فهرست مطالب
فصلنامه مواد پیشرفته در مهندسی
سال چهل و سوم شماره 4 (زمستان 1403)
- تاریخ انتشار: 1403/10/01
- تعداد عناوین: 6
-
-
صفحات 1-21تف جوشی ZrB2 به دلیل ماهیت کووالانسی و دمای تف جوشی بالا با چالش مواجه است. بررسی تحقیقات قبلی نشان داد، حضور حداکثر 20 درصد حجمی SiC در میان افزودنی های پیشنهادشده، موجب بهبود فرایند تف جوشی و خواص مکانیکی کامپوزیت پایه ZrB2 شده است. هدف پژوهش، ساخت و مشخصه یابی کامپوزیت سرامیکی فوق دما بالا پایه ZrB2-20 vol% SiC به روش تف جوشی پلاسمای جرقه ای با روش چندمرحله ای در دماهای مختلف و بررسی اثر آن بر رفتار افزودنی TiC و خواص مکانیکی کامپوزیت است. لذا اثر دما بر روی ریزساختار و خواص مکانیکی از دمای 1600 تا 1900 درجه سانتی گراد و فشار 30 مگاپاسکال و افزودنی 10 درصد حجمی TiC بررسی شد. افزودن TiC تا 10 درصد حجمی به کامپوزیتZrB2-20 vol% SiC و تف جوشی آن تحت دمای 1800 درجه سانتی گراد و زمان ماند پنج دقیقه، به دلیل تشکیل محلول جامد (Zr,Ti)B2 و (Ti,Zr)C در زمینه و واکنش با اکسیدهای سطحی پودر ZrB2 نظیر ZrO2 و B2O3 منجر به افزایش 15 درصدی چگالی نسبی و بهبود خواص مکانیکی شامل سختی (14 درصد)، مدول الاستیک (12 درصد)، استحکام شکست (20 درصد) و چقرمگی شکست (8 درصد) شد؛ مقایسه نتایج این پژوهش نسبت به تحقیقات قبل نشان داد استفاده از تف جوشی پلاسمای جرقه ای با روش چندمرحله ای به جای تف جوشی پلاسمای جرقه ای تک مرحله ای موجب کاهش دما و زمان ماند جهت رسیدن به تراکم بالای 99 درصد شد. همچنین نتایج نشان داد افزایش بیشینه دمای تف جوشی به 1900 درجه سانتی گراد در کامپوزیت ZrB2- 20 vol% SiC - 10 vol% TiC موجب رشد افراطی دانه و کاهش جزئی چگالی نسبی به مقدار یک درصد می شود.کلیدواژگان: سرامیک فوق دما بالا، کامپوزیت های سرامیکی، دی بورید زیرکونیوم، کاربید سیلیسیوم، کاربید تیتانیوم، تف جوشی پلاسمای جرقه ای چندمرحله ای، محلول جامد
-
صفحات 23-36نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم به دلیل خواص زیست سازگاری، استحکام مکانیکی، خواص فتوکاتالیستی و مقرون به صرفه بودن برای کاربردهای زیستی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش، ابتدا سنتز سبز و بهینه سازی پارامترهای سنتز نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم به وسیله عصاره آلوئه ورا مورد بررسی قرار گرفت که پارامتر های سنتز شامل غلظت پیش ماده دی اکسیدتیتانیوم، حلال (آب دیونیزه) و عصاره آلوئه ورا می باشد. پس از انجام موفقیت آمیز سنتز نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم، به بررسی و مشخصه یابی آن ها توسط روش های مشخصه یابی پرداخته شد. بر روی نمونه های سنتزشده، پراش پرتو ایکس، طیف سنجی تبدیل فوریه فروسرخ، طیف سنجی فرابنفش-مرئی، پتانسیل-زتا، میکروسکوپ الکترونی روبشی و درنهایت آزمون تجزیه وتحلیل پراکندگی انرژی پرتو ایکس انجام شد. نتایج نشان داد که نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم سنتزشده در فاز کریستالی آناتاز تشکیل شده اند. همچنین طبق تصاویر میکروسکوپی الکترونی، اکثر نمونه های نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم سنتزشده، به شکل کروی و در اندازه 5 ± 31 نانومتر بودند. نتایج آزمون طیف سنجی فرابنفش-مرئی نشان داد تمامی