0
ویژه نامه ها

الیاف غیر اکسیدی (1)

الیاف سرامیکی غیر اکسیدی برای بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرد اما هم اکنون از این الیاف در تقویت کامپوزیت های زمینه ی سرامیکی (CMC) استفاده می شود. از آنجایی که تنها الیاف سیلیسیم کاربیدی در این کاربرد،
الیاف غیر اکسیدی (1)
الیاف غیر اکسیدی(1)

 

مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون




 

چکیده

الیاف سرامیکی غیر اکسیدی برای بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرد اما هم اکنون از این الیاف در تقویت کامپوزیت های زمینه ی سرامیکی (CMC) استفاده می شود. از آنجایی که تنها الیاف سیلیسیم کاربیدی در این کاربرد، استفاده می شود، در این مقاله ما بر روی الیاف سرامیکی بر پایه ی سیلیسیم کاربید تمرکز می کنیم که برای تولید CMC از آنها استفاده می شود. علاوه بر این، در مورد اطلاعات مکانیکی و تجربی مربوطه نیز صحبت خواهیم کرد. این اطلاعات شامل روش های تولید، ریزساختارها، خواص فیزیکی، و خواص مکانیکی این الیاف در دمای اتاق و دماهای بالا می باشد. تمرکز خاصی نیز بر روی آن دسته از خواص قرار داده شده است که برای ایجاد اجزای CMC مورد استفاده در دمای بالا، مورد نیاز هستند. این نشان داده شده است که پیشرفت های قابل توجهی در سال های اخیر بر روی روش های تولید الیاف سیلیسیم کاربیدی قرار داده شده است که بوسیله ی آن، امکان تولید الیاف با قطر کوچک و نزدیک به استوکیومتری وجود دارد.

مقدمه

الیاف سرامیکی- پلی کریستالی پیوسته با ترکیب شیمیایی غیر اکسیدی، هم اکنون توسعه یافته اند و از آنها برای انواع مختلفی از کاربردهای ساختاری دما بالا، استفاده می شود. این الیاف در 30 سال گذشته کاربردهای گسترده ای پیدا کرده اند.
به طور خاص، در تمام موارد، انواع مختلفی از الیاف غیر اکسیدی دارای ترکیباتی بر اساس ترکیبات سیلیسیم کاربید و سیلیسیم نیترید هستند. به هر حال، تنها آن دسته از الیاف بر پایه ی سیلیسیم کاربید به مرحله ای رسیده اند که از آنها بتوان برای تقویت سیستم های CMC دما بالا استفاده کرد. همچنین تنها خواص این الیاف در مقالات اشاره شده اند. بنابراین، تمرکز این مقاله بر روی بررسی خواص کاربردی این الیاف کاربردی است. این الیاف متداول ترین اجزای تقویت کننده ای است که در CMC ها مورد استفاده قرار گیرند. برای این هدف، بخش اول اطلاعاتی کلیدی در مورد جزئیات تولید و خواص انواع مختلف الیاف سیلیسیم کاربید ارائه می دهد و همچنین اطلاعاتی در مورد ارتباط میان ریزساختار و خواص این الیاف بیان شده است. بخش دوم داده هایی ارائه می دهد که در آن، نحوه ی اثرگذاری دما، زمان، تنش و محیط اکسیداسیون بر روی خواص تغییر شکل و خواص شکست بیان شده است. در نهایت، بخش آخر در مورد این صحبت می کند که چگونه خواص این الیاف بر روی کامپوزیت های زمینه سرامیک دما بالا اثر می گذارند.

