فهرست مطالب

مواد پیشرفته در مهندسی - سال چهل و یکم شماره 4 (زمستان 1401)

فصلنامه مواد پیشرفته در مهندسی
سال چهل و یکم شماره 4 (زمستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1402/05/17
  • تعداد عناوین: 6
|
  • زهرا گل نیا، مهدی کلانتر*، محمد رفیعی نیا، علی پورسمر صفحات 1-25
    در این مطالعه، داربست سه بعدی کامپوزیتی شیشه زیست فعال حاوی دو درصد مولی نقره/ پلی کاپرولاکتون به کمک پرینتر سه بعدی با مزایای تکرار پذیری و انعطاف پذیری بالا در شکل و اندازه ساخته شد. پارامترهای تاثیرگذار (پارامتر های چاپگر و نسبت فاز شیشه، فاز پلیمر و حلال در جوهر پرینتر) برای چاپ داربست نانوکامپوزیتی با روش تاگوچی تعیین شدند. مشخصه یابی داربست های چاپ شده با کیفیت بهینه به کمک تفرق اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی جاروبی، طیف سنجی مادون قرمز، تست زیست فعالی، طیف سنجی نشر اتمی، تست سمیت و تکثیر سلولی انجام گرفت. نتایج مربوط به سنتز شیشه زیستی حاوی نقره به روش سل-ژل و عملیات حرارتی شده در دمای 550 درجه سانتی گراد، نانو ذراتی با قطر متوسط کمتر از 15 نانومتر و توزیع همگن نقره در آن را می دهد. شرایط بهینه برای چاپ داربست با کیفیت قابل قبول (درصد، اندازه و نحوه توزیع حفره ها، ساختار منظم لایه ها بر روی یکدیگر و تکرار پذیری)، نسبت فاز پلیمر به پودر شیشه معادل یک به دو، غلظت 50 درصد پلیمر در حلال، ریترکشن 1/5 و درایو جییر 1200 است. داربست ساخته شده در شرایط بهینه خواص ضد باکتریایی قابل توجه، خاصیت زیست فعالی خوب، قابلیت زنده ماندن سلولی قابل قبولی و فعالیت آلکالین فسفاتاز بالایی از خود را نشان دادند. بدین ترتیب داربست های نانوکامپوزیتی چاپ سه بعدی با حفره های ماکرو (تا 500 میکرون) و میکرو سایز و درصد تخلخل تا 64 درصد در ساختار می توانند کاندیدای امیدوارکننده ای برای مهندسی بافت استخوان باشند.
    کلیدواژگان: شیشه زیست فعال، داربست استخوانی، چاپ سه بعدی، آنتی باکتریال، سل ژل، پلی کاپرو لاکتون
  • سید علی حسن زاده تبریزی* صفحات 27-36
    در تحقیق حاضر ذرات آلومینا- سریا به روش سل- ژل ساخته شد. ذرات تولیدی با روش های پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی روبشی مشخصه یابی شد. سپس کامپوزیت های زمینه آلومینا حاوی 15 درصد وزنی سریا تحت فشار 80 مگاپاسکال در دماهای مختلف توسط فرآیند تف جوشی پلاسمای جرقه ای ساخته شدند. نتایج پراش اشعه ایکس نشان داد که پودر تولیدی قبل از عملیات حرارتی ساختار آمورف دارد که پس از کلسیناسیون در دمای 800 درجه سلسیوس فاز میانی اتا آلومینا و اکسید سریم تشکیل می شوند. ذرات تولیدی ابعادی حدود 250 نانومتر دارند. تاثیر دمای تف جوشی بر چگالی نمونه ها، اندازه دانه ها و سختی کامپوزیت ها مورد بررسی قرار گرفت. نمونه ها در دمای حدود 1400 درجه سلسیوس متراکم شدند و به چگالی حدود 97 درصد چگالی تیوری رسیدند. تجزیه و تحلیل ریزساختار نشان داد که دانه های کامپوزیت با افزایش دمای کامپوزیت رشد کرده اند. نتایج نشان داد افزایش دما و فشار در فرایند تف جوشی باعث افزایش چگالی نمونه ها می شود. سختی ویکرز کامپوزیت ها با افزایش دمای تف جوشی افزایش یافت و نمونه های کامپوزیتی تف جوشی شده در 1400 درجه سلسیوس به مدت 20 دقیقه در فشار 80 مگاپاسکال دارای بالاترین سختی ویکرز حدود 15/3 گیگاپاسکال بود.
