0
ویژه نامه ها

کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)

بریدهای سرامیکی، کاربیدها و نیتریدها به دلیل دمای ذوب بالا، خنثی بودن شیمیایی و مقاومت به اکسیداسیون نسبتاً خوب در محیط های نامناسب، شاخص هستند. این خانواده از مواد سرامیکی را سرامیک های دما بالا (UHTCs) می
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)

 

مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون




 

چکیده

بریدهای سرامیکی، کاربیدها و نیتریدها به دلیل دمای ذوب بالا، خنثی بودن شیمیایی و مقاومت به اکسیداسیون نسبتاً خوب در محیط های نامناسب، شاخص هستند. این خانواده از مواد سرامیکی را سرامیک های دما بالا (UHTCs) می نامند. برخی از کارهای اولیه بر روی UHTCs، بوسیله ی نیروی هوایی در دهه های 1960 و 1970 انجام شده است. از آن زمان تاکنون، کارها بوسیله ی NASA و نیروی دریایی و هوایی، تأمین مالی شد. این مقاله برخی از این تلاش ها را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع در این مقاله به مقاله هایی پرداخته شده است که بر روی کامپوزیت های هافنیوم دی بوراید و زیرکونیوم دی بوراید تمرکز دارد. این کار همچنین بر روی شناسایی افزودنی هایی مانند SiC تمرکز کرده است. این افزودنی ها موجب بهبود خواص مکانیکی و گرمایی و یا بهبود مقاومت در برابر محیط های شدید در دماهای بالاتر از کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) می باشد.

مقدمه

ترکیبات دیرگداز مانند کاربیدهای سرامیکی، بوریدها و نیتریدها، بوسیله ی نقاط ذوب بالا، سختی بالا، خنثی بودن شیمیایی و مقاومت در برابر اکسیداسیون، شاخص هستند. این ترکیبات دیرگداز به طور کلی سرامیک های دما بالا (UHTCs) نامیده می شود. برخی از کارهای اولیه، در اوایل دهه ی 1960 بوسیله ی ManLabs و تحت یک برنامه ی تحقیقاتی انجام شده است که بوسیله ی آزمایشگاه مواد نیروی هوایی (AFML) تأمین مالی شده است. کار بر روی این مواد، برای برطرف کردن نیاز به مواد دما بالا، انجام شده است. این مسئله منجر به توسعه ی جنگنده های فراصوت با قابلیت مانور بالا شده است. در طی همین زمان، NASA همچنین بر روی مواد دما بالا تحقیقاتی انجام داد تا بدین وسیله بتواند نیازهای خود را برطرف کنند. مقاومت اکسیداسیون نسبتاً خوب ترکیبات دیرگداز دی بوراید، در مقایسه با سایر ترکیبات بین فلزی دیرگداز دیگر، در بسیاری از تحقیقات مورد توجه قرار گرفته است. از بین دی بوراید فلزات انتقالی، هافنیوم دی بوراید (کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)) و زیرکونیوم دی بوراید (کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)) به عنوان مناسب ترین کاندیدا برای کاربردهای دما بالا مانند کلاهک موشک، لبه های هدایت کننده ی تیز، تیغه ها و اهداف مشابه برای استفاده در جنگنده های سریع یا نسل های آینده ی آنها، شناسایی شده اند.
پیوندهای کوالانسی قوی علت ایجاد نقطه ذوب بالا، مدول و سختی UHTC هاست. انرژی های آزاد تشکیل منفی و با مقدار قدر مطلق بزرگ، همچنین موجب می شود تا پایداری شیمیایی و گرمایی HUTC ها، تحت بسیاری از شرایط محیطی، افزایش یابد. در مقایسه با کاربیدها و نیتریدها، بوریدها تمایل دارند تا رسانایی گرمایی بالاتری داشته باشند که این مسئله موجب افزایش مقاومت به شوک حرارتی این مواد می شود و موجب می شود تا این مواد، موادی ایده آل برای بسیاری از کاربردهای دما بالا باشد.
بررسی این مسئله که آیا UHTC ها مواد مناسبی برای کاربردهای دما بالاست، این ضروری است تا در مورد خواص و رفتار این مواد در شرایط مختلف دمایی، محیطی و حالت های تنشی، اطلاعات کسب شود. هدف اولیه ی این مقاله، ارائه ی یک بررسی تاریخی در مورد تحقیقات انجام شده بر روی UHTC هاست که تاکنون انجام شده است. از آنجایی که بیشتر کامل بر روی کامپوزیت هایی تمرکز دارد که شامل کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)و کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) می باشد، این مواد را ابتدا مورد بررسی قرار می دهیم. نتیجه ی حاصله در زمینه ی استفاده از موادی که دارای کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) یا کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) هستند، یکی از موارد زیر می باشد: مقاومت در برابر اکسیداسیون، بهبود خواص مکانیکی و مقاومت در برابر تنش های گرمایی می باشد.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)