کاربردها

تلاش های تحقیقاتی در طی سال های اخیر بر روی حصول الیاف سرامیکی بر پایه ی سیلیسیم کاربید تمرکز دارد که دارای خواص ترموساختاری ذاتی و غیر ذاتی بهینه می باشد که برای تقویت اجزای CMC دما بالا ضروری می باشد. همینطور، الزامات مربوط به خواص فیبر در سطح ابتدایی، قابلیت حفظ استحکام کششی در حین کار در شرایط دما بالا و شرایط اکسیداسیون می باشد. برای حفظ استحکام، اهداف کلیدی، حصول ریزساختار پایدار در برابر حرارت است که مقاومت به اکسیداسیون و خزش بالایی داشته باشد. به هر حال، همچنین انواع مختلفی از الزامات خواصی در سطح ثانویه وجود دارد که این الزامات مربوط به تولید و سرویس CMC ها می باشد. این الزامات شامل نیاز به کوچک بودن قطر، سطح عاری از کربن برای الیاف، سطوح ناهموار پایین، رسانایی گرمایی ذاتی بالا و هزینه های خرید پایین می باشد.

فرآوری

امروزه، متداول ترین روش برای تولید الیاف پلی کریستال سرامیکی، ریسندگی و عملیات حرارتی پیش ماده ها می باشد. در مورد الیاف بر پایه ی SiC، الیاف خام از پیش ماده های پلیمری مانند پلی کربوسیلان، ریسیده می شود و بعد از آن، عملیات عمل آوری و حرارت دهی مانند پیرولیز و زینترینگ، بر روی این الیاف انجام می شود تا الیاف خام به مواد سرامیکی تبدیل شوند که عموما سیلیسیم کاربید تولیدی از فاز بتا می باشد. فرایندهای خاص و جزئیات مربوط به ترکیب شیمیایی برای انواع مختلفی از الیاف SiC در بخش بعدی مورد بررسی قرار گرفته است.
یک ویژگی کلیدی در مورد الیاف سیلیسیم کاربید مشتق شده از مواد پلیمری، ریزساختار آنهاست. در این مواد، اندازه ی دانه در گستره ی نانومتر می باشد. دانه های ریز به طور نمونه وار برای افزایش استحکام کششی، ضروری است اما این ریزساختار شدن می تواند موجب تضییع خواص مربوط به خزش شود. استفاده از تکنولوژی پلیمری همچنین اجازه می دهد تا آماده سازی تجاری الیاف سیلیسیم کاربید با قطر کوچک و به صورت ساختاری طنابی شکل، مقدور گردد. این الیاف معمولاً با استفاده از چسب های خاصی آهار داده می شوند تا بدین صورت بتوان این الیاف را به صورت پیچیده شده بر روی ماسوره، به خریداران تحویل گردد. از این ماسوره ها می توان در تهیه ی پارچه، نوارها و سایر اشکال پیچیده، استفاده کرد. بسیاری از تولید کنندگان الیاف سیلیسیم کاربید با قطر کوچک عموماً الیاف را به شکل پارچه به مصرف کننده تحویل می دهند زیرا بیشتر فرایندهای تولید کامپوزیت که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد، نیازمند قرار دهی الیاف در یک آرایه های خاص می باشد. اگر چه هم اکنون روشی برای تولید الیاف تک کریستال پیوسته وجود ندارد، این انتظار می رود که الیاف SiC پلی کریستال با اندازه ی کوچک، همواره قابلیت استفاده بهتر و هزینه ی تولید پایین تری دارد. البته در این الیاف، خواص خزش و قابلیت تحمل حرارتی نسبت به الیاف تک کریستال، کمتر است. قابلیت های ترموساختاری و رسانایی گرمایی الیاف پلی کریستال، ممکن است همچنین به دلیل حضور فازهای ثانویه در مرزدانه ها الیاف، افت کند.
الیاف SiC پلی کریستال به صورت تک فیلمان های پیوسته، همچنین از طریق روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، رسوب دهی می شوند. در این روش، به طور نمونه وار از متیل تری کلرو سیالان به عنوان پیش ماده، استفاده می شود. در این روش، سیلسیم کاربید با دانه های ستونی بر روی یک فیلمان کربنی رسوب دهی می شود. این فیلمان به صورت پیوسته از داخل رآکتور عبور می کند و بدین صورت یک فیبر پیوسته از سیلیسیم کاربید تشکیل می شود. الیاف SiC تولید شده از طریق روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، برای تقویت سیستم های کامپوزیتی دما پایین و دما متوسط، مناسب است. اگر چه الیاف SiC تولید شده با این روش، استحکام بسیار بالایی از خود نشان می دهند، الیاف نهایی تولید شده با این روش، قطری بزرگتر از 50 میکرون دارند که این مسئله موجب می شود تا نتوان الیاف را به اشکال پیچیده، در آورد. تلاش ها در سطح آزمایشگاهی برای کاهش قطر این الیاف و تولید الیاف چند فیبره، در حال انجام است اما موضوعاتی که هنوز باید مورد بررسی قرار گیرد، این است که فیلمان های زیرلایه ای با ترکیب و قطر مناسب پیدا کرد و همچنین روش هایی پیدا کنیم تا در حین رسوب دهی، از جوش خوردن فیلمان ها به همدیگر، جلوگیری شود. یکی دیگر از چالش های مربوط به رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار این ماده، پیدا کردن یک گاز پیش ماده ی مناسب.

