1 – 1 – 7 روی.. 10

 

1 – 1 – 7 – 1 روی در خاک… 12

 

1 – 1 – 7 – 2 روی در آب… 13

 

1 – 2 بیان مسئله و اهداف تحقیق… 14

 

1 – 3 تاریخچه‌ی مطالعات پیشین… 15

 

1 – 3 – 1 مطالعات پیشین منطقه مورد مطالعه. 15

 

1 – 3 – 2 مطالعات مشابه در سایر نقاط ایران.. 16

 

1 – 3 – 3 مطالعات مشابه در سایر کشورها 17

 

فصل دوم: زمین شناسی منطقه. 20

 

2 – 1 موقعیت جغرافیایی منطقه. 21

 

2 – 2 کلیات زمین شناسی… 22

 

2 – 2 – 1 ماگماتیسم.. 24

 

2 – 2 – 2 تکتونیک…. 25

 

2 – 2 – 2 – 1 گسل‌های مهم منطقه. 26

 

2 – 2– 3 چینه شناسی منطقه. 27

 

2 – 2 –  3 – 1 واحدهای تریاس بالایی – ژوراسیک…. 27

 

2 –  2 – 3 – 2 واحدهای کرتاسه‌ی زیرین.. 27

 

2 –  3 کانه زایی در منطقه. 30

 

فصل سوم: مواد و روش ها 33

 

3 – 1 مقدمه. 34

 

3 – 2 مطالعات تکمیلی… 34

 

3 – 2- 1 نمونه برداری.. 34

 

3 – 2- 1 – 1 نمونه برداری خاک… 34

 

3 – 2- 1 – 2 نمونه برداری آب… 37

 

3 – 2 – 2 مطالعات آزمایشگاهی.. 38

 

3 – 2 – 2 – 1 مطالعات آزمایشگاهی نمونه‌های خاک… 38

 

3 – 2 – 2 – 1 – 1 تعیین بافت خاک… 38

 

خاک… 39

 

خاک… 39

 

3 – 2 – 2 – 1 – 4 تعیین مواد آلی خاک… 39

 

3 – 2 – 2 – 1 – 5 تعیین کربنات کلسیم معادل.. 40

 

3 – 2 – 2 – 1 – 6 تعیین اکسیدهای آزاد آهن، آلومینیوم و منگنز. 41

 

3 – 2 – 2 – 1 – 7 استخراج ترتیبی.. 42

 

3 – 2 – 2 – 1 – 8 هضم خاک و تعیین فلزات سنگین.. 44

 

3 – 2 – 2 – 2 مطالعات آزمایشگاهی آب… 44

 

3 – 3 – 3 آنالیز نتایج و پردازش داده ها 45

 

فصل چهارم: نتایج و بحث خاک… 46

 

4 – 1 بررسی نتایج حاصل از تجزیه و اندازه گیری نمونه‌های خاک…. 47

 

4 – 1 – 1 مقدمه. 47

 

4 – 1 – 2 نتایج آنالیز عنصری (AAS) نمونه‌های خاک… 47

 

4 – 1 –  2 – 1 نسبت تمرکز عناصر در خاک… 49

 

4 – 1 – 3 نتایج آنالیز استخراج ترتیبی.. 51

 

4 – 1 – 4 تعیین خصوصیات خاک ها 54

 

4 – 1 – 4 – 1 تعیین بافت… 54

 

4 – 1 – 4 – 2 EC و   pHخاک… 57

 

4 – 1 – 4 – 3 کربنات معادل و ماده آلی.. 57

 

4 – 1 – 4 – 4 اکسیدهای آزاد آهن، آلومینیوم و منگنز. 59

 

4 – 2 بررسی آلودگی خاک منطقه. 61

 

4 – 2 – 1 مقدمه. 61

 

4 – 2 – 2 بررسی مقادیر عناصر سرب، روی و کادمیوم در نمونه ها 62

 

4 – 2 – 2 – 1 عنصر سرب (Pb) 62

 

4 – 2 – 2 – 2 عنصر روی (Zn) 62

 

4 – 2 – 2 – 3 عنصر کادمیوم. 63

 

 

4 – 2 – 3 محاسبه‌ی شاخص‌ها 63

 

4 – 2 – 3– 1  شاخص زمین انباشت (Igeo) 63

 

4 – 2 – 3– 2  فاکتور غنی شدگی (EF) 66

 

4 – 2 – 3– 2- 1 غنی شدگی سرب… 68

 

4 – 2 – 3– 2- 2 غنی شدگی روی.. 68

 

4 – 2 – 3 – 3 شاخص آلودگی مجموع فلزات (MCI) 69

 

4 – 2 –  3– 4  فاکتور آلودگی.. 71

 

4 – 2 – 3 – 5 شاخص تجمعی آلودگی (MCd): 74

 

4 – 2 – 3 – 6  تعیین گونه‌ی عناصر بر اساس استخراج ترتیبی انتخابی.. 74

 

4 – 2 – 3 – 6 – 1 نتایج حاصل از استخراج ترتیبی سرب… 75

 

4 – 2 – 3 – 6 – 2 نتایج حاصل از استخراج ترتیبی روی: 77

 

4 – 2 – 3 – 6 – 3 نتایج حاصل از استخراج ترتیبی کادمیوم. 78

 

4 – 2 – 1 – 6 – 4 تحرک کادمیوم، سرب و روی در خاک‌های منطقه. 79

 

4- 2 –  3 – 7 ماتریس همبستگی پارامترهای خاک… 80

 

فصل پنجم: نتایج و بحث آب… 81

 

5 – 1 بررسی نتایج حاصل از تجزیه و اندازه گیری نمونه‌های آب… 82

 

5 – 1 – 1 مقدمه. 82

 

5 – 1 – 2 بررسی پارامترهای صحرایی pH، EC، TDS و دما در منابع آب منطقه. 82

 

5 – 1 – 2 – 1 هدایت الکتریکی (EC) 83

 

5 – 1 – 2 – 2  اسیدیته (pH) 84

 

5 – 1 – 2 – 3  دما 84

 

) 84

 

5 – 1 – 3 اندازه گیری آنیون‌ها و کاتیون‌های اصلی آب… 85

 

5 – 1 – 3 – 1 درصد خطا یا درصد واکنش…. 85

 

5 – 1 – 3 – 2 آنیون‌های اصلی منطقه. 86

 

5 – 1 – 3 – 3 کاتیون‌های اصلی منطقه. 88

 

5 – 1 – 4 اندازه گیری فلزات سنگین در منابع آب منطقه. 89

 

5 – 2  تعیین کیفیت آب‌های منطقه. 91

 

5 – 2 – 1 تعیین کیفیت آب از نظر مصارف آشامیدنی و تیپ آب‌های منطقه. 91

 

5 – 2 – 1 – 1 نمودار شولر و کیفیت آب آشامیدنی.. 91

 

5 – 2 – 1 – 2 نمودار پایپر و تعیین تیپ آب‌های منطقه. 92

 

5  – 2 – 2 تعیین کیفیت آب از نظر مصارف کشاورزی.. 93

 

5 – 2 – 2 – 1 نسبت جذب سدیم (SAR): 93

 

5 – 2 – 2 – 2 درصد سدیم ((Na%… 95

 

5 – 2 –  2 – 3 سدیم کربنات باقی مانده (RSC) 97

 

5 – 2 – 2 – 4 درصد سدیم محلول (SSP) 97

 

5 – 2 – 2 – 5 نسبت منیزیم (MR) 98

 

5 – 2 – 2 – 6 بی‌کربنات سدیم باقی مانده (RSBC) 99

 

5 – 2 – 2 – 7 سختی کل (TH) 100

 

5 – 2 – 2 – 8 شاخص نفوذ پذیری (PI): 101

 

5 – 2 – 2 – 9 شاخص کلروآلکالین (CAI) 102

 

5 – 2 – 2 – 10 شاخص Kelley. 103

 

5 – 2 – 3 آلودگی فلزی در آب‌های منطقه. 103

 