کاربردها

نیاز به مواد دما بالا که مقاومت به اکسیداسیون مناسبی دارند و یا اکسیداسیون آنها محدود است، موجب شده است تا مواد UHTC توسعه یابند. این مواد قابلیت تحمل دماهای بیشتر از 3000 K را دارا می باشند. کاربردهای بالقوه ی مربوط به UHTC ها، به یک تعداد از نیازها محدود می شود که در صنایع نظامی آینده، صنایع و پروژه های بر پایه ی هوافضا، مورد نیاز هستند. کاربردهای صنعتی بالقوه ی مروبط به UHTC ها، شامل استفاده از آنها در ریخته گری یا فرآوری مواد در دمای بالا می باشد. خنثی بودن شیمیایی این مواد موجب می شود تا آنها موادی ایده آل در زمینه ی ساخت بوته های حمل و نقل مذاب فلزی، تیوب های ترموول برای تصفیه ی فولاد و قطعات الکترونیکی مانند هیترها و چاشنی ها، باشند.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
کاربردهای نظامی و هوافضایی برای HHTC ها عبارتست از مدخل نازل راکت، اجزای سیستم های احتراق تقویت شده با هوا، کلاهک موشک و وسایل مافوق صوت می باشد. وسایل فضایی اولیه به گونه ای طراحی شده اند که شعاع بزرگ داشته باشند و بدنه ی ضخیم آنها موجب کاهش حرارت ناشی از ایرودینامیک می شود. این کار به منظور حفظ دما در محدوده ی مناسب انجام شده است. به هر حال، قطعات بزرگتر منجر به ایجاد شعاع لبه ای می شود و منجر به افزایش کشش وسایل می شود. این مسئله موجب کاهش قابلیت مانور می شود. بنابراین، برای بهبود کارایی، این پیشنهاد شده است که برای وسایل مافوق صوت، از اشکال آیرودینامیکی باریک با لبه های هدایت کننده ی تیز استفاده شود. توسعه ی وسایل با بدنه ی تیز موجب افزایش نسبت لیفت به دراگ می شود و بدین وسیله موجب بهبود عملکرد وسیله می شود. یک نسبت لیفت به دراگ بزرگتر همچنین پتانسیل بهبود ایمنی سیستم وسیله را دارد. طراحی یک وسیله با نسبت لیفت به دراگ بالا، موجب افزایش پنجره در طی صعود می شود که بوسیله ی این عامل، یک مأموریت می تواند با شکست مواجه شود و وسیله به طور ایمن به زمین بنشیند، نیاز به استفاده از خدمه کاهش می یابد و همچنین احتمال حرکت وسیله بر روی اقیانوس، کاهش می یابد. دوماً همانگونه که قبلاً گفته شد، نسبت لیفت به دراگ بالا موجب افزایش سطح مقطع وسیله در طی فرود از مدار می شود. این مسئله موجب می شود تا وسیله فرصت بیشتری برای شروع فرایند فرود داشته باشد در حالی که هنوز در مدار قرار دارد و این مسئله موجب افزایش ایمنی وسیله برای فرود در محل مناسب می شود. به هر حال، دمای مربوط به لبه های هدایت، به طور عکس با ریشه ی دوم شعاع لبه های هدایت در ارتباط است یعنی شعاع لبه های هدایت با افزایش دما، کاهش می یابد. بنابراین، طراحی موفق یک وسیله ی مافوق صوت، نیازمند توسعه ی مواد جدید با قابلیت تحمل حرارتی می باشد که از جدیدترین مواد کنونی نیز بهتر باشند. سرامیک های دما بالا یک خانواده از مواد است که کاندیداهای خوبی برای برطرف کردن این نیازمندی هاست.

