تبدیل ضایعات صنعتی مواد به آلیاژ کامپوزیتی

این پژوهش به بررسی فرایند بازیافت و تبدیل ضایعات صنعتی با استفاده از روش زینترینگ برای تولید آلیاژ کامپوزیتی جدید حاوی خاکستر آلومینیوم می‌پردازد. در این مطالعه از آلومینیوم A365 به عنوان ماده پایه استفاده شده و با افزودن مقادیر مختلف خاکستر آلومینیوم (10%، 20% و 30% وزنی) اصلاح گردید. نمونه شاهد نیز شامل آلیاژ پایه A365 بدون خاکستر بود. خواص مکانیکی، ریزساختاری و هم افزایی کامپوزیت تولیدی از طریق آزمایش‌های متوالی مورد ارزیابی قرار گرفت. مقاومت کششی، ازدیاد طول و عمر خستگی با استفاده از دستگاه تست جهانی (UTM) اندازه‌گیری شد. تغییرات شیمیایی سطح کامپوزیت جدید با روش طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) بررسی گردید. همچنین رفتار خوردگی نمونه‌ها با دستگاه پتانسیواستات مورد مطالعه قرار گرفت.

تغییرات ریزساختار و زبری سطح نیز با میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) تحلیل شد. نتایج نشان داد که افزودن 10% و 20% خاکستر آلومینیوم موجب بهبود قابل توجه خواص مکانیکی آلیاژ می‌شود، به طوری که مقاومت کششی به ترتیب 15% و 25% نسبت به آلیاژ پایه افزایش یافت. با این حال، استفاده از 30% خاکستر باعث کاهش جزئی عمر خستگی کامپوزیت در مقایسه با آلیاژ پایه شد. در نهایت، مقدار 20% خاکستر به عنوان مقدار بهینه از نظر مقاومت به خستگی شناسایی گردید.

1. نگاهی به فرایند تبدیل ضایعات صنعتی مواد

خاکستر آلومینیوم حاصل از فرآیند ذوب آلومینیوم به دلیل محتوای شیمیایی حاوی برخی فلزات و ترکیبات سمی، نگرانی‌های زیست‌محیطی متعددی ایجاد می‌کند. دفع نامناسب این ماده می‌تواند منجر به نفوذ آلاینده‌ها به خاک و آب شده و مشکلات زیست‌محیطی قابل توجهی ایجاد نماید. بسیاری از محققان بر امکان‌سنجی استفاده از خاکستر آلومینیوم در کاربردهای مختلف با تأکید بر کاهش اثرات منفی زیست‌محیطی آن تمرکز کرده‌اند.

مطالعات نشان داده‌اند که خاکستر آلومینیوم می‌تواند به عنوان ماده تقویت‌کننده در سیمان و بتن مورد استفاده قرار گیرد. این کاربرد نه تنها باعث بهبود 15 درصدی مقاومت مکانیکی می‌شود، بلکه تا 10 درصد در هزینه‌های مواد اولیه صرفه‌جویی به همراه دارد .همچنین کاربرد این ماده در کامپوزیت‌های زمینه فلزی (MMCs) نتایج امیدبخشی داشته است؛ به طوری که مقاومت به سایش را حدود 20 درصد و استحکام مکانیکی را حدود 12 درصد افزایش می‌دهد.

ارزیابی‌های زیست‌محیطی نشان می‌دهد که بازیافت خاکستر آلومینیوم برای مصارف صنعتی می‌تواند حجم زباله‌های دفنی را تا حدود 30 درصد کاهش داده و اثرات زیستی آن بر محیط زیست را محدود نماید. در سال‌های اخیر، تولید آلیاژهای کامپوزیتی ارزشمند از ضایعات صنعتی به دلیل مزایای حفاظت از منابع، کاهش اثرات زیست‌محیطی و افزایش بهره‌وری مواد، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار شده است.

استفاده از ضایعات فلزی صنعتی برای بازیافت، امکان تولید مواد با کیفیت بالاتر را فراهم می‌کند که همزمان به کاهش ضایعات، صرفه‌جویی انرژی و افزایش بازده استفاده مجدد از مواد منجر می‌شود. مطالعات روی سیستم‌های کامپوزیتی Al-Si-SiC نشان داده است که با استفاده از فناوری‌های پردازش مدرن می‌توان از ضایعات تراشه‌ای، شمش‌های با کیفیت بهتری تولید کرد. همچنین تحقیقات تأیید کرده‌اند که فرآیند بازیافت باتری‌های لیتیوم-یونی می‌تواند کامپوزیت‌های سیلیکون/گرافیت کارآمدی ایجاد کند.

در زمینه تولید کامپوزیت‌های منیزیمی، روش‌های بازیافت آلیاژهای منیزیم در حالت جامد با استفاده از روش‌های تغییر شکل پلاستیک پیشرفته، منجر به تولید مواد کامپوزیتی با خواص برتر و ریزساختار بهینه شده است.

2. اهمیت جهانی بازیافت مواد زائد صنعتی

در سطح جهانی، تقاضا برای فرآیندهای تولیدی کارآمد که شامل بازیافت مواد زائد صنعتی به منظور کاهش اثرات زیست‌محیطی می‌شوند، به طور فزاینده‌ای در حال رشد است. توسعه کامپوزیت‌های جدید با معرفی محصولات جانبی مانند خاکستر آلومینیوم در آلیاژهای فلزی، مفاهیم جالبی برای کاهش تأثیرات نامطلوب بر خواص مواد نهایی ارائه کرده است. مطالعات اخیر نشان می‌دهد که تکنیک‌های زینترینگ برای تهیه آلیاژهای کامپوزیتی با خواص مکانیکی و حرارتی بهبودیافته بسیار مؤثر هستند.

3. کاربردهای آلیاژ A365 و پتانسیل بهبود آن

آلیاژهای آلومینیوم مانند A365 به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردی نظیر نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت در برابر خوردگی و هدایت حرارتی خوب، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند. تحقیقات نشان می‌دهد که افزودن مواد ثانویه مانند خاکستر آلومینیوم می‌تواند این ویژگی‌ها را به طور قابل توجهی بهبود بخشد .خاکستر ناشی از صنایع ذوب آلومینیوم حاوی اکسیدها و ترکیبات مشابهی است که می‌توانند در اصلاح خواص مکانیکی و حرارتی آلیاژهای کامپوزیتی مفید باشند.

متخصصان صنعت معتقدند که افزودن خاکستر آلومینیوم به آلیاژ A365 می‌تواند ویژگی‌های عملکردی آن را تحت تنش در دماهای بالا بهبود بخشد. مطالعات متعدد دیگری نیز به بررسی بهبودهای مشابه در مواد کامپوزیتی پرداخته‌اند:

• – گوپتا و همکاران: تأثیر ذرات سیلیمانیت/روتیل بر ماتریس‌های آلومینیومی را بررسی کردند و بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی و هدایت حرارتی مشاهده شد.
• – مهوی رادان و همکاران روش‌های تقویت با الیاف کربن را مورد مطالعه قرار دادند.
• – ناندا و همکاران: تأثیر خاکستر بادی را بر بهبود عملکرد سایشی و ویژگی‌های ساختاری آلومینیوم ارزیابی کردند.

این یافته‌ها نشان می‌دهند که مواد تقویت‌کننده متعدد می‌توانند عملکردی مشابه کامپوزیت‌های آلومینیومی با استحکام بالا داشته باشند و آن‌ها را برای نیازهای صنعتی مناسب سازند.

این پژوهش به بررسی کاربرد روش‌های زینترینگ برای تبدیل خاکستر آلومینیوم به آلیاژ A365 به منظور بهبود رفتار مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی کامپوزیت آلومینیومی می‌پردازد. تحقیق حاضر با انجام آزمایش‌های مکانیکی، شیمیایی، مقاومت به خوردگی و بررسی ریزساختار، اثربخشی تولید کامپوزیت‌های آلومینیومی باکیفیت حاوی خاکستر صنعتی را ارزیابی کرده است.

این مطالعه دانش موجود در زمینه آلیاژهای آلومینیومی را ارتقا می‌دهد، چرا که پژوهش‌های جاری به شدت بر بهبود استحکام، عمر خستگی و ویژگی‌های ازدیاد طول متمرکز هستند. این تحقیق هم مزایای زیست‌محیطی ناشی از استفاده از خاکستر آلومینیوم و هم کیفیت عملکردی بالاتر آلیاژهای آلومینیومی مناسب برای پیشرفت‌های صنعتی را ارائه می‌دهد.

نمودار پتانسیواستات نمونه‌ها با محتوای خاکستر: 0%، 10%، 20% و 30%

تصاویر میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) از نمونه‌های حاوی خاکستر آلومینیوم با مقادیر: (الف) ۰٪، (ب) ۱۰٪، (پ) ۲۰٪، و (ت) ۳۰٪.

روش‌شناسی

1. تهیه نمونه‌ها:

• آلیاژ پایه A365 با مقادیر مختلف خاکستر آلومینیوم (10%، 20% و 30% وزنی) ترکیب شد.
• نمونه‌ها تحت فشار هیدرولیک به شکل استوانه‌ای قالب‌گیری و در دمای 500°C زینتر شدند.

2. آزمایش‌ها:

• خواص مکانیکی:مقاومت کششی، ازدیاد طول و عمر خستگی با دستگاه UTM اندازه‌گیری شد.
• آنالیز شیمیایی:تغییرات پیوندهای شیمیایی با طیف‌سنجی FTIR بررسی گردید.
• مقاومت به خوردگی:آزمون پتانسیواستات در محلول 3.5% NaCl انجام شد.
• ریزساختار:توزیع ذرات و زبری سطح با میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) تحلیل شد.

نتایج کلیدی

1. بهبود استحکام کششی:

• افزودن 10% خاکستر آلومینیومبه آلیاژ A365، استحکام کششی را15%  افزایش داد (از 240 به 260 مگاپاسکال).
• افزودن 20% خاکستر، استحکام کششی را25% بهبود بخشید (به 275 مگاپاسکال).
• بیشترین استحکام کششی (290 مگاپاسکال) با30% خاکستر به دست آمد، اما کاهش جزئی در شکل‌پذیری (ازدیاد طول) مشاهده شد.

2. مقاومت به خستگی:

• 20% خاکستربهینه‌ترین مقدار برای مقاومت به خستگی بود و چرخه‌های شکست را افزایش داد.
• افزودن 30% خاکسترباعث کاهش جزئی مقاومت به خستگی شد، احتمالاً به دلیل ایجاد ناهمگنی در ریزساختار.

3. تغییرات شیمیایی (FTIR):

• تشکیل پیوندهای Al-O وSi-O  در کامپوزیت تأیید شد که نشان‌دهنده بهبود پایداری شیمیایی است.
• افزایش درصد خاکستر، جذب این پیوندها را تقویت کرد.
• بیشترین کاهش در چگالی جریان خوردگی (I_corr) با 30% خاکسترمشاهده شد.

4. ریزساختار (AFM):

• توزیع یکنواخت ذرات خاکستر در ماتریس آلیاژ منجر به کاهش تخلخل و افزایش چگالی شد.
• 30% خاکستربیشترین یکنواختی در توزیع ذرات را ایجاد کرد.

5. بهبود خواص مکانیکی:

• افزودن 20% خاکستر، مقاومت کششی را 25%افزایش داد (از 240 به 275 مگاپاسکال).
• نمونه با 30% خاکستربه حداکثر مقاومت کششی (290 مگاپاسکال) رسید، اما انعطاف‌پذیری آن کاهش یافت.

6. مقاومت به خوردگی:

• با افزایش خاکستر، چگالی جریان خوردگی (I_corr) کاهش یافت که نشان‌دهنده بهبود مقاومت در محیط‌های خورنده است. افزودن خاکستر آلومینیوم مقاومت به خوردگی را در محیطNaCl 3.5% بهبود بخشید.

7. تغییرات ریزساختار:

• توزیع یکنواخت ذرات خاکستر در ماتریس آلیاژ، تخلخل را کاهش و چگالی را افزایش داد.

نتیجه‌گیری و کاربردها

• بهینه‌ترین ترکیب:نمونه حاوی 20% خاکستر با بهبود همزمان مقاومت مکانیکی، عمر خستگی و مقاومت به خوردگی، برای کاربردهای صنعتی مناسب است.
• مزایای زیست‌محیطی:بازیافت خاکستر آلومینیوم، ضایعات صنعتی را تا 30% کاهش می‌دهد.

پیشنهادات آینده

• مطالعه تأثیر خاکستر در محدوده 20-30% برای یافتن نقطه بهینه.
• بررسی پایداری حرارتی کامپوزیت در شرایط عملیاتی.

جمع‌بندی

این پژوهش نشان داد که استفاده از خاکستر آلومینیوم به عنوان ماده تقویت‌کننده در آلیاژ A365، نه تنها خواص فنی را بهبود می‌بخشد، بلکه راهکاری پایدار برای مدیریت ضایعات صنعتی ارائه می‌دهد. نتایج می‌تواند در صنایع خودروسازی، هوافضا و ساخت‌وساز مورد استفاده قرار گیرد.