5 – 2 – 3 – 1 شاخص فلزی (MI) 104

 

5 – 2 – 3 – 2 شاخص آلودگی فلزات سنگین (HPI) 105

 

5 – 2 – 4 ماتریس همبستگی پارامترهای اندازه گیری شده 106

 

فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات… 108

 

آلودگی خاک منطقه. 109

 

آلودگی آب منطقه. 111

 

پیشنهادات… 112

 

منابع و مآخذ.. 113

 

1 مقدمه

 

یکی از نتایج توسعه شهرنشینی و صنعتی شدن، پیامدهای منفی آن بر منابع طبیعی است (Dimitrovska et al., 2012). امروزه فلزات سنگین از نگرانی‌های عمده‌ی تمامی جوامع می‌باشند  (Kalhori et al., 2012). آلودگی محیط زیست بوسیله‌ی فلزات سنگین بطور عمده به فعالیت‌های انسانی، تولیدات صنعتی، فعالیت‌های کشاورزی، سوزاندن سوخت‌های فسیلی، معدن کاری و فرآوری فلزات بستگی دارد (Pagananelli et al., 2004). نواحی اطراف معادن با غلظت‌های بالایی از فلزات سنگین غنی شده است، و می‌تواند اثرات سمی بر روی گیاهان، حیوانات و انسان‌ها بگذارد (Shikazono et al., 2008). فلزات سنگین بدلیل غیرقابل تجزیه بودن و اثرات فیزیولوژیکی مخرب بر روی موجودات و اکوسیستم‌ها حتی در غلظت‌های کم به عنوان عوامل خطرناک و مخرب برای محیط زیست به شمار آمده و اثرات کوتاه مدت و بلند مدتی را بر آن خواهند داشت. در این میان، کادمیوم و جیوه در رده‌ی اول و مس، کروم، نیکل، سرب و روی در رده‌ی دوم خطرزایی برای اکوسیستم می‌باشند (چراغی و بلمکی، 1386). خاک‌های کشاورزی به طور مستقیم یا غیرمستقیم بر سلامت عمومی تأثیرگذار می‌باشند. در این خاک‌ها آلودگی فلزات سنگین ممکن است سبب دخالت در رشد گیاه و نیز آسیب به سلامت انسان‌ها از طریق ورود به زنجیره غذایی شود (شهبازی و دیگران، 1391).

 

همچنین آلودگی فلزات سنگین می‌تواند اثرات مضری بر روی منابع آب شیرین مانند سدها، دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و آبخوان‌های زیرزمینی داشته باشد (Dong et al., 2009). امروزه در اکثر نواحی از آب‌های زیر زمینی برای مصارف گوناگون و بخصوص کشاورزی استفاده می‌شود (Ashraf et al., 2011). بنابراین در صورت آلودگی، این آب‌ها می‌توانند مشکلاتی را برای موجودات استفاده کننده از این آب‌ها به طور مستقیم یا غیرمستقیم ایجاد کنند. از این رو پایش آب و خاک در مناطق معدنی امری ضروری و مهم است.

 

از آن جا که زمین­های کشاورزی دشت لنجان در اطراف  معدن سرب و روی ایرانکوه واقع شده‌اند لذا، بررسی منابع آب و خاک این منطقه جهت ارزیابی آلودگی آن‌ها و بررسی رفتار ژئوشیمیایی فلزات سنگین ضروری است. این پژوهش به منظور نیل به این اهداف انجام شده است.

 

1 – 1 – 1  فلزات سنگین

 

به عناصر سمت چپ جدول تناوبی که معمولأ در محلول، تشکیل کاتیون می‌دهند فلز گفته می‌شود. فلزات سنگین فلزهایی با عدد اتمی 20 و بزرگتر از آن هستند. عناصر واسطه‌ی آرسنیک (As) و سلنیوم (Se) و نیز سرب (Pb)، جیوه (Hg) و کادمیوم (Cd) بیش‌ترین توجه زیست محیطی را به خود معطوف نموده‌اند (نلسون ایبای، 1390).

 

منشأ فلزات سنگین و خصوصیات فیزیکو شیمیایی خاک‌ها تعیین کننده‌ی اشکال شیمیایی آن‌ها در محیط می‌باشند (نلسون ایبای، 1390).

 

1-3- روش‌های جداسازی فلزات سنگین…………………….. 7
1-4- جذب سطحی…………………………………….. 7
1-4-2- عوامل موثر بر سرعت جذب سطحی………………….. 8
1-4-3-ترمودینامیك جذب سطحی…………………………. 9
1-4-4- جذب سطحی و ایزوترم‌های جذب…………………… 10
1-5- ایزوترم جذب در سیستم تك جزئی………………….. 11
1-5-1- ایزوترم لانگمویر……………………………. 11
1-5-2- ایزوترم فرندلیچ……………………………. 12
1-6- سینتیك جذب………………………………….. 12
1-7- سیستم‌های جذب سطحی……………………………. 14
1-7-1- سیستم غیر پیوسته…………………………… 14
1-7-2- سیستم بستر ثابت……………………………. 15
1-7-3- بستر ضربه زده……………………………… 16
1-7-4- بستر متحرك پایا……………………………. 16
1-7-5- بستر سیال شده……………………………… 17
1-8- جاذب‌ها……………………………………… 19
1-8-1- جاذب های معدنی…………………………….. 20
1-8-2- جاذب های آلی………………………………. 20
1-8-3- بیوجاذب ها………………………………… 20
1-8-4- ویژگی های كلی جاذب ها………………………. 22
1-9- دسته بندی نانو مواد………………………….. 22
1-9-1- نانوذرات………………………………….. 23
1-9-2- كاربردهای نانو ذرات………………………… 23
1-9-3- خصوصیات ویژه نانوذرات………………………. 24
1-10- معرفی گرافن………………………………… 25
1-11- كاربردهای گرافن…………………………….. 27
1-11-1- ساخت ترانزیستورهای كوچك با استفاده از گرافن….. 28
1-11-2- ذخیره انرژی………………………………. 29
1-11-3- ساخت تجهیزات نوری، سلول های خورشیدی و نمایشگرهای لمسی انعطاف‌پذیر….. 29
1-11-4- استفاده از گرافن برای كاهش زمان شارژ باطری ها… 29
1-11-5- فیزیك ذرات پرانرژی………………………… 30
1-12- كلیاتی در موردكربن فعال……………………… 30
1-12-1- مواد اولیه تهیه كربن فعال………………….. 32
1-12-2- ساخت كربن فعال از ضایعات كشاورزی……………. 34
1-12-3- مراحل ساخت كربن فعال………………………. 34
1-12-4- فعال سازی كربن……………………………. 35
1-13- مروری بر كارهای انجام شده……………………. 36
1-14- معرفی درخت كنار…………………………….. 38
فصل دوم :بخش تجربی
2-1- مواد شیمیایی مورد نیاز……………………….. 40
2-2- دستگاه های مورد استفاده………………………. 40
2-3- تهیه جاذب زغال فعال برگ درخت كنار……………… 40
2-4- محلول سازی………………………………….. 41
2-4-1- تهیه محلول های سرب، مس و روی………………… 41
2-5- روش کلی آزمایش ها……………………………. 42
2-6-بهینه کردن پارامترها………………………….. 43       
2-7-آزمایش های بررسی اثر مقدارجاذب برمیزان جذب………. 43
2-8-آزمایش های بررسی اثر pHبرمیزان سرب ومس و روی توسط جاذب برگ برگ درخت کنار اصلاح شده وجاذب نانوگرافن…. 43
2-9- آزمایش های بررسی اثر دما بر جذب سطحی فلزات سنگین (سرب، مس و روی) برروی دو جاذب برگ درخت کنار اصلاح شده و جاذب نانوگرافن………..44
2-10- آزمایش های بررسی اثر زمان بر جذب سطحی فلزات سنگین (سرب، مس و روی…….44
2-11-آزمایش های بررسی اثر غلظت اولیه محلول فلز سنگین (سرب، مس و روی) بر روی جذب سطحی… 45
2-12- انجام آزمایش های تعادلی……………………… 45
 فصل سوم:نتایج و بحث
3-1- بررسی اثر مقدار جاذب…………………………. 48

