سنتز كامپوزيت كورديريت- سيليكون نيتريد ( 4(Si3N با استفاده از ذرات نانوسيليكون و بررسي ويژگيهاي ريزساختاري آن

سميه شرفيضمير1، اميرعباس نوربخش2*، مجيد جعفري3 و احمد منشي4
عضو باشگاه پژوهشگران جوان، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجفآباد، اصفهان، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهرضا، گروه مهندسي مواد، اصفهان، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجفآباد، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
استاد، دانشگاه صنعتي اصفهان، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
*nourbakhsh@iaush.ac.ir
(تاريخ دريافت: 26/12/1389، تاريخ پذيرش: 31/03/1390)

چكيده
در اين تحقيق اثر تشكيل سيليكون نيتريد (4(Si3N بر روي تغييرات ريزساختاري بدنههاي كورديريتي با اتصال نيتريدي با استفاده از نانوذرات سيليكون مورد بررسي قرار گرفته است. پودر سيليكون به روش مكانيكي در آسياب سيارهاي پر انرژي تحت اتمسفر آرگون آسياب شد و سپس مخلوطهاي متفاوتي از پودر نانوسيليكون و كورديريت سنتز شده آماده و در دماهاي مختلف در كوره لولهاي تحت اتمسفر نيتروژن به منظور تشكيل باند نيتريدي در زمينه كورديريت، تفجوشي شدند. نتايج حاصله نشان ميدهند كه با استفاده از نانوذرات سيليكون مقدار تشكيل باند نيتريدي افزايش يافته كه اين موضوع به دليل كاهش درجه حرارت تشكيل فاز نيتريدي قبل از تشكيل فاز مذاب كورديريت ميباشد. همچنين نتايج نشان داد كه با استفاده از نانوذرات سيليكون و بدون افزودني، امكان دستيابي به بدنه متخلخل با
شوكپذيري مناسب وجود دارد.

واژه هاي كليدي:
كورديريت، سيليكون نيتريد، ريزساختار، نانوذرات سيليكون.

1- مقدمه
كورديريــ ت (22MgO.2Al2O3.5SiO) بــ ه دليــ ل ضــ ريبانبــساط حرارتــي پــايين، ثابــت ديالكتريــك كــم و پايــداريحرارتـ ي و شـ يميايي بـ الا، بـ ه عنـ وان يـ ك سـ راميك مهـ م تكنيك ي ب ه ط ور گ سترده در ب سياري از كاربرده اي ص نعتيهمچـ ون كامپوزيـ تهـ اي شيـ شه- سـ راميك، ديرگـ دازها، ع ايقه اي حرارت ي و ص وتي، فيلتره ا، ممب رانه ا، المن ته اي حرارت ي، مب دله اي كاتالي ستي و زي ر پاي هه اي چن د لاي هاي ب ه ك ار م يرود [4-1]. از طرف ي كورديري ت داراي اس تحكام مك انيكي نــسبتاً پــايين و هــدايت حرارتــي پــاييني مــي باشــد و محــدوده پخــت باريــك كورديريــت، امكــان اســتفاده از ايــنســـراميك را در دمـــاي بـــالا محـــدود مـــيكنـــد (شـــكل 1) [8- 5].
كامپوزيتهاي اكسيدي- غير اكسيدي در دهه اخير توجه

3-Al2O شكل (1): دياگرام سهتايي 2.MgO-SiO

بسياري از محققين را به خود جلب كرده است. در ميان سراميكهاي غير اكسيدي، سيليكون نيتريد (4(Si3N به دليل خواص مكانيكي و ترمومكانيكي خوب در دماي بالا ميتواند به عنوان فاز اتصالي يكي از مناسبترين مواد در بدنههاي كامپوزيتي اكسيدي- غير اكسيدي باشد [9 و 10]. در سال 1998، آرويد پاستون [11] مطالعاتي بر روي سنتز كامپوزيت كورديريت- سيليكون نيتريد مناسب براي موتورهاي ديزل انجام داد. تحقيقات انجام شده نشان داد كه هدايت حرارتي اين كامپوزيت كمتر از هدايت حرارتي سيليكون نيتريد تفجوشي شده1 ((SSN و به مراتب كمتر از هدايت حرارتي سيليكون كاربيد باند واكنشي2 (RSiC) ميباشد. نتايج تحقيقات محققين نشان داد كه كامپوزيت كورديريت- سيليكون نيتريد، ضريب انبساط حرارتي پايينتر و كاهش كمتري در استحكام شكست و چقرمگي (kIC)، در موتورهاي ديزل نسبت به سيليكون نيتريد تفجوشي شده دارد [11].
هدف از اين تحقيق تشكيل سيليكون نيتري د به صورت درجا در ماتريس كورديريت با استفاده از نانوذرات سيليكون قبل از تشكيل فاز مذاب همراه كورديريت و همچنين بررسي تأثير تغييرات نيتريداسيون كه وابسته به اندازه ذرات سيليكون و دماي واكنش ميباشد. تشكيل سيليكون نيتريد (4(Si3N به صورت درجا در ماتريس كورديريت به وسيله الگوي تفرق اشعه ايكس3 (XRD)، ويژگيهاي حرارتي توسط آناليز حرارتي همزمان4
(STA) و ويژگيهاي ريزساختاري كامپوزيت كورديريت- سيليكون نيتريد به وسيله ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM)5 بررسي گرديد. نتايج حاصله نشان دادكه با استفاده از نانوذرات سيليكون مقدار تشكيل باند نيتريدي افزايش يافته كه اين موضوع به دليل كاهش درجه حرارت تشكيل فاز نيتريدي قبل از تشكيل فاز مذاب كورديريت ميباشد. همچنين نتايج حاصله مؤيد اين مطلب است كه با استفاده از نانوذرات سيليكون و بدون افزودني، امكان دستيابي به بدنه متخلخل با شوكپذيري مناسب وجود دارد.

مواد و روش تحقيق
2-1- مواد خام مورد استفاده
مــواد مــورد اســتفاده، جهــت ســنتز كامپوزيــت فــوق شــاملشـــاموت كورديريـــت، كـــائولن (Z.lids)، تالـــك (جنـــدق)، آلومينـ ا (Nabalox) و پـ ودر سـ يليكون (Elkem) بـ ا متوسـ ط ان دازه دان ه 15 ميكرومت ر م يباش د. آن اليز ش يميايي م واد خ ام ب راي تهيـه ش اموت كورديري ت و پ ودر س يليكون در ج داول(1) و (2) آورده شـده اس ت. تركيـب م واد م ورد ني از جه ت ســاخت شــاموت كورديريــت و بــر طبــق ديــاگرام ســهتــايي 3MgO-SiO2-Al2O تهيـــه شـــده كـــه بـــه منظـــور افـــزايشوي سكوزيته ف از م ذاب هم راه كورديري ت از افزودن ي آلومين ا استفاده گرديد.
ابتدا مـواد اوليـه بـراي تهيـه شـاموت كورديريـت بعـد از تـوزيندر آســياب گلولــهاي6 پرســلاني بــا حجــم 500 ميلــيليتــر بــا
گلول ههـاي از ج نس آلومين ا ب ه م دت 24 س اعت ب ه ص ورت تــر آســياب شــده و بعــد از بــه تعليــق درآوردن دوغــاب، درخــشككــن در دمــاي 80 درجــه ســانتي گــراد بــه مــدت 24 ســـاعت كـــاملاً خـــشك گرديـــد. نمونـــههـــا بـــ ه صـــورت قرصهايي بـا قطـر 25 ميلـيمتـر و ضـخامت 5 ميلـيمتـر توسـطپـ رس تـ كمحـ وري تحـ ت فـ شار 50 مگاپاسـ كال پـ رس و

جدول (1): آناليز شيميايي مواد خام براي تهيه شاموت كورديريت.
مواد خام كائولن (درصد وزني) تالك
(درصد وزني) آلومينا (درصد وزني)
SiO2 47/1 37/5 0/01
Al2O3 36/7 25 99/5
Fe2O3 0/85 0/5 0/03
TiO2 0/17 0/08 –
MgO 0/17 31/5 –
CaO 0/36 0/85 –
K2O 1/02 0/46 –
Na2O 0/03 0/12 –
L.O.I 13/25 7 3/45

