نشریه علمی پژوهشی مواد پیشرفته در مهندسی

در این پژوهش، سفتی نانوکامپوزیت‌ پلیمر- رس با استفاده از مدل‌های موری- تاناکا، المان محدود دو بعدی و سه بعدی شبیه‌سازی شده است. لایه‌های رس در درون زمینه پلیمری به دو صورت موازی و پراکنده‌ی تصادفی نسبت به جهت بارگذاری پخش شده‌اند. اثر عوامل ریزساختاری شامل کسر حجمی رس، مدول الاستیک رس و فاز میانی، ضخامت فاز میانی، نسبت ظاهری لایه‌های رس و جهت‌گیری لایه‌ها بر مدول الاستیک نانوکامپوزیت توسط مدل المان محدود بررسی شده است. مقایسه نتایج شبیه‌سازی با نتایج تجربی نشان داد که نتایج مدل موری- تاناکا به نتایج تجربی نزدیک‌تر بوده است. تحلیل‌ نتایج نشان داد که کسر حجمی رس، مدول الاستیک رس، میزان انحراف لایه‌های رس از جهت بارگذاری، نسبت ظاهری لایه‌های رس، ضخامت فاز میانی و مدول الاستیک فاز میانی بر مدول الاستیک نانوکامپوزیت به‌ترتیب بیشترین اثر را داشته‌اند.

در این پژوهش، اثر افزودن آلومینا به‌عنوان رقیق کننده  بر سنتز احتراقی خود انتشار دما بالای فعال شده مکانیکی کامپوزیت آلومینا- دی بوراید زیرکونیم بررسی شد. بدین منظور، مخلوط ترمیت شامل آلومینیوم، اکسید زیرکونیم، اسید بوریک و مقادیر متفاوت اکسید آلومینیوم (0، 3، 6 و 9 درصد وزنی) به‌عنوان ماده اولیه استفاده و برای 5 ساعت فعال‌سازی مکانیکی شد، سپس تف‌جوشی در کوره در دمای
650 درجه سانتی‌گراد انجام شد. نتایج نشان داد که با افزایش اکسید آلومینیوم تا 6 درصد وزنی، شدت قله گرماگیر در منحنی های تحلیل گرماسنجی افتراقی افزایش، اما با افزودن مقادیر بیش‌تر، شدت قله کاهش می‌یابد. در این‌حالت، توزیع یکنواخت‌تر ذرات دی بوراید زیرکونیم با اندازه دانه ظریف‌تر مشاهده شد.

در این پژوهش کامپوزیت  TiAl/Al₂O₃به­روش فعال­سازی مکانیکی مخلوط پودری TiO₂-Al و گرمایش ریزموجی (مایکروویو) به‌دست آمد. مخلوط پودری اولیه به‌همراه مقادیر مختلف آلومینیوم اضافی آسیاب‌کاری و پس از فشرده­سازی به‌شکل قرص­های استوانه­ای، تحت گرمایش ریزموجی قرار گرفت. اثر میزان آلومینیوم اضافی و هم‌چنین نوع ماده کمکی جاذب امواج ریزموج (گرافیت و کاربید سیلیسیم) بر زمان اشتعال نمونه‌ها و ترکیب فازی کامپوزیت ساخته­شده مورد بررسی قرار گرفت. از تحلیل‌های XRD و SEM برای بررسی محصولات ساخته شده استفاده شد. نتایج تحلیل­های فازی نشان داد که بدون حضور آلومینیوم اضافی در مخلوط پودری اولیه، فاز TiAl به‌مقدار بسیار کم تشکیل می‌شود و به‌جای آن فاز Ti₃Al شکل می­گیرد، در حالی­که با حضور 10 درصد وزنی آلومینیوم اضافی، می­توان به فاز TiAl دست یافت. هم‌چنین نتایج نشان داد که دفن کردن قرص نمونه در پودر گرافیت نسبت به­قرار دادن آن میان دو بلوک کاربید سیلیسیم، موجب ساخت سریع­تر کامپوزیت با تکرارپذیری بالاتر می‌شود.

در این پژوهش نانو ذرات شیشه زیست فعال (NBG) با موفقیت توسط روش سل-ژل تهیه شد. سپس به‌منظور بهبود قابلیت پراکنده شدن ذرات، عملیات اصلاح سطحی آنها توسط عامل زوجی تری متوکسی سیلیل پروپیل متااکریلات انجام گرفت. بدین‌منظور از روش شیمی تر استفاده گردیدکه طی آن ذرات شیشه زیست فعال به همراه تولوئن(حلال) و ماده اصلاح ساز تحت اتمسفر نیتروژن و به‌مدت 6 ساعت هم زده شد. سپس به‌منظور بررسی اتصال عامل زوجی سیلانی به سطح NBG، قبل و بعد از انجام عملیات اصلاح سطحی، آزمون هایFTIR و AFM انجام گرفت. تصاویرAFM نشان داد که قابلیت پراکنده شدن ذرات پس از اصلاح سطحی به طور چشمگیری افزایش یافته است. در طیفFTIR ذرات اصلاح شده، پیک‌های مشخصه CH3، CH2 و C=O آشکار شد. آنالیزهای مذکور، ایجاد پیوند کوالانسی گروه­های خاص تری متوکسی سیلیل پروپیل متااکریلات به سطح نانو ذرات شیشه زیست فعال را تاییدکرد. در ادامه با استفاده از مواد اولیه فوم پلی یورتان و نانو ذرات شیشه زیست فعال سنتز شده، داربست کامپوزیتی پلیمر/سرامیکی ساخته شد و مورفولوژی و اندازه تخلخل‌ و نیز استحکام فشاری و زیست فعالی توسط های داربست کامپوزیتی حاصله، بررسی گردید. نتایج نشان داد که داربست‌های زیستی با دارا بودن نیازهای اساسی برای استفاده در مهندسی بافت استخوان (90% تخلخل و قطر حفره 600-200 میکرومتر) با موفقیت ساخته‌شده‌اند. جزء پلیمری پوشش، بر ارتباط حفرات داربست و همچنین زیست فعالی نانو ذرات شیشه زیستی تأثیری نداشت. افزایش استحکام فشاری داربست و همچنین زیست فعالی مناسب داربست حاوی نانوذرات شیشه زیست فعال اصلاح سطحی شده در مایع شبیه‌سازی‌شده بدن نشان داد که این داربست، کاندید مناسبی جهت استفاده به‌عنوان داربست زیستی است.

هدف از این پژوهش ساخت نانوالیاف الکتروریسی شده کیتوسان (CS)/پلی وینیل الکل (PVA) حاوی نانولوله کربنی (CNT) و نانوذرات شیشه زیست فعال (BG) (در مقادیر 5 و 10 درصد وزنی) برای کاربردهای مهندسی بافت عصب بود. شکل، ساختار و خواص مکانیکی نانوالیاف کامپوزیتی ریسیده شده، به‌ترتیب با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و آزمون‌های سنجش خواص مکانیکی مشخص شد. در آزمون کشت سلولی برون­تنی، سلول‌های بنیادی کارسینومای جنینی (رده P19) بر روی داربست الکتروریسی شده کشت داده شد. نتایج نشان داد که وجود نانولوله کربنی و نانو ذرات شیشه زیست فعال بر شکل نانوالیاف کیتوسان/پلی وینیل الکل تأثیر چندانی نمی‌گذارد. بیشترین استحکام کششی (9/7 مگاپاسکال) در نمونه کامپوزیتی با 5 درصد وزنی نانوذرات شیشه زیست فعال، مشاهده شد. هم‌چنین نتایج این پژوهش نشان داد که نانولوله‌های کربنی و نانوذرات شیشه زیست فعال ترکیب­شده در داربست‌های نانوالیاف کیتوسان/پلی وینیل الکل با قطر نانومتری و تخلخل بالا می‌تواند ضمن تأمین خواص مکانیکی مناسب، بستر مناسب برای رشد سلولی را نیز فراهم کند و به‌طور بالقوه گزینه‌ای بسیار مناسب برای استفاده در مهندسی بافت عصب باشد.