 

3-2- برسی اثرpH………………………………….. 51
3-3- بررسی اثردما بر جذب سطحی……………………… 54
3-4- بررسی اثر زمان تماس بین جاذب و جذب شونده……….. 57
3-5-بررسی مدل های سینتیک جذب………………………. 60
3-6- بررسی اثر غلظت اولیه بر جذب سطحی………………. 65
3-7- بررسی نحوه پیروی نتایج بامدل های ایزوترم جذب سطخی.. 66
3-8- بررسی ترمودینامیک جذب………………………… 70
3-9- مقایسه عملکرد جاذب زغال فعال برگ درخت کنار با جاذب زغال فعال برگ درخت کنار اصلاح شده با نانوگرافن… 72
منابع فارسی……………………………………… 73
منابع غیرفارسی…………………………………… 74
چکیده لاتین………………………………………. 76
چکیده:
هدف از انجام این پژوهش، حذف فلزات سنگین سرب، مس و روی از محلول های آبی با استفاده از ذغال فعال تولید شده از برگ درخت كنارو برگ درخت کنار اصلاح شده با گرافن میباشد.
در این مطالعه تاثیرpH ، زمان تماس ، دوز جاذب و دما بر روی میزان جذب این فلزات بر روی سطوح جاذب برگ درخت کنار  و برگ درخت کنار به همراه 01/0 گرافن بررسی شده اند. ایزو- ترم های جذب سطحی لانگمویر و فرندلیچ نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. توابع ترمودینامیکی مربوط به جذب نیز تعیین شده اند . معادلات سینتیکی شبه مرتبه اول و شبه مرتبه دوم و همچنین نفوذ درون ذره ای نیز برای جذب سطحی مورد نظر بررسی شده اند.
فصل اول: مقدمه و تئوری
1-1- مقدمه
جریان پساب‌های خروجی از صنایع مختلف عمدتاً حاوی مقادیر متفاوتی فلزات سنگین می‌باشد علاوه براین آب های زیر زمینی نیز با توجه به محل استخراج، حاوی مقداری از این فلزات می‌باشند. پساب خروجی از صنایع پتروشیمی‌ و پالایشگاه‌های نفت و گاز، صنایع ریخته گری، صنایع تولید شیشه و…. حاوی مقادیر قابل توجهی فلزات سنگین از جمله سرب، مس، جیوه، روی و كادمیم می‌باشد. اكثر این فلزات سمی‌ می‌باشند. تخلیه این پساب‌ها در محیط باعث ایجاد مشكلات زیست محیطی می‌شود. این فلزات وارد زنجیره غذایی انسان شده و در بافت زنده تجمع میکنند. ارتباط انسان با فلزات سنگین در ده‌های اخیر و با ورود تکنولوژی و توسعه صنایع شیمیایی رو به افزایش بوده است[1].
استفاده از فلزات در فرایند‌های صنعتی و محصولات تولیدی امروز نمودهایی از آن هستند: از جمله جیوه در پر كردن دندان استفاده می‌شود، سرب در بنزین خودروها وجود دارد كه هر روزه با افزایش تعداد خودروها مقدار این فلز سنگین در محیط زیست خصوصاً شهرهای بزرگ رو به افزایش است. همچنین سرب در رنگ‌ها، مواد آرایشی، شامپوها و دیگر موادی كه برای مو استفاده می‌شود وجود دارد. دهان شویه‌ها، خمیر دندان و صابون‌ها نیز حاوی مقادیری فلزات سنگین از جمله سرب می‌باشند.
در جوامع صنعتی امروز، گریزی از مواد شیمیایی و فلزات سمی‌نیست. خصوصاً كه خیلی از مشاغل و حرفه‌ها مستلزم قرار گرفتن در معرض فلزات سنگین هستند. افراد در تنها بیش از 50 شغل مستلزم برخورد با جیوه هستند، مثل: پزشكان، كاركنان كارخانجات داروسازی، نقاش‌ها، كاركنان چاپ‌خانه‌ها، فلزكارها، جوشكار‌ها ، دكورسازها و سفالگرها.
تحقیقاتی كه روی اثرات سمی‌فلزات سنگین انجام شده، تائید می‌كنند كه این مواد می‌توانند مستقیماً با مختل كردن عوامل مغزی و عصبی بر رفتار انسان اثر بگذارند. فلزات سنگین بر مواد انتقال دهنده پیام‌های عصبی و عملكرد آنها تاثیر دارند و فرایندهای متابولیكی بی‌شماری در بدن را تغییر می‌دهند. سیستم‌هایی كه عناصر فلزی سمی، می‌توانند آنها را تخریب كنند یا كارشان را با مشكل مواجه كنند جاهایی مثل: خون و عروق قلبی،مسیرهای سم زدایی بدن و  مسیرهای تولید انرژی، آنزیم ها، سیستم گوارشی، ایمنی، اعصاب مركزی و محیطی، تولید مثل و مجاری ادراری هستند .
تنفس ذرات فلزات سنگین، حتی در مقادیر كم می‌توانند اثر جدی روی سلامت انسان داشته باشند. فلزات سنگین می‌توانند واكنش‌هایی حساسیتی را افزایش دهند، جهش‌های ژنتیكی ایجاد كنند، با عناصر كمیاب مفید برای بدن در واكنش‌هایی بیوشیمیایی رقابت كنند و نیز مثل آنتی‌بیوتیك‌ها عمل كنند و هر دو دسته مفید و مضر باكتریها را از بین ببرند. بیشتر اثر تخریبی فلزات سمی، ناشی از افزایش اكسید شدن رادیكال‌های آزاد توسط آنها است. رادیكال‌های آزاد به طور طبیعی وقتی  سلول‌ها با اكسیژن واكنش می‌دهند (اكسایش) تولید می‌شوند. اما در حضور فلزات سنگین سمی‌یا كمبود آنتی اكسیدان‌ها، به صورت كنترل نشده ای تولید می‌شوند. آنتی اكسیدان‌ها مثل ویتامین‌های A, C, E فعالیت رادیكال‌های آزاد را كم می‌كنند.
فلزات سنگین همچنین می‌توانند اسیدیته خون را افزایش دهند و بدن برای حفظ pH مناسب خون، كلسیم را از استخوان‌ها بیرون می‌كشد. به علاوه فلزات سنگین شرایطی را ایجاد می‌كنند كه منجر به التهاب در شریان‌ها و بافت‌ها می‌شوند كه خود باعث خروج بیشتر كلسیم به سمت بافت‌ها به عنوان بافر می‌شود اما مشكل دیگری ایجاد میشود، به طور مثال، سخت شدن دیواره شریان و انسداد پیشرونده.
اگر جای كلسیم از دست رفته پر نشود برداشت دائمی‌این ماده معدنی مهم از استخوان‌ها باعث پوكی استخوان می‌شود. مطالعاتی نشان می‌دهد كه هر مقدار جزئی از عناصر سمی، نتایج منفی بر سلامتی دارند. كودكان و سالخوردگان كه سیستم ایمنی ضعیف تری دارند در مقابل مسمومیت با این مواد، آسیب پذیرند.
2-1- اهمیت اندازه‌گیری یون های فلزی:
1-2-1- اهمیت اندازه‌گیری روی
روی برای ساخت كلاژن، جهت استحكام پوست و مو ضروری است. این عنصر با دارا بودن خواص آنتی اكسیدانی از پوست در مقابل اثرات نامطلوب اشعه فرابنفش خورشید محافظت می‌كند[1].

