بخشی از مقاله
چکیده
هدف از انجام این پژوهش تولید نانو پودر کاربید زیرکونیوم از اکسید زیرکونیوم و گرافیت توسط واکنش منیزیوترمیک به روش مکانوشیمیایی و بدون انجام عملیات حرارتی میباشد. با توجه به دمای آدیاباتیک واکنش - T=2244K - این واکنش به صورت سنتز خود پیشرونده دمای بالا و یا MSR1 میباشد. مواد اولیه طبق واکنش استوکیومتری با نسبت - 1:2:1 - به ترتیب برای ZrO2، منیزیم و گرافیت مخلوط شدند.
آسیاکاری نمونهها در یک آسیا سیارهای پرانرژی مدل FP2 تحت آتمسفر گاز آرگون با نسبت وزنی پودر به گلوله 1:20 صورت گرفت. با توجه به نتایج پراش پرتو ایکس در زمان 12 ساعت آسیاکاری اولین پیکهای نانو کاربید زیرکونیوم ضاهر میگردد. پس از 30 ساعت آسیاکاری تمام اکسید زیرکونیوم توسط منیزیم احیا شده و با گرافیت تولید کاربید زیرکونیوم میدهد. با توجه به تصویر TEM اندازه ذرات کاربید زیرکونیوم حدود 45 نانو متر میباشد.
-1مقدمه
نانو ذرات کاربید زیرکونیوم ZrC یک سرامیک با کاربرد در دمای بالا - UHTC - میباشد که به دلیل ویژگیهای منحصر به فردی از جمله سختی بالا، استحکام بالا، نقطه ذوب بالا، مقاومت به شوک حرارتی خوب، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا، نرخ تبخیر پایین، پایداری در حالت فاز جامد و شفافیت در برابر نوترون کاربردهای گستردهای در صنعت هستهای و نظامی از جمله مورد استفاده در ساخت آرایههای انتشار میدانی، پوششهای نفوذ کننده در ذرات UO2 در صنعت هستهای، تولید الکترودها، فیلمانها، قطعات دیرگداز و غلافهای محافظت کننده از فلزات موجود در ترموکوپلها میباشد.[3-1]
سنتز مکانوشیمیایی MCS2 یکی از مهمترین کاربردهای آلیاژسازی مکانیکی است که قابلیت تولید بسیاری از مواد پیشرفته از جمله کاربیدها، نیتریدها، بورایدها و نانو کامپوزیتها را دارد.[4] معمولا برای تولید کاربیدها از جمله کاربید زیرکونیوم نیاز به دماهای بالا در نتیجه استفاده از کورههای دمای بالا میباشد. این امر باعث افزایش هزینههای تولید میشود و افزون بر آن به دلیل بالا بودن دمای تولید به دلیل رشد کریستالها، ساختار نانو تشکیل نخواهد شد.[7-5] هدف از انجام این پژوهش تولید نانو ذرات کاربید زیرکونیوم از ماده اولیه اکسیدی ارزان قیمت نسبت به پودر به فلزی زیرکونیوم به روش مکانوشیمیایی و بدون انجام عملیات حرارتی می-باشد. به این ترتیب که در کنار تولید نانو کاربید زیرکونیوم، هزینه-های تولید نیز کاهش خواهد یافت.
-2مواد و روشها
مشخصات مواد اولیه مورد استفاده در این پژوهش در جدول - 1 - آورده شده است. جهت بررسی رفتار ترمودینامیکی و محاسبات مربوط به انرژی آزاد، آنتالپی تشکیل و دمای آدیاباتیک واکنشهای صورت گرفته در سیستم، از نرم افزار HSC Chemistry5 و مطابق رابطه - 1 - استفاده گردیده است. برای بررسی روند تغییرات فازی در زمانهای مختلف آسیاکاری و بررسی میزان پیشروی احیا از دستگاه پراش پرتو ایکس مدل Philips-PW30-40 استفاده شد. ولتاژ مورد استفاده در دستگاه 30 کیلو وات و جریان اعمالی 30 میلی آمپر بود. در تمام آزمایشها از اشعه ایکس تک موج CuK با طول موج 1,5405آنگسترم استفاده گردید. جهت شناسایی فازها از نرمافزار ;ʼ3HUW-MPD، استفاده گردید.
با توجه به دمای آدیاباتیک - Tad =2244 K - نشان میدهد که این واکنش به صورت MSR صورت میگیرد.[11] واکنشهای مربوط به کاهش ترکیبهای فلزی را میتوان بر اساس آنتاپی واکنش و شرایط آسیاکاری به دو گروه کلی تقسیم کرد. الف - واکنشهایی که آنتالپی بالایی دارند و در حین انجام آسیاکاری رخ میدهند . - T ad>1800 K - البته این مقدار در بعضی از مقالات K 2100 گزارش شده است ب - واکنشهایی که آنتالپی کمی دارند و در حین انجام آسیاکاری به آسانی رخ نمیدهند و نیاز به عملیات بعدی و یا زمانهای بسیار طولانی آسیاکاری دارند . - T ad<1800 K - واکنشهای گروه اول به دو صورت تدریجی واحتراقی میتوانند انجام شوند.
اگر آنتالپی واکنش به اندازه کافی زیاد باشد واکنشها به-صورت احتراقی انجام میشوند.[9] انجام واکنشهای احتراقی در حین فرآیند آسیاکاری شرایط لازم برای سنتز محصول در کمترین زمان و بهصورت ناگهانی را فراهم میآورد که منجر به سنتز مواد به روش در اصطلاح، سنتز خود پیش رونده دمای بالا بهطور مکانیکی تحریک شده میشود که در این صورت با عبارت MSR شناخته میشوند.[11] این روش را میتوان ترکیبی از فرآیندهای سنتز خود پیشرونده دما بالا SHS4 و مکانوشیمیایی دانست.[9]
2-3 بررسی روند تغییرات فازی شکل - 1 - تغییرات پراش پرتو ایکس مخلوط پودری مواد اولیه در زمانهای مختلف آسیاکاری را نشان میدهد. همانگونهکه ملاحظه میشود تا زمان 6 ساعت آسیاکاری هیچ محصولی تولید نشده و همچنان مواد اولیه بدون تغییر فاز باقی ماندهاند و تنها و تنها از شدت پیکهای کاسته شده و پهنای پیکها به دلیل فرآیند آسیاکاری افزایش یافته است. زمان 12 ساعت آسیاکاری زمان شروع تولید کاربید زیرکونیوم میباشد که در این زمان بخشی از اکسید زیرکونیوم توسط منیزیم احیا شده و با گرافیت تولید کاریبد میدهد اما هنوز بخش زیادی از زیرکونیوم به صورت اکسید باقی مانده، که هنوز احیا نگردیده است که با ادامه فرآیند آسیاکاری تا زمان 30 ساعت باقی مانده اکسید زیرکونیوم احیا شده و با توجه به وجود گرافیت کاربید زیرکونیوم تولید میگردد.
در حین فرآیند آسیاکاری به دلیل برخورد مکرر گلولهها به ذرات پودر، به دلیل تغییر فرم پلاستیک و انجام کار سرد چگالی نواقص کریستالی در ساختار افزایش مییابد. این نواقص میتواند شامل نابجاییها، جاهای خالی و مرز دانهها باشد.[12] افزایش این عیوب از جمله نابجاییها، باعث میشود که این عیوب در یکدیگر قفل شده و اصطلاحا پودر دچار کار سختی شود. این مسئله باعث میگردد بر اثر برخورد گلوله به ذرات پودری، شکست مرز دانهای اتفاق افتاده و انداز بلورکها کاهش پیدا کند و سطوح جدیدی بهوجود آید، که در پراش پرتو ایکس بهصورت کاهش در شدت و پهن شدگی پیک خود را نشان میدهد.
