Bilyeli öğütme tekniği ile üretilen Al-20Si-5Fe/CNT metal matris kompozitinin karakterizasyonu

Abstract

Karbon nanotüpler (KNT), nanoteknoloji bilimindeki istisnai buluşlardan biridir. Yüksek yüzey/hacim oranı, çekme mukavemeti, ısı iletkenliği ve düşük yoğunluk gibi üstün malzeme özelliklerine sahiptirler. Bütün metallerden daha güçlü ve daha hafiftirler ve bu özellikleri sayesinde onları güçlendirmek için iyi bir adaydır. Bu çalışmada, son yıllarda otomotiv ve havacılık sanayinde kullanılmaya başlayan Al-20Si-5Fe alaşımına ağ.%0,5 ve 1 KNT katkılanarak metal matris kompozit üretimi gerçekleştirildi. Kompozitlerin üretiminde, bilyeli öğütme tekniği kullanıldı. Öğütme süresinin ve KNT katkısının, malzemenin kristal yapısı, parçacık morfolojisi, mikroyapısı, tane boyutu ve mekanik özellikleri üzerine etkisi incelendi. X-ışınları kırınımı analizleri, öğütme süresi arttıkça kristal boyutundaki azalma ve örgü gerinimlerinin artmasına bağlı olarak alüminyum (Al) fazına ait piklerin genişliklerinin artığını gösterdi. Taramalı elektron mikroskobu görüntülerinden, tozların öğütmenin ilk aşamalarında topaklanma eğilimi gösterdiği, 240 dk.'dan sonra ise küçülerek daha homojen bir dağılım sergilediği görüldü. Enerji dağılımlı X-ışınları renkli haritalama görüntülerinden, iri Silisyum (Si) tanelerinin ilk 30 dk.'da ufalandığı, demir (Fe) tanelerinin is 240 dk. sonunda incelmeye başladığı tespit edildi. Parçacık boyutu dağılımı analizleri, öğütülmemiş tozlarda görülen 3 modlu dağılım öğütme süresinin artmasıyla birlikte 1 modlu dağılıma dönüştüğünü gösterdi. Ayrıca, KNT katkısının tanecik boyutu inceltmesini olumlu yönde etkilediği gösterdi. Derinlik duyarlı çentik analizlerinden, öğütme süresinin artmasıyla birlikte malzemelerin sertlik ve indirgenmiş elastik modülü değerlerinin arttığı saptandı. KNT ilavesinin ise kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini olumlu yönde geliştirdiği görüldü. Mekanik özelliklerde görülen bu iyileşmeyi açıklamak için yeni bir model önerildi.

Carbon nanotubes (CNT) are an extraordinary discovery in nanotechnology science. They have remarkable material features such as high surface-to-volume ratio, high tensile strength, high thermal conductivity, and low density. Carbon nanotubes are many times harder and yet lighter than all metals, and thus a good candidate for reinforcing them. In this research, Al-20Si-5Fe/xCNT (x=0.5 and 1 wt.%) metal matrix composites, which have been used in automotive and aerospace industry in recent years, were produced by ball milling technique. The effect of milling time and CNT content on the crystal structure, particle morphology, microstructure, particle size and mechanical properties of the material was investigated. X-ray diffraction analyzes showed that the width of aluminum peaks increase due to the decrease in crystallite size and the increase in lattice strain. From the scanning electron microscope images, it was observed that the powders tended to agglomerate at the early stages of milling and decreased in particle size with a more homogeneous distribution after 240 min. of milling time. Energy dispersive X-ray mapping images revealed that the coarse silicon particles fragmented into fine particles at 30 min. of milling time, while the fragmentation in iron particles began after 240 min. of milling time. The particle size distribution analyzes showed that the three-modal distribution seen in unmilled powders was transformed into a one-modal distribution with increasing in milling time. Also, CNT addition showed a positive effect on particle size refinement. From the depth sensing indentation analyses, the hardness and reduced elastic modulus of the composite materials were increased with increasing milling time. The addition of CNT also improved the mechanical properties of composite materials. A new model was proposed to explain this improvement in mechanical properties.