خواص

جدول 1 برخی از محصولات کلیدی و ترکیب شیمیایی الیاف SiC را که برای تقویت CMC ها استفاده می شود، را ارائه کرده است. الیاف مشتق شده از پلیمرها که در ابتدا تولید می شدند (مثلاً Nicalon and Tyranno Lox M)، دارای مقادیری اکسیژن، و کربن اضافی بودند؛ در حالی که الیافی که اخیراً تولید شده اند، نزدیک به ترکیب استوکیومتری هستند (مانند الیاف خانواده ی SCS که بر روی هسته های کربنی رشد داده شده اند). در این الیاف، تنها تغییر اندکی در ترکیب شیمیایی SiC این الیاف وجود دارد که به علت وجود مقادیر اندکی سیلکون و کربن آزاد، ایجاد شده اند. جدول 2 برخی خواص فیزیکی و مکانیکی الیاف SiC را دقیقاً بعد از رشد نشان داده است. همچنین هزینه های مربوط به تولید تجاری این الیاف بر واحد کیلوگرم نیز بیان شده است. تمام این خواص برای استفاده از این الیاف در تقویت CMC ها مهم می باشد. خواص الیاف SiC که در جدول 1 و 2 بدان اشاره شد، بوسیله ی شرکت های تجاری تولید کننده ی این الیاف، بیان شده است. این را باید تذکر دهیم که الیاف سیلرامیک (Sylramic) دیگر بوسیله ی شرکت Dow Corning تولید نمی شود. این الیاف امروزه بوسیله ی شرکت ATK COI تولید می شود. این شرکت، علاوه بر این الیاف، مشتقات این الیاف را نیز تولید می کنند.
الیاف غیر اکسیدی(1)
با بررسی خواص الیاف SiC به طور دقیق تر، این را می توان فهمید که یک رابطه ی قوی تر برای هر فیبر با شرایط تولید آن، ریزساختار پس از تولید و خواص فیزیکی و مکانیکی آن، وجود دارد. برای مثال، دمای تولید ماکزیمم ℃ 1200، برای نسل اول الیاف Nicalon and Tyranno Lox M مشتق شده از پلیمرها، به طور نمونه وار بوسیله این حقیقت دیکته می شود که در طی مرحله ی عمل آوری الیاف خام، یک مقدار قابل توجه اکسیژن به داخل فیبر وارد می شود. این مسئله موجب ایجاد فاز ناخالصی اکسی کاربید در داخل ریزساختار فیبر می شود که تمایل دارد در دمای نزدیک به 1200 درجه، به گاز تبدیل شود و موجب تشکیل تخلخل می گردد. این تخلخل ها موجب کاهش استحکام کششی فیبر می شود. بنابراین، برای نسل اول از الیاف، میزان بالای اکسیژن (حدود 10 % وزنی) موجب می شود تا پایداری حرارتی فیبر محدود شود. دمای تولید پایین همچنین موجب ایجاد دانه های ریز می شود (کوچکتر از 5 نانومتر). ریز بودن این دانه ها موجب افزایش نرخ خزش این الیاف می شود این نرخ همچنین بوسیله ی وجود اکسیژن در مرزدانه ها، تشدید می شود. علاوه بر این، در مقایسه با الیاف SiC با ترکیب نزدیک تر به ترکیب استوکیومتری، مقدار اکسیژن و کربن این الیاف نسل اول، موجب کاهش دانسیته ی فیبر، مدول الاستیک، انبساط حرارتی و رسانایی گرمایی می شود. از لحاظ جنبه ی مثبت، سادگی روش های تولید این الیاف به همراه دمای پایین تولید، موجب شده تا این الیاف در قیمت های پایین تر در مقایسه با الیاف SiC با کارایی بالا، تولید شوند.
الیاف غیر اکسیدی(1)
از آنجایی که این مطلوب است که CMC هایی تولید کرد که در طی زمان طولانی، بتواند در دمای بالاتر از ℃ 1200 کار کنند، روش های تولید پیشرفته ای که می توان بواسطه ی آنها، فازهای اکسیدی موجود در الیاف SiC مشتق شده از پلیمر را محدود کرد، اخیراً توسعه یافته اند. در یکی از این روش ها، از عمل آوری الیاف خام، تحت تابش الکترون انجام می شود تا بدین صورت، بتوان اکسیژن موجود در ریزساختار را به میزان قابل توجهی کاهش داد. الیاف Hi-Nicalon و Hi-Nicalon نوع S از الیاف کربن Nippon و بواسطه ی این روش، تولید می شوند و