نمونه ها در محدوده نور فرابنفش و مرئی جذب داشتند. پس از انجام آزمون های مشخصه یابی و بررسی نتایج آن، نمونه بهینه از نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم سنتزشده، انتخاب شد. در نهایت برای بررسی خواص زیستی نانوذرات بهینه دی اکسیدتیتانیوم، آزمون سمیت سلولی با استفاده از سلول های فیبروبلاست (L929) به مدت 24 ساعت انجام شد. نتایج نشان داد که نانوذرات بهینه دی اکسیدتیتانیوم، سمیت سلولی نداشته و برای کاربردهای زیستی مناسب است.کلیدواژگان: نانوذرات، دی اکسیدتیتانیوم، زیست سازگاری، سنتز سبز، سمیت سلولی
-
صفحات 37-49
هدف این مقاله، ساخت یک دیواره فولادی به کمک روش جوشکاری قوس و سیم مصرفی و بررسی ابعادی، خواص مکانیکی و ریزساختاری آن است. متغیرهای انتخابی در این تحقیق، زمان توقف بین پاسی، سرعت جوشکاری و سرعت تغذیه سیم جوش می باشند. طبق نتایج حاصل، ارتفاع و ضخامت میانگین دیواره با افزایش سرعت جوشکاری، به دلیل رسوب کمتر جوش در لایه، کاهش می یابند و در ادامه، یک رابطه میان ضخامت و ارتفاع دیواره بر حسب سرعت جوشکاری و نرخ تغذیه سیم جوش ارائه گردید. زمان توقف بین پاسی بالاتر منجر به افزایش ارتفاع دیواره گردید و درصد مساحت موثر نیز با افزایش سرعت جوشکاری، افزایش یافت. همچنین، استحکام کششی و درصد ازدیاد طول بر حسب وجود (یا عدم وجود) حفره و نوع ریزساختار بررسی شدند. در سرعت جوشکاری بالا و زمان توقف بین پاسی زیاد، ساختار از نوع دانه های ستونی به همراه فریت ویدمنشتاتن ریز و پرلیت بین دانه ای بود. درحالی که، در سرعت جوشکاری پایین و زمان توقف بین پاسی کم، ساختار بیشتر از فریت بلوکی و پرلیت درشت تشکیل شد که هر دو نوع ساختار، منجر به استحکام و ازدیاد طول مناسب شدند و خواص مکانیکی نمونه ها بهبود یافت. اما در شرایط دیگر، که احتمال وجود فازهای ترد در منطقه متاثر از حرارت زیادتر بود، استحکام و درصد ازدیاد طول کاهش یافتند.
کلیدواژگان: جوشکاری قوس و سیم مصرفی، ساخت افزایشی، دیواره فولادی، خصوصیات ابعادی، خواص مکانیکی، ریزساختار -
صفحات 51-68هدف از انجام پژوهش حاضر بررسی تاثیر زمان آسیاکاری بر خواص سرامیک HfB2-ZrB2-TiB2 می باشد. برای این منظور پودرهای ZrB2 ،HfB2 و TiB2 با نسبت های حجمی برابر برای زمان های 15، 30 و 45 ساعت آسیاکاری شدند و با استفاده از روش جرقه پلاسما در دمای 2000 درجه سانتی گراد تفجوشی شدند. شناسایی فاز با استفاده از دستگاه تفرق اشعه ایکس انجام شد. بررسی های ریزساختاری با استفاده میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام شد. سختی و چقرمگی شکست نمونه ها به ترتیب با استفاده از روش سختی سنجی ویکرز و اندازه گیری طول ترک ارزیابی شد. نتایج آنالیز تفرق اشعه ایکس پودرهای آسیا شده نشان داد که با افزایش زمان آسیاکاری از 15 تا 45 ساعت اندازه بلورک ها کاهش یافت و از 106/9 نانومتر به 59/2 نانومتر رسید. در اثر تف جوشی از تعداد و شدت پیک ها به میزان قابل توجهی کاسته شد که نشان دهنده کاهش ناخالصی های اکسیدی و تشکیل محلول جامد است. افزایش زمان آسیاکاری سبب تشکیل بیشتر محلول جامد می شود. حداکثر مقادیر چگالی نسبی، سختی و چقرمگی شکست در نمونه آسیاکاری شده به مدت 45 ساعت به ترتیب با مقادیر 99/8 درصد، 27/3 گیگاپاسکال، MPa.m0.5 5/5 به دست آمد.کلیدواژگان: زمان آسیاکاری، Zrb2، Tib2، Hfb2، تفجوشی به روش پلاسمای جرقه ای، ریزساختار، خواص مکانیکی
