شماره راهنما :
1505 دكتري
پديد آورنده :
غفوري، فاطمه
عنوان :
ساخت و مشخصه يابي كامپوزيت سراميكي فوق دما بالا TiB2/SiC/C
گرايش تحصيلي :
مهندسي مواد
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
شانزده، 160ص.: مصور (رنگي)، جدول، نمودار
استاد راهنما :
مهدي احمديان، رحمت الله عمادي
توصيفگر ها :
كامپوزيت , سراميك فوق دما بالا , تيتانيم بورايد , كاربيد سيليسيم , الياف كربن , سينتر جرقه پلاسما
استاد داور :
احمد منشي، بهروز موحدي، مسعود پنجه پور
تاريخ ورود اطلاعات :
1398/08/07
رشته تحصيلي :
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1398/09/12
چكيده فارسي :
1 چكيده امروزه براي كاربردهاي هوافضا ابزار برش سيستمهاي حفاظت حرارتي توليد هواپيماهاي مافوق صوت و شاتلهاي فضايي استفاده از كامپوزيتهاي سراميكي فوق دما باال مورد توجه محققان قرار گرفته است كامپوزيتهاي سراميكي با زمينه تيتانيم بورايد به علت داشتن خواص حرارتي و مكانيكي مناسب و همچنين چگالي كمتر نسبت به ديگر سراميكهاي فوق دما باال از اهميت ويژهاي برخوردار هستند افزودن SiC به 2 TiB عالوه بر كمك كردن به فرايند سينتر باعث بهبود مقاومت به اكسيداسيون استحكام و تافنس آن ميشود بنابراين كامپوزيت TiB2 SiC ميتواند يكي از مواد مناسب براي كاربردهاي فوق دما باال باشد اما استفاده از اين كامپوزيت به دليل مشكالت سينتر تافنس و مقاومت به شوك حرارتي ضعيف محدود شده است هدف از انجام اين پژوهش ساخت كامپوزيت TiB2 SiC با استفاده از روش SPS و بررسي تاثير شرايط سينتر دما و زمان و مقدار SiC بر فرايند سينتر و خواص كامپوزيت است عالوه بر اين جهت بهبود خواص مكانيكي كامپوزيت به ويژه تافنس از الياف كربني Cf نيز به عنوان تقويت كننده در اين سيستم استفاده شد و تاثير مقدار الياف كربني 5 20 vol بر خواص مكانيكي و حرارتي كامپوزيت مورد بررسي قرار گرفت پس از مخلوط كردن اجزا كامپوزيت با استفاده از آسياكاري فرايند سينتر با روش سينتر قوس پالسما SPS تحت شرايط دماي 0002 0071 زمان 3 10 min و فشار 30 MPa انجام شد بررسي تاثير شرايط سينتر بر خواص كامپوزيت TiB2 20 vol SiC نشان داد كه نمونه سينتر شده در دماي 0091 زمان 01 دقيقه و فشار 30 MPa داراي بيشترين چگالي 99 و بهترين خواص مكانيكي شامل استحكام خمشي 374 MPa سختي 25 GPa و تافنس شكست 2 1 MPa m 5 4 است 2 TiB به تنهايي داراي قابليت سينتر و خواص مكانيكي ضعيفي بود اما افزودن SiC به 2 TiB عالوه بر كمك به فرايند متراكم شدن آن به بهبود خواص مكانيكي نيز كمك كرد با افزايش مقدار SiC تا 30 vol استحكام خمشي كامپوزيت تا 400MPa و تافنس شكست آن تا 2 1 4 9 MPa m افزايش يافت افزايش مقدار SiC ابتدا سبب افزايش سختي كامپوزيت از 61 براي 2 TiB خالص تا 25 5 GPa در نمونه با 10 vol SiC شد ولي افزايش بيشتر مقدار SiC سختي كامپوزيت را كاهش داد افزودن الياف كربني منجر به كاهش نسبي سختي كامپوزيت شد به گونهاي كه با افزودن 15 vol الياف كربني سختي از 52 به 19 4 GPa كاهش يافت افزودن مقدار بهينه از الياف كربني به كامپوزيت باعث بهبود تافنس و استحكام خمشي شد اما با افزايش بيشتر مقدار آن به دليل افزايش تنشهاي پسماند آگلومره شدن و تخريب الياف كربني خواص مكانيكي كامپوزيت افت كرد كامپوزيت TiB2 30 vol SiC تقويت شده با 5 و 01 درصد حجمي الياف كربني به ترتيب داراي بيشترين مقدار استحكام خمشي 482 MPa و تافنس شكست 2 1 6 7 MPa m بود مدول االستيك كامپوزيت با افزايش مقدار الياف كربني صفر تا 51 vol در حدود 05 كاهش داشت افزايش مقدار SiC سبب كاهش 7 درصدي ضريب انبساط حرارتي كامپوزيت شد در محدوده دمايي 005 05 ضريب انبساط كامپوزيت TiB2 30 vol SiC 5 10 vol C f بيشتر و در دماهاي باالتر از 005 كمتر از كامپوزيت بدون الياف كربني بود كامپوزيت تقويت شده با 15 vol الياف كربني داراي بيشترين مقدار ضريب انبساط 6 01 83 6 است كه ميتواند به دليل تغيير ساختار سطحي الياف كربني به گرافيت باشد با افزايش مقدار SiC از 02 تا vol 03 هدايت حرارتي كامپوزيت از 96 تا 74 W m K افزايش يافت به عالوه افزودن 5 10 vol الياف كربني به كامپوزيت 03 2 TiB vol SiC هدايت حرارتي كامپوزيت را در حدود 52 درصد كاهش داد به دليل گرافيته شدن اليه خارجي الياف كربني در كامپوزيت با 15 vol Cf هدايت حرارتي آن بيشتر از هدايت حرارتي كامپوزيت با 10 vol الياف كربني بود با افزايش مقدار SiC مقاومت به شوك حرارتي كامپوزيت در حدود 62 بهبود يافت مقاومت به شوك حرارتي كامپوزيت با افزايش مقدار الياف كربني تا 10 vol بهبود يافت اما افزايش بيشتر مقدار الياف باعث كاهش مقاومت به شوك حرارتي كامپوزيت شد كلمات كليدي كامپوزيت سراميك فوق دما باال تيتانيم بورايد كاربيد سيليسيم الياف كربن
چكيده انگليسي :
161 Synthesis and characterization of ultra high temperature TiB 2 SiC C compositeAbstract More recently ultra high temperature ceramic composites UHTCs have received wide attention for a rangeof technological applications including aerospace applications cutting tools thermal protection structures hypersonic vehicles space shuttles and atmospheric reentry vehicles TiB2 based composites are of particularinterest due to the attractive mechanical and thermal properties and lower density when compared to the otherUHTCs The addition of SiC in TiB 2 matrix significantly improve the sinter ability strength and fracturetoughness as well as high temperature oxidation resistance Accordingly TiB 2 SiC composite are attractive forhigh temperature structural applications Nevertheless it has some drawbacks such as arduous sinteringprocess weak thermal shock resistance and poor fracture toughness that challenge the use of these composite The present work was designed and implemented to synthesis of TiB2 SiC composite by SPS processes andstudy the effects of SPS parameters sintering temperature and holding time and amounts of SiC on thedensification process and mechanical properties Furthermore carbon fiber was used as reinforcement toimprove mechanical properties of these composite especially fracture toughness and effect of carbon fibercontent on the mechanical and thermal properties of composite investigated The powder mixtures of TiB 2 SiC composites were ball mixed to homogenize the powder mixture and then sintered via SPS technique attemperatures of 1700 2000 C for holding times of 3 10 min under a uniaxial load of 30 MPa The study ofSPS parameters effects on the mechanical properties of TiB2 20 vol SiC composite revealed that the samplesintered at 1900 for holding times of 10 min under a pressure of 30 MPa exhibited maximum values ofrelative density 99 micro hardness 25 GPa flexural strength 374 MPa and fracture toughness 4 5MPa m1 2 Sinterability and mechanical properties of TiB 2 based composites remarkably improved by additionof SiC compared to the monolithic TiB 2 The TiB2 30 vol SiC showed an improved flexural strength of 400MPa and indentation fracture toughness of 4 9 MPa m1 2 Hardness measurements revealed an initial increasein hardness from 16 GPa for monolithic TiB 2 to 25 5 GPa for TiB2 10 vol SiC and a subsequent decreasewith further increase in the SiC addition The Vickers hardness of TiB2 SiC composite decreased from 25 to19 4 GPa when 15 vol carbon fiber was included into the ceramic Adding appropriate amount of carbonfiber led to increase fracture toughness and flexural strength however at higher reinforcement levels theincrease of residual thermal stresses agglomeration and degradation of carbon fiber resulted in decliningmechanical properties The flexural strength of composites with 5 vol C f reached the peak value 482 MPa and composites with 10 vol Cf showed the highest fracture toughness of 6 7 MPa m1 2 Young s modulus ofcomposite was decreased by addition of 15 vol C f by 50 compared to the original TiB 2 SiC composite The coefficient of thermal expansion decreased with the increase of SiC content by 7 The coefficient ofthermal expansion of TiB2 30 vol SiC 5 10 vol Cf composite was higher than that of the original TiB2 30 vol SiC composite at temperatures between 50 500 Inversely the thermal expansion of TiB2 SiC Cfcomposite was lower than that of TiB2 SiC at temperatures above 500 Among all the fabricated composites the sample reinforced with 15 vol carbon fiber reached the highest coefficient of thermal expansion 6 38 10 6 compared with other prepared samples which was due to the existence of graphitizationtransition layer between fiber and matrix Thermal conductivity increased from 69 w m K for TiB 2 20 vol SiC to 74 w m K for TiB 2 30 vol SiC The thermal conductivity of TiB2 30 vol SiC composite wasdecreased by addition of 5 10 vol Cf by 25 compared to the original TiB 2 SiC composite The thermalconductivity
استاد راهنما :
مهدي احمديان، رحمت الله عمادي
استاد داور :
احمد منشي، بهروز موحدي، مسعود پنجه پور