پیوندها و ساختار مربوط به UHTCs

پایداری ساختاری بوریدها، کاربیدها و نیتریدها

بریدها، کاربیدها و نیتریدهای سرامیکی، تماماً پیوندهای شیمیایی قوی دارند که موجب می شود این مواد دارای پایداری ساختاری دما بالا باشند. به عنوان نتیجه ای از وجود پیوندهای قوی میان اتم ها، کاربیدها از تعریف کلاسیک مربوط به سرامیک های ترد، تبعیت می کند. هیچ کدام از کاربیدهای یونی، استفاده های مهندسی ندارند که علت این مسئله، تردی آنها می باشد. دو کاربید کوالانسی دارای اهمیت قابل توجهی هستند: یکی SiC و دیگری B_4 C. هر دوی این کاربیدها، به دلیل سختی قابل توجه و پایداری گرمایی و شیمیایی، ارزشمند هستند. بزرگترین گروه کاربیدها، مربوط به کاربیدهای نوع درون شبکه ای است که شامل کاربید فلزات Hf، Zr، Ti و Ta می باشد. این مواد به دلیل وجود شبکه های کربنی قوی و داشتن بالاترین نقطه ذوب در بین مواد شناخته شده، مهم می باشند. این کاربیداه همچنین دارای بالاترین استحکام در دماهای بالا می باشند. از این نقطه نظر، کاربیدها یک مزیت چشمگیر را در بسیاری از کاربردهای مهندسی، دارا می باشند. بدبختانه، این مواد به سختی تولید می شوند که علت این مسئله، دیرگدازی بالای آنها می باشد. این مواد به مقدار اندک در خارج از مقیاس آزمایشگاهی تولید می شوند.
نیتریدهای سرامیکی دارای خواص مشابه با کاربیدها هستند. این مواد نیز به سختی تولید می شوند مخصوصاً در شکل خالص زیرا پیوند میان این مواد، کوالانسی است. سیلیکون نیترید و بور نیترید مواد اولیه در خانواده ی نیتریدهای تولید شده برای کاربردهای مهندسی است.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
بعد از این مواد، بوریدهای سرامیکی مانند کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) قرار گرفته اند. این مواد همچنین به دلیل وجود پیوند قوی میان اتم هایش، دارای خواص قابل توجه هستند، اگر چه پیوند آنها به طور نمونه وار در حد پیوند کاربیدها، قوی نیست بنابراین، این مواد، اغلب دارای نقطه ذوبی زیر نقطه ذوب کاربیدها هستند. یک ویژگی ممتاز مرتبط با طبیعت الکتریکی پیوند بور در این مواد، منجر به ایجاد رسانایی گرمایی و الکتریکی بالا در این مواد می شود. این رسانایی گرمایی و الکتریکی به طور نمونه وار بیشتر از رسانایی مشاهده شده برای کاربیدها و نیتریدهاست. همچنین ضریب انبساط حرارتی پایین موجب می شود تا بوریدها مقاومت در برابر شوک حرارتی نسبتاً خوبی داشته باشند.
سرامیک های بوریدی همچنین دارای مقاومت به اکسیداسیون خوبی نسبت به کاربیدها و نیتریدها هستند. مسئله ای که در بخش های بعدی مورد بحث قرار گرفته است.
جدول 1 یک تعداد از عناصر فلزی را نشان داده است که ترکیبات دی بوریدی دوتایی تشکیل می دهند. این ترکیبات دارای ساختار کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) هستند (شکل 1). ساختار کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) شامل لایه های گرافیتی شکلی از بور است بوسیله ی لایه های هگزاگونال متراکم (h.c.p) از اتم های فلزی، مجزا شده اند. این دی بوریدها از شبکه های بور کوالانسی و صلب تشکیل شده اند به نحوی که اتم های بور دارای یک محیط فلزی منشوری تریگونال با سه همسایه ی نزدیک بور می باشد. اتم های فلزی بوسیله ی 12 اتم بور، 6 اتم فلزی در همان صفحه و دو اتم فلزی در دو لایه ی مجاور (بالا و پایین) در برگرفته شده اند. شبکه ی بور دارای پیوند کوالانسی بسیار قوی است که موجب ایجاد ممانعت در افرایش در جهت a_0 می شود. این ممانعت در c_0 اتفاق نمی افتد و موجب می شود تا بورایدها قابلیت تطابق با بسیاری از فلزات را داشته باشد.
Spear سه پارامتر پیوند شیمیایی را برای بورایدهای نوع کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) محاسبه کرده است که در شکل 2 نشان داده شده است. این پارامتر در در تصویر بالا نسبت دو محور بیضوی اتم فلزی است و یک میزان از انحراف مربوط به اتم فلزی است.
