بخشی از مقاله
مقدمه
در سالهاي اخیر با توجه به توسعه نانو سرامیکها، توجه بسیاري به تهیه و تولید ترکیبات متنوعی از این گروه مواد شـده اسـت.
در این میان نانو پودرهاي زیرکونیایی بدلیل خواصی مثل نقطه ذوب بالا، چقرمگی شکست مناسب و همچنین سازگاري با بـدن انسان، کاربرد فراوانی در زمینه دیرگدازها، کاتالیستها و بیو مواد پیدا کردهاند .[1] در میان سرامیکهاي زیرکونیایی، زیرکونیـاي تتراگونال پایدارشده با %12 مولی سریا (%12Ce-TZP)، بدلیل دارا بودن محدوده وسیع فاز تتراگونـال، تجزیـهپـذیري کمتـر در محیط رطوبی و چقرمگی شکست بالا، از توجه خاصی برخوردار میباشـند [2]، بـا ایـن وجـود ایـن سـرامیکهـا در مقایـسه بـا سرامیکهاي زیرکونیایی پایدارشده با ایتریا، استحکام شکست کمتري دارند. در مورد بهبـود خـواص سـرامیکهـاي Ce-TZP،
ترکیبات کامپوزیتی گوناگونی تهیه شده است. بطور مثال تحقیقات بسیاري جهت بررسی اثر افزودن نـانو ذرات ZrO2 و Al2O3
بر خواص سرامیکهاي Ce-TZP، صورت گرفته است.نتایج نشان دادهاند نانو ذرات با ایجاد مرزهاي فرعی، دانههـایی در انـدازه کوچکتر تشکیل میدهند. این امر باعث پایداري فاز تتراگونال در اندازه بحرانی گشته و منجر به افزایش تنش بحرانی لازم براي استحاله t→m و در نتیجه باعث افزایش استحکام میگردد .[3-5]
1
در میان روشهاي سنتز پودرهاي زیرکونیایی، روش همرسوبی، به دلیل مزیتهاي فراوان، از جمله تولید نانو ذرات بـا قابلیـت زینترشدن بالاتر، یکنواختی بهتر و هزینه مصرفی کمتر، در مقایسه با روشهـایی ماننـد هیـدروترمال، سـنتز احتراقـی، بـسیار مناسب میباشد .[6] خواص پودر حاصل از این روش، به شدت وابسته به پارامترهایی ماننـد؛ مـواد اولیـه، pH، دمـاي محـیط واکنش، نوع شستشو و خشک کردن، است .[6-9] غالباً پودر سنتز شده به روش همرسوبی از 3 بخـش ریزسـاختاري شـامل؛
(1) بلورك، (2) بلورك هاي فشرده شده در ذرات اولیه، (3) آگلومره هاي ضعیف و متخلخل حاوي ذرات اولیه، تشکیل میشـود
.[10]
موضوع متراکم کردن نانو پودرها چالشها و مشکلات خاص خود را دارد. تحقیقات نشان دادهانـد کـه مـواد اولیـه، نـوع سـنتز و ریزساختار پودرهاي سرامیکی بر رفتار تراکمپذیري نانو پودرها موثر است. از روشهاي بررسی تراکمپـذیري، مطالعـهي منحنـی دانسیته خام نسبی بر حسب فشار پرس میباشد که اثر دماي کلسیناسیون بر رفتار متراکم شدن پودرهاي خام بطور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است 6-9] و .[11
در این تحقیق تلاش شده است اثر افزودن نانو ذرات زیرکونیایی بر خواص فیزیکی پودر، ماننـد انـدازه بلـوركهـا و آگلـومرههـا بررسی گردد. همچنین تاثیر این نانو ذرات بر قابلیت تراکمپذیري پودرها مورد مطالعه قرار گرفته است.
-2 مواد و روشها
براي تهیه زیرکونیاي پایدار شده با 0/12 مول سـریم، از نمـکهـاي Ce(NO3)3.6H2O و ZrOCl2.8H2O محـصول شـرکت Merck، از حلال ایزوپروپانول و عامل هیدرولیزکننده آمونیاك، محصول شرکت LOBAChemie، به عنوان مواد اولیه استفاده گردید.