2-5-7- وانادیم… 21

 

2-5-8- منگنز… 22

 

2-5-9- مس    22

 

2-5-10- سیلیسیم… 22

 

2-5-11- بور.. 24

 

2-5-12- گوگرد.. 24

 

2-5-13- فسفر… 24

 

2-5-14- نتیجه گیری… 24

 

2-6- ساختار متالورژیکی چدن نایهارد.. 25

 

2-6-1- فازهای مختلف موجود در چدن نایهارد.. 25

 

2-6-2- فازهای کاربیدی در چدن نایهارد.. 26

 

2-6-3- تاثیر شکل و اندازه کاربیدها در چدن نایهارد.. 31

 

2-6-4- ساختمان زمینه چدن نایهارد.. 31

 

2-7- ذوب و ریخته گری… 34

 

2-8- انجماد چدن نایهارد.. 35

 

2-9- عملیات حرارتی…. 38

 

2-10- عملیات ناپایدارسازی و تبدیل آستنیت در آن… 41

 

2-10-1- تشریح فرایند… 41

 

2-10-2- تبدیل مارتنزیتی در حین عملیات حرارتی ناپایدارسازی… 43

 

2-11- عملیات حراتی تمپر… 43

 

2-12- پارامترهای عملیات حرارتی…. 44

 

2-13- مقاومت به سایش چدن‌های نایهارد.. 47

 

2-13-1- رابطه بین سختی و مقاومت به سایش……. 48

 

2-13-2- درصد کربن و ریزساختار.. 48

 

2-13-3- مورفولوژی، مقدار حجمی و اندازه کاربید یوتکتیک….. 50

 

2-13-4- دمای تمپر… 50

 

2-13-5- اثر آستنیت باقیمانده. 50

 

2-13-6- روش‌های آزمون سایش……. 51

 

2-14- خلاصه تحقیقات انجام شده در خصوص نایهارد 4.. 53

 

2-15- جمع ‌بندی و هدف از تحقیق…. 54

 

فصل 3- روش تحقیق   55

 

3-1- طراحی آزمایش……. 56

 

3-1-2- تهیه مدل و قالبگیری… 57

 

3-1-3- ذوب و بارریزی… 58

 

3-1-4- ترکیب شیمایی چدن نایهارد4 ریخته شده. 58

 

3-1-5- عملیات حرارتی ناپایدارسازی… 59

 

3-1-6- مطالعات میکروسکوپی برای بررسی ریزساختار.. 59

 

3-1-7- آنالیز تفرق اشعه X (XRD) 60

 

3-1-8- آزمون سختی…. 60

 

3-1-9- آزمون سایش……. 61

 

فصل 4- نتایج و بحث     63

 

4-1- بررسی ریزساختار و سختی چدن نایهارد در حالت ریختگی…. 63

 

4-2- اثر زمان ناپایدارسازی بر سختی…. 65

 

4-3- اثر زمان ناپایدارسازی در دماهای مختلف بر ریزساختار.. 68

 

4-4- اثر دمای ناپایدارسازی در زمان ثابت بر سختی…. 79

 

4-5- اثر دمای ناپایدارسازی بر ریزساختار در زمان ثابت….. 82

 

 

4-6- بررسی ریزساختار با میکروسکپ‌الکترونی روبشی…. 85

 

4-7- اثر عملیات تمپر بر تغییرات سختی و ریزساختار.. 86

 

4-8- اثر عملیات ناپایدارسازی بر مقاومت به سایش چدن نایهارد.. 91

 

نتیجه‌‌گیری   97

 

پیشنهادات برای تحقیقات بیشتر   99

 

مراجع   101

 

پیوست ‌ها 107

 

چدنهای مقاوم به سایش بر مبنای ریزساختار  و آلیاژهای آنها به پنج گروه عمده تقسیم می­شود که در این میان چدن نایهارد4 چدنی با 6% نیکل، 9% کروم و 2% سیلیسیم با کربن یوتکتیک و ساختاری با کاربیدهای یوتکتیک M₇C₃  و زمینه عاری از پرلیت در حالت ریختگی و نیز بعد از عملیات حرارتی غالباً بصورت مارتنزیتی می­باشد. این آلیاژها از طریق یک واکنش یوتکتیک که منجر به تشکیل آستنیت و کاربید یوتکتیک M₇C₃  شده، منجمد می­شود.

 

چدن نایهارد4 از قدیمی­ترین گروه های چدنهای پر آلیاژ در صنعت بوده که بیش از 50 سال قدمت داشته و مواد بسیار مناسبی در آسیابهای سیمان محسوب می­شوند. همچنین مصرف این نوع چدنها در تولید قطعاتی نظیر بوش ‌ها، سیلندرها، بوش سیلندرها، کاسه چرخ و … می باشد.

 

در این چدن، نیکل عنصری است که مانع از تشکیل پرلیت از زمینه آستنیتی شده و باعث تشکیل یک ساختار سخت مارتنزیتی در حین سرد شدن در قالب می­شود. کروم هم در تشکیل کاربیدهای یوتکتیک M₇C₃  و نیز بی اثر کردن اثر گرافیت زایی نیکل مورد استفاده قرار می­گیرد.

 

مقاومت سایشی و خواص مکانیکی چدن نایهارد به نوع، مورفولوژی و توزیع کاربیدهای یوتکتیک و نیز ماهیت ساختار زمینه بستگی دارد. ترکیب شیمیایی، شرایط انجماد و نیز عملیات حرارتی بر این پارامترها تاثیر گذار خواهند بود.

 

مقاومت سایشی خوب چدنهای نایهارد به دلیل ریزساختار  آنهاست که شامل کاربیدهای سخت یوتکتیک توزیع شده در زمینه مارتنزیتی، آستنیتی و رسوب کاربیدهای ثانویه می­باشد. در مجموع ساختار زمینه می­تواند هم روی مقاومت سایشی و هم مقاومت ضربه تاثیر گذار باشد.

 

ریزساختار  آلیاژ یک نقش اساسی را در رفتار سایشی ایفا می­کند. همانطور که بیان شد مقدار حجمی کاربیدها و نیز ساختار زمینه و توانایی آن برای تغییر فرم و کارسختی در حین سایش، بر مقاومت سایشی موثر می­باشند. با مطالعات صورت گرفته، مشحص شد که ارتباط بسیار قوی بین پارامترهای ریزساختاری و مقاومت به سایش با شرایط عملیات حرارتی وجود دارد. لذا تعیین پارامترهای عملیات حرارتی برای بهبود مقاومت به سایش و خواص مکانیکی چدن نایهارد موثر می­باشد..

 

ساختار بعد از عملیات حرارتی نقش عمده­ای را بر خواص مکانیکی و متالورژیکی ایفا می­کند که در نحوه کارکرد چدنهای نایهارد تاثیر به سزایی دارد. این چدن در حالت ریختگی شامل 50% آستنیت باقیمانده بوده و دارای سختی HB­ (500-400) بوده که با انجام سیکل عملیات حرارتی جهت تشکیل مارتنزیت مقدار سختی به HB (600-550) افزایش می­یابد.

 

