بررسی ریزساختار وخواص مکانیکی کامپوزیت لوله‌ای زمینه آلومینیوم تقویت شده با الیاف کربن و شیشه

مهندسی متالورژی و مواد

دوره 34، شماره 1 - شماره پیاپی 29، فروردین 1402، صفحه 31-46   

نوع مقاله: علمی و پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2023.77877.1066

نویسندگان

علی علیزاده^{* 1}؛ شهاب پلویی²؛ محمدرضا زحمتکش³؛ مهدی عبدالهی⁴

¹مهندسی مواد مرکب، دانشگاه مالک اشتر، تهران، ایران

²مهندسی مواد مرکب، دانشگاه مالک اشتر، تهران. ایران.

³همکار تحقیقاتی/گروه کامپوزیت - دانشگاه مالک اشتر تهران

⁴مهندسی مواد مرکب، دانشگاه مالک اشتر، تهران

چکیده

در این پژوهش، کامپوزیت‌های زمینه آلومینیومی با الیاف پیوسته کربن و شیشه با استفاده از آلیاژ آلومینیومی 356A به‌عنوان زمینه و الیاف کربن 300T و الیاف شیشه E-glassبه‌عنوان تقویت‌کننده طی فرآیند ریخته‌گری کوبشی تولید شدند. بدین منظور ابتدا الیاف کربن، با استفاده از روش الکترولس، به‌وسیله‌ی لایه‌ای از نیکل – فسفر پوشش‌دهی گردید. سپس لوله‌ی آلیاژی آلومینیوم 356A و لوله‌های کامپوزیتی با 30 درصد وزنی الیاف کربن پوشش‌دهی شده و بدون پوشش و 30، 40، 50 و 60 درصد وزنی الیاف شیشه در فشار 75 مگاپاسکال و دمای 500 درجه سانتی‌گراد ریخته‌گری شدند و پس از فرآیند ریخته-گری، ریزساختار نمونه‌های کامپوزیتی و خواص مکانیکی آن مورد بررسی قرار گرفتند. پوشش نیکل – فسفر بر روی الیاف کربن تأثیر بسزایی در ترشوندگی الیاف کربن با مذاب آلومینیومی و درنتیجه نفوذ بهتر مذاب آلومینیوم درون الیاف کربن داشت. سختی لوله‌های کامپوزیتی با 50 درصد وزنی الیاف شیشه حدوداً به 2 برابر لوله آلیاژی بود و چگالی با افزایش درصد وزنی الیاف تا 5/9 درصد کاهش پیدا کرد. بالاترین استحکام خمشی، Mpa 82/340 و مربوط به لوله‌ی کامپوزیتی تقویت‌شده با 40 درصد وزنی الیاف شیشه بود. استحکام کششی لوله‌ی کامپوزیتی با 30 درصد وزنی الیاف کربن با افزایش 76 درصدی نسبت به لوله آلیاژی، بیشترین استحکام کششی را داشت. مکانیزم غالب در شکست لوله‌ی کامپوزیتی تقویت‌شده با الیاف کربن، خروج الیاف و در شکست لوله‌های کامپوزیتی تقویت‌شده با الیاف شیشه، برش الیاف بود.

کلیدواژه‌ها

الیاف کربن؛ الیاف شیشه؛ پوشش نیکل-فسفر؛ ریخته‌گری کوبشی؛ آزمون نول

مراجع

[1] Z. Libin, Z. and H. Jintao, “Metal matrix composites in China,” Journal of Materials Processing Technology, Vol.75, No. 3, pp. 1-5, 1998.

[2] A. Alizadeh, M. Abdollahi Azghan, “Investigation on the microstructure and tensile properties of Al5083-TiB2 nanocomposites produced by stir casting method,” Journal of Advanced Materials and Technologies, Vol.10, No.2, pp. 45-57, 2021.

[3] A. Alizade, M. Abdollahi Azghan, H. Abedi, “Investigation of Microstructure and Mechanical Behavior of Al/SiC/CNT Surface Composite Fabricated by Friction Stir Processing,” Journal of Solid and Fluid Mechanics, Vol. 11, No. 6, pp. 219-233, 2022.

[4] S.W. Ip, R. Sridhar, J.M. Toguri, T.F. Stephenson, A.E.M. Warner, “Wettability of nickel coated graphite by aluminum,” Materials Science and Engineering: A, Vol. 244, No.1, pp. 31-38, 1998.

[5] M. Abdollahi Azghan, F. Bahari-Sambran, R. Eslami-Farsani, “Modeling and experimental study on the mechanical behavior of glass/basalt fiber metal laminates after thermal cycling,” International Journal of Damage Mechanics, Vol. 30, No. 8, pp. 1192-1212, 2021.

