بخشی از مقاله
چکیده
نانو کامپوزیتهای سرامیکی بر پایه کاربید سیلیسیم - SiC - به علت مقاومت اکسیداسیون خوب، هدایت حرارتی بالا و همچنین سختی و استحکام بالا کاربردهای گستردهای در صنایع مختلف دارند. با این حال وجود پیوند کووالانسی بین اتمهای سیلیسیم و کربن و ضریب نفوذ در خود پایین این ماده موجب شده است که سینتر این نانو کامپوزیتها نیازمند دما و فشار بالا و استفاده از کمک سینترها باشد. کمک سینترها بایستی پایدار بوده و منجر به تجزیه SiC در دماهای بالا نشوند. به همین سبب در این مقاله تلاش شده است تا تأثیر مؤثرترین کمک سینترهای اکسیدی - MvOw - مانند Al2O3، MgO و Y2O3، Fe2O3، WO3، Cr2O3، Ta2O5 و V2O5 تحت شرایط پرس داغ در محدود دمایی 1700-1800 درجه سانتیگراد بر نانو کامپوزیت کاربید سیلیسیم - SiC - مورد بررسی قرار گیرد.
واژه های کلیدی نانو کامپوزیت، کاربید سیلیسیم - SiC - ، پرس داغ، اکسید فلزی . - MvOw -
-1 مقدمه
نانو کامپوزیت های سرامیکی بر پایه کاربید سیلیسیم - SiC - به عنوان سرامیک های ساختاری با کارایی بالا محسوب می شوند که به علت چگالی پایین، مدول الاستیک بالا، استحکام و سختی بالا، مقاومت اکسیداسیون خوب، هدایت حرارتی بالا و ضریب انبساط حرارتی کم و حفظ استحکام در دماهای بالای این مواد میباشد .[1-3] این ویژگیها SiC را به یکی از مهم ترین مواد برای کاربردهایی نظیر اجزای کوره های دما بالا - المنت ها، تیوب کوره، آجرهای نسوز و غیره ... - ، توربین های بخار و گازی، صنعت شیشه، صنایع متالورژی، صنعت سرامیک، نیروگاه های حرارتی و هستهای و سازههای هوافضا تبدیل کرده است .[5 ;4]
با این حال سینتر نانو کامپوزیتهای SiC و رسیدن به چگالی بالا بهدلیل ماهیت پیوند کووالانسی بین سیلیسیم و کربن و ضریب نفوذ در خود پایین بدون استفاده از کمک سینتر دشوار است و بایستی از کمک سینترها استفاده نمود .[6] برای مثال SiC خالص با چگالی بالا تنها با پرس داغ در دمای 2500 و فشار 50 MPa به دست میآید .[7] بنابراین تلاش های بسیاری برای پیدا نمودن افزودنی سینتر مناسب برای سینتر حالت جامد یا سینتر حالت مایع SiC انجام شده است. پروچازکا1 و همکارش [8] با افزودن بور و کربن به روش سینتر حالت جامد به چگالی 96/4 درصد رسیده اند با این حال این فرایند نیاز به دمای بالایی نزدیک به 2100 دارد. پرس داغ با افزودنی هایی که تشکیل فاز مایع می دهند برای کاهش دمای سینتر به کار می روند. زیرا مایع به عنوان محیط انتقال جرم عمل می نماید و سینترپذیری را افزایش می دهد. در این بین سینتر فاز مایع به ترکیب مواد پایه و افزودنی های تشکیل فاز مایع بستگی دارد. رایج ترین افزودنی هایی که برای این منظور استفاده می شوند شامل MgO، Al2O3-Y2O3، Al2O3-Yb2O3، Al2O3-La2O3، Al2O3-Dy2O3، Al2O3-Y2O3 -CaO - SiC-AYC - و Al2O3-Y2O3-SiO2 میباشند .[11-9 ;5]
عوامل مؤثر در انتخاب عامل افزودنی شامل سرعت های تشکیل، کسر حجمی، ترشوندگی روی SiC و فشار بخار کم فاز مایع می باشند که مانع از تبخیر در شرایط سینتر میشوند. همچنین مواد افزودنی بایستی پایدار بوده و منجر به تجزیه SiC در دماهای بالا نشوند. زیرا واکنش بین افزودنی و SiC ممکن است که منجر به تشکیل کاربید فلزی یا سیلیسید فلزی شود و تراکم SiC را کاهش دهد .[14-12] به همین علت در این مقاله تلاش شده است تا تأثیر اکسیدهای فلزی مختلف - MvOw - مانند Al2O3، MgO و Y2O3، Fe2O3، WO3، Cr2O3، Ta2O5 و V2O5 تحت شرایط پرس داغ در محدود دمایی 1700-1800 درجه سانتیگراد بر نانو کامپوزیتهای SiC بر اساس محاسبات ترمودینامیکی مورد بررسی قرار گیرد.
-2 تأثیر اکسیدهای فلزی مختلف - MvOw -
بر اساس حالتهای ترمودینامیکی، مشخص شده است که تشکیل لایه ای از SiO2 روی سطح SiC در حضور اکسیژن اجتناب ناپذیر است. همان طور که در شکل 1 نشان داده شده بر اساس پژوهش های و همکارانش، سطح SiC به وسیله لایه ای از SiO2 با ضخامت کمتر از 2 nm پوشیده شده است .[15] علت این امر آن است که انرژی آزاد تشکیل گیبس SiO2 خیلی کمتر از SiC است. برای مثال انرژیهای آزاد تشکیل برای SiO2 و SiC به ترتیب برابر با -856/1 kJ/mol و -70/6 kJ/mol در دمای اتاق و -545/5 kJ/mol و -47/6 kJ/mol در دمای 1750œC است .[17 ;16]
شکل :1 تصاویر HRTEM از ذرات - a : - SiC مورفولوژی ذرات و - b لایه نازک SiO2 روی سطح .[15] SiC
همان طور که ذکر شد اکسید فلزی - MvOw - بهعنوان یک افزودنی مؤثر در حین فرایند سینتر باید پایدار بوده، تجزیه نشود و با SiC نیز واکنش ندهد. در طول اکسیداسیون SiC، اگر افزودنی سینتر MvOw ناپایدار باشد میتواند به صورت 3 فاز فلز خالص، کاربید فلزی و سیلیسید فلزی تشکیل شود. به منظور تعیین واکنش اکسیداسیون احتمالی SiC بر تجزیه MvOw، تمام واکنشهای احتمالی بین SiC و O2 در رابطههای 1 تا 8 آورده شدهاند .[12]
