فهرست مطالب

مجله مواد و فناوری های پیشرفته
سال دوازدهم شماره 3 (پاییز 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/09/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • آتوسا حیدری، نوشین سلمان تبریزی*، لیلا داورپناه صفحات 1-13

    تاکنون روش های زیادی برای حذف پارانیتروفنل (PNP)  از آب به عنوان یکی از آلاینده های آلی و از ترکیبات نیتروآروماتیک به کار رفته است. در پژوهش حاضر، حذف این آلاینده توسط جذب سطحی و با سنتز جاذب ها برپایه سیکلودکسترین مورد بررسی قرار گرفت. از این رو، ابتدا پلیمر بتاسیکلودکسترین نامحلول در آب به روشی سبز توسط سیتریک اسید به عنوان عامل اتصال دهنده عرضی، با راندمان 25/81 درصد و نرخ تورم 7/166 به دست آمد و پس از مشخصه یابی های ساختاری، در آزمایش های جذب مورداستفاده قرار گرفت. درادامه باتوجه به ظرفیت جذب به دست آمده برای پلیمر موردنظر، از برخی پایه ها ازجمله خاک اره و آلومینا به منظور افزایش سطح تماس استفاده شد و بعد از نشاندن سیکلودکسترین بر روی این پایه ها، اثر پارامترهای مختلف (ازجمله زمان تماس، pH، غلظت اولیه پارانیتروفنل، دما و مقدار جاذب)  بر روی ظرفیت جذب آن ها بررسی شد. همچنین معادلات سینتیکی و ایزوترم های جذب مورد تحلیل قرار گرفتند و مشخص شد که برای جاذب های سنتز شده، سینتیک جذب از مدل شبه درجه دوم پیروی می کند و داده های تعادلی با مدل فرندلیچ سازگاری بیشتری دارند. مقادیر qmax برای جاذب های بتاسیکلودکسترین-سیتریک، بتاسیکلودکسترین-خاک اره و بتاسیکلودکسترین-آلومینا به ترتیب 98/40، 29/43 و 46/38 میلی گرم بر گرم به دست آمد. همچنین ترمودینامیک جذب نیز بررسی و تغییرات آنتالپی، انتروپی و انرژی آزاد گیبس استاندارد برای هر سه مدل جاذب محاسبه شد.

    کلیدواژگان: سیکلودکسترین، پارانیتروفنل، آلاینده، جذب سطحی
  • پویا پایداری، نگین معنوی زاده*، علیرضا هادی، جواد کرمدل صفحات 15-30
    ذخیره سازهای انرژی در بسیاری از فناوری ها نظیر افزاره های پوشیدنی و قابل حمل، مورد توجه بسیار قرار گرفته اند. در این مطالعه نانوژنراتورهای هیبریدی پیزو/تریبوالکتریک با الکترودهایی از جنس آلومینیوم و مس مبتنی بر کامپوزیت نانوساختارهای اکسید روی نهفته در پلی دی متیل سیلوکسان، ساخته شده اند. مطابق بررسی های ریخت شناسی، نانوصفحات اکسید روی به طور یکنواخت در جهت (103) روی بستر آلومینیوم رشد کرده اند؛ درمقابل، نانومیله های رشد کرده بر بستر مس، یکنواخت نبوده و زاویه زیادی نسبت به سطح دارند. نتایج نشان می دهد نمونه ای که از لایه پلی دی متیل سیلوکسان (با سرعت لایه نشانی 1000 دور در دقیقه)، الکترودهای آلومینیوم و نانوصفحه اکسیدروی تشکیل شده است، بیشترین میزان ولتاژ و جریان را به ترتیب برابر با 120 ولت و 24 میکروآمپر، تولید می کند. نانوژنراتور ساخته شده با الکترودهایی از جنس مس و آلومینیوم همراه با نانوصفحه اکسیدروی، کمترین میزان ولتاژ، جریان و توان تولیدی را دارد. نانوژنراتور هیبریدی با دو الکترود آلومینیم و نانوصفحات اکسیدروی، بیشترین توان را که برابر با  Wm-297/0 است، تولید می کند. براساس نتایج به دست آمده از مشخصه یابی نانوژنراتورهای هیبریدی پیزو/تریبوالکتریکی ساخته شده، الکترودهای آلومینیومی که نانوصفحات اکسید روی نهفته در پلی دی متیل سیلوکسان را دارند، عملکرد بهتری را نشان می دهند و می توانند گزینه مناسبی برای برداشت انرژی مکانیکی برای دستگاه های خودشارژ باشند.
    کلیدواژگان: نانوژنراتور هیبریدی، تریبوالکتریک، پیزوالکتریک، نانوصفحه اکسید روی، کامپوزیت PDMS
  • مهدی اخوت قهفرخی، هودسا مجیدیان*، محمد ذاکری صفحات 31-42
    وجود ویژگی های مهمی نظیر استحکام مناسب، ثابت دی الکتریک پایین، تانژانت تلفات کم و مقاومت در برابر سایش و شوک حرارتی در نیتریدسیلیسیم (Si3N4) باعث شده تا این سرامیک، یکی از معدود سرامیک های مناسب برای کاربرد در محافظ آنتن ها باشد. با توجه به دشواری سینتر کردن پودر Si3N4، در این پژوهش ساخت این ماده به روش نیتریده کردن پودر سیلیسیم فشرده شده به روش پرس و بدون استفاده از افزودنی ها بررسی شد؛ زیرا تاثیر افزودنی ها بر افت خواص اثبات شده است. در این راستا، پودر سیلیسیم به همراه 0، 5/0، 7/0 و 1 درصد وزنی اکسیدآهن به روش پرس، شکل دهی و در فشار گاز نیتروژن 200، 400، و 600 میلی بار تحت دمای 1420 درجه سلسیوس به مدت 2 ساعت نیتریده شد. چگالی، تخلخل، ترکیب فاز و ریزساختار نمونه ها بررسی شد. نتایج آنالیزها نشان داد که حداقل فشار بهینه برای نیتریده کردن 600 میلی بار و بهینه درصد اکسیدآهن، 5/0 درصد وزنی می باشد.
    کلیدواژگان: نیتریدسیلیسیم، نیتریده شدن، فشار گاز، آنالیز فازی
  • فهیمه شجاعی* صفحات 43-63
    خواص فیزیکی، شیمیایی و الکترونی نانومخروط های بورنیترید با نانومخروط های کربنی متفاوت است، به طوری که نانومخروط های بورنیترید دارای سه نوع پیوند کووالانسی در نانومخروط های بورنیترید (N-B، B-B و N-N) هستند، درحالی که نانومخروط های کربنی فقط یک نوع پیوند کووالانسی C-C دارند. ازآنجاکه خواص ساختاری نانو مخروط ها با زاویه راس مخروط ارتباط بسیاری دارد، پژوهش های بسیاری درباره ویژگی های الکترونی و ساختاری نانومخروط های بور نیترید، در اندازه های گوناگون (ارتفاع و زاویه راس)، با استفاده از محاسبات نظریه تابعی چگالی انجام شده است. محاسباتی درخصوص نانومخروط های بور نیترید با ارتفاع مخروط 1 تا 5 آنگستروم برای زاویه راس 60 درجه، 3 تا 7 آنگستروم برای زاویه راس 120 درجه و 4 تا 8 آنگستروم برای زاویه راس 180 و 240 درجه انجام شده است. در این پژوهش، همچنین، چگالی حالت ها، پارامترهای کوانتومی، تجزیه و تحلیل مرتبه پیوند، طول پیوند، قطبش پذیری، قطبش پذیری آنیزوتروپی، ممان دوقطبی و فرکانس ها بررسی شده اند. با استفاده از نتایج به دست آمده، بهترین ساختار براساس ارتفاع و زاویه راس تخمین زده شده است تا از آن در محاسبات بعدی استفاده شود. امید است که نتایج این طرح در کارهای تجربی و طراحی نانومخروط ها به منظور جذب گازها، داروها و غیره راه گشا باشد.
    کلیدواژگان: نانومخروط های بورنیتریدی، نظریه تابعی چگالی، ارتفاع و زاویه راس، چگالی حالت ها، قطبش پذیری آنیزوتروپی
  • جابر میرزایی*، دانیال غفوری، حمیدرضا زارعی صفحات 65-77
    در این مقاله روش قالب گیری تزریقی با فشار پایین (LPIM) به عنوان روش شکل دهی قطعات زیرکونیایی (اکسید زیرکونیوم) موردبررسی قرار گرفته است. این روش یکی از روش های ساخت سرامیک های مهندسی با شکل های پیچیده و دقت ابعادی بالاست. در این روش از یک ترکیب چسب (پارافین وکس + موم صنعتی) به عنوان عامل پلاستیک جهت شکل دهی آسان ذرات زیرکونیا استفاده شد. مولفه های متفاوتی نظیر دما، فشار و زمان تزریق، دمای قالب و... در شکل دهی قطعات سرامیکی به روش قالب گیری تزریقی در فشار پایین اثرگذار است. بررسی این مولفه ها و انتخاب مقدار بهینه آن ها در این مقاله موردبررسی قرار گرفت. دمای بهینه تزریق در محدوده 90-80 درجه سلسیوس، فشار بهینه در محدوده 5-3 بار و زمان تزریق در محدوده 15-10 ثانیه برای شکل دهی بوته با ارتفاع 130 میلی متر، قطر داخلی 75 میلی متر و قطر خارجی 85 میلی متر به دست آمد. بررسی تصاویر از ریزساختار قطعات در حالت های تزریق شده، چسب زدایی شده و زینترشده در این مقاله انجام شد. همچنین مشخص شد بوته زیرکونیایی در این پژوهش از نظر خواص فیزیکی نظیر چگالی حجمی و تخلخل ظاهری با بوته ساخته شده توسط شرکت Zircoa با شناسه 3001 تشابه خوبی دارد.
    کلیدواژگان: قالب گیری تزریقی در فشار پایین، زیرکونیا، پارافین وکس، چسب زدایی، خوراک
  • محمدرضا رضائی*، رضا ناظم نژاد، عرفان خان محمدی صفحات 79-91

