فهرست مطالب

مواد نوین - سال سیزدهم شماره 2 (پیاپی 48، تابستان 1401)

مجله مواد نوین
سال سیزدهم شماره 2 (پیاپی 48، تابستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/11/30
  • تعداد عناوین: 5
|
  • حمیدرضا احمدی، غلامرضا خلج*، مرتضی محمودان، مجید پورعبدالله، متین زجاجی صفحات 1-14
    مقدمه

    پودر نانو مس به روش های مختلفی تهیه می شود که می توان به روش های احیای شمیایی، تبخیر- رسوب، پلاسما، مکانیکی شیمیایی، انفجار الکتریکی، رسوب الکترولیتی و اتمیزه کردن مذاب فلز اشاره کرد. در میان اینها، روش الکترولیتی به دلیل ساده بودن فرآیند، مصرف انرژی کم، بازده بالا، کنترل آسان، آلودگی محیط زیست کم، مورد توجه است. در این پژوهش نقش جنس الکترود و غلظت محافظت کننده در سنتز الکتروشیمیایی نانو ذرات مس مورد بررسی قرار گرفت.

    روش

    چگالی جریان و دما ثابت و به ترتیب برابر با A/cm2 04/0 و C° 50 و فاصله بین کاتد و آند 5/2 سانتی متر به عنوان ثوابت تحقیق در نظر گرفته شد. متغیرهای تحقیق شامل الکترودهای کاتدی مس، طلا، فولاد و روبیدیم و همچنین غلظت محافظت کننده CTAB بود.

    یافته ها

    نتایج نشان داد با کاتد مس و طلا می توان به اندازه بلورک های کوچک تری دست یافت. آنالیز XRDنشان داد که بهترین خلوص نانو ذرات مس، توسط کاتد مس بدست می آید. نتایج SEM نشان داد که کاتد طلا منجر به تشکیل ذرات کروی و غیر مکعبی؛ و کاتد مس باعث تشکیل ذرات مکعبی شکل شده اند. با افزایش مقدار CTAB میزان خلوص مس افزایش یافته و به طور موثری از رشد نانو ذرات مس ممانعت شد. شاخص بلورینگی بیش از یک و فلز مس بصورت پلی کریستال است.

    نتیجه گیری

    از آنجا که روش الکترولیز جزء روش های ارزان و آسان محسوب می شود و قابلیت صنعتی شدن را دارد؛ نقش جنس الکترود و ترکیب الکترولیت در سنتز نانو ذرات مس بررسی شد تا اثر این پارامترها در مسیر صنعتی شده مورد ارزیابی قرار گیرد.

    کلیدواژگان: نانوذره، مس، سنتز الکتروشیمیایی، CTAB، الکترولیت
  • فرزاد پهنانه*، شهاب الدین زنگنه، فرید نعیمی صفحات 14-32
    مقدمه

    ارزیابی صلاحیت ادامه سرویس از روش های استاندارد مورد استفاده در سازه های نفت و گاز می باشد. این روش برای ارزیابی عیوب لوله و تجهیزاتی است که عیوب موجود در آنها در صورت قرار گرفتن در بازه مورد قبول این استاندارد، می توانند بدون تعمیر و یا تعویض، مورد بهره برداری قرار گیرد.

    روش

    در بازرسی یک خط لوله به طول 7 کیلومتر از فولاد API X52 که حامل هیدروکربن های حاوی H2S مرطوب می باشد و ترک خوردگی ناشی از هیدروژن (HIC) و عیوب جدالایگی در مکان های مختلف در طول خط لوله مشاهده شده است. در مطالعه حاضر، از ارزیابی FFS مطابقAPI 579 / ASME FFS-1  (سطح 3 با استفاده از تجزیه و تحلیل اجزاء محدود با نرم افزار آباکوس) برای بررسی وضعیت فولاد X52 حاوی عیب های جدالایگی و HIC استفاده شده است. ارزیابی FFS براساس تحلیل های FAD انجام شد.

