مطالعه و آناليز فازي پودر نانوكامپوزيت 3Cu-Al2O ساخته شده با روش ترموشيميايي

زهرا سيدرئوفي1، حسن ثقفيان2 و سعيد شبستري3
دانشجوي دكتري، دانشكده مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه علم و صنعت ايران
استاديار، دانشكده مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه علم و صنعت ايران
استاد، دانشكده مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه علم و صنعت ايران
zahraseyedraoufi@.iust.ac.ir

چكيده
در مقاله حاضر فرآيند ساخت پودر نانوكامپوزيت 3Cu-5wt%Al2O و 3Cu-3wt%Al2O به روش ترموشي ميايي، مطالعـه شـدهاسـت . فازهـايتوليد شده در مراحل مختلف عمليات حرارتي توسط آناليز SEM ،XRD ،DTA-TGAو TEM شناسايي شدند. پودرهاي نانوكامپوزيـت از طريق مراحل زير توليد شدند، آمادهسازي محلول آبي نيترات مس و نيترات آلومينيوم براي دستيابي بهتركيب نهـايي ، حـرارت د ادن محلـولآبي و ساخت پودر اوليه، عمليات حرارتي نمكزدايي، عمليات حرارتي براي تشكيل آلومينا در دماهاي مختلف و احياي اكسيد مس بهمس در دماهاي مختلف در اتمسفر هيدروژن. دماي بهينه براي تشكيل آلومينا و احياي پودرها، به ترتيب در 850 و 820 درجه سانتي گراد بهدست آمد. اندازه ذرات آلوميناي تشكيل شده بهروش ترموشيميايي حدود 50-20 نانومتر بود.

واژه هاي كليدي:
مس، آلومينا، نانوكامپوزيت، روش ترموشيميايي، آناليز فازي.

1- مقدمه
مس مي تواند با ادغـام شـدن بـا ذرات ريـز سـراميكي كـه باعـث
ك اهش ن سبتاً ك وچكي در ه دايت الكتريك ي م س م يش وند مستحكم شود [1]. كامپوزيتهاي زمينه فلزي مس با تقويتكننـدهآلومينا، هـدايت الكتريكـي بـالاي فلـز مـس، قابليـت شـيميايي وحرارتي بالا و استحكام بـالاي فـاز آلومينـا را تركيـب مـيكننـد ، بنابراين كامپوزيت هاي مـس- آلومينـا پتانـسيل ارائـه اسـتحكام و هـ دايت الكتريكـ ي بـ الا را دارنـ د [2]. نيـ از عمـ ده سـ اختار نانوكامپوزي ته اي زمين ه م س ب راي اس تحكام ب الا و مقاوم ت سايشي بالا توزيع يكنواخت ذرات تقويتكننده نانوسـايز اسـت،بههمين دليل روش ساخت ايـن نانوكامپوزيـتهـا بـراي دسـتيابي بهتوزيع يكنواخت و ذرات نانوسايز از اهميت ويژهاي برخـوردار است [3].
براي ساخت اين نانوكامپوزيت از تكنيك درجا استفاده ميشـودكـــه در آن ذرات تقويـــت كننـــده در طـــي فر آينـــد ســـاختنانوكامپوزيت از طريق واكنشهاي شيميايي تشكيل مـيشـوند ومنجر به ايجاد ذرات با سـايز بـسيار كوچـك و توزيـع يكنواخـتآنها ميشود [4 و 5].
براي ساخت نانوكامپوزيتهـا ي زمينـه مـس روشهـاي مختلفـيمانند اكسيداسيون داخلـي، آلياژسـازي مكـانيكي، ترموشـيمياييوج ود دارد. توزي ع غي ر يكنواخ ت ذرات اك سيدي از خ واصالكتريكي و مكانيكي اين نانوكامپوزيت ميكاهد [2]. تحقيقـاتصــورت گرفتــه [1، 4، 5 و 6]، نــشان مــي دهــد كــه بــا روش ترموشيميايي به توزيع يكنواخت تـري از ذرات همـراه بـا سـاختار نانوسايز ميتوان دست يافت كه باعث بهبود خواص الكتريكي ومكانيكي اين نانوكامپوزيتها خواهد شد.
در اي ن تحقي ق، پ ودر نانوكامپوزي ت 3Cu-Al2O ح اوي 3 و 5 درصد وزني آلومينا با روش ترموشيميايي سـاخته شـد و فازهـايتشكيل شده در مراحـل مختلـف عمليـات حرارتـي جهـت سـنتزپودر نانوكامپوزيت نهايي تحت بررسي و مطالعه قرار گرفت.

