بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به خواص ویژه فلز تنگستن - نقطه ذوب بالا، داشتن کمترین ضریب انبساط حرارتی و سختی مناسب - استفاده از آن در ایجاد کامپوزیتهای نانوساختار تنگستن/اکسید فلز رو به افزایش میباشد. به همین منظور میتوان از روش مکانوشیمیایی برای دست یافتن به این ساختار استفاده کرد. در این تحقیق با اعمال فرایند آلیاژسازی مکانوشیمیایی بر پودر اکسیدتنگستن و مخلوط پودرهای آلومینیوم و روی به عنوان عوامل احیاکننده، به بررسی قابلیت احیاء همزمان اکسیدتنگستن توسط آلومینیوم و روی و ایجاد کامپوزیت نانوساختار تنگستن/آلومینا پرداخته شده است.
سپس با تغییر نسبت آلومینیوم و روی اولیه، سنتز کامپوزیتهایی با درصدهای پیشبینی شده آلومینا مورد بررسی قرار گرفته است. که درنهایت با حذف عامل کنترلکننده - اکسیدروی - از طریق فرایند اسیدشویی، نمونه نهایی تولید میشود. که نتایج آزمونهای پراش اشعه ایکس - - XRD، محاسبات تغییرات درصد وزنی قبل و بعد از اسیدشویی، آزمون تفرقسنجی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی - - EDS، طیفسنجی اشعه ایکس - - XRF و تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - - SEM حاکی از انجام فرایند کنترل شده احیاء اکسیدتنگستن توسط آلومینیوم و روی و تشکیل کامپوزیت نانوساختار تنگستن/آلومینا با درصدهای پیشبینی شده آلومینا - تا %27 درصدوزنی آلومینا - در ابعاد نانو، مورد استفاده در صنایع مختلف می باشد.
مقدمه
امروزه استفاده از کامپوزیت های دارای تقویت کننده های ناپیوسته یا کامپوزیتهای تقویت شده با ذرات، به دلیل خواص ویژه و تولید آسان مورد توجه زیادی قرار گرفتهاند. در این بین استفاده از کامپوزیتهای تنگستن-آلومینایی همانند اکثر کامپوزیتهای زمینه فلزی - MMC - یا کامپوزیتهای زمینه سرامیکی - CMC - با رویکرد استفاده از خواص ترکیبی این دسته از مواد پیشرفته، روز به روز در حال گسترش میباشد [1]. خواصی که ناشی از ترکیب ویژگی های اجزای تشکیلدهنده آ نها، یعنی خواص فلزی - داکتیلیتی و چقرمگی - و خواص سرامیکی - استحکام و مدول بالا - را همزمان دارا می باشند که این ویژگی باعث کاربرد گسترد ه ی آنها در صنایع مختلف شده است. کامپوزیتهای تقویت شده با ذرات به رو شهای مختلفی مثل متالورژی پودر، فلزخورانی با استفاده از پیش شکل1 و روشهای متداول ذوبی و ریختهگری تولید میشوند.
[2] دو مشکل عمدهی کامپوزیتهای تولید شده با کمک این روش ها غیریکنواخت بودن فاز تقویتکننده و بر قرار نشدن پیوند مناسب بین زمینه و تقویتکننده به دلیل آلودگی تقویتکننده میباشد. با استفاده از آسیاکاری میتوان بر این مشکلات غلبه کرد، بدین ترتیب که با تولید درجای 2 تقویت کننده به کمک واکنش شیمیایی در طول آسیاکاری مکانیکی میتوان به توزیع یکنواخت ذرات ریز تقویتکننده و فصل مشترک نسبتا پایدار و بدون ناخالصی بین زمینه و تقویت کننده دست یافت.[3] اساس این روش انجام واکنش جابحایی بین اکسید فلز و دیگر مواد میباشد. به عنوان مثال در این روش با استفاده از فلزات و به منظور وقوع واکنش احیاء، احیاء متالوترمی صورت می گیرد. واکنش احیاء متالوترمی واکنشی به شدت گرمازا است بنابراین میتوان از این فرایند به منظور تامین انرژی واکنشهای موجود در طول فرایند آسیاکاری استفاده کرد، و فرایند آسیاکاری را در زمانهای کوتاهتری انجام داد.[4]
از سویی میتوان با استفاده از چندین عنصر فلزیِ احیاکننده به صورت همزمان، درصدهای مختلفی از نسبت احیاکنندگی را به اجزاء مخلتف اختصاص داد تا در نهایت بتوان به ساختاری با نسبتهای مشخص از اجزاء دست پیدا کنیم. اما با توجه به اینکه فلزات مختلف مطابق با نمودار الینگهام دارای قدرتهای مختلف احیاکنندگی میباشند، میتوان با استفاده همزمان از چندعامل به بهینه سازی سینتیکی واکنش ها پرداختبه. طوری که حضور یک واکنش احیاء متالوترمی با انرژیِ بالا مانند واکنش آلومینوترمی سبب تسریع در انجام دیگر واکنشهای متالوترمی و تغییر سینتیک واکنش شود.
مبانی نظری پژوهش
نظریهای که در این مقاله مورد مطالعه قرار گرفته است، بررسی و امکانسنجی واکنش احیاء اکسید تنگستن توسط عنصر آلومینیوم در حضور عنصر روی در طول فرایند آسیاکاری و کنترل احیاء آلومینیوم توسط عنصر روی می باشد، تا ازاین طریق بتوان با دست یابی به ساختار و کامپوزیتی از تنگستن و آلومینا با نسبت های پیشبینی شده از اجزاء پرادخت. به منظور تعیین مقدار نسبی آلومینیوم و روی مورد استفاده برای احیاء اکسیدتنگستن و در نتیجهی آن تولید کامپوزیتی با نسبتهای پیش بینی شده آلومینا، واکنش - - 1 به نوعی طراحی گردید که از طریق این واکنش می توان نسبت های مختلف اجزاء واکنشگر را در سیستم اعمال نمود.
روش پژوهش
به جهت بررسی اثر حضور روی در کنار آلومینیوم، آزمونهایی با نسبت های استوکیومتری از اجزاء واکنشدهنده مطابق با ضریب 0/3، 0/5 و X =0/7 طراحی گردیدند. برای انجام هر یک از آزمونها مقدار 5 گرم از مواد اولیه با توجه به نسبت استوکیومتری معادل با X مربوطه توزین گردیده و پس از مخلوط کردن دستی به مدت 10 دقیقه در یک ظرف مجزاء، مخلوط حاصل به ظرف های فولادی دستگاه آسیاب سیاره ای منتقل گردیده و سپس در شرایط محیطی - دما و فشار محیط - در مدت زمانهای 1، 4، 6 و 24 ساعت تحت عملیات آسیاکاری قرار میگیرند. عملیات آسیاکاری با گشتاور 310 دور بر دقیقه - RPM - انجام می شود. گلوله های مورد استفاده، گلولههای فولادی با اندازه 10 و 12 میلیمتر بوده که با نسبت وزنی گلوله به پودر 42:1 مورد استفاده قرار گرفتهاند.
در مرحله بعد به منظور بررسی کیفی فازهای موجود در محصول، نمونه های تهیه شده تحت آزمون پراش اشعه ایکس - XRD - قرار گرفته تا بتوان با توجه به تغییرات فازی مربوط به هر نمونه به یک مکانیزم مشخص دست پیدا کرد. با توجه به پیشبینیهای مبنی بر نانوساختار بودن کامپوزیت نهایی، نیاز به انجام محاسبات اندازه ی کریستالین توسط رابطه دبایشرر برایپیک اصلی در نمونههایی که نتیجه مطلوب در آنها حاصل شده و تمام واکنشگرها به محصول نهایی تبدیل شده اند وجود دارد.
در مرحله بعد نمونه های هدف، یعنی نمونه هایی که اطمینان از کامل شدن فرایند و حضور ذرات نانوساختار در مورد آن ها وجود دارد وارد مرحله اسیدشویی می شوند. فرایند اسیدشویی در اینجا به کمک اسیدهیدروکلریک - HCl - انجام میشود، اسید با نسبت یک به یک با آب مقطر رقیق شده و سپس پودرهای محصولات به این محلول اضافه شده و در دمای محیط به مدت 2 ساعت با استفاده از همزن مغناطیسی مورد اغتشاش قرار می گیرند.
سپس نمونهها از کاغذ صافی عبور داده می شود و پس از چندین مرحله شستوشو با آب مقطر، در کوره به مدت زمان 4 ساعت در دمای 110 درجه سانتیگراد خشک میشودسپس. بر روی نمونههای اسیدشویی شده آزمونهای کمی از قبیل: مطالعات تغییرات وزنی نمونهها قبل و بعد از اسیدشویی، آزمون EDS، و در موارد لازم بر روی برخی نمونه ها آزمون طیف سنجی اشعه ایکس - - XRF انجام میشود تا از این طریق مطالعات کمی بر روی نمونهها کامل شود. گام نهایی در این تحقیق مطالعات کمی و مطالعات مربوط به مورفولوژی نمونهها به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - است.
تجزیه و تحلیل دادهها
تجزیه و تحلیل نتایج حاصل از آزمایشات انجام شده در دو مبحث ارائه می شود، مبحث اول به امکان و مکانیزم احیاء همزمان اکسیدتنگستن توسط عناصر روی و آلومینیوم در کنار هم و تشکیل اکسیدهای روی و آلومینیوم با توجه به مقادیر پیشبینی شده از قبل میپردازد، و در مبحث دوم و پس از اطمینان از انجام پذیرفتن واکنشها طبق یک روند مشخص به بررسیهای تکمیلی مبنی بر کنترل کمی محصولات و مورفولورژی محصولات میپردازیم. که برای این منظور موارد زیر مورد مطالعه قرار میگیرد:
• نتایج ترمودینامیکی و پیش بینی های اولیه در مورد امکان وقوع واکنش ها در سیستم آسیاکاری مکانیکی و سینتیک واکنش ها و تاثیر حضور عنصر روی بر واکنش آلومینوترمی در کنار اکسیدتنگستن، و یا به نوعی تاثیر واکنش آلومینوترمی بر فعال شدن واکنش احیاء توسط روی.
• بررسی فازهای تشکیل شده در زمانهای مختلف آسیاکاری.
