تاثیر مورفولوژی فاز تقویت کننده بر چگالش و ویژگی‌های مکانیکی کامپوزیتهای سرامیکی پایه دی‌بورید زیرکونیم
پژوهشگر: مهدی شاهدی اصل
استاد راهنما: دکتر مهدی قاسمی کاکرودی
استادان مشاور: دکتر فرهاد گلستانی‌فرد و دکتر محمد رضوانی
دانشگاه تبریز
بهار ۱۳۹۴
چکیده: در این پژوهش، سرامیک‌های دی‌بورید زیرکونیم، کامپوزیتهای تقویت شده با فاز کاربید سیلیسیم (در مقادیر و اندازه‌های متفاوت میکرو و نانو) و همچنین کامپوزیتهای تقویت شده با کاربید سیلیسیم به همراه افزودنی نانو کربن (با مورفولوژی‌های متفاوت) در دماها، زمان‌ها و فشارهای گوناگون با فرآیند پرس گرم ساخته شدند. این پژوهش در پنج گام به شرح زیر به انجام رسید که در گام‌های دوم تا چهارم، از روش تاگوچی برای کاستن از شمار آزمایش‌ها و فراهم شدن امکان تحلیل آماری و تعیین اهمیت هر یک از متغیرهای فرآیند استفاده شد.
گام یکم: تاثیر دمای پرس گرم و درصد حجمی کاربید سیلیسیم
گام دوم: تاثیر متغیرهای فرآیند بر سرامیک‌های دی‌بورید زیرکونیم
گام سوم: تاثیر میزان افزودنی کاربید سیلیسیم و متغیرهای فرآیند
گام چهارم: تاثیر اندازه پودر کاربید سیلیسیم و متغیرهای فرآیند
گام پنجم: تاثیر مورفولوژی افزودنی کربنی در کامپوزیتهای دی‌بورید زیرکونیم-کاربید سیلیسیم
نتایج به دست آمده نشان داد که ساخت سرامیک دی‌بورید زیرکونیم چگال حتی در دمای ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد شدنی نیست (چگالی نسبی حدود ۹۱ درصد به دست آمد)، زیرا وجود ناخالصی‌های اکسیدی موجب رشد افراطی دانه‌ها و بروز اخلال در فرآیند زدایش تخلخل‌ها می‌شوند. افزودن کاربید سیلیسیم و اختلاط مناسب مواد اولیه، نقش به سزایی در جلوگیری از رشد افراطی دانه‌ها داشت. با افزودن مقدار مناسب کاربید سیلیسیم، چگالی نسبی نزدیک به ۱۰۰ درصد در دمای ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد به دست آمد و بیشترین سختی (۳/۲۱ گیگاپاسکال) و چقرمگی شکست (۷/۴ مگاپاسکال جذر متر) به نمونه دارای ۳۰ درصد حجمی کاربید سیلیسیم تعلق داشت. ساز و کار غالب چگال شدن، وابستگی شدیدی به دمای فرآیند پرس گرم نشان داد. انواع ساز و کارهای چقرمه شدن کامپوزیت‌ها در حضور فاز کاربید سیلیسیم شناسایی و تحلیل شد.
در گام‌های دوم تا چهارم، بالاترین سطوح متغیرهای فرآیند پرس گرم (دمای ۱۸۵۰ درجه سانتی‌گراد، زمان ۹۰ دقیقه و فشار ۱۶ مگاپاسکال) به عنوان شرایط بهینه شناخته شد. دمای فرآیند پرس گرم، مهم‌ترین متغیر (با اهمیت ۵۴ درصدی بر چگالی نسبی و اهمیت ۶۷ درصدی بر سختی) در ساخت سرامیک‌های دی‌بورید زیرکونیم بود. با افزودن کاربید سیلیسیم، فشار اعمالی به عنوان مهم‌ترین متغیر فرآیند (با اهمیت ۶۲ درصدی بر چگالی نسبی و اهمیت ۶۱ درصدی بر سختی) برگزیده و مقدار بهینه افزودنی کاربید سیلیسیم، ۲۵ درصد حجمی تعیین شد. با اضافه شدن اندازه افزودنی کاربید سیلیسیم به جمع متغیرهای فرآیند، هر دو عامل دما (با اهمیت ۴۱ درصدی بر چگالی نسبی و سختی) و فشار (با اهمیت ۴۳ درصدی بر چگالی نسبی و سختی) دارای اهمیت شدند و اندازه بهینه پودر اولیه کاربید سیلیسیم، ۲۰۰ نانومتر به دست آمد. پیش‌بینی مدل تاگوچی برای نتایج حاصل در شرایط بهینه، سازگاری بسیار خوبی با آزمون‌های تاییدی تجربی در گام‌های دوم تا چهارم داشت.
در گام پنجم، افزودنی نانو کربنی با مورفولوژی‌های گوناگون، همگی به جز نانو لوله کربنی، منجر به دست‌یابی به کامپوزیت‌هایی نزدیک به چگالی نظری شد. بالاترین چقرمگی شکست به دست آمده در این پژوهش (۱/۷ مگاپاسکال جذر متر) به کامپوزیت تقویت شده با نانو گرافیت تعلق داشت.