بخشی از مقاله
چکیده
سرامیکهای شفاف بهشدت بهاندازه دانه و تخلخل حساس هستند؛ بنابراین برای تولید سرامیکهای شفاف باید از روشهایی استفاده کرد که تخلخلها بهطور کامل حذف شوند. به همین منظور استفاده از روشهای شکلدهیتر مانند روش ریختهگری دوغابی باعث به وجود آمدن نمونه با توزیع همگنی از تخلخلها و درنتیجه حذف راحتتر در مرحله تفجوشی در دمای پایین و حداقل رشد دانه میشود. برای رسیدن به این نتیجه پایداری دوغاب از اهمیت زیادی برخوردار است. در تحقیق حاضر تأثیر اندازه ذره بر پایداری دوغاب اسپینل آلومینات منیزیم در pH و درصدهای پراکنده ساز مختلف موردبررسی قرار گرفت. مشاهده شد که با کاهش اندازه ذره پایداری دوغاب افزایش مییابد.
کلمات کلیدی
سرامیک شفاف، ریختهگری دوغابی،پراکندهساز، پایداری، اندازه ذره. اسپینل آلومینات منیزیم.
-1 مقدمه
سرامیکهای شفاف نوعی از سرامیکها هستند که به دلیل خواص فیزیکی منحصربهفرد - آرایش الکترونی - نور را از خود عبور میدهند که در صنایع پیشرفته و حساس مانند لیزر، پنجرههای IR و غیره استفاده میشود. اسپینل آلومینات منیزیم1 به دلیل خواص مکانیکی و نوری بالا جایگاه ویژهای در بین سرامیکهای شفاف دارد.[ 3-1] سرامیکهای شفاف به دلیل پراکنده شدن نور در اثر تغییر محیط، بهشدت نسبت به عیوب کریستالی و تخلخلها و به دلیل جذب نور به ناخالصیها حساس هستند. بهطوریکه برای درصدهای تخلخل بالای %0/05 اسپینل شفاف نمیشود به همین دلیل برای ساخت سرامیکهای شفاف باید از روشهایی استفاده کرد که به حداکثر چگالی ممکن - چگالی تئوری - دستیافت. امروزه از روشهایی مانند پرس داغ ایزواستاتیک2، پرس داغ3 و جرقهی پلاسمایی4 و غیره برای ساخت سرامیکهای شفاف استفاده میشود. بهاینترتیب که ابتدا یک نمونه خام با روشهای مختلف مانند پرس یا روش شکلدهیتر ساخته و سپس با فرایندهای ذکرشده تفجوشی میشود. استفاده از روشهای شکلدهیتر باعث ساخت نمونه همگن با چگالی بالاتر را ممکن میسازد که موجب کاهش دمای تفجوشی و بنابراین باعث کاهش رشد دانه و درنتیجه خواص مکانیکی و نوری بالاتر میشود.[5-4]
روشهای شکلدهیتر انواع مختلفی دارند که از آن جمله میتوان به روش ریختهگری ژلهای، ریختهگری نواری، ریختهگری دوغابی و غیره اشاره کرد. از بین این روشها، روش ریختهگری دوغابی به دلیل هزینه کمتر، استفاده از افزودنیهای کمتر و درنتیجه ناخالصی کمتر و مهمتر از همه رسیدن به چگالی خام بالاتر از اهمیت زیادی برخوردار است.
در ریختهگری دوغابی، یک سوسپانسیون از پودر موردنظر با مواد افزودنی در آب ساخته میشود و سپس در داخل یک قالب گچی ریخته تا آب آن جذبشده و نمونه خام حاصل شود. ازجمله مهمترین ویژگیهای دوغاب برای رسیدن به چگالی بالا سیالیت و پایداری آن است. پایداری دوغاب تابع پارامترهای مختلفی مانند pH، پراکنده ساز، نوع و جنس پودر و اندازه ذره است. برای پایداری دوغاب باید نیروهای دافعه در بین ذرات ایجاد شود که این نیروها بر نیروهای جاذبه غلبه کنند .[6] برای رسیدن به این هدف روشهای مختلفی وجود دارد که مهمترین آنها عبارتاند از - شکل : - 1
-1 پایداری الکترواستاتیک: نیروی دافعه بین ذرات از بارهای الکترواستاتیک روی سطح ذرات به وجود میآید.
-2 پایداری استریک: بهوسیله زنجیرهای پلیمری غیر باردار که بر روی سطوح ذرات جذب میشوند پایدار میشود.
