بررسي تاثير پيش سازه آندالوزيتي و كائولني در حضور افزودني ايتريا بر تشكيل X سيالون در فرآيند سيليكوترمال و نيتريداسيون

امين جمشيدي1، اميرعباس نوربخش2*، مجيد جعفري3 و ساناز نقيبي4
كارشناس ارشد، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، اصفهان، ايران
استاديار، دانشكده فني و مهندسي، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهرضا، اصفهان، ايران
استاديار، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، اصفهان، ايران
مربي، دانشكده فني و مهندسي، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهرضا، اصفهان، ايران
* [email protected]
(تاريخ دريافت: 20/04/1390، تاريخ پذيرش: 3/09/1390)

چكيده
سراميك هاي سيالوني به دليل مقاومت به خوردگي و پايداري در دماي بالا داراي كاربردهاي صـنعتي فراوانـي هسـتند ، امـا بـه دل يـل هزينه ي بالاي فرآوري و مواد اوليه مورد نياز، صرفا در مصارف خاص بكـار مـي رونـد . سـيالون هـا در مقاي سـه بـا 4Si3N مقاومـت بـهاكسيداسيون بالاتري دارند، اما در نمودار سيستم سيالون، فاز x حاوي بالاترين ميزان اكسيژن ميباشد و به همين دليل داراي بـالاترين مقاومت به اكسيداسيون در بين سي الونها است. همچنين اين فاز مقاومت شيميايي خوبي در برابر آلياژهاي آهن دار تا دمـاي °C1200 دارد. در اين تحقيق از مواد اوليه طبيعي آندالوزيت و كائولن به همراه پودر Si و آلومينا و روش اح يـاي سـيليكوترمال و نيتري داسـيون استفاده شد و اثر استفاده از منابع آلومينوسيليكاتي مختلف و افزودني ايتريا، بر فرآيند تشكيل سيالون مورد مطالعه قرار گرفت. در اين راستا با استفاده از الگوهاي پراش اشعه ايكس در دماهاي مختلف و همچنين منحني هاي DSC توالي واكنش ها در خصوص پيش ماده آندالوزيت بررسي شد. نتايج نشان داد عليرغم اينكه فرآيند نيتريداسيون Si در مجاورت كائولن بهتر صورت مـي پـذيرد و از طـرفديگر ايتريا تاثير منفي بر فرآيند نيتريداسيون Si دارد، اما آندالوزيت در مقايسه با كائولن پيشماده مناسبتري بوده و ايتريـا منجـر بـهتسريع فرآيند تشكيل سيالون شده و نهايتا مقادير بيشتري از اين فاز توليد مي شود. از سوي ديگر α-آلومينا مـاده منا سـبي بـراي تـامينكمبود Al تركيب نمي باشد و بصورت چشم گيري به ويژه در نمونه هاي بر پايه كائولن باقي مي ماند.

واژه هايكليدي:
سيالون، سيليكوترمال و نيتريداسيون، آندلوزيت، كائولن، DSC ،XRD.

1- مقدمه
اگرچه فازهاي موجود در سيستم سيالون در سـال هـاي اخ يـر مورد توجه گسترده قرار گرفته، اما مطالعه در مورد فرآوري، پاي داري و س اختار كريس تالي ف از x س يالون بس يار ك م و محـ دود بـ وده اسـ ت [1- 9]. فرمـ ول عمـ ومي x سـ يالون 43(Al2O3.2SiO2).2Si3N است. هـر واحـد شـبكه ا يـن فـازمتشــكل از شــش واحــد 2Si3Al6O12N مــي باشــد. ســاختار كريسـتالي آن از زنجي ره ه اي ي ك در مي ان اكتاه درال و تتراهدرال به هم پيوسته تشـكيل شـده كـه شـبيه بـه مولا يـت است. به همين دليل بـه اين فاز، مولايت ني تروژنـي ن يـز گفتـهمي شود [1]. اين فاز در محدوده ي بـاريكي از محلـول جامـد4Si3N و مولايـ ت [2] يـ ا β سـ يالون و مولايـ ت [3] قـ رار مـ يگيـ رد. محــدوده ي تركيبــي x سـ يالون در ديـ اگرام
چهارتـــــايي Si3N4-Al2O3-SiO2-AlN بــــين SiAlO2N و 11.6Si16.9Al22.7O48.8N قرار گرفتـه [2] و سـاختار كر ي سـتالي آن ب هصورتهاي اورتورومبيك [4]، مونوكلينيك [1و10] و تري كلينيك [10] گزارش شده است.
محدوده ي تركيب شيميايي فازهاي مختلف سيسـتم سـيالون در دماي ºC1760 [11] در شكل (1) نشـان داده شـده اسـتكه با توجـه بـه آن روش هـاي متعـددي بـراي سـنتز فازهـاي مختلف مورد استفاده قرار گرفتـه اسـت. در ا يـن روش هـا ازمواد اوليه و فرآيندهاي متفاوتي استفاده شده است.