پارامتر میانی، نسبت حجم فلز عنصری به اتم فلزی در دی بورید است. نسبت های کمتر از واحد، نشاندهنده ی این است که فلز از فاصله ی موجود کوچکتر است، در حالی که نسبت های بزرگتر از واحد، نشاندهنده ی این است که اتم فلزی در ساختار، تحت فشار می باشد. نسبت های متفاوت نسبت به واحد نشاندهنده ی این است که پیوندهای M-M و M-B دارای استحکام کمتری نسبت به حالت بهینه هستند. در نهایت، پارامتر پایین اندازه ای از استحکام پیوند B-B است و این نسبت، نسبت مربوط به متوسط شعاع آزاد و مینیمم بور در دی بورید است. مقادیر کوچکتر، نشاندهنده ی کشیده شدن پیوند و یا انرژی های پیوند کوچکتر است. از این محاسبه ها، Spear نتیجه گیری کرد که پیوند M-B به احتمال زیاد مشارکت کننده ی اصلی در زمینه ی یکپارچگی ساختاری بوریدهای نوع کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) است. نسبت مشارکت این پیوند از پیوندهای M-M و B-B بیشتر است. به طور نمونه وار، اعوجاج کمتر موجب می شود تا نیاز به پیوند قوی تری باشد تا بتوان اتم ها را در کنار هم نگه داشت. وقتی درجه ی پیوند افزایش می یابد، نقطه ذوب، مدول و سختی نیز افزایش می یابد. این مسئله علاوه بر دی بوریدها، در کاربیدها و نیتریدها نیز مشاهده شده است.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
انتالپی تشکیل برای چندین سیستم بوریدی بوسیله ی Samsonov و Vinitiskii گزارش شده است. از این نتایج، این واضح است که پایداری مربوط به دی بوریدها، به صورت زیر کاهش می یابد:
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
در این میان، VB_2 حداقل پایداری در بین دی بوریدها را دارای می باشد و دارای حداقل انرژی تشکیل است. برای آگاهی از این رویه، Guillermet و Grimvall نشان داده است که خواص پیوسته ی مربوط به این مواد می تواند بوسیله ی پر شدن پیوندهای الکترونی توصیف شود. این مسئله بوسیله ی دانسیته ی حالات الکترونی در شکل 3 مشاهده می شود. با استفاده از کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) به عنوان مثال، پیک های P_1 و P_2 از هیبریداسیون اربیتال های الکترونی 2s و 2p با الکترون های اربیتالی d زیرکونیوم، نشئت می گیرد. پیک های P_3 و P_4 بیان کننده ی پیوند و سپس ضد پیوندهای میان الکترون های 2p و الکترون های 4d زیرکونیوم است. بنابراین، هیبریداسیون موجب کاهش استحکام پیوند B-B می شود اما پیوندهای قوی میان M-B ایجاد می کند (همانگونه که Spear در آنالیز خود گفته است). به دلیل اینکه سطح فرمی (E_F) برای کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) بین پیک های پیوند و آنتی پیوند قرار گرفته است، این را می توان مشاهده کرد که هر افزایش در دانسیته ی الکترونی منجر به کاهش در استحکام پیوند می شود. این مسئله با پر شدن حالت های آنتی پیوند، ایجاد می شود. به طور مشابه، هر کاهش در دانسیته ی الکترونی، موجب کاهش تعداد الکترون پر شده در سطوح پیوندی می شود. این مسئله همچنین موجب کاهش در استحکام پیوند می شود.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
با در نظر گرفتن این مسئله در ذهن، رویه ی مربوط به پایداری در بورید، به طور واضح در زمانی مشاهده می شود که به یک نمودار از آنتالپی استاندارد (کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)) نسبت به تعداد الکترون در سلول واحد (کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)) نگاه کنیم (شکل 4a). یک نمودار کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) نسبت به دمای ذوب (T_f) (شکل 4b) نشاندهنده ی رویه ی مشابه با نمودار E_s نسبت به n_e است. این مواد، با آنتالپی استاندارد یا انرژی پیوستگی خود در حالت ماکزیمم نشاندهنده ی بالاترین پایداری ها و دمای ذوب می باشد. با ساده سازی، این فهمیده می شود که این مواد با انرژی فرمی بین P_3 و P_4 دارای بالاترین پایداری هستند. افزایش در استحکام پیوند موجب می شود تا این گونه ها موادی باشند که از Ti، Zr و Hf تشکیل شده باشند. وقتی تعداد الکترون ها (n_e) افزایش می یابد، حالت های ضد پیوندی پر می شوند که در این حالت، استحکام پیوند و دمای ذوب ترکیب، کاهش می یابد. به طور مشابه، وقتی n_e کاهش می یابد (یعنی Sc، Y)، الکترون های کمتری برای پر کردن سطح پیوندی موجود می باشد و بدین وسیله، پایداری ترکیب کاهش می یابد. این مسئله همچنین با کاهش دمای ذوب همراه است (شکل 4b).

