فهرست مطالب

مواد پیشرفته در مهندسی - سال چهل و دوم شماره 2 (تابستان 1402)

فصلنامه مواد پیشرفته در مهندسی
سال چهل و دوم شماره 2 (تابستان 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/08/30
  • تعداد عناوین: 6
|
  • محمدسعید عباسی، عباس بهرامی*، افروزالسادات حسینی ابری، فاطمه یوسف صابر صفحات 1-13
    جلوگیری از عفونت و زیست فعالی قطعات کاشتنی در بدن یکی از مهم ترین مسایل مورد بررسی در پژوهش های پزشکی در سال های اخیر می باشد. در این راستا، محققین پژوهش های زیادی را به منظور افزایش زیست فعالی قطعات کاشتنی در بدن انجام داده اند. افزایش زیست فعالی این قطعات به روش های مختلفی انجامیده که پوشش دهی سطح قطعات یکی از بهترین روش های مورد بررسی در این زمینه می باشد. در این پژوهش، پوشش دهی هم زمان نانوذرات اکسیدآهن (مگنتیت) به همراه شیشه زیست فعال 45S5 بر روی زیرلایه فولاد زنگ نزن 316 به روش الکتروفورتیک به جهت افزایش زیست فعالی و هم چنین قابلیت کاربرد های فراگرمایی انجام شد. آنالیز پراش اشعه ایکس، حضور نانوذارت اکسیدآهن را در کنار شیشه زیست فعال تایید نمود. از میکروسکوپ الکترونی جهت بررسی سطح پوشش استفاده گردید. در بررسی های صورت گرفته با روش های زبری سطحی و زاویه ترشوندگی نشان داده شد که زبری سطح پوشش داده شده برابر با 1/2±49 میکرومتر و زاویه ترشوندگی این پوشش برابر با 49 درجه می باشد. این نتایج نشان داد که پوشش دارای سطحی با زبری متوسط و ویژگی های آب دوستی می باشد که برای زیست فعالی از اهمیت بالایی برخوردار است. در ادامه در بررسی خواص مغناطیسی پوشش، ارزیابی مغناطومتری روی نمونه های سنتز شده انجام شد که مغناطس اشباع پوشش برابر با emu/g 20/2 و مقدار پارامتر Hc برابر با 89 گاوس به دست آمد.
    کلیدواژگان: پوشش، زیست فعال، ذرات مغناطیسی، اکسیدآهن، الکتروفوریک، شیشه زیستی
  • ابوالقاسم نور محمدی آبادچی*، سید حمید هاشمی ریزی، مجتبی فرقانی صفحات 15-27

    تولید پوشش های سیاه ایده آل با جذب و گسیل اپتیکی و نیز مقاومت سایش مناسب برای بسیاری از کاربردها نظیر کاربردهای فضایی دارای اهمیت بسیار است. یک روش مناسب برای تولید این پوشش ها، آندایزینگ آلیاژهای آلومینیوم و رنگ کاری پوشش های آندی تولید شده به کمک رنگدانه های آلی یا معدنی سیاه می باشد. لازم است اثر پارامترهای فرآیندی بررسی و بهینه شود تا جذب و گسیل اپتیکی و نیز مقاومت سایش پوشش ها حداکثر شود. این مهم در پژوهش حاضر انجام شده است و اثر پارامترهای فرآیندی و نوع رنگدانه مورد بررسی قرار گرفته است تا جذب و گسیل اپتیکی و نیز مقاومت سایش پوشش حداکثر شود. برای اولین بار تاثیر نوع رنگدانه بر جذب و گسیل اپتیکی و مقاومت سایش پوشش مورد بررسی قرار گرفت و بر خلاف انتظار مشاهده شد که انتخاب نوع رنگدانه اثر قابل توجهی بر خواص اپتیکی و مکانیکی پوشش ها دارد. همچنین مشاهده شد که در پوشش های آندی حاوی رنگدانه های معدنی، با افزایش زمان آندایزینگ از 15 دقیقه به 45 دقیقه، ضریب جذب اپتیکی پوشش از 0/85 به 0/95 و ضریب گسیل اپتیکی از 0/82 به 0/91 افزایش و کاهش وزن در اثر سایش در آزمون پین بر دیسک از 6 به 2 میلی گرم کاهش یافت. در مقابل، در پوشش های حاوی رنگدانه های آلی بهبود کوچکی مشاهده شد و علی رغم افزایش زمان آندایزینگ، تغییرات مقادیر ضریب جذب و گسیل اپتیکی و کاهش وزن در اثر سایش ناچیز بود.