°CSi3N4-AlN-Al2O3-SiO2 .[11] 1760 شكل (1): سيستم در دماي

روش پرس گــرم مــخلوط 3Si3N4-Al2O [12]، يـا مخلـوط2Si3N4-Al2O3-SiO و يا مخلـوط 4Si3N و ژل مولا يـت [5]، روش سينتر واكنشـي مخلـوط پـودري 2SiO و AlN [13] يـا مخلوط پودري 4AlN ،Si3N وAl [14] براي تول يـد سـيالون گزارش شده است. روش اح يـاي كربوترمـال و نيتري داسـيون رايج ترين روشي است كه اكثر محققين با استفاده از آن ارائه كار نموده اند و فاز اصـلي حاصـل از ا يـن روش فـازβ اسـت[15-20].
روش احياي كربوترمال و نيتريداسيون به دليل توليد گـاز دراثناي فرآيند، نميتواند روش نهايي توليد بدنه باشـد و صـرفاجهت توليد پودر بكار م يرود [2]. بنابراين استفاده از عوامل احيا كننده ديگر مانند Si و Al مورد توجه قرار گرفته اسـت . بدين ترتيب روش هايي تحت عناوين اح يـاي آلومينوترمـال و نيتريداسـ يون [21] و احيـ اي سـ يليكوترمال و نيتريداسـ يون (SRN)1 [2] معرفي شده اند.
احياي سيليكوترمال و نيتريداسيون روش يـك مرحلـه اي در توليد قطعات سـيالوني اسـت [7]. تـوالي واكـنش هـاي آن بـاتوجه به اسـتفاده از كـائولن،Si و 3Al(OH) و بـا اسـتفاده از
نت ايج حاص ل از TGA ،XRD و MAS-NMR بي ان ش ده و داراي 4 مرحلــه اســت كــه روابــط (1) تــا (4) بيــانگر ايــن واكنش ها مـ ي باشـند. در مرحلـه ي اول و تـا د مـاي ºC1100، رس ب ـه مولاي ت و س ـيليس آم ورف تب د يل م ـي ش ـود. در مرحلـــهي دوم و در دمـــاي °C1250-1100 نيتريداســـيون سيليكون رخ داده و 4Si3N بدست مي آيد. در مرحلهي بعد و در دمـــاي °C1300-1250، سيلـــيس آمـــورف و 3γ-Al2O واكنش داده و مولايت تشكيل مـي شـود . نهايتـا در مرحلـه ي چهـ ارم و در دمـ اي كمتـ ر از °C1450 مولايـ ت و 4Si3N واكنش داده و فاز x سيالون بدست م يآيد.

3Al2Si2O5(OH)4 => Al6Si2O13+4SiO2+6H2O
6Si+4N2 => 2Si3N4
6γ-Al2O3+4SiO2 => 2Al6Si2O13
Al6Si2O13+2Si3N4 => Si12Al18O39N8

واك نش ه اي ف وق ب هص ورت س اده نوش ته ش ده و ش رايط استوكيومتري در آنها لحاظ گرديده است [2].
همانگونه كه در اين واكنش هـا د يـده مـي شـود مولا يـت در واك نش ه اي (1) و (3) تش كيل و نهايت ا در آخ رين مرحل ه ضمن واكنش با 4Si3N به سيالون تبديل مي شود. لذا بررسـ ي در خصوص تشكيل مولايت جهت تسريع فرآي نـد تبـديل بـهسيالون ضروري به نظر ميرسد. تحقيقات قبلي نشان داد كـهآن دالوزيت م يتوان د ب ه عن وان ي ك آلومينوس يليكات در فرآوري فاز x سيالون بـه روش سـيليكوترمال و نيتري داسـيون اس تفاده ش ود و همچن ين فع ال س ازي مك انيكي م واد اولي ه بوسيله ي گلولههاي آلومينايي و جار تفلوني، تاثير مناسبي بـرافزايش راندمان تشكيل سيالون دارد و اين درحالي است كـهورود آهن فلزي از طريق آسياب باعث كاهش شديد فرآيند نيتريداس يون و تش كيل س يليكون نايتراي د م ي گ ردد [22] و [23].
در اين پژوهش مقا يسهاي بين كائولن و آندالوزيت به عنـوانمنبع تامين آلومي نوسـيليكات در فرآي نـد SRN انجـام شـده و تــاثير آن بــر ميــزان تشــكيل فــاز ســ يالون مــورد بررســ ي قرار گرفت. همچنين تاثير استفاده از افزودني ايتريا بر مـواردفــوق ارزيــابي گرديــد. در ايــن راســتا از نتــايج حاصــل ازالگوهاي پراش اشعه x و منحنيهاي DSC استفاده شد.

