Date of Award

11-2025

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Dr. Jaber Abu Qudeiri

Abstract

Aluminum Matrix Composites (AMCs) are extensively used in various industrial applications owing to their exceptional mechanical, material, and tribological properties. This led to the development of AMCs with every possible aluminum alloy as matrix, incorporated with various reinforcement materials to achieve desired material properties. There has been an increasing trend in the utilization of agricultural and industrial waste products as reinforcement material in AMCs. Date palm trees produce huge quantity of agricultural waste in different forms. Usually, these wastes are burned or disposed of in landfills which cause environmental pollution. Date palm agro-wastes can be incinerated to produce date palm ash, which can be reinforced with various aluminum alloys to develop sustainable AMCs with superior strength, hardness, wear properties and corrosion resistance. Fabrication of the composite can be done through stir casting method which is the most economical and effective AMC production technique.

This doctoral research aims to develop a sustainable approach to improve the material properties of aerospace grade AA7075 aluminum alloy by reinforcing with heat treated Date Palm Ash (DPA) powder. Date palm waste derived ash was used as a low-cost reinforcement after heat treating at 700°C for 6 hours to eliminate volatile matter and enhance its thermal stability. Thermogravimetric Analysis (TGA), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), X-ray diffraction analysis, and Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy confirmed that the heat-treated DPA can be effectively incorporated as a reinforcement in AA7075 alloy matrix. Aluminum matrix composites were fabricated through stir casting process with varying weight fractions of DPA (1 wt.%, 2 wt.%, and 3 wt.%). Two stage stirring process under inert gas atmosphere was adopted and vacuum assisted die casting was performed to fabricate defect free composites. Microstructural analysis revealed homogenous dispersion of reinforcement particles, grain refinement and good interfacial bonding between matrix and reinforcement up to 2 wt.% DPA addition. Consequently, these composites exhibited significant improvement in Ultimate Tensile Strength (UTS), compression strength and hardness values compared to base alloy. However, further increase in reinforcement content resulted in non-uniform distribution of particulates, particle clustering, and poor wetting, which degraded the mechanical properties of AA7075-3 wt.% DPA composite. Among the composites fabricated, AA7075-2 wt.% DPA samples exhibited the highest improvement in mean Vickers hardness (27.74%), UTS (66.91%) and compression strength (34.17%) compared to the corresponding values of as-cast alloy. Incorporating DPA as reinforcement significantly enhanced the corrosion resistance of the material. Utilizing DPA reinforcement in AMCs enhances the material properties, valorizes agricultural waste, and offers a sustainable alternative to high-cost synthetic ceramic reinforcements.

Arabic Abstract

تطوير وتوصيف مركبات مستدامة بمواد رابطة معدنية من الألومنيوم مع استخدام بقايا النخيل كتعزيزات

تُستخدم مركبات مصفوفة الألومنيوم (AMCs) على نطاق واسع في مختلف التطبيقات الصناعية نظرًا لخصائصها الميكانيكية والمادية والاحتكاكية الاستثنائية. وقد أدى ذلك إلى تطوير مركبات AMCs باستخدام جميع سبائك الألومنيوم الممكنة كمصفوفة، مع دمجها مع مواد تقوية متنوعة لتحقيق الخصائص المطلوبة. وقد شهد استخدام النفايات الزراعية والصناعية كمواد تقوية في مركبات AMCs اتجاهًا متزايدًا. تُنتج أشجار النخيل كميات هائلة من النفايات الزراعية بأشكال مختلفة. وعادةً ما تُحرق هذه النفايات أو تُرمى في مدافن النفايات، مما يُسبب تلوثًا بيئيًا. ويمكن حرق النفايات الزراعية لنخيل التمر لإنتاج رماد نخيل التمر، الذي يُمكن تعزيزه بسبائك ألومنيوم متنوعة لتطوير مركبات AMCs مستدامة تتميز بقوة وصلابة فائقة ومقاومة عالية للتآكل. ويمكن تصنيع هذه المركبات بطريقة الصب بالتحريك، وهي أكثر تقنيات إنتاج مركبات AMC فعالية واقتصادية.

يهدف بحث الدكتوراه هذا إلى تطوير نهج مستدام لتحسين خصائص مادة سبيكة الألومنيوم AA7075 المخصصة للاستخدام في صناعة الطيران، وذلك بتعزيزها بمسحوق رماد نخيل التمر (DPA) المعالج حراريًا. استُخدم رماد نفايات نخيل التمر كمعزز منخفض التكلفة بعد المعالجة الحرارية عند 700 درجة مئوية لمدة 6 ساعات لإزالة المواد المتطايرة وتعزيز استقرارها الحراري. وقد أكدت تقنيات التحليل الوزني الحراري (TGA)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، ومطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS)، وتحليل حيود الأشعة السينية، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) إمكانية دمج DPA المعالج حراريًا بفعالية كمعزز في مصفوفة سبيكة AA7075. صُنعت مركبات مصفوفة الألومنيوم من خلال عملية الصب بالتحريك باستخدام نسب وزنية متفاوتة من DPA (1%، 2%، و3%). كما اعتمدت عملية التحريك على مرحلتين في جو من الغاز الخامل، وأُجريت عملية الصب بالقالب بمساعدة الفراغ لإنتاج مركبات خالية من العيوب. كشف التحليل المجهري عن تشتت متجانس لجزيئات التسليح، ونقاء حبيبات، وترابط سطحي جيد بين المادة المصفوفة والتسليح حتى إضافة 2% وزنًا من DPA. ونتيجةً لذلك، أظهرت هذه المركبات تحسنًا ملحوظًا في قيم قوة الشد القصوى (UTS)، وقوة الانضغاط، والصلابة مقارنة بالسبائك الأساسية. ومع ذلك، أدت الزيادة الإضافية في محتوى التسليح إلى توزيع غير متجانس للجسيمات، وتجمع الجسيمات، وضعف البلل، مما أدى إلى تدهور الخصائص الميكانيكية لمركب AA7075-3% وزنًا من DPA. من بين المركبات المصنعة، أظهرت عينات AA7075-2% وزنًا من DPA أعلى تحسن في متوسط صلابة فيكرز (27.74%)، وUTS (66.91%)، وقوة الانضغاط (34.17%) مقارنة بالقيم المقابلة للسبائك المصبوبة. يُحسّن استخدام تقوية DPA في مركبات AMC خصائص المادة، ويُثمّن النفايات الزراعية، ويُوفر بديلًا مستدامًا للتعزيزات الخزفية الاصطناعية عالية التكلفة.

Download

Share

COinS