سنتز و بررسي خواص پودر نانومتري سيليكون كاربايد به روش سل ژل

ابوالحسن نجفي1*، فرهاد گلستاني فرد2 ، حميدرضا رضايي2 و ناصر احساني3

دانشجوي دكتري، دانشكده مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه علم و صنعت ايران
استاد، دانشكده مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه علم و صنعت ايران
دانشيار، دانشكده مواد و تكنولوژي ساخت، دانشگاه صنعتي مالك اشتر، ايران
*ab_najafi@iust.ac.ir
(تاريخ دريافت: 06/02/1390، تاريخ پذيرش: 25/02/1390)

چكيده
اخيرا تكنيك هاي جديد و پيشرفته اي در جهت سنتز پودرهاي نانو متري مطرح شده است كه تكنيك سل ژل يكي از روشهاي جديد و نو جهت سنتزنانوپودرهاي سراميكي ميباشد. در اين روش ميتوانβ-SiC را با استفاده از آلكوكسيدهـا و منـابع كربنـي سـنتز نمـود. مزيـت هـا ي ايـن روش شـاملخلوص بالا، افزايش اكتيويته شيميايي، عدم نياز به امكانات پيچيده و امكان مخلوط سازي در حد ابعاد مولكولي ميباشد. در ايـن تحقيـق فراينـد سـنتزنانو پودرSiC با استفاده از TEOS و رزين فنوليك بررسي گرديد. همچنين به منظور بررسي خواص سل اثر pH بر زمـان ژلاسـيون بررسـي گرديـد . در ادامه پس از سنتز نمونههاي لازم، عمليات حرارتي در دماهاي 700، 1400 و C˚ 1500 در كوره تيوپي و اتمسفر آرگـون انجـام گرديـد. توزيـع انـدازهذرات با استفاده از دستگاه آناليز ليزري بررسي شد. همچنـين بـا اسـتفاده از بررسـيهـا ي فـازي و ريـزسـاختاري توسـط پـراش پرتـو ايكـس (XRD) و ميكروسكوپ الكتروني روبشي ((SEM از نمونههاي عمليات حرارتيشده، دماي بهينه واكنش سنتز پودر نانو SiC و انـدازه آگلـومره هـا ي احتمـالي بـه دست آمد و در آخر اندازه و شكل ذرات در مطالعات تصاوير توسط ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM) بررسي گرديد.

واژه هاي كليدي:
سنتزنانوپودر، سل – ژل ، مواد افزودني، نانومواد، تترا اتوكسي سيلان،β-SiC

1- مقدمه
امروزه اهميت و كاربرد كاربيدهاي ديرگداز سريعا در حال رشداست و اين امر نه تنها از جنبه تجاري بلكه بر اسـاس كاربردهـايديرگـدازي و اسـتحكام آنه ا از قبيـل ابزاره اي برشـي و س اينده ميباشد. كاربيدهاي د يرگـداز داراي سـختي و مقاومـت بـالا دربرابر سايش بوده و نقطه ذوب بالايي دارنـد و از لحـاظ شـيمياييخنثي هستند . كاربيد سيليسيم (SiC) يكي از سـراميكهـاي غيـراكسيدي مـيباشـد كـه داراي كاربردهـاي صـنعتي وسـيع اسـت. كاربيد سيليسيم در دو شكل بلـوري مختلـف وجـود دارد، يكـيكاربيد سيليسيوم مكعبي بـه نـامβ-SiC و ديگـري يـك سـري ازشكلهاي هگزاگونال به نـامα-SiC . كاربيـد سيليـسيوم مكعبـيتنها در زير دماي C˚2100 تهيه مـي گـردد و سـاختار آنFCC و شبيه ساختار بلند روي اسـت. كاربيـد سيليـسيوم غيـر مكعبـي دربالاترين دماي تشكيل كاربيد سيليسيوم به وجود ميآيـد و دارايتركيبات مختلفي است [1].
امروزه اهميت تهيه محصولات كاربيدي نانو سايز بيش از گذشتهآشكار شده است. دلايل اين امـر را مـيتـوان در آسـانتـر بـودنزينتر ذرات كاربيدي دانه ريز، عدم نيـاز بـه دمـا و فـشارهاي بـالاجهت زينتر، عدم نياز به افزودنيهاي كمك زينتر، امكـان انجـامزينترينگ در حالت جامد، كنترل بهتر مورفولوژي و ريزسـاختارو اف زايش س طح مخ صوص و قابلي ت واك نش پ ذيري آنه ا در حالت نانو سايز دانست [2و3].
در حال حاضر استفاده از روشهاي جديد به ويژه روش سـل ژلدر اين زمينـه اهميـت بـسياري يافتـه اسـت. از مزايـاي ايـن روش ميتوان به خلوص بالا، افزايش اكتيويتـه شـيميايي، عـدم نيـاز بـهامكانات پيچيده، افزايش قابليت سينتر مـواد، قابليـت دسـتيابي بـهمقادير بالاي توليد، قابليت كنترل خواص و مورفولـوژي، امكـانمخلوطسازي در حد ابعاد مولكـولي، امكـان توليـد ذرات بـسياركوچك با قطر يكسان، امكان ساخت ذرات با سـطح مخـصوصبسيار بالا و قابليت كنترل و كاهش مواد اوليه واكـنش نكـرده درمحصول نهايي نام برد [4].
تحقيقات نشان داده است عوامل مختلفي در شرايط سـنتز وجـوددارد كه شامل نسبتH2O/Si ، نوع كاتاليزور، حلال، دما و فـشاراس ت ك ه تم ام اي ن عوام ل باع ث تغيي ر در س اختار و خ واص محصولات پلي سيليكات ميشود [5]. از معادلات فراينـدي سـلژل مشهود است كه ساختار سيليكات با واكنشهاي هيـدروليز وچگالش تكامل مـييابـد . بـه دليـل اينكـه شـكل، انـدازه و ميـزانذرات سيليكاتي از نحوه انجام اين واكنشها بـه وجـود مـيآيـد،سوالهاي اساسي مربوط به هيدروليز و چگالش در ايـن مـواد دررابطه با عوامل فيزيكي و شـيميايي كـه انجـام ايـن واكـنشهـا راتحت شرايط مختلف تحت تاثير قرار ميدهنـد مطـرح مـيشـود .
تحقيقات زيادي در حـوزه سـنتز پـودرSiC و خـواص آن انجـامشده اسـت كـه بـه چنـد مـورد اشـاره مـيشـود . اسـتفاده از فعـال كنندههاي سـطحي جهـت پايـدار كـردن ذرات پـيشسـازنده درداخل سوسپانسيون، يكي از اهداف تحقيقاتي بـسيار نـو و جديـددر حوزه سنتز نانو مواد SiC است [6].
آرياگادا1 و همكارانش بـا اسـتفاده از نـسبتهـاي مختلـف فعـالكنندههاي سطحي توانستند ذرات نانو سـيليكا را سـنتز كننـد [7]. جين وانگلي2 وهمكارانش توانستند از طريق تكنيك سـل – ژل و احياي كربوترمال و با استفاده از مواد پيش سازنده 2SiO و رزيـنفنوليك ذرات پودري SiC را سنتز كنند [8].
آنچه كه مشخص است اين است كه فعاليتهاي فراواني در ايـنزمينه انجام شده است اما در اين تحقيق سعي بر آن اسـت كـه بـاانتخاب مواد پيش سازنده مناسب و كنتـرل پارامترهـاي سـنتز، بـهمحصول سراميكيβ-SiC با خـواص بـسيار پيـشرفته دسـت پيـدانمود. نوآوري در اين تحقيق، كنتـرل همزمـان پارامترهـاي سـنتزكه شاملpH ، دماي سـنتز، اسـتفاده از پراكنـده سـاز بـسيار قـويAPC در حين فرايند سل – ژل بود كه اين شرايط منجـر بـه توليـدمحصول بسيار خالص با ابعادي در حد 50 – 30 نـانومتر و سـطحويژه بسيار بالا گرديد.

