جلسه دفاع پایان نامه کارشناسی ارشد ( آقای احمدرضا شجاعی )
موضوع: مطالعه تجربی خواص مکانیکی و اتصالی نانوکامپوزیت پلیاستر/نانوکلی/کربن سیاه بر روی زیرلایه فلزی
ارائه دهنده: احمدرضا شجاعی
استادان راهنما: دکتر مهدی کاروان
استادان مشاور:
استادان داور: دکتر مهدی جوانبخت، دکتر محمود فرزین
چکیده:
نسخه کوتاه:
در بسیاری از کاربردهای صنعتی مانند ضربه‌گیرها و بدنه خودرو و هواگرد، ترکیب انعطاف‌پذیری فاز پلیمری و استحکام فاز فلزی ضروری است. این پژوهش به بررسی اثر تقویت‌کننده‌های نانویی و میکروی بر خواص مکانیکی و اتصالی نانوکامپوزیت‌های پایه رزین پلیاستر با زیرلایه آلومینیوم پرداخته است. ذرات کربن در درصدهای وزنی مختلف (۱، ۳، ۵ و ۱۰) و نانوذرات رس به زمینه افزوده شدند و آماده‌سازی سطح آلومینیوم با روش‌هایی چون نورد گرم، سمباده‌کاری و آنودایزینگ انجام گرفت. آزمون‌های مکانیکی شامل ضربه، برش لبه و خمش سه‌نقطه نشان دادند که افزودن تقویت‌کننده تا ۵ درصد وزنی موجب بهبود خواص می‌شود، اما در ۱۰ درصد به علت تجمع ذرات و افزایش ویسکوزیته، افت خواص رخ داد. نانوذرات رس به دلیل سطح ویژه بالا و سازگاری بهتر با زمینه، عملکرد برتری نسبت به ذرات کربن داشتند. تحلیل‌های FESEM و XRD یکنواختی توزیع و تقویت فاز میانی توسط نانوذرات رس و نیز نقش آماده‌سازی سطح در بهبود پیوند را تأیید کردند. در نتیجه، انتخاب درصد وزنی بهینه تقویت‌کننده و آماده‌سازی مناسب سطح زیرلایه، کلید دستیابی به خواص مکانیکی و اتصالی برتر در سامانه‌های فلز-پلیمر است.
نسخه بلند:
در بسیاری از کاربردی های صنعتی نظیر ساخت ضربه گیرها و یا بدنه خودرو و پرنده ها خواص همزمان انعطاف پذیری و شکل پذیری از سوی فاز پلیمری از یک سو و از سوی دیگر خواص بالاتر استحکام مکانیکی توسط مشارکت فاز فلزی یک ضرورت است. با این وجود بررسی خواص اتصال پلیمر به فلز به ویژه نوع تقویت شده پلیمری به دلیل چالش هایی نظیر انتخاب مواد، ساخت و مکانیزم های انتقال نیرو، چسبندگی و فصل مشترک فلز/پلیمر به ویژه در ترکیبات جدید مواد متشکله یک چالش است. در این پژوهش به بررسی اثر تقویت‌کننده‌های در مقیاس نانو و میکرو بر خواص مکانیکی و اتصالی نانوکامپوزیت‌های پلیمری پایه رزین پلیاستر با زیرلایه آلومینیومی پرداخته شد. هدف اصلی، ارتقای استحکام و کیفیت پیوند در سامانه‌های فلز-پلیمر بود که نقش کلیدی در کاربردهای صنعتی و مهندسی ایفا می‌کنند. برای این منظور، ذرات کربن در درصدهای وزنی ۱، ۳، ۵ و ۱۰ درصد و همچنین نانوذرات رس در درصد وزنی بهینه در زمینه پلیمری پراکنده شدند. فرآیندهای مختلف آماده‌سازی سطح آلومینیوم شامل نورد گرم، سمباده‌کاری و آنودایزینگ به‌کار گرفته شد تا تأثیر مورفولوژی و توپوگرافی سطح بر کیفیت اتصال مورد ارزیابی قرار گیرد. آزمون‌های مکانیکی شامل آزمون ضربه، برش لبه و خمش سه‌نقطه‌ای برای بررسی رفتار مکانیکی و اتصالی نمونه‌ها طراحی و اجرا شدند. نتایج نشان داد افزودن ذرات تقویت‌کننده تا درصد وزنی ۵ درصد، بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی ایجاد می‌کند، اما افزایش بیشتر (۱۰ درصد وزنی) به دلیل تجمع ذرات، افزایش ویسکوزیته و حضور حباب‌های داخلی منجر به افت خواص شد. مقایسه بین تقویت‌کننده‌ها نشان داد که نانوذرات رس به دلیل نسبت سطح به حجم بالا و رفتار رئولوژیکی مناسب، فاز میانی قوی‌تری با زمینه پلیمری ایجاد کرده و در نتیجه خواص مکانیکی و اتصالی بهتری نسبت به ذرات کربن ارائه دادند.
تحلیل‌های میکروسکوپ الکترونی (FESEM) از سطح مقطع شکست و سطح زیرلایه پس از جدایش در آزمون برش لبه، توزیع یکنواخت‌تر و درهم‌تنیدگی مکانیکی قوی‌تر نانوذرات رس را نسبت به ذرات کربن تأیید کرد. نتایج پراش پرتو ایکس (XRD) نیز نشان داد که در غلظت‌های پایین‌تر، افزایش درصد وزنی ذرات موجب بهبود نسبی بلورینگی و انتقال بار می‌شود، اما در غلظت‌های بالا، تشکیل فازهای کلوخه‌ای عامل اصلی افت خواص است. علاوه بر این، آزمون زاویه تماس آب به‌عنوان شاخصی مکمل، تغییر رفتار سطحی و نقش آماده‌سازی سطح را در بهبود سازگاری شیمیایی و فیزیکی بین فازها آشکار ساخت.
در مجموع، می‌توان نتیجه گرفت که انتخاب درصد وزنی مناسب تقویت‌کننده‌ها، همراه با آماده‌سازی بهینه سطح زیرلایه، کلید دستیابی به خواص مکانیکی و اتصالی برتر در سامانه‌های فلز-پلیمر است. یافته‌های این پژوهش علاوه بر ارائه‌ی دیدگاه‌های بنیادی در زمینه‌ی نقش فاز میانی و مورفولوژی سطح، می‌تواند مبنایی کاربردی برای توسعه مواد کامپوزیتی پیشرفته در صنایع مختلف فراهم سازد.