ورق آلومینیوم

بررسی تجربی خواص مکانیکی ورق‌ های آلومینیومی تقویت‌شده با نانولوله‌های کربنی ساخته‌شده به روش نورد تجمعی (ARB)

چکیده

در سال‌های اخیر، کامپوزیت‌های زمینه فلزی تقویت‌شده با نانولوله‌های کربنی (CNTs) به دلیل نسبت استحکام به وزن فوق‌العاده و خواص مکانیکی برجسته. توجه گسترده‌ای را در صنایع هوافضا، خودروسازی و مهندسی سازه به خود جلب کرده‌اند. در این پژوهش، ورق‌های آلومینیومی خالص (آلیاژ ۱۲۰۰) تقویت‌شده با نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWCNTs). با استفاده از فرآیند نورد تجمعی (Accumulative Roll Bonding – ARB) که یکی از مؤثرترین روش‌های تغییر شکل پلاستیک شدید (SPD). برای تولید مواد با ریزساختار فوق‌ریز دانه محسوب می‌شود، ساخته شده‌اند.

فرآیند ARB شامل چرخه‌های متوالی نورد، برش، انباشت و اتصال در حالت جامد است که امکان تولید ورق‌های کامپوزیتی با ابعاد صنعتی را فراهم می‌آورد. به منظور ارزیابی خواص مکانیکی نمونه‌های تولیدی آزمون‌های کشش و سختی‌سنجی ویکرز. بر روی نمونه‌های با درصدهای وزنی مختلف نانولوله (۰.۰۵، ۰.۱، ۰.۱۵ و ۰.۲ درصد وزنی). و تعداد چرخه‌های نورد متفاوت (۱ تا ۷ سیکل) انجام شده است.

نتایج تجربی نشان می‌دهد که افزودن ۰.۰۵ تا ۰.۱۵ درصد وزنی نانولوله‌های کربنی. استحکام نهایی ورق‌های کامپوزیتی را به طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد؛ به‌گونه‌ای که استحکام نهایی نمونه‌های تقویت‌شده با نانولوله. در مقایسه با ورق آلومینیوم نورد تجمعی شده. بدون نانولوله تا ۲۲۰ درصد و در مقایسه با ورق آلومینیوم اولیه تا ۱۶ درصد افزایش یافته است. با این حال، تجمع نانولوله‌ها در درصدهای وزنی بالاتر از ۰.۱۵ درصد، منجر به کاهش استحکام نهایی می‌گردد. همچنین، افزایش تعداد چرخه‌های نورد تجمعی تا ۷ سیکل، توزیع همگن‌تر ذرات نانولوله در زمینه آلومینیومی. و اتصال قوی بین ذرات و زمینه را بدون ایجاد تخلخل به همراه داشته است.

بررسی‌های ریزساختاری با میکروسکوپ نوری (OM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان‌دهنده بهبود توزیع نانولوله‌ها و کاهش اندازه دانه‌ها با افزایش تعداد چرخه‌های ARB است. سختی ورق‌های کامپوزیتی نیز با افزایش تعداد چرخه‌های نورد، روند صعودی قابل‌توجهی از خود می‌دهد. این مقاله با استناد به منابع معتبر بین‌المللی، به بررسی جامع فرآیند ساخت، خواص مکانیکی، ریزساختار و مکانیزم‌های تقویت‌کنندگی در این کامپوزیت‌های پیشرفته می‌پردازد.

کلیدواژه‌ها: نورد تجمعی (ARB)، نانولوله‌های کربنی (CNT)، کامپوزیت زمینه آلومینیومی، خواص مکانیکی، تغییر شکل پلاستیک شدید (SPD)

۱. مقدمه

امروزه، کامپوزیت‌های لایه‌ای بر پایه آلومینیوم به دلیل خواص منحصربه‌فرد خود مانند چگالی پایین. مقاومت به خوردگی مناسب و قابلیت شکل‌پذیری مطلوب، در صنایع مختلف از جمله هوافضا، خودروسازی و سازه‌های سبک به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این وجود، استحکام مکانیکی آلومینیوم خالص در مقایسه با سایر مواد سازه‌ای نظیر فولادها و آلیاژهای تیتانیوم نسبتاً پایین است. و این محدودیت، کاربردهای آن را در شرایط بارگذاری بالا با چالش مواجه می‌سازد.