جدول (2): آناليز شيميايي پودر سيليكون اوليه.
تركيب سيليكون اوليه درصد وزني
Si 98/73
Fe 0 /8
Al 0/2
Ca 0/02
C 0/05
O2 0/2
متوسط اندازه دانه 15µm
سطح ويژه 1/6-2 m2/gr

سپس نمونههاي تهيه شده در هر تركيب به مدت 3 ساعت در دماهاي 1100 – 1400 درجه سانتيگراد با افزايش دماي 50 درجه سانتيگراد در هر مرحله زينتر گرديدند. از روش ارشميدس به منظور تعيين دانسيته بالك و به منظور انتخاب بهترين نمونه و با بيشترين دانسيته استفاده گرديد.
2-2- آمادهسازي نانوسيليكون
پودر سيليكون به روش مكانيكي در آسياب سيارهاي پر انرژي، در جارهاي پليمري با استفاده از گلولههاي زيركونيايي با دو قطر

شكل (2): نمودار هيستوگرام توزيع اندازه ذرات نانوسيليكون.

متف اوت (10 و 20 ميل يمت ر) ب ه م دت 200 س اعت در اتم سفر آرگون آسياب گرديـد. انـدازه ذرات سـيليكون توسـط دسـتگاه(Malvern-U.K-Model of ZN 3200) انـدازه گيـري گرديـد. توزيع اندازه ذرات در شكل (2) آورده شده است.
ســـــ طح ويـــــ ژه ذرات نانوســـــ يليكون بـــــ ه روش BET
.اندازهگيري شد (Model : 1042- chCoste)
2-3- تهيه مخلوط سيليكون و پودر كورديريت پس از تهيه شاموت كورديريت نمونه بهينه از نقطـه نظـر دانـسيتهانتخاب گرديده و سپس خرد، آسياب و بـا 1، 3، 5 و 10 درصـدوزني پودر نانوسـيليكون مخلـوط و از الـك 75 مـش عبـور دادهشدند. سپس به صورت قرص هايي با قطر 25 ميلي متر و ضخامت 5/3 ميلــيمتـ ر تحـ ت فـ شار 15 مگاپاســكال توســط پـ رس ت كمح وري، پ رس ش دند. بدن هه اي پ رس ش ده در دماه اي
1100-1300 درجــه ســانتي گــراد بــا فاصــله دمــايي 50 درجــه سانتيگراد در كوره لولـه اي (Exciton Model: BE-96) تحـتاتمــسفر نيتــروژن پخــت داده شــدند. از آنجــايي كــه واكــنشنيتريداسيون يك واكنش گرمازاست، عمليات حرارتي طبق يكسيكل پله اي در درجه حرارت 600 درجـه سـانتيگـراد بـا زمـانماندگاري 2 ساعت و در ماكزيمم درجه حرارت پخـت بـا زمـانمان دگاري 3 س اعت ب ا ن رخ ح رارتده ي ح دود °C/min 5 برنامهريزي گرديد . فازهاي كريستالي نمونههـاي تفجوشـي شـدهب ه وس يله الگ وي تف رق اش عه ايك س درKv 40 وmA 30 ب ا

شكل (3): الگوي تفرق اشعه X از كامپوزيت كورديريت با بيشترين دانسيته، C كورديريت، M مولايت، E اسپينل،D كوراندوم.

شكل (4): آناليز حرارتي مخلوط خام كورديت و پودر نانوسيليكون، تفجوشي شده در اتمسفر نيتروژن در دماي 1400 درجه سانتيگراد.

استفاده ازKα Cu انجام شد. ريزساختار نمونههاي تفجوشي شده توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي مدل (Vega//Tescan) مورد بررسي قرار گرفت. همچنين جهت تعيين دماي شروع واكنش نيتريداسيون، آناليز حرارتي همزمان توسط دستگاه مدل (Labsys-Setaram) در اتمسفر نيتروژن تا دماي 1400 درجه سانتيگراد با نرخ حرارتدهي حدودC/min ° 10 استفاده شد.