-
صفحات 69-84
NO2 یکی از خطرناک ترین آلاینده های زیست محیطی است که حتی در غلظت های کم نیز باعث بروز بیماری های مهلکی نظیر سرطان می شود. سنجش غلظت این گاز در محدوده ppb یک چالش جدی برای محققان محسوب می شود. در کار حاضر، برای نخستین بار از ماده مرکب K2CO3/Al2O3 به عنوان الکترولیت جامد برای ساخت حسگر پتانسیلی جهت آشکارسازی این گاز در محدوده ppb در دمای اتاق استفاده شد. این ماده، طی یک روش آسان و ارزان به صورت شیمیایی سنتز شد و سپس درون قالب هایی بارگذاری شد تا سرامیک هایی به شکل مکعب مستطیل حاصل شوند. به منظور برقراری اتصالات الکتریکی خارجی، لایه ای از نانوذرات طلا روی لبه های بالایی سرامیک ها، به روش کندوپاش ایجاد شد. پاسخ های دینامیکی حسگر به غلظت های مختلف گاز NO2 در محدوده 15 الی 1500 ppb اندازه گیری شد و مشخص شد که تغییرات پاسخ پتانسیلی از رابطه نرنست پیروی می کند. حد تشخیص این حسگر برابر با ppb 15 است که پایین تر از آستانه استاندارد تعیین شده برای محیط های صنعتی ایمن (ppb 200) است. پاسخ حسگر (ΔV = Vgas - Vair که Vgas و Vair به ترتیب نمایانگر ولتاژ حسگر در معرض گاز و هوای تمیز هستند)، به ppb 60 گاز NO2 در دمای اتاق برابر با mV 14 است. زمان های پاسخ و بازیابی برای تمام غلظت های مورد آزمایش کمتر از 80 ثانیه ثبت شد؛ بنابراین حسگر فوق، گزینه ایده آلی برای کاربردهای مربوط به سنجش کیفیت هوا در دمای اتاق است.
کلیدواژگان: الکترولیت جامد، نیرو محرکه الکتریکی، حسگر پتانسیلی، گاز NO2، K2CO3، Al2o3 -
صفحات 85-108
حضور سرب به عنوان اولین محافظ پرتوئی با یک سری ویژگی های خوب مانند چگالی زیاد و داشتن مقداری انعطاف پذیری و یک سری ویژگی های نامناسب مانند سمی بودن، پایداری فیزیکی و شیمیایی پایین و وزن زیاد، مدت زیادی است دانشمندان را به فکر جایگزین برای آن انداخته است. در این پژوهش، ویژگی های محافظتی در برابر پرتو گاما ترکیبات پلیمری با اکسید (گادولینیوم-تلوریم-بیسموت) (Gd2O3) x (TeO2)(30-x) - (resin) 30 - (Bi2O3) 40 (در اینجا x برابر است با 10، 15 و 20 درصد وزنی) و (Gd2O3) x-(TeO2)(40-x) (resin)20 - (Bi2O3) 40 (در اینجا x برابر است با 20، 25 و 30 درصد وزنی) با استفاده از ابزار شبیه سازی مونت کارلویی جینت4 در محدوده 0/015 تا 15 مگا الکترون ولت بررسی می شود. در این بررسی، کمیت های مربوط به تضعیف فوتون مانند ضریب تضعیف خطی، ضریب تضعیف جرمی، لایه یک دهم مقدار، لایه نیم مقدار، عدداتمی موثر، چگالی الکترونی موثر، سطح مقطع اتمی کل، سطح مقطع الکترونی کل و مسیر آزاد میانگین و همچنین طیف ذرات ثانویه ایجاد شده به تفکیک نوع و انرژی آن ها برای سطوح مختلف انرژی گامای فرودی نشان داده می شود. برای اعتبارسنجی نتایج شبیه سازی، مقادیر ضریب تضعیف جرمی محاسبه شده از جینت4 با نتایج برنامه Phy-x مقایسه شده که نشان می دهد توافق خوبی با یکدیگر دارند. توافق بین داده ها، نشان می دهد که ابزار جینت4 یک روش خوب جهت بررسی ویژگی های حفاظ پرتوی گاما می باشد. نتایج به دست آمده نشان می دهد، توسعه رزین ها با افزودن اکسید فلزات واسطه مانند: گادولینیوم، تلوریم و بیسموت، در ترکیبات آن ها، سبب می شود خاصیت حفاظی آن در برابر پرتو گاما نیز افزایش یابد.
