شماره مدرك :
17674
شماره راهنما :
1924 دكتري
پديد آورنده :
حاجي هاشمي، مهدي
عنوان :

ساخت و مشخصه‌يابي كامپوزيت‌هاي آلومينا-تيتانيا به كمك فرايند سنتز قوس پلاسما براي كاربرد در سيستم‌هاي خورشيدي-حرارتي

مقطع تحصيلي :
دكتري
گرايش تحصيلي :
مهندسي مواد
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع :
1400
صفحه شمار :
يازده، 95ص.: مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
مرتضي شمعانيان، فخرالدين اشرفي‌زاده
توصيفگر ها :
جاذب نور , آلومينا , تيتانيا , جاهاي خالي اكسيژني , گاف انرژي , سنتز قوس پلاسما
استاد داور :
عباس بهجت، رحمت اله عمادي، احمد كرمانپور
تاريخ ورود اطلاعات :
1401/04/05
كتابنامه :
كتابنامه
رشته تحصيلي :
مهندسي مواد
دانشكده :
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1401/04/05
كد ايرانداك :
2832406
چكيده فارسي :
امروزه متمركزكننده¬هاي انرژي خورشيدي با استفاده از حرارت ناشي از متمركزسازي تابش خورشيدي در يك سطح كوچك، موردتوجه قرارگرفته‌اند. با توجه به تحقيقات پيشين در اين حوزه و نياز به استفاده از موادي با نقطه ذوب بالاتر به‌منظور افزايش دماي كاري اين مجتمع¬هاي خورشيدي، هدف از اين پژوهش ايجاد نانوكامپوزيت¬هاي سراميكي با خواص مكانيكي و نوري مناسب و مقرون‌به‌صرفه در كاربردهاي خورشيدي-حرارتي است. در اين راستا پودرهاي خالص سراميك¬هاي Al2O3 (آلومينا) و TiO2 (تيتانيا) استفاده شد. با توجه به نمودار فازي آلومينا-تيتانيا، سه نسبت مولي (Al2O3/TiO2) 3/1، يك و 3 توزين شده و به مدت دو ساعت در اتمسفر آرگون تحت فرايند آسياب كاري مكانيكي قرار گرفتند. نتايج به‌دست‌آمده از اين بخش نشان داد كه با استفاده از فرايند آسياب كاري مكانيكي ميانگين اندازه ذرات به nm170 رسيده است. در ادامه، پس از تعيين درجه حرارت تقريبي سنتز به كمك آزمون گرماسنجي افتراقي، نمونه¬ها در سه دماي مختلف 1300، 1400 و 1500 درجه سانتي¬گراد و دو زمان 10 و 15 دقيقه تحت فرايند سنتز قوس پلاسما قرار گرفتند. نمونه¬هاي حاصل به‌منظور ارزيابي ريزساختاري تحت بررسي ميكروسكوپ الكتروني روبشي، آزمون پراش پرتو ايكس و تعيين درصد فازي به كمك نرم‌افزار MAUD قرار گرفتند. نتايج به‌دست‌آمده حاكي از رابطه مستقيم درصد فاز تياليت حاصل از واكنش آلومينا و تيتانيا با افزايش دما و زمان سنتز است به‌گونه‌اي كه در نمونه سنتز شده در دماي C° 1500 به مدت 15 دقيقه، كسر وزني فاز تياليت به 90 درصد افزايش يافت. جهت ارزيابي خواص نوري قرص¬هاي سراميكي تهيه‌شده، از آزمون بيناب سنجي انعكاسي استفاده شده و نشان داده شد كه ميزان جذب نمونه¬ها تا 95 درصد افزايش‌يافته است. اين در حالي است كه نمونه¬هاي سنتز نشده ميزان بازتابشي در حدود 60 تا 100 درصد در محدوده 2200-400 نانومتر از خود نشان مي¬دهند. بررسي داده¬ها با استفاده از تئوري كوبلكا-مونك حاكي از كاهش گاف انرژي نمونه¬ها تا eV 8/1 پس از فرايند سنتز قوس پلاسما بود. تشكيل فاز تياليت با تاثيرگذاري هر چه بيشتر بر ميزان عيوب سطح عميق موجب كاهش بيشتر گاف انرژي نمونه¬ها شد. علت اصلي كاهش ميزان گاف انرژي در اثر فرايند سنتز قوس پلاسما، تشكيل حجم عظيمي از جاهاي خالي اكسيژني است كه حضور اين جاهاي خالي نيز با كمك آزمون بيناب سنجي فوتوالكتروني پرتو ايكس تاييد شد بگونه اي كه با افزايش زمان سنتز، تعداد جاهاي خالي تا 5 برابر افزايش يافت. همچنين جهت اثبات اين مطلب از آزمون فوتولومينسانس استفاده شد و نتايج نيز حاكي از تشكيل پيك¬هاي شاخص در طول موج¬هاي 412، 475 و 520 نانومتري پس از فرايند سنتز بود. بررسي نمونه¬ها با استفاده از آزمون بيناب سنجي امپدانس الكتروشيميايي نشان داد كه ميزان حاملان بار با افزايش درصد فاز تياليت و كاهش چگالي نمونه¬ها افزايش‌يافته است. نتايج اين رساله عملكرد بسيار خوب نانوكامپوزيت¬هاي سنتز شده به روش قوس پلاسما را در جذب نور خورشيد در تمامي دامنه فروسرخ، مرئي و ماوراي بنفش را از طريق كاهش گاف انرژي نشان مي¬دهد.