2- مواد و روش تحقيق
در فعاليت تحقيقاتي حاضر از آنـدالوزيت شـركتDamrec نــوع Kerphalite، آلومينــا كلســينه شــده ي Alcoa، پــودر ســـيليكون شــــركت Sicomil، كائــــولن WBB-CC31 و ايتـريـــــا راكتـــــون2 بــــا خلــــوص 9/99% از شــــركت Johnson Matthey آلم ان اس تفاده ش د. ب راي اس تفاده از آندالوزيت و كائولن به ترتيب بـه روابـط (5) و (6) اسـتناد وفرمول نمونه هاي مختلف طراحي شد. نمونه ي اول بـر پايـه ي پيش سازه ي آندالوزيتي و فاقد افزودني بنام 0A، نمونه ي دوم ب ر پاي ه ي پ يش س ازه ي ك ائولني و فاق د افزودن ي بن ام 0K، نمونه ي سوم بر پايه ي پيش سـازه ي آنـدالوزيتي و حـاوي 5% وزني ايتريا بنام AY و نمونه ي چهارم بر پايـهي پـيش سـازه ي ك ائولني و ح اوي 5% وزنـي ايتري ا بن ام KY، ب ا اس تفاده از ت رازوي ديجيت ال ب ا دق ت ي ك ص دم گ رم ت وزين ش ده و فعال سازي بوسيله آسياب ماهواره اي بـا سـرعت 600 دور در دقيقه و با استفاده از گلوله ي آلومينايي (نسبت وزني گلوله به پودر برابر با 15) و جـار تفلـوني بـه مـدت 10 سـاعت انجـامگرديد.
6(Al2O3.SiO2)+6Si+3Al2O3+4N2Si12Al18O39N8
3(kaolin)+6Si+6Al2O3+4N2Si12Al18O39N8+6H2O

سپس پودر حاصل بوسيله پـرس تـك محـوري ه يـدروليك آزمايشگاهي و با فشار psi200 شكل دهي و به قرص هـاي بـاقطر 15 مي ليمتر و وزن يك گـرم تبـديل گرد يـد. پخـت دركوره تيوبي آزمايشگاهي و در اتمسفر نيتـروژن خـالص و بـادبي گاز 50 سانتي متر مكعب در دقيقه انجـام شـد. گرمـايش با سرعت 10 درجهي سانتي گراد در دقيقه تا دمـاي °C1100 و سپس 2 درجه ي سانتيگراد در دقيقه تـا دمـاي حـداكثر وسرمايش در كوره خاموش صـورت پـذيرفت. ط يـف سـنجي اشعه X بوسيله دستگاه فيليپس موجود در دانشكده مهندسـيم واد دانش گاه آزاد اس لامي واح د نج فآب اد و در ش رايط كاري kV40 و mA30، در محدوده ي °80-10=θ2 با لامپ مس (540598/1=Kα) انجام شد. تشخيص فازها با نـرم افـزارX’Pert Philips Panalytical صــورت پــذ يرفت. آنــاليز گـرماسنجـي افتـراقـي3 بـا استفـاده از دستگـاه DSC بـا مدل SDT Q600 V8.2 Build 100، در اتمســفر نيتــروژن و شرايط گرمايش شبيه به شرايط پخت انجام شد.
جهت مقايسه ي كمي فازهـاي تشـكيل شـده و رويـت رونـد واكنشها، ميانگين شـدت سـه پيـك بـا بـالاترين شـدت درمورد هر فاز محاسبه و با توجه به تركيـب فـازي آن، درصـدنسبي هر فاز در نمونـه بدسـت آمـد. در جـدول (1) زوايـايپيك هاي مورد نظـر فازهـاي موجـود در تركيـبAY آمـدهاست. هرچند اين روش دقـت بـالايي نـدارد، امـا بـهصـورتمقايسه اي ميتواند تغييرات فازي نمونه را با تغييـرات دمـا نشـاندهد.

