15856

14157

كارشناسي ارشد

استخراج فلزات

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1399

هجده، 105ص. : مصور، جدول، نمودار

مسعود پنجه پور، محمود مرآتيان

علي شفيعي، مهران نحوي

1399/07/20

كتابنامه

مهندسي مواد

مهندسي مواد

1399/09/18

2640530

چكيده كامپوزيت كربن كربن بهخاطر مقاومت به شوك حرارتي باال و خواص مكانيكي عالي آن اعماز استحكام و چقرمگي بهعنوان يكياز مواد بسيار كاربردي بهخصوص در زمينهي هوافضا مورد توجه قرار گرفتهاست بدينمنظور بهكارگيري فرآيند CVI يكياز روشهاي مهم جهت توليد كامپوزيتهاي كربن كربن ميباشد اما از جمله معايب اين روش ميتوان به سرعت پايين رشد كربن بر روي نمد كربني اشاره نمود لذا هدف ازاين پژوهش افزايش سرعت فرآيند CVI براي توليد كامپوزيت CF C با استفاده از كاتاليزور نيكل ميباشد در اين تحقيق از نمد كربني از جنس كربن فعال بهعنوان پيش ساخت استفاده شد سپس از نيترات نيكل با انحالل درصدهاي وزني متفاوت در دو حالل استون و اتانول براي رسوب آن روي پيشساخت كربني به وسيلهي تجهيزات الترا سونيك و دستگاه تبخيركنندهي دوراني استفاده شد انتخاب حالل مناسب بههمراه بهينهنمودن درصد وزني كاتاليزورنيكل به منظور ايجاد ذرات كاتاليستي بر روي نمد كربني انجام شد انتخاب شرايط مناسب جهت فرآيندهاي خشك كردن و تكليس براي نيترات نيكل رسوب داده شده برروي پيش ساخت انجام شد و در ادامه احيا اكسيد نيكل بهوسيلهي گاز هيدروژن صورت گرفت سپس دو دماي 007 و 0501 بهترتيب جهت انجام فرآيند CVI در زمانهاي مختلف معين شد به طوري كه تمامي نمونههاي توليد شده طي فرآيند CVI جهت بررسي فازي آناليز شيميايي و ريز ساختاري به ترتيب تحت بررسيهاي پراشاشعهي ايكس طيف سنجي رامان TEM FESEM SEM EDS ICP و HRTEM قرار گرفت همچنين جهت بررسي سطح ويژه از آزمون BET چگالي از آزمون ارشميدس خواص مكانيكي از آزمون خمش و پايداري شيميايي و حرارتي از آناليزحرارتي TG DTA استفاده شد مهمترين نتايج باتوجه به قابليت ترشوندگي و دماي تبخير پايين استون نشان داد كه اين حالل ميتواند منجر به توزيع مناسب و افزايش ميزان رسوب نيكل تا مقدار 04 وزني گردد استفاده از دستگاه تبخيركنندهي دوراني باعث گرديد تا عالوه بر توزيع مناسب ذرات نيكل اندازهي ذرات آنها پس از انجام فرآيند CVI در دماي 007 به كمتر از 30nm برسد نتايج مربوط به فرآيند CVI در دماي 007 براي زمانهاي 021دقيقه تا 0801 دقيقه نشان ميدهد كه كربن رسوب كرده از نوع MWCNT بوده و با افزايش زمان فرآيند قطر آنها بين 20 30 nm ثابت باقي ماندهاست و ميزان طول آنها به شدت افزايش داشتهاست همچنين با افزايش درصد كاتاليزور نيكل ميزان رشتههاي MWCNT بيشتر شدهاست براي نمونه با ميزان 04 وزني كاتاليزور نيكل همراه با افزايش زمان چگالي نمونه از 3 0 3g cm به 3 0 67g cm افزايش يافته است درحالي كه ميزان سطح ويژه بهدليل در هم پيچيدگي رشتههاي MWCNT از 200 m2 g به 50 m2 g كاهش يافته است از مطالعهي اين نتايج ميتوان چنين استنتاج نمود كه كامپوزيت CF MWCNT طي فرآيند CVI در دماي 007 ايجاد گرديدهاست از اين رو براي ادامهي تحقيق نمونهي 0801 دقيقه كه تحت فرآيند CVI در دماي 007 بودهاست بهعنوان نمونهي ممتاز در مرحلهي بعد انتخابگرديد نتايج نمونهها تحت فرآيند CVI در دماي 0501 تا مدت زمان 027 دقيقه نشان داد كه كربن رسوب دادهشده روي رشتههاي MWCNT از نوع كربن پيروليتي ميباشد نتايج چگالي نمونهي 027 دقيقه در طي فرآيند نام برده نشان ميدهد كه مقدار آن از 3 0 67g cm به 3 1 73g cm افزايش داشته است همچنين ميتوان از تصاويرميكروسكوپي HRTEM چنين استدالل نمود كه بخش عمدهاي از رشتههاي دروني MWCNT درهم تنيده شده بدون تغيير باقي مانده است و تنها بخشهاي سطحي آن رشتهها دراثر جوانهزني و رشد كربنپيروليتي تخريب ميگردد در نتيجه با استناد به حضور سه ساختار كربني مختلف در نمونه ميتوان اين كامپوزيت را به عنوان يك كامپوزيت سهتايي CF MWCNT PyC معرفي نمود به عالوه نتايج اين تحقيق در مقايسه با تحقيقات قبلي به خوبي نشان داده شد كه ايجاد رشتههاي MWCNT در دماي 007 ميتواند بيش از 48 از زمان كل ساخت كامپوزيت CF C را طي فرآيند CVI در دماي 0501 كاهش دهد كلمات كليدي نمدكربني كاتاليزور نيكل فرآيند CVI نانو لولههاي كربني چند ديواره MWCNT كامپوزيت CF MWCNT كامپوزيت CF MWCNT PyC كربن پيروليتي PyC

