1

Tracțiunea nanocompozitelor cu pulberi de alumină

Studenți: Leonard Mihai COSTEA, Adrian BEJAN

Facultatea de Transporturi

Secția Autovehicule rutiere

Coordonatori științifici:

Dr. ing. Dragoș Alexandru APOSTOL

Prof. dr. ing. Dan Mihai CONSTANTINESCU

2

CUPRINS:

1. Introducere………………………………………………………………………………….….3

2. Proces tehnologic………………………………………………………………………………3

2.1 Materiale utilizate………………………………………………………………………….3

2.2 Echipamente folosite………………………………...…………………………………….4

2.3 Procesul de obținere a nanocompozitului…………………..……………………………..6

2.4 Echipamentul de testare………………………………………….………………………..7

3. Rezultate……………………………………………………………………….………………8

4. Concluzii…………………………………………………….…………………..……………..9

5. Bibliografie…………………………………………………...…………………..……………9

3

Introducere

Nanotehnologia este una dintre cele mai inovative ramuri ale ştiinţei si industriei.

Nanoparticulele pot fi folosite pentru a produce nanostructuri. Acestea sunt particule

microscopice, ce se măsoară in nanometri şi se comportă ca un ȋntreg având aceleaşi proprietăṭi

(1m=10³mm=106μm=10

9nm).

Metode de creare a nanoparticulelor sunt piroliza sau plasma termică (aceasta ridică

temperatura pana la 10 000 °K şi apoi ȋn urma răcirii compusului se formează nanoparticulele)

[1]. Nanoparticulele au un domeniu vast de utilizare, dar cel mai mult sunt folosite ȋn medicină,

ȋn refacerea celulară, ȋn tratamente de piele, ȋn tratarea cancerului, tratarea virusului HIV.

Deasemenea ele pot fi folosite , ȋn vederea protejării mediului (nanoparticule de oṭel sunt folosite

in curăṭarea apelor de arsenic) şi nu ȋn ultimul rând ȋn vederea modificării proprietăţilor

mecanice ale unor compozite prin introducerea acestora in diverse răşini. Deasemenea ele pot fi

folosite ȋn domeniul electronic. Cercetătorii de la UCLA au dezvoltat o memorie cu putere

scăzută,viteză şi densitate ridicata bazându-se pe magneţi la scala nano numită "magnetoelectric

random access memory". IBM a integrat componente de silicon nanofotonic ȋn circuitele

integrate a nanometrului CMOS ȋn vederea măririi vitezei ȋntre circuitele integrate. Aplicabilitate

au şi ȋn domeniul constructiilor. Au fost folosite ȋntr-un material nanofotonic, care reflectă

caldura soarelui. Acesta a fost folosit ȋn răcirea clădirilor şi astfel s-a redus consumul de energie

al aerului condiţionat. Deasemena ArcelorMital produce un tip de oţel ce, conţine nanoparticule.

Acestea permit producerea de plăci şi bare mai uşoare,ce au aproximativ aceaşi greutate ca

aluminiu, dar costă mai puţin şi sunt folosite ȋn industria automobilelor. Tot în domeniul

automobilelor, sunt folosite nanoparticulele de platină si paladiu la catalizatoare pentru filtrarea

gazelor din evacuare [2].

Proces tehnologic

Există o serie de metode prin care se pot obţine materiale compozite cu nanoparticule. Ȋn

cele ce urmează se va prezenta metoda utilizată ȋn realizarea epruvetelor studiate.

2.1 Materiale utilizate

Răşină epoxidică de tip Neukadur EP 986

Aceasta este slab odorizantă cu vȋscozitate scăzută şi proprietăţi de ȋmpregnare bune. Prin

alegerea ȋntăritorului cu care se face mixarea se poate stabili timpul de aplicare.

Cele trei tipuri de intaritor (242, 244 si 246) pot fi mixate şi ȋntre ele, oferind posibiliatea de a

modifica durata de lucru (timpul de aplicare al amestecului final) de la 20 de minute pană la 120

de minute [3].

Ȋn cazul de faţă s-a utilizat un ȋntaritor cu un timp de aplicare de maxim 20 de minute

(Neukadur 242), solutia finală având ȋn componenţă nanoparticule de alumină (Al2O3 ). Ȋn

Figura 1 sunt prezentaţi compuşii utilizaṭi.

4

Figura 1 Rășina epoxidică Neukadur EP 986, nanoparticule de alumină (Al2O3) și întăritor

Altropol Neukadur 242

2.2 Echipamentele folosite

Ȋn realizarea epruvetelor s-a utlilizat un shear mixer, un sonicator si o etuvă programabilă.

Ȋn cele ce urmează se va realiza o scurtă descriere a acestora.

Shear mixer Thinky ARE 250 (Figura 2a). Acesta este produs de compania

americană Thinky şi este un mixer industrial pentru compuşi. Echipamentul este capabil să

amestece la o viteză de maxim 2000 de rotații pe minut, realizând de asemenea o rotire a

recipientului în care se află amestecul. Recipientele sunt dotate cu un mecanism ce permite

rotirea acestora, fixarea acestora fiind realizată prin intermediul forței centrifuge. Folosind rășina

și nanopudra prezentate anterior s-a realizat o amestecare prealabilă timp de 10 minute la o

viteză de 1500 rotații pe minut. Timpul atât de scurt asigură o omogenizare a amestecului, dar și

suficient timp pentru a turna amestecul în matrița siliconică[4].