[6] E. Hajjari, M. Divandari, A. Mirhabibi, “The study of electroless coating of nickel on carbon fibers,” Iranian Journal of Materials Science & Engineering, Vol. 1, No. 1, pp. 3-48, 2004.

[7] M. Akbari, M. Ezzati, P. Asadi, “Investigation of the effect of tool probe profile on reinforced particles distribution using experimental and CEL approaches,” International Journal of Lightweight Materials and Manufacture, Vol. 5, No. 2, pp. 213-223, 2022.

[8] T. Arunkumar, T. Selvakumaran, R. Subbiah, K. Ramachandran, S. Manickam, “Development of high-performance aluminium 6061/SiC nanocomposites by ultrasonic aided rheo-squeeze casting method,” Ultrasonics Sonochemistry, Vol. 76, pp. 105-123, (2021).

[9] A. Kareem, J. Abu Qudeiri, A. Abdudeen, T.  Ahammed, A. Ziout,  “A review on AA 6061 metal matrix composites produced by stir casting,” Materials,  vol. 14, No. 1, pp. 175, 2021.

[10] J. Deng, Z. Ye, L. Shan, D. You, G.  Liu,  “Imputation Method Based on Collaborative Filtering and Clustering for the Missing Data of the Squeeze Casting Process Parameters,” Integrating Materials and Manufacturing Innovation, vol. 11, No.1, pp. 95-108, 2022.

[11] A. Jahangiri, S. Marashi, M. Mohammadaliha, V. Ashofte, “The effect of pressure and pouring temperature on the porosity, microstructure, hardness and yield stress of AA2024 aluminum alloy during the squeeze casting process,” Journal of Materials Processing Technology, vol. 245, pp. 1-6, 2017.

[12] I.N. Orbulov, I. Kientzl, J. Blücher, J. Ginsztler, A. Németh, “Production and investigation of a metal matrix composite pipe,” 14th European Conference on Composite Materials (ECCM-14), Hungary, 2010.

[13] S. Seshan, A. Gurupraad, M. Prabha, A. Sudhakar, “Fibre-reinforced metal matrix composites-a review,” Journal of the Indian Institute of Science, vol. 76, No.1, pp. 1-14, 1996.

[14] E. Hajjari, M. Divandari, H. Arabi, “Effect of applied pressure and nickel coating on microstructural development in continuous carbon fiber-reinforced aluminum composites fabricated by squeeze casting,” Materials and Manufacturing Processes, vol. 26, No.4, pp. 599-603, 2011.

[15] A. Daoud, “Microstructure and tensile properties of 2014 Al alloy reinforced with continuous carbon fibers manufactured by gas pressure infiltration,” Materials Science and Engineering: A, vol. 391, No.1-2, pp. 114-120, 2005.

[16]  Y. Iwai, T. Honda, T. Miyajima, Y. Iwasaki, M. KSurappa, J. FXu, “Dry sliding wear behavior of Al2O3 fiber reinforced aluminum composites,” Composites science and technology, vol. 60, No.9, pp. 1781-1789, 2000.

[17] R. Arsenault, “The strengthening of aluminum alloy 6061 by fiber and platelet silicon carbide,” Materials Science and Engineering, vol. 64, No.2, pp. 171-181, (1984).

[18] B. Ma, J. Wang, T. Lee, S. Dorris, J. Wen, U. Balachandran “Microstructural characterization of Al4C3 in aluminum–graphite composite prepared by electron-beam melting,” Journal of Materials Science, Vol. 53, No.14, pp. 10173-10180, 2018.

[19] P. Bindumadhavan, T.K. Chia, M. Chandrasekaran, H. Wah, L. Lam, O. Prabhakar, “Effect of particle-porosity clusters on tribological behavior of cast aluminum alloy A356-SiCp metal matrix composites,” Materials Science and Engineering: A, vol. 315, No.1-2, pp. 217-226, 2001.

[20] K. Arjun, S. de Barros, S. Budhe, “Theoretical determination of elastic and flexural modulus for inter-ply and intra-ply hybrid composite material,” Composite Structures, Vol. 281, pp. 114-121, 2022.

[21] C. McCullough, H. Deve, T. Channel, “Mechanical response of continuous fiber-reinforced Al2O3-Al composites produced by pressure infiltration casting,” Materials Science and Engineering: A, vol. 189, No.1-2, pp. 147-154, 1994.

[22] M. Zasadzińska, P. Strzępek, A. Mamala, P. Noga, “Reinforcement of aluminium-matrix composites with glass fibre by metallurgical synthesis,” Materials, Vol. 13, No. 23, pp. 41-54, 2020.