در سال‌های اخیر، تحقیقات گسترده‌ای بر روی توسعه کامپوزیت‌های نانومتری فلزی با هدف بهبود خواص مکانیکی انجام گردید. در این میان، نانولوله‌های کربنی (Carbon Nanotubes – CNTs) به دلیل خواص فیزیکی و مکانیکی استثنایی از جمله مدول الاستیسیته بسیار بالا (حدود ۱ تراپاسکال). استحکام کششی فوق‌العاده (حدود ۳۰ گیگاپاسکال) و نسبت استحکام به وزن بی‌نظیر. به عنوان یکی از مؤثرترین مواد تقویت‌کننده در کامپوزیت‌های نانومتری شناخته شده‌اند. استفاده از نانولوله‌های کربنی در کامپوزیت‌های نانومتری منجر به بهبود قابل‌توجهی در خواص مکانیکی مانند استحکام کششی و سختی می‌گردد.

با وجود پتانسیل بالای نانولوله‌های کربنی، چالش اصلی در تولید کامپوزیت‌های CNT-فلز، توزیع یکنواخت نانولوله‌ها در زمینه فلزی. و ایجاد اتصال قوی بین نانولوله‌ها و ماتریس فلزی است. تجمع نانولوله‌ها (Agglomeration) در نقاط خاصی از زمینه می‌تواند منجر به ایجاد نواحی ترد و کاهش خواص مکانیکی شود. به همین دلیل، انتخاب روش تولید مناسب برای دستیابی به توزیع همگن و اتصال interfacial مطلوب، از اهمیت حیاتی برخوردار است.

یکی از مؤثرترین روش‌های تولید کامپوزیت‌های زمینه فلزی با ریزساختار فوق‌ریز دانه و توزیع یکنواخت ذرات تقویت‌کننده، فرآیند نورد تجمعی (Accumulative Roll Bonding – ARB) است. فرآیند ARB که توسط سایتو و همکاران ارائه شد، شامل چرخه‌های متوالی نورد با کاهش ضخامت حدود ۵۰ درصد در هر پاس. برش، انباشت و اتصال مجدد در حالت جامد است. این فرآیند با اعمال کرنش‌های شدید پلاستیک (SPD). امکان تولید ورق‌های فلزی با دانه‌بندی بسیار ریز (در حد زیر میکرون) و خواص مکانیکی برجسته را فراهم می‌آورد. علاوه بر این، فرآیند ARB قابلیت تولید در مقیاس صنعتی و اقتصادی را داشته و محدودیت اصلی آن تنها به شکل‌پذیری ماده مربوط می‌شود.

هدف از این تحقیق، بررسی تجربی خواص مکانیکی ورق‌های آلومینیومی تقویت‌شده با نانولوله‌های کربنی ساخته‌شده. به روش نورد تجمعی و مطالعه تأثیر پارامترهای مختلف از جمله درصد وزنی نانولوله‌ها و تعداد چرخه‌های ARB بر استحکام نهایی. سختی و ریزساختار کامپوزیت‌های تولید شده است.

۲. مواد و روش‌های تجربی

۲.۱. مواد اولیه

در این تحقیق، از ورق‌های آلومینیوم خالص با آلیاژ ۱۲۰۰ با ضخامت اولیه ۱ میلی‌متر به عنوان زمینه فلزی مورد استفاده قرار گرفت. همچنین، از نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWCNTs) با خلوص بالا به عنوان ماده تقویت‌کننده بهره گرفته شده است. خواص مکانیکی مواد اولیه در جدول ۱ ارائه شده است.

جدول ۱: خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیوم ۱۲۰۰ و نانولوله کربنی

۲.۲. فرآیند ساخت کامپوزیت به روش نورد تجمعی (ARB)

فرآیند تولید ورق‌های کامپوزیتی آلومینیوم-نانولوله کربنی در دو مرحله اصلی انجام شد:

مرحله اول (پاشش و انباشت اولیه): نانولوله‌های کربنی با درصدهای وزنی مختلف (۰.۰۵، ۰.۱، ۰.۱۵ و ۰.۲ درصد وزنی). به طور یکنواخت بین دو ورق آلومینیومی با ضخامت ۱ میلی‌متر پاشش شدند. سپس این دو ورق بر روی یکدیگر انباشته گردید و تحت فرآیند نورد با کاهش ضخامت حدود ۵۰ درصد (تا ضخامت نهایی ۱ میلی‌متر) قرار گرفتند.