کلیدواژگان: پرتو گاما، حفاظ، ترکیبات پلیمری، اکسیدبیسموت، اکسیدگادولینیوم، جینت4
-
Pages 1-21The sintering of ZrB2 presents significant challenges due to its covalent bonding and the high temperatures required for the process. Prior research has demonstrated that incorporating up to 20% by volume of SiC as an additive can enhance both the sintering process and the mechanical properties of ZrB2-based composites. The objective of this study was to fabricate and characterize an ultra-high temperature ceramic composite composed of ZrB2 containing 20 vol. % SiC, utilizing the Spark Plasma Sintering (SPS) method with a multi-step approach at various temperatures. Additionally, the study sought to investigate the influence of a TiC additive on the microstructural evolution and mechanical properties of the composite. The research focused on assessing the impact of sintering temperature, ranging from 1600°C to 1900°C under a pressure of 30 MPa, in the presence of a 10 vol. % TiC additive. The introduction of up to 10% by volume of TiC into the ZrB2-20 vol. % SiC composite, followed by sintering at 1800°C for 5 minutes, resulted in the formation of (Zr,Ti)B2 and (Ti,Zr)C solid solutions within the matrix. These solid solutions, along with reactions involving surface oxides such as ZrO2 and B2O3, contributed to a 15% increase in relative density. Furthermore, notable enhancement was observed in the mechanical properties, including a 14% increase in hardness, a 12% increase in elastic modulus, a 20% increase in fracture strength, and an 8% increase in fracture toughness. A comparative analysis with previous studies revealed that employing a multi-step SPS technique, as opposed to a single-step process, significantly reduced the temperature and time of the process to achieve a relative density exceeding 99%. However, it was also observed that increasing the maximum sintering temperature to 1900°C in the ZrB2-20 vol. % SiC-10 vol. % TiC composite resulted in excessive grain growth and a slight decrease in relative density by approximately 1%.Keywords: Ultra-High Temperature Ceramics, Ceramic Matrix Composite, Zirconium Diboride, Silicon Carbide, Titanium Carbide, Multi-Step Spark Plasma Sintering, Solid Solution
-
Pages 23-36Titanium dioxide nanoparticles have been attention due to their biocompatibility, mechanical strength, photocatalytic properties, and affordability. In this research, green synthesis and optimization of the synthesis parameters of titanium dioxide nanoparticles by means of aloe vera extract were investigated. The synthesis parameters include the concentration of titanium dioxide precursor, solvent (deionized water), and aloe vera extract. Upon synthesis of titanium dioxide nanoparticles, a range of techniques were employed to characterize the resultant structure. These tests include X-ray diffraction, fourier transform infrared spectroscopy, ultraviolet-visible spectroscopy, zeta potential, scanning electron microscope, and X-ray energy dispersive analysis. The results showed that the synthesized titanium dioxide nanoparticles were formed in the crystalline phase of anatase. Also, according to the SEM images, titanium dioxide nanoparticles were spherical in shape with the size range of 31 ± 5 nm. The results of the ultraviolet-visible spectroscopy showed that all samples were in the ultraviolet and visible light ranges. The optimal sample of synthesized titanium dioxide nanoparticles was selected after accomplishment of the characterization tests. Cytotoxicity test was performed on fibroblast cells (L929) for 24 hours to investigate the biological performance of the optimized titanium dioxide nanoparticles. The results revealed the non-cytotoxic nature of titanium dioxide nanoparticles, further confirming their potential for medical applications.Keywords: Nanoparticles, Titanium Dioxide, Biocompatibility, Green Synthesis, Cytotoxicity
-
Pages 37-49
The purpose of this paper is to investigate the manufacturing of a steel wall using gas metal arc welding (GMAW) process and to study its dimensional features, mechanical properties, and the microstructure. The selected parameters were the interpass dwell time, the welding speed, and the wire feeding speed. Based on the results, the average wall height and thickness decreases with increasing welding speed due to less weld deposition in the layer. A relationship between the wall thickness and height in terms of the welding speed and wire feeding speed was proposed. A longer interpass dwell time increased the wall height. The effective area percentage also increased with increasing welding speed. Tensile strength and elongation (%) were investigated based on the presence or absence of voids and microstructure. In high welding speed and long interpass dwell time, the microstructure included columnar grains with fine widmanstätten ferrite and intergranular pearlite. At low welding speed and short interpass dwell time, the microstructure consisted mostly of blocky ferrite and coarse pearlite. Both of these structures showed satisfactory strength and elongation. But in the other conditions, where the possibility of brittle phases in the heat-affected zone was higher, the strength and elongation decreased.
Keywords: Gas Metal Arc Welding, Additive Manufacturing, Steel Wall, Dimension Features, Mechanical Properties, Microstructure -
Pages 51-68The aim of this research was to investigate the effect of milling time on the properties of HfB2-ZrB2-TiB2 ceramic. For this purpose, HfB2, ZrB2, and TiB2 powders with equal volume ratios were ground for 15, 30, and 45 hours and sintered using spark plasma sintering method at 2000 °C. X-ray diffraction was employed for phase identification. Microstructural studies were performed using a scanning electron microscope. The hardness and fracture toughness of the samples were evaluated using the Vickers hardness test and crack length measurement, respectively. The X-ray diffraction results of the ground powders showed that the size of the crystallites decreased from 106.9 nm to 59.2 nm with increasing the grinding time from 15 to 45 hours. As a result of sintering process, the number and intensity of the peaks decreased significantly indicating the reduction of oxide impurities and the formation of a solid solution. Increasing the milling time led to the formation of further solid solution. The maximum values of relative density, hardness, and fracture toughness in the sample milled for 45 hours were obtained to be 99.8%, 27.3 GPa, and 5.5 MPa.m0.5, respectively.Keywords: Ball Milling Time, Zrb2, Tib2, Hfb2, Spark Plasma Sintering, Microstructure, Mechanical Properties
-
Pages 69-84
NO2 is known as one of the most dangerous air pollutants. Even extremely low concentrations of this gas could cause life-threatening diseases such as cancer. Ppb-level detection and measurement of this gas are still serious challenges for researchers. In current work, for the first time, K2CO3/Al2O3 composite material, was employed as solid electrolyte to fabricate a potentiometric sensor for the detection of extremely low NO2 concentrations (in the ppb range) at room temperature (RT). This material was chemically synthesized through a low-cost and facile process and then loaded into appropriate templates, forming rectangular-cube shaped ceramics. A thin layer of gold nano particles was sputtered on the both sides of ceramics’ top surface to provide external electrical connections. The sensor’s dynamic responses were recorded in the concentrations ranging from 15 to 1500 ppb at RT, and it was observed that its response variations corresponds the Nernst equation. This sensor’s limit of detection (LOD) was recorded as 15 ppb which is much lower than that of the standard threshold for safe industrial environments (200 ppb). Tipically, the sensor’s response (ΔV = Vgas – Vair, where Vgas and Vair are its voltages in NO2 contaminated air and clean air, respectively) toward 60 ppb NO2 at RT is equal to 14 mV. In the entire evaluated concentration range the rise and recovery times did not exceed 80 s. Therefore, this sensor could be considered as a promising candidate for air quality control applications at RT.
Keywords: Solid Electrolytes, Electromotive Force, Potentiometric Sensor, NO2 Gas, K2CO3, Al2o3 -
Pages 85-108
The presence of lead as the first radiation shielding with a series of good features such as high density and having some flexibility and a series of inappropriate features such as toxicity, low physical and chemical stability, and high weight, has long made scientists think about alternatives. In this research, the protective properties against gamma radiation of polymer compounds with oxide (gadolinium-bismuth tellurium) (Gd2O3)x (TeO2)(30-x) - (resin)30 - (Bi2O3)40 (which here x is 10, 15, and 20% by weight percent) and (Gd2O3)x-(TeO2)(40-x) (resin)20 – (Bi2O3)40 (where x is 20, 25, and 30 by weight percent) was examined using the Monte Carlo simulation tool Gent4 in the range of 0.015 to 15 MeV. In this study, the quantities related to photon attenuation such as linear attenuation coefficient, mass attenuation coefficient, one-tenth-value layer, half-value layer, effective atomic number, effective electron density, the total atomic cross section, the total electron cross section, and the mean free path as well as the spectrum of secondary particles created according to their type and energy for different levels of incident gamma energy have been evaluated. The mass attenuation coefficient values calculated from Geant4 were compared to the Phy-x results to validate the simulation results. The results showed a good agreement with each other. The agreement between the data revealed that the Geant4 tool was a good method to examin the properties of gamma ray shielding. The obtained results declared that the development of resins with the addition of oxides of transition metals such as gadolinium, tellurium, and bismuth increases the protective against gamma rays.
Keywords: Gamma Ray, Shielding, Polymeric Compounds, Bismuth Oxide, Gadolinium Oxide, GEANT4