نتايج و بحث
انتخاب نمونه بهينه شاموت كورديريت بعد از تهيه شاموت كورديريت، براي تعيين دانسيته از روش ارشميدس استفاده شد. نمونه با بيشترين دانسيته در هر دما انتخاب و سپس به منظور تعيين بيشترين فاز كريستالي در شاموت كورديريت از الگوي تفرق اشعه ايكس استفاده گرديد كه نتايج آن در شكل (3) آورده شده است.
آنـاليز حرارتـي كامپوزيـت كورديريـت- سـيليكون نيتريد
نتايج بررسي آناليز حرارتي با پيشسازه سيليكون- كورديريت جهت سنتز كامپوزيت كورديريت- سيليكون نيتريد در شكل (4) نشان داده شده است. نتايج حاصله مؤيد اين مطلب است كه اولين پيك گرماگير در حدود دماي 350 درجه سانتيگراد به كاهش وزني در اثر از دست دادن آب ساختاري و دومين پيك گرماگير در 650 درجه سانتيگراد به دهيتراته شدن كائولينيت مربوط ميشود. پيك گرمازايي كه در محدوده دمايي 1100- 1200 درجه سانتيگراد مشاهده ميگردد، مربوط به نيتريداسيون ذرات نانوسيليكون بوده كه توسط بررسي الگوي تفرق اشعه ايكس نمونههاي تفجوشي شده در 1100 درجه سانتيگراد اثبات گرديد. همانطور كه ملاحظه ميگردد كورديريت، سيليكون نيتريد، اسپينل و كوراندوم در الگوي تفرق اشعه ايكس وجود داشته و در بالا تر از اين دما فاز جديد ديگري تشكيل نگرديده است (شكل 5). پيكهاي كوچك گرمازايي كه در محدوده دمايي 1250-1350 درجه سانتيگراد ديده ميشود احتمالاً به تشكيل فاز كورديريت ارتباط دارد [12]. پيك گرماگير در حدود دماي 1400 درجه سانتيگراد به ذوب سيليكون با اندازه نانو ارتباط مييابد. با توجه به نتايج فوق احتمال انجام واكنشهاي زير در كامپوزيت كورديريت- سيليكون نيتريد وجود دارد.

Intensity
2
θ
(
º
)

Intensity

2

θ

(

º

)

X
شــــكل (5): الگوهــــاي تفــــرق اشــــعه از كامپوزيــــت كورديريــــت – س يليكون نيتري د، ب ا 10 درص د وزن ي نانوس يليكون در دماه اي گون اگون، C كورديريت، S سيليكون نيتريد،E اسپينل، Dكوراندوم.

3Si + 2N2 → Si3N4 (1) MgO + Al2O3 → MgO.Al2O3 (Spinel) (2)
2(Cordierite) MgO + Al2O3 + 5SiO2 → 2MgO.Al2O3.5SiO (3) 2
3-3- تأثير نانو و ميكرو ذرات سيليكون بر روي آناليز فازيكامپوزيت كورديريت- سيليكون نيتريد شكل (5) الگوهاي تفرق اشعه ايكس براي كامپوزيت كورديريت- سيليكون نيتريد با 10 درصد وزني نانوسيليكون در دماهايي 1100، 1200 و 1300 درجه سانتيگراد را نشان ميدهد.
اين الگو كورديريت را به عنوان فاز اصلي و به همراه آن سيليكون نيتريد، اسپينل7 (3MgO.Al2O) و كوراندوم را نشان ميدهد. در شكل (5) مشاهده ميشود كه با افزايش دما شدت پيكهاي سيليكون نيتريد افزايش مييابند ب ه طوري كه در 1300 درجه سانتيگراد بيشترين شدت را براي فاز كريستالي سيليكون نيتريد مشاهده ميشود. از طرفي، شدت پيكهاي كورديريت و اسپينل تقريباً ثابت و شدت پيكهاي كوراندوم با افزايش دما كاهش يافته است.

2θ(º)
شــكل (6): الگــوي تفــرق اشــعهX از كامپوزيــت كورديريــت – ســيليكون نيتري د در دم اي 900 درج ه س انتيگ راد ب ا اس تفاده از پ ودر نانوس يليكون، :C كورديريت، :E ،Si3N4 :S اسپينل، 😀 كوراندوم.

