DEVELOPMENT OF ADVANCED MULLITE HYBRID COMPOSITES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ranya Mahgoub's Masters Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 13 January 2026. Download (11MB)

Arabic Abstract

أهمية مركبات موليت-كورديريت تكمن في خصائصها الميكانيكية والحرارية المناسبة، مما يجعلها ملائمة لمجموعة واسعة من التطبيقات الهيكلية والوظيفية في مختلف الصناعات. يمكن تعديل تركيبتها وبنيتها المجهرية باستخدام مواد أولية مختلفة وتقنيات معالجة متنوعة. وجد الباحثون الذين قاموا بتصنيع ودراسة البنية المجهرية، بالإضافة إلى التحقيق في الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لمركبات موليت-كورديريت، أن خصائصها تعتمد على طبيعة وتركيب المواد الخام، ونوع ونسبة الأطوار التعزيزية المدخلة، وطريقة وظروف التلبيد بما في ذلك درجة الحرارة والضغط والوقت، وتكوين الأطوار الداخلية أثناء التلبيد. ومع ذلك، لم يُخصص عمل منهجي وشامل للتحقيق في تأثير كل من هذه العوامل بشكل فردي. علاوة على ذلك، تم تخصيص عمل محدود جدًا لتطوير مركبات موليت-كورديريت الهجينة، وهي المركبات التي يتم تعزيزها بأكثر من طور واحد. في هذا العمل البحثي، تم التحقيق بشكل منهجي في تأثير إضافة طور التعزيز على الخصائص البنية المجهرية وخصائص مركبات موليت-كورديريت. تضمنت الطريقة تصنيع موليت أحادي، وكورديريت أحادي، ومركب موليت-كورديريت، بالإضافة إلى مركبات موليت-كورديريت هجينة تحتوي على 5٪ وزني من طور تعزيز (ألماس، أكسيد الألمنيوم، نتريد الألمنيوم، كربيد السيليكون) مع الحفاظ على نفس ظروف المعالجة والتلبيد، مما أتاح تحقيق مركز حول تأثير نوع التعزيز على البنية المجهرية والخصائص. تم تحضير خلطات مسحوق مركب متجانسة باستخدام تقنية الموجات فوق الصوتية وتم دمجها باستخدام تقنية التلبيد التقليدية وتقنية التلبيد بشرارة البلازما. تم توصيف العينات المحصلة باستخدام مجهر إلكتروني ماسح بانبعاث مجالي (FE-SEM)، مع مطياف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS)، والحيود بالأشعة السينية (XRD)، وتم تحديد خصائصها الفيزيائية والميكانيكية. كشفت النتائج عن تباينات كبيرة في الكثافة والخصائص الميكانيكية والحرارية اعتمادًا على طريقة التلبيد ونوع طور التعزيز. أظهرت العينات المدمجة بتقنية التلبيد بشرارة البلازما عند درجة حرارة 1150 درجة مئوية ووقت تلبيد 30 دقيقة تحسينًا في الكثافة والخصائص مقارنة بتلك المحضرة بواسطة الضغط متبوعًا بالتلبيد التقليدي عند 1400 درجة مئوية لمدة ساعتين. من بين المواد المركبة، أظهر المركب الهجين موليت-كورديريت-كربيد السيليكون الذي تمت معالجته بتلبيد شرارة البلازما كثافة بلغت 2.77 غ/سم³ وصلابة فيكرز عالية بلغت 10.62 جيجا باسكال، ومتانة كسر بلغت 3.41 ميجا باسكال·م(1/2)، وموصلية حرارية بلغت 3.14 واط/م·ك. هذا المركب هو مادة مرشحة للتطبيقات الوظيفية، مثل الحاويات في معالجة مواد الكاثود لإنتاج بطاريات الليثيوم-أيون.

English Abstract

The importance of mullite-cordierite composites lies in their adequate mechanical and thermal properties, making them suitable for a wide range of structural and functional applications in various industries. Their composition and microstructure can be tailored using different precursors and various processing techniques. Researchers who synthesized and characterized the microstructure, as well as investigated the physical and mechanical properties of mullite-cordierite composites, found that their properties are a function of the nature and composition of raw materials, the type and proportion of the reinforcement phases introduced, the sintering method and conditions including the temperature, pressure, and time, and the formation of in situ phases during sintering. However, no systematic and comprehensive work was dedicated to investigating the effect of individual parameters. Furthermore, very limited work was dedicated to the development of mullite-cordierite hybrid composites, which are composites reinforced with more than one phase. In this research work, the influence of reinforcement phase addition on the microstructural characteristics and properties of mullite-cordierite composites was systematically investigated. The approach involved fabricating monolithic mullite, monolithic cordierite, and mullite-cordierite composite, as well as mullite-cordierite hybrid composites containing 5 wt.% of a reinforcement phase (diamond, Al2O3, AlN, SiC) while maintaining the same processing and sintering conditions, which facilitated a focused investigation of the impact of the type of reinforcement on the microstructure and properties. Homogenous composite powder mixtures were prepared by sonication and consolidated using conventional and spark plasma sintering methods. The obtained samples were characterized using field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), coupled with Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and X-ray diffraction (XRD); and their physical and mechanical properties were determined. The results revealed significant variations in densification, mechanical properties, and thermal properties depending on the sintering method and the type of reinforcement phase. The samples consolidated by spark plasma sintering at a temperature of 1150 °C and a sintering time of 30 minutes showed better densification and properties compared to those prepared by compaction followed by conventional sintering at 1400 °C for 2 hours. Among the composite materials, the mullite-cordierite-SiC hybrid composite processed by spark plasma sintering had a density of 2.77 g/cm³ and displayed a high Vickers hardness of 10.62 GPa, a fracture toughness of 3.41 MPa·m1/2, and a thermal conductivity of 3.14 W/m·K. This composite is a candidate material for functional applications, such as saggars in cathode material processing for lithium-ion battery production.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research > Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Saheb, Nouari
Committee Members:	Hassan, Syed Fida and Qamar, Mohamad
Depositing User:	RANYA MAHGOUB (g202208160)
Date Deposited:	14 Jan 2025 12:16
Last Modified:	14 Jan 2025 12:16
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143251