در این پژوهش از روش انفجار الکتریکی سیم برای تولید نانوکامپوزیت آلومینیوم-CNT در محیط استون استفاده شد. به‌منظور سنتز نانوکامپوزیت آلومینیوم-CNT، ابتدا نانولوله­های کربنی توسط دستگاه فراآوا در استون پخش شدند. سپس سیم آلومینیومی در این محیط منفجر شد. نمونه­های سنتز شده به‌منظورمشخصه­یابی تحت آزمون­های طیف سنجی FTIR وTEM قرار گرفتند. نتایج نشان داد که نانوذرات سنتز شده کروی شکل و دارای میانگین اندازه ذرات 4 نانومتر هستند. هم‌چنین نانوذرات تولید شده در استون پایدار ماندند. نتایج نشان داد که برهم‌کنش خوبی بین نانوذرات آلومینیوم و نانولوله­های کربنی در محیط استون وجود دارد. در نهایت می­توان نتیجه گرفت که استون، محیطی مناسب برای سنتز نانوکامپوزیت آلومینیوم-CNT است چون در این محیط کامپوزیتی یکپارچه با توزیع مناسب نانوذرات به‌دست می­آید.

در سال‌های اخیر استفاده از نانومواد در داربست‌های مهندسی بافت استخوان به‌دلیل تقلید از ساختار بافت طبیعی استخوان که دارای یک ساختار نانوکامپوزیتی درهم آمیخته با یک ماتریس سه بعدی است، مورد توجه قرار گرفته است. در این میان، پلی­کاپرولاکتان به‌عنوان یک زیست پلیمر، درساخت داربست‌های مهندسی بافت استخوان مورد استفاده قرار گرفته است. هدف از این پژوهش، ساخت داربست نانوکامپوزیتی پلی­کاپرولاکتان/ هیدروکسید دوگانه لایه­ای با خواص مکانیکی، زیست فعالی و زیستی مناسب برای کاربرد در مهندسی بافت استخوان اسفنجی است. برای ساخت داربست­ها از ترکیب دو روش فروشویی ذره­ای و خشکایش انجمادی و هم‌چنین برای مطالعات سلولی از سلولMG63 (استئوسارکومای استخوان) استفاده شد. تحلیل طیف سنج طول موج انتشاری از نمونه‌ها، توزیع یکنواخت فاز سرامیکی در بستر پلی کاپرولاکتان را تأیید کرد. نتایج بررسی مکانیکی داربست­ها حاکی از افزایش مدول یانگ بعد از اضافه شدن فاز سرامیکی بود. بررسی‌های میکروسکوپی نشان داد که داربست­ها از تجمع ریزکره­ها پس از اضافه شدن فاز سرامیکی حاصل شدند و اندازه تخلخل‌ها بین 100 تا 600 میکرومتر گزارش شد. هم‌چنین با افزودن فاز سرامیکی آب‌دوستی پلی کاپرولاکتان افزایش یافت، اما تشکیل هیدروکسی آپاتیت در محیط شبیه‌سازی شده بدن، به‌علت وجود یون منیزیم به‌تأخیر افتاد. ارزیابی‌های سلولی، اتصال سلول­ها و تکثیرشان روی داربست­ها را تأیید کردند. نتایج نشان می­دهد که داربست‌های ساخته شده قابلیت کاربرد در مهندسی بافت استخوان اسفنجی را دارند.

