فهرست مطالب

فصلنامه مواد پیشرفته در مهندسی
سال سی و نهم شماره 1 (بهار1399)

  • تاریخ انتشار: 1399/02/12
  • تعداد عناوین: 8
|
  • فرهاد شهریاری نوگورانی*، مهدی صفری، مهرعلی تقی پور، علی عاطفی صفحات 1-12

    کاربردهای عملی پوشش های سد حرارتی شامل لایه پیوندی آلومیناید، به دلیل چسبندگی کم پوسته اکسیدی به پوشش آلومیناید تحت تاثیر تنش های حرارتی، محدود شده است. با توجه به اثرات مثبت عناصر اکسیژن دوست یا اکسیدهای آنها بر خواص اکسیداسیون دمای بالا، در پژوهش حاضر زیرکونیا به یک پوشش آلومینایدی افزوده شد. به این منظور، لایه ای از کامپوزیت نیکل- زیرکونیا در حمام واتس بر سطح زیرلایه پایه نیکلی به کمک آبکاری الکتریکی اعمال شد. در ادامه آلومینیوم دهی مطابق با روش رایج دومرحله ای در دو دمای 760 و 1080 درجه سانتی گراد انجام شد. مشخصه یابی ریزساختار پوشش ها بلافاصله پس از پوشش دهی و پس از اکسیداسیون چرخه ای، هر چرخه پنج ساعت در دمای 1050 درجه سانتی گراد، توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی، طیف سنجی توزیع انرژی و پراش پرتو ایکس انجام شد. نتایج نشان داد که ریزساختار سه گانه معمول پوشش های آلومینایدی ساده با اکتیویته بالا، در زیر لایه رسوب الکتریکی نیکل- زیرکونیا اولیه تشکیل شده و این لایه نیز پس از فرایند آلومینیوم دهی به فاز متخلخل NiAl تقریبا خالص تبدیل شده است. مقاومت به اکسیداسیون پوشش اصلاح شده با زیرکونیا، با وجود لایه سطحی متخلخل، به طور قابل ملاحظه ای بهبود یافت.

    کلیدواژگان: پوشش آلومینایدی، آبکاری کامپوزیتی، ریزساختار، زیرکونیا، اکسیداسیون چرخه ای
  • آرزو کریمیان، مهدی کلانتر* صفحات 13-27

    در این مطالعه، نانوذرات پودر هگزافریت باریم- کلسیم با فرمول Ba1-xCaxFe12O19و(1≥x≥0) به روش سل- ژل خوداحتراقی تولید شد. پس از کلسینه شدن نمونه های ژل خشک شده به مدت 4/5 ساعت در دمای 950 درجه سانتی گراد، تغییرات فازی و ریزساختاری آنها به ترتیب به کمک پراش پرتو ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، ارزیابی شد. بنابر نتایج، تشکیل فاز هگزافریت باریم- کلسیم همراه با مقدار جزیی هماتیت به عنوان فاز ثانویه تایید شد. میانگین اندازه ذرات بین 100-60 نانومتر و مورفولوژی ذرات به صورت هگزاگو نال یا پولکی شکل است. نتایج حاصل از آزمون مغناطیس سنج نمونه مرتعش(VSM) نشان داد مقدار مغناطش اشباع در نمونه 0/4=x به پایین ترین مقدار خود در مقایسه با سایر نمونه ها می رسد. این امر می تواند ناشی از ناهمگنی ساختار و حضور مقدار بیشتری از فازهای غیرمغناطیسی (BaFe2O4 و Fe2O3) در این نمونه نسبت به سایر نمونه ها باشد. نتایج آزمون حسگری در گاز استون نیز نشان داد نمونه هگزافریت باریم- کلسیم (0/2=x)، با وجود زمان بازیابی طولانی، از بالاترین حساسیت (0/28) و کوتاه ترین زمان پاسخ (15 ثانیه) در غلظت  ppmو900 و دمای 200 درجه سانتی گراد برخوردار است.