    در پژوهش حاضر، کامپوزیت زمینه آلیاژ هایپویوتکتیک آلومینیوم-سیلیسیوم با تقویت کننده ذرات آمورف به روش متالورژی پودر تولید شد. در مرحله اول، ذرات پودر زمینه با ترکیب آلیاژ هایپویوتکتیک (11 درصد وزنی) Al-Si، با استفاده از روش آلیاژسازی مکانیکی تولید شد. سپس، پودر زمینه و تقویت کننده ذرات آمورف پایه آهن (Fe-based metallic glass (FMG)) باهم مخلوط شدند. درادامه، جهت تولید قطعات حجیم کامپوزیتی از روش تف جوشی به کمک قوس پلاسما (SPS) استفاده شد. برای مقایسه، ذرات پودر آلومینیوم خالص نیز در شرایط مشابه تف جوشی شدند. مشخصه یابی نمونه های آلومینیوم خالص و نمونه کامپوزیتی تولیدشده شامل بررسی تغییرات فازی، بررسی های ریزساختاری، مقدار تخلخل ها و خواص مکانیکی انجام شد. بررسی های فازی نشان دهنده تغییر شدت و زاویه پراش قله های کریستالی نمونه کامپوزیتی نسبت به آلومینیوم خالص بود. انجام فرایند تف جوشی تغییری در ساختار ذرات آمورف به وجود نیاورد. همچنین، مکان برآمدگی فاز آمورف در نمونه کامپوزیتی نسبت به مکان برآمدگی ذرات پودر آمورف اولیه تغییر کرد. حلالیت بخش زیادی از سیلیسیوم در ساختار آلومینیوم هم با تحلیل الگوهای فازی به اثبات رسید. بررسی های ریزساختاری به همراه تحلیل کمی صورت گرفته نشانگر توزیع مناسب ذرات تقویت کننده آمورف و ذرات حل نشده سیلیسیوم در زمینه آلومینیوم بود. استحکام تسلیم و استحکام فشاری نمونه کامپوزیتی به ترتیب 165 و 289 مگاپاسکال تعیین شد که افزایش قابل توجهی را نسبت به آلومینیوم خالص نشان داد. درپایان، سازوکارهای استحکام بخشی موثر در افزایش استحکام، موردبحث قرار گرفتند.