1-4-2- مخارج تعمیرات و نگهداری و بهره برداری………………………… 5
1-4-3- تعطیلی كارخانه……………………….. 5
1-4-4- آلوده شدن محصول………………………… 5
1-4-5- نشت یا از بین رفتن محصولات با ارزش………………………….. 6
1-4-6- اثرات بر امنیت و قابلیت اعتماد……………………….. 6
1-5- انواع خوردگی………………………… 6
1-5-1-خوردگی یکنواخت…………………………. 7
1-5-2-خوردگی گالوانیکی………………………… 7
1-5-3-خوردگی شکافی………………………… 7
1-5-4-جدایش انتخابی………………………… 8
1-5-5-خوردگی بین دانه ای………………………… 8
1-5-6-خوردگی حفره ای………………………… 8
1-5-7-خوردگی فرسایشی………………………… 8
1-5-8-خوردگی تنشی………………………… 9
1-6- عوامل مؤثر بر خوردگی………………………… 9
1-6-1جنس فلز……………………….. 9
1-6-1-1-آلیاژهای اصلی………………………10
1-6-1-2 فولاد……………………….. 11
1-6-1-2-1 فولاد‌های زنگ نزن………………………… 11
1-6-1-2-2 فولاد‌های کربنی و فولاد‌های با عیار پایین…………….. 13
1-6-1-3- خوردگی فولاد‌های کربنی در آب دریا…………………… 14
1-6-1-4- فولاد مورد استفاده در این مطالعه…………………….. 15
1-6- 2- محیط خورنده ……………………….16
1-6-2-1-آب دریا………………………. 17
1-6-2-1-1-خوردگی در آب دریا با سرعت‌های مختلف و پارامترهای موثر بر آن……..19
1-6-2-1-2- تركیبات آب دریا………………………. 19
1-6-3- انواع آلاینده‌ها………………………. 20
فصل دوم-روش‌های پیشگیری از خوردگی و مروری بر کارهای گذشته……..21
2-1- پیشگیری از خوردگی………………………… 21
2-1-1- اعمال پوشش………………………….. 22
2-2-آبکاری………………………… 23
2-2-1- نگاه کلی………………………… 23
2-2-2- اصول آبکاری………………………… 23
2-2-3-آبکاری الکتریکی………………………… 23
2-2-4- موقعیت‌های استفاده از نانوتکنولوژی صنایع آبکاری……… 24
2-2-5-آبکاری با کروم……………………….. 25
2-3- مقاومت اكسیداسیون………………………… 27
2-4 – مروری بر کارهای گذشته……………………. 28
فصل سوم- بخش تجربی………………………… 33
3-1 مقدمه……………………….. 33
3-2- لوازم و دستگاه‌های مورد نیاز ……………………….33
3-3- مواد شیمیایی………………………… 34
3-4 تهیه محلولهای مورد نیاز………………………. 35
3-4-1- محلول سود 1/0 مولار………………………. 35
3-4-2 بافر فسفاتی………………………… 35
3-4-3  تهیه محلولهای کروم………………………..35
3-4-4 نمک NaCl  5/3%………………………..
3-5-آماده سازی نمونه ی فولاد کورتن………………………… 36
3-6-چگونگی نشاندن کروم بر روی تیغه فولاد کورتنی………….. 36
3-7-چگونگی تبدیل پوشش کروم به کروم اکسید بر روی تیغه فولاد کورتنی……….38
3-8-چگونگی انجام مطالعات خوردگی به کمک آزمونهای الکتروشیمیایی………….39
3-8-1- روند عملی پژوهش………………………….. 39
3-8-2- بهینه کردن غلظت Cr³⁺ در محلول آبکاری…………………… 41
3-8-3- بررسی خوردگی فولاد کورتنی در محیط NaCl 5/3%……………………….
3-8-3-1-  ارزیابی خوردگی فولاد BCS………………………..
3-8-3-2- ارزیابی خوردگی فولاد کربنی دارای پوشش CS/Cr و CS/Cr₂O₃…………….
3-8-4- بررسی خوردگی فولاد کورتنی در آب دریا…………………….46‌
3-8-4-1-  ارزیابی خوردگی فولاد BCS………………………..
3-8-4-2- ارزیابی خوردگی فولاد کربنی دارای پوشش CS/Cr و CS/Cr₂O₃…………………
نتیجه‌‌گیری………………………… 50
منابع………………………… 51
چکیده:
در این کار پژوهشی، کارایی پوشش­های آبکاری شده کروم و کروم اکسید بر روی تیغه‌ای از جنس فولاد کربنی نوع کورتن B به­عنوان پوشش­های ضد خوردگی در محیط آب دریای خلیج فارس بررسی و مقایسه شد. برای نشاندن این دو لایه، از روش ترسیب الکتروشیمیایی استفاده شد. مطالعات خوردگی و اندازه­گیری سرعت خوردگی به روش آزمون پلاریزاسیون خطی و رسم منحنی­های تافل انجام شد. تجزیه و تحلیل نتایج نشان داد که پوشش کروم (ΙΙΙ) اکسید نسبت به کروم، محافظت بیشتری فراهم کرده و سرعت خوردگی را بیشتر کاهش می‌دهد.
فصل اول: خوردگی و مبانی آن
1-1- مقدمه
خوردگی[1] از مهم‌ترین مشکلاتی است که در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی مقابله با آن هزینه زیادی را به خود اختصاص می‌دهد. خوردگی می‌تواند بر روی عمر تجهیزات، بهره‌برداری از آن‌ها، بازگشت سرمایه، کیفیت محصولات تولیدی و . . . مؤثر باشد.
خوردگی به شکل‌های گوناگون در زندگی روزمره به چشم می‌خورد. نقاط و حفره‌های قرمز مایل به نارنجی در تجهیزات نشتی مخازن آب، آب تیره خروجی از داخل شیرها، همچنین میخ­ها، چنگک‌‌ها، لوله‌‌ها، کانال‌ها، ظروف آشپزخانه و قوطی­های حلبی خورده شده نمونه‌های متداولی از خوردگی هستند. خوردگی با دید غیر تخصصی اغلب بر کهنگی تجهیزات دلالت داشته و قابل چشم پوشی است. در‌صورتی‌که خوردگی بیانگر کاهشی قابل توجه در ارزش یک جسم جامد است که در معرض یک برخورد شیمیایی مستقیم قرار گرفته است.
خوردگی محدود به فلز نبوده بلکه شامل مواد غیر فلزی مانند پلیمرها، مواد نسوز، مواد مرکب و مواد دیگر نیز می‌شود. از نظر ترمودینامیکی خوردگی یک فرآیند خود‌ به ‌خودی است که در جهت کاهش انرژی آزاد[2]حرکت می­کند.
مهندسی خوردگی کاربرد دانش و فن یا هنر جلوگیری یا کنترل خسارت ناشی از خوردگی به روش اقتصادی و مطمئن می‌باشد. برای اینکه مهندس خوردگی به خوبی از عهده وظایف خود برآید بایستی با اصول و عملیات مبارزه با آن، خواص شیمیایی، متالورژیکی، فیزیکی و مکانیکی مواد، آزمایش‌های خوردگی، ماهیت محیط‌های خورنده، قیمت مواد اولیه و . . . آشنا باشد. همچنین در حل مسئله خوردگی بایستی روشی را انتخاب نماید که بیشترین بهره را در بر داشته باشد.
2-1- تعریف خوردگی
خوردگی را تخریب یا فاسد شدن یك ماده در اثر واكنش با محیطی كه در‌آن قرار دارد تعریف می‌‌‌كنند. بعضی‌ها اصرار دارند كه این تعریف بایستی محدود به فلزات باشد، ولی غالباً مهندس خوردگی بایستی برای حل یك مسئله هم فلزات و هم غیر فلزات را در نظر بگیرد. مثلاً، تخریب رنگ و لاستیك بوسیله نور خورشید یا مواد شیمیایی، خورده شدن جداره كوره فولاد‌سازی، و خورده‌ شدن یك فلز جامد بوسیله مذاب یك فلز دیگر تماماً خوردگی نامیده می‌شوند. خوردگی می‌تواند سریع یا كند صورت گیرد ]1[.
خوردگی فلزات را همانطور كه در شكل 1-1 نشان داده‌ شده ‌است می‌توان برعكس متالورژی استخراجی[1] در نظرگرفت. در متالورژی استخراجی، هدف عمدتاً بدست آوردن فلز از سنگ معدن و تصفیه یا آلیاژ‌سازی آن برای مصارف مختلف می‌باشد. اكثر سنگ معدن‌های آهن حاوی اكسیدهای آهن هستند و زنگ‌زدن فولاد بوسیله آب و اكسیژن منجر به تشكیل اكسید آهن هیدراته[2] می‌گردد. اگر چه اكثر فلزات موقعی كه خورده می‌شوند تشكیل اكسیدهایشان را می‌دهند ولی لغت زنگ زدن فقط در

 