    کلیدواژگان: سنتز فریت باریم- کلسیم، سل- ژل خوداحتراقی، حسگرگازی
  • منصور طورانی* صفحات 29-45

    در این پژوهش، اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی (PEO) در سه فرکانس 500، 1000 و 3000 هرتز روی سطح منیزیم، اعمال و سپس تاثیر آماده سازی سطح بر رفتار حفاظتی سه نوع پوشش پلیمری اپوکسی، اپوکسی پیوند ذوبی (FBE) و پلی یورتان بررسی شد. خواص ریزساختاری و حفاظتی پوشش های PEO توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و آزمون های پلاریزاسیون پتانسیودینامیک و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) مطالعه شد. نتایج نشان داد که در فرکانس 3000 هرتز پوشش از حفرات ریزتر و رفتار حفاظتی بهتری برخوردار است. برای بررسی رفتار حفاظتی پوشش های دولایه از آزمون EIS در محلول 5/3 درصد NaCl استفاده شد. نتایج به دست آمده بیانگر تاثیر مطلوب آماده سازی سطح توسط فرایند PEO روی رفتار حفاظتی لایه های پلیمری بود. همچنین بهترین رفتار حفاظتی مربوط به سیستم PEO/FBE بوده است.

    کلیدواژگان: پوشش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی، پوشش پلیمری، منیزیم، روش های الکتروشیمیایی
  • فرناز منصوری، مهدیه مهران* صفحات 47-59

    در این پژوهش، سنتز نانوهرم های وارونه روی بستر سیلیکونی تک بلوری بررسی شد. این ساختارها طی فرایند MACE و با استفاده از فلز مس در محلول نیترات مس، هیدروژن پراکساید و هیدروفلویوریک اسید در زمان های زدایش مختلف تهیه شدند. نتایج بهدست آمده از تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی گسیل میدانی نشان دادند که زمان، فاکتور مهمی در شکل گیری نانوساختارهای هرم وارونه بوده و با افزایش زمان سنتز، ساختارها به مرور از بین می رود. پس از سنتز، برخی از نمونه ها به مدت یک دقیقه در محلول پتاسیم هیدروکسید دو درصد و شش درصد ایزوپروپیل الکل شدند که سبب شکل گیری هرم های نانومتری در کنار نانوهرم های وارونه روی سطح سیلیکون شد. رفتار خود تمیزشوندگی سطح سیلیکون تحت تاثیر این ساختارهای ترکیبی قرار گرفت. برای بررسی مشخصه های بلوری ساختارهای سنتز شده از الگوی پراش پرتو ایکس (XRD) استفاده شد. به علاوه رفتار خود تمیزشوندگی نمونه ها مطالعه شد. نتایج نشان داد که نانو هرم های وارونه رفتار آب دوستی سطح سیلیکونی را تقویت می کنند درحالی که پس زدایش، رفتار آب گریزی سطح را بهبود می دهد. این ساختارها با توجه به داشتن خاصیت جذب نور و رفتار خود تمیزشوندگی مناسب، می توانند در بهبود عملکرد سلول های خورشیدی مورد استفاده قرار گیرند.

    کلیدواژگان: نانوهرم وارونه، MACE، نیترات مس، پس زدایش، خودتمیزشوندگی، زاویه تماس
  • ندا بهرمندی طلوع*، حمیدرضا سلیمی جزی، مهشید خرازیها، نیکلا لیسی، جولیانا فاگیو، السیو تامبورانو صفحات 61-73

    در سال های اخیر گرافن به دلیل خواص منحصر به فردی چون هدایت الکتریکی بسیار بالا، استحکام مکانیکی بالا، ساختار متخلخل برای تبادل مواد مغذی و مواد زاید، زیست سازگاری، امکان بارگذاری دارو، متغیرهای رشد و... در مهندسی بافت های مختلف از جمله در ساخت کانال هدایت عصبی مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش، ساخت کانال هدایت عصبی بر پایه گرافن سه بعدی به روش رسوب شیمیایی بخار با گرمایش القایی (ICVD) دنبال شد. گرافن در دمای 1080 درجه سانتی گراد روی فوم نیکلی سنتز و نمونه ها با استفاده از آنالیز رامان و میکروسکوپ الکترونی روبشی مشخضه یابی شدند. آنالیز رامان نمونه ها نشان داد که گرافن سنتز شده به صورت گرافن چندلایه توربواستراتیک با عیب های بسیار کم است. به منظور حذف نیکل از سایکلودودکان به عنوان لایه محافظ استفاده شد. بعد از حذف نیکل، گرافن سه بعدی به دست آمده با استفاده از روش قطره ای و غوطه وری در محلول پلیمری پلی کاپرولاکتون پوشش داده و کانال هدایت عصبی به صورت کامپوزیتی از گرافن سه بعدی در هسته و پوشش پلیمری پلی کاپرولاکتون ساخته شد. مقایسه خواص الکترومکانیکی کانال هدایت کامپوزیتی با کانال پلیمری پلی کاپرولاکتون نشان داد که ابتدا حضور گرافن سه بعدی باعث افزایش هدایت الکتریکی کانال هدایت کامپوزیتی شده و انتظار می رود که این امر بهبود فرایند ترمیم عصب و رشد آکسون ها را به دنبال داشته باشد. سپس استحکام مکانیکی و انعطاف پذیری آن در مقایسه با کانال هدایت پلی کاپرولاکتون افزایش یافته است.

    کلیدواژگان: رسوب شیمیایی بخار (CVD)، گرافن سه بعدی، کانال هدایت عصبی، پلی کاپرولاکتون، پوشش دهی قطره ای، پوشش دهی غوطه وری
  • محمد سلطانی، امیر سیف الدینی*، سعید حسنی صفحات 75-87

    در این پژوهش، تاثیر نرخ حرارت دهی بر سینتیک فرایند اکسیداسیون ذرات پودری منیزیم در شرایط غیرهمدما مورد مطالعه قرار گرفت. به این منظور، آزمون گرماسنجی افتراقی (DTA) و آزمون وزن سنجی حرارتی (TGA) در سه نرخ حرارت دهی 5، 10 و 20 کلوین بر دقیقه تا دمای 1000 درجه سانتی گراد تحت اتمسفر هوا، روی ذرات پودری منیزیم انجام شد. همچنین برای درک بهتر فرایند اکسیداسیون پودر منیزیم، با توجه به منحنی DTA اکسیداسیون پودر منیزیم در سرعت حرارت دهی 20 کلوین بر دقیقه، سه دمای مشخصه انتخاب شد. سپس نمونه هایی از پودر منیزیم تا این سه دما با نرخ 20 کلوین بر دقیقه حرارت دهی شدند و برای بررسی های فازشناسی و ریزساختاری به ترتیب تحت آزمون های پراش پرتو ایکس (XRD) و دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) قرار گرفتند. سپس با استفاده از روش های هم تبدیلی استارینک و فریدمن و همچنین روش های انطباقی مستقیم و غیرمستقیم بررسی های سینتیکی انجام شد. انرژی فعالسازی (E) و ضریب پیش نمایی (lnA) به دست آمده برای فرایند اکسیداسیون پودر منیزیم به ترتیب در محدوده 956-327 کیلوژول بر مول و 135-45 بر دقیقه قرار داشت. مدل واکنش برای نرخ های‏ حرارت دهی 5، 10 و 20 کلوین بر دقیقه، به ترتیب R2 ،A3/2 و D1 تعیین شد.

    کلیدواژگان: اکسیداسیون، سینتیک، آزمون غیرهمدما، پودر منیزیم، مکانیزم
  • فاطمه داور*، زهرا انتشاری صفحات 89-98

    در این پژوهش، نانوذرات اکسید روی با مورفولوژی شبه کروی به روش سل- ژل اصلاح شده و با استفاده از عصاره رزماری به عنوان عامل پایدار کننده نانوذرات سنتز شد. اثر میزان عصاره رزماری و دمای کلیسنه شدن بر اندازه و شکل ذرات مورد بررسی قرار گرفت. نمونه ها با الگوی پراش پرتو ایکس (XRD)، طیف سنجی مادون قرمز (FT- IR)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و آنالیز عنصری تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDX) شناسایی شده اند. نتایج پراش پرتو ایکس ساختار هگزاگونال (فاز ورتزیت اکسید روی) را نشان داد. بنابر نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی نانوذرات کروی اکسید روی با اندازه تقریبی 18 نانومتر با استفاده از 75 میلی لیتر عصاره رزماری به دست آمد. فعالیت فوتوکاتالیتیکی نانوذرات اکسید روی بهینه سنتز شده برای تخریب محلول رنگی متیلن بلو مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بیانگر 87/96 درصد تخریب رنگدانه طی 135 دقیقه بود که نشان دهنده کارایی مناسب نانوذرات سنتز شده در فرایند تخریب فوتوکاتالیتیکی رنگدانه ها بودند.

    کلیدواژگان: نانوذرات اکسید روی، سل- ژل اصلاح شده، نانوفوتوکاتالیست، عصاره رزماری
  • میثم زرچی*، شاهرخ آهنگرانی صفحات 99-103

    این پژوهش، به بررسی ویژگی های ساختاری و اپتیکی فیلم های چنددانه سیلیکون حاصل از اعمال تکنولوژی تبخیر پرتو الکترونی فاز بخار (EB-PVD) روی ویفر سیلیکونی، اختصاص دارد. این فیلم ها ابتدا آمورف بوده و طی آنیل به یک فاز جامد بلوری گذار کردند. آنیل در کوره تیوبی تحت اتمسفر گاز خنثی در دماهای مختلف انجام شد. ریزساختار فیلم ها برای درک ارتباط بین ترکیب بلوری / آمورف، اندازه دانه و مشخصات فیلم ها، مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان دهنده کاهش زبری با افزایش دمای آنیل و افزایش تراکم ساختاری است. همچنین، نتایج حاصل از طیف میکرو رامان نشان دهنده تشکیل و افزایش میزان نانوبلور های سیلیکون در شرایط آنیل و همچنین با افزایش ضخامت پوشش بر اثر عیوب ساختاری بود.

    کلیدواژگان: عملیات حرارتی، آمورف سیلیکون، EBPVD، مورفولوژی سطح، نانوبلور
|
  • F. Shahriari Nogorani*, M. Safari, M. Taghipour, A. Atefi Pages 1-12

    Practical applications of thermal barrier coatings with aluminide bond-coats are limited due to oxide scale spallation of the aluminide coating under applied thermal stresses. Considering the positive effects of oxygen-active elements or their oxides on the high temperature oxidation behavior, in this research zirconia was introduced into an aluminide coating. For this purpose, a Watts type bath was used to electroplate a layer of Ni-ZrO2 composite on a Ni-based substrate. Aluminizing was performed using the conventional two-step process at 760 and 1080 °C. Microstructural characterization of coatings in the as-coated conditions and after cyclic oxidation via 5-hour cycles at 1050 °C was performed using electron microscopy, energy dispersive spectroscopy and X-ray diffractometry. The results showed that the general three-zone microstructure of the simple high activity aluminide coatings develops below the pre-deposited nickel-zirconia layer and latter converts to a nearly un-alloyed porous NiAl. In spite of its porous surface layer, the zirconia modified coating has a higher oxidation resistance than the unmodified aluminide coating.