    کلیدواژگان: آندایزینگ سیاه، رنگدانه، جذب، گسیل، مقاومت سایش
  • میررضا فروغ*، رحمت الله عمادی، مهدی احمدیان صفحات 29-39

    بیوسرامیک ها با دارا بودن خواصی همچون زیست فعالی مناسب، زیست سازگاری، استحکام فشاری و مقاومت به سایش دارای کاربردهایی در مهندسی بافت هستند. یکی از دسته های بیوسرامیک های پرمصرف کلسیم سیلیکات ها می باشد. کلسیم سیلیکات ها دارای زیست سازگاری، زیست فعالی و دارای خواص مکانیکی نسبتا مناسبی می باشند ولیکن سرعت تخریب آن ها بالاست. برای رفع این مشکل عناصری همچون منیزیم (Mg)، زیرکونیوم (Zr) و روی (Zn) به آن ها اضافه می شود. بغدادیت (Ca3ZrSi2O9) یکی از سرامیک های پایه کلسیم سیلیکاتی بوده که عنصر زیرکونیوم جانشین بخشی از عنصر کلسیم شده است و از خواص زیستی مناسبی برخوردار است. همچنین حضور عناصر کلسیم و زیرکونیوم باعث افزایش خواص بیولوژیکی و مکانیکی این ماده شده است. هدف از انجام این پژوهش ساخت پودر بغدادیت با استفاده از فرایند سل- ژل بوده و بررسی و مشخصه یابی آن با استفاده از آزمون های پراش پرتو ایکس جهت بررسی فازهای تشکیل شده، آزمون تعیین هاله عدم رشد به منظور خواص آنتی باکتریال، آزمون طیف تبدیل فوریه مادون قرمز برای تعیین گروه های عاملی و بررسی مورفولوژی پودر با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی صورت گرفت. نتایج نشان داد که فاز بغدادیت تک فاز با اندازه ذرات 15 ± 225 نانومتر تشکیل شده و دارای مورفولوژی کلوخه ای می باشد. آزمون آنالیز عنصری وجود عناصر سازنده بغدادیت (Zr، Si، Ca و O) را در نمونه سنتز شده تایید نمود. همچنین نقشه آنالیز عنصری پراکندگی، یکنواختی عناصر سازنده بغدادیت را تایید کرد. نتایج آزمون تعیین هاله عدم رشد نشان داد که بغدادیت خواص آنتی باکتریال مناسبی در مقابل باکتری های استافیلوکوک ندارد ولیکن در برابر باکتری های اشرشیاکلای تا اندازه کمی خواص آنتی باکتریال از خود نشان داد.

