ساخت و مشخصه‌يابي كامپوزيت‌هاي آلومينا-تيتانيا به كمك فرايند سنتز قوس پلاسما براي كاربرد در سيستم‌هاي خورشيدي-حرارتي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

دكتري

امروزه متمركزكننده¬هاي انرژي خورشيدي با استفاده از حرارت ناشي از متمركزسازي تابش خورشيدي در يك سطح كوچك، موردتوجه قرارگرفته‌اند. با توجه به تحقيقات پيشين در اين حوزه و نياز به استفاده از موادي با نقطه ذوب بالاتر به‌منظور افزايش دماي كاري اين مجتمع¬هاي خورشيدي، هدف از اين پژوهش ايجاد نانوكامپوزيت¬هاي سراميكي با خواص مكانيكي و نوري مناسب و مقرون‌به‌صرفه در كاربردهاي خورشيدي-حرارتي است. در اين راستا پودرهاي خالص سراميك¬هاي Al2O3 (آلومينا) و TiO2 (تيتانيا) استفاده شد. با توجه به نمودار فازي آلومينا-تيتانيا، سه نسبت مولي (Al2O3/TiO2) 3/1، يك و 3 توزين شده و به مدت دو ساعت در اتمسفر آرگون تحت فرايند آسياب كاري مكانيكي قرار گرفتند. نتايج به‌دست‌آمده از اين بخش نشان داد كه با استفاده از فرايند آسياب كاري مكانيكي ميانگين اندازه ذرات به nm170 رسيده است. در ادامه، پس از تعيين درجه حرارت تقريبي سنتز به كمك آزمون گرماسنجي افتراقي، نمونه¬ها در سه دماي مختلف 1300، 1400 و 1500 درجه سانتي¬گراد و دو زمان 10 و 15 دقيقه تحت فرايند سنتز قوس پلاسما قرار گرفتند. نمونه¬هاي حاصل به‌منظور ارزيابي ريزساختاري تحت بررسي ميكروسكوپ الكتروني روبشي، آزمون پراش پرتو ايكس و تعيين درصد فازي به كمك نرم‌افزار MAUD قرار گرفتند. نتايج به‌دست‌آمده حاكي از رابطه مستقيم درصد فاز تياليت حاصل از واكنش آلومينا و تيتانيا با افزايش دما و زمان سنتز است به‌گونه‌اي كه در نمونه سنتز شده در دماي C° 1500 به مدت 15 دقيقه، كسر وزني فاز تياليت به 90 درصد افزايش يافت. جهت ارزيابي خواص نوري قرص¬هاي سراميكي تهيه‌شده، از آزمون بيناب سنجي انعكاسي استفاده شده و نشان داده شد كه ميزان جذب نمونه¬ها تا 95 درصد افزايش‌يافته است. اين در حالي است كه نمونه¬هاي سنتز نشده ميزان بازتابشي در حدود 60 تا 100 درصد در محدوده 2200-400 نانومتر از خود نشان مي¬دهند. بررسي داده¬ها با استفاده از تئوري كوبلكا-مونك حاكي از كاهش گاف انرژي نمونه¬ها تا eV 8/1 پس از فرايند سنتز قوس پلاسما بود. تشكيل فاز تياليت با تاثيرگذاري هر چه بيشتر بر ميزان عيوب سطح عميق موجب كاهش بيشتر گاف انرژي نمونه¬ها شد. علت اصلي كاهش ميزان گاف انرژي در اثر فرايند سنتز قوس پلاسما، تشكيل حجم عظيمي از جاهاي خالي اكسيژني است كه حضور اين جاهاي خالي نيز با كمك آزمون بيناب سنجي فوتوالكتروني پرتو ايكس تاييد شد بگونه اي كه با افزايش زمان سنتز، تعداد جاهاي خالي تا 5 برابر افزايش يافت. همچنين جهت اثبات اين مطلب از آزمون فوتولومينسانس استفاده شد و نتايج نيز حاكي از تشكيل پيك¬هاي شاخص در طول موج¬هاي 412، 475 و 520 نانومتري پس از فرايند سنتز بود. بررسي نمونه¬ها با استفاده از آزمون بيناب سنجي امپدانس الكتروشيميايي نشان داد كه ميزان حاملان بار با افزايش درصد فاز تياليت و كاهش چگالي نمونه¬ها افزايش‌يافته است. نتايج اين رساله عملكرد بسيار خوب نانوكامپوزيت¬هاي سنتز شده به روش قوس پلاسما را در جذب نور خورشيد در تمامي دامنه فروسرخ، مرئي و ماوراي بنفش را از طريق كاهش گاف انرژي نشان مي¬دهد.

212769

مهندسي مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان

عباس بهجت، رحمت اله عمادي، احمد كرمانپور

مرتضي شمعانيان، فخرالدين اشرفي‌زاده