فهرست مطالب

علم و مهندسی سرامیک - سال یازدهم شماره 4 (زمستان 1401)

نشریه علم و مهندسی سرامیک
سال یازدهم شماره 4 (زمستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1402/03/06
  • تعداد عناوین: 7
|
  • حسین حبیبی*، فرهاد نظری زاده صفحات 1-18

    مواد هوشمند (Smart Materials) به آن دسته از مواد می گویند که می توانند محیط و شرایط اطراف خود را درک کنند و به آن واکنش نشان دهند. آلیاژهای حافظه دار مغناطیسی زیر مجموعه ای از مواد هوشمند می باشندکه شکل ماده و سایر ویژگی های مکانیکی آن در پاسخ به میدان های مغناطیسی و مکانیکی تغییر می کند. آلیاژهای حافظه دار در سال های اخیر به دلیل ویژگی های منحصر به فردشان از جمله مقاومت به خوردگی بالا ، مقاومت ویژه الکتریکی نسبتا بالا، خواص مکانیکی نسبتا خوب، خستگی طولانی، شکل پذیری بالا و قابلیت انطباق با بدن در طیف گسترده ای از صنایع مورد توجه قرار گرفته اند. این آلیاژها مواد هوشمندی هستند که پس از تغییر شکل می توانند شکل اولیه خود را به یاد آورند. هدف از ارایه این مقاله آشنایی، کاربرد و بررسی خواص مواد حافظه دار مغناطیسی می باشد. در واقع با ارایه چند مدل مطالعه شده، معادلات ساختاری، خواص، کاربرد آن ها در حوزه های مختلف و نمودارها سعی در بررسی این مواد داشته ایم و به چالش های موجود آن پرداخته ایم. از مهمترین نتایج کمی این مواد اثر حافظه دار بودن مغناطیسی تا 6% ازدیاد طول، پاسخ بسامد 1-2KHZ، چگالی نیرو 2Mpa، میدان مغناطیسی کوچکتر از 0/8T و دمای کوری حدود 105°C -95 می باشد که ضرورت استفاده این مواد را در صنایع مختلف بیان می کند.

    کلیدواژگان: مبانی نظری، ساختار شناسی، مواد هوشمند حافظهدار مغناطیسی، کاربرد
  • هیمن عبداللهی حقی، نسیم رضایی، طیبه باقری لطف آباد*، امیر حیدری نسب، سهیلا یغمایی صفحات 19-34

    هدف از این مطالعه، تهیه نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم تکلیس شده در دماهای مختلف جهت بکارگیری برای جذب سطحی یون های روی از محیط آبی و سپس بررسی سینتیکی و ایزوترمی فرآیند جذب سطحی است. بدین منظور، نانوذرات با استفاده از روش سل-ژل سنتز شده و سپس در دماهای °C 450 و °C 800 مورد تکلیس قرار گرفتند. ویژگی های ساختاری، سطحی و شیمیایی نانوذرات سنتز شده توسط آنالیزهای XRD ،BET ،FTIR و SEM بررسی گردید. نتایج مطالعات جذب سطحی نشان داد که در محلول حاوی روی با غلظت اولیه mg/l 10 تحت شرایط 7pH=، غلظت جاذب g/l 3/0 و دمای °C 25، بیشترین راندمان جذب سطحی مشاهده می شود. مشخص شد که در بهترین شرایط، ماده های جاذب تهیه شده در دماهای °C 450 و °C 800 به ترتیب دارای راندمان جذب روی به میزان  99% و 92% بودند. مطالعات ایزوترمی نشان داد که به ترتیب ایزوترم های فرندلیش، تمکین، لانگمویر و دوبینین-رادوشوویچ، بهترین میزان همخوانی با داده های تعادلی جذب داشتند. همچنین، نتایج بررسی مدل های سینتیکی بیانگر بهترین میزان همخوانی به ترتیب برای مدل های شبه مرتبه دوم، ایلوویچ و مدل سینتیکی شبه مرتبه اول بودند.