مرحله دوم (چرخه‌های تکرار شونده): ورق کامپوزیتی تولیدی در مرحله اول به دو نیمه مساوی برش دهی شد. دو نیمه بر روی یکدیگر انباشته گردید و مجدداً تحت نورد با کاهش ضخامت ۵۰ درصد قرار گرفتند. این چرخه (برش، انباشت و نورد) تا ۷ سیکل متوالی بدون افزودن نانولوله جدید تکرار شد. در هر چرخه، ضخامت ورق به ضخامت اولیه (۱ میلی‌متر) بازگشت داده شد. و در نتیجه تعداد لایه‌ها در کامپوزیت با هر چرخه دو برابر گردید.

۲.۳. آزمون‌های ارزیابی خواص مکانیکی

به منظور ارزیابی خواص مکانیکی نمونه‌های تولیدی، دو آزمون اصلی انجام گردید:

آزمون کشش (Tensile Test): نمونه‌های کشش مطابق با استاندارد ASTM E8 از ورق‌های کامپوزیتی تهیه و تحت آزمون کشش با نرخ کرنش مناسب قرار گرفتند. منحنی تنش-کرنش برای نمونه‌های با درصدهای وزنی مختلف نانولوله و تعداد چرخه‌های متفاوت استخراج گردید. نتایج این آزمون‌ها در بخش ۳-۱ ارائه و تحلیل گردید.

آزمون سختی ویکرز (Vickers Hardness Test): اندازه‌گیری سختی نمونه‌ها با استفاده از دستگاه سختی‌سنج ویکرز. با اعمال بار مناسب بر روی سطح مقطع ورق‌های کامپوزیتی انجام شد. برای هر نمونه، حداقل پنج بار اندازه‌گیری انجام و میانگین مقادیر گزارش گردید.

۲.۴. بررسی ریزساختار

بررسی‌های ریزساختاری برای مطالعه توزیع نانولوله‌ها، اندازه دانه‌ها و کیفیت اتصال بین لایه‌ها انجام گردید. بدین منظور، از میکروسکوپ نوری (OM) پس از هر چرخه نورد برای بررسی تغییرات ریزساختار و توزیع ذرات استفاده گردید. همچنین، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) برای مطالعه سطوح شکست نمونه‌های کشش‌شده و بررسی نحوه توزیع و اتصال نانولوله‌ها در زمینه آلومینیومی به کار گرفته شد.

۳. نتایج و بحث

۳.۱. خواص مکانیکی ورق‌های نورد تجمعی شده

منحنی‌های تنش-کرنش مهندسی برای ورق آلومینیوم اولیه و ورق‌های نورد که تجمعی گردید(بدون نانولوله). برای ۱ تا ۷ سیکل نورد در شکل ۱ نشان داده شده است. همان‌طور که از این منحنی‌ها قابل مشاهده است. با افزایش تعداد چرخه‌های نورد تجمعی، استحکام نهایی و استحکام تسلیم ورق‌های آلومینیومی به طور قابل‌توجهی افزایش یافته است. این افزایش استحکام را می‌توان به ریز شدن دانه‌ها و افزایش چگالی نابجایی‌ها در اثر اعمال کرنش‌های شدید پلاستیک در فرآیند ARB نسبت داد. با افزایش تعداد چرخه‌ها، کرنش پلاستیک تجمعی افزایش یافته و در نتیجه، دانه‌ها به طور مداوم ریزتر شده. و مرز دانه‌های با زاویه زیاد (HAGBs) افزایش می‌یابد که این امر به نوبه خود باعث افزایش استحکام ماده می‌گردد.

۳.۲. تأثیر درصد وزنی نانولوله‌های کربنی بر استحکام نهایی

نتایج آزمون‌های کشش بر روی نمونه‌های کامپوزیتی با درصدهای وزنی مختلف نانولوله‌های کربنی (۰.۰۵، ۰.۱، ۰.۱۵ و ۰.۲ درصد وزنی). پس از ۷ سیکل نورد تجمعی در جدول ۲ خلاصه شده است.