بنابراین، دارامی میزان اندکی اکسیژن در مقایسه با الیاف Nicalon اصلی است. مقدار اکسیژن کمتر به ما اجازه می دهد تا الیاف Hi-Nicalon نوع S در نزدیک دمای ℃ 1600 تولید شوند اما دمای تولید الیاف Hi-Nicalon محدود به دمای 1300 درجه است که علت آن، مقادیر بالاتر اکسیژن و کربن می باشد. کاهش میزان اکسیژن موجب افزایش دانسیته ی فیبر، مدول، ضریب انبساط، و رسانایی نسبت به الیاف Nicalon اصلی است اما میزان بالاتر کربن الیاف Hi-Nicalon، این افزایش را محدود می کند. همچنین دمای بالاتر برای تولید هر دو نوع فیبر موجب افزایش اندازه ی دانه می شود و همچنین بر روی رسانایی گرمایی فیبر اثر می گذارد. در نهایت، زدایش اکسیژن با استفاده از تابش الکترون، موجب افزایش هزینه های طولانی الیاف Hi-Nicalon، به میزان 4 تا 6 برابر نسبت به الیاف Nicalon می شود.
در یک روش با اکسیژن کمتر، به ناخالصی های بر پایه ی اکسیژن در الیاف خام، اجازه داده می شود تا در طی عملیات حرارتی در دمایی بالاتر از ℃ 1200، از بین روند. اما با استفاده از کمک زینترهای بر پایه ی آلومینیوم یا بور در ریزساختار الیاف با استحکام پایین و حرارت دهی این الیاف در دماهای بالاتر از 1600 درجه، دانه های کوچک SiC رشد می کنند و زینتر می شوند و یک فیبر با دانسیته ی بالا، ایجاد می شود که دارای استحکام کششی مناسبی است. الیاف منتج شده با این روش از جمله الیاف Tyranno SA (با کمک زینتر آلومینیوم) و الیاف Sylramic (با کمک ذوب بور)، الیاف عاری از اکسیژن و استوکیومتری هستند. مورد آخر دارای استحکام کششی بالاتری است. در مقایسه با سایر الیاف دارای دمای تولید پایین تر، الیاف زینتر شده ی نهایی شامل دانه های بزرگتر هستند که دارای خواص مقاومت به خزش و رسانایی گرمایی بهبود یافته هستند، اما این دانه ها موجب می شوند تا استحکام فیبر در فشار 3GPa، تخریب می شود اگر، اجازه ی رشد در خارج از اندازه ی 200 نانومتر داده شود. همچنین اندازه ی دانه ی بزرگتر، به طور نمونه وار موجب می شود تا سطح الیاف نرم تر باشد که این مسئله میزان سایش فیبر به فیبر در داخل طناب تشکیل شده از الیاف را کاهش می دهد.
علاوه بر این، کمک زینترها می توانند تا حدی خزش فیبر و مقاومت به اکسیداسیون آن را تعیین کنند. با وجود این، روش زینترینگ، دارای اثر قابل توجهی بر روی فرایند تولید فیبر در دمای بسیار بالا می باشد. این روش می تواند پنجره ی دمایی را برای تولید CMC ها باز کند بدون آنکه ناپایداری ریزساختاری در تقویت الیاف اثرگذار باشد. علاوه بر این، برای الیاف Sylramic، کمک زینترهای بوردار می توانند با استفاده از عملیات حرارتی های متعاقب در داخل اتمسفر نیتروژن دار، از سطح فیبر و بخش بالک فیبر خارج گردد اما این الیاف دارای یک لایه ی محافظتی هسستند که به صورت درجا بر روی سطح فیبر رشد می کند و از جنس BN می باشد. اما برای تمام انواع الیاف زینتر شده، دانسیته و مدول فیبر SiC، نزدیک به مقدار ماکزیمم است و این مسئله دارای یک اثر منفی بر روی وزن CMC و شکل پذیری ساختار فیبر CMC است. علاوه بر این، یک افزایش عمومی در هزینه های مربوط به الیاف وجود دارد که به طور نمونه وار با دماهای تولید بالاتر همراه است.