ساختار

بعد از اینکه ساختار اتمی مربوط به سرامیک های بوریدی، کاربیدی و نیتریدی در بخش قبل توصیف شد، جدول 2 برخی از تفاوت های ساختاری موجود بین انواع مختلف UHTCs را نشان می دهد. توجه کنید که دانسیته با افزایش جرم اتمی فلز، افزایش می یابد. به تفاوت های میان نقاط ذوب مواد مختلف توجه کنید. در این حالت، کاربیدها به طور نمونه وار دارای بالاترین نقاط ذوب هستند.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)

خواص ترمودینامیک

برخی از خواص ترمودینامیک مربوط به برخی از دی بوریدها، مانند کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) در جداول 3 و 4 آورده شده است. داده های مربوط به این حداول بوسیله ی Pankratz و همکارانش ارائه شده است. این داده ها در ابتدای دهه ی 80 ارائه شده اند. انتالپی تشکیل این مواد به طور قابل توجهی به انرژی های آزاد گیبس تشکیل برای بوریدها، وابسته است. زیرا عبارت آنتالپی این روابط، بسیار کوچک است. این مسئله همچنین به معنای این است که انرژی آزاد آنها نسبت به دما حساس نیست.

فرآوری
مواد اولیه

منابع اصلی فلز زیرکونیوم مینرال های زیرکونیوم سیلیکات می باشد. این ماده را زیرکن (ZrSiO_4) می نامند. ماده ی معدنی بادولیت یک مینرال معدنی طبیعی زیرکونیا منبع ثانویه ی زیرکونیوم می باشد. زیرکن همچنین منبع اولیه برای عنصر هافنیوم است. در این مینرال، نسبت هافنیوم به زیرکونیوم 1 به 50 است. در طی تولید دی بوراید، اکسید فلز مربوطه، به عنوان منبع فلزی مورد استفاده قرار می گیرد، در حالی که برای بور کاربید، بور کریستالی یا ترکیبی از اکسید بور و کربن به عنوان منبع بور در نظر گرفته می شود. به دلیل تقاضای محدود برای پودر دی بورید زیرکونیوم و هافنیوم، فرآیندهای مربوط به تولید این پودرها، به حد فرآیندهای مربوط به تولید پودرهای سرامیکی مشابه مانند SiC و Si_3 N_4، تصحیح نشده است. بنابراین، برخی از تغییرات در میان پودرهای تولیدی بوسیله ی شرکت های تولیدی مختلف، وجود دارد. اثر این تغییرات به دلیل میزان ناخالصی است که در داخل این پودرها وجود دارد. این ناخالصی ها بر روی دمای ذوب، ویژگی های پرس گرم و خواص نهایی مربوط به قطعه ی تولیدی، اثرمی گذارد.

زینترینگ

تولید UHTCs به طور نمونه وار بوسیله ی پرس گرم انجام می شود. این پرس گرم معمولاً مجهز به کوره های مقاومتی و القایی است که در آنها از قالب های گرافیتی استفاده می شود. به دلیل مشاهده ی برخی واکنش ها میان پودر دی بورید و قالب، یک تعداد از روش ها برای ایجاد یک مانع نفوذی میان پودر و قالب، مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته است. ManLabs چندین روش برای ایجاد مانع نفوذی را مورد بررسی قرار داده است. این روش ها عبارتند از:
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
1) نیترید بور بر روی یک روکش گرافیتی ریخته می شود.
2) استفاده از فویل تنگستنی
3) استفاده از ورقه ی گرافیت پیرولیتیک
4) شستشو با سیلیکون کاربید
5) استفاده از کاغذ گرافیتی پیرولیتیک با شستشو با BN
آنها فهمیده اند که تا دمایکامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) ، کاغذ گرافیتی پیرولیتیک به همراه شستشو با BN مؤثر نیست، اگر چه در بالای دمای کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) ، نواحی واکنشی متعددی ظاهر می شوند.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
ManLabs همچنین اثرات یک تعداد از متغیرهای زینترینگ بر روی دانسیته ی قطعه ی نهایی و ریزساختار را مورد بررسی قرار داده است. این متغیرها، عبارتست از: دمای ماکزیمم، فشار و رویه ی حرارتی اعمالی. آنها قادر به شناسایی تغییراتی نبودند که در ریزساختار نهایی ایجاد می شود. علت این مسئله، تغییرات اندک در نرخ حرارت دهی و زمان های نگهداری می باشد. بررسی های ManLabs نشان داده است که تغییرات در فشار از 20 به 40 MPa، موجب ایجاد تغییر بسیار اندکی در دانسیته ی قطعه می شود اما آنها مشاهده کرده اند که در فشارهای زیر 20 MPa، نمونه های دی بورید، به طور یکنواخت متراکم نمی شوند.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
تکنولوژی پرس گرم فشار بالا همچنین برای تولید UHTCs مورد استفاده قرار می گیرد. پرس گرم در دماهایی در گستره ی 1400 تا کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و فشار 500 MPa تا 2 GPa راه هایی به منظور آماده سازی مواد ریزدانه و متراکم فراهم می کند، بدون آنکه نیازی به استفاده از افزودنی باشد. در یک مطالعه، اثر فشار بر روی تراکم مربوط به کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) بوسیله ی ManLabs مورد بررسی قرار گرفته است. این قطعات در فشار 800 MPa و دماهایی در گستره ی 1400 تاکامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) تحت پرس قرار داده شده اند. مدت زمان پرس کاری 10 دقیقه بود. تراکم کامل در دماهای پایین تر از 1840 ? حاصل نمی شود. به طور مشابه، اثر فشار در دماهای کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و زمان 10 دقیقه و در گستره ی فشار 400 MPa تا 1.5 GPa مورد بررسی قرار گرفت. دانسیته ی کامل در فشار 1.5 GPa حاصل می شود، در حالی که اعمال فشار 800 MPa منجر به ایجاد 1.4 % تخلخل می شود و همچنین اعمال فشار 400 MPa منجر به ایجاد 6.8 % تخلخل می گردد.
دی بوریدهای خالص مشابه با دی بوریدهای دارای افزودنی، مورد بررسی قرار گرفته اند. هدف این بررسی، تلاش به منظور بهبود خواص ماده و مقاومت در برابر اکسیداسیون آنها می باشد. کامپوزیت های کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) اولیه که ManLab به آن ها دست یافت، در جدول 5 آورده شده است. به دلیل دماهای ذوب بالای دی بوریدها، ManLabs ، در زمان متراکم سازی نمونه های خالص از جنس کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) ، با مشکلات قابل توجهی روبرو بود. بدون استفاده از فشار بالا در تکنولوژی های پری گرم، آنها قادر به تولید قطعات متراکمی با خاصیت رشد دانه ی مناسب و بدون ترک، نبودند اما پرس گرم در فشار بالا به طور قابل توجهی منجر به محدود شدن اندازه ی قطعه می شود. افزودنی هایی که مورد بررسی قرار گرفته اند، در اصل به منظور افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون (افزودنی SiC) مورد استفاده قرار گرفته اند و در ابتدا به منظور یک ماده ی کمک ذوب مطرح نبودند. به هر حال، ManLabs فهمید که با استفاده از افزودنی های عمدی، ترک خوردن قطعه می تواند کاهش یابد و ریزساختار و دانسیته ی نمونه اصلاح گردد (شکل 5).
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
شکل 6 اثر افزودنی های SiC بر روی رفتار متراکم شوندگی کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) را در مقایسه با ویژگی های قطعات کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) خالص تولیدی با روش پرس گرم را نشان می دهد. دانسیته های نسبی مربوط به این مواد در دماهای معادل، به طور واضح نشان داده است که وجود SiC موجب بهبود متراکم شوندگی کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) می شود. این کار با کاهش زمان و دمای مورد نیاز برای حصول یک دانسیته ی قابل مقایسه، انجام می شود. رویه های مشابهی برای دی بورید زیرکونیوم خالص و حاوی SiC مشاهده شده است. یک ویژگی متمایز کننده در مورد ریزساختارهای مواد حاوی SiC، اندازه ی دانه ریز تر در مقایسه با نمونه های بدون SiC می باشد.
محققین ManLabs این گمانه زنی را انجام داده اند که بر طبق آن، فاز SiC موجب ارتقای متراکم شوندگی با استفاده از محدود کردن رشد دانه های دی بورید می شود. بنابراین، وجود SiC موجب ارتقای متراکم شوندگی نفوذی می شود، این مسئله بوسیله ی Nabarro-Herring مدل سازی شده است.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
وجود ناخالصی های شیمیایی بوسیله ی بررسی های دقیق ریزساختاری مرزدانه ها، تعیین شده است. جالب این است که ManLabs همچنین فهمیده است که افزودن SiC موجب جذب ناخالصی در داخل ماده می شود و کاهش ناخالصی در فازهای ناخالصی، تابعی از درصد حجمی SiC می باشد. فازهای ناخالصی باقیمانده، با افزودن حداقل 10 تا 15 % حجمی SiC ایجاد می شوند.

ماشین کاری

به دلیل طبیعت ترد و سخت مواد UHTC، ابزارهای الماسه به طرو نمونه وار برای ماشین کاری اجزا مورد نیاز می باشد. ماشین کاری با استفاده از تخلیه ی الکترونی (EDM) می تواند به عنوان جایگزینی برای ماشین کاری و سایش با استفاده از ابزارهای الماسه، برای بوریدها مورد استفاده قرار گیرد. علت این مسئله، رسانایی الکتریکی بالای این مواد می باشد. این ویژگی، یکی از مزیت های این مواد نسبت به کاربید، نیترید و مواد اکسیدی است. به دلیل مقاومت الکتریکی بالاتر مربوط به کاربیدها، نیتریدها و مواد اکسیدی، امکان ماشین کاری آنها با استفاده از EDM وجود ندارد.

خواص
خواص گرمایی

مقادیر نمونه وار مربوط به ضریب انبساط حرارتی (CTE) و رسانایی گرمایی برخی از مواد UHTC مانند کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و کامپوزیت های دی بوریدی دارای SiC در جدول 6 آورده شده است. برای مقایسه ی CTE مربوط به کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) خالص، SiC خالص و کامپوزیت های کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) با 20 % حجمی SiC به شکل 7 نگاه کنید.
همانگونه که قبلاً گفته شد، رسانایی های گرمایی مربوط به بوریدها، به طور نمونه وار، در مقایسه با سایر سرامیک ها، بالاست و این مسئله نتیجه ای از مشارکت شبکه و الکترون ها در انتقال فونونی است. شکل 8 نشاندهنده ی تفاوت های قابل توجه در رسانایی های مربوط به بوریدها نسبت به سرامیک های نیتریدی و کاربیدی هافنیومی می باشد. اگر چه رسانایی های مربوط به بورید ها، در اصل با افزایش دما، کاهش می یابد، این رسانایی سرانجام نیز بالاتر از رسانایی مربوط به نیتریدها و کاربیدهاست. برای لبه های هدایت کننده، رسانایی های گرمایی بالا موجب کاهششش تنش های گرمایی در داخل ماده می شود. این کار با کاهش مقدار گرادیان های گرمایی در داخل قطعه انجام می شود. رسانایی گرمایی بالا همچنین اجازه ی خروج انرژی از لبه ی هدایت کننده را می دهد و با این عمل، فلاکس های حرارتی ایجاد شده در این قطعات، کاهش می یابد و در نهایت دمای سطحی کاهش می یابد.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
مزیت های ایجاد شده برای مواد دما بالای دارای رسانایی بالا، می تواند در زمانی مشاهده گردد که لبه های هدایت کننده ی UHTC با یک لبه ی هدایت کننده از جنس RCC مورد مقایسه قرار گیرد. این هدایت کننده های سنتی در سیستم های شاتل های فضایی مورد استفاده قرار می گیرند. به دلیل رسانایی پایین لبه های هدایت کننده ی متداول، دماهای ماکزیمم سطحی بوسیله ی یک تعادل در شار حرارتی ایجاد شده، تعیین می شود و انرژی موجود، از لبه ی هدایت کننده به خارج تابش می کند. از این رو، نیاز است تا این مواد تا حد ممکنه بازتابش داشته باشند. به دلیل رسانایی گرمایی پایین این مواد، هیچ رسانشی در انتقال حرارت لبه های هدایت کننده، دخیل نیست.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
هم اکنون، لبه های هدایت کننده ی مربوط به وسایل فضایی عملیاتی، دارای لبه ی نسبتاً ضخیمی است، به دلیل محدودیت های مربوط به ظرفیت دمایی این مواد. این مواد عموماً از جنس SiC هستند و دمای عملیاتی آنها محدود به کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) می باشد. وقتی شعاع لبه ی هدایت کننده، کاهش یابد، دمای سطحی افزایش می یابد. اما بخش های با لبه ی ضخیم به طور قابل توجهی بر روی کارایی وسیله اثرگذار هستند. این مسئله بر روی ایمنی کلی وسیله اثر دارد. بنابراین، به منظور حصول ماکزیمم کارایی، این نیاز است تا مواد مورد استفاده در این بخش ها، قابلیت تحمل محیط های خشن و دماهای بالاتر از 2000 ? را دارا باشد و رسانایی گرمایی بالایی داشته باشد به نحوی که بتواند انرژی بیشتری را از داخل خود به خارج هدایت کند و بدین شکل، بتواند موجب بهبود کارایی وسیله شود.
شکل 9 نحوه ی تغییر دمای سطحی را برای لبه های هدایت کننده ی ساخته شده از UHTCs نشان می دهد. این نمایش بر اساس تعادل انرژی های ورودی بواسطه ی شار حرارتی و خروج انرژی تابشی از قطعه، خروج انرژی بواسطه ی رسانش و تابش انرژی از کناره های نمونه ترسیم شده است. در این طراحی تیز برای لبه های هدایت کننده، سه بعد انتقال حرارت، نقش مهمی در یادگیری مباحث مطرح شده در زمینه ی مواد بالقوه ای دارند که می توان از آنها در ساخت این قطعات بهره برد. بنابراین، نیاز به رسانایی بالا یکی از ملزومات اصلی مواد دیرگداز مورد استفاده در ساخت این قطعات می باشد.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)

خواص مکانیکی

خواص مکانیکی مربوط به یک تعداد از مواد UHTC شامل کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) با و بدون افزودنی های SiC در جدول 7 آورده شده است. عموماً یک مقدار محدود از داده ها در زمینه ی مواد دی بوریدی وجود دارد، علت این مسئله تعداد محدود مطالعاتی است که تا به امروز، بر روی این مواد انجام شده است. مقادیر سختی در این مواد، به طور نمونه وار بالاست علت این مسئله، درجه ی بالای پیوند کوالانسی این مواد می باشد. گستردگی زیاد در این داده ها، احتمالاً به دلیل تفاوت در فرآیندهای تولید این مواد است که معمولاً از وجود اندازه ی دانه و تخلخل متفاوت حاصل می شود.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
به طور مشابه، مدول کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) به دلیل درجه ی بالای کوالانسی بودن پیوند این مواد، بالاست. مقادیر نمونه وار مربوط به مدول کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) با و بدون افزودنی در حدود 500v GPa می باشد. همانگونه که در شکل 10 مشاهده می شود، مدول مربوط به کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) با و بدون افزودنی در دمای 800 ? افت پیدا می کند.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
استحکام خمشی مربوط به کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) نیز به طور قابل توجهی متغیر است. این مسئله به دلیل تفاوت در فرآوری این مواد می باشد که از تفاوت در اندازه ی دانه و وجود عیوب فرآوری منتج می شود. عموماً اندازه ی دانه ی ریزتر، منجر به افزایش استحکام می شود. محققین ManLabs به این مسئله اشاره کرده اند که فازهای ناخالص می تواند منبعی برای تنش های باقیمانده در داخل ماده شود و به طور قابل توجه استحکام مفید کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) و کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1) را محدود کند. یک نمودار استحکام نسبت به دما در شکل 11 نشان داده شده است. برخلاف مقادیر مربوط به مدول در دمای بالا، استحکام با افزایش دما، به مقدار اندکی افزایش می یابد. به هر حال، بعد از دمای 800 ?، استحکام به همراه مدول، کاهش می یابد. به عنوان نتیجه ای از این نمودار، باید گفت که داده های مربوط به ManLabs نشاندهنده ی این است که در دمای بالاتر از 1400 ?، استحکام تا حدی بالا می رود. به هر حال، این نتایج مورد تأیید واقع نشده اند.
کامپوزیت های سرامیکی دما بالا (1)
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.



 

 



نظرات کاربران
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