چكيده انگليسي :
Nowadays, concentrating solar power systems have been considered using heat generated by concentrating solar radiation on a small surface. According to previous researches in this field and the obligation and necessity of using materials with higher melting points to increase the operational temperature of these solar systems, the aim of this study was to create cost-effective, high melting point ceramic nanocomposites with appropriate mechanical and optical properties. In this regard, pure Al2O3 (alumina) and TiO2 (titania) ceramic powders were used. According to the alumina-titania phase diagram, three distinct molar ratios (Al2O3 / TiO2) were considered as 1/3, 1 and 3 and then mechanically milled for two hours in an argon atmosphere. So, the average particle size of the complex has decreased to 170 nm, succeesfully. Then, after determining the approximate synthesis temperature using differential scanning calorimetry, the samples were subjected to spark plasma sintering (SPS) process at three different temperatures of 1300, 1400 and 1500 ° C and two sintering times (10 and 15 minutes). The microstructure of the sintered specimens were characterized using scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) test and MAUD software. The results showed that higher sintering times and temperatures will lead to more tialite phase percentage in such the way that in sample synthesized at 1500 °C for 15 minutes, the weight fraction of the tialite phase increased up to 90%. In order to eva‎luate the optical properties of the sintered ceramic composites, UV-Vis test was employed. The findings indicated that by increase in tialite content, the absorption of the specimens increased up to 95%. On the other hand, non-synthesized samples showed high reflectances of 60-100% in 400-2200 nm wavelength range. Analysis of the absorbance spectrums using Kubelka-Monk theory showed a high reduction in the band gap energy of the specimens after the SPS process and the formation of tialite phase has a great effect on the deep level defects, led to further reduction in forbidden energy gap of the specimens. The main reason of decrease in band gap energy of the composites was due to the effect of spark plasma sintering process on the formation of a large volume of oxygen vacancies that was proved by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In addition, photoluminescence (PL) tests confirmed the results showing some index peaks at different wavelengths after the sintering process. Finally, examining of the specimens using electrochemical impedance spectroscopy showed that the amount of charge carriers increased with increase in tialite content and decrease in specimens’ density. The results of this study demonstrated an excellent optical performance of nanocomposites sintered by spark plasma sintering method by absorbing sunlight in all infrared, visible and ultraviolet wavelength reagon by reducing band gap energies.
استاد راهنما :
مرتضي شمعانيان، فخرالدين اشرفي‌زاده
استاد داور :
عباس بهجت، رحمت اله عمادي، احمد كرمانپور
لينک به اين مدرک :

بازگشت