سنتز و ارزیابی خواص بدنه های بر پایه تیالیت

فهرست مطالب

۱-۱) مقدمه
تیالیت  (AL2Tio5) ماده سرامیکی است که بوسیله واکنش حالت جامد ترکیب هم مولار   Tio2و AL2O3  در محدوده دمایی   ۱۴۰۰-۱۳۶۰ درجه سانتی گراد تشکیل می شود و تا بالای نقطه ذوبش (۱۸۶۰c)  پایدار می ماند سرامیکهای بر پایه تیالیت ویژگیهای خارق العاده ای دارند که آنها را برای کاربردهای مدرن به ویژه صنعت اتوموتیو مناسب می سازد . تیالیت به دلیل شوک پذیری عالی و ضریب انبساط حرارتی خیلی پایین مورد استفاده در کاربردهای دما بالا است . با این همه به دلیل دو عیبی که دارد کاربردهای صنعتی آن محدود شده است .یکی از این معایب تجزیه حرارتی تیالیت به کوراندم و روتایل در محدوده دمایی ۱۲۸۰-۸۰۰ درجه سانتیگراد بوده و دیگری استحکام شکست خیلی پایین تیالیت که ناشی از توسعه میکروترکهای گسترده در حین سرمایش از زینترینگ تا دمای اتاق است . اکسیدهایی از قبیلZrTio4,Fe2o3,Zro2,Mgo و مولایت جهت کنترل تجزیه تیالیت افزوده می شوند در میان این پایدارسازهاMgo و Fe2o3 میزان بالایی از پایداری فازی را در شرایط بحرانی ارائه می دهند مقاومت مکانیکی پایین با ساخت کامپوزیتهای تیالیت – زیرکونیا و کامپوزیتهای تیالیت – مولایت که با افزودن کائولن تهیه می شود افزایش داده می شود جدیدترین روش سنتز تیالیت از طریق فرایند سل – ژل صورت می گیرد که به تولید ذرات نانوی تیالیت منجر می گردد.
 
۱ . ۲ ) ساختار کریستالی تیالیت
ساختار کریستالی تیالیت با ساختار مینرال پزودوبروکیت ()ایزوموروف است و در گروه فضایی اوروتورومبیک متبلور می شود و ثوابت شبکه آن به صورت زیر است :
a = 3/591 A , b = 9/429 A , c = 9/636 A
در این ساختار هر کاتیون  بوسیله شش یون اکسیژن محاصره شده و هشت وجهی اعوجاج یافته اکسیژنی تشکیل می شود[۱۵]. هشت وجهی _۶Tio یا_۶ALo زنجیرهای دو جهته (۰۰۱)را تشکیل   می دهند که به طور ضعیف با اشتراک لبه ها به یکدیگر متصل می شوند[۱۰].
تیالیت به دو فرم آلوتروپی وجود دارد. _۵Tio₂AL – فاز دما پایین و _۵Tio₂AL -فاز دما بالا بوده و دمای تبدیل این دو فرم c 1820 است[۱۳].
۱ .۳ ) ویژگی های تیالیت
تیالیت (_۵Tio₂AL ) یک ماده دیرگداز با ضریب انبساط حرارتی خیلی پایین (کمتر از سیلیس گداخته) است، که پیامد آن مقاومت به شوک حرارتی عالی بوده و این مزیت عمده تیالیت است. به علاوه، این ماده هدایت حرارتی خیلی پایین، حدوداً ۵/۱ و نقطه ذوب بالا، حدود c 1860 دارد. مقاومت شیمیایی خوب، عایق حرارتی و مقاومت الکتریکی بالا از دیگر ویژگی های تیالیت است[۱-۳].