    کلیدواژگان: کامپوزیت زمینه آلیاژ هایپویوتکتیک، ذرات آمورف، زینتر به کمک قوس پلاسما، ریزساختار، خواص مکانیکی
|
  • Atousa Heidari, Nooshin Salman Tabrizi *, Leila Davarpanah Pages 1-13

    To date, a number of methods have been employed to remove paranitrophenol (PNP) as one of the organic pollutants and nitroaromatic compounds from water. In the present study, the PNP removal process was investigated using surface adsorption and synthesizing cyclodextrin-based adsorbents. To this end, beta-cyclodextrin polymer insoluble in water was first obtained in a green way using citric acid as a cross-linking agent with the efficiency of 81.25% at the swelling rate of 166.7 and after structural characterization, it was used in the adsorption experiments. To expand the contact surface area, some bases such as sawdust and alumina were used as the cyclodextrin supports, and the effect of different parameters on their adsorption capacity such as the contact time, pH, PNP initial concentration, temperature, and adsorbent dosage were studied. The experimental data were then fitted to the kinetics models and adsorption isotherms. It was found that for the synthesized adsorbents, the adsorption kinetics followed the pseudo-second-order equation, and the equilibrium data were more consistent with the Freundlich model. The qmax values ​​for β-cyclodextrin-citric acid, β-cyclodextrin-sawdust, and β-cyclodextrin-alumina adsorbents were obtained as 40.98 mg/g, 43.29 mg/g, and 38.46 mg/g, respectively. Finally, the adsorption thermodynamic was investigated and the standard enthalpy, entropy, and Gibbs free energy changes were calculated.

