فهرست مطالب

مواد پیشرفته در مهندسی - سال سی و نهم شماره 4 (زمستان 1399)

فصلنامه مواد پیشرفته در مهندسی
سال سی و نهم شماره 4 (زمستان 1399)

  • تاریخ انتشار: 1400/01/23
  • تعداد عناوین: 6
|
  • سجاد ارجمند*، غلامحسین اکبری، غلامرضا خیاطی صفحات 1-21

    هدف از انجام پژوهش حاضر، بررسی اثر تعداد پاس جوش روی ریزساختار، سختی و تنش های باقی مانده پوشش های کامپوزیتی حاوی ترکیبات بین فلزی Ti-Al-Si است. در این ارتباط، عملیات پوشش دهی سطحی تیتانیم خالص با استفاده از فرایند قوس تنگستن-گاز محافظ و سیم جوش آلومینیوم (4043) در یک و دو پاس انجام شد. بررسی های فازی و ساختاری پوشش ها، توسط روش پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی صورت گرفت. مقادیر ریزسختی و تنش های باقی مانده در پوشش ها به ترتیب توسط دستگاه ASTM E384-HV و روش Sin2ψ محاسبه شد. نتایج نشان داد که، با افزایش تعداد پاس جوش یا کاهش میزان رقت، کسر حجمی فازهای بین فلزی Ti5Si3-Al3Ti در منطقه ذوب افزایش، کسر حجمی فاز مارتنزیت در منطقه متاثر از حرارت کاهش و به دنبال آن متوسط سختی پوشش حدود 130 درصد نسبت به سختی زیرلایه تیتانیم خالص افزایش یافت. نتایج تعیین تنش های باقی مانده در پوشش ها حاکی از ایجاد تنش باقی مانده کششی برابر با 30 ± 165 و 35 ± 210 مگاپاسکال در خط مرکزی جوش، به ترتیب برای پوشش های تهیه شده در یک و دو پاس جوش است.

    کلیدواژگان: پوشش کامپوزیتی، فرایند قوس تنگستن-گاز محافظ، تنش باقی مانده، ترکیبات بین فلزی
  • سیده نرجس حسینی*، فتح الله کریم زاده، محمدحسین عنایتی صفحات 23-44

    قطعات خام و پیش اکسید شده AISI430 با اسپینل فریت مس به روش چاپ صفحه ای پوشش داده شدند. فرایند تف جوشی واکنشی پوشش احیا شده موجب ایجاد یک اتصال خوب شد. آزمون طیف سنجی توزیع انرژی بیانگر تشکیل یک ساختار دولایه شامل یک زیرپوسته غنی از اکسید کروم و یک لایه اسپینلی بیرونی غنی از Cu/Fe بود. نتایج نشان داد که لایه حفاظتی اسپینلی نه تنها باعث کاهش چشمگیر مقاومت ویژه سطحی شد، بلکه با عمل کردن به عنوان یک مانع برای نفوذ به داخل اکسیژن، از رشد زیرپوسته نیز جلوگیری کرده است. پس از 400 ساعت اکسیداسیون، مقدار مقاومت ویژه سطحی نمونه های خام و پیش اکسید شده پوشش داده شده به ترتیب 19/7 و 32/5 میلی اهم در سانتی متر مربع در 800 درجه سانتی گراد اندازه گیری شد که بسیار کمتر از مقدار آن برای زیرلایه خام بدون پوشش (153/4 میلی اهم در سانتی متر مربع) بود. اعمال پوشش همچنین باعث ایجاد یک مقاومت ویژه سطحی کم و پایدار (20/5 میلی اهم در سانتی متر مربع) پس از 600 ساعت اکسیداسیون در 800 درجه سانتی گراد شد. هدایت الکتریکی بالای CuFe2O4 و آلایش آن توسط منگنز، کاهش رشد پوسته اکسیدی Cr2O3 و چسبندگی خوب بین پوشش و زیرلایه از جمله عوامل بهبود اساسی هدایت الکتریکی بودند. مقایسه نتایج این تحقیق با تحقیق پیشین نویسندگان نشان داد این زیرلایه با پوشش فریت مس می تواند جایگزین مناسبی برای اتصال دهنده های Crofer 22 با قیمت بالاتر باشد.

