توصيفگر ها :
سراميك‌هاي فوق دمابالا , كامپوزيت پايه سراميكي , دي بوريد زيركونيوم , سيليكون كاربيد , تيتانيوم كاربيد , فيبر كربن , تفجوشي پلاسما جرقه‌اي چندمرحله‌اي , محلول جامد
چكيده فارسي :
در ميان سراميك‌هاي فوق دمابالا، ZrB2 به دليل پايداري نسبي خواص مكانيكي در دماهاي بالا، سختي و استحكام بالا، هدايت حرارتي و الكتريكي بالا و مقاومت به سايش و خوردگي در صنايع نظير پرنده‌هاي فراصوت، المنت‌ها ،كوره‌ها، قطعات الكترونيكي و ابزار برش كاربرد پيداكرده است. با اين‌حال زينتر ZrB2 به دليل ماهيت كووالانسي و دماي زينتر بالا با چالش مواجه است. بررسي تحقيقات قبلي نشان داد، حضور حداكثر 20% حجمي SiC در ميان افزودني‌هاي پيشنهاد شده، موجب بهبود فرايند زينتر و خواص مكانيكي كامپوزيت پايه ZrB2 شده است. هدف پژوهش، ساخت و مشخصه‌يابي سراميك فوق دمابالا پايه ZrB2-20 vol% SiC به روش SPS چندمرحله‌اي در دما هاي مختلف و بررسي اثر افزودني‌هاي TiC و فيبركربن بر روي خواص مكانيكي بود. لذا ريزساختار و خواص مكانيكي از دماي 1600 تا 1900 درجه سانتي‌گراد و فشار MPa 30 و اثر افزودني TiC در مقادير حجمي 5%، 10% و 15% و فيبر كربن در مقادير 4% و 8% حجمي بررسي شد. جهت مخلوط كردن اجزاء كامپوزيت از آسياب سياره‌اي در محيط تر با نسبت پودر به گلوله 1:5، كاپ پلي‌اتيلن و گلوله زيركونيا با قطر 1 و 2 سانتي‌متر با سرعت rpm 250 به مدت 2 ساعت استفاده شد. افزودن TiC تا 10% حجمي به كامپوزيت ZrB2-20 vol% SiC و زينتر آن در دماي 1800 درجه سانتي¬گراد و زمان ماند 5 دقيقه، به دليل تشكيل محلول جامد (Zr,Ti)B2 و (Ti,Zr)C در زمينه و واكنش با اكسيدهاي سطحي پودر ZrB2 نظير ZrO2 و B2O3 منجر به افزايش 15% چگالي نسبي و بهبود خواص مكانيكي شامل سختي (14%)، مدول الاستيك (%12)، استحكام شكست (20%) و چقرمگي شكست (8%) شد؛ اما استفاده از 15% حجمي TiC در اين كامپوزيت منجر به كاهش سختي (14%)، مدول الاستيك (%12)، استحكام شكست (20%) و چقرمگي شكست (8%) در كامپوزيت ZrB2- 20 vol% SiC – 15 vol% TiC نسبت به كامپوزيت ZrB2- 20 vol% SiC – 10 vol% TiC شد. مقايسه نتايج اين پژوهش نسبت به تحقيقات قبل نشان داد استفاده از SPS چندمرحله‌اي به جاي SPS تك مرحله‌اي موجب كاهش دما و زمان ماند جهت رسيدن به تراكم بالاي 99% شد. همچنين مشاهده شد افزودن فيبر كربن به ميزان 4% و 8% حجمي به كامپوزيت ZrB2- 20 vol% SiC – 10 vol% TiC و زينتر آن در دما 1800 درجه سانتي‌گراد به ترتيب موجب كاهش 7% و 11% چگالي نسبي و همچنين موجب عدم اتصال ذرات تشكيل‌دهنده كامپوزيت به يكديگر شد. علاوه بر اين افزودن 4% حجمي فيبر كربن به كامپوزيت ZrB2-20 vol% SiC- 10 vol% TiC موجب كاهش خواص مكانيكي شامل سختي (30%)، استحكام خمشي (27%) ، مدول الاستيك (23%) و چقرمگي (15%) شد.
چكيده انگليسي :
Among high-temperature ceramics, ZrB2 is widely utilized in industries such as supersonic aircraft, heating elements, furnaces, electronic components, and cutting tools due to its relative stability of mechanical properties at elevated temperatures, high hardness, strength, thermal and electrical conductivity, and resistance to wear and corrosion. However, the sintering of ZrB2 faces challenges due to its covalent nature and high sintering temperature. Previous research indicates that the addition of up to 20% volume SiC as additives improves the sintering process and mechanical properties of the ZrB2-based composite.The objective of this study was to fabricate and characterize high-temperature ceramics based on ZrB2-20 vol% SiC using a multi-stage Spark Plasma Sintering (SPS) method at various temperatures and investigate the effects of TiC and carbon fiber additives on mechanical properties. Therefore, the microstructure and mechanical properties were examined in the temperature range of 1600 to 1900 degrees Celsius and under a pressure of 30 MPa. The influence of TiC additives at volume fractions of 5%, 10%, and 15%, and carbon fiber at volume fractions of 4% and 8% were investigated.To mix composite components, planetary ball milling was employed in a wet environment with a powder-to-ball ratio of 1:5, using polyethylene jars and zirconia balls with diameters of 1 and 2 centimeters at a speed of 250 rpm for 2 hours. The addition of up to 10% volume TiC to the ZrB2-20 vol% SiC composite and its sintering at 1800 degrees Celsius for 5 minutes led to the formation of solid solutions (Zr,Ti)B2 and (Ti,Zr)C in the matrix, reacting with surface oxides of ZrB2 powder such as ZrO2 and B2O3. This resulted in a 15% increase in relative density and improvement in mechanical properties, including hardness (14%), elastic modulus (12%), fracture strength (20%), and fracture toughness (8%). However, the use of 15% volume TiC in this composite led to a reduction in hardness (14%), elastic modulus (12%), fracture strength (20%), and fracture toughness (8%) compared to the ZrB2-20 vol% SiC-10 vol% TiC composite.Comparison of the results of this research with previous studies showed that the use of multi-stage SPS instead of single-stage SPS resulted in a reduction in temperature and dwell time to achieve a high density of 99%. Additionally, the addition of carbon fiber at volume fractions of 4% and 8% to the ZrB2-20 vol% SiC-10 vol% TiC composite and its sintering at 1800 degrees Celsius led to a 7% and 11% reduction in relative density, as well as the non-connectivity of composite particles. Furthermore, the addition of 4% volume carbon fiber to the ZrB2-20 vol% SiC-10 vol% TiC composite resulted in a decrease in mechanical properties, including hardness (30%), flexural strength (27%), elastic modulus (23%), and fracture toughness (15%).