    Keywords: Aluminide coating, Composite electroplating, Microstructure, Zirconia, Cyclic oxidation
  • A. Karimian, M. Kalantar* Pages 13-27

    In this research, barium calcium hexaferrite (Ba1-xCaxFe12O19 , 0≤x£1) nanoparticles were synthesized through a sol-gel combustion method. The dried gel samples were then calcined at 950ºC for 4:30h. The phase and microstructural evolution of calcined samples were investigated by X-ray powder diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM), respectively. The results revealed formation of calcium -barium hexaferrite phase with a small amount of hematite as a secondary phase.  The average particle size is between 60-100 nm and the particle morphology is hexagonal or plate like structure. Results of a vibrating sample magnetometer (VSM) showed that the sample with x=0.4, exhibited the lowest value of saturation magnetization in comparison with others. This could be due to structural heterogeneity and presence of higher amounts of non- magnetic phases (BaFe2O4 and Fe2O3) in this sample compared to others. The results of sensory testing in acetone gas showed that the barium-calcium hexaferrite sample with x=0.2 had the highest sensitivity (0.28) and shortest response (15s) at a concentration of 900 ppm and a temperature of 200 °C despite of the long recovery time.

    Keywords: Synthesis of barium-calcium ferrite, Sol-Gel autocombustion, Gas sensor
  • M. Toorani* Pages 29-45

    In this study, Plasma Electrolytic Oxidation (PEO) at three frequencies of 500, 1000 and 3000 Hz was applied on Mg surface and the effect of PEO surface preparation on protective behavior of three types of epoxy, fusion bond epoxy (FBE) and polyurethane coatings was investigated. The microstructural and protective properties of PEO coatings were studied by SEM, potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The results showed that the coating formed at frequency of 3000 Hz had smaller pore size and better protection properties. EIS test in 3.5 Wt.% NaCl solution was also used to investigate the protective behavior of the two-layered coatings. The results showed that PEO process had a favorable effect on the protective behavior of the polymer layers. Moreover, the best protection behavior was related to the PEO/FBE coating system.

    Keywords: Plasma electrolytic oxidation coating, Polymer coating, Magnesium, Electrochemical methods
  • F. Mansouri, M. Mehran* Pages 47-59

    In this paper, synthesis of inverted nano-pyramids on a single crystal silicon surface through a simple and cost-effective wet chemical method is surveyed. These structures were synthesized by MACE process using Cu as the assisted metal in the solution of copper nitrate, hydrogen peroxide and hydrofluoric acid for different etching times. FE-SEM images of the samples show that time is an important factor in the formation of silicon inverted nano-pyramids and by extending synthesis time the structures gradually fade. After synthesis, some samples were etched in KOH 2% and IPA 6% for one minute which resulted in formation of nano-pyramids besides inverted nano-pyramids on the silicon surface. Formation of these combinational structures affected the self-cleaning behavior of the silicon surface. X-ray diffraction (XRD) was utilized for studying the crystalline characteristics of the synthesized structures. Moreover, the self-cleaning behavior of them was studied using the contact angle goniometer. The results showed that the inverted nano-pyramids improve the hydrophilic behavior of the silicon surface while post-synthesized etching improves the hydrophobic behavior of the surface. These textures improve the performance of solar cells due to their self-cleaning and light adsorption properties

    Keywords: Inverted nano-pyramid, MACE, Copper nitrate, post synthesize etching, Self-cleaning, Contact angle
  • N. Bahremandi Tolou*, H. Salimi Jazi, M. Kharaziha, N. Lisi, Guliana Faggio, A. Tamburrano Pages 61-73

    In recent years, graphene has been considered in various tissue engineering applications such as nerve guide conduits because of its unique properties such as high electrical and mechanical properties, porous structure for exchange of nutritious and waste materials, biocompatible, capability of drug and growth factor delivery. In the current study, nerve guide conduits based on a 3D graphene were synthesized by induction heating chemical vapor deposition (ICVD). Graphene was synthesized on Ni foam template at 1080 ͦC. Fabricated samples were characterized by Raman analysis and Scanning Electron Microscopy.  Raman analysis showed that the synthesized graphene is in the form of a turbostratic multilayered graphene with little defects. Cyclododecane (CD) as a temporary protective layer was used to remove nickel. After removing nickel, the free-standing 3D-graphene structure was coated with a polymer (PCL) by drop and dip coating methods to obtain the composite conduit. A comparison of the electromechanical results of the 3D-graphene/PCL conduit and PCL conduit indicated that firstly, grapheme increased the electrical conductivity of the composite conduit which will help promote nerve regeneration and axon growth. Secondly, tensile strength and flexibility of the 3D-graphene/PCL conduit was improved compared to the PCL conduit.

    Keywords: Chemical vapor deposition (CVD), 3D-Graphene, Nerve guide conduit, PCL, Drop coating, Dip coating
  • M. Soltani, A. Seifoddini*, S. Hasani Pages 75-87

    In this research, the effect of heating rate on oxidation kinetics of magnesium powder particles under non-isothermal conditions was studied. For this purpose, differential thermal analysis (DTA) and thermogravimetry analysis (TGA) was done on magnesium powder particles at three heating rates of 5, 10 and 20 K min-1 up to 1000 °C under air atmosphere. Also, in order to better understand the oxidation process of magnesium powder, three temperatures were selected according to the DTA curve at a heating rate of 20 K min-1. Then, samples of magnesium powder were heated up to these three temperatures with heating rate of 20 K min-1 and were subjected to X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) for phase and microstructural analysis. Then, kinetic studies were performed using some isoconversional methods such as Starink and Friedman as well as direct and indirect fitting methods. The activation energy (E) and pre-exponential factor (lnA) for oxidation of magnesium powder were in the range of 327-956 kJ mol-1 and 45-135 min-1, respectively. The reaction models for heating rates of 5, 10 and 20 K min-1 were obtained to be A3/2, R2 and D1, respectively.

    Keywords: Oxidation, Kinetic, Non-isothermal analysis, Magnesium powder, Mechanism
  • F. Davar*, Z. Enteshari Pages 89-98

    In this research, Zinc oxide nanoparticles with semi-spherical morphology were synthesized by modified sol-gel method using rosemary extract as a stabilizing agent. The effect of the amount of rosemary extract and calcination temperature on size and shape of the particles was investigated. The samples were characterized by X-ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy (FT-IR), scanning electron microscopy (SEM) and elemental analysis (EDX). X-ray diffraction results showed hexagonal structure (wurtzite phase) of zinc oxide. According to the SEM results semi-spherical nanoparticles of 18 nm in size were obtained using 75 ml of rosemary extract. The photocatalytic activity of the modified ZnO nanoparticles was investigated for degradation of the methylene blue dye solution. The results showed 96.87% of dye degradation in the 135 min that confirmed suitable efficiency of as-synthesized nanoparticles in the photocatalytic degradation process of dyes.

    Keywords: ZnO nanoparticles, Modified Sol-gel, Nano photocatalyst, Rosemary extract
  • M. Zarchi*, SH. Ahangarani Pages 99-103

    The structural and optical properties of polycrystalline silicon films obtained on a silicon wafer by electron beam physical vapor deposition (EBPVD), were studied in this paper. These films were initially amorphous and changed to a crystalline solid phase during annealing. Annealing was performed in an inert gas atmosphere tube furnace at different temperatures. Micro-structure of the films was analyzed to know the relationship between the crystalline / amorphous composition, grain size and characteristics of the films. The results showed a decrease in roughness with increasing annealing temperature and structural density. Moreover, results of Micro-Raman spectrum showed formation and increase of silicon nanocrystals in the annealed condition when the thickness of the coating increased due to structural defects.

    Keywords: Annealing, Amorphous silicon, EBPVD, Surface morphology, Nano-Crystal