مورد آهن و فولاد بكار برده می‌شود.
به طور كلی خوردگی را می‌توان به سه صورت ذیل تعریف نمود:
1- تخریب و انهدام توسط عوامل غیر مكانیكی.
2- تخریب و انهدام توسط واكنشهای شیمیایی و الكترو شیمیایی فلز و محیط.
3- عکس استخراج.
3-1- هزینه های خوردگی
تخمین­ هزینه­های سالانه خوردگی در ایالات متحده بین 8 میلیارد دلار تا 126 میلیارد دلار می‌با‌‌شد] 1[. مهندسان معتقدند كه 30 میلیارد دلار واقعی‌ترین رقم باشد. به هر ترتیب، خوردگی از لحاظ اقتصادی بسیار زیان آور است و برای كاهش‌دادن آن كارهای زیادی می‌توان انجام داد. اگر این نكته را در نظر بگیریم كه هرجا فلز و مواد دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند خوردگی با درجه و شدت‌های متفاوتی واقع می‌گردد، این رقم‌های بزرگ دلاری چندان غیر منتظره نخواهند بود. علاوه بر زیان­های مستقیم خوردگی، هزینه‌های غیر مستقیم خوردگی حاصل از توقف فرآیند[1] تولید صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، پایین آمدن بازده تجهیزات و خارج شدن از شرایط بهره برداری مطابق طراحی، نیز هزینه‌‌هایی است که باید در نظر گرفته شود. عدم تولید در هنگام توقف در یك واحد نفت، گاز و پتروشیمی جهت تعمیرات می‌تواند تا میلیونها دلار در روز زیان وارد سازد. نشتی‌ها در خطوط لوله و مخازن منجر به عدم تولید بهینه می‌گردد. این نشتی‌ها می‌تواند باعث بروز آلودگی آب‌های زیرزمینی شده و مشكلات زیست محیطی را نیز ایجاد نماید كه هزینه‌های مورد نیاز برای حل چنین مشكلاتی سرسام آوراست. در حقیقت اگر خوردگی وجود نداشت اقتصاد جامعه ما به شدت تغییر می‌كرد. مثلاً اتومبیل‌ها، كشتی‌ها، خطوط لوله‌های زیرزمینی و وسایل خانگی احتیاج به پوشش نداشتند، صنایع فولاد زنگ نزن[2] از بین می‌رفتند و مس فقط برای مقاصد الكتریكی بكار می‌رفت. اكثر كارخانجات و محصولاتی كه از فلز پوشش‌دار ساخته می‌شوند از فولاد یا چدن ساخته می‌شدند] 1[.
اگرچه خوردگی اجتناب ناپذیر است، ولی هزینه آن را به مقدار زیادی می‌توان كاهش داد. مثلاً یك آند ارزان قیمت منیزیم می‌تواند عمر تانك آب گرم خانگی را دو برابر كند. شستشوی اتومبیل برای زدودن نمك‌هایی كه برای یخ بندان روی جاده می‌پاشند مفید است. انتخاب صحیح مواد و طراحی خوب، هزینه‌های خوردگی را كاهش می‌دهد. یك برنامه صحیح تعمیرات و نگهداری وارد صحنه می‌شود و می‌تواند موثر باشد و ماموریت اصلی آن مبارزه با خوردگی است.
جدا از مخارج مستقیم دلاری، خوردگی یك مشكل جدی است زیرا بطور روشنی باعث تمام شدن منابع طبیعی ما می‌گردد. مثلاً فولاد از سنگ آهن بدست می‌آید و میزان تولید داخلی سنگ آهن پر‌عیار كه مستقیماً قابل استفاده باشند، به شدت كاهش یافته است. توسعه صنعتی سریع بسیاری از كشورها نشان می‌دهد كه رقابت برای  قیمت منابع فلزی افزایش خواهد یافت.
4-1- خسارات ناشی از خوردگی
در این قسمت بعضی اثرات زیان بار خوردگی تشریح خواهد شد:
1-4-1- ظاهر
سطوح زنگ‌زده خوشایند نیستند. تجهیزات زنگ‌زده یا به شدت خورده شده در یك كارخانه تاثیر بدی روی بیننده خواهد گذاشت. به همین دلیل بدنه ماشین‌ها را رنگ کرده و یا در سازه‌های خارجی ساختمان‌ها از فولاد زنگ نزن، آلومینیوم، یا مس استفاده می‌شود.
2-4-1- مخارج تعمیرات و نگهداری و بهره برداری
بازسازی سطوح خورده‌شده و تعمیر آن‌ها بسیار پر هزینه است. به كاربردن مواد مقاوم در برابر خوردگی نیز مخارج زیادی را در بر دارد. بنابراین برای محافظت از این سطوح هزینه هنگفتی صرف می‌شود.
3-4-1- تعطیلی کارخانه
غالباً بخاطر انهدام غیر منتظره ناشی از خوردگی، واحدی را متوقف ‌می‌سازند یا قسمتی از یك سیستم را می‌خوابانند. و این خود منجر به توقف تولید و یا کند شدن روند آن شده و در برخی موارد افرادی را بیکار می‌کند.
4-4-1- آلوده شدن محصول
در اكثر موارد قیمت یك محصول در بازار به خلوص و كیفیت آن بستگی دارد. عاری بودن از آلودگی‌های جزئی فاكتور حیاتی در تولید و حمل و نقل پلاستیك‌‌های شفاف، رنگ‌ها، مواد غذایی، داروها و نیمه هادی‌ها[1]ست. در بعضی موارد مقدار كمی خوردگی كه باعث وارد شدن یون‌های فلزی به داخل محلول می‌گردد ممكن است باعث تجزیه كاتالیزوری[2] یك محصول گردد. از جمله این موارد تولید و انتقال پراكسید هیدروژن[3] غلیظ و یا هیدرازین[4] می‌باشد. درمواردی كه با آلودگی و تجزیه محصول مواجه هستیم عمر قطعه فاكتور مهمی نخواهد بود با وجود اینكه فولاد معمولی ممكن است سال‌ها دوام بیاورد، ولی فلز گرانتری بكار برده می‌شود تا از آلودگی محصول به محصولات خوردگی ناشی از فولاد معمولی اجتناب گردد.
5-4-1- نشت یا از بین رفتن محصولات با ارزش
نشت جزئی سولفوریك‌اسید به فاضلاب نگرانی حادی ایجاد نمی‌كند، زیرا سولفوریك‌اسید ماده ارزان قیمتی است. اما، نشت یا از بین رفتن ماده‌ای كه گالنی چند صد دلار ارزش دارد بایستی به سرعت متوقف گردد. نشت جزئی تركیبات یا محلول‌های اورانیم خطرناك است و می‌تواند خیلی گران تمام شود. در چنین مواردی استفاده از طراحی مناسب‌تر و مواد بهتر برای ساخت تجهیزات بخوبی قابل توجیه هستند.

2-8- ناهمسانگردی مغناطیسی.. 21

 

2-8-1- ناهمسانگردی کریستالی.. 21

 

2-8-2- ناهمسانگردی تنش…. 22

 

2-8-3- ناهمسانگردی شکل.. 24

 

2-9- مواد مغناطیسی سخت و نرم. 26

 

2-9-1- مواد مغناطیس سخت… 26

 

2-9-2- مواد مغناطیس نرم. 27

 

2-10- آبکاری نیکل.. 28

 

2-10-1- تاریخچه آبکاری الکتریکی.. 28

 

2-10-2- مشخصات پوشش نیکل.. 29

 

2-10-3-کاربردهای پوشش نیکل.. 30

 

2-10-4- حمام­های پوشش­دهی نیکل.. 31

 

2-11- آبکاری الکتریکی پالسی.. 33

 

2-11-1- انواع شکل های موج های جریان پالسی.. 34

 

2-11-2- مکانیزم. 36

 

2-11-3- مزایای روش­های پالسی و پالسی معکوس… 36

 

2-11-4- پارامترهای جریان پالسی و پالسی معکوس… 37

 

2-11-5- تاثیر جریان پالسی بر روی خواص رسوب.. 39

 

2-11-6- جریان پالسی و چرخه­ی کاری.. 40

 

2-11-7- جریان پالسی و مصرف انرژی.. 41

 

2-11-8- بررسی پارامترهای موثر بر خواص پوشش…. 41

 

2-11-9- انواع جریان (مستقیم، پالسی و معکوس) 41

 

2-11-10- تأثیر دانسیته جریان.. 43

 

