سینتر نانوکامپوزیت ZrB2-SiC-ZrC با استفاده از جرقۀ پلاسما (SPS) از پودرهای سنتز شده به روش MASPS

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

مقاله 1، دوره 14، شماره 2 - شماره پیاپی 53، مرداد 1399، صفحه 1-11   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

سید محسن امامی^{* 1}؛ اسمعیل صلاحی²؛ محمد ذاکری³؛ سید علی طیبی فرد⁴

¹دکتری، پژوهشکدۀ سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

²استاد تمام، پژوهشکدۀ سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

³دانشیار، پژوهشکدۀ سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

⁴دانشیار، پژوهشکدۀ نیمه‌هادی‌ها، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

چکیده

در این پژوهش از پودر نانوکامپوزیتی ZrB2-SiC-ZrC سنتز شده به روش MA-SPS که روش سنتز جدیدی برای این کامپوزیت محسوب می‌شود، جهت سینتر کامپوزیت ZrB2-SiC-ZrC به روش SPS استفاده شد. در این پژوهش سازکار سینترشدن یه وسیلۀ نمودارهای مستخرج از فرایند SPS شامل نمودار جایجایی-دما-زمان، سرعت جابجایی – دما و سرعت جابجایی – زمان بررسی شد. فرایند سینتر شدن کامپوزیت در دمای C°1750 و زمان min 17 کامل شد. با استفاده از الگوی پراش اشعه X و روش ریتولد میانگین اندازه کریستالیت‌های فازهای ZrB2، SiC و ZrC به ترتیب 77، 62 و 56 نانومتر به دست آمد. سینتر این کامپوزیت با پودرهای سنتزی جدید موجب ساخت قطعه‌ای با دانسیتۀ نسبی % 3/99، استحکام خمشی MPa 563، سختی ویکرز GPa 18 و چقرمگی شکست MPa.m1/2 9/4 شد. تصاویر FESEM از نمونۀ سینتر شده نیز ساختاری چگال و یکنواخت را نشان داد که سه فاز ZrB2، SiC و ZrC به خوبی به یکدیگر متصل شده و پیوستگی مناسبی دارند.

کلیدواژه‌ها

زیرکونیم دی بوراید (ZrB2)؛ کاربید سیلیسیم (SiC)؛ کاربید زیرکونیم (ZrC)؛ سینتر با جرقۀ پلاسما (SPS)؛ نانوکامپوزیت

مراجع

[1] E. Wuchina, E. Opila, M. Opeka, W. Fahrenholtz & I. Talmy, “UHTCs: Ultra-High Temperature Ceramic Materials for Extreme Environment Applications”, The Electrochemical Society Interface • Winter 2007.

 

[2] م. کلانتر، "سرامیک­های سازه­ای دما بالا"، یزد، دانشگاه یزد، (1387).

 

[3] K. Upadhya, J. M. Yan & W. P. Hofman, “Material for Ultrahigh Temperature Structural Applications”, Journal of the American Ceramic Society, Bull, Vol. 76, pp. 51-56. 1997.

 

[4] R. W. Newman, “Oxidation-Resistant High-Temperature Materials”, Johns Hopkins APL Technical Digest, Vol. 14, No. 1, pp. 24-28.1993.

 

[5] H. S. Thomas & J. Marschall, “Material property requirements for analysis and design of UHTC components in hypersonic applications”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 30, pp. 2239–2251. 2010.

 

[6] R. Loehman, E. Corral, H. P. Dumm, P. Kotula & R. Tandon, “Ultra High Temperature Ceramics for Hypersonic Vehicle Applications”, SANDIA REPORT, SAND, pp. 2006-2925. 2006.

[7] C. Yong, S. Xunjia1, H. Genliang1 & X. YaKun, “Research on self-propagating high temperature synthesis prepared ZrC-ZrB₂ composite”, Vol. 419, pp. 12-57. 2013.

 

[8] J. F. Justin & A. Jankowiak, “Ultra High Temperature Ceramics: Densification, Properties and Thermal Stability”, onera journal, issue 3, 2011.

 

[9] R. Aalund, “spark plasma sintering”, Ceramic Industry magazine, 2008.

 

[10] M. Tokita, “Mechanism of Spark Plasma Sintering”, Japanese Society of Powder and Powder Metallurgy, Kyoto, Japan pp.729–732. 2001.

 

[11] A. Snydera, D. Quachb, J. R. Grozab, T. Fisherc, S. Hodsonc  & L. A. Stanciua, “Spark Plasma Sintering of ZrB2–SiC–ZrC ultra-high temperature ceramics at 1800 C”, Materials Science and Engineering A. Vol. 528, pp. 6079–6082. 2011.

 

[12] W. W. Wu, G. J. Zhang,Y. M. Kan & P. L. Wang, “Reactive Hot Pressing of ZrB₂–SiC–ZrC Ultra High-Temperature ceramic at 1800”, Journal of American Ceramic Society, Vol. 89, No. 9, pp. 2967-2969. 2006.

 

[13] V. Medri, F. Monteverde, A. Balbo & A. Bellosi, “Comparison of ZrB₂-SiC-ZrC composite fabricated by SPS and HP”, Advanced Engineering Materials, Vol. 7, pp. 159-163. 2005.

 

[14] S. M. Emami, E. Salahi, M. Zaker & S. A. Tayebifard, “Synthesis of ZrB2-SiC-ZrC nanocomposite by spark plasma in ZrSiO4/B2O3/C/Mg system”, Ceramics International, Vol. 42, pp. 6581–6586. 2016.

 

[15] S. Diouf, “Production of a nanostructured copper by Spark Plasma Sintering”, Ph.D. thesis, University of Trento, Department of Industrial Engineering, April, 2013.

 

[16] E. Ghasali, A. Pakseresht, F. Safari-kooshali, M. Agheli & T. Ebadzadeh, “Investigation on microstructure and mechanical behavior of Al–ZrB2 composite prepared by microwave and spark plasma sintering” Materials Science & Engineering, Vol. 627, pp. 27–30. 2015.

 

[17] R. Licheri, R. Orrù, C. Musa & G. Cao, “Combination of SHS and SPS Techniques for fabrication of fully dense ZrB₂-ZrC-SiC composites”, Materials Letters, Vol. 62, pp. 432– 435. 2008.

[18] C. J. Rawn & J. Chaudhuri, “Lattice parameters of Gallium nitride at high temperature and resulting epitaxial misfits with alumina and silicon carbide substrates”, International Centre for Diffraction Data 2000, Advances in X-ray Analysis,Vol. 43.

 

]19[ ز.  بلک، "ساخت و مشخصه‌یابی کامپوزیت ZrB₂به روش SPS و ارزیابی خواص مکانیکی آن"، رسالۀ دکتری، پژوهشگاه مواد و انرژی، 1394.

 

[20] ASTM C 373-88: Standard Test Method for Water Absorption, Bulk Density, Apparent Porosity, and Apparent Specific Gravity of Fired Whiteware Products, 2006.

 

[21] X. Zhang, Q. Qu, J. Han, W. Han & C. Hong, “Microstructural features and mechanical properties of ZrB2–SiC–ZrC composites fabricated by hot pressing and reactive hot pressing”, Scripta Materialia, Vol. 59, pp. 753–756. 2008.

 

[22] Q. Qiang, Z. Xinghong, M. Songhe, H. Wenbo, H. Changqing & H. Jiecai, “Reactive hot pressing and sintering characterization of ZrB₂–SiC–ZrC composites”, Materials Science and Engineering, Vol. 491, pp. 117–123. 2008.

 

[23] W. Wu, G. Zhang, Y. Kan & P. Wang, “Reactive Hot Pressing of ZrB2–SiC–ZrC Composites at 1600C”, J. Am. Ceram. Soc., Vol. 91, No. 8, pp. 2501–2508, 2008.

 

[24] S. Guo, Y. Kagawa, T. Nishimura, D. Chung & J. Yang, “Mechanical and physical behavior of spark plasma sintered ZrC–ZrB2–SiC composites” Journal of the European Ceramic Society, Vol. 28, pp. 1279–1285. 2008.

 

[25] P, Hong, “Spark Plasma Sintering of Si₃N₄-Based Ceramics-Sintering mechanism-Tailoring microstructure-Evaluating properties“, Doctoral Dissertation Department of Inorganic Chemistry, Stockholm University, 2004.

 

[26] B. Basu, “Some fundamentals on Spark Plasma Sintering as a processing tool to fabricate Biomaterials”, Department of Materials Science and Engineering, Indian Institute of Technology Kanpur.

 

[27] T. Hungrıa, J. Galy & A. Castro, “Spark Plasma Sintering as a Useful Technique to the Nanostructuration of Piezo-Ferroelectric Materials”, Advanced Engineering Materials”, Vol. 11, pp. 615-631. 2009.