    Keywords: Cyclodextrin, Paranitrophenol, Pollutant, Adsorption
  • Pouya Paydari, Negin Manavizadeh *, Alireza Hadi, Javad Karamdel Pages 15-30
    Energy harvester devices have garnered enormous attention in various technologies, such as wearing and portable devices. The current study aims to design and fabricate tribo/piezoelectric hybrid nanogenerators with electrodes made of Aluminum and Copper and Zinc Oxide nanostructures composite embedded in the PDMS. According to the morphology studies, Zinc Oxide nanosheets grew uniformly in the (103) crystal direction on the Aluminum substrate. In contrast, the nanorods that grew on the Copper substrate were disorderly with a large angle to the surface. The results indicate that the 1000 rpm deposition PDMS layer sample with Aluminum electrodes and Zinc Oxide nanosheets generated the highest voltage and current equal to 120 V and 24 µA, respectively. Both Copper and Aluminum electrodes coupled with ZnO nanosheets nanogenerator had the lowest voltage, current, and power generation. The hybrid nanogenerator with two aluminum electrodes and Zinc Oxide nanosheets generated the highest power equal to 0.97 Wm-2. According to the obtained results from the characterization of hybrid piezo/triboelectric nanogenerators, Aluminum electrodes with Zinc Oxide nanosheets embedded in PDMS exhibited better performance, hence a suitable option for harvesting mechanical energy for self-charging devices.
    Keywords: Hybrid Nanogenerator, Piezoelectric Triboelectric, ZnO nanostructure, PDMS composite
  • Mehdi Okhovat Ghahfarokhi, Hudsa Majidian *, Mohammad Zakeri Pages 31-42
    The important features of silicon nitride (Si3N4) such as proper strength, low dielectric constant, low loss tangent and high wear and thermal shock resistance have made this ceramic as one of the few suitable ceramics for use in antenna protection. Due to the difficulties in the sintering of Si3N4 samples, in this research, the fabrication of this body was investigated by nitridating a pressed silicon powder without using any additive; because the effect of additives on the loss of properties has been proven. In this regard, silicon powder along with 0, 0.5, 0.7, and 1 wt.% of iron oxide were pressed, and nitridated at the temperature of 1420 degree celsius for 2 hours under the different nitrogen gas pressures of 200, 400, and 600 millibars. The density, porosity, phase composition, and microstructure of the samples were evaluated. Results showed that the minimum pressure for nitridation is 600 millibars and the optimal percentage of iron oxide is 0.5 wt.%.
    Keywords: Silicon Nitride, Nitridation, Gas pressure, Phase analysis
  • Fahimeh Shojaie * Pages 43-63
    Compared with carbon nanocones, Boron Nitride Nanocones (BNNCs) are characterized by different physical, chemical, and electronic properties. Since BNNCs are in three types of covalent bonds (B-N), B-B, and (N-N), carbon nanocones contain only C-C bonds. Given that the structural properties of nano cones depend on the disclination angle of the cone, the current study aims to discuss the electronic and structural properties of boron nitride nanocones in different sizes (height and disclination angle) using Density Functional Theory (DFT) calculations. To this end, the relevant calculations were done for boron nitride nanocones with the cone heights of 1 to 5 angstroms at the disclination angle of 60°, 3 to 7 angstroms at the disclination angle of 120°, and 4 to 8 angstroms at the disclination angles of 180 and 240°. In this work, the density of states, quantum parameters, analysis of bond order, bond length, polarizability, anisotropic polarization, dipole moment, atomic charges, and frequencies were calculated using the DFT. According to the results, the best structure was identified based on the height and disclination angles to be further used in the next calculations. It is hoped that the results of this project can be useful in expanding the experimental works and effective in the design of nanocones as well in order to absorb gases, drugs, etc.
    Keywords: Boron nitride nanocones, Density functional theory, Height, disclination angles, Density of states, Anisotropic polarization
  • Jaber Mirzaei *, Danial Ghafoori, Hamidreza Rezaei Zareei Pages 65-77
    In this article, Low-Pressure Injection Molding (LPIM) method was investigated as a method for forming zirconia (zirconium oxide) parts. It is one of the methods used for manufacturing engineering ceramics with complex shapes & high dimensional accuracy. In this method, a binder composition (paraffin & industrial waxes) is used as the plasticizing agent to shape zirconia particles. Different parameters such as temperature, pressure & injection time, mold temperature, etc. have been found to be effective in shaping the ceramic parts based on this method. Throughout this research, these parameters were examined, & their optimal values were obtained. The optimal injection temperature was in the range of 80-90 Celsius degree, injection pressure in the range of 3-5 bar, & injection time in the range of 10-15 seconds to form a crucible with the size of 130×85×75 mm (height×internal diameter×external diameter). This study also examined the FESEM images of the microstructure of parts in the injected, debonded, & sintered bodies. According to the findings, the zirconia crucible in this article shows notable similarity with the crucible made by Zircoa company with the code 3001 in terms of physical properties such as bulk density & apparent porosity.
    Keywords: low pressure injection molding, Zirconia, paraffin wax, debinding, Feedstock
  • MohammadReza Rezaei *, Reza Nazemnezhad, Erfan Khanmohammadi Pages 79-91

    In the present study, an aluminum-silicon hypoeutectic alloy matrix composite reinforced with metallic glass particles was produced through Powder Metallurgy (PM) method. In the first step, the synthesized matrix powder particles with Al-11wt%Si composition were mixed with Fe-based Metallic Glass (FMG) particles as the reinforcements. In the next step, Spark Plasma Sintering (SPS) method was employed to produce composite bulk parts. For comparison, pure aluminum powder particles were sintered under the same conditions. The phase studies confirmed some alterations in the intensity and diffraction angle of crystalline peaks for the composite compared to pure aluminum. Moreover, they remarked a change in the location of the amorphous hump in the XRD pattern of composite, compared to its former location in the amorphous powder particles. Further analysis of the XRD patterns proved the solubility of a large portion of silicon in the aluminum. Microstructural studies, along with quantitative analysis, indicated the homogenous distribution of the FMG particles and undissolved silicon particles in the aluminum matrix. The yield and compressive strength values of the composite sample were obtained as 165 and 289 MPa, respectively, showing a significant increase compared to the pure aluminum sample. Finally, the contributions of different strengthening mechanisms to the enhancement of the composite strength was elaborated

    Keywords: hypoeutectic Al-Si Matrix Composite, FMG Particles, SPS, Microstructure, Mechanical properties