2-11-11- مدت زمان پوشش دهی.. 44

 

2-11-12- دمای الکترولیت… 45

 

2-11-13- جنس کاتد. 46

 

2-11-14- افزودنی ها 46

 

2-11-14-1- انواع افزودنی ها 47

 

2-11-14-2- افزودنی های آنیونی.. 48

 

2-11-14-3- افزودنی های غیر یونی.. 48

 

2-11-14-4- افزودنی های کاتیونی.. 49

 

2-11-14-5- افزودنی های مورد استفاده در الکترولیز نیکل.. 49

 

2-11-15- تأثیر ترکیب شیمیایی حمام. 51

 

2-11-16- مکانیزم­های لایه نشانی.. 51

 

2-12- پوشش­های نانوساختار. 53

 

2-13- آبکاری الکتریکی در حضور میدان مغناطیسی.. 54

 

3- فصل سوم. 57

 

3-1- مقدمه. 58

 

3-2- تجهیزات و مواد مورد استفاده. 59

 

3-2-1- تجهیزات مورد استفاده. 59

 

3-2-1-1- کاتد. 59

 

3-2-1-2- آند. 60

 

3-2-1-3- پیل آبکاری.. 60

 

3-2-1-4- منبع تغذیه تولید جریان پالسی.. 61

 

3-2-1-5- مولتی متر دیجیتالی.. 61

 

3-2-1-6- اسیلوسکوپ.. 61

 

3-2-1-7- pH متر. 62

 

3-2-1-8- ترازوی دیجیتالی.. 62

 

3-2-1-9- همزن مغناطیسی.. 62

 

3-2-1-10- کنترل کننده دما (temperature controller) 62

 

3-2-1-11- دستگاه خشک کن.. 63

 

3-2-1-12- وسایل و تجهیزات متالوگرافی.. 63

 

3-2-1-13- وسایل اولیه آزمایشگاهی.. 63

 

 

3-2-2- مواد مورد استفاده. 63

 

3-3- آماده سازی.. 64

 

3-3-1- آند. 65

 

3-4- حمام آبکاری و انتخاب شرایط آبکاری پوشش نانوکریستالی نیکل.. 65

 

3-5- نحوه­ی بررسی خواص و ویژگی­های پوشش نانوساختاری نیکل.. 67

 

3-6- حمام آبکاری و انتخاب شرایط آبکاری پوشش نانوکریستالی مس…. 68

 

3-7- نحوه­ی بررسی خواص و ویژگی­های پوشش نانوساختاری مس…. 69

 

4- فصل چهارم. 70

 

4-1- پوشش­های نانوساختاری نیکل و مس…. 71

 

4-2- بررسی تأثیر میدان مغناطیسی بر ساختار بلوری پوشش­های نانوساختاری نیکل و مس     73

 

4-2-1- اطلاعات به­دست آمده از طیف XRD پوشش نیکل نانوساختاری در حضور میدان عمود بر سطح الکترودها 73

 

4-2-2- اطلاعات به دست آمده از طیف XRD پوشش نانوساختاری مس…. 75

 

4-3- مورفولوژی پوشش نانوکریستالی.. 78

 

4-3-1- بررسی و مقایسه­ی مورفولوژی پوشش نیکل نانوساختار در غیاب و حضور میدان مغناطیسی   78

 

4-3-2- بررسی و مقایسه­ی مورفولوژی پوشش مس در غیاب و حضور میدان مغناطیسی   89

 

4-3-3- سختی پوشش­های نانوکریستالی نیکل و مس…. 93

 

4-3-4- زبری پوشش نانوکریستالی نیکل و مس…. 96

 

4-4- بررسی خاصیت مغناطیسی.. 98

 

4-4-1- مقدمه. 98

 

4-4-2- اندازه­گیری خواص مغناطیسی پوشش نیکل نانوساختار در غیاب میدان مغناطیسی   99

 

4-4-3- اندازه­گیری خواص پوشش نیکل نانوساختار در حضور میدان مغناطیسی.. 101

 

5- فصل پنجم.. 105

 

5-1- نتیجه گیری.. 106

 

5-1-1- پوشش نانوساختاری نیکل در غیاب و حضور میدان مغناطیسی.. 106

 

5-1-2- پوشش نانوساختاری مس در غیاب و حضور میدان مغناطیسی.. 107

 

5-2- پیشهادها 108

 

6- مراجع.. 109

 

1-1- مقدمه

 

یکی از روش­های تولید پوشش­های نانوساختاری، روش آبکاری الکتریکی است که ذرات در اثر اعمال جریان الکتریکی در پوشش قرار می­گیرند[1]. فرآیند آبکاری الکتریکی روشی است که در آن نمونه­ی موردنظر به­وسیله­ی لایه­های چسبیده و نازک از فلز دیگر پوشش داده می­شود تا ظاهر و یا خواص موردنظر آن بهتر شود. این فرآیند که شامل پوشش دادن یک فلز، آلیاژ و یا کامپوزیت بر روی فلزی دیگر با استفاده از جریان برق است، از بیش از صد سال پیش مورد توجه محققان قرار گرفته است و هدف ایجاد پوششی با ویژگی­های خاص از فلز است. با استفاده از این روش می­توان لایه­های نازک از مرتبه­ی چند نانومتر هم تولید نمود[2].

 

     لایه­نشانی یک فلز یا آلیاژ به وسیله­ی جریان الکتریکی در حضور میدان مغناطیسی اعمالی به­عنوان الکترولیز مغناطیسی[1] (ME) یا لایه­نشانی الکترولیتی مغناطیسی[2] شناخته می­شود[3]. در حال حاضر بررسی فصل مشترک بین خواص مغناطیسی مواد و الکتروشیمی یکی از زمینه­های جذاب مورد مطالعه در علوم بین رشته­ای است و با مطالعه­ی اثرات هر یک از این دو موضوع بر دیگری، می­توان به نتایج سودمندی دست یافت. به عنوان مثال در حین فرآیند آبکاری، میدان مغناطیسی می­تواند برای افزایش نرخ لایه­نشانی گونه­های مغناطیسی و غیرمغناطیسی به­کارگرفته شود[4]. هنگامی که میدان مغناطیسی به­طور موازی با سطح الکترودها بر یک پیل الکتروشیمیایی وارد می­شود، نیرویی به نام نیروی لورنتس عمود بر چگالی جریان و میدان مغناطیسی بر تمامی ذرات بارداری که در محلول الکترولیت حرکت می­کنند وارد می­شود و بر خواص لایه­های ساخته­شده اثر می­گذارد. تأثیر نیروی اعمالی بر مواد مختلف متفاوت است و بسته به این­که فلز آبکاری شده مغناطیسی و یا غیرمغناطیسی باشد، نتایج متفاوتی از اعمال میدان می­توان به­دست آورد[3،4]. ازجمله ویژگی­های بررسی شده نیز می­توان به ریخت­شناسی سطح، ساختار بلوری و هم­چنین جوانه­زنی در حضور میدان مغناطیسی اشاره­کرد. میدان مغناطیسی خارجی هم­چنین می­تواند بر فرآیند آبکاری الکتریکی آلیاژها نیز اثرگذار باشد[6]. به­طور مثال برای آلیاژ نیکل-آهن ترکیب آلیاژ با تغییر چگالی شار مغناطیسی تغییر می­کند[7]. هم­چنین ریخت­شناسی، زبری، جهت کریستالوگرافی لایه­های پوشش داده­شده[7] و خواص مغناطیسی این آلیاژ[5] نیز تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می­گیرد. با این وجود ویژگی­های بسیاری از جمله خواص مغناطیسی لایه­های نازک مغناطیسی و غیرمغناطیسی تولیدشده در ابعاد نانویی با استفاده از این روش هنوز به­طور کامل مشخص نیست که این امر باعث ایجاد انگیزه در محققان و دانشمندان رشته­های فیزیک، شیمی و علم و مهندسی مواد برای مطالعه در این زمینه شده است.

