بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش نانو ساختار کامپوزیتی Al2O3-ZrO2 با استفاده از کلریدهاي آبدار آلومینیم و زیرکونیم به وسیله فرآیند سل-ژل سنتز شده است. تغییرات صورت گرفته در ساختار داخلی و مورفولوژي ذرات پودر به ترتیب به وسیله پراش پرتو اشعه ایکس - XRD - ومیکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - ارزیابی شدند. نتایج نشان می دهد که هر دو فاز α -Al2 O3 و ZrO2 مونوکلینیک در کنار هم تشکیل می شوند و ساختاري نانو کامپوزیتی به وجود می آورند. اندازه متوسط دانه هاي Al2O3 و ZrO2 به ترتیب برابر با 35 nm و24 nm می باشند.
مقدمه
به دلیل ماهیت پیوند در مواد سرامیکی که بیشتر از نوع کووالانت و یونی هستند این مواد داراي استحکام به ضربه پایین ، چقرمگی پایین و عدم قابلیت تغییر شکل پلاستیک می باشند که این از نقاط ضعف سرامیک ها محسوب شده و کاربرد این تهیه نانو کامپوزیت آلومینا-زیرکونیا از نمک هاي کلریدي توسط فرآیند سل-ژل مواد را محدود می کند. تحقیقات دهه اخیر در زمینه نانو کامپوزیت ها نشان می دهد که افزودن یک فاز ثانویه با ابعاد نانومتري به یک زمینه سرامیکی به دلیل ایجاد یک ریز ساختار بهتر ، سبب بهبود خواص مکانیکی زمینه می شود. به همین دلیل بحث بررسی نانو کامپوزیت ها براي افزایش این خواص در سالهاي اخیر مطرح شده است.[1]
یکی از رایج ترین کامپوزیت هاي که تحقیقات زیادي بر روي آن صورت گرفته است ، کامپوزیت سرامیکی Al2O3-ZrO2 می باشد که در آن زیرکونیاي خالص یا تثبیت جزئی شده با پودر Al2O3 مخلوط شده و سپس سینتر یا تحت پرس گرم قرار می گیرد.[2] اندازه بهینه ذرات براي رسیدن به چقرمگی واستحکام مناسب براي زیرکونیاي خالص در حدود 1-2m و براي زیر کونیا تثبیت جزیی شده در حدود 2-5m است. همچنین کسر حجمی بهینه ZrO2 در مخلوط با Al2O3 حدود %15 می باشد. ذرات زیرکونیا به مواد دیگر نظیر اسپینل ، مولایت و کاربید سیلیسیم نیز اضافه شده و باعث بهبود چقرمگی و استحکام در آنها شده است4]و.[3
فرآیند سل-ژل شامل مجموعه اي از واکنشهاي شیمیایی تغییر ناپذیر است که در حقیقت این واکنش ها باعث تبدیل مولکولهاي محلول هموژن اولیه به عنوان سل به یک مولکول نامحدود سنگین سه بعدي پلیمري به عنوان ژل می شوند.[5] آماده سازي ذرات در اندازه ومقیاس نانو مستلزم آماده سازي و فراهم کردن یک زمینه پیوسته از یک حلال می باشدکه به آن سل کلوییدي می گویند . در این روش معمولا به یک سیستم تعلیق بسیار ریز ، که داراي انرژي آزاد بسیار بالایی است، جهت در هم شکستن و بهم ریختن ساختار جامد نیاز است.
به دلیل ریز دانه بودن ذرات و در نتیجه افزایش سطح ویژه ، مواد و سیستم هاي کلوییدي تمایل و گرایش به آگلومره شدن دارند که این امر ناشی از نیروهاي جاذبه واندروالس بین ذرات و پایین بودن نیروهاي دافعه براي عبور از سد انرژي ذاتی به وجود آمده در این فرآیند است. بزرگی و مقدار این سد انرژي آگلومره شدن بستگی به تعادل نیروهاي جاذبه و دافعه بین ذرات دارد.در فرآیند سل-ژل تبدیل سل به ژل اغلب به وسیله تغییر pH و یا تغییر غلظت محلول به دست می آید.
مزیت اصلی فرآیند سل-ژل در تولید محصولی با خلوص بالا و دست یافتن به نانو ساختاري یکنواخت در دماي پایین است. از روش سل-ژل اغلب جهت سنتز نانو اکسید هاي فلزي استفاده می شود. همچنین با مخلوط کردن نمکهاي اولیه این فلزات می توان سیستم هاي دوتائی و یا سیستم هاي سه تائی از اکسید هاي فلزي تولید کرد. هر مولکول از نمکهاي اولیه داراي سرعت واکنش مربوط به خودش است که این سرعت واکنش بستگی به شرایطی چون pH ، غلظت ،نوع حلال و دما دارد7]و.[6
روش آزمایش
در این پروژه از AlCl3.6H2 O - Merck No.1084 - و ZrOCl2.8H2O - Merck No.8917 - به عنوان مواد اولیه جهت سنتز کامپوزیت مورد نظر استفاده شد.همچنین براي تنظیم pH در طول فرآیند سنتز از اسید کلریدریک %36/5 استفاده گردید.اندازه گیري pH توسط دستگاه pH متر Metrohm مدل 691 انجام شد. براي اندازه گیري توزیع اندازه ذرات سل به دست آمده از دستگاه Zetasizer مدل 3000HSA شرکت Instrument MALNERN استفاده شد.
در سنتز کامپوزیت مذکور ابتدا براي تبدیل کلرید آلومینیم به ژلی حاوي هیدروکسید آلومینیم pH بهینه تعیین گردید. نحوه آماده سازي بدین صورت بود که کلرید آلومینیم به مقدار مشخص توزین و در درون بشر حاوي آب مقطر که در pH=3 تنظیم گردیده بود ریخته می شد، در ادامه بشر بر روي همزن با دماي 60oC قرار گرفت، پس از گذشت 4 ساعت ژلی شفاف در کف بشر تشکیل می گردید و سپس سل حاوي هیدروکسید زیرکونیم - که با توجه به نمودار پتانسیل زتا ، در محیطی اسیدي تهیه شده - به ژل پایه آلومینایی اضافه گردید.
پس از افزودن سل پایه زیرکونیا به ژل پایه آلومینا مخلوط جهت همگن سازي مورد عملیات آلتراسونیک با توان کم قرار گرفت وسپس در درون خشک کن در دماي 80oC به مدت زمان 12 ساعت حرارت داده شد. براي انجام عملیات حرارتی بر روي پودر خشک شده ، از یک کوره آزمایشگاهی با حداکثر دماي کاري 1600oC استفاده شد. اتمسفر کوره در حین کار هوا بوده و نرخ گرمایش برابر 10 oC/min بود. مدت زمان نگهداري در دماي بیشینه مورد استفاده که برابر با 1200oC است در حدود یک ساعت بود. آزمایش هاي پراش پرتو ایکس با دستگاه پراش پرتو ایکس Siemens D500 تحت ولتاژ 30 kV و جریان 25 mA صورت گرفت. در تمام آزمایش ها از اشعه ایکس Cu k با طول موج 1/5404 A0 استفاده شد. اندازه متوسط دانه ها در شبکه کریستالی ذرات پودر به کمک روش Scherer مطابق رابطه ذیل محاسبه گردید.
در این رابطه d اندازه متوسط دانه ها ، طول موج پرتو ایکس مورد استفاده در دستگاه XRD ، b، پهناي شدیدترین پیک فاز مورد نظر در نصف ارتفاع برحسب رادیان و زاویه شدیدترین پیک پراش یافته فاز مورد نظر است. تغییرات ایجاد شده در مرفولوژي ذرات پودر نیز ارزیابی گردید. به این منظور از دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی stereo Cambridge scan با ولتاژ کاري 25 kV استفاده شد.
نتایج و بحث
در شکل 1 توزیع اندازه ذرات سل پایه زیرکونیا تهیه شده جهت افزودن به ژل پایه آلومینا مشاهده می گردد.منحنی توزیع اندازه ذرات نتایج ، نشان دهنده این است که ذرات سل اضافه شده داراي توزیع اندازه ذراتی بین 50-500nm هستند. سل اضافه شده به ژل خشک می گردد و سپس مورد آنالیز فازي قرار می گیرد. در شکل 2 الف الگوي پراش XRD این مرحله از سنتز کامپوزیت مشاهده می شود.
همانطور که الگوها نشان می دهند در ابتدا به دلیل عدم انجام عمل کلسیناسیون ، هیچگونه پیکی مربوط به فازهاي آلومینا یا زیرکونیا را مشاهده نمی کنیم و در عوض پیک هاي ماده اولیه AlCl3.6H2O و فاز بوهمیت قابل شناسایی هستند که این امر نشان دهنده این مطلب است که ژل بوهمیت در کنار ماده اولیه AlCl3.6H2O وجود دارد. در نتیجه می توان نتیجه گرفت وقتی کلرید آبدار آلومینیم با آب داغ هیدرولیز می شود ، فاز AlOOH تشکیل می شود و از بین هیدروکسیدهاي آلومینیم فقط AlOOH است که به ژلی شفاف تبدیل می شود.در شکل 2 ب الگوي پراش XRD ، نمونه کلسینه شده در دماي 1200oC که به مدت یک ساعت در این دما نگاه داشته شده است مشاهده می شود.