    یافته ها

    ناخالصی ها در زمان ساخت ورق و گسترش آن در زمان تولید منجر به تشکیل جدالایگی و نفوذ هیدروژن در آن می گردد. بررسی های ریزساختاری با میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی (SEM) ترک خوردگی گام به گام (SWC) را به عنوان نتیجه حضور آخال های MnS نشان داد. همچنین ترک ها بیشتر در نزدیکی مرکز سطح مقطع نمونه ها آغاز شده و گسترش یافته اند. ارزیابی صلاحیت ادامه سرویس (FFS) بر اساس استاندارد API579-1/ASME FFS-1 برای تصمیم گیری در مورد قابلیت سرویس دهی خط لوله انجام شد.

    نتیجه گیری

    نتایج ارزیابی سطح 3 بر اساس نمودار FAD نشان می دهد که لوله آسیب دیده بدون هیچ مشکلی می توان در شرایط عملیاتی ادامه سرویس بدهد. همچنین می توان نتیجه گرفت که این نقص در زمان ارزیابی صلاحیت ادامه سرویس در منطقه امن و قابل قبول می باشد.

    کلیدواژگان: ارزیابی قابلیت سرویس دهی (FFS)، ترک ناشی از نفوذ هیدروژن (HIC)، نمودار ارزیابی شکست (FAD)، جدالایگی (Lamination)
  • زهرا نقدی چوان*، مازیار آزادبه، محمدرضا اطمینان فر، لیلا فتح یونس صفحات 33-52
    مقدمه

    در پژوهش کنونی کامپوزیت Ti-10Mo-X (TiC & TiB2) ساخته شده به روش متالورژی پودر با مقادیر مختلف تقویت کننده های سرامیکی 4 ≤ X ≤ 5/0 برای توسعه زیست مواد جدید انتخاب شد. هدف از این مطالعه، ایجاد پوشش کلسیم فسفات (CaP) با کیفیت و ترکیب فازی مطلوب بر روی کامپوزیت مذکور جهت کاربردهای پزشکی است.

    روش

    کامپوزیت Ti-10Mo-X (TiC & TiB2) به روش تف جوشی قوس پلاسما تحت فشار اولیه MPa 10، فشار میانی MPa 20 و فشار نهایی MPa 50 در دمای C1150 تف جوشی شد. سپس پوشش CaP به روش رسوب دهی الکتروشیمیایی در چگالی جریان های مختلف mA.cm-2 5/0، 6/0 و 7/0 توسط جریان DC به مدت زمان 30 دقیقه بر روی این کامپوزیت اعمال شد. از میکروسکوپ الکترونی نوری (OM) جهت بررسی توزیع تخلخل در زیرلایه استفاده شد. به منظور بررسی خواص فیزیکی زیرلایه ها نیز ابتدا چگالی تف جوشی و سپس چگالی نسبی بر اساس روش ارشمیدس اندازه گیری شد. همچنین برای بررسی استحکام کششی زیرلایه های تف جوشی شده، آزمون کشش انجام شد. از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، طیف سنجی توزیع انرژی پرتو ایکس (EDS) و پراش اشعه ایکس (XRD) و آنالیز طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) به ترتیب جهت بررسی مورفولوژی، ترکیب شیمیایی، ساختار فازی و شناسایی پیوند ها در پوشش استفاده شد. ترشوندگی پوشش های CaP با استفاده از روش اندازه گیری زاویه تماس قطره ساکن انجام شد. همچنین ارزیابی زیست فعالی با غوطه وری نمونه های پوشش دار در محلول شبیه سازی بدن (SBF) انجام گرفت.