2- مواد و روش تحقيق
فرآيند توليد پودر نانوكامپوزيت 3Cu-Al2O شـامل مراحـل زيـرميباشد:
ســاخت محلــول آبــ ي نيتــرات مــس (Cu(NO3)2.3H2O) و نيترات آلوم ينيوم (Al(NO3)6.9H2O) متناسب بـا ترك يـب نهـاييمحصول (نانوكامپوزيت 3Cu-Al2O حـاوي 3 و 5 درصـد وزنـيآلومينا).
حرارت دادن محلول آبي و ايجاد پودر اوليه.
عمليات حرارتـي نمـكزدايـي پودرهـاي حاصـل در هـوا دردماي 400 درجه سانتيگراد بهمدت 3 ساعت.
عمليات حرارتـي بـراي تـشكيل آلومينـا در دماهـاي مختلـف
700، 750، 800، 850، 1000 و 1150 درجه سانتيگراد بـهمـدتيك ساعت در هوا.
عمليات حرارتي احياي اكسيد مـس در اتمـسفر هيـدروژن دردماه اي 400، 500، 600، 700، 800 و 820 درج ه س انتيگ راد بهمدت يك ساعت براي توليد پودر نانوكامپوزيت.

شكل (1): الگوي پراش اشعه ايكس پودرهاي شامل 5 درصد وزني آلومينا و عمليات حرارتي شده در دماي 400 درجه سانتيگراد و زمان يك ساعت.

بع د از عملي ات حرارت ـي نم ـك زداي ي، پودره ـا تح ـت آن اليز
TEM ،SEM ،XRD ،DTA-TGA و EDSقـرار گرفتنـد. بـرايت شخيص بهت ر فازه ا بع د از عملي ات حرارت ي در 1150 درج ه سانتيگراد، بهپودرهاي حاصل ، محلول اسيد نيتريـك 10 درصـداضافه شد تا اكـسيد مـس موجـود حـل شـده و مـابقي تركيبـاتشناسايي شوند.
مدل دستگاه XRDاستفاده شـده ، JEOL-JDX-8030 مـي باشـد ك ه در آن از اش عه Kα م س ب ا ط ول م وج A°54/1، جري ان mA20 و ولتاژ KV30 استفاده مي شـود. دسـتگاهTEM كـه دراين تحقيق استفاده شد، Zeiss بـا قـدرت 3/0 نـانومتر بـود . مـدلدس تگاه DTA-TGA ب هك ار رفت ه، STA 409 PC ،Netzschساخت كشور آلمان ميباشـد و دسـتگاه SEM سـاخت شـركتPhilips، مدل XL30 ميباشد.

3- نتايج و مباحث
پس از انجام عمليـات حرارتـي نمـك زدايـي (خـروج رطوبـت وتركيبات فرار شامل نيتراتها)، آناليزXRD روي پودرها صورتگرف ت. ش كل (1) الگ وي پ راش اش عه ايك س پودره ايي ب ا 5 درصد وزني آلومينا را بعد از عمليات حرارتي نمكزدايي نـشانميدهد.
با توجه بهشكل (1) مشاهده ميشود كـه تنهـا پيـكهـاي مربـوط بهفاز اكسيد مس حضور دارند. در اين مرحله پيـكهـاي مربـوط بهفاز آلومينا مشاهده نشد. بنابراين عمليـات حرارتـي دوم در هـوادر دماهاي بالاتر براي سـنتز فـاز آلومينـاي پايـدار انجـام شـد. بـا
توج ه ب هنام شخص ب ودن دم اي ت شكيل ف از آلومين ا، عملي ات حرارتي دوم براي تشكيل آلومينا در هـوا در دماهـاي 700، 750، 800 و 850 درجه سانتيگراد به مدت يك ساعت بر روي پودرهاانجام شد.
ش كل (2) پ راش XRDمرب وط ب هدماه اي مختل ف عملي ات حرارتي در هوا براي تشكيل فاز آلومينا را نشان ميدهد. ملاحظه ميشود كه از دماي 800 درجـه سـانتيگـراد فـاز آلومينـا شـروع بهظاهر شدن كرد و در دماي 850 درجه سانتيگراد تـشكيل ايـنفاز كامل شد، بنابراين ميتوان گفت دماهاي بالاتر از 800 درجهسانتيگراد مي تواننـد بـهانـرژي فعالـسازي بـراي تـشكيل در طـيعمليات حرارتي در هوا غلبه كنند. با توجه بهاين كه تـشكيل فـازآلومينا در دماي 850 درجه سانتيگراد كامل شده است، بنـابراينميتوان گفت كه دماي بهينه براي تشكيل فاز آلومينا، 850 درجهسانتيگراد ميباشد.
شكل (3) تصوير TEM پودر اكسيدي بعـد از عمليـات حرارتـيبراي تشكيل آلومينـا در دمـاي 850 درجـه سـانتي گـراد را نـشان ميدهد. فاز سياه رنگ مربوط بهاكسيد مس و ذرات ريز كروي، فاز آلومينا را نشان ميدهد. اندازه ذرات آلومينا حاصل از تصوير TEM حدود 50-20 نانومتر بهدست آمد.
بعد از عمليات حرارتي نمكزدايي، آناليزDTA-TGA بـر رويپودرهاي شامل 3 و 5 درصد وزني آلومينا انجام شد. منحنيهـايDTA-TGA ايــن پودرهــا در شــكل (4) بــهترتيــب نــش ان داده شدهاست.
با توجه بهشكلها مشاهده ميشود كـه منحنـيهـايDTA-TGA پودره ايي ب ا 3 و 5 درص د وزن ي آلومين ا م شابه م ي باش د. در تحقيقات صورت گرفته بيان شدهاست [3] كه تشكيل فاز آلوميناروي منحنيDTA به صـورت پيـك شـارپ و مـشخص خـود را