    کلیدواژگان: اکسیدهای اسپینلی، پوشش های محافظ، اتصال دهنده آلیاژی، پیل سوختی اکسید جامد، پوسته اکسید کروم، اکسیداسیون دمابالا
  • سیده سارا شفیعی*، مهناز شوندی، یگانه نیک اختر صفحات 45-59

    داربست های مهندسی بافت، چارچوب های زیستی هستند که از رشد، تکثیر و تمایز سلول ها در بدن حمایت می کنند. در این میان، داربست های نانولیفی به شکل مناسبی از لحاظ مکانیکی و زیستی از زمینه خارج سلولی تقلید می کنند. این داربست ها نقش موثری در بازسازی و ترمیم بافت ایفا می کند. یکی از روش های تهیه داربست های نانولیفی با خواص دستکاری شده، افزودن نانوذرات به زمینه پلیمری (نانوکامپوزیت) است. در این پژوهش، الیاف یک دست از جنس پلی کاپرولاکتون تقویت شده با نانورس هیدروکسید دوگانه لایه ای با درصدهای 0/1 درصد تا 10 درصد وزنی توسط روش الکتروریسی تهیه شد. افزودن فاز نانورس به فاز پلیمری باعث کاهش قطر الیاف و بهبود خواص مکانیکی شد. به علاوه، حضور نانوذرات رسی در بستر پلی کاپرولاکتون به شکل قابل توجهی موجب افزایش چسبندگی سلول ها و تمایز سلول های چربی شد. نتایج نشان می دهد می توان از داربست های الکتروریسی شده پلی کاپرولاکتون تقویت شده با نانوذرات رسی در کاربردهای مهندسی بافت نرم استفاده کرد.

    کلیدواژگان: مهندسی بافت، مهندسی بافت نرم، داربست های الکتروریسی، پلی کاپرو لاکتون، نانورس، الکتروریسی، هیدروکسید دوگانه لایه ای
  • شاهین معصومی گنجگاه، مهرداد عباسی* صفحات 61-76

    در این پژوهش هدف بررسی عوامل موثر در ساخت دوفلزی مس/ آلیاژ تنگستن- مس- نیکل از روش تف جوشی با قوس پلاسما (SPS) و بررسی ریزساختار و استحکام در فصل مشترک این دوفلزی است. پارامترهای دمای تف جوشی و درصد مس در آلیاژ تنگستن- مس- نیکل در این پژوهش تغییر داده شده اند. ابتدا از تف جوشی پودر آلیاژ تنگستن- مس (12 و 14 درصد وزنی)- نیکل (3 درصد وزنی) نمونه های پولکی شکل در دمای 1350 درجه سانتی گراد از روش تف جوشی با قوس پلاسما ساخته شد، سپس این نمونه ها از روش تف جوشی با قوس پلاسما در دماهای مختلف به یک نمونه حجمی مس، جوش متالوژیکی داده شد و ریز ساختار و استحکام باند در فصل مشترک به ترتیب با میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) و آزمون استحکام برشی ارزیابی شدند. نتایج نشان داد که از این طریق می توان یک پیوند فلزی یک پارچه با مرز مونولیتیک و با استحکام برشی بالا، حدود 45 مگاپاسکال، بین آلیاژ تنگستن (W-12Cu-3Ni) با مس خالص ایجاد کرد، که در پژوهش های قبلی چنین جوش با کیفیت بالایی گزارش نشده است.

