بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، کامپوزیت کاربید سیلیسیم به روش ریختهگری ژلی به کمک پراکنده ساز تترا متیل آمونیوم هیدروکسید - TMAH - و سیستم مونومری AM-MBAM شکلدهی شده است. دوغاب پایدار کاربید سیلیسیم با 40 درصد بار جامد با دانه بندی کمتر از 7 میکرون و با استفاده از محلول 0/4 درصد وزنی TMAH تهیه شد. در ادامه این دوغابها با افزودن کاتالیزور و آغازگر و همچنین 10 درصد وزنی فاز تقویت کننده نانو و 9 درصد وزنی کمک سینتر Al2O3 و Y2O3 با نسبتهای مختلف تحت عملیات ریخته گری در قالب پلیمری قرار گرفتند. قطعات پس از خروج از قالب خشک شده تا بدنه چگال با کیفیت بالا بدست آید. مواد آلی موجود در بدنه در دمای 500 درجه سانتیگراد از قطعه خارج شده و تف جوشی در دمای 2000 درجه سانتیگراد انجام شد. کامپوزیت تف جوشی شده دارای چگالی نسبی 93/63 درصد و استحکام خمشی 216 مگاپاسکال است. بررسیهای ریزساختاری از همگنی مناسب نمونهها و اتصال پودرهای سرامیکی توسط شبکه پلیمری حکایت دارند که نشانگر موفق بودن این روش در ساخت بدنههای با اشکال پیچیده است.
واژههای کلیدی : نانو کامپوزیت، ریختهگری ژلی، سیلیسیم کاربید، استحکام
مقدمه
کامپوزیتهای زمینه سرامیکی به دلیل وزن کم، استحکام بالا، قابلیتهای دمایی بالا و شکست تحت بار مناسب، در تکنولوژی مواد پیشرفته سرآمد هستند. چندین سال است که کارهای تحقیقاتی روی کامپوزیتهای سرامیکی متمرکز شده است. در مقایسهی سرامیکهای تقویت شده با مواد یکپارچه می توان گفت که مواد یکپارچه در دماهای بالا استحکام مناسبی دارند اما مقاومت ضعیف در برابر ضربه یک نقص برای آنها به شمار میرود .[1] امروزه در کامپوزیتهای سرامیکی تجاری موجود، از فایبرهای سیلیکون کاربید در یک زمینهی سرامیکی مثل سیلیکون کاربید یا آلومینا استفاده میشود. این مواد قابلیت استفاده تا دمای 1200 C بدون سرمایش را دارند که حتی نسبت به بهترین سیستم آلیاژ نیکل پوشش داده شده نیز برتری محسوسی دارد .[2] برای کاربردهایی در توربین که قرار است بدون سرمایش کار کنند، به یک مادهی تمام سرامیکی نیاز است تا از پایداری بلند مدت در دماهای بسیار بالا و اتمسفر اکسیدی اطمینان حاصل شود.
برای دستیابی به بیشترین قابلیت تحمل بار در دماهای بالا، ممکن است از فایبرهای اکسیدی تک کریستال استفاده شود که امکان استفاده از این قطعات تا دمای 1400 C را فراهم می کند .[3] نکتهی کلیدی مورد نیاز برای به کارگیری یک مادهی سرامیکی به عنوان جزء دما بالا، قابلیت استحکام سه بعدی برای غلبه بر تنشهایی است که تحت شرایط کاری به قطعه وارد میشود و قطعه در بازهی زمانی معادل با سیکل بازرسی آن باید در برابر این تنشها مقاوم باشد .[4] دومین ویژگی ساختاری مورد نیاز برای مادهی سرامیکی، حفظ استحکام در دماهای بالا است و سومین ویژگی ساختاری مهم مورد نیاز، قابلیت تحمل اتفاقاتی است که ممکن است در زمان کاری به دلیل عوامل خارجی رخ دهد و باعث تخریب قطعه شود .[5] یکی از این اتفاقات میتواند ایجاد عیب در سطح به وسیلهی ضربهی جسم خارجی باشد.
پیش بینی شدت عیب ایجاد شده در اثر عامل خارجی و تاثیر مخرب آن بر استحکام و عمر قطعه بسیار دشوار است. به همین دلیل روند طراحی به صورتی است که تنها سرامیکی با تافنس شکست بالا یا مقاومت بالا در برابر رشد ترک ناشی از عیوب سطحی برای این کاربردها انتخاب میشود تا کاهش استحکام قطعه در حین سرویس دهی به حداقل برسد .[6] امروزه اولین سرامیکهایی که برای استفاده در اجزای داغ توربین در نظر گرفته میشوند، سرامیکهای یکپارچه بر پایهی ترکیبات Si3N4 یا SiC با مقادیر K1C تا Mpa.m1/2 9 و کامپوزیتهای زمینه سرامیکی تقویت شده با فایبر است که عموما مقادیر K1C بیش ازMpa.m1/2 20 از خود نشان میدهند. با این وجود، اگر شرایط کاری بحرانی و سخت باشد، ترکهای سطحی میتوانند در بدنهی قطعهی سرامیکی رشد کنند. این رشد ترک در یک جزء سرامیکی یکپارچه میتواند به سادگی باعت یک شکست فاجعه بار در کرنشهای بسیار کم شود که این یک اتفاق نامطلوب در موتور توربین گازی است .[1]
از طرف دیگر فایبرهای تقویت کنندهی کامپوزیتهای زمینه سرامیکی، باعث پل زدن ترکها و در نتیجه افزایش قابل توجه تحمل کرنش و حفظ سلامت قطعه میشوند. این افزایش تافنس شکست و مقاومت ذاتی کامپوزیتهای زمینه سرامیکی، باعث مورد توجه قرار گرفتن آنها برای به کارگیری در توربینهای گازی شده است. یکی از روشهای تهیه این کامپوزیتها استفاده از روش شکلدهی ریختهگری ژلی و در ادامه سینترینگ بدنه است. ریختهگری ژلی در سال 1990 توسط Oak Ridge National Laboratory به منظور افزایش یکنواختی و دقت ابعادی در ساخت بدنههای سرامیکی و فلزی ابداع شد که تفاوت اصلی آن با ریختهگری دوغابی تهیه یک ژل و حذف آب زیاد است. در اینگونه روشهای به اصطلاح کلوئیدی ذرات پودر سرامیکی با یک مایع آبی و یا آلی مخلوط شده و یک دوغاب بدست میآید. برای رسیدن به نتیجه دلخواه در این روش لازم است یک دوغاب پایدار و یکنواخت ساخته شود.
قطعه حاصله استحکام خام مناسبی دارد. البته باید به این نکته توجه کرد که کنترل رفتار رئولوژی در روش ژلی مانند ویسکوزیته سخت تر از روش دوغابی است .[7] تفاوت حائز اهمیت دیگری که این روش با ریختهگری دوغابی دارد استفاده از قالبی عاری از تخلخل است .[8] در ریختهگری دوغابی از قالب گچی استفاده میشود که آب دوغاب از طریق لولههای مویین جذب قالب میشود که این اثر انقباض نهایی قطعه را موجب میشود اما در این روش، قالب از جنس شیشه؛ فلز و یا پلاستیک است که در نهایت قطعه نهایی تلورانس ابعادی ناچیزی خواهد داشت.همچنین سرعت ریختهگری ژلی از دوغابی بیشتر است؛ قالب نیاز به تمیز کردن ندارد و توان ساخت اشکال پیچیده را داشته و به دلیل استفاده از توزیع یکنواخت منومرهای آلی، ساختار کاملا یکنواختی را نتیجه میدهد. خواص مکانیکی و ساختاری محصول نهایی با تغییر درصد جامد دوغاب هم قابل تغییر است .[9]
روند کلی ریختهگری ژلی به این صورت است که: ماده اولیه که به صورت پودر در اختیار است با یک منومر پلیمری که محلول در آب یا محلول در مواد آلی است مخلوط میشود، برای ایجاد زنجیره خطی، یک منومر با پیوند تکی نیاز است ولی برای ایجاد مولکولهای پلیمری با اتصال متقاطع، حداقل دو منومر با پیوند دوبل مورد نیاز میباشد. در انتخاب منومر علاوه بر مباحث بهداشتی، استحکام و چقرمگی قطعه خام هم دخیل است. تشکیل پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا فضای بین ذرات دوغاب سرامیکی را پر میکند و یک ساختار شبکهای بوجود میآید .[10] در فرآیند ریختهگری ژلی میتوان از سیستمهای منومری مختلفی بهره برد، در بین این سیستمها آکریلامید - AM - به عنوان زنجیره ساز و پلی آکریلامید - MBAM - به عنوان اتصال دهنده عرضی بالاترین استحکام را در بدنه ژل شده به وجود میآورند .[11]
آغازگر و کاتالیست به دوغاب یدست آمده، اضافه شده و سپس ریختهگری انجام میشود. آغازگر فرآیند بسپارش یا پلیمره کردن را آغاز میکند - فرآیند پلیمریزاسیون یک فرآیند گرماده بوده - و وقتی که کاتالیست اضافه میشود بدون نیاز به حرارت دوغاب به ژل تبدیل میشود. البته میزان کاتالیست مصرفی بر روی کارآمدی و روانی دوغاب تاثیرگذار است .[12] در صورت استفاده نکردن از کاتالیست، دوغاب نهایی در دمای 80 درجه سانتیگراد حرارت داده میشود و طی مدت 30 دقیقه ژل مورد نظر حاصل میشود .[13] نمونه از قالب خارج شده، سپس بدنه خشک و بدنه خام حاصل میشود. استحکام این بدنه به قدری است که قابلیت ماشینکاری دارد که یکی از خواص منحصر به فرد ریختهگری ژلی است. نکته مورد توجه در این فرآیند نحوه خشک کردن است . این فرآیند بایستی کنترل شده باشد وگرنه به علت خشک نشدن یکنواخت سطح و عمق قطعه، نمونه دچار ترک و تاب برداشتگی میشود.