    کلیدواژگان: تف جوشی پلاسمای جرقه ای، کامپوزیت، آلومینا، سریا، سل- ژل
  • جهانبخش اعتمادزاده، تهمینه احمدی*، پویا بصیر، محمدرضا خانزاده صفحات 37-59
    در این پژوهش با استفاده از فرآیند جوشکاری قوسی با الکترود دستی، یک لایه مقاوم به سایش توسط الکترودهای روکش سخت 1622v ،1600v و 1623v برروی فولاد ساده کربنی 37 St ایجاد و اثر تعداد پاس جوشکاری بر ریزساختار و مقاومت به خوردگی روکش ها مورد ارزیابی قرار گرفت. بدین منظور از میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به آنالیز نقطه ای و آزمون پراش پرتو ایکس استفاده شد. نتایج نشان دهنده توزیع رسوبات کاربیدی مختلف در ریزساختار فلزات پوشش بود. این رسوبات کاربیدهای کمپلکس از کروم، مولیبدن و وانادیوم بودند. نتایج آزمون پراش پرتو ایکس نشان دهنده وجود فازهای مارتنزیت، آستنیت، کاربید کروم و کاربید مولیبدن در هر سه فلز پوشش بود. کاربید تنگستن تنها در فلز پوشش 1623v مشاهده شد. نتایج آزمون پلاریزاسیون تافل نشان داد نمونه بدون پوشش و نمونه 1622v با داشتن بیشترین چگالی جریان خوردگی (به ترتیب 15/23 و 7/06 میکروآمپر بر سانتی متر مربع) در بین این نمونه ها، و بنابراین دارای بیشترین سرعت خوردگی و کمترین مقاومت در برابر خوردگی هستند. نتیجه مهم دیگر حاصل از کار، بیشتر بودن چگالی جریان خوردگی نمونه 1600v (6/29 میکروآمپر بر سانتی متر مربع) نسبت به نمونه 1623v (4/80 میکروآمپر بر سانتی متر مربع) است که مقاومت به خوردگی کمتر این نمونه را نشان می دهد. به علاوه، مطابق نتایج آزمون طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی بیشترین مقاومت انتقال بار و مقاومت پوشش با مقدار 6/3 کیلواهم بر سانتی متر مربع و 68/5 اهم بر سانتی متر مربع متعلق به نمونه 1623v بوده است که توسط آزمون پلاریزاسیون نیز به اثبات رسیده بود. هم چنین کمترین مقاومت انتقال بار و مقاومت پوشش در بین نمونه های روکش دار با مقدار 2/73 کیلواهم بر سانتی متر مربع و 42/5 اهم بر سانتی متر مربع متعلق به نمونه 1622v بوده است.
    کلیدواژگان: جوشکاری قوسی، الکترود روکش سخت، کمپلکس های کاربیدی، فولاد St37، پوشش ضد خوردگی، Fe-Cr-C-X
  • کریم آتشگر، رضا مسعودی* صفحات 61-74
    توانایی ردیابی سازه ها و ادوات یکی از موارد ایجاد برتری در نبرد های نظامی است. استفاده از استتار از دیرباز به منظور کاهش احتمال کشف سازه ها و تجهیزات نظامی مورد استفاده قرار گرفته است. توسعه دانش در زمینه ردیابی و کشف سازه ها و ادوات نظامی از یک سو و ضرورت اختفا به منظور کاهش آسیب پذیری در هنگام جنگ از سوی دیگر، اهمیت استفاده از روش های استتار و رادارگریزی نوین را افزایش داده است. استفاده از فناوری نانو در زمینه رادارگریزی تاسیسات نظامی با معرفی گرافن به عنوان جاذب بسیار قوی امواج الکترومغناطیس به عنوان نقطه عطف در این صنعت مطرح است. ایجاد پوشش گرافن بر روی تاسیسات نظامی باعث جذب امواج الکترومغناطیس و در نتیجه عدم کشف این تاسیسات توسط رادار دشمن می شود. با توجه به اینکه بین قطر اکسید گرافن به کار برده شده و میزان رادارگریزی تجهیزات یک رابطه تابعی وجود دارد، لذا در این مقاله برای اولین بار سعی شده تا به منظور کنترل و پایش کیفیت رادارگریزی با استفاده از اکسید گرافن (با نام علمی RGO/NiFe2O4) در طیف امواج مایکروویو 7 گیگا هرتز به کمک رویکرد پروفایلی یک رابطه رگرسیونی ارایه شود. از این رابطه می توان به منظور پایش کیفیت تولیدات رادارگریز (ارزان تر و سریع تر از روش های موجود) استفاده کرد. در پایان تحلیل حساسیت مدل نشان داد به ازای تغییر در پارامترهای مدل رگرسیونی توانایی تشخیص عدم انطباق در محصولات تولیدی به سرعت (بین 1 تا 20 نمونه) قابل تشخیص است.