    کلیدواژگان: نانو ذرات، دی اکسید تیتانیوم، دمای تکلیس، جذب سطحی، یون های روی
  • مجید امیرزاده، نادر قبادی*، سید علی حسینی مرادی صفحات 35-45

    خازن های الکتروشیمیایی بدلیل داشتن دانسیته توان بالا، سیکل پذیری زیاد و دانسیته انرژی مطلوب در سال های اخیر برای استفاده در سیستم های ذخیره و انتقال انرژی مورد توجه قرار گرفته اند. اکسیدهای فلزی دوتایی بدلیل داشتن خواص مورفولوژیکی مطلوب و عملکرد ابرخازنی بهتر، مورد توجه محققان قرار برای ساخت الکترود قرار گرفته اند. در این پژوهش ماده الکترودی منگنز وانادات (Mn2V2O7) با استفاده از روش دو مرحله ای سل ژل و هیدروترمال سنتز شد. سپس تست های مشخصه یابی XRD، FT-IR و SEM جهت تعیین خواص کریستالوگرافیکی و مورفولوژیکی مورد استفاده قرار گرفتند. تست های مشخصه یابی نشان دادند که ماده الکترودی Mn2V2O7 با مورفولوژی کره ای پوشش بدست آمدند. با انجام تست های الکتروشیمیایی CV، GCD و EIS، مشخص شد که الکترود Mn2V2O7 دارای عملکرد عالی ابرخازنی با ظرفیت ویژه خازنی F/g 401 در دانسیته جریان A/g 1 است. این عملکرد مربوط به اثر هم افزایی اکسید های منگنز و وانادیوم می باشد که تخلخل و سایت های فعال لازم جهت انجام واکنش انتقال بار را فراهم می کنند.

    کلیدواژگان: منگنز وانادات، ساختار کره ای، سل ژل، هیدروترمال، خازن های الکتروشیمیایی
  • نفیسه السادات میران، مرتضی ثقفی یزدی*، محمد تلافی نوغانی، امیرحسین مغنیان صفحات 46-51

    در این مطالعه خواص الکتروکاتالیستی الکترود های نانوساختار CoPSe با نسبت های مولی مختلف فسفر به سلنیم در ساختار الکترود بررسی شد. این الکترود ها توسط روش هیدروترمال روی یک فوم نیکل (به عنوان زیرلایه) در دمای C°180 و برای 5 ساعت در نسبت های مختلف مولی فسفر به سلنیم در ترکیب  (0:1، 2:8، 4:6، 1:1، 6:4، 8:2 و 1:0) تهیه شدند. مورفولوژی نمونه های سنتز شده با میکروسکوپ الکترونی FE-SEM، پراکندگی اتمی عنصر های مختلف موجود در ساختار توسط آنالیز نقشه برداری عناصر (map)، ترکیب عنصری به وسیله ی روش طیف سنجی انرژی پرتو ایکس (EDS)، آنالیز فازی و نوع پیوند های اتمی نمونه ها نیز به وسیله ی طیف سنجی پرتو ایکس (XRD) و طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) بررسی شدند. به منظور تشخیص چگونگی عملکرد الکتروشیمیایی، الکترودها تحت آزمون های ولتامتری چرخه ای (CV)، ولتامتری خطی (LSV) و آزمون امپدانس الکتروشیمیایی(EIS) قرار گرفتند. طبق داده های بدست آمده بیشترین ظرفیت و مرتفع ترین پیک احیا در منحنی ولتامتری چرخه ای و کمترین پتانسیل اضافی در منحنی ولتامتری خطی برای آزاد سازی هیدروژن در چگالی جریان 20- میلی آمپر بر سانتی متر مربع برای نمونه CoPSe (6:4) و برابر V21/0- بود. طبق آزمون امپدانس الکتروشیمیایی کمترین Rct نیز برابر (Ω 534/1) و مربوط به نمونه ی CoPSe (6:4) بود که به عنوان بهترین الکترود سنتز شده در این پژوهش معرفی شد.

    کلیدواژگان: فسفو سلنید کبالت، آزاد سازی هیدروژن، هیدروترمال، الکترود نانو ساختار
  • سهیلا روح الهی، سید حجت الله حسینی*، کریم زنگنه مدار، محمدرضا ابراهیمی فردوئی، سعید مرساق دزفولی صفحات 60-73

    انرژی یون کربن یک فاکتور کلیدی در تعیین مقدار پیوندهای sp3 در ساختار لایه کربن آمورف و ماهیت شبه الماسه است. در این پژوهش، تحولات ساختاری پوشش کربن شبه الماس بر اساس مکانیزم تشکیل پیوندsp3 متاثر از انرژی پرتو یون توسط فرایند لایه نشانی پرتو یونی مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور، جهت لایه نشانی پوشش ها، پارامتر انرژی پرتو یون در مقادیر 200، 300 و eV 400 در نظر گرفته شد. سپس جهت ارزیابی ساختار و ترکیب شیمیایی پوشش های ایجاد شده، از آنالیزهای طیف سنجی رامان و فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) استفاده شد. همچنین جهت تاثیر انرژی پرتو یون بر زبری سطح و ضخامت پوشش های اعمالی، از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) استفاده گردید. سختی و مدول الاستیک توسط آزمون نانوسختی سنجی اندازه گیری شد. مطابق نتایج آنالیز رامان، کمترین مقدار نسبت ID/IG در انرژی پرتو یون eV300 بدست آمد که برابر با 66/0 بود. نتایج حاصل از آنالیز XPS گویای کمترین مقدار پیوندهای sp2 در لایه کربن شبه الماس در انرژی پرتو یونیeV300 بود. همچنین نتایج آنالیز AFM، نشان داد که در انرژی پرتو یون eV300، زبری سطح پوشش کربن شبه الماس، کمترین مقدار را دارا است. با توجه به بیشترین مقدار پیوندهای sp3 در انرژی پرتو یونی
     eV 300، پوشش کربن شبه الماس دارای بیشترین سختی و برابر با GPa 6/10بود.