Sonicator Sonics vibra-cell 750 W (Figura 2b). Acesta poate prelucra atât

materiale organice cât şi anorganice, cantităṭile putând varia de la mililitri la litri. Poate fi folosit

la omogenizare, dispersie, reducere a dimensiunilor particulelor, acceleraṭia reacṭiilor chimice.

La echipamentul de bază s-a adăugat şi un sistem de răcire şi de menṭinere a temparaturii, pentru

ca sonicarea să fie continuă, ȋntrucât proba depăşea o temperatură maximă stabilită ȋn prealabil

[5].

5

(a)

(b)

Figura 2. Shear mixer THINKY ARE 250 (a) și sonicatorul Sonics Vibra Cell 750W (b)

Etuva Memmert VO 400 (Figura 3a). Aceasta poate creşte temperatura până la

210°C si in acelasi timp poate varia presiunea de la 10 mbar la presiunea atmosferica. Acesti

parametrii (temperatură şi presiune),ce pot fi atinşi ȋn funcţie de modul ȋn care etuva este

programată, permiṭând astfel realizarea de gradienṭi diferiṭi [6].

(a)

6

(b)

Figura 3 Etuva MEMMERT VO400 (a) și ciclul termic aplicat (b)

2.3 Procesul de obținere a nanocompozitului

Acesta cuprinde următorii paşi:

1. Se cântăreşte răşina şi nanoparticulele de alumină.

2. Se pun ȋn Shear Mixer nanoparticulele şi răşina şi se amestecă timp de 10 minute cu 1500

rotaţii pe minut.

3. Amestecul se introduce ȋn sonicator, unde nanoparticulele sunt dispersate ȋn mod uniform

ȋn tot compusul, la o temperatură constantă de 60°C.

4. Se amestecă cu ȋntăritorul timp de 2 minute.

5. Se pune ȋn matriţa şi apoi se introduce ȋn etuvă unde va sta 2h la vacuum la temperatura

de 20°C, apoi se va desfăşura ciclul termic timp de 18h (Figura 3b).

Se observă faptul, că pe toata durata ciclului termic presiunea rămâne constantă la o valoare

aproximativ egală cu cea a mediului ambiant. Figura 4 prezintă modificarea de colorit a rășinii in

urma efectuării celor 3 etape.

Figura 4. Modificare de colorit a rășinii în urma efectuării :

(a) shear mixer folosind rășină și nano pudră, (b) sonicare, (c) amestec final.

7

În urma întregului proces se obțin epruvetele asemănătoare cu cele din figura 6.

Figura 6. Epruvete obținute în urma procesului.

4. Echipamente folosite în testare

Zwick-Roell Z010 cu activare electrică cu o forţă maximă de 10 kN (Figura 6a).

Epruvetele au fost supuse la o ȋncărcare cu o viteză constantă de 1,5 mm/min.

Extensometrul Zwick-Roell (Figura 6b).

(a)

(b)

Figura 7. Mașina de încercat Zwick-Roell Z010 (a) și extensomentrul folosit în teste (b).

8

Figura 8. Epruvetă ruptă în urma tracțiunii.

3. Rezultate

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00

Ten

siu

ne [

MP

a]

Deformatie specifica procentuala [%]

Curbe caracteristice reprezentative

obtinute la testarea la tractiune

Rasina pura

Oxid de aluminiu 0.1%

Oxid de aluminiu 0.3%

Oxid de aluminiu 0.5 %

9

Din curbele caracteristice putem observa, că o dată cu introducerea oxidului de aluminiu

ȋn răşină creşte deformaţia specifică. Curba care cedează prima este cea care reprezintă rășina

pură, iar cele care au deformația specifică procentuală cea mai mare sunt rășinile cu 0,3%

respectiv 0,5% oxid de aluminiu.

În Tabelul 1 sunt prezentate valorile mediate obţinute ȋn urma efectuării de teste la

tracţiune pe epruvetele fabricate folosind procesul prezentat anterior.

Tabelul 1. Valorile mediate obţinute ȋn urma testelor efectuate.

Procent de

oxid de

aluminiu

[%]

Modul de

elasticitate

[MPa]

Forța [N] Tensiune maximă

[MPa]

Deformație specifică procentuală

[%]

0 3488,18 2835,45 70,94 2,29

0,1 3340,28 3085,00 82,53 3,79

0,3 3693,33 2145,83 55,53 1,81

0,5 3400,00 3278,33 84,07 4,07

4. Concluzii

Valoarea modulului de elasticitate rămâne relativ constant ȋn momentul ȋn care se

introduc nanoparticulele, ȋnsă se observă o creştere a rezistenţei şi ductilităţii materialului.

Prin introducerea de nanoparticule se observă, că valorile tensiunii maxime cresc cu

aproximativ 15 % ȋn comparaţie cu răşina pură, fără adaos de nanoparticule.

Procentul de nanoparticule introdus in soluţie conduce la o creştere a deformatiei

specifice procentuale, excepţie făcând momentul ȋn care ciclul termic nu este realizat

corespunzator. Acest lucru a fost observat la epruvetele realizate folosind 0,3% nanoparticule,

ȋntrucât valorile obţinute pentru acestea au fost considerabil mai mici ȋn comparaţie chiar şi cu

răşina pură.

5. Bibliografie:

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Nanoparticle

[2] http://www.understandingnano.com

[3] http://www.btools.ro

[4] http://www.intertronics.co.uk/products/thiare25001.htm

[5] http://www.sonics.biz/liquid-new-sheet/VC505-750.pdf

[6] http://www.memmert.com/products/vacuum-oven/vacuum-ovens-models/models/VO400/