بخشی از مقاله
توليد کامپوزيت متخلخل Tic/Al2O3 به روش سنتز احتراقي در حضور ماده گاززا
چکيده
در اين تحقيق براي بدست آوردن کامپوزيت Tic/Al2O3 با تخلخل بـالا (حـدودا 70درصـد) از روش افزودن عوامل گاززا استفاده شد. اکسيد تيتانيم (رتيل )، آلومينيوم فلزي، گرافيت به عنوان مواد اوليه به کار گرفته شد. در اين پژوهش از کربنات کلسيم به عنوان عامل گاززا استفاده شـد. نمونـه هـاي کـامپوزيتي بـا تخلخل بالا (بيشتر از 70 درصد) بوسيله سنتز احتراقي فعال شده با مايکروويو بدست آمدند. پس از شـروع سنتز مايکروفر خاموش شده و سنتز به صورت خود پيش رونده ، کل نمونه ها را در بر گرفت . تـاثير ميـزان عامل گاززا و مقدار فشار پرس بر روي ميزان تخلخل ، مورد بررسي قرار گرفت . مشـاهده شـد بـا افـزايش ميزان عامل گاززا علاوه بر تخلخل ، زمان آغاز سنتز (زمان اشتعال ) هم افزايش مي يابد که بوسـيله چنـدين نمودار تحليل و بررسي شده است . به علاوه آناليز XRD و SEM هم بر روي نمونه هـاي بدسـت آمـده انجام شد.
واژه هاي کليدي : سنتز احتراقي، کامپوزيت هاي Tic/Al2O3 با تخلخل بالا، عوامل گاززا
مقدمه
در سال هاي اخير مواد متخلخل که داراي مقادير بالايي حفره هستند، به شدت مورد مطالعه قرار گرفته اند که اين به دليل ظرفيت جذب انرژي بالا ، کاهش هدايت حرارتي و توانايي بالاي آن ها در جذب صوت است . فوم هاي سراميکي داراي کاربردهاي وسيعي در محيط هاي سخت هستند که از آن جمله ميتوان به پوشش هاي مانع حرارت در دماهاي بالا و مواد فيلتر در محيط هاي خورنده شديد اشاره کرد [1]. سراميک هاي متخلخل توسط روش هاي اسفنجي، فوم سازي، ريخته گري ژلي و اکستروژن تهيه ميشوند[2]. سنتز احتراقي يا سنتز دماي بالاي خود پيش رونده يک روش پيشنهادي براي توليد سراميک هاي پيش رفته ، کامپوزيت هاي سراميکي و ترکيبات بين فلزي است و به يک واکنش شيميايي بسيار گرمازا بستگي دارد که پس از اعمال يک پالس کوتاه انرژي براي شروع واکنش ، خود پيش رونده مي شود[3]. با اين حال ميزان نسبتاً بالاي تخلخل ها در محصولات واکنش براي مثال %50-40 منجر به محدوديت هايي در کاربرد اين روش براي توليد مواد پيشرفته شده است . به اين خاطر روش هاي چگالش مختلفي کشف شده است که شامل : پرس گرم ، فشرده سازي احتراقي، HIP اصلاح شده و آهنگري ضربه اي هستند[4]. از سوي ديگر همان طور که ميدانيم مواد سنتز احتراقي شده متخلخل کانديداي استفاده به عنوان تجهيزات پزشکي در محدوده ايمپلنت هاي دنداني تا استخواني و ايمپلنت هاي جانشين مفاصل و همچنين کاربردهاي ديگري چون مبدل هاي حرارتي، سيستم هاي نگهدارنده کاتاليستي ، ميکروفيلترها و مواد استحکام بالاي خيلي سبک وزن هستند[3]. به خاطر اين مسئله ما به توليد سراميک هاي با تخلخل بالا (بيشتر از 60%) با روش SHS به هدف کاربردي کردن طبيعت متخلخل محصولات واکنش SHS تشويق شديم . همچنين با انجام چنين کاري ميتوانيم از مزاياي عمومي سنتز احتراقي شامل خلوص بالاتر محصولات و حذف کوره هاي دماي بالا بهره مند شويم . به علاوه ميتوانيم از فرايند چگالش که عموماً براي محصولات واکنش SHS مورد نياز است ، جلوگيري کنيم . تخلخل در محصولات سنتز شده معمولا توسط اين عوامل تعيين مي شود:
1) دانسيته اوليه يا دانسيته خام قرص پودري
2) تغيير در حجم بين مواد اوليه و محصولات
3) تبخير ناخالصي ها در دماهاي بالا در طي فرايند
4) ويسکوزيته مايع توليد شده در جبهه احتراق
5) اثر مويينگي
6) اندازه ذرات واکنش دهنده
اگر دماي احتراق از دماي ذوب يکي يا تعدادي از مواد اوليه يا محصولات تجاوز کند، منجر به شدت بالاي چگالش مي شود. جريان مواد اوليه و.يا محصولات مذاب به خاطر اثر مويينگي و جاذبه مخصوصا اگر تفاوت چشمگيري در دانسيته بخش هاي مذاب و جامد باشد، منجر به چگالش نمونه مي شود به اين معنا که حفرات با مذاب پر مي شوند. يک عامل گاززا مي تواند با ورود به جبهه احتراق به طور طبيعي بر وقوع چگالش براي چنين سيستم هايي غلبه کند. براي اينکه عامل گاززا در افزايش تخلخل محصول موثر واقع شود، بايد ويسکوزيته مذاب توليد شده در موج احتراق داراي مقدار بهينه اي از مقاومت در برابر انتقال گاز درون فاز مايع باشد. اگر ويسکوزيته بسيار بالا باشد، گاز با مقاومت زيادي مواجه مي شود و در حين انجماد در مايع گير مي افتد. اين باعث ايجاد حفرات کشيده يا خيلي بزرگ و حفرات در هم ريخته نامطلوب در محصول ميشود. بالعکس اگر ويسکوزيته بسيار پايين باشد، گاز با يک مقاومت کم مواجه ميشود و به آساني در ميان مايع جريان مييابد. اين باعث ايجاد افزايش ناچيز يا صفر در تخلخل محصول ميشود. مقدار بهينه اي براي ميزان مايع توليد شده در جبهه واکنش وجود دارد که باعث افزايش مؤثر در تخلخل محصولات ميشود. مقدار بالاي مايع توليد شده در جبهه واکنش منجر به چگالش شديد محصول ميشود در صورتي که مقدار کم مايع ، گاز روان را به دام نخواهد انداخت . در برخي موارد، در حين سنتز احتراقي توليد گاز به طور چشمگيري اتفاق ميافتد که ناشي از گاززايي ناخالصيهاي بسيار فرار و گازهاي جذب سطحي شده به پودر واکنش دهنده است . در موارد ديگر عوامل گاززاي جديد به طور هدفمند به مخلوط واکنش دهنده اضافه ميشوند. عوامل گاززاي ايده آل داراي دماي تجزيه اي در حدود دماي احتراق واکنش هستند، در نتيجه گازها به داخل جبهه ويسکوز واکنش ، آزاد ميشوند تا به تشکيل حفرات کمک کنند. اگر گاز توليد شده جلوي جبهه واکنش به خاطر تفاوت چشمگير دماي تجزيه و احتراق باشد، افزايش ناچيز يا صفر در تخلخل محصول خواهيم داشت . از آن جا که تجزيه معمولاً يک فرايند گرماگير است عامل گاززاي انتخابي نبايد به طور چشمگيري در واکنش سنتز احتراقي دخالت کند يا آن را به تعويق بيندازد به اين معنا که گرماي توليد شده از واکنش سنتز احتراقي گرمازا بايد خيلي بيشتر از گرماي مورد نياز براي تجزيه عامل گاززا باشد[3]. در اين جا يک کاربرد نوين سنتز احتراقي مورد بررسي قرار گرفته است که شامل افزودن مقادير خاصي مواد فرار است . مواد فرار به هدف افزايش بيشتر تخلخل کلي و تخلخل هاي متصل بهم محصولات واکنش SHS افزوده ميشوند. پس از افزودن مواد فرار، يک محصول واکنش SHS با تخلخل بسيار بيشتر يعني سراميک با تخلخل بالا که تخلخل هاي باز متصل بهم آن ميتواند بيشتر از 70% باشد، بدست خواهد آمد[4].