    کلیدواژگان: کربن شبه الماس، انرژی پرتو یون، پیوند sp3، رسوب گذاری پرتو یونی
  • حسن توکلی*، حمید محمدزاده، رسول امیرخانی، مهدی غلامپور صفحات 74-86

    در این پژوهش، کامپوزیت های زمینه زیرکونیای پایدار شده توسط ایتریا با 7 و 14 درصد وزنی اکسید نیکل بوسیله فرآیند سینتر پلاسمای جرقه ای تهیه شدند. بررسی تغییرات فازی توسط الگوی پراش پرتو ایکس نشان داد پیک غالب اکسید زیرکونیای پایدار شده با ایتریا (YSZ)، ساختار تتراگونال به همراه پیک هایی با شدت بسیار کم از فاز مونوکلینیک YSZ است و همچنین افزودن اکسید نیکل برای نمونه های کامپوزیتی منجر به ایجاد فاز فلزی نیکل شده است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی تهیه شده از سطح پرداخت شده نمونه ها بیانگر توزیع نسبتا مناسب فاز نیکل در فاز زمینه بود. بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی نمونه ها نشان داد که بیشینه چقرمگی شکست (19/0 ± 21/14 مگاپاسکال مجذور متر) ، چگالی نسبی (81/99 درصد چگالی تیوری)، استحکام خمشی (665 مگاپاسکال) متلعق به کامپوزیت حاوی 14 درصد وزنی اکسید نیکل است. اما در خصوص سختی ویکرز نمونه ها، افزایش اکسید نیکل در کامپوزیت ها، منجر به کاهش سختی نمونه بواسطه تشکیل فاز نیکل فلزی شده است.

    کلیدواژگان: زیرکونیا پایدار شده توسط ایتریا، اکسید نیکل، سینتر پلاسمای جرقه ای، ریز ساختار، خواص مکانیکی
  • آسیه حبیبی*، سید محمد موسوی خویی صفحات 87-96

    ایجاد پوشش گرافن دوپ شده با نیتروژن معمولا در دو یا سه مرحله زمانبر سنتز گرافن، دوپ نیتروژن و رسوب آن بر زیرلایه انجام می شود. در این پژوهش، با استفاده از فرایند پلاسمای الکترولیتی کاتدی، در یک مرحله، نانوورق های گرافن توربواستراتیک کم لایه دوپ شده با نیتروژن، سنتز شده و بر سطح زیرلایه نیکل رسوب داده شد. افزودن اوره به عنوان پیش ماده نیتروژنی به الکترولیت حاوی اتانول منجر به دوپ نیتروژن در ساختار گرافنی هم زمان با تشکیل آن در فرایند پلاسمای الکترولیتی می شود. این فرایند در اتمسفر محیط، تحت ولتاژ 800 ولت و در زمان بسیار کوتاه یک دقیقه انجام شد. طیف سنجی انتشار نوری تخلیه جرقه حضور نیتروژن در پوشش را نشان داد. همچنین بررسی شدت و موقعیت باند D2 در طیف رامان حضور نانوورق های چندلایه گرافنی را تایید کرد. افزایش cm-1 9 در مکان باند G در طیف رامان با افزودن اوره به الکترولیت، غلظت بیش از 4/1 درصدی نیتروژن در پوشش را تایید کرد. بنابراین روش پلاسمای الکترولیتی کاتدی می تواند فرایند یک مرحله ای و ساده برای ایجاد پوشش نانوورق های کم لایه گرافن دوپ شده با نیتروژن باشد.

    کلیدواژگان: نانوورق های گرافن، پلاسمای الکترولیتی کاتدی، دوپ نیتروژن
|
  • Hossein Habibi*, Farhad Nazarizadeh Pages 1-18

    Smart materials are those materials that can understand the environment and conditions around them and react to it. Magnetic memory alloys are a subset of smart materials whose shape and other mechanical properties change in response to magnetic and mechanical fields. Memory alloys in recent years due to their unique features such as high corrosion resistance, relatively high specific electrical resistance, relatively good mechanical properties, long fatigue, high plasticity and ability to adapt to the body in a wide range of Industries have been taken into consideration. These alloys are smart materials that can remember their original shape after being deformed. The purpose of presenting this article is to familiarize, use and examine the properties of magnetic memory materials. In fact, by presenting several studied models, structural equations, properties, their application in different fields and diagrams, we have tried to investigate these materials and addressed their existing challenges. One of the most important quantitative results of these materials is the magnetic memory effect of up to 6% increase in length, frequency response of 1-2KHZ, power density of 2Mpa, magnetic field smaller than 0.8T and Curie temperature of about 95-105℃, which is the necessity of using this material. It describes materials in different industries.

    Keywords: Theoretical foundations, morphology, magnetic shape memory alloys, application
  • Himan Abdollahi Haghi, Nasim Rezaei, Tayebe Bagheri Lotfabad*, Amir Heydarinasab, Soheila Yaghmaei Pages 19-34

    The aim of this study was to prepare titanium dioxide nanoparticles calcined at different temperatures to be used for adsorption of zinc ions from aqueous medium and then to investigate the kinetics and isotherms of the adsorption process. For this purpose, nanoparticles were synthesized using the sol-gel method and then calcinated at 450 °C and 800 °C. XRD, BET, FTIR, and SEM analyses were used to investigate the structural, surface, and chemical properties of the synthesized nanoparticles. Adsorption studies revealed that the solution containing zinc with an initial concentration of 10 mg/l had the highest adsorption efficiency under conditions of pH = 7, adsorbent concentration of 0.3 g/l, and temperature of 25 ° C. Under these conditions, adsorbents prepared at 450 °C and 800 °C achieved 99% and 92% adsorption efficiencies, respectively. Adsorption isotherm studies revealed that the Freundlich, Temkin, Langmuir, and Dubinin–Radushkevich isotherms had the best agreement with equilibrium sorption data, in that order. In addition, investigations on fitting into kinetic models revealed that the quasi-second-order, Elovich and the quasi-first-order equations had the best fit with experimental data, respectively.

    Keywords: nanoparticles, titanium dioxide, calcination temperature, adsorption, zinc ions
  • Majid Amirzade, Nader Ghobadi*, Seyedali Hosseini Moradi Pages 35-45

    Electrochemical capacitors have been considered for use in energy storage systems in recent years due to their high power density, high cycling stability, and optimal energy density. Binary metal oxides have been used by researchers to make electrodes due to their desirable morphological properties and better supercapacitive performance. In this study, manganese vanadate (Mn2V2O7) electrode was synthesized using two-step sol-gel and hydrothermal methods. Then, the characterization tests of XRD, FT-IR and SEM were used to determine the crystallographic and morphological properties. Characterization analyses showed that the electrode material of Mn2V2O7 was obtained with a hollow microbial morphology. Electrochemical tests of CV, GCD and EIS showed that the Mn2V2O7 electrode had excellent supercapacitive performance with a specific capacitance of 401 F/g at a current density of 1 A/g.

    Keywords: Manganese vanadate, Hollow microsphere, Sol-gel, Hydrothermal, Electrochemical capacitors
  • Nafiseh Alsadat Miran, Morteza Saghafi Yazdi*, Mohammad Talafi Noghani, AmirHossein Moghanian Pages 46-51

    In this study, the electro catalytic properties of CoPSe nanostructured electrodes with different molar ratios of phosphorus to selenium in the electrode structure were investigated. These electrodes were synthesized by hydrothermal method on a nickel foam (as substrate) at 180 ° C for 5 hours in different molar ratios of phosphorus to selenium (0: 1, 2: 8, 4: 6, 1: 1 , 6: 4, 8: 2 and 1: 0) were prepared. Morphology of samples were synthesized by FE-SEM electron microscopy, atomic scattering of various elements in the structure were detected by element mapping analysis, element composition were detected by X-ray energy spectroscopy (EDS) technique, phase analysis and bond type Atomic samples were also examined by X-ray spectroscopy (XRD) and Fourier transform spectroscopy (FTIR). In order to determine the electrochemical quality performance, the electrodes were subjected to underwent cyclic polarization (CV), linear polarization (LSV) and electrochemical impedance (EIS) tests. According to the obtained data, the highest capacity and the sharpest reduction peak were in the cyclic polarization curve for CoPSe (6:4). The lowest over potential was in the linear polarization curve for HER at a current density of -20 mA/cm2 for CoPSe (6:4) and equal to -0.21 V. According to the electrochemical impedance test, none of the samples had capacitive properties and the lowest Rct was equal to (1.543 Ω) and belonged to the CoPSe (6:4) sample. Therefore, this sample was introduced as the best electrode synthesized in this study.

    Keywords: Cobalt phospho selenide, hydrogen evolution reaction, hydrothermal, nanostructured electrode
  • Soheila Rouholahi, Seyed Hojatollah Hosseini*, Karim Zangeneh Madar, Mohammadreza Ebrahimi Fordoei, Saeid Mersagh Dezfuli Pages 60-73

    Carbon ion energy is a key factor in determining the amount of sp3 bonds in the structure of the amorphous carbon film and its like-diamond nature. In this study, the structural evolution of diamond-like carbon coating based on the mechanism of sp3 bond formation of amorphous carbon under the influence of the ion beam energy in the radio frequency ion-beam deposition process were investigated. For this purpose, the parameter of ion beam energy was 200, 300, and 400 eV ​​ for the deposition of DLC coatings. Raman and X-ray spectroscopy (XPS) analyzes were used to evaluate the structure and chemical composition of the coatings. Also, in order to determine the effect of ion beam energy on the surface roughness and thickness of the applied coatings, atomic force microscope (AFM) and field emission scanning electron microscope (FESEM) were used. Hardness and elastic modulus were measured by nanohardness test. According to the results of Raman analysis, the lowest value of ID/IG ratio was obtained in ion beam energy of 300 eV, which was equal to 0.66. The results of XPS analysis showed the lowest amount of sp2 bonds in the diamond-like carbon film at ion beam energy of 300 eV. Also, results of AFM analysis showed at ion beam energy of 300 eV, the surface roughness of diamond-like carbon coating has the lowest value. Due to the highest amount of sp3 bonds in the ion beam energy of 300 eV, the diamond-like carbon coating had the highest hardness and was equal to 10.6 GPa.

    Keywords: Diamond Like Carbon, Ion Beam Energy, Ion Beam Deposition, Sp3 Bond
  • Hasan Tavakoli*, Hamid Mohammadzadeh, Rasool Amirkhani, Madi Gholampoor Pages 74-86

    In this research, zirconia matrix composites stabilized by yttria with 7 and 14% by weight of nickel oxide were prepared by spark plasma sintering process. Investigation of phase changes by X-ray diffraction pattern showed the dominant peak of zirconia stabilized by yttria (YSZ) with tetragonal structure along with peaks with very low intensity of monoclinic phase of YSZ. Also, the addition of nickel oxide for composite samples led to the creation of nickel metal phase. The electron microscope images prepared from the polished surface of the samples showed relatively proper distribution of the nickel phase in the ground phase. Examining the physical and mechanical properties of the samples showed that the maximum fracture toughness (14.21 ± 0.19 MPa square meter), relative density (99.81% of theoretical density), bending strength (665 MPa) is related to the composite containing 14% by weight. It was nickel oxide. But regarding the Vickers hardness of the samples, the increase of nickel oxide in the composites led to a decrease in the hardness of the sample due to the formation of metallic nickel phase.

    Keywords: zirconia stabilized by yttria, nickel oxide, spark plasma sintering, microstructure, mechanical properties
  • Asiyeh Habibi*, S.Mohammad Mousavi Khoie Pages 87-96

    The production of nitrogen-doped graphene coating usually requires two or three time-consuming processes of graphene synthesis, nitrogen doping and deposition on substrate. In this study, nitrogen doped-turbostratic graphene-based material was synthesized and deposited on Nickel substrate by the cathodic plasma electrolysis process in one-step. The addition of urea, as nitrogen precursor, to ethanol electrolyte causes nitrogen doping of graphene structure and graphene formation by electrolytic plasma simultaneously. This process was carried out at the atmospheric pressure, under 800 V voltage within a very short time of one minute. The glow discharge optical emission spectroscopy showed the presence of nitrogen in coating. Also, studying the 2D band intensity and position at Raman spectrum confirmed the presence of multi-layer graphene nano-sheets. The 9cm-1 increase of G-band position at Raman spectrum, by addition of urea to electrolyte, confirmed the concentration of 1.4% nitrogen in coating. Thus, the cathodic plasma electrolysis can be a facile one-step method for the simultaneously production and doping of graphene nano-sheets coating on Ni surfaces.

    Keywords: Graphene Nanosheets, Cathodic Plasma Electrolysis, Nitrogen doping