سنتز نانوساختارهاي كلسيم تيتانات (3CaTiO) به روش
آلياژسازي مكانيكي بدون عمليات حرارتي

صاحبعلي منافي*1، مجتبي جعفريان2 و صالح خاني3
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شاهرود، گروه فني و مهندسي، شاهرود، ايران
محقق، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شاهرود، باشگاه پژوهشگران جوان، شاهرود، ايران
محقق، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شاهرود، شاهرود، ايران
* ali_manafi2005@yahoo.com
(تاريخ دريافت: 01/11/1390، تاريخ پذيرش: 20/02/1391)

چكيده
در اين پژوهش نانوساختارهاي كلسيم تيتانات به روش آلياژسازي مكانيكي بدون استفاده از عمليات حرارتي سنتز شد. بررسي فازي، اندازه ذرات و مورفولوژي پودر كلسيم تيتانات حاصل، به ترتيب به وسيله آناليز پراش پرتو ايكس (XRD)، ميكروسـكوپ الكترونـيروبشي (SEM) و دستگاه زتاسايزر (Zetasizer) مورد ارزيابي قـرار گرفـت. نتـايجXRD تشـكيل فـاز كلسـيم تيتانـات را بعـد از 70 ساعت عمليات آسيابكاري بدون عمليات حرارتي تاييد مي كند، هـم چنـين آگلـومره شـدن مقـداري از پـودر در تصـاويرSEM بـهخوبي قابل مشاهده است. نتايج نشان داده كه حداقل زمان براي تشكيل نانوساختارهاي كلسـيم تيتانـات، 70 سـاعت اسـت و متوسـطاندازه دانه nm 69 مي باشد.

واژه هايكليدي:
كلسيم تيتانات، نانوساختار، آلياژسازي مكانيكي، پروسكايت

1- مقدمه

نام ساختار پروسكايت بعد از كشف ماده معدني (مينرال) كلسـيمتيتانات با فرمول شـيميايي 3CaTiO نامگـذاري شـد [1]. در واقـعايــن تركيــب را مــي تــوان بــه عنــوان منشــاء پيــدايش ســاختار
پروسكايت معرفي كرد [2]. فرمول كلي مواد پروسكايت 3ABX مي باشد كه A و B به ترتيب نماينـده كـاتيون هـاي قليـايي زمـين(كلس يم (Ca)، ب اريم (Ba)، استرانس يم (Sr) و غي ره) و فل زات انتقالي (آهن (Fe)، تيتانيوم (Ti)، نيكل (Ni) و غيره) و X نماينده يون هاي اكسيدي مي باشند [3]. اين ساختار از به اشتراك گذاري گوشه هاي هشت وجهي هاي 6TiO با اتم هاي كلسيم (Ca) كه در گوشه هاي سلول واحد قرار مي گيرنـد ايجـاد مـي شـود [4-6]. از جمله تركيباتي كه بـا سـاختار پروسـكايت كريسـتالي مـي شـوندمي توان به كلسيم تيتانات (CaTiO3: CTO) اشاره كـرد . سـاختاركريستالي و تبديلات فازي اين تركيب نه تنها در علم مـواد بلكـهدر علوم زمين شناسي، فيزيك و شـيمي نيـز مـورد توجـه خاصـيقرار گرفته است. كلسيم تيتانات معمـولا بـه عنـوان قياسـي بـرايفازهــاي فورســتريت و فاياليــت (3Mg,Fe)SiO)) كــه از جملــهفازه اي غال ب در پوس ته زم ين م يباش ند م ورد اس تفاده ق رار مــي گيــرد [1]. CTO داراي ســه فــاز پلــيمورفيــك: مكعبــي، تتراگونال و ارترومبيـك مـيباشـد، در دمـايي پـايينتـر از دمـاي °K 1380 به صورت ارترومبيك با گروه فضايي Pbnm بوده، در محدوده دمـايي°K 1500-1380 ارترومبيـك بـا گـروه فضـاييCmcm و در °K 1500 به تتراگونـال بـا گـروه فضـاييI4/mcm تغيي ر حال ت پي دا م يكن د. كلس يم تيتان ات در ب الاتر از دم اي °K 1580 ب ه س اختار مكعب ي ب ا گ روه فض اييPm3m تب ديل ميشود [7]. در شكل (1) سه فـاز پلـي مورفيـك كلسـيم تيتانـاتنشان داده شده است [8].