3- نتايج و بحث

جدول (1): كدهاي استاندارد و زواياي پيك هاي فازهاي موجود در تركيب AY مورد استفاده در محاسبه درصدهاي نسبي فازها

نام فاز كد استاندارد زواياي سه پيك با بالاترين شدت (θ2)
Si 5-565 28/420 47/306 56/103
Andalusite 83-1513 19/513 15/820 31/952
Al2O3 71-1123 35/138 43/331 57/476
Mullite 15-776 26/268 25/971 40/875
Si3N4 76-1412 20/488 34/392 35/162
SiAlON 36-832 24/592 24/455 35/847

شكل (2): منحني توزين حرارتي نمونه ها در اتمسفر نيتروژن

ش كل (2) نت ايج آن اليز ت وزين حرارت ي4 چه ار نمون ه را نش ان مي دهد. نمونه هاي 0K و KY تـا دمـايºC 300 حـدود 4 درصـدكاهش وزن دارند كه به دليل خـروج آب جـذب شـده بوسـيلهذرات به ويژه رس مي باشد. كاهش وزن تا ºC1000 بـه بـيش از10 درصد مي رسد. بر اساس گزارش بلوتـو و همكـارانش [24]، خروج آب ساختاري كائولن از محدودهي دمـاييºC 600-550 شروع و تا ºC900 ادامه مييابد. از طرفي، فرمول تئوري كائولن
داراي 9/13% آب ساختاري ميباشد و با توجه بـه تركيـب ايـنبدنه، ميزان كاهش وزن نمونه 9/6% پيش بيني مي شود. بـا توجـهبه عدد اندازه گيري شده كه معادل 7% است و محدودهي دمايي اين تغيير وزن، اين رفتار را مـي تـوان بـه خـروج آب سـاختارينس بت داد. رفت ار منحن ي TG نمون ه هـاي 0A و AY ت ا دم اي ºC1100 با دو منحني قبلي متفاوت است. حـداكثر كـاهش وزنمشاهده شـده در ايـن دو نمونـه حـدود 3 درصـد مـي باشـد كـهمربوط به تبخير آب جذب شده است كه تا دماي ºC400 محقق شده است. در هـر چهـار منحنـي افـزايش وزن از دمـاي حـدودºC1200 آغاز مـ يشود.
و رفتار آنها اندكي متفاوت است. افـزايش وزن نمونـه هـايفاقد افزودنـي ، 0A و 0K، در دو مرحلـه انجـام مـي گـردد . تـادماي ºC1300 افزايش وزن انـدكي رخ داده و پـس از يـكپل ه، مج ددا اف زايش وزن دي ده م ي ش ود درح اليك ه در نمونــه هــاي حــاوي ايتريــا، رونــد افــزايش وزن بصــورتيكنواخت مي باشد. ميزان افـزايش وزن از دمـايºC 1200 تـاºC1550 به ترتيب براي نمونـه هـاي 0K0 ،AY ،A و KY برابـراست با 4/6، 8/5، 6/6 و 9/5. اين اعداد نشان مي دهـد ميـزانافــزايش وزن كــه مويــد ميــزان نيتريداســيونSi اســت، در نمونه هاي بر پايه كائولن كمـي بيشـتر از نمونـه هـاي بـر پايـه
آنـ دالوزيت اسـ ت. در اثـ ر خـ روج آب سـ اختاري رس، تخلخل هايي در بدنه ايجاد شده و نفوذ گـاز نيتـروژن از ايـنطريق افزايش مـييابـد و مـي تـوان نيتريداسـيون شـديدتر درنمونه هاي بـر پايـه كـائولن را بـه ايـن موضـوع نسـبت داد. از طرفي، نمونههاي حاوي ايتريا در مقايسه بـا نمونـه هـاي فاقـدايتريــا افــزايش وزن كمتــري نشــان مــيدهنــد و مــي تــوان نتيجهگيري نمود كه نيتريداسـيون در حضـور ايتريـا كـاهشيافته است.
در شكل (3) منحنـي هـاي مشـتق تـوزين حرارتـي نسـبت بـهزمـ ان5 و گرماسـ نجي افتراقـ ي واكـ نش هـ ا در محـ دوده °C1550-1000 در خصوص نمونه AY ديـده مـي شـود . بـراساس منحني DSC، در حوالي 1180 و °C1350 دو واكنش گرماگير رخ داده است. بر اساس منحني dTG در هر دو دما افزايش وزن نيز اتفاق افتاده است. با توجه بـه شـكل (4) كـهتركيب فازي اين نمونه را در دماهاي 1100، 1250، 1400 و ºC1550 نشان مي دهد، مي توان ايـن پيـكهـا را بـه واكـنشنيتريداس يون Si نس بت داد. پي ك DSC در دم اي °C1180 نسبتا پهن و با ارتفاع كم مي باشد درحاليكه پيك مربـوط بـهدماي °C1350 بلنـد و داراي پلـه اسـت. ايـن موضـوع نشـانمي دهد كه واكنش نيتريداسيون در دماي °C1180 بصـورتجزيي رخ داده و سپس متوقف شده است. با افزايش دما، در محدوده ي °C1370-1300 واكنش گرماگير گستردهاي رخ داده و بيشترين ميزان افزايش وزن نيز مشاهده ميشود. رونـدفوق در مـورد نمونـه ي A0 نيـز مشـابهت دارد. تنهـا تفـاوتمشاهده شده مربـوط بـه پهنـاي پيـك تغييـرات حرارتــي در مـحدوده ي °C1370-1300 است. نمونه ي فاقد ايتريا در اين محدوده، گستردگي كمي دارد، اما ارتفاع و شـكل ظـاهريآن شبيه به نمونه حـاوي ايتر يـا اسـت. بـدين ترتيـب تفـاوتمشـاهده ش ده در منحن ي TG در ش كل (2) در مح دوده ي دمايي °C1350-1300 در اينجا نيز ديده شد. ايـن تفـاوت رامي توان اينگونه توجيه نمود كه حضور ايتريا باعث مـي شـودواكنش مرحلهي دوم نيتريداسيون از دماي پـايين تـري آغـازشود و بـه تـدريج شـدت آن افـزايش يابـد، درحـالي كـه درنمونه هاي فاقد ايتريا نيتريداسيون مرحلـهي دوم ديرتـر آغـازشده است.
واكنش نيتريداسيون Si بدون حضور افزودني، در دو مرحلـهانجام مـي شـود . در ابتـدا، لايـه اي از 4Si3N تشـكيل و سـطحذرات Si را ميپوشاند. به همين دليل شدت واكنش كـاهشيافته و نهايتا متوقف مي شـود . در ادامـه و بـا افـزايش دمـا بـهتدريج واكـنش آغـاز مـي شـود [2 ]. وجـود ايتريـا بـه عنـوانافزودنــي ايــن دو مرحلــه را ادغــام نمــوده و نيتريداســيون بهصورت پيوسته انجام ميشود كه در شكل (2) قابل رويـت ميباشد. اين افزودني هرچند بطور كلي ميزان نيتريداسيون را كاهش مي دهد اما احتمالا بـا تشـكيل فـاز مـذاب و برطـرفنمودن لايهي 4Si3N تشكيل شده، امكان نيتريداسيون پيوسته ذرات Si را فراهم مي نمايد. در دماهـاي بـالاتر و بـا افـزايشميزان فاز مذاب، نيتريداسيون را كند و منجر به كاهش ميزان افزايش وزن نهايي مي شـود . پـس از ايـن مرحلـه و تـا دمـايحوالي °C1400 نكته ي قابل ملاحظه اي در منحنيهاي DSC و dTG مشاهده نميشود. همانگونـه كـه در منحنـيTG در شكل (2) هم ديـده مـي شـود در ايـن دمـا تغييـر شـيب قابـل ملاحظهاي رخ مـي دهـد . بـر اسـاس منحنـيDSC در دمـاي°C1420 يك واكـنش گرمـاگير بـا دامنـه گسـترده رخ دادهاست كه با تغيير وزن قابل ملاحظه اي همراه نمي باشد.
با توجه به شكل (4) اين پيك مربـوط بـه واكـنش شـماره (4) و تشكيل سـيالون اسـت همچنـين حـوالي دمـاي°C 1250 منحنـيDSC شيب منفي دارد. اين قسمت از شكل مربـوط بـه واكـنشخفيـــ ف گرمـــ ازاي تشـــ كيل مولايـــ ت از آنـــ دالوزيت ميباشد. بر اساس اين شكل اين تبديل از دماي °C1250 شـدتمي يابـد و نهايتـا در دمـاي °C1400 اثـري از آنـدالوزيت بـاقينم ي مان د. مولاي ت ك ه در نمون ه ي °C1100 بص ورت جزي ي وجود دارد، با افزايش دما افزايش يافته و در دمـاي °C1400 بـهبيشترين مقدار مـ ي رسـد و در ادامـه و بـا افـزايش دمـا، كـاهشمي يابد.
تغيي رات ش دت پي ك Si تقريب ا بص ورت خط ي ب وده و رون د

كاهش آن تا °C1400 ادامه مي يابد و 4Si3N به همين نسـبت تـااين دما افزايش يافته و سپس روند كاهش نشان ميدهد. سيالون بــه عنــوان فــاز هــدف در ايــن پ ژوهش، از دمــاي °C1400 در نمونه ها بصـورت جزيـي رويـت شـده امـا در نمونـهي °C1550 بصورت فاز قالب درآمده است. نكته ي قابل توجه رفتـار آلومينـااست كـه بـر خلاف انتظار، كاهش قابل ملاحظه اي نشـان نـدادهو ت ا دم اي °C1550 ني ز در نمون ه ب اقي مان ده اس ت. بن ابراين مي توان محدوده ي دمايي واكنش هاي ايـن فرآينـد را مطـابق بـاجدول (2) و بصورت كلي توصيف نمود.
در ادامه به بررسي نقش پيش مـاده و افزودنـي ايتريـا بـر تركيـب فازي نمونهها پرداخته خواهد شد.
جدول (2): محدوده ي دمايي واكنشهاي نمونه AY
واكنش محدوده ي دمايي (°C)
3Si+2N2=>Si3N4 1100-1400
3Al2O3.SiO2=>Al6Si2O13+SiO2 <1400
3Al2O3+2SiO2=>Al6Si2O13 تا 1550 كامل نشد.
Si3N4+ Al6Si2O13=>Sialon >1400

شكل (3): منحني هاي مشتق توزين حرارتي نسبت به زمان و گرماسنجي افتراقي نمونه AY

AY شكل (4): روند تغييرات شدت فازهاي موجود در نتايج پراش اشعه ايكس با تغييرات دما در نمونه ي .

شكل (5) تركيب فازي نمونه هاي بر پايه آندالوزيت را نشـانم ي ده د. ب ر اس اس مقايس ه تركي ب ف ازي نمون ه ي ح اوي افزودني و نمونـهي فاقـد افزودنـي مـوارد زيـر قابـل اسـتنتاجاست:
اولا در نمونهي حاوي ايتريا پيك هاي سيالون شـديدتر بـودهو از شدت ساير پيكها كاسته شده است.
ثاني ا در نمون هي فاق د ايتري ا ع لاوه ب ر س يالون، پي ك ه اي سيليكون نايترايد، آلومينا و مولايت نيز با شدت قابل تـوجهيوجود دارند. با توجه بـه نتـايج شـكل (2) و علـي رغـم تـاثيرمنفي ايتريا بر فرآيند نيتريداسيون سـيليكون، برآينـد افـزودناين ماده در راستاي سنتز سيالون مثبت ارزيابي مي شـود. ايـنتاثير را ميتوان به قابليت آن در ايجـاد فـاز مـذاب در دمـاي پايينتر نسبت داد. بدين ترتيب آلومينا در دماي پـايينتـر درواكنش تشكيل مولايت از سيليس آمورف شركت نمـوده وباعث كاهش ميزان آلومينا و افـزايش مولايـت مـي شـود . در دماي بالاتر نيز ايـن مـاده مـيتوانـد باعـث تسـهيل و تسـريعفرآيند تشكيل سيالون از مولايت و سيليكوننايترايد شود.
با استناد به شكل (6)، موارد بيـان شـده در بـالا دربـاره تـاثيرايتريا، دقيقا در خصوص نمونه هاي بر پايه كائولن نيز صـادقاست. با توجه به دو شكل (5) و (6) موارد زير در خصـوصمقايسه تاثير پيش ماده بر تركيب نهايي نمونهها قابـل اسـتنتاجاست:
ميزان فاز سيالون در نمونه هـاي بـر پايـه آنـدالوزيت بيشـتر ازنمونه هاي بر پايه كائولن است.
پيك هاي مربوط به آلوميناي باقيمانده در نمونههاي بـر پايـهكائولن شديدتر مي باشند.
در نمونـهي بـر پايـه كـائولن يـك پيـك پهـن در زاويـهº 13 وجود دارد كه مربوط به سيليكوننايترايد است و در نمونهي بر پايه آندالوزيت چنين پيكي مشاهده نشد.
به نظر مي رسد آسياب ماهوارهاي تاثير شديدتري بر نمونـهي بر پايه ي كائولن داشته و با كـاهش ابعـاد ذرات، باعـث پهـنشدن پيكها به ويژه در زواياي كم شده است.
با توجه به موارد فوق مي توان نتيجهگيـري نمـود آنـدالوزيت شرايط مساعدتري جهت تبديل به سيالون دارد زيرا بـا توجـهبه واكنش هاي (5) و (6)، تركيب بر پايه آنـدالوزيت نيـاز بـهحدود 20 درصد وزني آلومينا دارد درحاليكه در نمونهي بـرپايه كائولن اين مقـدار حـدود 40 درصـد وزنـي اسـت و بـههم ين دلي ل در الگ وي پ راش اش عه ايك س نمون هي KY، عليرغم وجود ايتريا، شدت پيـك هـاي آلومينـا بسـيار قـوي ميباشد.

4- نتيجه گيري
فاز X سيالون در اثر نيتريداسيون سيليسـيوم و پـس از آنواك نش 4Si3N و مولاي ت تش كيل ش ده از پ يش م اده ه اي آندالوزيت و كائولن، قابل سنتز است.
آندالوزيت در مقايسه با كـائولن ق ابليـت بـالاتري جهـت

شكل (5): آناليز XRD نمونههاي بر پايه آندالوزيت پس از پخت در ºC1550. نمونه ي AY حاوي ايتريا و نمونهي 0A فاقد افزودني.
دايره، مربع، مثلث و ضربدر به ترتيب معرف مولايت، سيليكوننايترايد، آلومينا و سيالون مي باشند.

شكل (6): آناليز XRD نمونه هاي بر پايه ي كائولن پس از پخت در ºC1550. نمونه ي KY حاوي ايتريا و نمونه ي 0K فاقد افزودني.
دايره، مربع، مثلث و ضربدر به ترتيب معرف مولايت، سيليكوننايترايد، آلومينا و سيالون مي باشند.
تبديل به سيالون دارد.
توالي واكنش هاي تبـديل آنـدالوزيت بـه سـيالون، مشـابهگزارش ات محقق ين ديگ ر در م ورد ك ائولن و هالوئيزي تمي باشد، اما محدوده ي دمايي آن اندكي متفاوت است. 4- α-آلومينـا مـاده ايـده آلـي جهـت اسـتفاده در ف رآوريسيالون نميباشد و استفاده از تركيبات حاوي Al با فعاليت و واكنشپذيري بالاتر مي تواند در راستاي افـزايش ميـزان فـازسيالون موثر باشد.
5- افزودني ايتريا موجـب تسـريع و تسـهيل فرآينـد تشـكيلسيالون از دو پيشماده مورد بحث مي شود.

تشكر و قدرداني نويسندگان مقاله بر خود لازم مي دانند كه از آقايان مهنـدسچمي و ترابي كه در راستاي انجام اين پـژوهش مسـاعدت وهمكاري داشتهاند، تشكر نمايند.
مراجع
K. H. Jack, “Sialons and Related Nitrogen Ceramics”, Journal of Materials Science, Vol. 11, pp. 1135-1158, 1976.

C. M. Sheppard, K. J. D. MacKenzie, G. C. Barris, R. H. Meinhold, “A New Silicothermal Route to the Formation of X-Phase Sialon: The Reaction Sequence in the Presence and Absence of Y2O3”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 17, pp. 667-673, 1997.

M. Schmucker, H. Schneider, “Transformation of XPhase SiAlON to Mullite”, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 82 [7], pp. 1934-1936, 1999.

C. C. Anya, A. Hendry, “Stoichiometry and Crystal Structure of X-phase”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 10, pp. 65-74, 1992.

Y. Zhou, J. Vleugels, T Laoui., P. Ratchev, O. Van Der Biest, “Preparation and properties of X-sialon”, Journal of Materials science, Vol. 30, pp. 4584-4590, 1995.