    یافته ها

    با افزایش درصد تقویت کننده های سرامیکی به دلیل حذف تخلخل، چگالی و استحکام کششی زیرلایه ها افزایش یافت. بررسی ریزساختار پوشش ها نیز نشان داد که علاوه بر دانسیته جریان اعمالی، ویژگی های زیرلایه نظیر درصد تخلخل ها و میزان آب دوستی که تحت تاثیر درصد تقویت کننده مورد استفاده می باشد، بر روی مورفولوژی پوشش CaP تاثیر می گذارد. با افزایش چگالی جریان اعمالی، از کیفیت ظاهری پوشش کاسته شد و مقدار تخلخل افزایش یافت. همچنین مقدار عددی نسبت کلسیم به فسفر در پوشش حاصل تحت چگالی جریان اعمالی  mA.cm-25/0 بر روی زیرلایه های 1.0-T1150 و 2.0-T1150 به ترتیب 60/1 و 67/1 به دست آمد که تقریبا برابر با نسبت موجود در استخوان طبیعی می باشد. نتایج آنالیزهای (FTIR) و (XRD) نیز نشان داد که پوشش ایجاد شده بر روی زیرلایه های کامپوزیتی مذکور عمدتا حاوی فاز هیدروکسی آپاتیت (HA) می باشد. همچنین پس از 3، 5 و 7 روز غوطه وری نمونه پوشش دار در محلول شبیه سازی شده بدن (SBF)، لایه متشکل از کره های آپاتیت تشکیل شد که نشان دهنده قابلیت بالای مینرالیزاسیون آپاتیت در سطح نمونه می باشد و لذا نمونه پوشش دار تهیه شده زیست فعالی مناسبی دارد.

    نتیجه گیری

    با توجه به نتایج مطالعات، چگالی جریان  mA.cm-25/0 برای دستیابی به پوششی با کیفیت مناسب و نسبت P/ Caمشابه با استخوان انتخاب شد.

    کلیدواژگان: کامپوزیت Ti-10Mo-X (TiC & TiB2)، تف-جوشی قوس پلاسما، پوشش کلسیم فسفات، پوشش دهی الکتروشیمیایی
  • طاهره شایان زاده مقدم، نادر ستوده*، راضیه حیاتی، عباس محصل صفحات 53-72
    مقدمه

    در این پژوهش، کربنات باریم به روش مکانوشیمیایی از مخلوط کنسانتره باریت-کربنات سدیم تولید شد. هدف از این پژوهش، تولید کربنات باریم از کنسانتره باریت و ارزیابی فازها و محصولات بود.

    روش

    پس از خرد کردن کنسانتره باریت، فرایند اسیدشویی با اسیدکلریدریک یک نرمال انجام شد. سپس مخلوط هایی از کنسانتره باریت-کربنات سدیم با نسبت های مولی متفاوت  (5/2 :1، 1:2، 1:1= BaSO4:Na2CO3) تهیه و آسیاکاری در یک آسیای گلوله ای سیاره ای در زمان های گوناگون (2 و 5 ساعت) انجام شد. نمونه های پس از آسیاکاری و محصولات پس از گرمایش، در آب مقطر حل شدند، سپس باقی مانده جامد در آون خشک شد. گرمایش همدمای نمونه ها درون بوته های آلومینایی و زیرکونیایی انجام شد. مخلوطی از نمونه کنسانتره باریت-کربنات سدیم در شرایط بدون آسیاکاری تهیه شد. یافت های این پژوهش با روش های XRF ،XRD  و STA ارزیابی شدند و ریزساختارهای میکروسکوپی محصولات به روش SEM بررسی شدند.

    یافته ها

    بر اساس نتایج آزمون STA، نشانه های مرتبط به انجام واکنش بین مواد اولیه (کنسانتره باریت-کربنات سدیم) در مخلوط های پس از 2 و 5 ساعت آسیاکاری در دمای حدود 720 درجه سانتیگراد مشاهده شد. در مخلوط بدون آسیاکاری، در دمای حدود 735 درجه سانتیگراد، این نشانه ها مشاهده شد. بر اساس نتایج (XRD) واکنش شیمیایی بین کنسانتره باریت و کربنات سدیم در مخلوط های پس از آسیاکاری بطور کامل انجام نشد. پس از گرمایش همدما در دمای 700 درجه سانتیگراد و زمان یک ساعت، نشانه های فاز اورترومبیک کربنات باریم در محصولات مشاهده شد. نتایج نشان داد گرمایش در دمای 750 درجه سانتیگراد و زمان دو ساعت برای مخلوط پس از آسیاکاری کنسانتره باریت-کربنات سدیم با نسبت مولی 5/2 :1، شرایط مناسبی برای تولید فاز کربنات باریم است. نشانه های ضعیفی از یک فاز میانی (Ca4Ba2Si6O18) در الگوهای XRD مرتبط به مخلوط کنسانتره باریت-کربنات سدیم مشاهده شد. برای مقایسه، آزمایش هایی با نمونه سولفات باریم خالص (بارکس) انجام شد. در محصول گرمایش همدما (750 درجه سانتیگراد، زمان 2 ساعت) برای مخلوط سولفات باریم (بارکس)-کربنات سدیم با نسبت مولی (5/2 : 1) ، فاز کربنات باریم تولید شد و اثری از این فاز میانی مشاهده نگردید.