در این پژوهش فوم­ های آلومینیومی AA356 با مقادیر مختلف از ذرات سیلیسیم کاربید (SiC) به ‌عنوان عامل تقویت­ کننده و پایدارساز و پودر کلسیم کربنات (CaCO₃) به‌عنوان عامل فوم­ ساز با استفاده از روش فوم­ سازی مستقیم مذاب تولید شد. چگالی محصولات فومی بین 38/0 تا 68/0 گرم بر سانتی‌متر مکعب اندازه‌گیری شد. پس از آن ریزساختار و خواص فشاری فوم­ های کامپوزیتی AA356/SiC_p تولید شده بررسی شد. ارتباط بین تنش مسطح، چگالی، درصد وزنی CaCO₃ و کسر حجمی ذرات SiC با قطر متوسط ثابت نیز مورد ارزیابی قرار گرفت. مشخص شد که منحنی تنش-کرنش فشاری محصولات یکنواخت نیست و ظاهری دندان ه­ای دارد. از سوی دیگر نشان داده شد که در یک چگالی ثابت، تنش مسـطح با افزایش محتـوای ذرات SiC و کاهـش مقدار پودر CaCO₃ مصرفی، افزایش می­یابد.

در این پژوهش تولید کامپوزیت درجا به روش سنتز احتراقی آلومینوترمیک در سیستم Al-V₂O₅-NiO مورد مطالعه قرار گرفت. بدین منظور مخلوط پودرهای Al، V₂O₅ و NiO با نسبت استوکیومتری به‌ترتیب با درصد مولی 1:1:11 به‌مدت یک ساعت آسیاب‌کاری و سپس تحت تراکم قرار گرفتند. برای بررسی دماهای وقوع تحولات فازی از تجزیه حرارتی افتراقی استفاده شد. نمونه‌های خام با توجه به دمای پیک واکنش‌ها در تجزیه حرارتی افتراقی، تحت عملیات حرارتی قرار گرفتند. بررسی الگوهای پراش پرتو ایکس تشکیل فازهایی همانند فاز Al₃V و Al₃Ni₂ در دماهای مختلف زینترینگ را نشان می‌دهد. بررسی‌های ریزساختاری و فازی نشان داد که در طی زینترینگ تا قبل از دمای 700 درجه سانتی‌گراد، فاز Al₃V تشکیل نمی‌شود و در دمای 880 درجه سانتی‌گراد فاز Al₃Ni₂ تشکیل و بعد از درجه حرارت 950 درجه سانتی‌گراد نیز به فاز Al₄Ni₃ تبدیل می‌شود. به‌علاوه بعد از درجه حرارت 950 درجه سانتی‌گراد فاز Al₃V به فاز Al₂₃V₄ تبدیل می‌شود. بررسی سختی و چگالی نیز نشان داد که این دو متغیر با افزایش درصد تقویت کننده‌ها، افزایش می‌یابند.

در این پژوهش، رفتار سایشی کامپوزیت‌های تجاری WC-10wt%Co (H10F)، WC-40vol%Co و کامپوزیت‌ WC-40vol%FeAl-B با مقادیر مختلف بور (صفر- ppm1000) در دمای بالا به‌روش پین روی دیسک بررسی شد. آزمون‌های سایش تحت بار 40 نیوتن و طی مسافت 100 متر و در سه دمای محیط، 200 و 300 درجه سانتی‌گراد انجام شدند. سطوح سایش به‌وسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که مقاومت سایشی همه کامپوزیت‌ها با افزایش دمای آزمون، کاهش می‌یابد. کامپوزیت WC-40vol%FeAl بدون بور کمترین مقاومت سایشی را در همه دماها نشان می‌دهد. با حضور بور تا ppm 500 در زمینه آلومیناید آهن، مقاومت سایش دما بالای این کامپوزیت‌ها بهبود می‌یابد و مکانیزم سایش از جدایش ذره به خراشان تغییر پیدا می‌کند. بور با افزایش میزان چقرمگی این کامپوزیت‌ها و افزایش شکل‌پذیری آلومیناید آهن منجربه بهبود پیوند فصل مشترک زمینه آلومیناید آهن و ذرات کاربید تنگستن و بنابراین افزایش مقاومت سایشی این کامپوزیت‌ها می‌شود. کامپوزیت WC-40vol%(FeAl-500ppmB) مقاومت به سایش در دمای بالای بیشتری نسبت به WC-40vol%Co و WC-10wt%Co تجاری دارد.
 

هدف از انجام این پژوهش، بررسی تأثیر ذرات تقویت کننده سه جزئی Al₂O₃-TiB₂/Fe بر خواص مکانیکی کامپوزیت‌های زمینه آلومینیم می‌باشد. در این راستا ذرات تقویت کننده مورد بررسی با انجام واکنش‌های مربوطه طی فرایند آسیاکاری و عملیات حرارتی تهیه شد. در ادامه، درصدهای مختلف (25/1، 5/2 و 5 درصد حجمی) از ذرات به‌همراه پودر آلومینیم خالص به‌مدت زمان 10 ساعت آسیاکاری گردید و سپس اکستروژن گرم شد. بررسی‌های ساختاری، فازی و مکانیکی نمونه‌های حاصل توسط پراش‌سنج پرتوایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی و آزمون کشش انجام شد. نتایج نشان داد که رسوبات غنی از آهن در ذرات تقویت کننده کامپوزیتی بخش سرامیکی ذرات را به زمینه فلزی متصل نموده و نقش مؤثری در بهبود انعطاف‌پذیری آنها دارد. بهینه درصد ذرات تقویت کننده مورد بحث برای استحکام ‌بخشی آلومینیم 5/2 درصد حجمی تشخیص داده شد. استحکام و درصد ازدیاد طول حاصل از این نمونه کامپوزیتی به‌ترتیب 500 مگاپاسکال و 6 درصد تعیین شد.
 

در این پژوهش پوشش کامپوزیتی نانوساختار FeAl/Al₂O₃ به‌روش آسیا‌کاری مکانیکی از طریق یک واکنش مکانوشیمیایی بر سطح زیرلایه فولاد کربنی پوشش داده شد. مواد اولیه مصرفی Fe، Al و Fe₂O₃ به میزان استوکیومتری به همراه زیرلایه و گلوله‌هایی به قطر چهار میلی‌متر در یک آسیای ارتعاشی پرانرژی تا 22 ساعت تحت آسیا‌کاری قرار گرفت. برخی از نمونه‌های آسیا شده به مدت زمان یک و سه ساعت در دمای773 کلوین آنیل شدند. آزمون‌های پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، ریزسختی سنج و زبری سنج جهت ارزیابی مکانیزم واکنش مکانوشیمیایی و همچنین مشخصه‌یابی پوشش مورد استفاده قرار گرفت. واکنش مکانوشیمیایی در حین عملیات آسیا‌کاری پس از 14 ساعت شروع و منجر به تشکیل جزئی نانوکامپوزیت FeAl/Al₂O₃ شد. افزایش زمان آسیا‌کاری تا 18 ساعت سبب افزایش مداوم ضخامت پوشش تا 80 میکرومتر گردید و ادامه فرایند آسیا‌کاری پس از آن موجب کندگی موضعی پوشش و ایجاد ترک در ساختار آن شد. ریزسختی پوشش 18 ساعت آسیا شده معادل 1050 ویکرز تعیین شد. آنیل در دمای 773 کلوین به مدت سه ساعت موجب تکمیل واکنش و سنتز پوشش نانوکامپوزیتی FeAl/Al₂O₃ شد. نتایج نشان داد که عملیات آنیل سبب افزایش سختی پوشش به 1200 ویکرز و بهبود قابل ملاحظه چسبندگی پوشش شد.