    کلیدواژگان: گرافن، اختفا، نمودار کنترل، پایش پروفایل چند جمله ای، سازه های نظامی
  • مهدی سبحانی، محمدرضا لقمان استرکی*، حجت الله منصوری، مهدی نادری، احسان محمد شریفی، علیرضا نصر اصفهانی صفحات 75-90
    در پژوهش حاضر، از قطران زغال سنگ و قیر نرم به عنوان مواد اولیه و از روش کربنیزاسیون فاز مایع به عنوان روشی با هزینه تولید پایین، برای تولید ریزدانه های کربن مزوفاز استفاده شد. نخست، اثر دما، زمان و فشارهای گوناگون بر تولید قیر مزوفاز بررسی شد. همچنین، اثر حلال های گوناگون بر کارایی سنتز ریزدانه های مزوفاز کربنی بررسی شد. ویژگی های ساختاری و شیمیایی موجود در ریزدانه های کربن مزوفاز با میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی، طیف سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس، پراش پرتو ایکس، طیف سنجی رامان و آزمون طیف سنجی تبدیل فوریه فروسرخ ارزیابی شد. نتایج نشان داد که فشار bar 7 و استخراج با حلال پیریدین تاثیر زیادی بر مورفولوژی، حذف ناخالصی های موجود در مواد اولیه و بازده تولید دارد. همچنین نتایج آزمون پراش پرتو ایکس و میکروسکوپی الکترونی روبشی نشان داد که ریزدانه های کربن مزوفاز همیشه مورفولوژی کروی ندارند.
    کلیدواژگان: ریزدانه های کربن مزوفاز، قیر مزوفاز، بلور مایع، کربنیزاسیون فاز مایع
  • علی محمدی، محمد علی پور صفحات 91-102

    در این کار تحقیقاتی اثر افزودن نانوذرات کاربید سیلیسیم بر روی سختی و مقاومت به سایش آلیاژ آلومینیوم A380 مورد بررسی قرار گرفت. پودر آلومینیوم A380 و نانوذرات SiC با مقادیر (0، 0/5، 1 و 2 درصد وزنی) در یک دستگاه آسیاب گلوله ای سیاره ای در اتمسفر آرگون به مدت 10 ساعت آسیاب شدند. نسبت وزن گلوله به پودر 1:10 و سرعت چرخش روی 250 دور در دقیقه تعیین شد. پس از فرآیند آسیاب، از پرس گرم برای تولید نمونه ها استفاده شد. محصولات از طریق قالب گرافیتی به قطر 15 میلی متر همزمان با سرعت گرمایش 10 درجه سانتی گراد در دقیقه تا دمای پخت نهایی 520 درجه سانتی گراد با زمان نگهداری 30 دقیقه تحت خلا در فشار 50 مگاپاسکال در دستگاه پرس گرم قرار گرفت. ریز ساختار و سختی نمونه های تولید شده با استفاده از میکروسکوپ نوری و دستگاه سختی سنجی ویکرز مورد بررسی قرار گرفت. برای تست سایش از روش پین روی دیسک استفاده شد. بهترین سختی نمونه ها مربوط به آلیاژ آلومینیوم با 0/5 درصد وزنی نانوذرات SiC بود. نانو کامپوزیت حاوی دو درصد وزنی نانوذرات SiC بیشترین مقاومت به سایش را در مقایسه با سایر نمونه های تست شده نشان داد.