۱ . ۳ . ۱ ) انیزوتروپی حرارتی تیالیت و پدیده میکروترک خوردگی
ساختار کریستالی تیالیت موجب انیزوتروپی حرارتی شدید می شود که سیستم پیچیده ای از تنشهای درونی موضعی را در طی سرمایش ازدمای زینترینگ ایجاد می کند. این تنشهای متجاوز از استحکام شکست ذاتی ماده، منجر به میکروترک خوردگی شدید می شود. میکروترک خوردگی دلیل ضعف مکانیکی تیالیت و همچنین ضریب انبساط حرارتی پایین آن است. به عبارتی دیگر، میکروترکها هدایت حرارتی پایین و شوک پذیری عالی را موجب می شوند[۴],[۱۵]. ضرایب انبساط حرارتی در امتداد جهات اصلی کریستالوگرافی دارای مقادیر زیر است[۱۱] :
۱^– k^6-10× ۴/۱- = _c و ۱-k ^۶-۱۰×۶/۲۰ = _bو ۱-k ^۶-۱۰× ۸/۹ =  _a
پدیده میکروترک مرتبط با ریز ساختار ماده است. در زیر اندازه دانه بحرانی که در محدوده ۲-۱ میکرومتر است، انرژی الاستیک سیستم برای تشکیل میکروترک در طول سرمایش کافی نبوده و بنابراین ویژگی های مکانیکی به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد[۱],[۵]. اندازه دانه به تاریخچه حرارتی نمونه بستگی دارد. اندازه دانه بحرانی به طور معکوس متناسب با مجذور میزان انیزوتروپی انبساط حرارتی است. اندازه دانه بحرانی به طور معکوس با دمای زینترینگ در زیر c1500 تغییر می کند. از این رو، دماهای زینترینگ پایین تر منجر به اندازه دانه بحرانی بیشتر و میکروترک خوردگی کمتر می شود[۱۰].

معرفی بدنههای تیالیت.. ۶
فصل اول.. ۶
روشهای سنتز  تیالیت.. ۱۷
فصل دوم.. ۱۷
۲ . ۱ ) سنتز سل – ژل تیالیت.. ۱۸
۲ . ۱ . ۱ ) مواد اولیه و روش سنتز. ۱۸
۲ . ۱ . ۲ ) آنالیز دیفراکسیون اشعه x نمونه های سل- ژل کلیسینه شده ۱۹
۲  . ۱ . ۳ ) نتایج طیف FTIR پیش ماده و پودر نهایی تیالیت در سل – ژل. ۲۰
۲ . ۱ . ۴ ) نتایج آنالیزهای حرارتی تیالیت حاصل از سل – ژل. ۲۲
۲٫ ۱ . ۵ ) ارزیابی ریز ساختاری تیالیت حاصل از سل – ژل. ۲۳
۲ . ۱ . ۶ ) اثر افزودنی اسید سیتریک در فرآیند سل – ژل تیالیت.. ۲۳
۲ . ۲ ) تهیه تیالیت از طریق روش اوره فرمالدهید پلیمری.. ۲۵
۲ . ۲ . ۱ ) مواد اولیه و روش تولید. ۲۵
۲ . ۲ . ۲ ) آنالیز دیفراکسیون اشعه X.. 26
2 . 2 . 3 ) نتایج طیف‌های FTIR.. 27
2 . 2 . 4 ) نتایج آنالیزهای حرارتی.. ۲۸
۲ . ۲ . ۵ ) ارزیابی ریز ساختاری.. ۳۰
۲ . ۳ ) سنتز احتراقی تیالیت.. ۳۵
۲ . ۳ . ۱ ) مواد اولیه و روش سنتز. ۳۶
۲ . ۳ . ۲ ) واکنشهای احتراقی.. ۳۷
۲ . ۳ . ۳ ) احتراق با سوخت اضافی.. ۴۱
۲ . ۳ . ۴ ) احتراق با اکسید کننده اضافی.. ۴۲