Investigation of the catalytic effect of nickel on carbon carbon Composite fabrication by chemical vapor Infiltration process Hamed Shahrokh Esfahani h shahrokh@ma iut ac ir Sep 12 2020 Department of Materials Engineering Isfahan University of TechnologyDegree M Sc Language PersianSupervisorMasoud Panjepour Associate Professor panjepour@cc iut ac irMahmood Meratian Associate Professor meratian@cc iut ac irAbstractThe Carbon Carbon composites due to possessing a high resistance to thermal shock and excellent mechanicalproperties such as significant strength and toughness have been of great interest in the aerospace industry Inthis regard the CVI method is one of the most important methods to produce the C C composites however this method has some disadvantages such as the low growth rate of the carbon over the carbon felt So thiswork was aimed at increasing the growth rate of the CVI method in producing the CF C composites throughusing the nickel catalyst Herein the carbon felt made of the activated carbon was used as the substrate overwhich the nickel particles were loaded the nickel nitrate was exploited by dissolving different contents ofnickel nitrate in two solvents of acetone and ethanol followed by using ultrasonication and rotary evaporator Choosing a suitable solvent was done along with optimizing the content of the nickel catalyst over the carbonfelt The appropriate conditions of calcining the nickel nitrate over the carbon felt were determined andafterwards the nickel oxide was reduced under the hydrogen gas Then two temperatures of 700 C and1050 C were considered to carry out the CVI process at different times The prepared samples werecharacterized in terms of the phases chemical composition and microstructure via XRD Raman spectroscopy ICP EDS SEM FESEM TEM and HRTEM methods and the specific surface area was determined by theBET Test Density was obtained by the Archimedes method mechanical properties were investigated throughthe Bending Test and the chemical and thermal stabilities were studied by the TG DTA analysis The mostimportant results based on the wettability and the low evaporation temperature of acetone indicated that theacetone can provide a good distribution and increase the deposition of the nickel to up to 40 Using the rotaryevaporator device not only improved the distribution of the nickel particles but also reduced the size of themafter CVI process at 700 C to less than 30 nm The results corresponding to the CVI process at 700 C in 120to 1080 min revealed that the deposited carbon was of the MWCNT where increasing the process durationraised the nanotubes length significantly however their diameter was constant in the range of 20 30 nm Inaddition by increasing the amount of the nickel catalyst particles the amount of the MWCNT tubes was raisedsubstantially For example by increasing the process duration for the sample containing 40 wt nickelparticles the density of the sample was increased from 0 3 g cm 3 to 0 67 g cm 3 in contrast the specific surfacearea was reduced from 200 to 51 m2 g due to the entanglement of the MWCNTs From the obtained results itcan be deduced that the CF MWCNT composite has been formed by the CVI process at 700 C Therefore toproceed the research the sample prepared after 1080 min by the CVI process at 700 C was considered Theresults of the CVI process at 1050 C for 720 min declared that the density was increased from 0 67 g cm 3 to1 73g cm 3 In addition this can also be argued from HRTEM microscope images that the majority of theentanglement inner filaments of the MWCNTs remained intact and only the surface portion of the fibers wasdamaged because of the nucleation and growth of the pyrolytic carbon As a result this can be introduced as aCF MWCNT PyC three component composite Furthermore it was found that the formation of the MWCCNTfibers at 700 C can decrease 84 of the whole time of producing CF C composite through the CVI process at1050 C Keywords Carbon Felt Nickel cataly

مسعود پنجه پور، محمود مرآتيان

علي شفيعي، مهران نحوي