    کلیدواژگان: آلیاژ آلومینیوم، سختی، سایش، متالورژی پودر، SiC
|
  • Z. Golnia, M. Kalantar *, M. Rafienia, A. Poursamar Pages 1-25
    In this study, a 3D bioactive glass composite scaffold containing 2 mol% silver/polycaprolactone (PCL) was synthesized by a 3D printer with the advantages of reproducibility and high flexibility in shape and size. The effective parameters (printer parameters, ratio of glass-phase, polymer phase, and solvent in printer ink) were determined for printing of nanocomposite scaffold by Taguchi method. Characterization of printed scaffolds was performed using X-ray diffraction, scanning electron microscope, infrared spectroscopy, bioactivity test, atomic emission spectroscopy, toxicity test, and cell proliferation. The results related to the synthesis of silver-containing bioglass by sol-gel method and heat treated at 550°C offered nanoparticles with an average diameter of less than 15 nm and a homogeneous distribution of silver in the matrix. Ratio of polymer phase to glass powder equivalent to 0.5, concentration of polymer in solvent of 50%, retraction of 1.5, and drive gear of 1200 are obtained as the optimum conditions for scaffold printing with acceptable quality (percentage, size and distribution of holes, regular structure of layers, and repeatability). The fabricated scaffold in optimal conditions revealed significant antibacterial properties, good bioactivity, acceptable cell viability, and high ALP activity. 3D printed BG/PCL nanocomposite scaffolds with macro (up to 500 µm) and micro size of holes and porosity percentage up to 64% in the structure can be a promising candidate for bone tissue engineering.
    Keywords: bioactive glass, Bone scaffold, 3D print, Antibacterial, Sol-gel, Polycarolacton
  • S.A. Hassanzadeh-Tabrizi * Pages 27-36
    In the present research, alumina-ceria particles were synthesized by a sol-gel method. The produced particles were characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Then, alumina matrix composites containing 15 wt.% of ceria were densified under 80 MPa pressure at different temperatures by spark plasma sintering process. X-ray diffraction results showed that the powder produced before heat treatment has an amorphous structure, while alumina and ceria phases are formed after calcination at 800 °C. The produced particles have an average particle size of 250 nm. The effect of sintering temperature on the density of samples, grain size, and hardness of composites was investigated. The samples were densified at about 1400 °C, reaching a density of about 97% of the theoretical density. The microstructure analysis revealed that the composite grains have grown with increasing sintering temperature. The results declared that increasing the temperature and pressure in the sintering process enhances the density of the samples. The Vickers hardness of the composites increased with increasing sintering temperature, as the composite samples sintered at 1400 °C for 20 minutes at a pressure of 80 MPa had the highest Vickers hardness of about 15.3 GPa.
    Keywords: Spark plasma sintering, composite, Alumina, Ceria, Sol-gel
  • J. Etemadzadeh, T. Ahmadi *, P. Basir, M.R. Khanzadeh Pages 37-59
    In this research, using the manual shielded metal arc welding (SMAW) process, a wear-resistant layer was created by AMA1600v, AMA1622v, and AMA1623v hard coating electrodes on the St37 carbon mild steel, and the effect of the number of welding passes on the microstructure and corrosion resistance of the coatings was evaluated. For this purpose, optical microscope, scanning electron microscope (SEM) equipped with Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD) were used. The results showed a distribution of different carbide deposits in the microstructure of the coating metals. The deposits were complexs of the carbides of chromium, molybdenum, and vanadium. The results of the XRD demostrated the presence of martensite, austenite, chromium carbide, and molybdenum carbide phases in all three coating metals. Tungsten carbide (W2C) was observed only in the AMA1623v sample. The results of the Tafel polarization test showed that the bare and the 1622v samples had the highest corrosion current density (15.23 µA/cm2 and 7.06 µA/cm2, rspectively) among the under-studied samples, and therefore had the highest corrosion rate and the lowest corrosion resistance. Also, the results of the test showed that the corrosion current density of the 1600v sample (6.29 µA/cm2) was higher than that obtained for the 1623v sample (4.80 µA/cm2), which revealed the lower corrosion resistance of the 1600v sample. In addition, according to the results of the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis, the highest charge transfer resistance and coating resistance with the values of 6.3 kOhm.cm2 and 68.5 Ohm.cm2, respectively, belonged to the 1623v sample, which was also proven by the polarization test. Moreover, the lowest charge transfer resistance and coating resistance among the coated samples with the values of 2.73 kOhm.cm2 and 42.5 Ohm.cm2, respectively, belonged to the 1622v sample.