در مرحله اول، بر اساس وزن محصول موردنظر، محلول شفاف 0/2 مولار از حلال و نمکهاي سریم و زیرکونیوم تهیه شد. بعـد از اختلاط این دو محلول و تشکیل محلول مخلوط شفاف، آمونیاك رقیق شده با نسبت معین، (به محلول درحال هم خـوردن بـا همزن مغناطیـسی بـا دور 500 rpm، بـه منظـور تـشکیل رسـوب هیدروکـسیدهاي Ce+4 و Zr+4 اضـافه گردیـد. pH در طـول رسوبدهی 9-10 تنظیم گردید. به منظور تکمیل فرآیند تشکیل رسوب، رسـوب ژل ماننـد، 24 سـاعت در حالـت سـکون قـرار گرفت. در مرحله بعد رسوب حاصله، یک مرتبه با آمونیاك رقیق شده با ایزوپروپانول و چهار مرتبه با ایزوپروپانول به منظور حذف آنیونهاي موجود، مورد شستشو قرار گرفت. عملیات خشک کردن 24 ساعت در دماي 90ºC انجام شـد. نهایتـًا رسـوب خـشک شده تحت سایش با هاون قرار گرفت و در دماي 500ºC به مدت 1 ساعت کلسینه گردیـد. پـودر بدسـت آمـده در ایـن مرحلـه
Ce-TZP(%0) نامگذاري گردید. در مرحله دوم براي تهیه پودر زیرکونیایی حاوي %10وزنی نانو ذرات زیرکونیـا، در ابتـدا جهـت کاهش آگلومرههاي موجود در پودر کلسینه شدهي مرحله اول، عملیات آلتراسونیک انجام شد و بعد پودر حاصـله در حـین سـنتز همرسوبی قبل از مرحله رسوبدهی به مخلوط محلولها افزوده شده و به مدت یک سـاعت بـا حـداکثر دور 800 rpm مخلـوط گردید. ادامه عملیات سنتز مشابه توضیحات مرحله اول میباشد. پودر حاصله از مرحله دوم نیـز Ce-TZP(%10) نامگـذاري شـد.
جهت بررسی فازهاي موجود در نمونه کلسینه شده از آنالیز XRD با پرتو Cu kα با طول موج 1/54 آنگـستروم (مـدل Philips
2 شماره ي 1 تابستان 1391
(Expert و به منظور تعیین اندازه ذرات، توزیع اندازه ذرات، ریزساختار و دمـاي تبلـور بـه ترتیـب از تکنیـکهـاي BET (مـدل
(Mlcromertlcs 2375، DLS (مدل (Malvern4.6، SEM (مـدل (VEGA\\TESCAN و DTA (مـدل (Shimadzu50
استفاده گردید.
با استفاده از قالب فولادي استوانهاي، با قطر داخلی 1cm، قطعات دیسکی شکل، در فشارهاي 400 تا 800psi، توسـط دسـتگاه پرس هیدرولیک تک محوره، تهیه گردید. دانسیته خام نسبی با استفاده از روش حجمی محاسبه شد.
-3 نتایج و بحث
به منظور بررسی تحولات فازي، پودر خام حاصله، تحت آزمون DTA، در بازه دمایی 50 تا 500ºC با نرخ گرمایشی 10ºC/min
قرار گرفت. با توجه به شکل (1)، پیک گرماگیر در محدوده دماي 92 ºC، بیانگر خروج گروههاي هیدروکسیل با باندهاي ضعیف و یا مولکولهاي آب موجود که از طریق اتمسفر جذب سطحی شدهاند میباشد. 2 پیک گرمازا در محدوده دمـایی266 و 454ºC
نشان دهنده سوختن ایزوپروپانول (پیک اول) و تبدیل فاز آمورف به بلوري (پیک دوم) هستند.
شکل -1 نمودار DTA با نرخ گرمایشی 10ºC/min، الف) نمونه Ce-TZP (%0) و ب) .Ce-TZP (%10)
بررسی نوع فاز ایجاد شده در دماي 500ºC توسط آنالیز نرمافزاري X Pert High Score نـشان داد، پیـکهـاي موجـود مطابق الگوي پراش اشعه ایکس کارت، بـا شـماره مرجـع JCPDS(S ) :(5-1089)، مشخـصهي حـضور فـاز زیرکونیـاي تتراگونال هستند.
شماره ي 1 تابستان 1391 3
ملیسا باقرينیا، حمیدرضا رضایی و...
شکل -2 الگوي پراش اشعه ایکس نمونههاي، الف) Ce-TZP (%0)، ب) Ce-TZP (%10) در دماي 500ºC به مدت 1 ساعت.
بدلیل مشابهت دو پودر، جهت اثبات وجود بلورك، ذره اولیه و آگلومره، آزمون هاي XRD، BET و DLS فقط براي نمونه پودري Ce-TZP (%0) انجام شد. متوسط انـدازه بلـوركهـاي ذرات کلـسینه شـده Ce-TZP (%0)، در دمـاي 500ºC بـا استفاده از رابطه دباي-شرر و نرم افزار X Pert High Score، محاسبه شد و برابر با dx= 10/6nm بدسـت آمـد. میـانگین اندازه ذراتطبق فرمول (1)، با استفاده از آزمون اندازه گیري سـطح ویـژه (BET) پـودر Ce-TZP (%0)، برابـر 11/9 nm،
بدست آمد.