نكتـ ه قابـ ل توجـ ه تـ شكيل سـ يليكون نيتريـ د در دمـ اي 900 درج ه س انتيگ راد ب ا اس تفاده از ذرات نانوس يليكون م ي باش د (ش كل 6). ه ر چن د ش ـدت اي ـن پي ـكه ـا ض عيف ب ـوده ام ان شاندهن ده ت شكيل س يليكون نيتري د در دم اي كمت ري ن سبت بــه دمــاي تــشكيل آن بــا اســتفاده از ذرات بــا انــدازه ميكــرون
م يباش د. پ ايينت ر ب ودن دم اي ت شكيل ف از نيتري دي از دم اي ف از م ذاب هم راه كورديري ت، باع ث ت سهيل فرآين د س اخت كامپوزي ت كورديري ت- س يليكون نيتري د گردي ده ك ه دلي لآن در ارتباط با استفاده از نانوذرات سيليكون ميباشد.
در فرآين د نيتري ده ك ردن م ستقيم س يليكون فل زي، ابت دا ف يلم نــ ازكي از ســ يليكون نيتريــ د روي ســ طح ذرات ســ يليكون تشكيل مي شـود و بـه مـرور نيتـروژن از ايـن لايـه بـه داخـل ذرهنفوذ مـيكنـد تـا كـل ذره سـيليكون تبـديل بـه سـيليكون ن يتريـد (4(Si3N شـ ود. بـ ه همـ ين دليـ ل اگـ ر ذرات سـ يليكون اوليـ ه درشـ ت باشـ ند، مقـ دار زيـ ادي سـ يليكون آزاد در محـ صول نه ايي ب اقي خواه د مان د. در نت ايج ب ه دس ت آم ده از الگ وي تف رق اش عه X س يليكون آزادي م شاهده نگردي د، اي ن ن شان م يده د ك ه ب ا ك اهش ان داره ذرات در ان دازه ن انو و اف زايش س طح وي ژه (m2/gr 12-13) واك نشپ ذيري س يليكون ب ا گ ازازت زي اد ش ده و عم ق نف وذ نيتـروژن ب ه دلي ل اس تفاده ذرات ب ا ان دازه ك وچكتر اف زايش مـي ياب د و ب ه هم ين دلي ل مق داربيـ شتري از سـ يليكون نيتريـ د در مقايـ سه بـ ا اسـ تفاده از ذرات ب ا ان دازه ميك رون ت شكيل ش ده و رش د كري ستاله اي آن ني ز افـ زايش مـ ييابـ د [13]. از طـ رف ديگـ ر بـ ه دليـ ل محـ دوه باريــك پخــت كورديريــت، اســتفاده از نــانوذرات ســيليكونموجــب كــاهش دمــاي تــشكيل ســيليكون نيتريــد مــيگــردد، بنـ ابراين از ذوب كورديريـ ت در طـ ي فر آينـ د تفجوشـ ي در دم اي ب الا جل وگيري ك رده و ع دم ح ضور ف از م ذاب باع ثبهتر نيتريده شدن قطعه بخصوص در عمق آن ميگردد.
3-4- تأثير اندازه ذرات سيليكون بر روي دانسيته و تخلخل شـــــكل (7) منحنـــــي دانـــــسيته و تخلخـــــل كامپوزيـــــتكورديري ت- س يليكون نيتري د را ب ا اس تفاده از 5 و 10 درص د وزن ي پ ودر س يليكون ب ا ان دازه نـانو ك ه در مح دوده دم ايي1100-1300 درجــه ســانتي گــراد تفجوشــي شــدهانــد، نــشانم يده د. هم انطور ك ه م شاهده م ي ش ود، ب ا اف زايش دم ا وافـــزايش مقـــدار پـــودر نانوســـيليكون دانـــسيته كامپوزيــ تكورديريـ ت- سـ يليكون نيتريـ د (4(Si3N كـ اهش مـ ييابـ د.
كـ اهش دانـ سيته بـ ه دليـ ل افـ زايش حجـ م در اثـ ر تبـ ديلس يليكون ب ه س يليكون نيتري د م يباش د. ب ه دلي ل اس تفاده از نـ انوذرات سـ ـيليك ون افـ زايش حجـ م بيـ شتري و بـ ه علـــتتـ شكيل بيـ شتر فـ از نيتريـ دي مـ شاهده گرديـ ده و از طـ رفديگـــر افـــزايش تخلخـــل ناشـــي از افـــزايش حجـــم نيـــز دركامپوزيـ ت كورديريـ ت- سـ يليكون نيتريـ د قابـ ل تـ شخيص مـ يباشـ د كـ ه ايـ ن حقيقـ ت در توافـ ق بـ ا كـ اهش دانـ سيته ميباشـد (شـكل 6). بررسـي انجـام گرفتـه بـر روي سـطح ويـژهب راي ذرات نانوس يليكون در مقاي سه ذرات ب ا ان دازه ميك روننــشان داد كــه ســطح ويــژه ازm2/gr 2-6/1 مربــوط بــه ذراتميكــرون بــهm2/gr 13- 12 مربــوط بــه ذرات بــا انــدازه نــانوافزايش يافتـه اسـت. لـذا مـيتـوان نتيجـهگيـري كـرد كـه سـطحويـژه ذرات تقريب اً ب ه شـش براب ر اف زايش ياف تـه اس ت، بن ابرايننيتريداس يون بي شتر و در پ ي آن اف زايش حج م بي شتري پدي دخواهد آمد.

