آلومينيم به دليل چگالي پايين، شكل پذيري و مقاومت به خوردگي و نيز قيمت مناسب بسيار مورد توجه صنايع مختلف از جمله خودروسازي و هواپيما سازي قرار دارد. با وجود ويژگي هاي مثبت ذكر شده، آلومينيم خالص سختي و استحكام كششي نسبتا پاييني داشته و استفاده از آن در كاربردهايي كه نياز به سختي و استحكام كششي بالا است محدود مي باشد. روش هاي مختلفي همچون ايجاد محلول جامد و يا استفاده از ذرات فاز ثانويه جهت افزايش استحكام اين فلز استفاده مي شود. روش نورد تجمعي (Accumulative Role Bonding: ARB) به علت سادگي و در دسترس بودن ابزار و قابليت ايجاد ورق هايي در ابعاد گوناگون، جهت استحكام بخشي آلومينيم و آلياژها و كامپوزيت هاي آن مورد توجه قرار گرفته است. روش نورد تجمعي از مجموعه روش هاي SPD (Sever Plastic Deformation) است. در روش نورد تجمعي كرنش هاي شديد اعمال شده به ماده طي نورد، به طور قابل توجهي سبب ريزدانگي و بهبود ساختار محصول شده و ويژگي هاي مكانيكي از جمله استحكام كششي و سختي را افزايش مي دهند. در كنار نورد تجمعي از ذرات ثانويه نيز جهت بهبود سختي و استحكام كششي استفاده مي كنند. با انجام نورد تجمعي و نيز در تمامي فرايند هاي SPD كارسختي بالايي در فلز ايجاد شده كه علاوه بر افزايش سختي و استحكام فلز، سبب كاهش درصد افزايش طول و قدرت شكل پذيري مي شود. اين كاهش شكل پذيري با افزودن ذرات فاز ثانويه شديدتر هم مي شود. در اين نوشته ايجاد نانوكامپوزيت هيبريدي آلومينيم/كاربيد بور/كاربيد سيليسيم با استفاده از روش نورد تجمعي جهت بهبود استحكام كششي و سختي و نيز حفظ نسبي شكل پذيري معرفي شده است. استفاده از نانوكامپوزيت كاربيد بور-كاربيد سيليسيم همگن در زمينه آلومينيم به دليل بر همكنش كاربيد بور و كاربيد سيليسيم سبب بهبود استحكام نسبت به استفاده از تركيبات تكي و يا كامپوزيت هاي غير همگن مي شود. همچنين استفاده از ذرات بسيار ريز كامپوزيت كاربيد بور-كاربيد سيليسيم سبب سيلان آسان تر و بهتر آلومينيم بين ذرات كامپوزيت شده و در نتيجه استحكام و شكل پذيري مناسب تري نسبت به استفاده از ذرات ميكرومتري به دست مي آيد.

كاربيد بور (B4C) از سخت ترين تركيب¬هاي شناخته شده (با سختي حدود MPa 40) و با چگالي پايين (g/cm3 52/2) مي¬باشد. با اين وجود چقرمگي و مقاومت به اكسيداسيون آن پايين و به ترتيب حدود MPa.m0.5 7/3 و °C 600 است. براي رفع اين نقص¬ها ايجاد كامپوزيت آن با ديگر مواد پيشنهاد مي¬شود. كاربيد سيليسيم (SiC) با چگالي نسبتا پايين (g/cm3 15/3) و سختي بالا (حدود MPa 32) يك گزينه بسيار مناسب است. ايجاد نانوكامپوزيت اين دو تركيب سبب بهبود سينترينگ و ويژگي¬هاي مكانيكي محصول سينتر مي¬شود. به طور معمول اين دو تركيب به صورت جدا سنتز شده و سپس با يكديگر مخلوط و كامپوزيت مي¬شوند. ما در اين اختراع سنتز درجاي پودر كامپوزيت B4C-SiC را با استفاده از دستگاه جرقه پلاسما و با اعمال فشار، به روش سنتز احتراقي توليد كرديم. استفاده از دستگاه جرقه پلاسما و اعمال فشار حين فرايند سنتز سبب جلوگيري از هدر رفت انرژي و دور شدن مواد اوليه از هم حين سنتز شده و در نتيجه سنتز كاملتر انجام مي¬شود. همچنين در قالب دستگاه جرقه پلاسما مي¬توان مقدار قابل توجهي پودر مواد اوليه را به يكباره و در كمتر از 3 دقيقه سنتز كرد. نتيجه سنتز انجام شده، پودرهاي همگن با ميانگين اندازه زير ميكرون نانوكامپوزيت B4C-SiC و با ميانگين اندازه بلورك زير nm 20 بود.

توليد و بهينه كردن مواد مقاوم به ضربه همواره در حال توسعه است زيرا حتي در صورت توليد ماده مقاوم و موثر شركت¬ها تلاش مي¬كنند كه راهي براي تخريب آن پيدا كنند. بنابراين محققين بايد همواره در فكر توسعه و تقويت پوشش¬هاي مقاوم حتي براي نسل¬هاي بعدي پرتابه¬ها باشند. اين چالش هميشگي نياز به توليد مواد جديد در مقياس ميكرو و نانو را ضروري مي¬سازد. هدف از انجام اين طرح تحقيقاتي سنتز نانو كامپوزيت هيبريدي HfB2-B4C-SiC با استفاده از مواد اكسيدي و واكنش منيزيو ترميك تحت فرآيند سنتز احتراقي فعال شده مكانيكي بود. براي اين منظور مواد اوليه شامل B2O3، HfO2، Si، Mg و C براي تشكيل كامپوزيت B4C-SiC-HfB2 با نسبت¬هاي مولي 5:4:1 مخلوط و توسط آسيا سياره¬اي پر انرژي با نسبت¬ گلوله به پودر 20:1، در زمان¬ 6 ساعت فعال سازي شدند. مواد فعال سازي شده در كوره تيوبي اتمسفر كنترل، تحت اتمسفر آرگون در دماي °C 900 سنتز شدند و در ادامه براي حذف اكسيد منيزيم از نمونه توسط اسيد كلريدريك دو مولار اسيد شويي شدند. آناليز فازي نمونه-هاي اسيد شويي شده نشان داد كه كامپوزيت B4C-SiC-HfB2 با موفقيت توسط روش سنتز احتراقي فعال شده مكانيكي سنتز شده است. آناليز ريز ساختار ماده نيز نشان دهنده اين است كه نانو ذرات دي بورايد هافنيم بصورت همگن و يكنواخت درون زمينه كاربيد بور و كاربيد سيليسيم توزيع شده اند.

زمينه فني: شيمي، مواد كاربيد بور و كاربيد سيليسيم به دليل دشواري در سينتر پذيري نياز به شرايط ويژه اي جهت چگالش و ساخت قطعه دارند به طوري كه در روش سينترينگ پرس گرم نياز به دما و فشار بالا و زمان طولاني سينترينگ دارند (معمولا نگهداري در دماي سينترينگ به مدت 30 دقيقه و بيش از آن) به صورتي كه ريزساختار را تحت تاثير قرار داده و سبب رشد دانه مي شود. SPS (Spark Plasma Sintering) يا سينترينگ جرقه پلاسما روشي بر اساس اعمال جريان مستقيم الكتريسيته و فشار به مخلوط پودرهاي قرار گرفته داخل يك قالب گرافيتي است. به دليل انرژي بالاي وارد شده و ايجاد يكنواخت گرما در دررون پودرها سرعت گرم شدن نمونه ها زياد بوده و فرايند در زمان كوتاهي (معمولا زير 10 دقيقه) انجام مي-شود. سرعت بالاي گرم شدن، زمان كم گرما ديدن و دماي كمتر نسبت به روش¬هاي سينترينگ ديگر سبب جلوگيري از رشد دانه اضافي و به دست آمدن نمونه با ساختار مناسب مي شود. كامپوزيت نانوساختار كاربيد بور-كاربيد سيليسيم با موفقيت به صورت درجا و به روش سنتز خود احتراقي سنتز شد. مواد اوليه شامل سيليسيم، گرافيت، اكسيد بور و منيزيم بودند. از مواد اوليه پس از توزين و آسيا كاري، بوسيله پرس سرد تك محور نمونه تهيه شد. نمونه در كوره تيوبي با اتمسفر تحت كنترل آرگن و دماي °C900 سنتز شد. جهت حذف اكسيد منيزيم پودرهاي سنتز شده مورد اسيد شويي قرار گرفتند. آناليز XRD از محصول سنتز و اسيد شويي شده نشان دهنده موفقيت اسيد شويي در تخليص محصول واكنش احتراقي بود. با تحليل الگوي پراش نمونه اسيد شويي شده، ميانگين اندازه بلورك¬هاي كاربيد سيليسيم و كاربيد بور زير nm15 محاسبه شدند. تصاوير SEM و TEM نشان دهنده تشكيل كامپوزيت سنتز شده از دانه¬ها و بلورك¬هاي نانومتري بودند. طبق آناليز اندازه ذره از نمونه اسيد شويي شده، 5/91% از ذرات نانوكامپوزيت سنتز شده زير nm500 و 6/42% زير nm100 بودند. چگالش پودر نانوكامپوزيت SiC-B4C سنتز شده با روش SPS در دماي °C1700 انجام شد. قطعه به دست آمده داراي چگالي ظاهري 83/97% نسبت به چگالي پودر كامپوزيت بود. نتايج آزمون ميكرو¬سختي و استحكام خمشي نشان دهنده تاثير بيشتر تخلخل ها بر كاهش مقدار سختي نسبت به كاهش استحكام خمشي بود. الگوي پراش سطح نمونه سينتر شده نشان دهنده پايداري كامپوزيت SiC-B4C در دماي سينترينگ و خلوص مناسب نمونه بود.

با توجه به ويژگي هاي منحصر به فرد كاربيد سيليسيم و كاربيد بور مانند سختي بالا، مقاومت به خوردگي در دماي بالا و قابليت جذب نوترون، تلاش هاي بسياري در جهت ايجاد كامپوزيت اين دو و بهبود ويژگي هاي آن ها انجام شده است. در اين ميان سنتز خود احتراقي فعال شده ي مكانيكي، شيوه اي نو براي توليد انواع تركيب ها و كامپوزيت ها مي باشد. با استفاده از اين شيوه مي توان زمان، مصرف انرژي و هزينه ي توليد را كاهش داد. در اين پژوهش نانوكامپوزيت كاربيد بور-كاربيد سيليسيم (B4C-SiC) به روش سنتز خود احتراقي فعال شده ي مكانيكي (MASHS) سنتز شد. ابتدا مواد اوليه شامل اكسيد بور، كربن و سيليسيم با مقادير متفاوت منيزيم، توزين و به مدت 9 ساعت تحت آسيا كاري قرار گرفتند. جهت بررسي فازي از پودرهاي آسيا شده آناليز پراش پرتوي ايكس به عمل آمد. سپس بوسيله ي پرس سرد از پودر آسيا شده نمونه تهيه شد. جهت سنتز، نمونه ها در كوره تيوبي با دماي °C1000 سانتي گراد و اتمسفر كنترل شده ي آرگن قرار گرفتند. به منظور حذف اكسيد منيزيم، نمونه هاي سنتز شده تحت فرايند شيميايي قرار گرفتند. پس از فرايند شيميايي، جهت بررسي فازي و ريزساختاري از نمونه ها آناليز پراش پرتوي ايكس به عمل آمد و از نمونه ي بهينه، تصوير ميكروسكپ الكتروني روبشي تهيه شد. با توجه به نتايج به دست آمده، نمونه حاوي 7 مول منيزيم به عنوان نمونه با استوكيومتري بهينه برگزيده شد. ميانگين اندازه بلورك هاي محصول با استوكيومتري بهينه زير nm 15محاسبه شد. همچنين تصوير SEM از نمونه بهينه نشان دهنده ي تشكيل شدن اين نمونه از دانه هايي با اندازه زير nm200 بود.

در اين پژوهش نانوكامپوزيت كاربيد سيليسيم-كاربيد بور (SiC- B4C) به روش MASHS ( سنتز خود احتراقي فعال شده ي مكانيكي) سنتز شد. ابتدا مواد اوليه شامل سيليسيم، كربن، اكسيد بور و منيزيم توزين و به مدت 9 ساعت تحت آسيا كاري قرار گرفتند. جهت بررسي فازي از پودرهاي آسيا شده آناليز پراش پرتوي ايكس به عمل آمد. سپس بوسيله ي پرس سرد تك محور از پودر آسيا شده نمونه تهيه شد. جهت سنتز، نمونه ها در كوره تيوبي با اتمسفر تحت كنترل آرگن و دماي °C1000 سانتي گراد قرار گرفت. از نمونه ي سنتز شده آناليز XRD يه عمل آمد. نمونه ي سنتز شده شامل SiC، B4C، MgO و بورات هاي منيزيم بود. به منظور حذف اكسيد منيزيم و ديگر ناخالصي ها، نمونه ي سنتز شده بوسيله ي محلول اسيدكلريدريك اسيد شويي شد. پس از اسيد شويي، جهت بررسي فازي و ريزساختاري از نمونه آناليز XRD به عمل آمد و تصوير SEM تهيه شد. آناليز XRD نمونه ي اسيد شويي شده نشان از موفقيت اسيد شويي در حذف فازهاي نامطلوب اكسيد منيزيم و بورات هاي منيزيم و خلوص مناسب محصول داشت. ميانگين اندازه بلورك فازهاي SiC و B4C به ترتيب 0/11 و nm0/9 محاسبه شدند. همچنين تصوير SEM تشكيل شدن نمونه ي اسيد شويي شده از دانه هاي زير nm200 را نشان داد.

فرايند نورد انباشتي سبب افزايش بيش از 5/2 برابري استحكام كششي ورق¬هاي آلومينيم مي¬شود. اما ورق¬هاي حاصل از نورد انباشتي، ساختار لايه¬اي دارند. بدين ترتيب، نورد انباشتي سبب كاهش مقاومت به سايش مي¬گردد. ورق آلياژ آلومينيم 1050، پركاربرد، در دسترس و ارزان است. به منظور بهبود هم¬زمان مقاومت به سايش و استحكام كششي در ورق آلومينيم 1050، ورق كامپوزيت هيبريدي AA1050-AA224/Al2O3 ايجاد شد. كامپوزيت ياد شده، با شش مرحله نورد انباشتي دو ورق AA1050 همراه با يك ورق AA2024 (ميان ورق¬هاي AA1050) و افزودن مقدار 005/0% حجمي نانوذرات آلومينا بين ورق¬هاي 1050 و 2024 ايجاد شد. برخي از كامپوزيت¬ها با استفاده از AA2024 پيرسازي شده تهيه شدند. پيرسازي در دماي °C190 به مدت 30 دقيقه انجام شد. با انجام شش مرحله نورد انباشتي، استحكام كششي، نانوكامپوزيت AA1050-AA224/Al2O3 دو و نيم برابر بيش از استحكام كششي AA1050 آنيل بود. با ايجاد نانوكامپوزيت AA1050-AA224/Al2O3، مقاومت به سايش 60% نسبت به AA1050 آنيل شده و بيش از 80% نسبت به AA1050 شش مرحله نورد انباشتي شده بهبود يافت. بدين ترتيب با استفاده هم¬زمان از نانوذرات آلومينا و آلياژ آلومينيم 2024، مقاومت به سايش بيش از ورق¬هاي كامپوزيتي ايجاد شده به روش نورد انباشتي به صورت لايه¬اي بين فلزات غير هم¬جنس و يا بين ذرات تقويت كننده و زمينه آلومينيمي به روش نورد انباشتي افزايش يافت.