-3 پایداری الکترواستریک: شامل ترکیبی از پایداری الکترواستاتیک و استریک است که بهوسیله جذب پلیمرهای باردار - پلی الکترولیت - بر روی سطوح ذره به وجود میآید .[5]
شکل 0 1 مکانیزمهای پایداری سوسپانسیون.[6]
برای رسیدن به دوغاب مناسب باید توزیع مناسبی از ذرات وجود داشته باشد. برای این کار یا باید پودر در مرحله سنتز بهاندازه ذره مناسب رسیده باشد و یا اینکه با استفاده از آسیاب کاری به توزیع مناسب رسید.
در فرایند ریختهگری دوغابی، کنترل دقیق فرایند پخش شدن ذرات و دستیابی به سوسپانسیونی با رفتار رئولوژیکی5 و پایداری کافی از اهمیت بالایی برخوردار است. پخش شدن پودرهای سرامیکی در محلولهای آبی یکی از عوامل کلیدی در فهم رفتار ذرات ریز میباشد . این خاصیت در سیستمهای کلوئیدی غلیظ که برای ساخت قطعات استفاده میشود، از اهمیت بالایی برخوردار است. ذره در داخل سیال دارای بار سطحی است و همواره در اطراف سطح ذرهای که درون سیال قرارگرفته است، افزایش غلظت یونهای با بار مخالف سطح ذره، دیده میشود؛ بنابراین یکلایه اضافی از این یونها سطح ذره را احاطه میکند و یکلایه اضافی را در سطح ذره به وجود میآورد. وقتی ذره درون سیال حرکت میکند، لایه اطراف آن نیز به همراه ذره جابجا میشوند و با ذره حرکت میکنند و میتوان یکفاصله فرضی بین ذره و محیط سیال تصور کرد که این فاصله فرضی همان لایه مضاعفی است که ذره را احاطه کرده است. این فاصله رااصطلاحاً فاصله هیدرودینامیکی مینامند و پتانسیلی را که در این فاصله وجود دارد را به نام پتانسیل زتا6 مینامند . شکل 2 بهصورت شماتیکی پتانسیل زتا را برحسب فاصله از سطح ذره نشان میدهد. است.
شکل .2 تصویر شماتیک پتانسیل زتا برحسب فاصله از سطح ذره .[7]
درواقع پتانسیل زتا یک پارامتر مهم برای تعیین پایداری دوغاب کلوئیدی میباشد. اگر همه ذرات داخل سوسپانسیون دارای بار منفی و یا مثبت باشند، ذرات تمایل به دفع یکدیگر دارند و تمایلی به هم انباشتگی - آلگومره شدن - از خود نشان نمیدهند. تمایل ذرات همبار به دفع یکدیگر رابطه مستقیمی با پتانسیل زتا دارد. بهطورکلی مرز پایداری و ناپایداری سوسپانسیون را میتوان برحسب پتانسیل زتا تعیین کرد. در دوغاب برای جلوگیری از رسوب ذرات، به رفتار جریانی مناسبی از دوغاب نیاز میباشد. در حقیقت خصوصیات سطحی ذرات و شیمی محلول، شرایط پخش شدن را کنترل میکند. فرایند معمول در این حالت، استفاده از افزودنیهایی است که خصوصیات سطحی مایع/جامد را به طریقی بهبود میدهند تا سوسپانسیون عاری از آگلومره حاصلشده و از تهنشینی آن جلوگیری به عمل آید. روش مرسوم این کار، تنظیم pH و تنظیم فرایند جذب پلیمرهای باردار سطحی بر سطح ذرات میباشد که باعث حصول سدهای دافع ناشی از ممانعت فضایی و الکترواستاتیک شده و از تجمع ذرات جلوگیری مینماید. شکل 3 پتانسیل زتا اسپینل آلومینات منیزیم در pHهای مختلف را با و بدون پراکنده ساز نشان میدهد. مطابق شکل نقطه 7IEP - نقطهای که در آن بار سطحی ذرات سوسپانسیون برابر صفر میباشد - حدود 10 واحد کاهشیافته
شکل .3 نمودار pH برحسب پتانسیل زتا برای اسپینل آلومینات منیزیم .[8]
مطابق شکل در pH برابر 11/8 در حالت بدون پراکنده ساز پتانسیل زتا برابر صفر است که باعث عدم پایداری دوغاب میشود. ولی با افزودن پراکنده ساز پتانسیل زتا آن افزایشیافته و دوغاب در همان pH پایدار میشود.
حضور پلیمرها در سوسپانسیون میتواند خصوصیات رئولوژی را تغییر داده و از رسوب سوسپانسیون جلوگیری کند. نیروهای دافعه الکترواستاتیکی عاملی برای پایداری سوسپانسیون محسوب میشوند.[11-9] شکل 4 تأثیر پراکنده سازهای مختلف را بر روی پتانسیل زتا نشان میدهد.
شکل .4 تأثیر پراکنده سازهای مختلف بر پتانسیل زتا اسپینل آلومینات منیزیم .[12]