شكل (1): فازهاي پلي مورفيك كلسيم تيتانات (3CaTiO) [8].

29720197328

فصلنامهپژوهشي درمهندسي سال هفتم شماره اول/
از ديگر كاربردهاي CTO مـي تـوان بـه اسـتفاده گسـترده آن در سراميك هاي الكترونيكي اشاره كرد، همچنين مي تـوان از آن بـهعنوان كاتاليزور، به منظور اكسيداسيون جزئـي هيـدروكربن هـايسبك بهره گرفت [9]. CTO بـه عنـوان اصـليتـرين تركيـب درساخت سينراك (سنگي مركب از مواد مصـنوعي كـه بـه منظـورانهدام مواد پسماند هسته اي با تراز راديواكتيو بالا) مي باشد، زيـرااين تركيب توانايي تشكيل محلـول هـاي جامـد گسـترده اي را بـافل زات كمي اب زم ين داش ته ك ه ب ه منظ ور انه دام پس ماندهاي هس تهاي م يتوان د م ورد اس تفاده ق رار گي رد [10-11]. ام روزه سراميك هـاي پيشـرفته تبـديل بـه اساسـي تـرين عامـل در توسـعهم دارهاي يكپارچ ه در ص نعت ميكروالكتروني ك گش ته ان د. در هم ين راس تا در آين دهاي ن ه چن دان دور، كلس يم تيتان ات ني زمي تواند به عنوان مفيدترين تركيـب بـراي كـاربرد در ايـن زمينـهم ورد به ره ب رداري ق رار گي رد. ه مچن ين بس ياري از بدن ه ه اي كامپوزيتي مشتق شده از CTO مي توانند در بسياري از كاربردهـامانند خازن ها و رزوناتورهـا مـورد اسـتفاده قـرار گيرنـد [9-13].
كلسيم تيتانـات توسـط حـرارت دادن مخلـوطي از اكسيدكلسـيم(CaO) و ي ا كربن ات كلس يم (3CaCO) ب ه هم راه دي اكس يدتيتانيوم (2TiO) در حدود دماي °K 1650 تشـكيل مـي شـود، امـامشكل اين فرآيند آن اسـت كـه بـه دليـل آنكـه تمـامي مـواد درحالت پايدار مـي باشـند توليـد تركيـب مـذكور بـه ايـن روش بـامشكل مواجه ميشود كـه از جملـه ايـن مشـكلات مـي تـوان بـه،غيريكنواخت بودن نمونه، آلودگي ناخالصي ها، انجام فرآينـد دردماي بالا، وجود ذرات درشت بـا انـدازه هـاي مختلـف و توزيـعغيريكنواخت اشاره كرد [13-15]. طبق بررسي هـاي انجـام شـدهتوسط ساماياموتيريان و همكاران سنتز اين تركيب توسط مخلوط مواد اوليه كربنات كلسيم و آناتاز مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشـان دهن ده ع دم توليـد كلس يم تيتان ات بـا ش رايطي ك ه در آنس رعت براب ر مق دار rpm ،200 rpm 400 و rpm 600 در م دت زمان هاي 1 و 2 ساعت در نظر گرفته شـده بـود، مـي باشـد . طبـقآزمايشات صورت گرفته تنها ميزان اندكي كلسيم تيتانات پس از مدت زمان 5 ساعت بـا سـرعتrpm 600 سـنتز شـد كـه شـدتپيك ها بسيار كم بوده و توليد نانوذرات كلسيم تيتانات با متوسط اندازه ذرات nm 3/10 شد [16-17]. آزمايشـات ديگـر صـورتگرفته به منظور سنتز كلسيم تيتانات با استفاده از مخلـوط اكسـيدكلس يم ي ا هيدروكس يد كلس يم و دي اكس يد تيت انيوم (آنات از ي ا روتايل) بوده، كه در تمامي موارد از عمليات حرارتـي بـه منظـورســنتز ايــن تركيــب اســتفاده شــده اســت [18]. ســنتز بــه روشآلياژس ازي مك انيكي فرآين دي اس ت ك ه ش امل زنجي ره اي از فرآيندهاي شكسته شدن ذرات و جوش سرد بـين آن هااسـت . بـاشكسته شدن هر ذره سطوح فعال جديـدي ايجـاد مـي شـوند كـهآمادگي واكـنش شـيميايي را داشـته و انـرژي لازم بـراي شـروعپيوند شيميايي بين هر زوج از اين سطوح حين برخورد گلولـه هـاتأمين مي شود [19]. از جلمه مزيت هـاي ايـن روش مـي تـوان بـه،ك اهش دم اي س ينتر و آني ل، ك اهش دم اي دگرگ وني ف ازي، كاهش دماي تجزيه حرارتي و افـزايش واكـنش پـذيري پودرهـااشاره كرد. در اكثر پژوهش هاي انجام شده به منظور سنتز كلسيم تيتان ات ب ه روش آلياژس ازي مك انيكي پ س از اتم ام عمليـاتآسياب، نمونه تحت عمليات حرارتي قرار گرفتـه اسـت. در ايـن پژوهش سعي شد تا با حذف عمليات حرارتـي و صـرف حـداقل انرژي، سنتز اين تركيب با تغيير در متغيرهاي فرآيند انجـام شـود.
شــواهد نشــان دهنــده تــأثير مثبــت افــزايش متغيرهــاي فرآينــدآلياژسـ ازي مكـ انيكي در انجــام ايـ ـن پروســه بــود و سـ نتزكلسيم تيتانات با حذف عمليات حرارتي انجام پذيرفت.

2- مواد و روش تحقيق
در ايــن پــژوهش بــه منظــور ســنتزCTO بــه روش آلياژســازيمكـــــــــ انيكي، از كربنـــــــــ ات كلســـــــــ يم (3CaCO) و دياكسيد تيتانيوم- آناتاز (Anatase)، با خلـوص 98 درصـد، بـهعنوان مواد اوليه استفاده شـد . آلياژسـازي مكـانيكي بـراي توليـدCTO از واكنش هاي تجربي زير تشكيل خواهد شد:

TiO2(a)⎯⎯→pTiO2(s)

TiO2(s) + CaCO3 → CaTiO3 + CO2
TiO2(a)→TiO2(r)

TiO2(r)+CaCO3→CaTiO3+CO2

42672194344

ـنتزاختارهايتيتانب ـهـازيب دونـات حرارت ي
در واكنشهـاي ذكـر شـده،a معـرف فـاز آناتـاز (s ،(Anatase مع رف ف از س ريلانكيت (Srilankite) و r معـرف ف از روتايـل(Rutile) ميباشد. بعد از توزين مـواد اوليـه، نسـبت مـولي 1:1 از پودرهــا را انتخــاب و پــس از ق رارگيــري در آســياب گلولــه اي سياره اي كه حاوي 2 محفظه فولادي و 12 گلوله از جنس فـولادزنگنزن با ميانگين قطر mm 75/15 بـود، بـا سـرعتrpm 290، در زمانهاي 40 و 70 ساعت آسياب شدند. نسبت وزني گلوله به پودر براي زمانهاي مختلف مقداري ثابت و برابر بـا 70 بـه 1 در نظر گرفتـه شـد. بـراي جلـوگيري از حـرارت اضـافي، پـس از 1 ساعت آسياب دستگاه به مدت 30 دقيقه خاموش و درب محفظه براي خروج گاز دياكسيد كربن (2CO) باز شد. مراحل مختلف سنتز كلسيمتيتانات به روش آلياژسـازي مكـانيكي در شـكل (2) نشان داده شده است. امكان سنتز كلسيم تيتانات از طريق واكنش بين كربنات كلسيم و آناتاز در دماي اتاق، از طريق رابطه انـرژيآزاد گيبس (رابطه 5) مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به ميـزانآنتالپي و آنتروپي مواد اوليه و كلسيم تيتانات، ميزان انرژي آزاد، مثبت به دست ميآيد، كه نشاندهنـده عـدم امكـان انجـامپـذيريواكنش، بين مواد اوليـه در دمـاي اتـاق، بـه منظـور سـنتز كلسـيمتيتانات ميباشد.

نسبت

با

اوليه

مواد

توزين
1:1

ميزان

گرفتن

نظر

در

با

،
BPR

سياره

آسياب

كاپ

در

اوليه

مواد

نمودن

وارد
اي

اوليه

مواد

انتخاب

زمان

در

نمودن

سياب
آ

پريود

با

مختلف

هاي
1

ساعت

30
آسياب

محفظه

درب

كردن

باز

و

دستگاه

توقف

دقيقه

نمونه
فازي

شناسايي

و

گيري

نسبت



قیمت: تومان


پاسخ دهید