این فایل دارای فرمت word  و کیفیت عالی می باشد.

 

 

 

موضوع: سنتز و ارزیابی خواص بدنه های بر پایه تیالیت

 

 

 

 

 

 

1-1) مقدمه

 

تیالیت  (AL2Tio5)ماده سرامیکی است که بوسیله واکنش حالت جامد ترکیب هم مولار   Tio2و AL2O3  در محدوده دمایی   1400-1360 درجه سانتی گراد تشکیل میشود و تا بالای نقطه ذوبش (1860c)  پایدار می ماند سرامیکهای بر پایه تیالیت ویژگیهای خارق العاده ای دارند که آنها را برای کاربردهای مدرن به ویژه صنعت اتوموتیو مناسب می سازد . تیالیت به دلیل شوک پذیری عالی و ضریب انبساط حرارتی خیلی پایین مورد استفاده در کاربردهای دما بالا است . با این همه به دلیل دو عیبی که دارد کاربردهای صنعتی آن محدود شده است .یکی از این معایب تجزیه حرارتی تیالیت به کوراندم و روتایل در محدوده دمایی 1280-800 درجه سانتیگراد بوده و دیگری استحکام شکست خیلی پایین تیالیت که ناشی از توسعه میکروترکهای گسترده در حین سرمایش از زینترینگ تا دمای اتاق است . اکسیدهایی از قبیلZrTio4,Fe2o3,Zro2,Mgoو مولایت جهت کنترل تجزیه تیالیت افزوده می شوند در میان این پایدارسازهاMgo وFe2o3میزان بالایی از پایداری فازی را در شرایط بحرانی ارائه می دهند مقاومت مکانیکی پایین با ساخت کامپوزیتهای تیالیت –زیرکونیا و کامپوزیتهای تیالیت –مولایت که با افزودن کائولن تهیه می شود افزایش داده می شود جدیدترین روش سنتز تیالیت از طریق فرایند سل –ژل صورت می گیرد که به تولید ذرات نانوی تیالیت منجر میگردد.

 

 

 

1 . 2 ) ساختار کریستالی تیالیت

 

   ساختار کریستالی تیالیت با ساختار مینرال پزودوبروکیت ()ایزوموروف است و در گروه فضایی اوروتورومبیک متبلور می شود و ثوابت شبکه آن به صورت زیر است :

 

a = 3/591 A , b = 9/429 A , c = 9/636 A                                                                                   

 

در این ساختار هر کاتیون  بوسیله شش یون اکسیژن محاصره شده و هشت وجهی اعوجاج یافته اکسیژنی تشکیل می شود[15]. هشت وجهی 6Tioیا6ALoزنجیرهای دو جهته (001)را تشکیل   می دهند که به طور ضعیف با اشتراک لبه ها به یکدیگر متصل می شوند[10].

 

تیالیت به دو فرم آلوتروپی وجود دارد. 5Tio2AL- فاز دما پایین و 5Tio2AL-فاز دما بالا بوده و دمای تبدیل این دو فرم c1820 است[13].

 

1 .3 ) ویژگی های تیالیت

 

   تیالیت (5Tio2AL) یک ماده دیرگداز با ضریب انبساط حرارتی خیلی پایین (کمتر از سیلیس گداخته) است، که پیامد آن مقاومت به شوک حرارتی عالی بوده و این مزیت عمده تیالیت است. به علاوه، این ماده هدایت حرارتی خیلی پایین، حدوداً 5/1 و نقطه ذوب بالا، حدود c1860 دارد. مقاومت شیمیایی خوب، عایق حرارتی و مقاومت الکتریکی بالا از دیگر ویژگی های تیالیت است[1-3].

 

1 . 3 . 1 ) انیزوتروپی حرارتی تیالیت و پدیده میکروترک خوردگی

 

   ساختار کریستالی تیالیت موجب انیزوتروپی حرارتی شدید می شود که سیستم پیچیده ای از تنشهای درونی موضعی را در طی سرمایش ازدمای زینترینگ ایجاد می کند. این تنشهای متجاوز از استحکام شکست ذاتی ماده، منجر به میکروترک خوردگی شدید می شود. میکروترک خوردگی دلیل ضعف مکانیکی تیالیت و همچنین ضریب انبساط حرارتی پایین آن است. به عبارتی دیگر، میکروترکها هدایت حرارتی پایین و شوک پذیری عالی را موجب می شوند[4],[15]. ضرایب انبساط حرارتی در امتداد جهات اصلی کریستالوگرافی دارای مقادیر زیر است[11]:

 

                                                 1-k6-10× 4/1- = c و 1-k6-10×6/20 = bو 1-k6-10× 8/9 =  a

 

پدیده میکروترک مرتبط با ریز ساختار ماده است. در زیر اندازه دانه بحرانی که در محدوده 2-1 میکرومتر است، انرژی الاستیک سیستم برای تشکیل میکروترک در طول سرمایش کافی نبوده و بنابراین ویژگی های مکانیکی به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد[1],[5]. اندازه دانه به تاریخچه حرارتی نمونه بستگی دارد. اندازه دانه بحرانی به طور معکوس متناسب با مجذور میزان انیزوتروپی انبساط حرارتی است. اندازه دانه بحرانی به طور معکوس با دمای زینترینگ در زیر c1500 تغییر می کند. از این رو، دماهای زینترینگ پایین تر منجر به اندازه دانه بحرانی بیشتر و میکروترک خوردگی کمتر             می شود[10].

 

 

 

. 1 ) سنتز سل –ژل تیالیت

 

    تهیه نانو ذرات تیالیت بوسیله یک عامل کی لیت مانند اسید سیتریک در دماهای پایین با استفاده از فرآیند سل –ژل امکان پذیراست. تشکیل تیالیت در دماهای پایین با سنتز نانوهیدرولیتیک در دمای c600 و بوسیله سنتز با آلکوکسیدها و پایدارسازی با استیلاسیون در c800 می تواند انجام شود.

 

تشکیل تیالیت در دماهای پایین تر به فرآیند تبلور محدود شده به نفوذ نسبت داده می شود. که در شرایط همگنی بالا در سطح مولکولی برقرار شده اتفاق می افتد. تیالیت در دو مرحله تشکیل می شود. در اولین مرحله تجزیه کمپلکس سیترات و کاتیونهای فلزی رخ داده و سپس تشکیل مستقیم تیالیت از فاز آمورف اتفاق می افتد. دمای تبلور 5Tio2AL  تقریباً c750 است. نسبت مولی اسید سیتریک تأثیر مهمی بر روی اندازه کریستالیت دارد.

 

2 . 1 . 1 ) مواد اولیه و روش سنتز

 

    مواد خام مورداستفاده برای سنتز تیالیت عبارتند از : تیتانیوم تترا با توکساید (4(9H4c  - o)Ti)، کلرید آلومینیم (3ALCL) و اسیدسیتریک مونوهیدراته (H2o.7 O8H6C). در شکل( 2 . 1 . 1) فلوچارت فرآیند سل –ژل نشان داده شده است. نسبت مولی کلرید آلومینیوم به تیتانیوم باتوکساید به صورت استوکیومتری محاسبه می شود. مقدار مورد نیاز کلرید آلومینیم (2 گرم، 015/0 مول) در 40 سانتی متر مکعب اتانول حل شد و بعد تیتانیوم باتوکساید (55/2 گرم، 007/0 مول) قطره قطره به داخل همزن مغناطیسی در دمای اتاق اضافه می شود (سل 1). بعد از 10 دقیقه همزدن، اسیدسیتریک (5/1 گرم، 007/0 مول) به داخل سل وارد می شود (سل 2)و تحت همزن مغناطیسی در دمای 80 در جه سانتی گراد تقطیر برگشت می شود. پس از 30 دقیقه یک ژل شفاف و بی رنگ تشکیل می شود. این ژل عسل مانند در c120 در یک کوره به مدت 24 ساعت خشک می شود و سپس به صورت پودر خرد شده و در دماهای 650 ، 750 ، 850 و 950 درجه سانتی  گراد با سرعت گرمایش  به مدت 2 ساعت در کوره الکتریکی کلسینه و سرد می شود تا به پودر نهایی تیالیت برسیم.

 

 الگوهای دیفراکسیون اشعه xپودر مختلف بین 5 و 80 درجه (2) ثبت گردید. اندازه کریستالی پودر تیالیت با استفاده از معادله شرر تعیین شد. برای بررسی ریز ساختاری نمونه به صورت پودر تهیه می شود که به صورت التراسونیک در داخل اتانول دیسپرز می شود و سوسپانسیون باقیمانده روی سطح یک بشقاب مسی پخش می شود و برای جلوگیری از شارژ الکترون، بوسیله طلا پوشش دهی می شود. جهت مشاهده ریز ساختاری از SEMاستفاده شد.

 

رفتار حرارتی تیالیت حاصل از سنتز احتراقی

 

    بیشترین بررسی ها روی مکانیزمهای زینترینگ  به واکنش زینترینگ تک اکسیدی ها مربوط می شود. پودرهای تولید شده در سنتز احتراقی تیتانات برای چنین بررسی هایی مناسبند. این پودرها به راحتی تولید می شوند، اندازه ذرات خیلی نرم و ترکیب مطلوب دارند. رفتار حرارتی پودرهای تیتانات تولید شده با سنتز احتراقی به وسیله DSCروی پلت های خام بررسی شد و نتیجه در شکل     (2 . 3 .5) نشان داده شد. بعد از دوره پایدارسازی اولیه، منحنی DSCپودر تهیه شده تنزل یکنواخت رشد دانه را نشان می دهد. پیک گرمازا در C1176 به تجزیه تیتانات تشکیل شده در طول احتراق نسبت داده می شود. این مقدار مطابق با دمایی است که سرعت تجزیه ماکزیمم است. تیتانات مجدداًدر         C1338 تشکیل می شود(پیک گرماگیر در منحنیDSC). حضور پیک گرماگیر مشخص یک واکنش تشکیل سریع، با گسترش فرآیند جوانه زنی به جای مکانهای ترجیحی جوانه زنی موضعی در پودرهای نرم زینتر شده را در دماهای پایین تر پیشنهاد می کند. برای تأیید تجزیه تیتانات در طول گرمایش به دمای زینترینگ، پودرهای کلسینه شده در 950 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت، که منجر به تجزیه کامل به روتایل و کوراندم می شود (شکل 2 . 3 .4 )، به شکل پلت پرس تک محوری شدند و یک منحنی DSCجدید به دست آورده شد (شکل 2 . 3 .5)، این منحنی مخلوط نهایی اکسیدهای زیر میکرونی است و پیک گرماگیر تشکیل تیتانات را در همان دماهای قبلی نشان می دهد. پیک های گرمازای اولیه نشان دهنده سوختن و تمام شدن بایندرها و کمک کننده های تراکم است. تغییر شیب در نزدیکی C1000 معمولاً مطابق با تغییر گرمای ویژه و تبدیل آناتاز به روتایل است. پیک گرماگیر تشکیل تیتانات در C1382 اتفاق می افتد. این دما، بیشتر از دمای مشاهده شده در پودر حاصل از احتراق است. این احتمالاً به دلیل اندازه ذرات اولیه بزرگتر در مخلوط پودرهای اکسیدی است. پس از زینترینگ در    C1500 به مدت 2 ساعت، سنتز تیتانات به وسیله روش حالت جامد سرامیک انجام می شود، نمونه به صورت پودر آسیاب و بعد به صورت پلت متراکم می شود تا منحنی DSCمخلوط اکسیدهای تیتانات به دست آید (شکل 2 . 3 . 5 ). رشد دانه مشاهده شده در دماهای پایین در هر دو منحنی DSCدر آگلومره های پودر از پیش زینتر شده اتفاقی می افتد، که منجر به رشد غیرعادی دانه می گردد. حضور پیک تجزیه می تواند به وسیله ریزساختار زینتر شده محکم تر در نتیجه مرحله زینترینگ قبلی در حضور آلودگی های ناشی از مرحله آسیاب که به عنوان کمک زینتر عمل می کنند توضیح داده شود. 

 

شما هم می توانید در مورد این فایل نظر دهید.