برخلاف الیاف مشتق شده از پلیمر، الیاف مونوفیلمان SiC تولید شده از روش CVD، دارای این مزیت تولید است که در این الیاف، رشد لایه به لایه و دما بالای ریزساختارهای SiC را بدون ورود فازهای اکسیدی زیان آور داریم. به هر حال، مکانیزم های تشکیل SiC از سیلیکون و پیش مادهه های شیمیایی کربن دار، بسیار پیچیده هستند و به طور قابل توجهی به تعدادی پارامتر شامل، نمونه های گازی واکنش دهنده، گازهای حامل و یا کاهنده، فشار رسوب دهی، دما، غلظت فاز گازی، نرخ جریان و ... وابسته است. یک ریزساختار استوکیومتری SiC ممکن است به صورت محلی تولید شود اما این مسئله سخت است که بتوان این حالت را در کل فیبر داشت. برای مثال، الیاف مونوفیلمان SiC که با استفاده از روش CVD کنونی تولید شده اند، عموماً دماهای فرایندی را تجربه می کند که در داخل رآکتور از 1500 به ℃ 1200 کاهش می یابد. این شرایط موجب می شود تا ریزساختار لایه های خارجی از سیلیکون غنی شود و این مسئله منجر می شود تا فیلمان در دماهای بالاتر از℃ 800، متحمل خزش و افت استحکام شود. اخیراً یک فیبر SCS الترا در Specialty Materials تولید شده است که در آن صفحات SiC از کربن غنی هستند و از این رو دارای خواص فیزیکی و مکانیکی هستند که نزدیک به خواص مورد انتظار برای بتا SiC خالص است. به هرحال، به دلیل وجود زیرلایه ی مونوفیلمان کربنی، الیاف SiC تولید شده با روش CVD، به خودی خود، کامپوزیت های سرامیکی هستند به نحوی که برخی از این خواص مانند دانسیته و مدول محوری، به اندازه ی زیرلایه و ترکیب آن وابسته است. علاوه بر این، هزینه های مونوفیلمان های SiC تولید شده با روش CVD کنونی، واقعاً بالاست و در حدود 10000 دلار بر هر کیلوگرم است.
در نهایت، این جالب است که در مورد جدول 1 و 2 بگوییم که در حالی که خواص فیزیکی و تغییر شکل مربوط به فیبر می تواند با ترکیب شیمیایی و اندازه ی دانه، تصحیح گردد، رابطه ی کمتری میان شرایط ریزساختاری فیبر و استحکام کششی الیاف وجود دارد که به طور نمونه وار در طول 25 میلی متر اندازه گیری شده است. در این حالت، رابطه ی غیر خطی عموماً مورد انتظار است زیرا استحکام مواد سرامیکی دقیقاً بعد از سنتز بوسیله ی هر تخلخل یا سایر ترک های ایجاد شده تحت تأثیر قرار می گیرد. به هرحال، در بسیاری موارد، برای سرامیک های با دانه ی درشت، این ترک ها با عکس مجذور اندازه ی دانه در ارتباط است (قانون گریفیس) به نحوی که استحکام سرامیک باید در هنگام کاهش انددازه ی دانه، افزایش یابد. برای الیاف SiC، این رابطه برای اندازه ی دانه ی متوسط بالاتر از 100 نانومتر، صدق می کند. به هرحال، در زیر اندازه ی دانه ی 100 نانومتر، تمام الیاف مشتق شده از پلیمرها، علارغم اندازه ی نانومتری، تغییر گسترده ای را در استحکام خود متحمل می شوند که این استحکام از 3GPa افزایش نمی یابد. این مشاهدات عموماً بوسیله ی این حقیقت توصیف می شود که چسبندگی موجود در پیش ماده ی پلیمری و فرایند پالایش، رابطه ی بالقوه ی میان جریان با اندازه ی ذرات که دارای حد 100 نانومتر است، اجازه ی عبور فیبر را در طی فرایند تولید می دهد به نحوی که این ذرات برخلاف دانه های فیبر، دارای استحکام محدود هستند. یکی دیگر از نکات مربوطه، این است که این الیاف به طور نمونه وار، دارای لایه های سطحی غنی از کربن هستند (جدول 1) که این لایه موجب اثرگذاری بر روی جریان ای سطحی کنترل کننده ی استحکام در فیبر می شوند. این مسئله به نحوی است که اگر کربن در طی تولید یا سرویس CMC از بین رود، اتلافی در استحکام الیاف رخ می دهد که تا 20 % نیز می رسد. بنابراین، اگر چه این مسئله ممکن است برای توسعه ی الیاف SiC با قطر کوچک، مناسب باشد، حد بالایی استحکام (3GPa) ممکن است تمام استحکام باشد که می توان با استفاده از این روش، بدست آورد.