    کلیدواژگان: دوفلزی- تنگستن- مس- نیکل- - تف جوشی با قوس پلاسما
  • ندا ذاکری، حمیدرضا رضایی*، جعفر جوادپور، مهشید خرازیها صفحات 77-94

    در سال های اخیر استفاده از داربست های نانوکامپوزیتی پلیمر- سرامیک در مهندسی بافت استخوان به دلیل شباهت این ساختارها به بافت طبیعی استخوان، مورد توجه قرار گرفته است. در این میان، پلی کاپرولاکتون در ساخت داربست های استخوانی مورد توجه است. کامپوزیت کردن پلی کاپرولاکتون با فازهای سرامیکی مانند زیولیت که توانایی بهبود تشکیل استخوان را دارند می تواند منجر به بهبود کارایی این پلیمر در داربست های استخوانی شود. هدف از این پژوهش، ساخت داربست نانوکامپوزیتی پلی کاپرولاکتون - زیولیت با خواص مکانیکی، زیست تخریب پذیری و زیست فعالی مناسب برای کاربرد در مهندسی بافت استخوان اسفنجی است. برای ساخت این داربست از دو روش ریخته گری حلال - شستشو ذرات و خشک کردن انجمادی در کنار هم استفاده شد. بررسی های میکروسکوپی نشان داد که اندازه تخلخل های داربست های حاصل بین 200 تا 400 میکرومتر است. نقشه توزیع عنصری، توزیع یکنواخت فاز نانوزیولیت را در زمینه پلی کاپرولاکتون تایید کرد. همچنین با توجه به نتایج طیف سنجی مادون قرمز با تبدیل فوریه نوع اتصال نانوذرات زیولیت به زمینه پلی کاپرولاکتون اتصال فیزیکی تعیین شد. نتایج بررسی خواص مکانیکی داربست ها نشان دهنده افزایش مدول یانگ و استحکام فشاری (به ترتیب از 0/04 تا 0/3 و 3 تا 7 مگاپاسکال) بعد از اضافه شدن فاز نانوزیولیت به داربست ها بود. با افزودن نانوزیولیت آبدوستی پلی کاپرولاکتون افزایش یافت و کاهش وزن بیشتری مشاهده شد (برای داربست حاوی 20 درصد زیولیت 1/6 ± 53/52 درصد)، همچنین تشکیل هیدروکسی آپاتیت در محیط شبیه سازی شده بدن سرعت گرفت. نتایج نشان می دهد که داربست های ساخته شده قابلیت کاربرد در مهندسی بافت استخوان اسفنجی را دارند.

    کلیدواژگان: زئولیت، پلی کاپرولاکتون نانوکامپوزیت، داربست، مهندسی بافت
  • هومن هادیان*، محسن حداد سبزوار، محمد مزینانی صفحات 95-113

    در این پژوهش تاثیر اضافه کردن براده بر ریزساختار قطعات آلومینیومی ریخته گری شده به روش ریخته گری تحت فشار مطالعه و امکان تغییر ساختار آلیاژ آلومینیوم 380 در قالب فلزی با افزودن براده بررسی شد. ریزساختار قطعه بیشتر از دانه های آلفا، فاز یوتکتیک و ترکیبات بین فلزی و تخلخل تشکیل شده است. به علت وقوع شرایط غیرتعادلی انجماد در سیستم آلیاژی حاضر، برای محاسبه کسر وزنی جامد از معادله شایل با تعیین مقدار دقیق ضریب توزیع تعادلی توسط روش تجزیه شیمیایی خطی میکروسکوپ الکترونی روبشی در مجاورت یک فاز بین فلزی در زمان های مختلف هم زدن و همچنین معادلات حاکم بر تجزیه حرارتی استفاده شد. درنهایت با استفاده از تحلیل شار حرارتی در بوته، پیش بینی علمی درخصوص میزان بهینه افزودن براده، زمان هم زدن و دمای باریزی به دست آمد. میزان فاکتور شکل در دمای بهینه 590 درجه سانتی گراد برابر 0/643 اندازه گیری شد. مطابق با تصاویر میکروسکوپی نوری از نمونه های ریخته گری شده، روش افزودن براده (قرار دادن آن در کف یا اضافه کردن به سطح) و افزایش دمای تزریق، تاثیر بسزایی در کسر وزنی جامد تشکیل شده، مورفولوژی دانه های آلفا و ریزساختار نهایی آلیاژ دارد.

    کلیدواژگان: ریخته گری نیمه جامد، ریزساختار، کسر جامد، براده، انجماد
|
  • S. Arjmand*, G. H. Akbari, G. R. Khayati Pages 1-21

    The purpose of the present work is to investigate the influence of the number of weld-passes on microstructure, hardness and residual stresses of composite coatings composed of Ti-Al-Si intermetallic compounds. In this regard, surface coating of pure Ti was carried out using one and two passes of tungsten inert gas (TIG) welding with an Al filler alloy (grade 4043). Phase and structural evaluations of the coatings were investigated by X-ray diffraction, optical and scanning electron microscopies. microhardness and residual stress values of the coatings were measured using ASTM E384-HV device and the Sin2ψ method, respectively. The results showed that as the number of welding passes increased or the dilution ratio decreased, the volume fraction of Ti5Si3-Al3Ti intermetallic phases within the fusion zone increased and the volume fraction of martensite phase in the heat affected zone decreased. As a result, the average hardness value of the coating increased to be about 130 % compared to that of the pure Ti substrate. The tensile residual stresses at the center line of fusion zone were 165 ± 30 and 210 ± 35 MPa for the coatings prepared in one and two welding passes, respectively.

    Keywords: Composite coating, TIG process, Residual stress, Intermetallic compounds
  • S. N. Hosseini*, F. Karimzadeh, M. H. Enayati Pages 23-44

    The bare and pre-oxidized AISI 430 pieces were screen printed by copper ferrite spinel coatings. Good bonding between the coating and the substrate was achieved by the reactive sintering process of the reduced coating. The energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis revealed that the scale is a double layer consisting of a chromia-rich subscale and an outer Cu/Fe-rich spinel. The results showed that the spinel protection layer not only significantly decreased the area specific resistance (ASR), but also inhibited the subscale growth by acting as a barrier to the inward diffusion of oxygen. ASRs of 19.7 and 32.5 mΩ.cm2, much lower than that of the bare substrate (153.4 mΩ.cm2), at 800 °C after 400 h oxidation were achieved for the bare and pre-oxidized copper ferrite spinel coated samples, respectively. Excellent, stable ASR (20.5 mΩ.cm2) was obtained with copper ferrite coating after 600 h of exposure at 800 °C. The high electrical conductivity of CuFe2O4 and its doping by Mn, the growth reduction of Cr2O3 oxide scale and the good coating to substrate adherence are proposed to be responsible for substantial improvement in electrical conductivity.

    Keywords: Spinel oxides, Protective coatings, Alloy interconnect, Solid oxide fuel cell, Chromium oxide scale, High temperature oxidation
  • S. S. Shafiei*, M. Shavandi, Y. Nickakhtar Pages 45-59

    Tissue-engineering scaffolds provide biological and mechanical frameworks for cell adhesion, growth, and differentiation. Nanofibrous scaffolds mimic the native extracellular matrix (ECM) and play a significant role in formation and remodeling of tissues and/or organs . One way to mimic the desired properties of fibrous ECM is adding nanoparticles into the polymer matrix. In the current study, the uniform fibers of poly (ε-caprolactone) (PCL) enriched with different layered double hydroxide (LDH) contents (ranging from 0.1 wt.% to 10 wt.%) were successfully fabricated by electrospinning method. The LDH nano particles were randomly dispersed in the fibers, as confirmed by Energy Dispersive X-ray analysis (EDX). Scaffolds were analyzed from morphological, physical and mechanical view. Biological assessments of scaffolds in terms of cellular attachment and adipogenic differentiation of mouse adipose derived stem cells (mADSCs) were performed. The results showed that inclusion of LDH nanoparticles reduced the average fiber diameter and enhanced the tensile strength and elongation at break values of the PCL scaffold. The LDH-enriched electrospun PCL scaffolds had remarkable effects on cell adhesion. Moreover, a significant increase in adipogenic differentiation of mADSCs was observed. The PCL/LDH nanofibrous scaffolds showed great potential in application for soft tissue engineering.