۲ . ۳٫ ۵ ) رفتار حرارتی تیالیت حاصل از سنتز احتراقی.. ۴۵
پایدار سازی حرارتی تیالیت.. ۴۹
۳ . ۱ ) محدوده پایداری حرارتی تیالیت.. ۴۹
فصل سوم.. ۴۹
۳ . ۲ ) پایداری حرارتی تیالیت به وسیله افزودنی های اکسیدی.. ۵۰
۳ . ۲ . ۱ ) تهیه سرامیکهای تیالیتی دوپ شده با Mgo ، تالک و تالک + فلدسپار ۵۱
۳  . ۲ . ۲ ) رفتار پایداری- بررسی های پیر سازی تیالیت دوپ شده با  Mgo  و تالک و کامپوزیتهای تیالیت – مولایت.. ۵۲
۳ . ۲ . ۳ ) رفتار انبساط حرارتی تیالیت دوپ شده با Mgo، تالک و کامپوزیتهای تیالیت – مولایت.. ۵۴
۳ . ۲ . ۴ ) آنالیز دیفراکسیون اشعهX.. 57
3. 2 . 5 ) اثر افزودنی های Mgo ، تالک، تالک + فلدسپار و مولایت بر زینترینگ دینامیک… ۵۹
۳٫ ۲ . ۶ ) اثر افزودنی های Mgo ، تالک، تالک + فلدسپار و مولایت بر ریزساختار ۶۲
۳ . ۲ . ۷ ) ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی تیالیت دوپ شده با Mgo ، تالک و کامپوزیتهای تیالیت – مولایت.. ۶۵
۳ . ۳ . ۲ ) ضریب انبساط حرارتی تیالیت پایدار شده با _۳o₂Fe. 71
3 . 4 ) اثرات افزودنی ZrO₂ در پایدار سازی تیالیت.. ۷۲
۳ . ۴ . ۱ ) اثر افزودنی ZrO₂  بر رفتار انبساط حرارتی تیالیت.. ۷۳
۳ . ۴ . ۲ ) ارزیابی ریزساختاری تیالیت در حضور افزودنی ZrO₂ ۷۴
۳ . ۴ . ۳ ) بهبود میکروترک و بازشدن دوباره آن در حضور افزودنی ZrO₂ ۷۶
کامپوزیتهای بر پایه تیالیت.. ۷۷
فصل چهارم.. ۷۷
۴ . ۱ ) کامپوزیت تیالیت – زیرکونیا (ZAT) 78
4 . 1 . 1 ) روش تهیه کامپوزیتهای ZAT. 78
4 . 1 . 2 ) ویژگی های فیزیکی کامپوزیتهای ZAT زینتر شده در دماهای مختلف.. ۸۰
۴٫ ۱ . ۳ ) ویژگی های مکانیکی کامپوزیتهای ZAT. 81
4 . 1 . 4 ) رفتار انبساط حرارتی کامپوزیتهای ZAT. 82
4. 1 . 5) پایداری حرارتی کامپوزیتهای ZAT. 84
4 . 2 ) کامپوزیت تیالیت – مولایت.. ۸۷
۴ . ۲ . ۱ ) روش تهیه کامپوزیت تیالیت – مولایت.. ۸۸
۴٫ ۲ . ۲ ) ویژگی های فیزیکی کامپوزیت مولایت – تیالیت.. ۹۰
۴ . ۲ . ۳ ) ویژگی های ریزساختاری کامپوزیت مولایت – تیالیت.. ۹۲
۴ . ۲ . ۴ ) ویژگی های مکانیکی کامپوزیتهای مولایت – تیالیت.. ۹۴
۴ . ۲ . ۵ ) رفتار انبساط حرارتی کامپوزیتهای مولایت – AT. 98
4 . 3 ) کامپوزیت  / AL₂Tio₅ ۹۸
۴ . ۳ . ۱ ) روش تهیه کامپوزیت  / AL₂Tio₅ ۹۸
۴ . ۳ . ۲) نقش افزودنی FeTio₃ + Fe₂O₃ در تشکیل کامپوزیت  / AL₂Tio₅ ۱۰۰
شکل۴-۳-۱)  مقایسه دانسیته ظاهری با دانسیته. ۱۰۱