2- مواد و روش تحقيق
جهـــ ت تهيــــه نمونــــههـــ ا از تتـــ را اتوكـــ سي ســــيلان ( Merck Ag 20°C, TEOS, 208.33 g/mol, 0.934 g/cm3 at Germany ) به عنوان منبع سيليكون، از رزين فنوليـك (Resol, RIL 800 Resitan Co, Iran) به عنـوان منبـع كربنـي، از اتـانولواستون (Merk Ag Germany) به عنوان حلال پيش سازندهها و
از اسـيد كلريـدريك(HCl, Merk AG Germany) بـه عنـوانكاتاليزور استفاده شـد. روش انجـام فرآينـد در شـكل (1) آورده شده است. همانطـور كـه در فلوچـارت مـشاهده مـيشـود ابتـدامحلـول ml60 تتـرا اتيـل اورتوسـيليكات همـراه بـاml 40 آب و ml30 اتانول تهيه گرديد. سـپس رزيـن فنوليـك كـه درml 100 استون رقيق شده بود، به محلول فـوق اضـافه شـد. محلـول تحـتسيستم برگشت پذير(reflax) بر روي يك همـزن مغناطيـسي بـهمدت لازم كاملاً هموژن و يكنواخت گرديد. در ايـن مـدتpH محلول در حين يكنواختسازي سل با اضافه كـردن مقـادير لازمكاتاليزور كاملاً كنترل ميشد. در مرحل هي بعد براي پايدارسازيمحلـــول، مقـــادير لازم فعـــال كننـــده ســـطحي اضـــافه شـــد (APC, 0,05 mol/lit). براي كامل شدن واكنشهاي هيدروليز و ادامهي تشكيل ذرات 4 Si(OH)، محلول الكلزدايي شد كه ايـنفرآيند در دمـاي حـدودC o40 انجـام گرديـد. در اثـر كـم شـدنالكل، محلول توسط آب رقيق شد تا با افزايش غلظت، به محلولشوك وارد نشده و زودتر از حد معمول تبديل به ژل نگـردد. در ايــن مرحلــه، محلــول شــامل ذرات يكنواخــت و بــسيار ريــز از4Si(OH) و رزين ميباشـد . در ادامـه بـا افـزايش دمـا و گذشـتزمــان در اثــر واكــنش چگــالش (آب زدايــي و الكــل زدايــي ) مونومرهـ ا بـ ه هـ م پيوسـ ته و تـ شكيل پليمرهـ اي بـ ا پيونـ د
.ميدهد (= Si – O – Si=) سيلوكسان
اين پليمرها به هم پيوسته و يك ساختار زنجيرهاي كه فاز مايع در داخل آن محبوس شده است، تشكيل مـيدهنـد . فـاز كربنـي نيـزكاملاً هموژن در ابعاد مولكولي در داخل ساختار پليمر فـرورفتـهاست. پودر حاصل داراي سطح مخصوص بسيار بالا و كاملاً نـرماست.

اورتوسيليكات

تترااتيل
Si(OC
2
H
5
)

4

فنوليك

رزين

+
لول
مح

ن
رزي
:
(

ل
س
Si(OH)
4
(
ل
س

دن
ر
ك

ايدار
پ
ر
ت

ل
ژ
شده

ح
اصلا

ل
ژ
شده

خشك

ژل
آمورف

ودر
پ
ودر
پ
β‐
SiC

هيدروليز

نگهداري

كلسيناسيون
)
ساز

پراكنده
0.05
mol/lit APC
(

چگالش
)

زدايي

آب

و

زدايي

الكل
)

كردن

خشك
(
مولكولي

ب
آ
)

مختلف

دماهاي

در

حرارتي

عمليات
T = 25 ºC
T = 40 ºC
T = 60 ºC
P = 1 atm , T
= 25
T = 110 ºC
T = 700 ºC

اورتوسيليكات

تترااتيل

Si(OC

2

H

5

)

4

فنوليك

رزين



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید