محمد رضا نصر اصفهانی-Mohamad Reza Nasr Esfahani

عنوان : تاثير اعمال ميدان الكتريكي متناوب بر خصوصيات رشد دندريتي يك ماده مدل شفاف

TITLE : Influence of Application of Alternative Electric Field on Dendritic Growth Characteristics of a Transparent Model Material

چكيده

ابعاد و ريخت ريزساختار حاصل از انجماد به دليل تاثيري كه بر خواص مكانيكي، فيزيكي و حتي كيفيت سطحي ماده در حال انجماد دارد از اهميت بسيار بالايي در صنعت ريخته­گري برخوردار است. روش­هاي متعددي براي ريزسازي و بهسازي ساختارهاي انجمادي ارايه شده است كه اعمال ميدان الكتريكي در حين انجماد يكي از جديدترين اين روش­ها است. با وجود گذشت 30 سال از ابداع اين روش براي بهسازي ريزساختار انجمادي فلزات، به دليل مشكلات كار در دماي بالا و نيز غيرشفاف بودن فلزات تاكنون مكانيزم دقيق و تاييد شده­اي در مورد ارتباط ميدان الكتريكي با متغيرهاي رشد و تاثير آن بر مراحل انجماد ارايه نشده است. در اين پژوهش با هدف ارزيابي تاثير اعمال ميدان الكتريكي بر مرحله رشد مواد بلوري، از يك ماده مدل شفاف بلوري   و هادي الكتريسته (سوكسينونيتريل) استفاده گرديد. ابتدا محفظه رشد تك دندريت­هاي اين ماده طراحي و ساخته شد و سپس دندريت­هاي پليمري در اين محفظه تحت ميدان الكتريكي در چگالي جريان­هاي mA/mm^۲ 625/0، 25/1، 5/2، 75/3 و 5 رشد داده شد. مراحل رشد و شكل­گيري اين دندريت­ها توسط دوربين­ ويژه­اي ثبت و متغيرهايي نظير ضريب ناهمسانگردي، سرعت رشد دندريت، شعاع نوك دندريت، طول خود متشابهي، فاصله­ بازوهاي جانبي، پهناي خط محاطي دندريت، مساحت سطح تصوير دندريت و محيط تصوير دندريت در چگالي جريان­هاي مختلف با استفاده از آناليز تصويري بررسي شد و روابط حاكم بر آنها به­دست آمد. نتايج حاصله نشان داد كه با اعمال ميدان الكتريكي سرعت رشد دندريت كاهش و شعاع نوك و ضريب ناهمسانگردي آن افزايش مي­يابد. علاوه براين با وجود افزايش ضريب ناهمسانگردي و بر خلاف انتظار شاخه­هاي جانبي كمتري تشكيل مي­شود. اعمال ميدان الكتريكي به مذاب اگرچه   فاصله بازوهاي جانبي دندريت را افزايش مي­دهد ولي به دليل افزايش همزمان شعاع، تغيير قابل توجهي در روابط بدون بعد حاكم ايجاد نمي­كند و رابطه تواني حاكم بر آن حفظ مي­شود. همچنين پهناي محاطي دندريت با اعمال ميدان الكتريكي به دليل تشديد جريان همرفتي در مذاب افزايش مي­يابد و در حالت بدون بعد نسبت به فاصله از نوك دندريت از يك رابطه تواني تبعيت مي­كند. مساحت سطح تصوير دندريت با اعمال ميدان الكتريكي به مذاب در ابتدا به دليل رشد محدودتر بازوهاي جانبي كاهش مي­يابد ولي در ادامه به دليل بزرگتر شدن شاخه­هاي جانبي با اعمال ميدان الكتريكي با حفظ رابطه تواني افزايش مي­يابد. با توجه به اينكه اندازه­گيري محيط تصوير دندريت با روش مرسوم، نتايجي بي­نظم و غيرقابل تفسير به دست داد، روشي جديد براي محاسبه محيط تصوير دندريت پيشنهاد و مورد آزمايش قرار گرفت. نتايج به­دست آمده از اين روش نشان داد كه با اعمال ميدان الكتريكي محيط تصوير دندريت نيز افزايش مي­يابد. بررسي­هاي انجام گرفته با استفاده از مدل LGK نشان داد كه اين مدل در شرايط عادي نمي­تواند پيش­بيني صحيح ارائه دهد و براي افزايش دقت پيش­بيني لازم است متغيرهايي نظير ضريب توزيع تعادلي تغيير داده شود. در اين صورت نتايج بدست آمده واقعي­تر خواهد بود ولي به دليل در نظر نگرفتن جريان همرفتي در مدل LGK همچنان اختلاف در نتايج وجود دارد.   كلمات كليدي: ميدان الكتريكي، انجماد، مدل شفاف، دندريت، شاخه اصلي، شاخه جانبي، متغيرهاي رشد، ضريب ناهمسانگردي، مدل LGK

Abstract

Solidification under an applied electric field is a novel modification technique for refining dendritic microstructures. Due to opaque nature of metals and their high melting points, it is difficult to investigate the mechanisms by which an electric field can influence the solidification or the growth parameters. The present research used a crystalline and electrically conductive tra  arent model material, i.e. Succinonitrile (SCN), to investigate the influence of electric field on the growth stages of crystalline materials. To do this, first a growth chamber was designed to allow for the growth of a single SCN dendrite under an applied electric field. Growth stages of single dendrites were then recorded by an imaging system. The images and videos taken were used to investigate different growth parameters including the universal amplitude coefficient, the dendritic growth velocity, the tip radius of the dendrite, the self similar length, the distance between the side branches, the envelope width, the projection area and the contour length of the dendrite, as well as their relationship. The results showed that by applying an electric current, the growth velocity of the dendrites decreased whereas its tip radius and universal amplitude coefficient increased. As the convection flow intensifies in the presence of an electric current, the scaled envelope width (with respect to the dendritic tip) also increases following a power function. The limited growth of the side branches in the early stages of application of the electric current causes a decrease in the projection area of the dendrite which is then increased following a power function as the side branches grow larger. The contour length of the dendrite is also increased in the presence of the electric current. The results show that predications of the LGK model are not correct under an electric field and that some parameters including a modified equilibrium distribution coefficient should be introduced to ...

Supervisors: Dr. Behzad Niroumand, Dr. Ahmad Kermanpour

 اساتید راهنما: دکتر بهزاد نیرومند، دکتر احمد کرمانپور