مطالعه و آناليز فازي پودر نانوكامپوزيت 3Cu-Al2O ساخته شده با روش ترموشيميايي 3
76962-1832183

ب

ج

الف

ب

ج

الف

XRD شكل (2): پـراش پودرهـاي شـامل 5 درصـد وزنـي آلومينـا و عمليـاتحرارتي شده در دماهاي (الف) 750، (ب)800 و (ج) 850 درجه سانتي گـرادو زمان يك ساعت.

200
nm

200

nm

شكل (3): تصوير پودرهاي شامل 5 درصد وزني آلومينا و عمليات حرارتي شده در دماي 850 درجه سانتيگراد و زمان يك ساعت.
TEM

الف

ب

الف

ب

شكل (4): منحنيهاي پودر (الف) و
Cu-3wt%Al2O3DTA-TGA
(ب) 3 Cu-5wt%Al2Oحاصل از روش ترموشيميايي.

نشان نمي دهـد ، امـا نتـايج حاصـل از آنـاليز XRD نـشان داد كـهشروع تشكيل فاز آلومينا از دماي 800 درجه سانتيگراد ميباشد.
روي منحنيTGA نيز تا دماي حـدود 1000 درجـه سـانتيگـرادتغيي ر وزن قاب ل ت وجهي رخ نم يده د. در دم اي ح دود 1000 درجه سانتي گراد روي هر دو منحنـيTGA كـاهش وزن حـدود10 درصدي قابل مشاهده ميباشد و روي منحني DTA آنها نيـزيك پيك گرماگير مشاهده ميشـود . همچنـين در دمـاي حـدود1150 درجه سانتيگراد، روي هر دو منحنيTGA افـزايش وزنحدود 2 درصد مشاهده ميشود كه منطبق بر يك پيك گرماگيردر دم اي ح دود 1150 درج ه س انتيگ راد روي ه ر دو منحن ي DTA ميباشد.
براي تعيين فازهاي تـشكيل شـده در ايـن دو دمـا، پودرهـا در دودم اي 1000 و 1150 درج ه س انتيگ راد در ه وا ب هم دت ي ك ساعت عمليات حرارتي شدند و بر روي پودرهاي حاصـل آنـاليزXRD انجام شد.
شكل (5) الگوي پـراش اشـعه ايكـس پودرهـا در دمـاي 1000 و 1150 درج ه س انتيگ راد را ن شان م يده د. ب ا توج ه ب هش كل
(5- ال ف) ملاحظ ه م يش ود ك ه ع لاوه ب ر پي كه اي مرب وط بهفازهاي اكسيد مس و آلومينـا، پيـكهـاي مربـوط بـهفـاز سـوم4CuAl2O ني ز ح ضور دارن د، بن ابراين م ي ت وان گف ت پي كگرماگير در دماي 1000 درجـه سـانتيگـراد روي منحنـي DTA نشاندهنده تشكيل فاز 4CuAl2O ميباشد.
شكل (5- ب ) الگـوي پـراش اشـعه ايكـس پودرهـاي حاصـل ازانحلال در محلول اسيد نيتريك را نشان ميدهد. با توجه بهشـكلمشاهده مي شود كه در دماي 1150 درجه سـانتي گـراد عـلاوه بـرپي كه اي ف از آلومين ا و 4CuAl2O، پي كه اي مرب وط ب هف از 2CuAlO نيز مشاهده ميشـود . بنـابراين بـا توجـه بـهنتـايجXRD پودرهاي عمليات حرارتي شده در دماهاي 1000 و 1150 درجـهسانتيگراد مي تـوان گفـت كـه دو پيـك گرمـاگير روي منحنـيDTA پودرها بـهترتيـب مربـوط بـهتـشكيل فازهـاي 4CuAl2O و
2CuAlO ميباشد. در تحقيقات صورت گرفته بيان شدهاست [1] كه پس از تشكيل اكسيد مس و آلومينا دراثر نفـوذ متقابـلCuO و 3Al2O فاز آلومينا تبديل بهفازCuxAlyOz مي شود. در بعـضياز تحقيقات نيز بيان شدهاست [7] كه اين تركيبات مـيتواننـد دراثر واكنشهاي زير ايجاد شوند:
Cu2O + ½ O2 = 2 CuO (1) Cu2O + Al2O3 = 2 CuAlO2 (2)
CuO + Al2O3 = CuAl2O4 (3)

الف
ب



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید