مقایسه تأثیر دمای سینتر بر سنتز و خواص نانوکامپوزیت‌های B4C-TiB2 به روش‌های سل‌ژل و درجا

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

مقاله 1، دوره 13، شماره 4 - شماره پیاپی 51، دی 1398، صفحه 1-15   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

مینا سعیدی حیدری^* ؛ حمید رضا بهاروندی

دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

هدف از این تحقیق بررسی تأثیر دمای سینتر بر سنتز و خواص نانوکامپوزیت‌های B4C-TiB2 به روش‌های سل‌ژل و سنتز درجا جهت دستیابی به نمونه‌هایی با 10 درصد وزنی نانو ذرات TiB2 با استفاده از سینتر بدون فشار است. بر این اساس مواد اولیه B4C و تیتانیوم تترا ایزوپروپکساید (TTIP) برای سنتز B4C-TiB2 به روش سل‌‌ژل و پودرهای TiO2، کربن و B4C برای سنتز B4C-TiB2 به روش درجا مورد استفاده قرار گرفتند. سینتر نمونه‌ها در دماهای 2100، 2175 و 2250 درجه سانتی‌گراد در اتمسفر آرگون و به مدت 5/1 ساعت انجام شد. سپس آنالیزهای XRD و FESEM و آزمون‌های تعیین دانسیته و میکروسختی سنجی انجام گرفت. نتایج نشان‌دهنده این است که دانسیته نسبی و میکروسختی کاربید بور با استفاده از تشکیل TiB2 به‌وسیله هر دو روش سل‌ژل و سنتز درجا بهبود یافته است و مقادیر به دست آمده از روش سل‌ژل بیشتر از روش سنتز درجا می‌باشد. دانسیته نسبی برای نمونه‌های B4C-TiB2 حاصل از روش سل‌ژل در دماهای 2100، 2175 و 2250 درجه سانتی‌گراد به ترتیب به میزان 63/73، 67/81 و 03/92 درصد و برای نمونه‌های B4C-TiB2 حاصل از روش درجا به ترتیب به میزان 49/71، 66/78 و 07/90 به دست آمده است. همچنین افزایش دما از °C 2100 درجه سانتی‌گراد به °C 2250 سبب بهبود تراکم‌پذیری و در نتیجه افزایش دانسیته نسبی و میکروسختی نانو کامپوزیت‌های B4C-TiB2 در هر دو روش شده است.

کلیدواژه‌ها

نانوکامپوزیت‌ B4C-TiB2؛ سل‌ژل؛ سنتز درجا و سینتر بدون فشار

مراجع

 [1]     A. Suri, C. Subramanian, J. Sonber & T. Murthy, “Synthesis and consolidation of boron carbide: a reviewˮ, International Materials Reviews, Vol. 55, pp. 4-40, 2010.

 

[2]     V. Domnich, S. Reynaud, R. A. Haber & M. Chhowalla, “Boron carbide: structure, properties, and stability under stressˮ, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 94, pp. 3605-3628, 2011.

 

[3]     F. Thevenot, “A review on boron carbideˮ, Key Engineering Materials, Vol. 56, pp. 59-88, 1991.

 

[4]       م. شکوری، م. سعیدی حیدری و ح. ر. بهاروندی، "مروری بر تاثیر کمک سینترهای اکسیدی بر رفتار سینتزپذیری کامپوزیت های کاربید بور"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، شماره 10، ص: 196-185، 1395.

 

[5]     V. V. Skorokhod, “processing, microstructure, and mechanical properties of B₄C―TiB₂ particulate sintered composites. part i. pressureless sintering and microstructure evolutionˮ, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, Vol. 39, pp. 414-423, 2000.

 

[6]     S. Ordan’yan, V. Rumyantsev, D. Nesmelov & D. Korablev, “Physicochemical basis of creating new ceramics with participation of boron-containing refractory compounds and its practical implementationˮ, Refractories and Industrial Ceramics, Vol. 1-4, 2012.

 

[7]     A. Jostsons, C. DuBose, G. Copeland & J. Stiegler, “Defect structure of neutron irradiated boron carbideˮ, Journal of Nuclear Materials, Vol. 49, pp. 136-150, 1973.

 

[8]     P. Lü, X. Yue, H. Ru & L. Yu, “Microstructure and mechanical properties of B4C-TiB2-Al composites fabricated by vacuum infiltrationˮ, Rare Metals, Vol. 29, pp. 92-97, 2010.

 

[9]     S. Yamada, K. Hirao, Y. Yamauchi & S. Kanzaki, “Mechanical and electrical properties of B4C–CrB2 ceramics fabricated by liquid phase sinteringˮ, Ceramics international, Vol. 29, pp. 299-304, 2003.

 

[10] O. Malek, J. Vleugels, K. Vanmeensel, S. Huang, J. Liu, S. Van den Berghe, A. Datye, K. H. Wu & B. Lauwers, “Electrical discharge machining of B4C–TiB2 compositesˮ, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 31, pp. 2023-2030, 2011.

 

[11] B. Lauwers, J. P. Kruth & K. Brans, “Development of technology and strategies for the machining of ceramic components by sinking and milling EDMˮ, CIRP Annals-Manufacturing Technology, Vol. 56, pp. 225-228, 2007.

 

[12]  N. Cho, “Processing of boron carbideˮ, 2006.

 

[13] R. Speyer & H. Lee, “Advances in pressureless densification of boron carbideˮ, Journal of materials science, Vol. 39, pp. 6017-6021, 2004.

 

[14] K. Behler, J. LaSalvia, E. Shanholtz, M. Golt, S. Walck & K. Kuwelkar, “Effect of Al₂O₃ on the densification and microstructure of B₄Cˮ, Advances in Ceramic Armor, Bioceramics, and Porous Materials: Ceramic Engineering and Science Proceedings Vol. 37, No. 4, pp. 21-30, 2017.

 

[15] S. C. Sun, T. Sakamoto, K. Nakai, H. Kurishita, S. Kobayashi, J. Y. Xu, H. Cao, B. Gao, X. Bian & W. Y. Wu, “Microstructures and mechanical properties in B4C–CeO2 ceramicsˮ, Journal of Nuclear Materials, Vol. 417, pp. 663-667, 2011.

 

[16] A. Moradkhani & H. Baharvandi, “Mechanical properties and fracture behavior of B4C-nano/micro SiC composites produced by pressureless sinteringˮ, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 70, pp. 107-115, 2018.

 

[17] X. Zhang, Z. Zhang, W. Wang, H. Che, X. Zhang, Y. Bai, L. Zhang & Z. Fu, “Densification behaviour and mechanical properties of B4C–SiC intergranular/intragranular nanocomposites fabricated through spark plasma sintering assisted by mechanochemistryˮ, Ceramics International, Vol. 43, pp. 1904-1910, 2017.

 

[18] S. S. Rehman, W. Ji, S. A. Khan, Z. Fu & F. Zhang, “Microstructure and mechanical properties of B4C densified by spark plasma sintering with Si as a sintering aidˮ, Ceramics International, Vol. 41, pp. 1903-1906, 2015.

 

[19] M. Saeedi Heydari, H. Baharvandi & K. Dolatkhah, “Effect of TiO2 nanoparticles on the pressureless sintering of B4C–TiB2 nanocompositesˮ, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 51, pp. 6-13, 2015.

 

[20] Y. j. Wang, H. x. Peng, F. Ye & Y. Zhou, “Effect of TiB2 content on microstructure and mechanical properties of in-situ fabricated TiB2/B4C compositesˮ, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Vol. 21, pp. 369-373, 2011.

 

[21] V. Skorokhod & V. Krstic, “High strength-high toughness B4C-TiB2 compositesˮ, Journal of materials science letters, Vol. 19, pp. 237-239, 2000.

 

[22] D. V. Dudina, D. M. Hulbert, D. Jiang, C. Unuvar, S. J. Cytron & A. K. Mukherjee, “In situ boron carbide–titanium diboride composites prepared by mechanical milling and subsequent Spark Plasma Sinteringˮ, Journal of Materials Science, Vol. 43, pp. 3569-3576, 2008.

 

[23] H.R. Baharvandi, A. Hadian & A. Alizadeh, “Processing and Mechanical Properties of Boron Carbide–Titanium Diboride Ceramic Matrix Compositesˮ, Applied Composite Materials, Vol. 13, pp. 191-198, 2006.

 

[24] H. Baharvandi & A. Hadian, “Pressureless sintering of TiB2-B4C ceramic matrix compositeˮ, Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 17, pp. 838-841, 2008.

 

[25] M. Saeedi Heydari & H. R. Baharvandi, “Comparing the effects of different sintering methods for ceramics on the physical and mechanical properties of B4C–TiB2 nanocompositesˮ, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 51, pp. 224-232, 2015.

 

[26] Z. Liu, D. Wang, J. Li, Q. Huang & S. Ran, “Densification of high-strength B4C–TiB2 composites fabricated by pulsed electric current sintering of TiC–B mixtureˮ, Scripta Materialia, Vol. 135, pp. 15-18, 2017.

 

[27] V. Skorokhod, M. Vlajić & V. D. Krstić, “Pressureless sintering of B4C-TiB2 ceramic compositesˮ, Materials science forum, Trans Tech Publ, pp. 219-224, 1998.

 

[28]    م. سعیدی حیدری و ح. ر. بهاروندی، "بررسی اثر دما و زمان کلسیناسیون بر ترکیب فازی و مورفولوژی نانو پودر کامپوزیتی  B4C -Nano TiB2"، سومین همایش سراسری کاربردهای دفاعی علوم نانو، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، 1392.

 

[29] I. Gunjishima, T. Akashi & T. Goto, “Characterization of directionally solidified B4C-TiB2 composites prepared by a floating zone methodˮ, Materials Transactions, Vol. 43, pp. 712-720, 2002.

 

[30] V. V. Skorokhod, “Processing, microstructure, and mechanical properties of B4C-TiB2 particulate sintered composites, part I, pressureless sintering and microstructure evolutionˮ, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, Vol. 39, pp. 414-423, 2000.

 

[31] L. Levin, N. Frage & M. Dariel, “The effect of Ti and TiO2 additions on the pressureless sintering of B4Cˮ, Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 30, pp. 3201-3210, 1999.

 

[32] M. Zhang, W. K. Zhang, L. Z. Gao & Y. J. Zhang, “Fabrication and microstructure of B4C matrix composites by hot-pressing sinterˮ, Advanced Materials Research, Vol. 368, pp. 326-329, 2012.

 

[33] A. D. Liu, Y. J. Qiao & Y. Y. Liu, “Pressureless sintering and properties of boron carbide-titanium diboride composites by in situ reactionˮ, Key Engineering Materials, Vol. 525, pp. 321-324, 2013.

 

[34] T. S. Srivatsan, G. Guruprasad, D. Black, M. Petraroli, R. Radhakrishnan & T. Sudarshan, “Microstructural development and hardness of TiB2–B4C composite samples: Influence of consolidation temperatureˮ, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 413, pp. 63-72, 2006.

 

[35] B. Zou, P. Shen, X. Cao & Q. Jiang, “Reaction path of the synthesis of α-Al2O3-TiC-TiB2 in an Al-TiO2-B4C systemˮ, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 29, pp. 591-595, 2011.

 

[36] J. K. Walker, “Synthesis of TiB2 by the borothermic/carbothermic reduction of TiO2 with B4Cˮ, Advanced Ceramic Materials;(USA), Vol. 3, 1988.

 

[37] D. Wang, S. Ran, L. Shen, H. Sun & Q. Huang, “Fast synthesis of B4C–TiB2 composite powders by pulsed electric current heating TiC–B mixtureˮ, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 35, pp. 1107-1112, 2015.

 

[38] D. R. Gaskell & D. E. Laughlin, “Introduction to the thermodynamics of materialsˮ, CRC Press, 2017.