Επίδραση νανοδομών γραφενίου στις μηχανικές ιδιότητες και τη μικροδομή αλουμινίου καθαρότητας 96,66% - Κρομμύδας, Άγγελος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, 2016)
Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε με σκοπό την μελέτη της επίδρασης νανοδομών γραφενίου (Graphene nanoplatelets - GNPs) στη μικροδομή και τις μηχανικές ιδιότητες αλουμινίου καθαρότητας 96.66%. Η ενσωμάτωση των νανοδομών γραφενίου στο αλουμίνιο πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο της ελεύθερης χύτευσης με ανάδευση σε θερμοκρασία καλουπιού 100οC. Η προσθήκη των GNPs έγινε σε περιεκτικότητες 0.10% w.t. και 0.20% w.t. Στα προκύπτοντα υλικά πραγματοποιήθηκε μεταλλογραφικός έλεγχος, σκληρομέτρηση και μηχανικές δοκιμές (εφελκυσμός και κάμψη τριών σημείων). Όσον αφορά τον μεταλλογραφικό έλεγχο, τα δοκίμια εγκιβωτίστηκαν σε ρητίνη, λειάνθηκαν, στιλβώθηκαν και προσβλήθηκαν χημικά σε αντιδραστήριο Keller’s. Τέλος, οι επιφάνειες των δοκιμίων παρατηρήθηκαν σε οπτικό μικροσκόπιο και σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Υπολογίστηκε ότι η προσθήκη των GNPs δεν επηρεάζει ιδιαίτερα το εμβαδό των διαδενδριτικών περιοχών, όμως στην προσθήκη 0.10% w.t.GNPs μειώνεται το μέσο μήκος τους κατά 8%, ενώ στην προσθήκη 0.20% w.t.GNPs αυξάνεται το μέσο μήκος τους κατά 19%. Επίσης, η προσθήκη 0.10% w.t.GNPs παρουσιάζει εγκλείσματα GNPs τα οποία δεν φαίνεται να λειτουργούν σαν πυρήνες ανάπτυξης δενδριτών (όπως αναμενόταν λόγω του πολύ μικρού τους μεγέθους), ενώ παρουσιάζει ίδια κατακρήμνιση φάσης στις διαδενδριτικές περιοχές (ΜnFeAl32) με το αλουμίνιο καθαρότητας 96.66%. Επίσης, δημιουργούνται και κάποιες αραιές καθιζήσεις (MgAl53). Στην περίπτωση της προσθήκης 0.20% w.t. GNPs, παρατηρείται διαφοροποίηση των διαδενδριτικών περιοχών, οι οποίες πλέον αποτελούνται από διαφορετική φάση (MgAl53). Και στην περίπτωση αυτή, σχηματίζονται εγκλείσματα GNPs χωρίς πάλι να λειτουργούν σαν πυρήνες ανάπτυξης δενδριτών, καθιζήσεις (MgSiAl30), δενδριτική δομή αλουμινίου α-φάσης, ενώ δημιουργούνται και κρύσταλλοι (Al12C4O), συσσωρευμένοι σε άκρα διαδενδριτικών περιοχών. Επίσης, οι βελονοειδείς δομές των διαδενδριτικών περιοχών έχουν μειωθεί σημαντικά ως προς το μήκος τους. Πραγματοποιήθηκαν τρείς σκληρομετρήσεις σε δοκίμια κάθε περιεκτικότητας σε GNPs, από τις οποίες παρατηρήθηκε ότι η σκληρότητα των υλικών είναι ανάλογη της κατά βάρος προσθήκης γραφενικών νανοδομών. Όσον αφορά τις μηχανικές δοκιμές, για περιεκτικότητα 0.10% w.t. GNPs, στον εφελκυσμό παρατηρήθηκε αύξηση του φορτίου θραύσης (UTS) κατά 12.4%, αύξηση της ενέργειας θραύσης (Energy at break) κατά 6% και μείωση της επιμήκυνσης θραύσης (extension at break) κατά 14% . Στην κάμψη το υλικό παρουσίασε παρόμοια συμπεριφορά με το αλουμίνιο καθαρότητας 96.66%. Η προσθήκη 0.20% w.t. GNPs, εκτός από μία μικρή αύξηση του φορτίου θραύσης (UTS), της τάξης του 4.4%, που προσέδωσε στο υλικό, φαίνεται να μειώνει γενικότερα τις επιδόσεις του. Από το σύνολο των ελέγχων και των πειραματικών διαδικασιών που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, προκύπτει το συμπέρασμα οτι η προσθήκη γραφενικών νανοδομών (GNPs) σε περιεκτικότητα 0.10% w.t. βελτιώνει τις επιδόσεις του αλουμινίου, ενώ περαιτέρω αύξηση του ποσοστού αυτού φαίνεται να τις εξασθενεί.