    نتیجه گیری

    نتایج این پژوهش نشان داد می توان با فرایند آسیاکاری و گرمایش همدما از مخلوط کنسانتره باریت-کربنات سدیم به فاز کربنات باریم رسید.

    کلیدواژگان: آنالیز ساختاری، اسیدشویی، باریت، کربنات باریم، مکانوشیمیایی
  • غلامرضا غفاری، مینا صفا، فرزاد سلیمانی، غلامرضا خلج* صفحات 73-90
    مقدمه

    در این پژوهش، ساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت آلومینیم 6061 با نانو ذرات تقویت کننده گرافن تولید شده با روش اصطکاک اغتشاشی (FSP) بررسی شد. سرعت چرخش ابزار از 112 الی 280 دور بر دقیقه، سرعت حرکت ابزار در بازه 5/31 الی 20 میلی متر بر دقیقه و شیب ابزار مخروطی در 2، 5/2 و 3 درجه تنظیم گردید.

    روش

    مشخصه یابی با آزمایش های کشش، میکروسختی، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) همراه با طیف سنجی انرژی اشعه ایکس (EDS) و میکروسکوپ نوری (OM) صورت گرفت.

    یافته ها

    با افزایش نسبت سرعت چرخش به سرعت حرکت ابزار (پیشروی بر دور) از 07/0 تا 28/0 و افزایش زاویه ابزار از 2 تا 3 درجه، استحکام کششی از 338 تا 396 مگاپاسکال، استحکام تسلیم از 319 تا 383 مگاپاسکال و درصد ازدیاد طول 9/10 تا 3/12 درصد افزایش داشته است. همچنین میکرو سختی در ناحیه فرآیند شده از 273 تا 400 ویکرز افزایش یافت.

    نتیجه گیری

    در نهایت نمونه با زاویه نوک ابزار 3 درجه، سرعت چرخش ابزار 112 دور بر دقیقه و سرعت حرکت ابزار 5/31 میلیمتر بر دقیقه به عنوان حالت بهینه خواص استحکام و انعطاف پذیری انتخاب شد.

    کلیدواژگان: آلومینیم، نانوکامپوزیت، فرایند اصطکاکی اغتشاشی، گرافن، خواص مکانیکی
|
  • Hamidreza Ahmadi, Gholamreza Khalaj *, Morteza Mahmoodan, Majid Pourabdollah, Matin Zojaji Pages 1-14
    Introduction

    Nano copper powder is prepared by various methods, which can be mentioned as chemical regeneration, evaporation-deposition, plasma, chemical mechanical, electric explosion, electrolytic deposition and liquid metal atomization methods. Among these, the electrolytic method is more ideal due to the simplicity of the process, low energy consumption, high efficiency, easy control, and low environmental pollution. In this research, the role of electrode material and protective concentration in the electrochemical synthesis of copper nanoparticles was investigated.

    Methods

    constant current density and temperature equal to 0.04 A/cm2 and 50 C° and the distance between cathode and anode 2.5 cm were considered as research constants. Research variables included copper, gold, steel and rubidium cathode electrodes as well as CTAB protective concentration

    Findings

    . The results showed that smaller crystals can be obtained with copper and gold cathodes. XRD analysis showed that the best purity of copper nanoparticles is obtained by copper cathode. SEM results showed that the gold cathode leads to the formation of spherical and non-cubic particles; and the copper cathode caused the formation of cubic particles. By increasing the amount of CTAB, the purity of copper increased and the growth of copper nanoparticles was effectively prevented. The crystallinity index is more than one and the copper metal is polycrystalline.