    Keywords: Tissue engineering, Soft tissue engineering, Scaffold, Electrospinning, Polycaprolactone, Layered double hydroxide
  • S. Masoomi Ganjgah, M. Abbasi* Pages 61-76

    This study aims at investigating changes in microstructure and strength of W alloy and Cu bimetals with varying spark plasma sintering (SPS) temperature and percentage of copper in W-Cu-Ni alloy. After SPS of W (12 wt%)-Cu (14 wt%)-Ni (3 wt%) alloy powder into consolidated discs at 1350 ° C, they were spark plasma sintered to copper discs at various temperatures. Assessment of the interface microstructure and shear strength was performed by field emission scanning electron microscpe (FESEM) and shear strength test, respectively. Results indicated SPS is successful in forming a perfect metallic bond with monolithic interface and high shear strength of about 45 MPa in Cu/W-12Cu-3Ni bimetal that is extra high quality and not reported in previous investigations.

    Keywords: Bimetal, Tungsten, Copper, Nickel, Spark Plasma Sintering
  • N. Zakeri, H.R. Rezaie*, J. Javadpour, M. Kharaziha Pages 77-94

    In recent years, nanoceramics have been used in scaffolds to emulate the nanocomposite with a three-dimensional structure of natural bone tissue. In this regard, polycaprolactone biopolymer is widely used as a scaffold in bone tissue engineering. The goal of this research is to produce porous scaffolds of polycaprolactone - zeolite biocomposite with suitable mechanical, bioactive and biological properties  for bone tissue engineering applications. The nanocomposite scaffolds were synthesized by solvent casting/particulate leaching and freeze-drying approaches. Microscopic investigations showed generation of pores with an average size of 200-400μm after addition of ceramic phase. Energy dispersive X-ray analysis confirmed uniform distribution of ceramic phase in polycaprolactone matrix. FTIR results determined the binding type of zeolite nanoparticles to the polycaprolactone matrix as physical bonding. The results of mechanical tests showed the increase in young’s modulus after addition of ceramic phase (from 0.04 to 0.3 and 3 to 7 MPa, respectively). The hydrophilicity of polycaprolactone increased after adding nanozeolite and more weight loss was observed for scaffold containing 20% zeolite (53.52 6 1.6%) with an increase in the rate of hydroxyapatite formation. The results showed that the prepared scaffolds have potential for cancellous bone tissue engineering application.

    Keywords: Zeolite, Nanocomposite, Tissue engineering, Scaffold
  • H. Hadian*, M. Haddad Sabzevar, M. Mazinani Pages 95-113

    In this research, effect of swarf addition on the microstructure of die cast aluminum A380 alloy and the possibility of altering the alloy structure in the metallic die has been studied. The microstructure mainly consists of the α-phase, eutectic, intermetallic compounds and porosity. Since the alloy solidifies under non-equilibrium conditions, the Scheil equation with exact amount of equilibrium distribution, analyzed by SEM-Line scan around an intermetallic phase at different mixing times as well as governing equations of thermal analysis, was used to calculate the solid weight fraction. Finally, using the thermal flux analysis in the crucible, a scientific prediction on the optimal amount of swarf addition, mixing time and temperature, was made. The shape factor at an optimum temperature of 590 °C was measured as 0.643. According to the optical microscope images of the die cast samples, the addition method (adding it to the floor or to the surface) and increasing the injection temperature have a significant effect on the solid weight fraction, morphology of the α-phases and final microstructure of the alloy.

    Keywords: Semi-solid casting, microstructure, solid fraction, swarf, solidification