    کلیدواژگان: بیوسرامیک، کلسیم سیلیکات، بغدادیت، سل- ژل، آنتی باکتریال
  • رضا کلامی*، سید احمد کتابی صفحات 41-52
    در این مقاله، اثر اعمال میدان مغناطیسی عمودی بر خواص الکترونی و ترابردی سه گروه از نانو نوارهای سیلیسین لبه دسته مبلی بررسی شد. نانو نوارهای سیلیسین مورد مطالعه دارای 5 الی 7 اتم سیلیکون در عرض می باشند که گاف های نواری متفاوتی دارند. میدان مغناطیسی عمودی با قدرت های 0/1، 0/2 و 0/3 الکترون ولت به نانو نوارها اعمال شد. با اعمال میدان مغناطیسی عمودی، تغییراتی در آرایش الکترونی نانو نوار به وجود آمد، در نتیجه خواص الکترونی و ترابردی نانو نوارها نظیر طیف گسیل، ساختار نواری و مشخصه جریان- ولتاژ تغییر یافت. نتایج نشان داد که اعمال میدان مغناطیسی عمودی به نانو نوارهای سیلیسین لبه دسته مبلی که تحت اختلاف پتانسیل الکتریکی قرار گرفته اند باعث افزایش جریان عبوری می شود. محاسبات با استفاده از تقریب تنگ بست به همراه فرمول بندی تابع گرین غیرتعادلی انجام شد.
    کلیدواژگان: سیلیسین، میدان مغناطیسی عمودی، ساختار نواری، طیف گسیل الکترونی، مشخصه جریان- ولتاژ
  • محسن بزرگمهر*، علی قاسمی، غلامرضا گردانی، مجید طاووسی صفحات 53-68
    مقابله با اثرات مخرب امواج الکترومغناطیس نیاز به موادی با قابلیت تلفات انرژی مغناطیسی و انرژی الکتریکی دارد. اینگونه مواد عمدتا متشکل از یک ماده مغناطیسی و یک ماده رسانای الکتریکی است. در تحقیق حاضر، در ابتدا نانوذرات فریت استرانسیوم آلاییده شده با منگنز و کلسیم با فرمول SrCo2-X(Mn Ca)X/2Fe16O27 (x=0-0/5) به روش هم رسوبی سنتز شدند. سپس این نانوذرات به همراه نانولوله های کربنی عامل دار شده (با نسبت حجمی 1 تا 5 درصد)، کامپوزیتی گردید. از آنالیزهای پراش پرتو ایکس، طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی، مغناطومتر نمونه ارتعاشی و آنالیزگر شبکه برداری برای بررسی خواص ساختاری، مغناطیسی و مایکروویو نمونه ها استفاده گردید. نتایج الگوی پراش پرتو ایکس نشان داد که فاز فریت استرانسیوم در همه ترکیبات تشکیل گردیده و اثری از حضور هرگونه ناخالصی ها در نمونه ها وجود نداشت. نتایج میکروسکوپی الکترونی نیز نشان داد که نانوذرات فریتی دیواره خارجی نانولوله های کربنی را به طور کامل پوشش داده اند. نتایج آزمون مغناطومتری نیز نشان داد که با افزایش میزان کاتیون های منگنز و کلسیم در فریت استرانسیوم، مغناطش اشباع کاهش و نیروی پسماندزدا افزایش یافته است. تلفات انعکاس نیز در نمونه های کامپوزیتی به میزان حداقل 30 درصد بیشتر از نمونه های فریتی بود. بیشترین تلفات انعکاس (42/7- دسی بل در فرکانس تشدید 12/1 گیگا هرتز) مربوط به نمونه نانوکامپوزیتی حاوی 5 درصد حجمی از نانولوله کربنی بود. البته براساس نتایج، نمونه حاوی 4 درصد حجمی از نانولوله کربنی پهنای باند جذب بیشتری نسبت به سایر نمونه ها داشت.
    کلیدواژگان: فریت استرانسیم، تلفات انعکاس، نانولوله کربنی، امواج الکترومغناطیس، نانوکامپوزیت
  • مریم نظری، حمیدرضا بهاروندی*، ناصر احسانی صفحات 69-84
    هدف از این تحقیق، ساخت و بررسی خواص نانوکامپوزیت های SiC-5TiB2 تقویت شده با نانوذرات گرافن کوانتوم دات به روش ساخت تف جوشی بدون فشار می باشد. بدین ترتیب مواد اولیه SiC، TiB2 و گرافن کوانتوم دات در ابعاد نانومتری مورد استفاده قرار گرفتند. ابتدا پیش از انجام هرگونه اقدامی، با استفاده از نرم افزار Minitab 14 طراحی نمونه های آزمایشی صورت گرفت. طراحی با روش تاگوچی مطابق با آرایه L9 انجام شد و پارامترهای میزان تقویت شونده گرافن کوانتوم دات در سه سطح 0/2 و 0/6 و 1 درصد وزنی و دمای تف جوشی در مقادیر 2000، 2100 و 2200 درجه سانتی گراد تعریف شدند. فرآیند تف جوشی در دماهای مشخص در اتمسفر آرگون به مدت زمان دو ساعت انجام شد. در ادامه، آنالیزهای پراش اشعه ایکس، طیف سنجی رامان، میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی و طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز صورت گرفت. همچنین از آزمون های تعیین چگالی، میکروسختی و چقرمگی شکست به منظور بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی استفاده شد. ریز ساختار نمونه ها نیز با هدف بررسی مکانیزم های چقرمگی شکست مورد بررسی واقع شدند. نتایج نشان داد که پارامتر میزان تقویت شونده در رده اول تاثیر گذاری و دمای تف جوشی در رده دوم قرار دارد و بهترین نتایج در نمونه با مقدار 0/6 درصد وزنی گرافن کوانتوم دات و دمای تف جوشی 2100 درجه سانتی گراد حاصل شده است که میزان سختی و چقرمگی شکست دراین نمونه به ترتیب 27/7 گیگاپاسکال و MPa.m1/2 3/3 به دست آمد.
    کلیدواژگان: کاربید سیلیسیم، گرافن کوانتوم دات، نانو کامپوزیت SiC-5TiB2، تف جوشی، تاگوچی
|
  • M. S. Abbasi, A. Bahrami *, A.S. Hosseini-Abari, F. Yousef Saber Pages 1-13
    Prevention of infection and bioactivity of implantable parts in the body is one of the most important issues investigated in medical research in recent years. In this regard, researchers have conducted many studies in order to increase the bioactivity of implantable parts in the body. Increasing the bioactivity of these parts has been done in different ways, while coating the surface of the parts is considered as one of the best methods in this field. In this research, simultaneous coating of iron oxide nanoparticles (magnetite) along with 45S5 bioactive glass on AISI 316 stainless steel substrate was deposited by electrophoretic method to increase the bioactivity and the possibility of hyperthermic applications. X-ray diffraction analysis confirmed the presence of both iron oxide nanoparticles and bioactive glass. Electron microscope was employed to study the coating surface. Conducting surface investigations by surface roughness and wetting angle measurements, it was shown that the roughness of the coated surface was 49.2±1 µm and the wetting angle of this coating was obtained to be 49°. The results declared that this coating had a surface with medium roughness and hydrophilic properties, which was of great importance for bioactivity performance. Investigating the magnetic properties of the coating, magnetometric evaluation was performed on the synthesized samples. The saturation magnetization and the Hc parameter values of the coating were obtained to be 20.2 emu/g and 89 Gauss, respectively.
    Keywords: Coating, Bio-active, Magnetic particles, iron oxide, Electrophoretic, Bioglass
  • A. Nourmohammadi Abadchi *, S. H. Hashemi Rizi, M. Forghani Pages 15-27

