تأثير عمليات حرارتي برتحولات فازي، تغييرات مورفولوژيكي و اندازه نانوپودرهاي زيركونيايي سنتز شده با روش سل ـ ژل

اسماعيل نوري*1 ، محمد شاهميري2 ، حميد رضا رضايي3 و فاطمه طلائيان4
كارشناس ارشد، دانشكده مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه علم و صنعت ايران، تهران، ايران
استاديار، دانشكده مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه علم و صنعت ايران، تهران، ايران
استاد، دانشكده مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه علم و صنعت ايران، تهران، ايران
دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشكده مهندسي مواد ، دانشگاه صنعتي سهند، تبريز، ايران
*enouri@metaleng.iust.ac.ir
(تاريخ دريافت: 01/03/1390، تاريخ پذيرش:15/04/1390)

چكيده
دراين تحقيق، نانوپودرهاي زيركونيايي با استفاده از هيدروكسيد استات زيركونيوم در يك فرآيند سل ـ ژل سنتز گرديده و در دماهاي مختلف عمليات حرارتي شدهاند. نانو پودرهاي حاصله با استفاده از تحليلگرهاي طيف سنجي مادون قرمز (FT-IR)، آناليزهاي توزين حرارتي و حرارتي افتراقي (TG/DTA)، پراش اشعه ايكس (XRD) و ميكروسكوپ الكتروني روبشي ((SEM مورد بررسي قرار گرفتهاند. نتايج نشان داده است كه اين فرايند منجر به تشكيل فاز زيركونياي تتراگونال با درجه تبلوري بالا در دماي ºC 800 شده و سپس درگستره دمايي ºC 1200 ـ 800 ساختار به فاز زيركونياي منوكلينيك تبديل شده است. نتايج بدست آمده از تحليلگر تعيين مساحت سطح ويژه (SBET) هم نشان مي دهد كه با افزايش دماي عمليات حرارتي، مساحت سطح نانوپودرها كاهش و در نتيجه اندازه متوسط ذرات افزايش مييابد. تصاوير حاصل از ميكروسكوپ الكتروني روبشي هم نشان دهنده آن بود كه مورفولوژي نانوپودرهاي زيركونيايي بر اساس دماهاي عمليات حرارتي تغيير ميكند.

واژه هاي كليدي:
نانوپودرهاي زيركونيايي، فرايند سل ـ ژل،عمليات حرارتي، مساحت سطح ويژه، اندازه و مورفولوژي.

1- مقدمه
نانوپودرها در مقايسه با پودرهاي ميكرو، خواص كاملاً متمايزي را به نمايش مي گذارند كه علت آن بالا بودن مساحت سطح ويژه آنها مي باشد. ابعاد ريز اين پودرها اغلب خواص مكانيكي و فيزيكي قطعات توليدي مانند سختي، استحكام و دماي استحاله فازي را تحت تأثير قرار مي دهد [1].
پودرهاي زيركونيايي اساساً مساحت سطح ويژه پاييني دارند، به همين خاطر افزايش مساحت سطح ويژه آنها از طريق توليد ذرات ريز، هنوز موضوع مطالعات تحقيقاتي فراواني مي باشد [2-3]. با توجه به وابستگي خواص مكانيكي، فيزيكي، شيميايي و ساختاري قطعات زيركونيايي بر اندازه ذرات پودرهاي اوليه، كنترل اندازه ذرات آن از اهميت بالايي برخوردار است.
زيركونيا به خاطر داشتن تركيبي از خواص بينظير از قبيل ديرگدازي و پايداري حرارتي، مقاومت شيميايي، استحكام مكانيكي، هدايت يوني بالا، هدايت حرارتي پايين در دماهاي بالا و ضريب انبساط حرارتي بالا كاربردهاي صنعتي فراواني دارد مانند ساخت قطعات سراميكي پيشرفته، سنسورهاي اكسيژن و دي اكسيدكربن، باتريها، پيل هاي سوختي، الكتروليت هاي جامد، خازنهاي الكتروشيميايي، پوشش هاي ضدخوردگي سازگار با مح يطزيست، كاتاليزور واكنشهاي شيميايي و پوششهاي محافظ حرارتي [1].
شايد سنتز نانو پودرهاي زيركونيايي با درجه خلوص بالا، مورفولوژي يكنواخت، ابعاد ريز و عاري از آلگومراسيون مهم ترين مرحله توليد قطعات زيركونيايي نانوبلوري با ريزساختار و خواص مطلوب باشد. ذرات ريز زيركونيا با استفاده از روش هاي متعددي مانند آسياب مكانيكي، روشهاي شيميايي، هيدروترمال، سنتز شيميايي بخار، رسوب دهي از محلول هاي نمكي آلي، تراكم گازهاي خنثي و فرآيند سل ـ ژل سنتز گرديده اند. از بين اين روش ها، فرآيند سل ـ ژل به خاطر داشتن ويژگيهايي مانند دماي سنتز پايين، قيمت مناسبتر، راحتي كنترل پارامترهاي سنتز و قابليت فوقالعاده آن در كنترل تركيب شيميايي و اختلاط آغازگرهاي گوناگون براي ساخت نانوپودرهاي كامپوزيتي، بسيار مورد توجه قرار گرفته است [1 و 4 -7].
زيركونياي معمولي داراي سه آلوتروپي متمايز م يباشد، بدين صورت كه فاز منوكلينيك تا حدود °C1170 پايدار است و در اين دما به فاز تتراگونال تبديل مي شود، فاز تتراگونال هم تادماي °C2370 پايدار بوده و از آن به بعد فاز مكعبي تا نقطهذوب (°C2680) وجود دارد. استحاله شبه مارتنزيتي زيركونيا از فاز تتراگونال به منوكلينيك با تغيير حجمي بالغ بر 4 درصد و كرنش برشي حدود 16/0 همراه است [8]، لذا سنتز پودرهاي زيركونيايي با ساختار بلوري تتراگونال در دماهاي پايين از چالش هاي مطالعاتي بسيار مهم ميباشد. هدف اصلي اين تحقيق نيز تلاش براي سنتز زيركونياي تتراگونال با استفاده از فرآيند سل ـ ژل در دماي پايين بوده است. علاوه بر آن با استفاده از تحليلگر هاي XRD ،TG-DTA ،FT-IR ،SBET و SEM، اثر دماهاي سنتز بر ساختار بلوري، اندازه و مورفولوژي نانوپودرها بررسي شده است.

بررسي آزمايش
2-1- مواد و روش تحقيق
مقدار سه گرم از پودر اوليه هيدروكسيداستات زيركونيوم (CH3CO2)x Zr(OH)y در50 سي سي اتانول تدريجاً حل شده و به عنوان منبع توليد زيركونيا مورد استفاده قرار گرفته است، محلول حاصل به منظور جلوگيري از تشكيل هيدروكسيد زيركونيم با 5/2 سي سي استون مخلوط شده و ميزان 3 سي سي اسيد اكريليك هم به منظور كمك به تشكيل زيركونياي تتراگونال به محلول اضافه گرديده است. با توجه به تغييرات پتانسيل زتاي محلولهاي زيركونيايي (شكل (1)) PH نهايي محلول با كمك اسيد نيتريك در حدود 2/3 ثابت و بوسيلهي يك ارتعاشگر مغناطيسي به مدت يك ساعت در دماي اتاق همگن شده و بعد از آن با استفاده از يك صافي µm22/0 فيلتر شده است. پس از پيرسازي 24 ساعته، محلول با چكاندن قطرات آمونياك در 8/5 PH= به ژل تبديل شد. ژل حاصله در دماي ºC90 به مدت 24 ساعت خشك گرديده و بعد از آسياب شدن به وسيله يك ارتعاشگر آلتراسونيك به مدت يك ساعت تمام آلگومره هاي احتمالي موجود از بين رفته و نهايتاً در محدوده دمايي ºC 1000 – 300 تحت اتمسفر محيط و با سرعت 5 درجه سانتي گراد بر دقيقه حرارت داده شد و بعد از آن به مدت50 دقيقه در هر يك از دماهاكلسينه گرديد.

2- 2- بررسي هاي ساختاري تجزيه حرارتي و تحول تدريجي ساختار نانوپودرهاي زيركونيايي در حين حرارت دهي با استفاده از FT-IR (SHIMADZU-Irsolution سري S8400 ) و نيز TG-DTA

شكل (1): منحني پتانسيل زتا براي محلولهاي زيركونيايي.

(PL-STA سري 1640) مورد مطالعه قرار گرفته است. تعيين نوع و مقدار فازها و نيز اندازه بلور نانوپودرهاي بوسيله XRD (PHILIPS-PW1800) با پرتو λ=1/5406 Å) Cu Kα) در اختلاف پتانسيل 40 كيلوولت و جريان 30 ميلي آمپر انجام شده و كسر حجمي فازهاي زيركونياي تتراگونال (Vt) و زيركونياي منوكلينيك (Vm) با استفاده از روابط ارائه شده توسط گروه تحقيقاتي Toroya [9] تخمين زده شده اند (روابط (1) الي (3)):
321564305678

− x = Im(111)+ I−m( 111) (1) Im(111)+ Im( 111)+ It(101)
(3) Vm = 1

+1.0311.311xx پيوندهاي Zr=Oكاهش يافته و نهايتاً ناپديد مي شوند، در
حاليكه پيك هاي مربوط به Zr-O، با افزايش دما به شدت تقويت
در اين روابط Im و It بيانگر شدت پيكهاي مربوط به صفحاتي مي شوند و سرانجام در دماهاي ºC800 و ºC900 زيركونياي مشخص به ترتيب از فازهاي زيركونياي منوكلينيك و تتراگونال بلوري ظاهر مي شود.
هستند. علاوه بر آن با استفاده از فرمول دباي ـ شرر (رابطه (4)) وآناليزهاي TG-DTA در محدوده دماييºC 1200- 25 با
(2) Vt =1−Vm اطلاعات XRD صفحات (111) فاز تتراگونال و (111-) فاز منو كلينيك، اندازه بلور نانوپودرهاي زيركونيايي تعيين گرديده است:

kλcosθ(4) d =

β در اين رابطه d قطر بلور (k ،(nm يك فاكتور تصحيح (9/0=λ ،( k طول موج هدف مسي (β ،(λ=1/5406 Å پهناي پيك ماكزيمم در نصف پيك و θ زاويه براگ مي باشند.
تغييرات مورفولوژيكي ذرات زيركونيايي نيز توسط SEM (WEGA\\TESCAN) در دماهاي مختلف بررسي شده است.
مساحت سطح ويژه ذرات هم بوسيله يك تحليلگر SBET (Belsorp-mini مدل 00165) برآورد گرديده است.

3- نتايج و بحث
3- 1- آناليز حرارتي
تكامل تدريجي نانوپودرهاي زيركونيايي تا مرحله تبلور كامل و استحاله فازي آن به صورت تابعي از دما به وسيله FT-IR مورد مطالعه قرار گرفته و نتايج آن در شكل (2) نشان داده شده است. پيك گسترده موجود در عدد موج1-cm 1077 بيانگر ارتعاشات كششي پيوندهاي دوگانه Zr=O مي باشد، پيك هاي متعلق به اين عدد موج نشان ميدهند كه در دماي ºC700 هنوز پيوندهاي Zr=O كاملاً به Zr-O تبديل نشده اند. پيك هاي كمتر از-cm
6701 مبين ارتعاشات پيوندهاي Zr-O هستند و پيك موجود در1-cm 499 هم تشكيل فاز زيركونياي تتراگونال را تأييد مي كند. پيك هاي متعلق به فاز زيركونياي تتراگونال در عدد موج هاي1- cm443، 574 و667 مشاهده مي شوند. اين طيف ها نشان مي دهند كه با افزايش دما ارتعاشات جذبي ناشي از

400
800
1200
1600
2000
(

اختياري

واحد
)

انتقال
1708
1548
1077
499
667
575
443
700

º
C
800

º
C
900

º
C

400

800

1200

1600

2000

(

اختياري

واحد

)



قیمت: تومان


پاسخ دهید