۴ . ۳ . ۳ ) تاثیر افزودنی FeTio₃ + Fe₂O₃ بر تراکم کامپوزیت  AL2Tio5-AL2o3. 101
شکل ۴-۳-۲)  a)دانسیته بالک b)تخلخل بر حسب افزودنی) ۵۰FeTio3+50Fe2o3 ) 101
4 . 3 . 4 ) ارزیابی ریزساختاری کامپوزیت AL2Tio5-AL2o3. 102
شکل ۴-۳-۳) تصویر SEM ریز ساختار تیالیت بدون افزودنی[۱۷]. ۱۰۲
۴ . ۳ . ۵ ) تاثیر افزودنی FeTio₃ + Fe₂O₃ بر پایداری کامپوزیت AL2Tio5-AL2o3. 103
4 . 3 . 6 ) ارزیابی ریزساختاری کامپوزیت بعد از عملیات حرارتی.. ۱۰۴
شکل ۴-۳-۷) ریزساختار کامپوزیت Al2Tio5_Al2o3 پس از عملیات حرارتی[۱۷]. ۱۰۵
۵ . ۱ ) آماده سازی پودر به روش رسوب همگن.. ۱۰۵
رفتار زینترینگ تیالیت.. ۱۰۵
فصل پنجم.. ۱۰۵
جدول ۵-۱) فازهای کریستالی در پودرهای کلسینه شده[۱۸]. ۱۰۷
شکل۵-۱) تصاویرSEM پودرهای تهیه شده از روش رسوب همگن[۱۸]. ۱۰۸
شکل۵-۲)  منحنی های TG_DTA رسوبهای همگن[۱۸]. ۱۰۸
شکل ۵-۳) اثرات کلسیناسیون و دمای زینترینگ بر تراکم. ۱۰۸
شکل ۵-۴) تصاویرSEM سطوح شکست نمونه(A)زینترشده[۱۸]. ۱۰۹
۵ . ۱ . ۲ ) اثرات افزودنی ها بر ریزساختار بدنه های زینتر شده ۱۰۹
شکل ۵-۵) تصاویرSEM سطوح شکست بدنه های تیالیت زینتر شده[۱۸]. ۱۱۰
جدول ۵-۲) نتایج انالیز بدنه های زینتر شده با افزودنی ها[۱۸]. ۱۱۱
شکل ۵-۶) منحنی های انبساط حرارتی سرامیکهای تیالیت[۱۸]. ۱۱۲
۵ . ۱ . ۳ ) ویژگی های بدنه زینتر شده کامپوزیت ZrSio₄ –  AL₂Tio₅ ۱۱۲
۵ . ۱ . ۴ ) تجزیه حرارتی AL₂Tio₅در طول زینترینگ… ۱۱۴
شکل ۵-۹) اثر زمان انیل ایزوترمال(c 1100 )بر تجزیه تیالیت بدون افزودنی و زینتر شده درc 1300. 115
۱۰درصد مولی Ba(No3) و زینتر شده درc 1300 5 درصد مولی Zro2و زینتر شده درc 1300. 115
2 درصد مولیZrSio4  زینتر شده درc 1400 [18]. 115
5 . 2 ) زینترینگ فاز مایع تیالیت با استفاده از اسپودمن.. ۱۱۵
۵ . ۲ . ۱ ) تاثیر اسپودمن بر ارتباطهای فازی.. ۱۱۶
AL₂Tio₅ –   Tio₂ +  AL₂O₃…… 116
Li₂o + 4AL₂Sio₅ Li₂o . AL₂O₃ . ۴Sio₂ + ۳Al₂o3. 116
LiAL(Sio₃) _۲  ۲ Li₂o . AL₂O₃ . ۴Sio₂ ۱۱۶
شکل ۵-۱۰) الگوهای XRD تیالیت شامل _۱۵۲٫۵ درصد وزنی اسپودمن[۱۹]. ۱۱۷
جدول۵-۳) فراوانی فازهای مختلف اسپودمن-تیالیت اصلاح شده[۱۹]. ۱۱۷
شکل ۵-۱۱)  انالیز حرارتی ATR15 [19]. 118
5 . 2 . 2 ) تاثیر اسپودمن بر ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی.. ۱۱۸
نتیجهگیری و مراجع.. ۱۲۰
فصل ششم.. ۱۲۰
۶-۱) نتیجه گیری.. ۱۲۰
_افزایش استحکام مکانیکی.. ۱۲۳
_کاهش انبساط حرارتی.. ۱۲۳
_کاهش دیرگدازی.. ۱۲۳
۶-۲) مراجع. ۱۲۵