مواد و روش تحقيق
براي دستيابي به کامپوزيت متخلخل Tic/Al2O3 از پودرهاي اکسيد تيتانيم (رتيل ) ،آلومينيوم (خلوص 99.9% و< μ m45) و گرافيت (<μm45) به عنوان مواد اوليه استفاده شد و پس از مخلوط کردن به ميزان استکيومتري بر اساس واکنش مقابل :
ازکربنات کلسيم به عنوان ماده گاززا استفاده شد که در مقادير مختلف به مخلوط واکنش افزوده شده و سپس به ميزان 3 گرم از مخلوط پودري حاصل شده را توسط دستگاه پرس هيدروليک تحت فشارهاي مختلف پرس کرديم . از مايکروفر خانگي براي انجام سنتز احتراقي استفاده کرديم به اين صورت که نمونه هاي آماده شده را که ميخ فولادي براي سهولت جرقه زدن روي آن قرار داشت در نقطه وسط مايکروفر قرار داديم تا از يکسان بودن دريافت اشعه از منبع مايکروويو توسط نمونه مطمئن شويم سپس توان (I)900 را انتخاب کرده و دکمه شروع را زديم . براي مشاهده دماي نمونه ها در زمان هاي مختلف پس از شروع واکنش از پيرومتر استفاده کرديم . لازم به ذکر است پس از شروع اشتعال نمونه ها، مايکروفر را خاموش کرديم تا انجام واکنش SHS در مد پايدار را مورد بررسي قرار دهيم . پس از سرد شدن نمونه ها با استفاده از اصل ارشميدس ، تخلخل ظاهري (باز) محصولات را محاسبه کرديم سپس از سطح مقطع نمونه ها با ميکروسکوپ الکتروني عکس هايي تهيه کرديم . همچنين از آناليز XRD هم استفاده کرديم .
نتايج و بحث
مقادير افزوده شده ماده گاززا در اين تحقيق (کمتر از 1.56 مول ) ، براساس خط 0 مول اکسيژن نمودار زير (شکل 1)، با در نظر گرفتن معيار مرزانف براي انجام سنتز احتراقي دماي بالاي خود پيش رونده (دماي آدياباتيک 1٨00 درجه کلوين ) انتخاب شده بود.
شکل 1- تغييرات دماي آدياباتيک سيستم به ازاي مقادير مختلف کربنات کلسيم در حضور مقادير مختلف اکسيژن .
اما مشاهده کرديم سنتز احتراقي به صورت خود پيش رونده در محدوده بالاتر از 1.5 مول هم اتفاق ميافتد به عبارتي نقض معيار مرزانف را شاهد هستيم ، لذا بنا به احتمال حضور اکسيژن هوا در محفظه مايکروفر و در نتيجه اکسيداسيون آلومينيوم و تشکيل گرمازاي آلومينا، با در نظر گرفتن مقادير مختلف اکسيژن و رسم بقيه نمودارها آنچنانکه انتظار داشتيم مشاهده کرديم حد مرزانف در حضور اکسيژن به مقادير بالاتري از کربنات کلسيم انتقال مييابد، به اين معنا که به ازاي مقادير بالاتري از ماده گاززاي کربنات کلسيم هنوز معيار مرزانف صادق است ، به طور مثال براي 0.35 مول اکسيژن ميزان کربنات کلسيم از 1.56 مول به 2.3 مول افزايش مييابد. همچنين با استفاده از آناليز XRD بر روي نمونه هاي با 1.5 و2.3 مول کربنات کلسيم پرس شده در فشار176 مگاپاسکال ، از تشکيل کاربيد تيتانيم و آلومينا هم اطمينان حاصل شد (شکل 2) به عبارتي به کامپوزيت Tic/Al2O3 دست يافته ايم . نتيجه ديگري که ميتوان از آناليز XRD گرفت ريزتر بودن اندازه کريستاليت ها در نمونه 2.3 مول کربنات کلسيم نسبت به نمونه 1.5 مول کربنات کلسيم است که دليل اين امر را ميتوان به کاهش بيشتر دماي آدياباتيک واکنش گرمازا در حضور مقادير بيشتر عامل گاززا مربوط دانست که در اين صورت زمان باقي ماندن محصول در دماهاي بالا کاهش يافته و دانه هاي AlO23 و TiC فرصت رشد نمي يابند [6].
