تهیه و بررسی ویژگی­های فیزیکی و ریزساختاری کامپوزیت سرامیکی Si₃N₄/TiN

پژوهشگر: سلین غریبیان

اساتید راهنما: دکتر فرهاد گلستانی فرد، دکتر سیدمحمد میرکاظمی

دانشگاه علم و صنعت ایران

زمستان 1394

چکیده:سرامیک­های پایه نیترید سیلیسیمی (Si₃N₄) به علت خواص مکانیکی عالی و مقاومت به خوردگی و شوک حرارتی مناسب، کاربردهای گسترده­ای را به عنوان سرامیک­های مهندسی به خود اختصاص داده­اند. اما به دلیل سختی بسیار بالای نیترید سیلیسیم ماشین­کاری و به دست آوردن اشکال پیچیده از آنها مستلزم صرف هزینه بالا است. در سال­های اخیر ماشین کاری تخلیه الکتریکی[1] برای سرامیک­ها مورد استفاده قرار گرفته است. در پژوهش حاضر، به منظور انجام ماشین­کاری به روش تخلیه الکتریکی، نیترید تیتانیم با مقادیر 20، 30 و 40 درصد حجمی به زمینه نیترید سیلیسیمی افزوده شد. به عنوان کمک زینتر از اکسید آلومینیوم و اکسید ایتریم با مقادیر به ترتیب 3 و 6 درصد وزنی استفاده شد. در مرحله اول تلاش شد که بتوان با زینتر بدون فشار به بدنه­هایی با حداکثر دانسیته رسید. بدین منظور زینتر بدون فشار در سه دمای 1650، 1700 و 1750 درجه سانتیگراد انجام شد. بیشترین مقدار دانسیته برای نمونه حاوی 40 درصد حجمی TiN زینتر شده در دمای 1750 درجه سانتیگراد به مدت دو ساعت برابر با 97.9 درصد دانسیته تئوری به دست آمد. این نمونه هم چنین دارای بیشترین چقرمگی شکست در بین سایر نمونه­های تولید شده به روش زینتر بدون فشار برابر با MPa.m^1/2 0.3±7.1 و کمترین مقدار مقاومت الکتریکی برابر با Ωm^5-10×2.16 بود. ماشین­کاری این نمونه نیز به روش تخلیه الکتریکی با موفقیت انجام شد. اما به منظور رسیدن به سطوحی با حداقل زبری پس از ماشین­کاری، باید بدنه­ای با حداکثر دانسیته تهیه نمود. به همین علت در مرحله بعدی زینتر نمونه­ها به روش پرس گرم در دمای 1700 درجه سانتیگراد در نیم ساعت انجام شد. بیشترین مقدار دانسیته برای نمونه حاوی 40 درصد حجمی TiN برابر با 99.8 درصد دانسیته تئوری به دست آمد. این نمونه همچنین دارای خواص مکانیکی قابل توجهی نظیر استحکام، چقرمگی شکست و سختی بود. استحکام خمشی و چقرمگی شکست با افزایش درصد حجمی TiN افزایش یافته و مقادیر آنها برای نمونه 40% حجمی TiN به ترتیب برابر با MPa 81±904 و MPa.m^1/2 0.7±7.3 به دست آمد. اما سختی با افزایش درصد حجمی کاهش یافت به طوریکه نمونه حاوی 20% حجمی TiN دارای بیشترین مقدار سختی برابر با GPa 0.2±15.2 بود. مقاومت الکتریکی نمونه 40% حجمی TiN برابر با Ωm^5-10×1.9 محاسبه شد. عملیات ماشین کاری به روش تخلیه الکتریکی نیز با موفقیت بر روی این نمونه انجام شد. بررسی زبری سطحی توسط روش پروفیلومتری بر روی نمونه انجام شد.

واژه‌های کلیدی: نیترید سیلیسیم، نیترید تیتانیم، ماشین کاری تخلیه الکتریکی، هدایت الکتریکی.