 

     فرآیندهای الکتروشیمیایی به خاطر توانایی قابل توجهشان نسبت به سایر روش­ها از قبیل پوشش­دهی از بخار فیزیکی (PVD) و پوشش­دهی از بخار شیمیایی (CVD) در ایجاد ساختارهای یکنواخت و بدون حفره، برای تولید پوشش مس استفاده می­شوند. در اکثر موارد مشاهده شده است که ریزساختار پوشش­های مس به­راحتی در دمای اتاق تبلور مجدد می­یابند که منجر به ایجاد مشکلات اساسی در ارتباط با خواص الکترونیکی این پوشش­ها می­شود. تولید و ایجاد میدان مغناطیسی می­تواند یک روش امیدبخش برای کنترل منحصربه­فرد میکروساختار سطح باشد[8]. با انجام آبکاری در حضور میدان مغناطیسی جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی[3] در محلول الکترولیت به­وسیله­ی برهم­کنش الکترومغناطیسی  که   جریان فارادی و  میدان مغناطیسی است القا می­شود. محققان زیادی به بررسی تأثیر جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی بر خواص میکروساختاری سطح پوشش­های مس آبکاری­شده و واکنش الکتروشیمیایی پرداخته­اند که از آن­جمله می­توان به تحقیقات هیندز[4] و همکاران[9] اشاره کرد که نشان دادند در حضور میدان مغناطیسی کوچک­تر از 0.5 تسلا تغیر قابل­توجهی چه در ریخت­شناسی سطح و چه در بافت پوشش ایجاد نمی­شود. هم­چنین با افزایش میدان مغناطیسی تا میزان 0.6 تسلا تأثیر میدان مغناطیسی بر فرآیند آبکاری الکتریکی مستقل از جهت میدان و نحوه­ی قرارگیری الکترود است. با این حال آبکاری الکتریکی مس در حضور میدان مغناطیسی به­طور سیستماتیک بررسی نشده­است که دلیل آن می­تواند به پذیرفتاری مغناطیسی بسیار کوچک مولی   برگردد. لذا پتانسیل مغناطیسی در یک میدان ثابت)    که c غلظت،  نفوذپذیری مغناطیسی مولی یونی و  نفوذپذیری فضای آزاد است( بسیار کوچک و قابل چشم­پوشی در مقایسه با اثر هیدرودینامیکی مغناطیسی است.

 

     تعدادی تحقیق نیز در مورد تأثیر میدان مغناطیسی بر آبکاری الکتریکی نیکل وجود دارد. بر اساس مطالعات مربوط به  بازتاب الکترون­های تفرق یافته پرانرژی (RHEED) نیکل، آهن و کبالت یانگ[5] گزارش داد که یک میدان مغناطیسی اعمالی اثر ناچیزی بر جهت اصلی الکترون­ها دارد. اما افزایش در زبری سطح در اثر اعمال میدان عمود بر سطح الکترودها مشاهده شد[10]. بریلاس[6] و همکاران[11] بیان کردند که اعمال میدان مغناطیسی درحین فرآیند آبکاری الکتریکی نیکل چه به­صورت موازی و چه عمود بر سطح الکترودها، منجر به افزایش تراکم دانه­های نیکل و رشد با اندازه­ و شکل هندسی منظم­تر می­شود و نتیجه گرفتند که ریخت­شناسی سطح به شدت تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می­گیرد.

 

     اخیراً باند و همکاران[12] تأثیر میدان مغناطیسی عمود بر رفتار الکتروشیمی مس و نیکل را بررسی کردند. افزایش چگالی جریان حدی با میدان بر اساس افزایش در جریان همرفت ایجاد شده به وسیله­ی جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی توضیح داده شد. مشاهده شد که مواد با دانه­های ریزتر در حضور میدان مغناطیسی برای نیکل آبکاری شده ایجاد می­شود که این عامل به افزایش در جریان همرفتی که منجر به افزایش در نرخ لایه­نشانی می­شود نسبت داده­شد.

 

     مطالعات مربوط به تأثیر میدان مغناطیسی بر فرآیندهای الکتروشیمیایی معمولا با میدان موازی با سطح الکترودها انجام می­شود. در این حالت نیروی هیدرودینامیکی مغناطیسی حداکثر است. اگر هدف محدود کردن جریان همرفتی بر اثر نیروی هیدرودینامیکی مغناطیسی و مطالعه­ی نیروهای پارامغناطیس و اثرات گرادیان میدان باشد، میدان مغناطیسی به­صورت عمود بر سطح الکترودها اعمال می­شود.

 

     در این تحقیق با استفاده از فرآیند آبکاری الکتریکی ضربانی، پوشش نانوساختاری از فلزات نیکل و مس تهیه گردید و خواص ریزساختار، مغناطیسی و ریخت­شناسی این فلزات در دو حالت بدون اعمال میدان مغناطیسی و اعمال میدان حین انجام فرآیند آبکاری الکتریکی ضربانی با یکدیگر مقایسه شد.

 

 

 

1-1- تقسیم بندی مواد از لحاظ خاصیت مغناطیسی

 

از لحاظ خواص مغناطیسی و با توجه به چگونگی پاسخ به میدان مغناطیسی، مواد به دسته­های مختلفی تقسیم­بندی می­شوند که در زیر آمده است:

 

الف) مواد پارامغناطیس

 

ب) مواد دیامغناطیس

 

ج)مواد فرومغناطیس

 

د)مواد پادفرومغناطیس

 

ه) مواد فری­مغناطیس

 

1-1-1- مواد پارامغناطیس

 

 در مواد پارامغناطیس، قابلیت مغناطیسی شدن ماده یا همان پذیرفتاری مغناطیسی( ) دارای مقدار مثبت کوچکی است. مقدار  برای این مواد در دمای اتاق بین  تا    می­باشد. در این مواد گشتاور مغناطیسی اجزاء سازنده صفر نیست بلکه طرز قرار گرفتن این اجزاء طوری است که گشتاور مغناطیسی کل ماده صفر می­شود. در حین اعمال میدان مغناطیسی تنها تعدادی از گشتاورهای مغناطیسی با جهت میدان هم­راستا می­شوند. در دماهای معمولی  وابستگی اندکی به شدت میدان اعمال شده دارد. در حوالی صفر مطلق، مواد پارامغناطیس می­توانند به اشباع مغناطیسی برسند[13]. در جدول 2-1 پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد پارامغناطیس ذکر گردیده است.

 

جدول ‏2‑1 تأثیرپذیری یا پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد پارامغناطیس[13]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ماده	تأثیرپذیری مغناطیسی     (10-6 emu mol-1Oe-1)
آلومینیوم	165
کروم	180
سولفات کروم	11800
سولفات مس(CuS	12660
کلرید کبالت (Co )	1460
سولفات گادولونیوم     (Gd2 )	511200
اکسیژن ( )	20.8

 

1-1-2- مواد دیامغناطیس

 

در مواد دیامغناطیس  دارای مقدار منفی بوده و اندازه­ی آن از مرتبه­ی  است. الکترون­ها به صورت جفت بوده و گشتاور خالص اجزای سازنده­ی این مواد (اتم­ها، مولکول­ها یا یون­ها) صفر است. در این حالت  تقریبا مستقل از دما و شدت میدان اعمال شده به جسم است. علت منفی بودن  در این مواد به این علت است که تغییرات گشتاور مغناطیسی در حضور میدان مغناطیسی خارجی فقط ناشی از قانون لنز است. بر اساس این قانون، نیروی محرکه­ی القایی حاصل از تغییر شار مغناطیسی دارای قطب­هایی است که میدان مغناطیسی القایی حاصل از جریان آن با تغییر شار مغناطیسی اصلی مخالفت می­کند. بنابراین با افزایش یا کاهش میدان اعمالی سرعت حرکت الکترون­ها به­گونه­ای است که اثر میدان خارجی را تقلیل دهد[13]. در جدول 2-2 پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد دیامغناطیس ذکرگردیده است.

 

 جدول ‏2‑2: تأثیرپذیری یا پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد دیامغناطیس[14]