توليد نانوكامپوزيت زمينه سراميكي TiB2-TiC به روش MASHS با
استفاده از سه فرمولاسيون متفاوت

بهزاد امينيكيا1*، سيد علي طيبي فرد2، اميرعلي يوزباشي2
كارشناس ارشد، پژوهشگاه مواد و انرژي، كرج، ايران
استاديار، پژوهشگاه مواد و انرژي، كرج، ايران
*behzad_aminikia@yahoo.com
(تاريخ دريافت: 10/04/1390، تاريخ پذيرش: 20/05/90)

چكيده
در ايــــن پــــژوهش، نانوكامپوزيــــتTiB2-TiC بــــا اســــتفاده از ســــه فرمولاســــيون متفــــاوتِ 1: (Ti/B4C) :2 ،(Ti/B/C) و 3: (TiO2/H3BO3/Mg/C) به روشMASHS سنتز شد و تأثير فعالسازي مواداوليه بر ساختا ر نهايي نيـز مـورد بررسـي قرارگرفـت. مخلوط پودري اوليه از طريق آسيابكاري مكانيكي فعال و سپس در يك كـورهي تيـوبيC ◦1100 سـنتز شـد. آنـاليزXRD وSEM نمونههاي آسياب شده نشان داد كه در مورد واكنش (2) و (3) فرآيند آسياب به تنهايي نميتواند در سنتز فازهاي TiC و TiB2 موفق باشد و انجام واكنش احتراقي جهت تكميل فرآيند سنتز ضروري است. در مورد مخلوط (1)، مـدت زمـان 6 سـاعت آسـياب جهـتسنتز محصولات كفايت نمود. آناليز XRD وSEM نمونه هاي سنتز شده در كوره نشان داد كه با پيش آسـيابكـاري مخلـوط (2) بـهمدت 6 ساعت و مخلوط (3) به مدت 1 ساعت بهترين نتايج به دست ميآيد.

واژه هايكليدي:
نانوكامپوزيت، كاربيد تيتانيوم، فعال سازي مكانيكي، MASHS، سنتز احتراقيِ خودگسترِ دما بالا

1- مقدمه
با در نظر داشتن اين نكته كه تيتـانيم دي بوريـد (2(TiB وكاربيـدتيتانيم (TiC) هر دو داراي ويژگـيهـايي چـون نقطـه ذوب بـالا،س ختي ب الا، مقاوم ت در براب ر ش وك حرارت ي خ وب، ثب ات حرارتي بالا و سبكي هستند [1]، بنابراين ميتـوان انتظـار داشـتك ه كامپوزي ت اي ن تركيب ات ك ه ج زء كامپوزي ته اي زمين ه سراميكي محسوب ميشـود، عـلاوه بـر دارا بـودن ايـن خـواص،ويژگــي هــاي ممتــاز مكــانيكي را نيــز د اشــته باشــد . امــروزه كامپوزي ته اي زمين ه س راميكي ب ه واس طه بهب ود قاب ل توج ه مقاومت در برابر شكست به نـسبت سـراميكهـاي تـك تركيـبتوجه زيادي را به خود جلب كرده است. از ويژگيهاي بار ز اين سيستمها مي توان به خواص مكـانيكي، مقاومـت خـوب در برابـراك سيداسيون و مقاوم ت ش وك حرارت ي و خ واص حرارت ي و الكتريكي عالي اشارهِ داشت. از جمله كاربردهاي اين كامپوزيت عبارتست از : قطعات سـازهاي در جاهـاييكـه خـواص حرارتـي،مكانيكي، مقاومت به اكـسيداسيون و شـوك پـذيري مهـم اسـتنظير: موتورهـاي جـت، سـپرهاي حرارتـي سـفينههـاي فـضايي ومبادله كننده هاي حرارتي ، به عنوان قطعات مقاوم به سـايش مثـلقالبهاي شكل دهي و ابزار برش، به عنـوان قطعـات غيرسـازهاي نظيركاشي ديوار در رآكتور هستهاي بـا مكـانيزم هـمجوشـي ، بـهعنوان قطعات هادي الكتريسته و حرارت (ميتوان فرم دهي نهايياين نمونهها را با ماشين تخليه الكتريكي(EDM) انجـام داد) [2]. تهيه كامپوزيت از اين دو ت ركيب به روش معمول متالورژي پودر ب ـا توج ه ب ه اينك ه نقط ه ذوب اي ن تركيب ات ب سيار بالاس ـت (نقط ذوبTiC برابرC o3140 و نقطه ذوب 2TiB برابـرCo2900)
[3] و شامل پيونـدهاي كـوالان بـسيار مـستحكم هـستند، مـستلزماعمال دماهاي بسيار بالا به همراه اعمـال فـشار بـر نمونـههـا حـينسينترينگ (پرس گر م) و زمان زيادي است كه علاوه بـر اتـلافانرژي و زمان زياد، در نهايت قطعـات كـامپوزيتي بـا ريـزسـاختارنامناســـب در نتيجـــ هي رشـــد افراطـــي دانـــههـــا بـــه دســـت ميدهد. از طرف ديگر روش سنتز احتراقيSHS بـا قابليـتهـايبينظير خود توانايي سنتز همزمـان ايـن دو تركيـب را بـا حـداقلمصرف انـرژي، زمـان كوتـاه واكـنش، بـازدهي بـالاي فرآينـد و
خل وص ب الاي مح صول، دارد. ب ه ط وريك ه مح صول نه ايي
همگنتر و ريزدانهتر نسبت بـه روش متـالورژي بدسـت مـيآيـد [4 و 5]. از طرف ديگر امروزه بهرهگيـري حـداكثري از خـواصمواد كه به نوعي سـنگ بنـاي نيازهـاي مبـرم فـنآوري امـروزياست بدون بهره جستن از مزاياي فنآوري نانو ممكن نيست.
46 سال پنجم
ليكن محصولSHS عليرغم ريزدانه بودن فراتراز نـانو سـاختارها است و ميبايست با تمهيـداتي ايـن فرآينـد در جهـت سـنتز نـانو ســاختارها بهينــه شــود . روش مرســومي كــه بــراي رســ يدن بــه ن انوس اختارها و م نجمل ه تهي ه نانوكامپوزي ت TiB2-TiC اج را ميشود، روش آلياژسازي مكانيكي (MA) اسـت. ايـن روش درعين حال كه تواناييهاي خود را در رسيدن به تركيبات فراپايداربا ساختار نانو اثبات كـرده اسـت ولـيكن مـشكلاتي را نيـز پـيشروي محققين قرا ر داده است. بـراي مثـال سـنتز طيـف وسـيعي ازفازهاي واسطه به همراه فاز اصلي، ورود ناخالـصيهـاي ناشـي ازگلولهها و كاپ، انـرژيبـر بـودن و طـولاني بـودن فرآينـد بـرايجب ران اي ن نق ايص اخي راً ف نآوري ك ه در حقيق ت تلفيق ي از آلياژسازي مكانيكي وSHS است امتحان شـدهاسـت و اتفاقـاً درع ينح ال ك ه مزاي اي MA در ني ل ب ه ن انوس اختارها را دارد از ويژگيهاي مثبت SHS از جمله زمـانكوتـاه واكـنش و مـصرفانرژي پايين نيز استفاده ميكند. اين روش با عبارت MASHS يـا
MechnicallyActivated SHS معرفي ميشود. هدف از اجـراياي ن پ ژوهش بهين هي ابي ش رايط سـنتز همزم ان نانوكامپوزي ت TiB2-TiC ب ه روشMASHS ب ه كم ك بررس يه اي ف ازي و ريزساختاري اس ت. در اين راستا تأثير زمان فعالسـازي مكـانيكيمواد اوليه بر ويژگيهاي فرآيند نيز بررسي ميشود.

2- مواد و روش تحقيق
در اين پژوهش از سه فرمولاسيون متفاوت اسـتفاده شـد. اجـزايسازنده و نشان اختصاري هريك از اين سه فرمول در جـدول (1) آورده شدهاست.
جدول (1): مواد تشكيل دهندهي سه فرمولاسيون مورد استفاده در تحقيق حاضر

نشان اختصاري فرمولاسيون
2Ti+2B+C TBC
3Ti+B4C TB
2TiO2+2H3BO3+Mg+C HT

مشخ صات كامـل مـواد مـصرفي را در جـدول (2) و ريخ ت و مورفولوژي آن ها را در اشكال (1) و (2) مي تـوان مـشاهده كـرد.
جهت سنتز نانوكامپوزيت TiB2-TiC، مـواد اوليـه پـس ازتـوزينبرابر محاسبات استوكيومتري درون كاپهاي آسياب ريخته شدهو از نـسبت گلول ه بـه پ ودر 15 بـه 1 (BPR:15:1) اس تفاده ش د.
جنس گلوله ها وكاپها فولاد زنگ نزن سختكاري شده است.
از مخلوط گلولههاي10 ، 15 و 20 ميلي متري براي بالا بردن بازدهآسياب اسـتفاده شـده اسـت. بـا توجـه بـهگزارشـات موجـود دركارهاي قبلي، در اينجا سرعتآسـياب 250 دور بردقيقـه انتخـابشد.
توليد نانوكامپوزيتسـراميكي روش متفـاوت

Art.No
1.12379 1.12070
10-1056
378100
1.05815 1.00808
165.050 شركت
Merck
Merck
Merck
Aldrich Merck
Merck
Merck دانه بندي (µm)
150
2
50
200
100
200
200 خلوص (%)
98
98
99/5
99
98/5
95
98 ماده اوليه تيتانيوم (Ti) بور (B) گرافيت (C)
كاربيد )بور (B(4MgC) منيزيم
اسيد بوريك (3H3BO) اكسيد تيتانيوم (2(TiO
101340225454

647641989057

جدول (2): مشخصات مواد اوليه بهكارگرفته شده در اين پژوهش.
شكل (1): تصوير SEM پودرهاي: الف) Ti ، ب) Mg ، ج) 3H3BO و د) 2TiO در دو بزرگنمائي مختلف (200 و 5000 برابر)

شكل (2): تصوير SEM مربوط به پودرهاي: الف) گرافيت، ب) كاربيد بور و ج) بور در دو بزرگنمائي مختلف (200 و 5000 برابر)

48 سال پنجم

فرايند آسياب به منظور فعال سازي مواد، طراحـي گرديـد. جهـتاطمينان از عدم اكسيده شدن مواد، كاپها پس از يك ساعت ازپايان زمان آسياب، درون محفظـه بـا اتمـسفر خنثـي بـاز و نمونـهبرداري صورت گرفت.
پودر بدست آمده از مرحله آسياب، جهـت سـاخت قطعـه مـوردنظر براي واكنش سنتز احتراقي، درون قالـب اسـتوانهاي بـا سـمبه10 ميليمتري باMPa 300 پرس گرديد. رآكتـور مـورد اسـتفادهدر اين پژوهش يك كوره تيوبي با قابليـت گرمـايشC ◦1200 بـاتيوب كوارتزي، اتمسفركنترل مجهز به جريان گاز خنثي (Ar) و داراي منطقه گرمايشي(Hot-Zone) يكنواخـت حـداقلcm 10، ساخت پژوهشگاه مواد و انرژي بود.
براي بررسي تغييرات ايجاد شده در سـاختار ذرات پـودر پـس اززمانهاي مختلف آسيابكاري و شناسايي فازهاي پديـده آمـده،از آناليز پـراش پرتـو ايكـس اسـتفاده شـد. دسـتگاهXRD مـورداس تفاده Philips م دل PW3710 تح ت ولت اژ kV 40 و جري ان mA 30 بود.
در هر دو دستگاه از پرتو ايكـس بـا تيـوب مـسيCukα بـا طـولموج Ǻ 5404/1 استفاده شد. زمان اقامت در هـر گـام 5/0 ثانيـه،اندازه گام 02/0درجه و محدودهθ 2 بين 10 تا 80 درجه انتخـابشد. فازهاي موجود با مقايـسه زاويـه پـراش پيـكهـايXRD بـامق ـادير ارائ ـه ش ـده درك ـارته ـاي JCPDS توس ـط ن رم اف ـزار Pert HighScoreشناسايي شـدند. ريخـت شناسـي مـواد اوليـه وتغييرات ايجاد شـده در ريخـت ذرات پـودر، پـس از زمـانهـايمختلف آسيابكاري و نيز بعد از سنتز احتراقي، ارزيابي شد.
به اين منظور از دستگاه ميكروسكوپ الكتروني روبـشي سـاختشركت فيليپس (Philips) كشور هلند و مدلXL30 استفاده شد.
ولتــاژ كــاريkV 30 مــيباشــد. ســطوح نمونــه هــايي كــه بــاميكروسكوپSEM بررسي شدند، با نشاندن لايه نـازكي از طـلاهدايت الكتروني پيدا كرد تا وضوح تصاوير بهبود يابد.
روش نــشاندن طــلاP.V.D يــا physical vapor deposition م يباش ـد. دس تگاه لاي ه ن ـشاني م ورد اس ـتفاده در اي ـن پ روژه sputter coater نـام داشـت كـه سـاخت شـركتBAL-TEC از كشور سوئيس بوده و مدل آن SCDOOS است.

نتايج و بحث
3-1 تحلي ل ترموديناميكي
براي اينكه يك واكنش شيميايي قابليت انجام به صورتSHS را داشته باشد بايد دماي آدياباتيـك متنـاظر بـا آن بـيش ازK 1800 باشد [6].
شرط فوق در واكنشهـاي بـه كارگرفتـه شـده در ايـن پـژوهشبرقرار است. دماي آدياباتيك (Tad) اين سه واكنش با اسـتفاده ازدادههاي ترموديناميكي مربوطه [7] و به كمك فرمول زيـر پـيش از انجام آزمايشات محاسبه شد:
Tad
−ΔHo298= ∫ΔCp dT (1) T0

در ايــن فرمــول (ΔCp) مجمــوع ظرفيـ ت گرمــايي ويـ ژ هي محصولات، (0T) دماي اوليهي محيط وΔH آنتـالپي هـر يـك ازواكنشهاي ياد شده است.
ايـن دمـا بـراي فرمولاسـيون اول (TBC) برابـر (Tad = 3223K)، براي فرمولاسيون دوم (TB) برابر (Tad = 3225K) و براي فرمول سوم (HT) برابر (Tad = 3104K) بود. شـرط فـوق در مـورد ايـنسه واكنش برقرار است، لذا واكنشهاي فوق قابليت انجام شـدنبه صورتSHS را دارند. شكلهاي (3) تا (5) نمودار (H -T) را به ترتيـب بـراي فرمولاسـيونهـاي (TB) ،(TBC) و (HT) نـشانميدهند. منحنيهايي از ايـن دسـت، بـراي واكـنشهـايي كـه بـه صورت SHS انجام ميشوند به كارگرفته ميشوند [8 و 11].
نمودار مذكور به كمك نرم افزار (Factsage) [12] و با اسـتفادهاز داده هاي ترموديناميكي [7]، رسم شده است. اين نمودار از دومنحني هم راستا تشكيل شده است كه يكي مجموع آنتالپي مـواداوليـه ( واكـنشگره ا) يـا هم ان (( H(Reactants∑) و ديگ ري مجمـوع آنتـالپي مـواد محـصول يـا همـان (( H(Products∑) را نشان مي دهد.
سـراميكي

شكل (3): نمودار (H-T) براي فرمولاسيون اول (2Ti/2B/C)

شكل (4): نمودار (H-T) براي فرمولاسيون دوم (3Ti/B4C)

شكل (5): نمودار (H-T) براي فرمولاسيون سوم (2TiO2/2H3BO3/Mg/C)

همـ انطـ ور كـ ه در شـ كل (3) مـ شخص اسـ ت، درشـ اخهي (( H(Reactants∑)، سه شكستگي وجود دارد. اين شكستگيهـابه ترتيب در C◦880 (دماي مربوط بـه اسِـتحالهي (Ti(α) → Ti(β)، C◦1660 (دماي مربوط به نقطهي ذوبTi ) و نهايتـاً درC ◦2092
(دماي مربوط به نقطة ذوبِB ) دِيده مـي شـوند [7]. در شـاخهي محصولات نيـز يـك شكـستگي پلـهاي وجـود دارد كـه مـا بـينC◦2950 و C◦3225 امتــداد دارد. در ايــن محــدوده ذوب 2TiB وTiC بهوقوع ميپيوندد [13] (شكل ايـن ذوبِ شـدگي شـبيه بـهمواد آلياژي است و محدودهي ذوب به شكل يك خط عمود بـرمحور (T) نيـست . ايـن خصيـصه در موادكـامپوزيتي و دو فـازيامري بديهي و شايع است) [8].
در ش كل (4) ني ز هم انطورك ه ب ه وض وح م شخص اس ت، در
شـــاخهي مـــواد اوليـــه ( H(Reactants∑)، ســـه شكـــستگي وجــ ود دارد. ايــ ن شكــ ستگيهــ ا بــ ه ترتيــ ب درC ◦880 (دمـاي اسـتحالهي (C ،( Ti(α) → Ti(β◦1660 (دمـاي ذوبِTi ) و نهايتا در C◦2445 (نقطة ذوبِ B4C) ديده ميشوند [7].
در صورت تحقق شرايط بي دررو (آدياباتيـك )، در حـين انجـامواكنشِ دما به (Tad = 3225K) خواهد رسيد



قیمت: تومان


پاسخ دهید