خواص مکانیکی وابسته به دما

با افزایش دما، خواص بالک الیاف SiC مانند مدول الاستیک و رسانایی گرمایی به صورت آهسته کاهش می یابد. این رویه مشابه رویه ای است که در قطعات SiC مونولیتیک بالک، مشاهده می شود. بنابراین، این را می توان فرض کرد که مدول الاستیک الیاف (E) باید با افزایش دما (T) کاهش یابد (دما با واحد سلسیوس). این رابطه برای SiC مونولیتیک به صورت زیر است:
E(T)=E_0-[A.T] A=0.020 GPa/℃
که در اینجا، E_0 مدول فیبر در دمای صفر درجه ی سانتیگراد است. این رفتار مدول باید برای دماهای بالا نیز بسط داده شود اما اختلاف های مشاهده شده می تواند از دمای 800 درجه شروع شود که در این دما، کرنش خزشی شروع می شود و علاوه بر آن، کرنش الاستیک فیبر نیز افزایش می یابد. استحکام کششی مربوط به الیاف SiC همچنین یک کاهش یکنواخت را پیش از شروع خزش، با دما دارد. به هر حال، در داخل این رژیم، فاکتورهایی مانند اندازه ی دانه، میزان ناخالصی ها، و رویه ی حرارت دهی، دارای اثر قابل توجهی بر روی افت استحکام الیاف با افزایش دما و زمان دارد. بنابراین، برای یادگیری بهتر کارایی الیاف SiC به عنوان تقویت کننده های دما بالا در CMC ها، این نیاز وجود دارد تا داده های موجود در زمینه ی اثر دما، زمان، تنش و محیط بر روی رفتار خزش و گسستگی انواع مختلف الیاف SiC مورد بررسی قرار گیرد.
یک روش مناسب برای ارزیابی رفتار خزش و رفتار گسستگی، با استفاده از آزمون گسستگی تنشی می باشد. در این روش، الیاف منفرد با قطر کوچک، تحت تنش ثابت، دما، محیط و شرایط استاندارد تست قرار داده می شود و کرنش خزشی در زمان های مختلف اندازه گیری می شود تا در نهایت، گسستگی رخ دهد. تحت این شرایط در دمای بالا، بیشتر الیاف SiC در شرایط پس از تولید، دارای مرحله ی خزش انتقالی بزرگتری هستند. این مسئله در شکل 1 ، برای الیاف SiC دما بالا، که تحت تنش 275 MPa و دمای ℃ 1400 در هوا قرار گرفته اند، قابل رویت است. این نمودارها نشان می دهد که نرخ های خزش برای بسیاری از الیاف به صورت پیوسته با زمان کاهش می یابد تا در نهایت، شکست رخ دهد که این مسئله نشاندهنده ی ظهور مرحله ی اول خزش می باشد. اگر چه مطالعات انجام شده بر روی مکانیزم های حاکمه، هنوز نیاز به کار بیشتر دارند، این مسئله نشان داده شده است که رفتار گذرای بوسیله ی انواع مختلفی از فاکتورهای وابسته به فرایند، ایجاد می شود. برای مثال، به دلیل اینکه دماهای تولید نباید از 1200 درجه بالاتر رود، این محتمل است که رشد دانه ها و تجزیه ی فازهای اکسی - کاربید اتفاق افتد و این مسئله منجر به کاهش نرخ خزش می شود. این مکانیزم ها بوسیله ی مطالعاتی مورد حمایت قرار گرفته است که در آنها یک مرحله ی گذار کاهش یافته و بهبود قابل توجه در خاصیت مقاومت در برابر خزش، بعد از عملیات حرارتی الیاف Hi-Nicalon مشهود است.
الیاف غیر اکسیدی(1)
برای الیاف SiC دارای بزرگترین اندازه ی دانه (100 تا 200 نانومتر)، انواع متعددی از مطالعات مربوط به بازیابی خزش و فرانیدهای آنیل انجام شده است تا بدین وسیله بتوان یادگیری بهتری از رفتار گذرای آنها بدست آید. برای مثال، آزمون های بازیابی بر روی الیاف SCS-6 نشان داده است که کرنش خزشی کل به طور نمونه وار شامل یک جزء غیر قابل بازگشت و یک جزء بازگشت پذیر است. عموماً جزء بازگشت پذیر یا ویسکوز با افزاییش زمان، شروع به افزایش می کند، در حالی که جزء غیر بازگشت پذیر با زمان به حالت اشباع خود می رسد. این مقدار اشباع بزرگتر از 2 برابر جزء الاستیک اولیه نمی باشد. بر اساس این رفتار، جزء غیر الاستیک می تواند در لغزش مرزدانه ای زنر شرکت کندد. بنابراین، حداقل یکی از بخش های مربوط به رفتار گذرا که در شکل 1 مشهود است، به دلیل جزء خزش قابل بازگشت، ایجاد می شود. وقتی الیاف SCS-6 و Sylramic با دانه های بزرگ برای مدت زمان طولانی و در دمایی نزدیک به دماهای تولید، آنیل شوند، اندازه ی دانه تغییر نمی کند. به هر حال، کرنش خزش کل، برای شرایط تست مشابه، کاهش می یابد. در این حالت، مرحله ی اولیه با سرعت بیشتری نسبت به مرحله ی ثانویه به پایان می رسد. از آنجایی که این نوع از الیاف، شامل فازهای مستعد خزش هستند، مانند سیلیکون یا بور آزاد، موجب می شود تا مقاومت به خزش بهبود یافته بدلیل حذف یا مینیمم شدن این فازهای ثانویه از مرزدانه ها، بوجود آید. در حقیقت، رفتار خزشی بهبود یافته ی مربوط به الیاف SCS الترا نسبت به الیاف SCS-6 نسل اول، بتواند بوسیله ی حذف سیلیکون آزاد توضیح داده شود. علاوه بر این، مقاومت خزشی بهبود یافته ی الیاف Sylramic-iBN می تواند به دلیل زدایش بور از الیاف Sylramic ایجاد شود. بنابراین، برای شرایط آزمایش شکل 1، رفتار خزش گذرای الیاف بر پایه ی SiC می تواند تا حدی بوسیله ی لغزش مرزدانه ای غیر الاستیک و تا حدی اندازه ی دانه ی ناپایدار و فاز ثانویه ی متحرک، ایجاد شود.
برای یادگیری مناسب در مورد خزش الیاف SiC، این مهم است که میزان استحکام خزشی فیبر مورد ارزیابی قرار گیرد. این خاصیت به صورت تنش اعمال شده ی مورد نیاز برای ایجاد یک کرنش خزشی خاص، تعریف می شود که در یک زمان محدود یا در طول عمر سرویس دهی و در یک دمای سرویس دهی، اعمال می شود. بنابراین، استحکام خزش بالاتر موجب می شود تا میزان مقاومت مربوط به خزش و قابلیت پایداری ابعادی برای کاربردهای سرویس دهی خاص، بالا رود. تحت شرایطی که در آن، تنها مکانیزم نفوذی مرزدانه ای غالب است، استحکام خزش فیبر (σ_c) می تواند به صورت زیر تعریف شود:
σ_c^n=A_0^(-1) d^m e_c exp⁡[Q_c/RT]
در اینجا، A_0 یک ثابت نفوذی وابسته به ترکیب شیمیایی است، n توان تنش خزشی، d اندازه ی دانه ی متوسط، m توان اندازه ی دانه، Q_c انرژی فعال سازی خزش، R ثابت جهانی گازها و T دمای مطلق می باشد. اگر غلظت جاهای خالی که از نفوذ مرزدانه ها حمایت می کند، خزش بوسیله ی خزش کوبل رخ می دهد که در آن، n=1 و m=3 است. به هر حال، اگر غلظت جاهای خالی در مرزدانه ها محدود باشد، به دلیل حضور فازهای ثانویه، خزش نفوذی کنترل شده تحت سطح مشترک، در مقادیری از n رخ می دهد که بین 2 و 3 هستند. همچنین نفوذ کنترل شده تحت مرزدانه ها، بوسیله ی وابستگی اندک اندازه دانه و انرژی فعال سازی خزش، رخ می دهد.
به دلیل عدم حضور رفتار انتقالی برای الیاف SiC، شکل 2 می تواند وابستگی استحکام خزشی نسبت به اندازه ی دانه را برای این الیاف نشان می دهد. در اینجا، شرایط انتخاب شده برابر با 0.4 % کرنش خزشی کل در 10 ساعت قرارگیری نمونه در دمای ℃ 1400 بوده است. در بحث قبلی، این مشاهدده شده است که مقادیر n بزرگتر از واحد، یک شاخص از خرش تحت کنترل نفوذ مرزدانه ای می باشد. این مسئله در واقع بر این دلالت دارد که m=1 است. با فرض این مورد برای الیاف بر پایه ی SiC ، می توان خطی در شکل 2 در نزدیکی نقاط با مقاومت بالاتر نسبت به خزش، ترسیم کرد و بدین وسیله، رفتار خزش تحت کنترل مرزدانه ها که در این الیاف وجود دارد، پیش بینی می شود. در این حالت، نسبت m/n برابر با 1/2 پیش بینی شده است و بدین نحو، یک n=2 برای خزش الیاف SiC مشتق شده از پلیمر، پیش بینی شده است. بنابراین، در زمان کنونی، خط توپر در شکل 2 بیان کننده ی بهترین رفتار استحکام خزشی مورد انتظار برای الیاف SiC تحت شرایط انتخابی آزمایش، است. این خط نشاندهنده ی این است که الیاف Sylramic آنیل شده که دارای اندازه ی دانه ی 100 نانومتر هستند، به احتمال زیاد، بیان کننده ی بهترین نوع از این الیاف از لحاظ مقاومت به خزش و استحکام کششی می باشد.
الیاف غیر اکسیدی(1)
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.



 

 



ارسال نظر
با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت قرار خواهد گرفت.
متاسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داده. لطفاً دوباره تلاش کنید.
موارد بیشتر برای شما