تاثیر افزودنی نانو گرافیت بر رفتار چگالش کامپوزیتهای دی‌بورید زیرکونیم-کاربید سیلیسیم ساخته شده به روش تفجوشی پلاسمای جرقه ای

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

مقاله 5، دوره 12، شماره 4 - شماره پیاپی 47، اسفند 1397، صفحه 53-65   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

سروش پرویزی^{* 1}؛ زهره احمدی²؛ مهدی شاهدی اصل³؛ مهران جابری زمهریر⁴

¹گروه متالورژی و مواد، دانشکده مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران

²پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

³گروه متالورژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه محقق اردبیلی

⁴پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج

چکیده

کامپوزیت‌های دما بالای دی‌بورید زیرکونیم-کاربید سیلیسیم تقویت شده با مقادیر متفاوت افزودنی نانو گرافیت (0، 5/2، 5، 5/7 و 10 درصد وزنی) با روش تفجوشی پلاسمای جرقه‌ای تولید و برای تعیین تاثیر نانو ورقه‌های گرافیتی روی رفتار چگالش کامپوزیت بررسی شدند. تفجوشی پلاسمای جرقه‌ای در دمای 1900 درجه سانتی گراد به مدت زمان 7 دقیقه و با اعمال فشار 40 مگاپاسکال، به ساخت کامپوزیت چگال دی‌بورید زیرکونیم-کاربید سیلیسیم تقویت شده با 5 درصد وزنی نانوگرافیت (با چگالی نسبی 6/100 درصد) منجر شد. زدایش ناخالصی‌های اکسیدی به واسطه واکنش‌های احیایی آنها با گرافیت و تشکیل فازهای زیر میکرونی رخ داد. همچنین تشکیل فاز درجای کاربید زیرکونیم از دلایل افزایش چگالی این کامپوزیتها شناخته شد.

کلیدواژه‌ها

تفجوشی پلاسمای جرقه ای؛ کامپوزیت‌های دما بالا؛ رفتار چگالش؛ نانوگرافیت

مراجع

 

[1]     S. Q. Guo, “Densification of ZrB₂-based composites and their mechanical and physical properties: A reviewˮ, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 29, No. 6, pp. 995-1011, 2009.

 

[2]     M. Shahedi Asl, M. Ghassemi Kakroudi & B. Nayebi, “A fractographical approach to the sintering process in porous ZrB₂–B₄C binary compositesˮ, Ceram. Int, Vol. 41, pp. 379–387, 2015.

 

[3]     M. Jaberi Zamharir, M. Shahedi Asl, N. Pourmohammadie Vafa & M. Ghassemi Kakroudi, “Significance of hot pressing parameters and reinforcement size on densification behavior of ZrB₂–25 vol% SiC UHTCsˮ, Ceramics International, Vol. 41, pp. 6439–6447, 2015.

 

[4]     M. Shahedi Asl, M. Ghassemi Kakroudi & S. Noori, “Hardness and toughness of hot pressed ZrB₂–SiC composites consolidated under relatively low pressureˮ, J. Alloy. Compd., Vol. 679, pp. 481-487, 2015.

 

[5]     M. Shahedi Asl 7 M. Ghassemi Kakroudi, “A processing–microstructure correlation in ZrB₂–SiC composites hot-pressed under a load of 10 MPaˮ, Universal Journal of Materials Science, Vol. 3, No. 1, pp. 14-21, 2015.

 

[6]     F. Monteverde & A. Bellosi, “Development and characterization of metal-diboride-based composites toughened with ultra-fine SiC particulatesˮ, Solid State Sciences, Vol. 7, No. 5, pp. 622-630, 2005.

 

[7]     W. C. Tripp, H. H. Davis & H. C. Graham, “Effect of a SiC addition on the oxidation of ZrB₂ˮ, American Ceramic Society Bulletin, Vol. 52, No. 8, pp. 612-616, 1973.

 

[8]     M. Shahedi Asl, M. Ghassemi Kakroudi, A. Farzaneh & B. Nayebi, “Influence of nano-SiC participation on densification and mechanical properties of ZrB₂ˮ, in Proceedings of the 10th Nanoscience and Nanotechnology Conference of Turkey (NanoTR10), Istanbul, 2014.

 

[9]     H. Wang, C. Wang, X. Yao & D. Fang, “Processing and Mechanical Properties of Zirconium Diboride‐Based Ceramics Prepared by Spark Plasma Sinteringˮ, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 90, No. 7, pp. 1992-1997, 2007.

 

[10] F. Guillard, A. Allemand, J. D. Lulewicz & J. Galy, “Densification of SiC by SPS-effects of time, temperature and pressureˮ, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 27, pp. 2725-2728, 2007.

 

[11] Z. Balak, M. Shahedi Asl, M. Azizieh, H. Kafashan & R. Hayati, “Effect of different additives and open porosity on fracture toughness of ZrB₂–SiC-based composites prepared by SPSˮ, Ceramamic International, Vol. 43, No. 2, pp. 2209–2220, 2017.

 

[12] M. Shahedi Asl, Z. Ahmadi, S. Parvizi, Z. Balak & I. Farahbakhsh, “Contribution of SiC particle size and spark plasma sintering conditions on grain growth and hardness of TiB₂ compositesˮ, Ceramics International, 2017. http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.07.121.

 

[13] Z. Balak, M. Azizieh, H. Kafashan, M. Shahedi Asl & Z. Ahmadi, “Optimization of effective parameters on thermal shock resistance of ZrB₂-SiC-based composites prepared by SPS: Using Taguchi designˮ, Materials Chemistry and Physics, https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.0.

 

[14] Balbo & D. Sciti, “Spark plasma sintering and hot pressing of ZrB₂–MoSi₂ ultra-high-temperature ceramicsˮ, Materials Science and Engineering A, Vol. 475, pp. 108–112, 2008.

 

[15] M. Shahedi Asl, B. Nayebi, Z. Ahmadi, P. Pirmohammadi & M. Ghassemi Kakroudi, “Fractographical characterization of hot pressed and pressureless sintered SiAlONdoped ZrB₂–SiC compositesˮ, Materials Characterization, Vol. 102, pp. 137-145, 2015.

 

[16] M. Shahedi Asl, F. Golmohammadi, M. Ghassemi Kakroudi & M. Shokouhimehr, “Synergetic effects of SiC and Csf in ZrB₂-based ceramic composites. Part I: densification behaviorˮ, Ceramics International, Vol. 42, No. 3, pp. 4498-4506, 2016.

 

[17] W. Zhi, W. Zhanjun & Sh. Guodong, “Fabrication, mechanical properties and thermal shock resistance of a ZrB₂-graphite ceramicˮ, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 29, pp. 351–355, 2011.

 

[18]    ج. پوراسد، ن. احسانی و س. ع. خلیفه سلطانی، "نقش پایه گرافیتی بر تشکیل ساختار گرادیان ترکیبی C/SiC طی فرآیند زینتر سمانتاسیون توده‌ای"، فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 10، شماره 1، ص 91-98، 1395.

 

[19] S. Blazewicz, J. Blocki, J. Chlopek & J. Godelwski, “Thin C/C composite shells for high energy phisics: Manufacture and propertiesˮ, Carbon, Vol. 34, No. 11, pp. 1393-1399, 1996.

 

[20] X. Zhang, Z. Wang, X. Sun, W. Han & C. Hong, “Effect of graphite flake on the mechanical properties of hot pressed ZrB2–SiC ceramicsˮ, Materials Letters, Vol. 62, pp. 4360–4362, 2008.

 

[21] Z. Wang, S. Wang, X. Zhang, P. Hu & C. Hong, “Effect of graphite flake on microstructure as well as mechanical properties and thermal shock resistance of ZrB2–SiCˮ, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 484, pp. 390-394, 2009.

 

[22] S. Zhou, Z. Wang & W. Zhang, “Effect of graphite flake orientation on microstructure and mechanical properties of ZrB2–SiC–graphite compositeˮ, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 485, pp. 181–185, 2009.

 

[23] Z. Wang, C. Hong, X. Zhang, X. Sun & J. Han, “Microstructure and thermal shock behavior of ZrB₂–SiC–graphite compositeˮ, Materials Chemistry and Physics, Vol. 113, pp. 338–341, 2009.

 

[24] M. Shahedi Asl, M. Ghassemi Kakroudi, R. Abedi Kondolaji & H. Nasiri, “Influence of graphite nano-flakes on densification and mechanical properties of hot-pressed ZrB2–SiC compositeˮ, Ceram. Int, Vol. 41, pp. 5843-5851, 2015.

 

[25]    ن. احمدی، ح. بهاروندی و ن. احسانی قمیشلوئی، "بررسی تاثیر نانوکاربیدبور بر خواص مکانیکی کامپوزیت B4C-5% vol TiB2 به روش زینتر بدون فشار"، فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 10، شماره 3، ص 135-142، 1395.

 

[26] Y. Hou, P. Hu, X. Zhang & K. Gui, “Effects of graphite flake diameter on mechanical properties and thermal shock behavior of ZrB₂–NanoSiC–graphite ceramicsˮ, Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 41, pp. 133-137, 2013.

 

[27] S. Zhu, W. G. Fahrenholtz, G. E. Hilmas & Sh. C. Zhang, “Pressureless sintering of carbon-coated zirconium diboride powdersˮ, Materials Science and Engineering A, Vol. 459, No. 1-2, pp. 167-171, 2007.

 

[28] S. K. Mishra & L. C. Pathak, “Effect of carbon and titanium carbide on sintering behaviour of zirconium diborideˮ, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 465, pp. 547-555, 2008.

 

[29] S. Baik & P. F. Becher, “Effect of oxygen contamination of densification of TiB₂ˮ, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 70, pp. 527–530, 1987.

 

[30] W. Fahrenholtz, “The ZrB₂ volatility diagramˮ, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 88, No. 12, pp. 3509-3512, 2005.

 

[31] H. Lee & R. F. Speyer, “Pressureless sintering of boron carbideˮ, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 86, pp. 1468–1473, 2003.