    Keywords: Nanoparticle, Copper, electrochemical synthesis, CTAB, Electrolyte
  • Farzad Pahnaneh *, Shahabedin Zangeneh, FARID NAEIMI Pages 14-32
    Introduction

    Fitness-for-service (FFS) assessment is one of the standard methods used in oil and gas structures. This method is for assessment the defects of pipes and equipments, which can be operated without repair or replacement if the existing defects are within the accepted range of this standard.

    Methods

    During inspection of an 7-km-long pipeline made of API X52 steel carrying hydrocarbons containing wet H2S, hydrogen-induced cracking (HIC) and Lamination was found at different locations along the pipeline length. Microstructural investigations by scanning electron microscopy (SEM) showed stepwise cracking (SWC) as the result of the presence of MnS inclusions. Fitness-for-service (FFS) assessment based on API579-1/ASME FFS-1 was performed to decide on the pipeline serviceability.

    Findings

    The finite element analysis (FEA) results showed that the HIC-damaged pipeline was acceptable per level-3 FFS requirements and the pipeline understudy was fit for service. The remaining life of the damaged pipeline should also be periodically monitored using failure assessment diagram (FAD).

    Keywords: Hydrogen-induced cracking (HIC), Failure assessment diagram(FAD), Lamination, Fitness-for-Service (FFS)assessment
  • Zahra Naghdi Chavan *, Mazyiar Azadbeh, Mohammad Reza Etminanfar, Leila Fathyunes Pages 33-52
    Introduction

    In the present study, the Ti-10Mo-X (TiC & TiB2) composite produced by spark plasma sintering (SPS) with different amounts of ceramic reinforcements (0.5≤ X ≤ 4) was chosen as substrate for development of new biomaterials. The aim of this study was applying the calcium phosphate (CaP) coating with appropriate quality and phase composition on the Ti-10Mo-X (TiC & TiB2) composite materials for biomedical application.

    Methods

    The Ti-10Mo-X (TiC & TiB2) composites were sintered by SPS method, at an initial pressure of 10 MPa, an intermediate pressure of 20 MPa and a final pressure of 50 MPa at 1150 . Then the CaP coating was applied on the substrates by electrochemical deposition method at three different DC current densities of 0.5, 0.6 and 0.7 mA.cm-2 for 30 minutes. Optical electron microscopy (OM) was used to study the pore structure of the substrates containing the different amounts of ceramic reinforcements. To take a look at the physical properties of the substrates, the sintering density became measured based at the Archimedes method. A tensile test became additionally performed to check the tensile strength of the porous substrates. Scanning electron microscopy (SEM), X-ray energy distribution spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy were also used to investigate the morphology, chemical and phase composition of the obtained coatings, respectively.Wettability of the CaP coatings was also investigated using the static droplet contact angle method. At last, the apatite forming ability test of the coated sample were carried out in SBF solution.

    Findings

    By increasing the percentage of ceramic reinforcements because of the removal of porosity, the density and tensile strength of the substrates have raised. Comparing the SEM images showed that, besides the applied current density, the properties of the substrate, such as the percentage of porosity and hydrophilic behavior had an impact on the morphology of the coatings. Moreover, by increasing the current density from 0.5 to 0.6 and 0.7 mA.cm-2, the apparent quality of the coating decreased and the amount of porosity in the coating increased. In addition, the Ca/P ratio in the coating applied on the 1.0-T1150 and 2.0-T1150 samples at the current density of 0.5 mA .cm-2 was measured to be 1.60 and 1.67, respectively, which is close to that of the natural apatite. Furthermore, the results of XRD and FTIR analysis revealed that the coatings formed on these samples at 0.5 mA cm-2 were mainly containing hydroxyapatite (HA) phase. In addition, after the sample was immersed in simulated body solution (SBF) for 3, 5 and 7 days, a layer of apatite spheres was formed on the surface, indicating the high mineralization ability of the coated sample and hence the prepared sample has a sensible bioactivity.

    Keywords: Ti-10Mo-X (TiC & TiB2) composite, Spark plasma sintering, Calcium phosphate coating, Electrochemical deposition
  • Tahereh Shayanzadeh Moghadam, Nader Setoudeh *, Raziye Hayati, Abbas Mohassel Pages 53-72
    Introduction

    In this research, barium carbonate was synthesized via mechanochemical method from the mixture of barite concentrate-sodium carbonate. The producing of barium carbonate form barite concentrate and the evaluation of the phases/products were the goal of this research.

    Methods

    After crushing the barite concentrate, the acid washing process was done with 1 N of HCl. The mixtures of barite concentrate-sodium carbonate with different molar ratios (BaSO4:Na2CO3=1:1, 1:2, 1:2.5) were prepared and milled in a planetary mill for different times (2 and 5 hours). The as-milled samples and the heated products were dissolved in distilled water and then the solid residues were dried in an oven. The isothermal heating of the samples was done into the alumina and zirconia crucibles. The unmilled mixture of barite concentrate-sodium carbonate was also prepared. The findings of this research were evaluated using XRF, XRD and STA methods and the microstructures of the samples were studied by SEM method.

    Findings

    The2 and 5 h-milled mixtures showed the sign of chemical reaction between the starting materials (barite concentrate-sodium carbonate) at 720⁰C in STA results. This sign however was observed at 735 ͦC in the unmilled mixture. According to XRD patterns, the chemical reaction between barite concentrates and sodium carbonate was not completed in the milled mixtures. The signs of orthorhombic phase of barium carbonate were observed in the products after isothermal heating at700⁰C for 1 h. The results indicated that the isothermal heating of the milled mixture of barite concentrate-sodium carbonate with a molar ratio of 1:2.5 at 750⁰C for 2 h was the suitable conditions for synthesizing of barium carbonate. Additionally, the weak signs of an intermediate phase (Ca4Ba2Si6O18) were observed in the XRD patterns of the barite concentrate-sodium carbonate mixture. For comparison, the experiments were performed with pure barium sulfate sample (Barex). In the product of isothermal heating (750⁰C, 2 h) for the mixture of barium sulfate (Barex)-sodium carbonate (molar ratio :1:2.5), barium carbonate phase was produced and no trace of the intermediate phase was observed. The results of this research showed that it is possible to synthesis barium carbonate phase from the mixture of barite concentrate-sodium carbonate using ball milling process and isothermal heating.

    Keywords: Barite, Barium carbonate, Acid washing, mechanochemical, Structural Analysis
  • Gholamreza Ghafari, Mina Safa, Farzad Soleymani, Gholamreza Khalaj * Pages 73-90
    Introduction

    In this research, the structure and mechanical properties of aluminum 6061 composite with graphene reinforcing nanoparticles produced by friction stir method (FSP) were investigated. The rotation speed of the tool was set from 112 to 280 rpm, the speed of the tool movement in the range of 31.5 to 20 mm/min and the slope of the conical tool was set at 2, 2.5 and 3 degrees.

    Methods

    Characterization was done by tensile tests, microhardness, field emission scanning electron microscope (FESEM) along with X-ray energy spectroscopy (EDS) and optical microscope (OM). The results show that in the presence of graphene as a reinforcement, the mechanical properties are improved.

    Findings

    By increasing the ratio of rotation speed to tool movement speed (advance per revolution) from 0.07 to 0.28 and increasing the tool angle from 2 to 3 degrees, tensile strength enhanced from 338 to 396 MPa, yield strength from 319 to 383 MPa and the elongation increase has increased from 10.9 to 12.3 percent. Also, the micro-hardness in the nugget area increased from 273 to 400 Vickers.

    Keywords: Aluminium, Nanocomposite, friction stir process, Graphene, mechanical properties