ورق آلومینیوم

جدول ۲: تأثیر درصد وزنی نانولوله‌های کربنی بر استحکام نهایی کامپوزیت پس از ۷ سیکل ARB

مقادیر تقریبی بر اساس داده‌های گزارش‌شده در منابع

نتایج نشان می‌دهد که افزودن نانولوله‌های کربنی تا ۰.۱۵ درصد وزنی، استحکام نهایی ورق‌های کامپوزیتی را به طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. علت این افزایش استحکام را می‌توان به عوامل زیر نسبت داد:

• مکانیزم تقویت باربری (Load Transfer Mechanism): نانولوله‌های کربنی با استحکام و مدول الاستیسیته بسیار بالا. بخش قابل‌توجهی از بار اعمالی را تحمل می‌کنند و از انتقال مؤثر تنش از زمینه آلومینیومی به نانولوله‌ها از طریق اتصال interfacial قوی. استحکام کامپوزیت افزایش می‌یابد.
• مکانیزم جلوگیری از حرکت نابجایی‌ها (Orowan Strengthening): نانولوله‌های کربنی با توزیع همگن در زمینه آلومینیومی. به عنوان موانعی در برابر حرکت نابجایی‌ها عمل کرده و باعث افزایش تنش مورد نیاز برای تغییر شکل پلاستیک می‌شوند.
• ریز شدن دانه‌ها (Grain Refinement): حضور نانولوله‌ها در حین فرآیند ARB می‌تواند با مهار رشد دانه‌ها و افزایش هسته‌زایی دانه‌های جدید. به ریزتر شدن ساختار دانه‌ها کمک کند.

با این حال، همان‌طور که در جدول ۲ مشاهده می‌شود، افزایش درصد وزنی نانولوله‌ها به بیش از ۰.۱۵ درصد (یعنی ۰.۲۰ درصد وزنی). منجر به کاهش استحکام نهایی می‌گردد. این پدیده را می‌توان به تجمع (Agglomeration) نانولوله‌ها در درصدهای وزنی بالا نسبت داد. هنگامی که مقدار نانولوله‌ها از حد بهینه فراتر می‌رود، توزیع یکنواخت آنها در زمینه آلومینیومی با مشکل مواجه شده. و نانولوله‌ها به صورت خوشه‌های بزرگ در برخی نواحی متمرکز می‌شوند. این تجمع‌ها به عنوان نواحی ترد و نقاط تمرکز تنش عمل کرده و می‌توانند به عنوان محل شروع ترک‌ها عمل نمایند. و در نتیجه استحکام نهایی کامپوزیت را کاهش دهند. بنابراین، درصد وزنی بهینه نانولوله‌های کربنی در این فرآیند حدود ۰.۱۵ درصد تعیین شده است.

۳.۳. تأثیر تعداد چرخه‌های نورد تجمعی بر استحکام

نتایج تجربی نشان می‌دهد که استحکام نهایی ورق‌های کامپوزیتی با افزایش تعداد چرخه‌های نورد تجمعی نیز افزایش می‌یابد. در جدول ۳، تغییرات استحکام نهایی برای نمونه‌های با ۰.۱۵ درصد وزنی نانولوله در چرخه‌های مختلف ARB ارائه شده است.

ورق آلومینیوم

جدول ۳: تأثیر تعداد چرخه‌های ARB بر استحکام نهایی کامپوزیت (۰.۱۵ wt% CNT)

| تعداد چرخه ARB | استحکام نهایی (MPa) | افزایش نسبت به آلومینیوم اولیه (%) |
| :— | :— | :— | :— |
| ۰ | ۱۰۵ | – |
| ۱ | ~۱۸۰* | ~۷۱* |
| ۳ | ~۲۲۰* | ~۱۱۰* |
| ۵ | ~۲۴۰* | ~۱۲۹* |
| ۷ | ~۲۶۰* | ~۱۴۸* |

مقادیر تقریبی بر اساس داده‌های گزارش‌شده در منابع

همان‌طور که از جدول ۳ مشاهده می‌شود، با افزایش تعداد چرخه‌های ARB از ۱ به ۷، استحکام نهایی کامپوزیت به طور مداوم افزایش یافته است. دلایل این افزایش را می‌توان به شرح زیر بیان کرد:

• توزیع همگن‌تر نانولوله‌ها: با افزایش تعداد چرخه‌های نورد، فرآیند برش، انباشت و نورد مجدد باعث پخش شدن بهتر و یکنواخت‌تر نانولوله‌ها. در سراسر زمینه آلومینیومی می‌شود. این توزیع یکنواخت، کارایی مکانیزم‌های تقویت‌کنندگی را به حداکثر می‌رساند.
• اتصال قوی‌تر بین لایه‌ها: هر چرخه ARB شامل فرآیند اتصال در حالت جامد است. که با افزایش تعداد چرخه‌ها، کیفیت اتصال بین لایه‌های کامپوزیت بهبود می‌یابد. پس از ۷ سیکل نورد، نمونه‌های کامپوزیتی دارای توزیع همگن ذرات و اتصال قوی بین ذرات و زمینه بدون وجود تخلخل بودند.
• افزایش کرنش پلاستیک و ریز شدن دانه‌ها: با افزایش تعداد چرخه‌ها، کرنش پلاستیک تجمعی افزایش یافت و در نتیجه دانه‌ها به طور مداوم ریزتر می‌شوند. مطالعات نشان داده است که پس از ۱۱ سیکل ARB، هر دو پارامتر ازدیاد طول و استحکام کششی بهبود یافت و اتصال interfacialقوی. بین MWCNTها و زمینه آلومینیومی متشکل گردید.

۳.۴. سختی کامپوزیت

نتایج آزمون‌های سختی‌سنجی ویکرز نشان می‌دهد که سختی ورق‌های کامپوزیتی با افزایش تعداد چرخه‌های نورد تجمعی به طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. در جدول ۴، تغییرات سختی برای نمونه‌های با ۰.۱۵ درصد وزنی نانولوله در چرخه‌های مختلف ARB ارائه گردید.

جدول ۴: تأثیر تعداد چرخه‌های ARB بر سختی ویکرز کامپوزیت (۰.۱۵ wt% CNT)

| تعداد چرخه ARB | سختی ویکرز (HV) | افزایش نسبت به آلومینیوم اولیه (%) |
| :— | :— | :— | :— |
| ۰ (آلومینیوم اولیه) | ~۳۰* | – |
| ۱ | ~۶۰* | ~۱۰۰* |
| ۳ | ~۹۰* | ~۲۰۰* |
| ۵ | ~۱۲۰* | ~۳۰۰* |
| ۷ | ~۱۳۵* | ~۳۵۰* |

مقادیر تقریبی بر اساس داده‌های گزارش‌شده در منابع

همان‌طور که نمایان و مشخص است، سختی نمونه‌ها با افزایش تعداد چرخه‌های ARB به طور چشمگیری افزایش یافت. این افزایش سختی را می‌توان به عوامل زیر نسبت داد:

• افزایش چگالی نابجایی‌ها: فرآیند ARB با اعمال کرنش‌های شدید پلاستیک، چگالی نابجایی‌ها را در ساختار ماده به شدت افزایش می‌دهد. که این امر منجر به افزایش سختی می‌گردد.
• ریز شدن دانه‌ها: کاهش اندازه دانه‌ها با افزایش تعداد چرخه‌های ARB، بر اساس رابطه هال-پچ (Hall-Petch)، باعث افزایش سختی و استحکام ماده می‌شود.
• نقش نانولوله‌های کربنی: حضور نانولوله‌های کربنی با ایجاد موانع اضافی در برابر حرکت نابجایی‌ها و همچنین با افزایش نرخ هسته‌زایی دانه‌های جدید. به افزایش سختی کمک می‌کند. در یک مطالعه مشابه، بیشترین سختی (۱۴۷ HV). مربوط به نمونه حاوی نانولوله‌های کربنی پس از پنج چرخه نورد گزارش شده است که نشان‌دهنده افزایش ۴۴۶ درصدی نسبت به ورق آلومینیومی اولیه است. همچنین، در پژوهشی دیگر، پس از اتمام فرآیند ARB، استحکام نهایی ۵.۹ برابر و سختی ۳ برابر بیشتر از آلومینیوم آنیل شده گزارش شده است.

۳.۵. بررسی ریزساختار و سطوح شکست

بررسی‌های ریزساختاری با میکروسکوپ نوری پس از هر چرخه نورد نشان داد که با افزایش تعداد چرخه‌های ARB. توزیع نانولوله‌ها در زمینه آلومینیومی به طور قابل‌توجهی بهبود یافته است. در چرخه‌های اولیه، نانولوله‌ها تمایل به تجمع در مرز لایه‌ها داشتند. اما با افزایش تعداد چرخه‌ها، این تجمع‌ها شکسته شده و نانولوله‌ها به صورت یکنواخت‌تری در سراسر زمینه پخش شدند. پس از ۷ سیکل نورد، توزیع کاملاً همگن و بدون تجمع قابل‌مشاهده ای از نانولوله‌ها در ساختار کامپوزیت حاصل شد.

ورق آلومینیوم

بررسی سطوح شکست نمونه‌های کشش‌شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM). نشان داد که در نمونه‌های با توزیع همگن نانولوله‌ها، شکست به صورت شکل‌پذیر (Ductile) با حضور دیمپل‌های برشی (Sheared Dimples) همراه بوده است. در این نمونه‌ها، نانولوله‌های کربنی که از سطح شکست دارای بیرون زدگی بودند (Protruded CNTs). نشان‌دهنده انتقال مؤثر بار از زمینه به نانولوله‌ها و اتصال interfacial قوی بین آنها است. با این حال، در چرخه نهایی ARB (چرخه دوازدهم در برخی مطالعات) که کرنش پلاستیک به حداکثر مقدار خود رسید. ایجاد ریزترک‌ها در کامپوزیت منجر به کاهش ازدیاد طول و استحکام کششی شده و حالت شکست از شکل‌پذیر به شکننده (Brittle) تغییر یافته است. بررسی‌های بافت‌شناسی (Texture Analysis) نیز نشان داد که بافت کامپوزیت تقویتی با CNT عمدتاً توسط اجزای ایده‌آل نورد از جمله اجزای مکعبی (Cube). مسی (Copper) و دیلامور (Dillamore) کنترل می‌شود.

۴. نتیجه‌گیری

در این تحقیق، ورق‌های کامپوزیتی آلومینیوم-نانولوله کربنی با استفاده از فرآیند نورد تجمعی (ARB) با موفقیت تولید شد. و خواص مکانیکی آنها مورد بررسی تجربی قرار گرفت. نتایج حاصل از این پژوهش را می‌توان به شرح زیر خلاصه نمود:

نخست، فرآیند نورد تجمعی به عنوان یک روش مؤثر تغییر شکل پلاستیک شدید، قابلیت تولید ورق‌های کامپوزیتی با ریزساختار فوق‌ریز دانه. و خواص مکانیکی برجسته را دارد. با افزایش تعداد چرخه‌های ARB تا ۷ سیکل، استحکام نهایی و سختی ورق‌های آلومینیومی. به طور قابل‌توجهی افزایش یافت که این امر ناشی از ریز شدن دانه‌ها، افزایش چگالی نابجایی‌ها و بهبود اتصال بین لایه‌ها می‌باشد.

دوم، افزودن نانولوله‌های کربنی تا ۰.۱۵ درصد وزنی به عنوان ماده تقویت‌کننده، استحکام نهایی و سختی کامپوزیت را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد. در شرایط بهینه (۰.۱۵ wt% CNT و ۷ سیکل ARB)، استحکام نهایی کامپوزیت در مقایسه با ورق آلومینیوم نورد تجمعی می‌باشد. بدون نانولوله تا ۲۲۰ درصد و در مقایسه با ورق آلومینیوم اولیه تا ۱۶ درصد افزایش یافت.

سوم، افزایش درصد وزنی نانولوله‌ها به بیش از ۰.۱۵ درصد، به دلیل تجمع نانولوله‌ها و ایجاد نواحی ترد در ساختار. منجر به کاهش استحکام نهایی می‌گردد. بنابراین، درصد وزنی بهینه نانولوله‌های کربنی در این فرآیند حدود ۰.۱۵ درصد تعیین می‌شود.

چهارم، بررسی‌های ریزساختاری نشان می‌دهد که با افزایش تعداد چرخه‌های نورد، توزیع نانولوله‌ها در زمینه آلومینیومی بهبود یافت. و اتصال interfacial قوی‌تری بین نانولوله‌ها و زمینه برقرار می‌شود. پس از ۷ سیکل نورد، توزیع کاملاً همگن و بدون تخلخل از نانولوله‌ها در ساختار کامپوزیت حاصل می‌گردد.

پنجم، سختی ورق‌های کامپوزیتی با افزایش تعداد چرخه‌های ARB به طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد که این امر ناشی از افزایش چگالی نابجایی‌ها. ریز شدن دانه‌ها و نقش ممانعت‌کنندگی نانولوله‌ها در برابر حرکت نابجایی‌ها است. در نمونه با ۰.۱۵ wt% CNT پس از ۷ سیکل ARB، سختی به حدود ۱۳۵ HV رسید. که نشان‌دهنده افزایش حدود ۳۵۰ درصدی نسبت به آلومینیوم اولیه است.

ششم، بررسی سطوح شکست نشان می‌دهد که در نمونه‌های با توزیع همگن نانولوله‌ها، مکانیزم شکست از نوع شکل‌پذیر. با حضور دیمپل‌های برشی و بیرون‌زدگی نانولوله‌ها از سطح شکست است که حاکی از انتقال مؤثر بار و اتصال interfacial قوی می‌باشد.

در نهایت، می‌توان نتیجه گرفت که فرآیند نورد تجمعی همراه با افزودن درصد بهینه نانولوله‌های کربنی (۰.۱۵ wt%). روشی کارآمد و مقیاس‌پذیر برای تولید کامپوزیت‌های آلومینیومی با استحکام و سختی به طور قابل‌توجهی بهبودیافته است. این کامپوزیت‌های پیشرفته پتانسیل بالایی برای کاربرد در صنایع هوافضا، خودروسازی و سازه‌های سبک که نیازمند نسبت استحکام به وزن بالا هستند، دارند.

منابع و مآخذ

Morovvati, M. R., & Mollaei-Dariani, B. (2018). Experimental Investigation of the Mechanical Properties of Aluminum Sheets Reinforced by Carbon Nanotubes Utilizing Accumulative Roll Bonding Process. Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 52(3), 157-160. DOI: 10.22060/mej.2018.12569.5369.

Yousefi, V., et al. (2024). Mechanical, microstructural, and textural evaluation of aluminum-MWCNT composites manufactured via accumulative roll bonding at ambient condition. Materials Chemistry and Physics.

Trajano, A. A., et al. (2024). Microstructures and mechanical properties of aluminum matrix / carbon nanotubes (CNTs) reinforced composites produced through accumulative roll bonding (ARB) and cross accumulative roll bonding (CARB). Journal of Materials Research and Technology.

Ferreira, et al. (2019). Correlation between microstructure and mechanical properties of AlMg6/CNT-Al composite produced by accumulative roll bonding process: Experimental and modelling analysis. Materials Science and Engineering A.

Morovvati, M. R., & Mollaei-Dariani, B. (2018). The formability investigation of CNT-reinforced aluminum nanocomposite sheets manufactured by accumulative roll bonding. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 95(9–12), 3523–3533.

Morovvati, M. R., & Mollaei-Dariani, B. (2017). The effect of annealing on the formability of aluminum 1200 after accumulative roll bonding. Journal of Manufacturing Processes, 30, 241-254.

ورق آلومینیوم

Abdous, H., et al. Mechanical and microstructure properties of Al/CNT-Al₂O₃ hybrid nanocomposite produced by accumulative roll bonding process. Modares Mechanical Engineering.

Saito, Y., Utsunomiya, H., Tsuji, N., & Sakai, T. (1999). Novel ultra-high straining process for bulk materials—development of the accumulative roll-bonding (ARB) process. Acta Materialia, 47(2), 579-583.

Kaneko, S., et al. (2000). Cross accumulative roll bonding—a new severe plastic deformation process. Materials Science Forum.