    Keywords: Arc welding, Hard coating electrode, Carbid complexes, St37 steel, Anti-corrosion coating, Fe-Cr-C-X
  • K. Atashgar, R. Masoudi * Pages 61-74
    Tracking military structures and equipment is one of the parameters to create superiority in military battles. Camouflage has long been used to reduce the possibility of detection of military structures and equipment. Development of knowledge in the field of tracking and discovering military structures and equipment followed by the necessity of using the concealment in order to reduce vulnerability in war, has enhanced the importance of using new camouflage and radar evasion methods. The use of nanotechnology in the field of radar evasion of military facilities was developed by introducing graphene as a very strong absorber of electromagnetic waves. Graphene coating on the military installations causes the absorption of electromagnetic waves and as a result, these installations are not detected by the enemy's radar.  Referring to the fact that there is a functional relationship between the diameter of the graphene oxide used and the radar evasion of the equipment, an attempt has been made in this article for the first time to find a solution to control and monitor the radar evasion quality using graphene oxide (with the scientific name of RGO/NiFe2O4) in the microwave spectrum of 7GHZ by the profile approach and presentation of a regression relationship. This model can be used to monitor the quality of radar evasion products (cheaper and faster than existing methods). Finally, sensitivity analysis of the model showed that the ability to detect non-conformity in the manufactured products can be detected quickly (between 1 and 20 samples) with the change in the parameters of the regression model.
    Keywords: graphene, Stealth, Control Chart, Polynomial Profile Monitoring, Military Structures
  • M. Sobhani, M. R. Loghman Estraki *, H. Mansouri, M. Naderi, E. Mohammad Sharifi, A.R. Nasr Esfahani Pages 75-90
    In this research, coal tar and soft bitumen were used as raw materials and the low-cost liquid phase carbonization (LCP) method was employed to synthesize mesophase carbon microbeads. First, the effect of temperature, time, and various pressures on the synthesis of mesophase bitumen was investigated. Also, the effect of various solvents on the synthesis efficiency of mesophase carbon microbeads was evaluated. The structural and chemical characteristics of the mesophase carbon microbeads were evaluated using field emission scanning electron Microscopy (FESEM), X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The results showed that the pressure of 7 bar and extraction with solvent of pyridine had a great effect on the morphology, removal of impurities in raw materials, and production efficiency. Also, the results of XRD and SEM revealed that mesophase carbon microbeads were not always spherical in shape.
    Keywords: Mesophase carbon microbeads, Mesophase bitumen, liquid crystal, liquid phase carbonization
  • A. Mohammadi, M. Alipour Pages 91-102

    In this research, the effect of adding SiC nanoparticles on the hardness and wear behavior of A380 aluminum alloy was investigated. A380 aluminum powder and SiC nanoparticles with values of 0, 0.5, 1, and 2 wt.% were ground in a planetary ball mill in argon atmosphere for 10 hours. The weight ratio of ball to powder and the rotation speed was adjusted at 1:10 and 250 rpm, respectively. After the milling process, a hot press was used to produce the samples. The products were produced through a graphite mold with a diameter of 15 mm at a heating rate of 10 °C/min to a final sintering temperature of 520 °C and a holding time of 30 minutes in vacuum under pressure of 50 MPa and were placed in the hot press machine. The microstructure and hardness of the samples were examined using an optical microscope and Vickers hardness tester apparatus, respectively. The wear resistance was evaluated by pin-on-disk method. The greatest hardness of the samples was related to the aluminum alloy containing 0.5 wt.% SiC nanoparticles. AlA380-2 wt.% SiC nanocomposite represented the highest wear resistance compared to the other experimented samples.

    Keywords: Aluminum alloy, Hardness, Wear, Powder metallurgy, SiC