متجانس من المساحيق المدعومة بأطوار ذات أبعاد من رتبة النانو والقدرة على منع نمو الحبيبات صعب التحقيق. في هذا البحث تم لأول مرة تطوير مقاربة جديدة لتحظير مواد مركبة هجينة نانو خزفية من أكسيد الألومنيوم المدعوم بالسلكون كاربيد المتناهي الصغر وأنابيب الكاربون المتناهية الصغر عبر الخلط على مستوى الجزيئات. بالإضافة إلى ذلك تم استعمال طريقة الطحن الميكانيكي لتحظير نفس مساحيق المواد المركبة المتجانسة الهجينة. ثم تم تلبيد المساحيق المنتجة باستخدام طريقة شرارة البلازما. تمت دراسة تأثير ظروف وشروط التحضير وكدلك نسبة الأطوار المضافة على البنية المجهرية، الكثافة، الصلابة، معامل الممانعة للكسر، واجهاد الثني للعينات المحظرة. أستعمل المجهر الإلكتروني ذو مجال الانبعاث، المجهر الإلكتروني النافذ، التخطيط عن طريق الأشعة السينية، حيود الأشعة السينية، تحويل فورييه الطيفي للأشعة تحت الحمراء، المسح الحراري التفاضلي، التحليل الحراري الوزني، جهاز قياس صلابة، وجهاز الاختبار الموحد، لتوصيف المواد المطورة. المساحيق الهجينة المركبة والمتناهية الصغر المحظرة عن طريق الطحن الميكانيكي أو الخلط على مستوى الجزيآت وكذلك العينات الملبدة عن طريق شرارة البلازما أظهرت توزيع منتظم للسلكون كاربيد المتناهي الصغر وأنابيب الكاربون المتناهية الصغر في أكسيد الألومنيوم. البنية المجهرية للعينات النهائية احتوت على طور السلكون كاربيد داخل حبيبات أكسيد الألومنيوم وكذلك أنابيب الكاربون والسلكون كاربيد موزعان بين الحدود الحبيبية لأكسيد الألومنيوم. وجد أن آلية الكسر تغيرت من كسر عبر الحدود الحبيبية بالنسبة لأكسيد الألومنيوم أحادي الطور إلى كسر عبر الحبيبات بالنسبة الى المواد المركبة الهجينة مع ظهور آليات أخرى أدى الى الزيادة في معامل الممانعة للكسر .تم الحصول على أكسيد الألومنيوم أحادي الطور تام الكثافة ومركبات هجينة متناهية الصغر عالية الكثافة (كثافة نسبية أعلى من 98%). بالنسبة للمركب الهجين المحظر عبر الخلط على مستوى الجزيئات والمدعوم بنسبة 5 % سلكون كاربيد و1 % أنابيب الكاربون والملبد لمدة عشر دقائق عند درجة حرارة 1600 درجة مئوية وجد أنه يملك معامل ممانعة للكسر عالي مقداره 7.10 (MPa.m1/2) أي بزيادة مقدارها 96 % وصلابة عالية مقدارها 23.32 (MPa) أي بزيادة مقدارها 25.6 % بالمقارنة مع أكسيد الألومنيوم الأحادي الطور. بالنسبة للمواد المركبة الهجينة المحظرة عن طريق الطحن الميكانيكي والملبدة لمدة عشر دقائق عند درجة حرارة 1500 درجة مئوية المركب المدعوم بنسبة 10 % سلكون كاربيد و2 % أنابيب الكاربون اظهر معامل ممانعة للكسر مقداره 6.98 (MPa.m 1/2) أي بزيادة مقدارها 94 % بالمقارنة مع أكسيد الألومنيوم لأحادي الطور. أما المركب المدعوم بنسبة 10 % سلكون كاربيد و1 % أنابيب الكاربون أظهر صلابة مقدارها 20.81 (MPa) أي بزيادة مقدارها 12 بالمقارنة مع أكسيد الألومنيوم الأحادي الطور

English Abstract

The high stiffness and hardness of ceramic materials made them attractive for various applications. However, their low toughness limit their use in many structural applications such as cutting tools. Reinforcing ceramics by two nanoscale phases, having different morphologies, is a new methodology that has been adopted to develop hybrid nanostructure with improved mechanical properties. However, achieving a uniform distribution/dispersion of the nanosize reinforcements in the matrix and retaining nanostructure during consolidation process are major challenges in synthesizing these highly claimed materials. In this research work, an approach for the synthesis of homogenous Al2O3-SiC-CNTs hybrid nanocomposite powders via molecular level mixing was developed. In addition, Al2O3-SiC-CNTs nanocomposite powders was also synthesized using ball-milling technique. Synthesized powders were consolidated using spark plasma sintering technique. The influence of synthesis and sintering parameters, and reinforcements’ content on the microstructure, densification, hardness, fracture toughness, and bending strength of the composites was investigated. The prepared materials were characterized, wherever needed using FE-SEM, TEM, X-ray mapping, XRD, FT-IR, and TGA. The nanocomposite powders synthesised via molecular level mixing or ball milling as well as sintered samples showed uniform distribution of SiC and CNTs. The final microstructure of sintered samples comprised intergranular CNTs, along with inter- and intergranular SiC nanoparticles, which restricted grain growth. Fully dense monolithic alumina and almost fully dense hybrid nanocomposites were obtained (relative density higher than 98%). The mode of fracture changed from intergranular mode for the monolithic alumina to almost complete transgranular mode for the Al2O3-SiC-CNTs nanocomposites, which along with other toughening mechanisms improved the fracture toughness. The Al2O3-5SiC-1CNTs composite, synthesised using molecular level mixing and sintered at 1600°C for 10 min, possessed both high hardness and toughness values of 23.32GPa and 7.10 MPam1/2, respectively. This constitutes an increase in hardness and toughness of 25.6 and 96%, respectively, compared to alumina. As for the composites prepared using ball milling and sintered at 1500°C for 10 min, Al2O3-10SiC-2CNT possessed a high fracture toughness value of 6.98 MPam1/2, representing an increase of 94% compared to alumina. Al2O3-10SiC-1CNT possessed a high hardness value of 20.81GPa, representing an increase of 12 % compared to alumina.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Dr. Nouari, Saheb
Committee Members:	Dr. Al-Aqeeli, Nasser and Dr. Laoui, Tahar and Dr. Abul Fazal, Arif and Dr. Qurashi, Ahsan-ul haq
Depositing User:	MOHAMMAD KHWAJA (g201004580)
Date Deposited:	23 Apr 2017 12:19
Last Modified:	01 Nov 2019 16:41
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140294