شكل (7): منحني دانسيته و تخلخل كامپوزيت كورديريت- سيليكون نيتريد با استفاده از 5 و 10 درصد وزني پودر سيليكون با اندازه نانو تفجوشـي شـده درمحدوده دمـايي 1100-1300 درجـه سـانتيگـر اد، ■: 5 درصـد وزنـي، ♦: 10 درصد وزني.

بر طبق نتايج دانسيته، آناليز حرارتي و الگوي تفرق اشعه X دماي 1100 درجه سانتيگراد به عنوان دماي پخت بهينه براي كامپوزيت كورديريت- سيليكون نيتريد انتخاب گرديد. همچنين جهت بهبود خواص مكانيكي، افزايش درجه حرارت تا 1300 درجه سانتيگراد كه با توجه به دياگرام سهتايي (3MgO-SiO2-Al2O) نزديك به نقطه ذوب كورديريت ميباشد، نيز مورد بررسي قرار گرفت.
3-5- تأثير نانوذرات سيليكون بر روي ريزساختار سراميك متخلخل كورديريت با استفاده از باندهاي نيتريدي در دماهاي 1100 و 1300 درجه سانتيگراد شكل (8) تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از كامپوزيت كورديريت- سيليكون نيتريد سنتز شده در دماهاي 1100 و 1300 درجه سانتيگراد با استفاده از 10 درصد وزني نانوسيليكون را نشان ميدهد. همراه با آناليز EDS كه قسمتهاي سفيد فاز سيليكون نيتريد و قسمتهاي خاكستري فاز كورديريت را نشان ميدهد (شكل 8- الف و ب). در اين تصوير تشكيل فاز نيتريد به روي سطح اگريگيتهاي كورديريت با مورفولوژي هممحور به خوبي ديده ميشود. با افزايش بيشتر دما تا 1300 درجه سانتيگراد كه نزديك به دماي ذوب كورديريت ميباشد، مورفولوژيهاي مختلفي از سيليكون نيتريد مشاهده ميشود (شكل 8- ج و د). مورفولوژي اول ويسكرهاي بلندي با ارتفاع 1 ميكرومتر و قطر كمتر از 200 نانومتر (كه در شكل (8- د) نشان داده شده است) ديگري ذرات هممحور كوچكي در حد ميكرومتر كه در بعضي قسمتها به صورت آگلومره در آمدهاند كه ميتواند به مكانيزم SDP8 (انحلال، رسوب، نفوذ) مربوط ميشود [14]. ويسكرهاي α از طريق مكانيزم بخار- مايع- جامد تشكيل ميشوند [15]. تشكيل فاز سوزني شكل سيليكون نيتريد

692658-5113775

ب

الف

ج

د

ب

الف



قیمت: تومان


پاسخ دهید