اثر نانوذرات آلومينا بر رفتار ريولوژيكي مخلوط‌هاي آلومينيم و محمل پليمري براي قالب‌گيري تزريقي پودر

Effect of Alumina Nanoparticles on the Rheological Behavior of Aluminum-Polymeric Binder Mixtures for Powder Injection Molding

تهيه مخلوط‌هاي پودر - محمل پليمري و بررسي عوامل موثر بر رفتار ريولوژيكي آنها از مهم‌ترين چالش‌هاي پيش‌ رو براي توليد قطعات سالم و بدون نقص به روش قالب‌گيري تزريقي پودر به‌شمار مي‌آيد. امروزه، استفاده از نانوذرات با هدف بهبود خواص و افزايش دقت ابعادي در قالب‌گيري تزريقي پودر اهميت شاياني يافته است. از طرفي، ويژگي ذاتي آنها مي‌تواند مشكلاتي را از قبيل تشكيل كلوخه، تضعيف خواص ريولوژيكي و كاهش همگني در مخلوط‌هاي پودر - پليمر به همراه داشته باشد. در مطالعه حاضر، ريولوژي اين مخلوط‌ها براي پودر آلومينيم با تاكيد بر اثر وجود نانوذرات آلومينا بحث و بررسي شده است. بدين منظور، ابتدا خوراك با بارگذاري كل پودر 54 و %60 حجمي محتوي 0، 3، 6 و %9 وزني نانوذرات آلومينا در سامانه محمل مناسب تهيه شد. بررسي نتايج آزمون‌هاي ريولوژيكي نشان مي‌دهد، همه خوراك‌ها رفتار شبه‌پلاستيك، يعني كاهش گرانروي به ازاي افزايش سرعت برش را دارند. همچنين، وجود نانوذرات در مخلوط‌هاي پودر - محمل پليمري، افزايش گرانروي را به همراه دارد. در سرعت‌‌هاي برش زياد، گرانروي مخلوط‌ها، به دليل غلبه نيروهاي هيدروديناميكي بر نيروي چسبندگي بين ذرات در كلوخه‌ها و افزايش چگالي فشردگي، كاهش مي‌يابد. انجام آزمون چگالي‌سنجي ارتعاشي، بهبود قابليت فشردگي را در مخلوط‌هاي حاوي نانوذرات تاييد مي‌كند. با وجود نانوذرات مي‌توان به كاهش عامل حساسيت به سرعت برش اشاره كرد كه تزريق‌پذيري را با كاهش بيشتر گرانروي در اثر اعمال تنش برشي بهبود مي‌دهد.

Preparation of appropriate powder-polymeric binder mixtures is the crucial step of powder injection molding process. Hence, the rheological properties of powder-binder mixture are important factors in production of sound parts using powder injection molding. Nowadays, the use of nanoparticles in powder injection molding is increasing due to the improved properties and dimensional precision of the final parts. On the other hand, nanoparticles can initiate problems such as agglomeration and loss of rheological properties and homogeneity. In the present study, the rheological behavior of aluminum mixtures containing nanoalumina particles was investigated. Two powder loadings of aluminum powder (54 vol% and 60 vol%), in which 0, 3, 6 and 9 wt% of aluminum was replaced with nanoalumina, were used. The powder systems were blended with the molten binder system in a banbury internal mixer and the rheological properties of the resulting mixtures were evaluated. All feedstocks showed pseudo-plastic behavior. The presence of nanoparticles increased the viscosity of feedstocks. Due to overwhelming particles cohesion by hydrodynamic forces, the viscosity of the mixtures decreased at high shear rates. Tap density results confirmed an improvement in packing compressibility of the mentioned powders. Shear rate sensitivity decreased with incorporation of nanoparticles into the mixtures. This phenomenon improved the injection capability through further reduction in viscosity.