    Producing ideal black coatings with optical absorption and emission followed by desirable wear resistance is crucial for various applications such as space applications. A suitable method for producing these coatings is anodizing aluminum alloys followed by black dying the produced anodic coatings using black organic or inorganic pigments. It is necessary to investigate and optimize the effect of the process parameters to maximize the optical absorption, emission, and the wear resistance of the coatings. These issues have been addressed in this research, and the influence of process parameters and type of pigment has been studied to maximize the absorptivity, emissivity, and the wear resistance of the coatings. For the first time, the effect of pigment on the absorptivity, emissivity, and wear resistance of the coatings was investigated. Unexpectedly , it was observed that the type of pigment had a significant effect on the optical and mechanical properties of the coatings. It was also found that in the anodic coatings containing inorganic pigment, absorptivity increased from 0.85 to 0.95, the emissivity increased from 0.82 to 0.91, and weight loss value in pin‐on‐disk wear test decreased from 6 to 2 mg with increasing the anodizing time from 15 minutes to 45 minutes. In contrary, slight improvement was observed in the coatings containing organic pigments. Despite increasing the anodizing time in the latter case, the absorptivity, emissivity, and the weight loss during wear test changed insignificantly.

    Keywords: Black anodizing, Pigment, Optical absorbance, emittance, Wear resistance
  • M. R. Forough *, R. Emadi, M. Ahmadian Pages 29-39

    Bioceramics are very popular materials for tissue engineering applications due to their properties such as suitable bioactivity, biocompatibility, excellent compressive strength, and wear resistance. One of the most widely used bioceramics is calcium silicates. Calcium silicates are biocompatible and bioactive with relatively good mechanical properties, but high degradation rate. Elements such as magnesium (Mg), zirconium (Zr), and zinc (Zn) are added to calcium silicates to resolve this problem. Baghdadite (Ca3ZrSi2O9) with good biological properties is one of the calcium silicate based ceramics in which the zirconium element has replaced part of the calcium element. Also, the presence of calcium and zirconium elements has increased the biological and mechanical properties of this material. The purpose of this research was to synthesize Baghdadite powder using the sol-gel process and to characterize it using X-ray diffraction test to study the formed phases, halo test for antibacterial properties investigations, Fourier transform infrared spectroscopy to determine the functional groups, and field emission scanning electron microscope to examine the morphology of the powder. The results showed that the single-phase Baghdadite phase was formed with the particle size of 225 ± 15 nm and lumpy morphology. The elemental analysis test confirmed the presence of the main elements of Baghdadite (Ca, Si, Zr, and O) in the synthesized sample. Moreover, the elemental map analysis confirmed the uniformity of Baghdadite constituent elements. The results of the Disk diffusion test revealed that Baghdadite had no appropriate antibacterial properties against staphylococcus bacteria, but showed a slight antibacterial properties against Escherichia coli bacteria.

    Keywords: Bioceramic, calcium silicate, Baghdadite, Sol-gel, Antibacterial
  • R. Kalami *, S. A. Ketabi Pages 41-52
    In this paper, the electronic and transport properties of three groups of armchair Silicene nanoribbons were investigated in the presence of a vertical magnetic field. The Silicene nanoribbons were modeled with N=5-7 silicon atoms in width, each having different band gaps. Vertical magnetic field with strengths of h=0.1 eV, 0.2 eV, and 0.3 eV were applied to the nanoribbons. By applying a vertical magnetic field, changes were observed in the electronic arrangement of the nanoribbons. As a result, the electronic and transport properties of nanoribbons such as emission spectrum, band structure, and current-voltage (I-V) characteristics were changed. The results indicated that applying a vertical magnetic field to the armchair silicene nanoribbons subjected to electric potential difference enhances the current. To extract the electronic and transport properties of the nanoribbons, a tight-binding model coupled with the non-equilibrium Green’s function formalism was employed.
    Keywords: Silicene, Vertical magnetic field, band structure, Electronic transmission spectra, Current-voltage characterization
  • M. Bozorgmehr *, A. Ghasemi, Gh.R. Gordani, M. Tavoosi Pages 53-68
    Dealing with the destructive effects of electromagnetic waves requires materials with the ability to lose magnetic and electrical energies. These materials are mainly composed of a magnetic material and an electrically conductive material. In the present research, at first, strontium ferrite nanoparticles doped with manganese and calcium with the formula of SrCo2-X(Mn Ca)X/2Fe16O27 (x=0.0-0.5) were synthesized by co-precipitation method. Then these nanoparticles were composited together with functionalized carbon nanotubes (with a volume ratio of 1 to 5%). X-ray diffraction analysis, Fourier transform infrared spectroscopy, field emission scanning electron microscopy, vibrating sample magnetometer, and vector network analyzer were used to investigate the structural, magnetic, and microwave properties of the samples. The X-ray diffraction pattern results showed that the strontium ferrite phase was formed in all compounds, and there was no evidence of any impurities in the samples. FE-SEM results indicated that the particles completely covered the outer walls of the carbon nanotubes. Magnetometer test results also showed that with an increase in the amount of manganese and calcium cations in strontium ferrite, the saturation magnetization decreased and the coercive force increased. Reflection losses were also at least 30% higher in composite samples than those of in ferrite samples. The highest reflection loss (7.42 dB at a frequency of 1.12 GHz) was observed in the nanocomposite sample containing 5% by volume of carbon nanotubes. However, based on the results, the sample containing 4% by volume of carbon nanotubes had a wider absorption bandwidth compared to other samples.
    Keywords: strontium ferrite, reflection losses, carbon nanotubes, electromagnetic waves, nanocomposite
  • M. Nazari, H. R. Baharvandi *, N. Ehsani Pages 69-84
    The purpose of this research was to fabricate and investigate the properties of SiC-5TiB2 nano composites reinforced by gaphene quantum dot nanoparticles via pressure less sintering method. In this way, SiC, TiB2, and graphene quantum dot raw materials were used in nanometer dimensions. First, before performing any laboratory operations, experimental samples were designed using Minitab 14 software. The design was done by the Taguchi method according to the L9 array and the parameters of the amount of gaphene quantum dot amplification in three levels were set at 0.2, 0.6, and 1 wt.% and sintering temperatures were defined as 2000, 2100, and 2200°C. The sintering process was carried out at certain temperatures in argon atmosphere for 2 h. XRD, FESEM, FTIR and Raman spectroscopy were performed. Density, micro hardness, and fracture toughness measurements were used for further investigations of physical and mechanical properties. The microstructure of the samples was also observed to determine the fracture toughness mechanisms. The results showed that the parameter of the amount of reinforcement was in the first rank of influence and the sintering temperature was in the second rank, and the best results were obtained in the sample with the amount of 0.6 wt.% of gaphene quantum dot and the sintering temperature of 2100 °C, where hardness and fracture toughness values were obtained to be 27.7 GPa and 3.3 MPa.m1/2, respectively.
    Keywords: SiC, graphene quantum dot, SiC-5TiB2 nanocomposite, sintering, Taguchi