C. M. Sheppard, K. J. D. MacKenzie, M. J. Ryan, “The Physical Properties of Sintered X-phase Sialon Prepared by Silicothermal Reaction Bonding”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 18, pp. 185191, 1998.

Sheppard C. M., MacKenzie K. J. D., “Silicothermal Synthesis and Densification of X-sialon in the Presence of Metal Oxide Additives”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 19, pp. 535-541, 1999.

K. J. D. MacKenzie, C. M. Sheppard, C. McCammon, “Effect of MgO, Y2O3, and Fe2O3 on Silicothermal Synthesis and Sintering of X-sialon. An XRD, Multinuclear MAS NMR and 57Fe Mossbauer Sudy”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 20, pp.
1975-1985, 2000.
K. J. D. MacKenzie, J. Temuujin, M. E. Smith, K. Okada, Y. Kameshima, “Mechanochemical
Processing of Sialon Compositions”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 23, pp. 1069-1082, 2003.

Database of X pert High Score software, 2003.

G. P. Shveikin, N. V. Lukin, L. B. Khoroshavin, “Sialons-Promising Refractory and Ceramic Materials”, Journal of Refractories and Industrial Ceramics, Vol. 44, pp. 52-58, 2003.

Y. Oyama, O. Kamigaito, “Solid Solubility of Some Oxides in Si3N4”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 10 [11], pp. 1637, 1971.

P. Tessier, H. D. Alamdari, R. Dubuc, S. Boily, “Nanocrystalline β-sialon by reactive sintering of a SiO2-AlN mixture subjected to high-energy ball milling”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 391, pp. 225-227, 2005.

C. Zhang, R. Janssen, N. Claussen, “Pressureless Sintering of β-Sialon with Improved Green Strength by Using Metallic Al Powder”, Materials Letters, Vol.
57, pp. 3352–3356, 2003.

F. J. Li, T. Wakihara, J. Tatami, K Komeya., T. Meguro, “Synthesis of β-SiAlON Powder by
Carbothermal Reduction–Nitridation of Zeolites with Different Compositions”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 27, pp. 2535-2540, 2007.

V. G. Gilev, “IR Spectra and Structure of Si–Al–O–N Phases Prepared by Carbothermal Reduction of Kaolin in Nitriding Atmosphere”, Inorganic Materials, Vol. 37, pp. 1041–1045, 2001.

P. K. Panda, L. Mariappan, T.S. Kannan, “Carbothermal Reduction of Kaolinite under Nitrogen Atmosphere”, Ceramics International, Vol. 26, pp.
455-461, 2000.

J. Krestan, P. Sajgalik, Z. Panek, “Carbothermal Reduction and Nitridation of Powder Pyrophyllite Raw Material”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 24, pp. 791-796, 2004.

J. Zheng, B. Forslund, “Carbothermal Preparation of β-SiAlON Powder at Elevated Nitrogen Pressures”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 19, pp.
175-185, 1999.

K. J. D. MacKenzie, D. Van Barneveld, “Carbothermal Synthesis of β-Sialon from
Mechanochemically Activated Precursors”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 26, pp. 209-215, 2006.

A. D. Mazzoni, E. F. Aglietti, “Aluminothermic Reduction and Nitriding of High Silica Materials (Diatomite and Bentonite) Minerals”, Applied Clay Science, Vol. 17, pp. 127-140, 2000.

A. Jamshidi, A. A. Nourbakhsh, M. Jafari, S. Naghibi, “Combination of Mechanical Activation and Silicothermal Reduction and Nitridation Process to Form X-Sialon by Using Andalusite Precursor”, Journal of Molecular Crystals and Liquid Crystals, Vol. 555, pp. 112-120, 2012.
ا. جمشيدي، ا. ع. نوربخش، م. جعفري و س. نقيبي، “بررسي 8- پينوشت
اثر فعالسازي مكانيكي بر تشكيل فاز X سيالون در فرآيند
Silicothermal Reduction and Nitridation: SRN احياي سيليكوترمال و نيتريداسيون”، هشتمين كنگره
REacton®
Differential Scanning Calorimetry: DSC .1390 ،سراميك ايران، تهران، ايران
Thermal Gravimetric Analysis: TGA
dTG/dt [24] M. Bellotto, A. Gualtieri, G. Artioli, S. M. Clark,
sequence. Part I: Kaolinite dehydroxylation”, Physics “Kinetic study of the kaolinite-mullite reaction
1995and Chemistry of Minerals, Vol. 22 [4], pp. 207-217, .



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید