مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
کامپوزیت های زیرکونیای تقویت شده با آلومینا که شامل صفر تا 50 % مولی آلومینا هستند، از طریق پرس گرم زیرکونیای پایدار شده با 10 % مولی ایتریا (10-YSZ) و دو شکل مختلف از آلومینا (ذرات آلومینا و ذرات پلاکت شکل) تولید می شوند. خواص مکانیکی و فیزیکی اصلی این کامپوزیت شامل استحکام خمشی، تافنس شکست، رشد آهسته ی ترک، مدول الاستیک، دانسیته، میکروسختی ویکرز، رسانایی گرمایی و ریزساختار ها در گستره ی دمایی 25 تا 
و در گستره ی ترکیب صفر تا 30 % آلومینا، مورد بررسی قرار گرفته است. مقاومت به رشد ترک در دمای برای کامپوزیت های دارای 30 % پلاکت آلومینایی، بیشترین میزان است. رسانایی گرمایی با افزایش میزان آلومینا، افزایش می یابد.
در سلول های سوختی اکسید جامد، YSZ در شکل پلی کریستال و به صورت لایه ها یا فیلم های نازک، مورد استفاده قرار می گیرد. YSZ باید به صورت لایه های با دانسیته ی بالا و به عنوان الکترولیت جامد در SOFC ها، تولید شود. مشابه با سایر سرامیک ها، YSZ ماده ی ترد است و به دلیل وجود عیوب، مستعد شکستن است. این عیوب معمولاً در طی فرایند تولید و همچنین در حین استفاده از این اجزا در SOFC ها، ایجاد می شوند. علاوه بر این، خواص YSZ مانند رسانایی گرمایی پایین و ضریب انبساط حرارتی نسبتاً بالا، موجب می شود تا این ماده نسبت به شوک های حرارتی، حساس باشد. شکست در الکترولیت سوخت جامد، موجب می شود تا سوخت و اکسید کننده در تماس هم قرار گیرند که این مسئله منجر به کاهش بازده سلول یا در برخی موارد، موجب عملکرد نامناسب در SOFC می شود. بنابراین، از نقطه نظر قابلیت اطمینان و عمر مفید، الکترولیت های سوخت جامد YSZ نیاز دارند تا تافنس بالا، استحکام بالا و مقاومت به رشد ترک مناسبی را تا دمای داشته باشند.
برای بهبود استحکام و تافنس شکست این الکترولیت ها، زیرکونیای پایدار شده با 10 % مولی ایتریا (10-YSZ) با استفاده از ذرات و پلاکت های آلومینایی، تقویت شده اند. استحکام خمشی و تافنس شکست این ماده به همراه مدول الاستیک، دانسیته، سختی، رسانایی گرمایی و سایر خواص این ماده، تعیین شده است و در این بخش، مورد بررسی قرار گرفته اند. رشد آهسته ی ترک برای طراحی اجزا و پیش بینی عمر مفید که در دمای و تحت آزمون خستگی برای کامپوزیت های محتوی صفر تا 30 % مولی آلومینا انجام شده است، نیز در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است.
بود. پودر آلومینای مورد استفاده نیز دارای اندازه ی ذره ی 0.05 میکرون و مساحت سطح ویژه ی بود. همچنین پلاکت های آلومینایی از جنس آلفا آلومنیا و دارای ساختار هگزاگونال بود. مقادیر مناسب از پودر آلومینا و زیرکونیا، با استفاده از استون، به دوغاب تبدیل شد و در یک محیط زیرکونیایی، به مدت 24 ساعت مخلوط سازی شد. استون سپس تبخیر شد و پودر خشک شده در آون الکتریکی خشک شد. پودر حاصله به داخل قالب گرافیتی ریخته شد و در دمای تحت خلأ و اعمال فشار 30 MPa، تحت پرس گرم قرار داده شد و به شمش هایی با اندازه ی تبدیل شد. گرافیت انعطاف پذیر (Grafoil) نیز به عنوان جداکننده میان نمونه و بخش اعمال فشار قرار داده می شود. انواع مختلفی از سیکل های پرس گرم مورد استفاده قرار گرفته است تا بدین وسیله، پارامترهای پرس گرم، بهینه سازی گردد و نمونه های سرامیکی عاری از ترک و با دانسیته ی بالا، تولید شود. کامپوزیت های زیرکونیا/ آلومینا که شامل صفر تا 30 % ذرات و پلاکت های آلومینا می باشد، با استفاده از این روش، تولید شد. مراحل مختلف مربوط به فرآوری این شمش های کامپوزیتی در شکل 1 نشان داده شده است.
آماده سازی نمونه های مورد استفاده برای آزمایش
شمش های تولید شده با روش پرس گرم، به صورت نمونه های آزمون خمش ماشین کاری شد. ارتفاع، عرض و طول این نمونه ها برابر بود. این نمونه ها با توجه به استاندارد ASTM C1161 تولید گردید. جهت ماشین کاری موازی با جهت طول 50 mm بود. این مسئله باید مورد توجه قرار گیرد که برخلاف زیرکونیا که دارای مکانیزم افزایش تافنس با کمک استحاله می باشد، زیرکونیای پایدار شده با ایتریا که دارای فاز کیوبیک است، با اعمال ماشین کاری، تمایلی به انجام استحاله ندارد. لبه های تیز نمونه های آماده سازی شده برای آزمون، از بین برده شد تا بدین صورت از شکست های ناشی شده از این لبه های تیز، جلوگیری گردد.
مرحله و زمان هر مرحله 0.5 تا 1 ثانیه بود. در این روش از اشعه ی K_α مربوط به مس استفاده شد. آنالیز ریزساختاری با استفاده از SEM و TEM بر روی نمونه ها انجام شد و آنالیز بررسی شکست نیز با استفاده از میکروسکوپ نوری انجام شد تا بدین صورت نواحی و طبیعت شکست مورد بررسی قرار گیرد. تصاویر SEM نمونه وار مربوط به سطح مقطع پولیش خورده در جهت عمود بر جهت اعمال فشار در شکل 2 نشان داده شده است. نواحی تیره بیان کننده ی ذرات و پلاکت های آلومینایی و نواحی روشن مربوط به زمینه ی 10-YSZ می باشد. این نواحی را با کمک آنالیز EDX (یکی از امکانات آنالیز عنصری در SEM) تشخیص داده شده است. فازهای آلومینا به طور یکنواخت در داخل فاز پیوسته ای از 10-YSZ، توزیع شده اند. طیف XRD نمونه وار نشاندهنده ی وجود فازهای YSZ کیوبیک و آلفا آلومینا در داخل نمونه می باشد. این مسئله در شکل 3 نشان داده شده است.
نتایج XRD مشابهی برای کامپوزیت ای پلاکتی و ذره ای مشاهده شده است. تصاویر TEM و نقشه های نقطه ای مربوط به کامپوزیت های ذره ای، نشاندهنده ی این است که یک اندازه ی دانه ی متوسط کمتر از 1 میکرون برای زمینه ی YSZ و آلومینا، وجود دارد و مرز دانه ها، و نقاط سه گانه، تمیز هستند. این مسئله نشاندهنده ی عدم وجود فازهای آمورف در نمونه می باشد. هیچ تغییر شکل محسوس و یا میکرو ترکی در نزدیکی دانه ها مشاهده نشده است که این تغییر شکل ها یا میکروترک ها، ممکن است به دلیل عدم تطابق ترموالاستیک میان YSZ و آلومینا در این نوع از کامپوزیت ها، مشاهده گردد.
دانسیته با استفاده از روش جرم یا حجم توده ای و با استفاده از همان نمونه های خمش مورد استفاده در اندازه گیری های مدول الاستیک، اندازه گیری گردید. کلاً 5 نمونه برای هر درصد آلومینا، استفاده شد. شکل 4 نشان دهنده ی دانسیته به عنوان تابعی از درصد آلومینا برای کامپوزیت های زیرکونیایی با هر دو حالت آلومینا (ذره ای و پلاکتی) است که نتایج حاصل از آن تطابق خوبی با پیش بینی های مربوط به قانون اختلاط دارد. تفاوت در دانسیته میان کامپویت های محتوی ذرات و پلاکت ها، اندک است.
خواص مکانیکی
در هوا و با استفاده از بخش های ثابتی انجام شده است که از جنس SiC هستند و دارای دهانه ی داخلی 20 میلی متر و دهانه ی خارجی 40 میلی متر هستند. یک نرخ سریع اعمال نیرو به میزان 50 MPa/s به نمونه اعمال شد تا بدین صورت از اثرات رشد آهسته ی ترک در این ماده، جلوگیری گردد. برای یک دمای معین،10 نمونه ی آزمون برای هر درصد آلومینا، مورد استفاده قرار گرفت. آزمون با توجه به استاندارد ASTM C1161 و ASTM C1211 انجام شد.
نتایج مربوط به آزمون کشش در دمای 25℃ در شکل 5 نشان داده شده است. استحکام مربوط به کامپوزیت های دارای آلومینای ذره ای، با افزایش میزان آلومینا، افزایش می یابد، در حالی که استحکام مربوط به کامپوزیت های دارای آلومینای پلاکت شکل، تقریباً ثابت است و با افزایش میزان آلومینا، بدون تغییر باقی مانده است (به جز در میزان 5 % مولی آلومینا). از این رو، افزایش در استحکام در کامپوزیت های دارای آلومینای ذره ای، اثر بیشتری از دما نسبت به کامپوزیت های دارای آلومینای پلاکت شکل، دریافت می کند.
برای یک درصد معین از آلومینا، استحکام مربوط به کامپوزیت های دارای ذرات آلومینا، 15 تا 30 % بیشتر از کامپوزیت های محتوی پلاکت های آلومینایی است. به طور خاص، استحکام کامپوزیت های محتوی 30 % آلومینای ذره ای، 40 % بیشتر از استحکام 10-YSZ است. شکست های این کامپوزیت ها، از عیوب سطحی ایجاد می شوند، این عیوب شامل تخلخل ها و تخریب های ایجاد شده در طی ماشین کاری می باشد. مثال های نمونه وار از سطوح شکست مربوط به این مواد، در شکل 6 نشان داده شده است.
نتایج مربوط به آزمون استحکام در دمای بالا برای هر دو کامپوزیت محتوی ذره و پلاکت آلومینایی به صورت تابعی از درصد آلومینا، در شکل 7 نشان داده شده است. مشابه نمودار مشابه در دمای اتاق، استحکام دما بالا برای کامپوزیت های محتوی پلاکت های آلومینایی، هیچ وابستگی قابل توجهی به میزان آلومینا ندارد. استحکام مربوط به کامپوزیت های محتوی پلاکت، در درصد های 5 و 10 % مولی بزرگتر از کامپوزیت های مشابه دارای ذره است ولی این استحکام برای کامپوزیت های دارای 20 و 30 % مولی پلاکت های آلومینایی، کمتر از کامپوزیت های مشابه دارای ذره می باشد. استحکام کامپوزیت های دارای ذره با توجه به استحکام 10-YSZ، ابتدا در 5 % مولی آلومینا، کاهش یافته و بعد از ان با افزایش میزان آلومینا، افزایش یافته است و در میزان 30 % مولی آلومینا، به ماکزیمم خود رسیده است. استحکام مربوط به کامپوزیت های محتوی 30 % مولی آلومینا، 40 % بزرگتر از استحکام مربوط به 10-YSZ می باشد.
همچنین استحکام مربوط به کامپوزیت های محتوی 30 % مولی آلومینای ذره ای، 30 % بیشتر از استحکام کامپوزیت محتوی 30 % مولی آلومینای پلاکت شکل است. در کل، استحکام دما بالای این دو سیستم کامپوزیتی برای یک میزان معین از آلومینا، کمتر (نسبت های 20-50% و 10-30 %) از میزان بیان شده برای این کامپوزیت ها در دمای اتاق می باشد. این مسئله به دلیل تخریب استحکام در دماهای بالا، رخ می دهد. داده های مربوط به استحکام برای هر دو کامپوزیت در دمای 25 و در جدول 1 و 2 خلاصه شده است.
پراکندگی در استحکام در دمای در کامپوزیت های محتوی ذرات پلاکت شکل از آلومینا، نسبت به کامپوزیت های محتوی ذرات آلومینا، کمتر نمود دارد. مدول Weibull (m) که برای هر کامپوزیت با درصد مختلف از آلومینا، تخمین زده شده، در گستره ی 8 تا 20 برای کامپوزیت های محتوی پلاکت ها و در گستره ی 5 تا 10 برای کامپوزیت های محتوی ذرات می باشد. شکست عمدتاً برای هر دو کامپوزیت، از عیوب سطحی نشئت گرفتند. به هر حال، پلاکت ها به طور خاص در دمای ، منشأ اصلی شکست محسوب می شوند به نحوی که پلاکت های آلومینایی ممکن است به عنوان عیوب کنترل کننده ی استحکام عمل کنند نه محیط استحکام دهنده. این مسئله منجر به پراکندگی کمتر در استحکام یا ایجاد مدول Weibull بالاتر می شود. این حقیقت که کامپوزیت های محتوی 30 % آلومینای ذره ای در هر دو دما دارای استحکام بهبود یافته ای نسبت به کامپوزیت های محتوی آلومینای پلاکت شکل است، شاخصی است که تقویت کننده ی اول، برای تقویت 10-YSZ مطلوب است.
این مسئله مشاهده شده است که برخی از کامپوزیت های زیرکونیا- آلومینای دیگر، با افزایش میزان آلومینا، متحمل کاهش در استحکام می شوند. این مسئله تا حدی نتیجه ای از تنش های کششی باقیمانده است که به دلیل عدم تطابق در ضریب انبساط حرارتی (CTE) میان آلومینا و زیرکونیا، ایجاد می شوند. بر اساس نتایج مربوط به افزایش استحکام با افزایش درصد آلومینا (مخصوصاً در کامپوزیت های ذره ای محتوی 30 % آلومینا) مشاهده شده است (شکل 5)، این را می توان گفت که ذرات آلومینای مورد استفاده ممکن نیست با زمینه برهمکنش دهند و از این رو تنش های باقیمانده در آنها ایجاد نمی شود. در واقع این تنش ها به اندازه ی بزرگ نیست که بتواند موجب افت استحکام این کامپوزیت ها، شود.
در هوا و با استفاده از روش شکاف v شکل (SEVNB) اندازه گیری شد. در این روش از یک پره ی تیغ شکل با خمیر الماس برای ایجاد یک شکاف در داخل نمونه ها، استفاده شده است. یک شکاف با عمق 0.6 mm و عرض 0.026 بر روی سطح با عرض 3 mm هر نمونه، ایجاد شده است. نمونه های دارای شکاف V شکل دارای عمق نهایی شکاف برابر با 0.9 mm بودند و شعاع مربوط به ریشه ی آن، در حدود 10 میکرون بود. این نمونه به کمک آزمون کشش خمشی مورد بررسی قرار گرفت.
کلاً 5 نمونه برای هر کامپوزیت و در هر دمای بررسی، مورد آزمون قرار گرفت. یک مثال نمونه وار از آزمون تافنس شکست نمونه وار در شکل 8 آورده شده است. این مسئله باید تذکر داده شود که تلاش هایی به منظور استفاده از یک روش ساده تر برای برآورد تافنس شکست انجام شده است. در این تلاش ها از روش میله ی پیش ترک خورده (SEPB) استفاده شده است (ASTM C 1421). به هر حال، این روش در دمای مؤثر نیست که علت آن از بین رفتن ترک در این دما می باشد. این مسئله موجب افزایش ظاهری تافنس شکست می شود. به هر حال، روش SEVNB ممکن است میزان تافنس شکست در دمای اتاق را کمتر از میزان واقعی تخمین بزند اگر یک ماده دارای رفتار منحنی R باشد. علت این مسئله، این است که این روش، موجب می شود تا مقادیر آغازین مربوط به تافنس شکست بر روی نمودار R واقع شود. تافنس شکست ( ) بر اساس فرمول ارائه شده بوسیله ی Srawley و Gross به صورت زیر است:
که در اینجا،به ترتیب برابراند با بار شکست قطعه، دهنه ی خارجی، دهنه ی داخلی، عرض قطعه و عمق قطعه می باشند. که در اینجا، a اندازه ی ترک اولیه و به صورت زیر بدست می آید:
خلاصه ای از نتایج مربوط به آزمون تافنس در دمای 25℃ در محیط هوا، در شکل 9 آورده شده است. در این شکل، تافنس شکست به وسیله ی روش SEVNB و به عنوان تابعی از میزان آلومینا، برای هر دو کامپوزیت، نشان داده شده است. مشابه با رویه ی مورد استفاده در اندازه گیری استحکام خمشی در دمای محیط، تافنس شکست با افزایش میزان آلومینا، افزایش می یابد. تافنس شکست به طور قابل توجهی و به میزان 65 تا 62 % به ترتیب برای کامپوزیت های دارای ذره و پلاکت، افزایش می یابد. این مسئله را باید تذکر دهیم که برخلاف استحکام خمشی در دمای اتاق، تفاوت در تافنس شکست میان کامپوزیت های ذره ای و دارای پلاکت، ناچیز است. این مسئله گزارش شده است که یک عدم سازگاری در مورد استحکام و تافنس شکست، عموماً برای بسیاری از سرامیک ها پیشرفته مشاهده می شود. به هر حال، این مسئله برای این دو سیستم مشاهده نشده است و نه تنها استحکام افزایش یافته است بلکه همچنین تافنس شکست نیز با افزایش میزان آلومینا، افزایش یافته است.
بررسی های انجام شده بر روی مسیر حرکت ترک در هر دو کامپوزیت دارای صفر و 30 % آلومینای ذره ای، این مسئله را مشخص کرده است که مسیر مستقی و جابجایی باز ترک ها (COD) برای نمونه ی بدون آلومینا (10-YSZ) مشاهده شده است، در حالی که مسیر غیر مستقیم در اطراف آلومینا، و ایجاد جابجایی باز کمتر در ترک ها، برای کامپوزیت های دارای 30 % آلومینا، مشاهده شده است. برهمکنش های افزایش یافته بین دانه های آلومینا با افزایش میزان آلومینا، احتمالاً مسئول افزایش تافنس شکست برای هر دو سیستم کامپوزیتی است. این مفهوم که پلاکت ها می توانند اثر بیشتری در افزایش تافنس نسبت به ذرات، داشته باشند، در دمای اتاق، در این سیستم های کامپوزیتی، قابل اجرا نمی باشد، توجه کنید که YSZ کیوبیک موجب القای تنش نمی شود و استحاله ی افزایش دهنده ی تافنس، در آن رخ نمی دهد. بنابراین، افزایش تافنس با افزایش میزان آلومینا، یک دلیل منطقی برای افزایش استحکام مشاهده شده در هر دو سیستم کامپوزیتی است از این رو، اندازه ی عیوب هر دو کامپوزیت، اثر کمتری بر روی خواص آنها دارد. پاسخ نمونه وار مربوط به کامپوزیت های نمونه وار که با استفاده از آزمون سختی سنجی ویکرز مورد بررسی قرار گرفته، در شکل 10 نشان داده شده است. توجه کنید که اندازه ی ترک های ایجاد شده با افزایش میزان آلومینا، کاهش می یابد و این نشاندهنده ی افزایش در تافنس شکست منتج شده می باشد.
خلاصه از نتایج مربوط به تافنس شکست در دمای 1000 ℃ در شکل 11 نشان داده شده است. تافنس شکست کل هر دو کامپوزیت ذره ای و پلاکتی با افزایش میزان آلومینا، افزایش می یابد. تافنس شکست به ترتیب برای کامپوزیت ذره ای و پلاکتی، 50 و 74 % افزایش می یابد. برخلاف تافنس شکست در دمای اتاق، تفاوت در تافنس شکست در دمای 1000 ℃، عموماً در کامپوزیت های داری ذرات آلومینا و پلاکت های آلومینایی، مشاهده می شود. این مسئله نشاندهنده ی این است که افزایش تافنس با افزودن آلومینای پلاکت شکل به زمینه ی 10-YSZ در دمای 1000 ℃ نسبت به دمای اتاق، بیشتر است. داده های مربوط هب تافنس شکست منفرد برای هر دو کامپوزیت در دمای اتاق و دمای 1000 ℃ در جدول 1 و 2 به طور خلاصه، نشان داده شده است.
و تحت اتمسفر هوا، با استفاده از روش خستگی دینامیکی بررسی شده است. این آزمون، با توجه به استاندارد ASTM C1465 انجام شده است. سه کامپوزیت مختلف شامل کامپویت بدون آلومینا (10-YSZ)، کامپویت حاوی 30 % مولی ذرات آلومینا و کامپویت حاوی 30 % مولی پلاکت های آلومینایی، بر اساس نتایج بدست آمده از استحکام بهینه و خواص تافنس شکست کامپویت های دارای 30 % آلومینای ذره ای و پلاکتی، انتخاب شدند.
آزمون خستگی دینامیک در حالت خمشی و با استفاده از نمونه های آزمون در سه نرخ مختلف 50،0.5 و 0.005 MPa/s برای کامپوزیت های معین و تحت کنترل بار الکترومکانیکی، انجام شد. توجه کنید که داده های استحکام بدست آمده برای نرخ 50 MPa/s به عنوان یک گروه برای داده های خستگی دینامیک، مورد استفاده قرار گرفت. وسیله ی آزمون خمش سه نقطه ای که از جنس SiC ساخته شده بود و دارای طول دهنه ی 20/40 mm بود، در این کار مورد استفاده قرار گرفت. به طور نمونه وار، 7 تا 10 نمونه برای هر نرخ آزمون، برای هر کامپوزیت معین، استفاده شد.
نتایج مربوط به آزمون رشد آهسته ی ترک برای سه کامپوزیت مختلف، در شکل 12 آورده شده است. در این آزمون ها، تنش شکست برای هر کامپوزیت به عنوان تابعی از نرخ تنش اعمال شده، ترسیم شده است. کاهش در تنش شکست با افزایش نرخ تنش، که بیان کننده ی میزان استعداد نمونه برای رشد آهسته ی ترک است، برای سه کامپوزیت، نمود داشت. اساس مربوط به بسیاری از سرامیک های مونولیتیک و برخی کامپوزیت ها، در دماهای بالا از فرمول زیر طبعیت می کنند:
که در اینجا، ν، به ترتیب بیان کننده ی سرعت ترد، فاکتور شدت تنش در حالت I و تافنس شکست حالت I می باشد. A و n به پارامترهای SCG مربوط به مواد / محیط، وابسته است. مکانیزم مربوط به SCG در دماهای بالا، مکانیزم لغزش مرزدانه ها، شناسایی شد. در مورد بارگذاری در خستگی دینامیک، یک نرخ تنش (σ ̇) به نمونه اعمال می شود تا زمانی که نمونه بشکند. تنش شکست مربوط به () می تواند از معادله ی بالا بدست آید و فاکتور شدت مربوطه با استفاده از برخی مهارت های ریاضی به صورت زیر بدست می آید:
که در اینجا، D یک دیگر از پارامترهای SCG است که با A، n،، استحکام خنثی و فاکتور هندسی ترک در ارتباط است. پارامترهای SCG، n و D می توانند از شیب و محل تقاطع یک آنالیز رگرسیون خطی در زمانی که لگاریتم تنش شکست به عنوان تابعی از لگاریتم نرخ تنش اعمال شده، ترسیم می شود، بدست آیند. معادله ی بالا اساسی است که در آزمون خستگی دینامیک، مورد استفاده قرار می گیرد.
نتایج نشان داده شده در شکل 12 با توجه به نمودار بالا ترسیم شده است. در این حالت، واحد MPa برای و واحد MPa/s برای σ ̇ استفاده می شود. پارامتر SCG ، n، به ترتیب برای نمونه های دارای صفر %، 30 % مولی ذرات آلومینا و 30 % مولی پلاکت های آلومینایی، برابر 8، 5 و 33 است. این دو پارامتر SCG همچنین در جدول 3 به طور خلاصه آورده شده است. هر دو کامپوزیت دارای 0 % مولی و 30 % مولی ذرات آلومینا تمایل زیادی به انجام SCG دارند و کامپوزیت دارای 30 % مولی پلاکت های آلومینایی، دارای تمایل متوسطی به انجام SCG است این مسئله با وجود n=33 برای این نمونه نشان داده می شود. از این رو، کامپوزیت های شامل 30 % مولی پلاکت های آلومینایی دارای مقاومت بیشتری در برابر SCG هستند. افزودن 30 % مولی پلاکت های آلومینایی به زمینه ی 10-YSZ منجر به افزایش لغزش مرزدانه ای می شود، در حالی که افزودن 30 % مولی ذرات آلومینا دارای اثر مثبتی بر روی کاهش یا مینیمم کردن لغزش مرزدانه ای، ندارد. توجه کنید که مقدار پارامتر SCG، n، که در دمای و تحت محیط هوا، برای آلومینای با خلوص 96 و خلوص 99 %% اندازه گیری شده است، در گستره ی 7-13 است. بهبود قابل توجه در مقاومت در برابر SCG با استفاده از رویه ی ترکیب 10-YSZ با پلاکت های آلومینایی، انجام شده است. این دو ماده به تنهایی دارای استعداد زیادی در زمینه ی SCG هستند.
یک دیاگرام پیش بینی عمر مفید می تواند تفسیر بهتری در مورد رفتار SCG در میان این سه کامپوزیت، به ما بدهد. این دیاگرام در شکل 13 نشان داده شده است. این دیاگرام بر اساس فرمول زیر بدست آمده است:
که در اینجا، t_f و n به ترتسب زمان خستگی (ثانیه) و تنش ثابت اعمال شده ( در واحد MPa) می باشند. البته پیش بینی در زمانی اعتبار دارد که مکانیزم خستگی یکسانی در حال کار باشد و این مسئله به حالت اعمال بار (استاتیک و دینامیک) وابسته نیست. همانگونه که از شکل فهمیده می شود، عمر مفید برای کامپوزیت 10-YSZ- 30 % آلومینا از همه بیشتر است و حداقل مقدار برای 10-YSZ یا کامپوزیت 10-YSZ- 30 % مولی آلومینای ذره ای می باشد. به عنوان یک نتیجه، کامپوزیت دارای 30 % آلومینای پلاکت شکل، انتخاب مناسب از میان سه ماده ی مورد بررسی می باشد.
به عنوان تابعی از میزان آلومینا تعیین شده است. این مدول با استفاده از روش تهیج پالسی در حالت ویبراسیونی (بر طبق استاندارد ASTM C 1269) و با استفاده از پیکربندی خمشی، بدست آمده است. یک نمونه ی خمشی برای هر کدام از درصدهای مختلف آلومینا، مورد استفاده قرار گرفته است. برای هر مقدار از آلومینا، 5 نمونه مورد استفاده قرر گرفت و خاصیت مدول الاستیک این دو کامپوزیت در دمای اتاق، مورد ارزیابی قرار گرفت.
مدول الاستیک به عنوان تابعی از دما برای کامپوزیت های ذره ای، در شکل 14 نشان داده شده است. مدول الاستیک با افزایش دما تا 400℃، کاهش می یابد و سپس تا دمای، تقریباً ثابت است و بدین وسیله، یک انتقال بی همتا در حوالی دمای 400℃ رخ می دهد که ربطی به درصد آلومینا ندارد. اگر چه در اینجا، این مسئله بیان نشده است، این فهمیده شده است که مدول الاستیک مربوط به کامپوزیت های دارای آلومینای پلاکت شکل، بسیار نزدیک به چیزی است که برای کامپوزیت های ذره است. یک استحاله ی مشابه در دمای 400℃ همچنین بوسیله ی محققین دیگر، برای 6.5YSZ گزارش شده است. شکل 15 نشاندهنده ی مدول الاستیک به عنوان تابعی از میزان آلومینا برای کامپوزیت های ذره ای و پلاکت شکل است که در دمای اتاق، تعیین شده است. مدول الاستیک در این حالت به صورت خطی با افزایش میزان آلومینا برای هر دو کامپوزیت، افزایش می یابد، و تفاوت اندکی در مدول الاستیک میان دو سیستم کامپوزیتی در درصد های آلومینای معین، وجود دارد. پیش بینی بر اساس قانون مخلوط کردن، تطابق خوبی با داده های عملی دارد. داده های مربوط به مدول الاستیک در دمای محیط در جدول 1و 2 آورده شده است.
شکل 15
) و سرد کردن تا دمای 200 درجه بر روی 5 نمونه ی خمشی، انجام شده است. نرخ حرارت دهی و سرد کردن در این آزمایش به ترتیب برابر با 10℃/min و 20℃/min می باشد. این نمونه های خمشی سپس در دمای اتاق و با استفاده از آزمون استحکام خمشی شکسته می شوند و بدین صورت استحکام خمشی باقیمانده ی مربوطه، برای نمونه ها، اندازه گیری شد. این آزمون برای یادگیری بهتر اثر عدم تطابق CTE با استحکام خمشی انجام شد و نشاندهنده ی بروز تخریب در استحکام به دلیل وقوع خستگی گرمایی می باشد.
نتایج مربوط به آزمون خستگی / سیکل گرمایی در شکل 17 نشان داده شده است. همانگونه که در شکل مشاهده می شود، هیچ تفاوتی بین استحکام سیکل صفر و سیکل 10 مشاهده نشده است و این نشاندهنده ی این است که سیکل های حرارتی اثر قابل توجهی بر روی استحکام این مواد کامپوزیتی ندارد. به عبارت دیگر، تنش های داخلی و یا میکرو ترک های ایجاد شده به دلیل عدم تطابق میان ضریب انبساط حرارتی دانه های زیرکونیا و آلومینا در خستگی گرماییف ناچیز است. از این رو، عدم تطابق در CTE به حدی بالا نیست که بتواند منجر به تخریب استحکام این کامپوزیت ها، شود.
شکل 18نتایج مربوط به رسانایی گرمایی برای کامپوزیت های دارای ذرات آلومینا را به عنوان تابعی از دما، نشان می دهد. رسانایی گرمای ی با افزایش در میزان آلومینا، افزایش می یابد. این مسئله مورد انتظار است زیرا رسانایی گرمایی آلومینا که در دمای اندازه گیری شده است، بسیار بالاتر از چیزی است که برای 10-YSZ اندازه گیری شده است. افزایش در رسانایی گرمایی با افزودن آلومینا، در دماهای پایین تر نسبت به دماهای بالاتر، قابل توجه تر است. رسانایی گرمایی مربوط به کامپوزیت های دارای 10 % مولی آلومینا، یک تغییر اندک با دما از خود نشان می دهد. به هر حال، استفاده از این 20 % و 30 %% آلومینا، یک کاهش شدیدتر در رسانایی گرمایی را با افزایش دما، نشان می دهد. مقادیر نمونه وار برای رسانای گرمایی به عنوان تابعی از میزان آلومینا در جدول 1 آورده شده است.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
و در گستره ی ترکیب صفر تا 30 % آلومینا، مورد بررسی قرار گرفته است. مقاومت به رشد ترک در دمای برای کامپوزیت های دارای 30 % پلاکت آلومینایی، بیشترین میزان است. رسانایی گرمایی با افزایش میزان آلومینا، افزایش می یابد.مقدمه
سلول های سوختی اکسید جامد (SOFC) هم اکنون در بسیاری از کاربردها مانند صنعت اتومبیل، تولید برق، هوانوردی و سایر صنایع، مورد استفاده قرار می گیرند. هم اکنون، ناسا در حال بررسی امکان سنجی استفاده از SOFC ها برای بخش رانش هوایی مورد استفاده در پروژه ی تکنولوژی بدون اکسید کربن (ZCET) در برنامه های رانش هوایی و تولید انرژی است. این SOFC دارای بازده مصرف انرژی بالایی هستند زیرا در این سلول ها، انرژی شیمیایی به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. این SOFC ها دستگاه های تبدیل انرژی جامدی هستند که الکتریسیته را با استفاده از اکسیداسیون در دمای بالا، تولید می کنند. اجزای اصلی SOFC ها عبارتند از الکترولیت، آند، کاتد و بخش اتصال دهنده. دو الکترود متخلخل، آند و کاتد بوسیله ی یک الکترولیت جامد با دانسیته ی بالا جدا می شود. هم اکنون، زیرکونیای پایدار شده با ایتریا (YSZ) متداول ترین الکترولیت مورد استفاده در SOFC هاست زیرا رسانایی یون اکسیژن آن بالاست. همچنین از جمله سایر مزیت های این الکترولیت عبارتست از پایداری در محیط های اکسیدی و احیایی و در دسترس بودن و هزینه های پایین می باشد.در سلول های سوختی اکسید جامد، YSZ در شکل پلی کریستال و به صورت لایه ها یا فیلم های نازک، مورد استفاده قرار می گیرد. YSZ باید به صورت لایه های با دانسیته ی بالا و به عنوان الکترولیت جامد در SOFC ها، تولید شود. مشابه با سایر سرامیک ها، YSZ ماده ی ترد است و به دلیل وجود عیوب، مستعد شکستن است. این عیوب معمولاً در طی فرایند تولید و همچنین در حین استفاده از این اجزا در SOFC ها، ایجاد می شوند. علاوه بر این، خواص YSZ مانند رسانایی گرمایی پایین و ضریب انبساط حرارتی نسبتاً بالا، موجب می شود تا این ماده نسبت به شوک های حرارتی، حساس باشد. شکست در الکترولیت سوخت جامد، موجب می شود تا سوخت و اکسید کننده در تماس هم قرار گیرند که این مسئله منجر به کاهش بازده سلول یا در برخی موارد، موجب عملکرد نامناسب در SOFC می شود. بنابراین، از نقطه نظر قابلیت اطمینان و عمر مفید، الکترولیت های سوخت جامد YSZ نیاز دارند تا تافنس بالا، استحکام بالا و مقاومت به رشد ترک مناسبی را تا دمای
داشته باشند.برای بهبود استحکام و تافنس شکست این الکترولیت ها، زیرکونیای پایدار شده با 10 % مولی ایتریا (10-YSZ) با استفاده از ذرات و پلاکت های آلومینایی، تقویت شده اند. استحکام خمشی و تافنس شکست این ماده به همراه مدول الاستیک، دانسیته، سختی، رسانایی گرمایی و سایر خواص این ماده، تعیین شده است و در این بخش، مورد بررسی قرار گرفته اند. رشد آهسته ی ترک برای طراحی اجزا و پیش بینی عمر مفید که در دمای
و تحت آزمون خستگی برای کامپوزیت های محتوی صفر تا 30 % مولی آلومینا انجام شده است، نیز در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است.فرآوری کامپوزیت
مواد مورد استفاده پودر زیرکونیای پایدار شده با 10 % ایتریا بود که به طور کامل پایدار شده بود. این پودر دارای اندازه ی ذره ی 0.41 میکرون و مساحت سطح ویژه ی
بود. پودر آلومینای مورد استفاده نیز دارای اندازه ی ذره ی 0.05 میکرون و مساحت سطح ویژه ی 
بود. همچنین پلاکت های آلومینایی از جنس آلفا آلومنیا و دارای ساختار هگزاگونال بود. مقادیر مناسب از پودر آلومینا و زیرکونیا، با استفاده از استون، به دوغاب تبدیل شد و در یک محیط زیرکونیایی، به مدت 24 ساعت مخلوط سازی شد. استون سپس تبخیر شد و پودر خشک شده در آون الکتریکی خشک شد. پودر حاصله به داخل قالب گرافیتی ریخته شد و در دمای 
تحت خلأ و اعمال فشار 30 MPa، تحت پرس گرم قرار داده شد و به شمش هایی با اندازه ی 
تبدیل شد. گرافیت انعطاف پذیر (Grafoil) نیز به عنوان جداکننده میان نمونه و بخش اعمال فشار قرار داده می شود. انواع مختلفی از سیکل های پرس گرم مورد استفاده قرار گرفته است تا بدین وسیله، پارامترهای پرس گرم، بهینه سازی گردد و نمونه های سرامیکی عاری از ترک و با دانسیته ی بالا، تولید شود. کامپوزیت های زیرکونیا/ آلومینا که شامل صفر تا 30 % ذرات و پلاکت های آلومینا می باشد، با استفاده از این روش، تولید شد. مراحل مختلف مربوط به فرآوری این شمش های کامپوزیتی در شکل 1 نشان داده شده است.
شمش های تولید شده با روش پرس گرم، به صورت نمونه های آزمون خمش ماشین کاری شد. ارتفاع، عرض و طول این نمونه ها برابر
بود. این نمونه ها با توجه به استاندارد ASTM C1161 تولید گردید. جهت ماشین کاری موازی با جهت طول 50 mm بود. این مسئله باید مورد توجه قرار گیرد که برخلاف زیرکونیا که دارای مکانیزم افزایش تافنس با کمک استحاله می باشد، زیرکونیای پایدار شده با ایتریا که دارای فاز کیوبیک است، با اعمال ماشین کاری، تمایلی به انجام استحاله ندارد. لبه های تیز نمونه های آماده سازی شده برای آزمون، از بین برده شد تا بدین صورت از شکست های ناشی شده از این لبه های تیز، جلوگیری گردد.آنالیز ریزساختاری و دانسیته
الگوهای تفرق اشعه ی X (XRD) در دمای اتاق و با استفاده از یک رویه ی اسکن مرحله ای انجام شد. این رویه عبارتست از
مرحله و زمان هر مرحله 0.5 تا 1 ثانیه بود. در این روش از اشعه ی K_α مربوط به مس استفاده شد. آنالیز ریزساختاری با استفاده از SEM و TEM بر روی نمونه ها انجام شد و آنالیز بررسی شکست نیز با استفاده از میکروسکوپ نوری انجام شد تا بدین صورت نواحی و طبیعت شکست مورد بررسی قرار گیرد. تصاویر SEM نمونه وار مربوط به سطح مقطع پولیش خورده در جهت عمود بر جهت اعمال فشار در شکل 2 نشان داده شده است. نواحی تیره بیان کننده ی ذرات و پلاکت های آلومینایی و نواحی روشن مربوط به زمینه ی 10-YSZ می باشد. این نواحی را با کمک آنالیز EDX (یکی از امکانات آنالیز عنصری در SEM) تشخیص داده شده است. فازهای آلومینا به طور یکنواخت در داخل فاز پیوسته ای از 10-YSZ، توزیع شده اند. طیف XRD نمونه وار نشاندهنده ی وجود فازهای YSZ کیوبیک و آلفا آلومینا در داخل نمونه می باشد. این مسئله در شکل 3 نشان داده شده است.
استحکام خمشی
استحکام خمشی در بین دماهای 25 تا در هوا و با استفاده از بخش های ثابتی انجام شده است که از جنس SiC هستند و دارای دهانه ی داخلی 20 میلی متر و دهانه ی خارجی 40 میلی متر هستند. یک نرخ سریع اعمال نیرو به میزان 50 MPa/s به نمونه اعمال شد تا بدین صورت از اثرات رشد آهسته ی ترک در این ماده، جلوگیری گردد. برای یک دمای معین،10 نمونه ی آزمون برای هر درصد آلومینا، مورد استفاده قرار گرفت. آزمون با توجه به استاندارد ASTM C1161 و ASTM C1211 انجام شد.نتایج مربوط به آزمون کشش در دمای 25℃ در شکل 5 نشان داده شده است. استحکام مربوط به کامپوزیت های دارای آلومینای ذره ای، با افزایش میزان آلومینا، افزایش می یابد، در حالی که استحکام مربوط به کامپوزیت های دارای آلومینای پلاکت شکل، تقریباً ثابت است و با افزایش میزان آلومینا، بدون تغییر باقی مانده است (به جز در میزان 5 % مولی آلومینا). از این رو، افزایش در استحکام در کامپوزیت های دارای آلومینای ذره ای، اثر بیشتری از دما نسبت به کامپوزیت های دارای آلومینای پلاکت شکل، دریافت می کند.
در جدول 1 و 2 خلاصه شده است.
در کامپوزیت های محتوی ذرات پلاکت شکل از آلومینا، نسبت به کامپوزیت های محتوی ذرات آلومینا، کمتر نمود دارد. مدول Weibull (m) که برای هر کامپوزیت با درصد مختلف از آلومینا، تخمین زده شده، در گستره ی 8 تا 20 برای کامپوزیت های محتوی پلاکت ها و در گستره ی 5 تا 10 برای کامپوزیت های محتوی ذرات می باشد. شکست عمدتاً برای هر دو کامپوزیت، از عیوب سطحی نشئت گرفتند. به هر حال، پلاکت ها به طور خاص در دمای ، منشأ اصلی شکست محسوب می شوند به نحوی که پلاکت های آلومینایی ممکن است به عنوان عیوب کنترل کننده ی استحکام عمل کنند نه محیط استحکام دهنده. این مسئله منجر به پراکندگی کمتر در استحکام یا ایجاد مدول Weibull بالاتر می شود. این حقیقت که کامپوزیت های محتوی 30 % آلومینای ذره ای در هر دو دما دارای استحکام بهبود یافته ای نسبت به کامپوزیت های محتوی آلومینای پلاکت شکل است، شاخصی است که تقویت کننده ی اول، برای تقویت 10-YSZ مطلوب است.این مسئله مشاهده شده است که برخی از کامپوزیت های زیرکونیا- آلومینای دیگر، با افزایش میزان آلومینا، متحمل کاهش در استحکام می شوند. این مسئله تا حدی نتیجه ای از تنش های کششی باقیمانده است که به دلیل عدم تطابق در ضریب انبساط حرارتی (CTE) میان آلومینا و زیرکونیا، ایجاد می شوند. بر اساس نتایج مربوط به افزایش استحکام با افزایش درصد آلومینا (مخصوصاً در کامپوزیت های ذره ای محتوی 30 % آلومینا) مشاهده شده است (شکل 5)، این را می توان گفت که ذرات آلومینای مورد استفاده ممکن نیست با زمینه برهمکنش دهند و از این رو تنش های باقیمانده در آنها ایجاد نمی شود. در واقع این تنش ها به اندازه ی بزرگ نیست که بتواند موجب افت استحکام این کامپوزیت ها، شود.
تافنس شکست
تافنس شکست کامپوزیت های محتوی ذرات آلومینا و پلاکت های آلومینایی، در دمای 25 و در هوا و با استفاده از روش شکاف v شکل (SEVNB) اندازه گیری شد. در این روش از یک پره ی تیغ شکل با خمیر الماس برای ایجاد یک شکاف در داخل نمونه ها، استفاده شده است. یک شکاف با عمق 0.6 mm و عرض 0.026 بر روی سطح با عرض 3 mm هر نمونه، ایجاد شده است. نمونه های دارای شکاف V شکل دارای عمق نهایی شکاف برابر با 0.9 mm بودند و شعاع مربوط به ریشه ی آن، در حدود 10 میکرون بود. این نمونه به کمک آزمون کشش خمشی مورد بررسی قرار گرفت.
مؤثر نیست که علت آن از بین رفتن ترک در این دما می باشد. این مسئله موجب افزایش ظاهری تافنس شکست می شود. به هر حال، روش SEVNB ممکن است میزان تافنس شکست در دمای اتاق را کمتر از میزان واقعی تخمین بزند اگر یک ماده دارای رفتار منحنی R باشد. علت این مسئله، این است که این روش، موجب می شود تا مقادیر آغازین مربوط به تافنس شکست بر روی نمودار R واقع شود. تافنس شکست ( 
) بر اساس فرمول ارائه شده بوسیله ی Srawley و Gross به صورت زیر است:
که در اینجا،
به ترتیب برابراند با بار شکست قطعه، دهنه ی خارجی، دهنه ی داخلی، عرض قطعه و عمق قطعه می باشند. 
که در اینجا، a اندازه ی ترک اولیه و 
به صورت زیر بدست می آید:
خلاصه ای از نتایج مربوط به آزمون تافنس در دمای 25℃ در محیط هوا، در شکل 9 آورده شده است. در این شکل، تافنس شکست به وسیله ی روش SEVNB و به عنوان تابعی از میزان آلومینا، برای هر دو کامپوزیت، نشان داده شده است. مشابه با رویه ی مورد استفاده در اندازه گیری استحکام خمشی در دمای محیط، تافنس شکست با افزایش میزان آلومینا، افزایش می یابد. تافنس شکست به طور قابل توجهی و به میزان 65 تا 62 % به ترتیب برای کامپوزیت های دارای ذره و پلاکت، افزایش می یابد. این مسئله را باید تذکر دهیم که برخلاف استحکام خمشی در دمای اتاق، تفاوت در تافنس شکست میان کامپوزیت های ذره ای و دارای پلاکت، ناچیز است. این مسئله گزارش شده است که یک عدم سازگاری در مورد استحکام و تافنس شکست، عموماً برای بسیاری از سرامیک ها پیشرفته مشاهده می شود. به هر حال، این مسئله برای این دو سیستم مشاهده نشده است و نه تنها استحکام افزایش یافته است بلکه همچنین تافنس شکست نیز با افزایش میزان آلومینا، افزایش یافته است.
رشد آهسته ی ترک (خستگی دینامیک)
رفتار رشد آهسته ی ترک (SCG) برخی از کامپوزیت ها، در دمای و تحت اتمسفر هوا، با استفاده از روش خستگی دینامیکی بررسی شده است. این آزمون، با توجه به استاندارد ASTM C1465 انجام شده است. سه کامپوزیت مختلف شامل کامپویت بدون آلومینا (10-YSZ)، کامپویت حاوی 30 % مولی ذرات آلومینا و کامپویت حاوی 30 % مولی پلاکت های آلومینایی، بر اساس نتایج بدست آمده از استحکام بهینه و خواص تافنس شکست کامپویت های دارای 30 % آلومینای ذره ای و پلاکتی، انتخاب شدند.
که در اینجا، ν،
به ترتیب بیان کننده ی سرعت ترد، فاکتور شدت تنش در حالت I و تافنس شکست حالت I می باشد. A و n به پارامترهای SCG مربوط به مواد / محیط، وابسته است. مکانیزم مربوط به SCG در دماهای بالا، مکانیزم لغزش مرزدانه ها، شناسایی شد. در مورد بارگذاری در خستگی دینامیک، یک نرخ تنش (σ ̇) به نمونه اعمال می شود تا زمانی که نمونه بشکند. تنش شکست مربوط به (
) می تواند از معادله ی بالا بدست آید و فاکتور شدت مربوطه با استفاده از برخی مهارت های ریاضی به صورت زیر بدست می آید:
که در اینجا، D یک دیگر از پارامترهای SCG است که با A، n،
، استحکام خنثی و فاکتور هندسی ترک در ارتباط است. پارامترهای SCG، n و D می توانند از شیب و محل تقاطع یک آنالیز رگرسیون خطی در زمانی که لگاریتم تنش شکست به عنوان تابعی از لگاریتم نرخ تنش اعمال شده، ترسیم می شود، بدست آیند. معادله ی بالا اساسی است که در آزمون خستگی دینامیک، مورد استفاده قرار می گیرد.نتایج نشان داده شده در شکل 12 با توجه به نمودار بالا ترسیم شده است. در این حالت، واحد MPa برای
و واحد MPa/s برای σ ̇ استفاده می شود. پارامتر SCG ، n، به ترتیب برای نمونه های دارای صفر %، 30 % مولی ذرات آلومینا و 30 % مولی پلاکت های آلومینایی، برابر 8، 5 و 33 است. این دو پارامتر SCG همچنین در جدول 3 به طور خلاصه آورده شده است. هر دو کامپوزیت دارای 0 % مولی و 30 % مولی ذرات آلومینا تمایل زیادی به انجام SCG دارند و کامپوزیت دارای 30 % مولی پلاکت های آلومینایی، دارای تمایل متوسطی به انجام SCG است این مسئله با وجود n=33 برای این نمونه نشان داده می شود. از این رو، کامپوزیت های شامل 30 % مولی پلاکت های آلومینایی دارای مقاومت بیشتری در برابر SCG هستند. افزودن 30 % مولی پلاکت های آلومینایی به زمینه ی 10-YSZ منجر به افزایش لغزش مرزدانه ای می شود، در حالی که افزودن 30 % مولی ذرات آلومینا دارای اثر مثبتی بر روی کاهش یا مینیمم کردن لغزش مرزدانه ای، ندارد. توجه کنید که مقدار پارامتر SCG، n، که در دمای و تحت محیط هوا، برای آلومینای با خلوص 96 و خلوص 99 %% اندازه گیری شده است، در گستره ی 7-13 است. بهبود قابل توجه در مقاومت در برابر SCG با استفاده از رویه ی ترکیب 10-YSZ با پلاکت های آلومینایی، انجام شده است. این دو ماده به تنهایی دارای استعداد زیادی در زمینه ی SCG هستند.
که در اینجا، t_f و n به ترتسب زمان خستگی (ثانیه) و تنش ثابت اعمال شده ( در واحد MPa) می باشند. البته پیش بینی در زمانی اعتبار دارد که مکانیزم خستگی یکسانی در حال کار باشد و این مسئله به حالت اعمال بار (استاتیک و دینامیک) وابسته نیست. همانگونه که از شکل فهمیده می شود، عمر مفید برای کامپوزیت 10-YSZ- 30 % آلومینا از همه بیشتر است و حداقل مقدار برای 10-YSZ یا کامپوزیت 10-YSZ- 30 % مولی آلومینای ذره ای می باشد. به عنوان یک نتیجه، کامپوزیت دارای 30 % آلومینای پلاکت شکل، انتخاب مناسب از میان سه ماده ی مورد بررسی می باشد.
مدول الاستیک
مدول الاستیک هر دو کامپوزیت دارای آلومینای ذره ای شکل و پلاکتی شکل از دمای 25 تا به عنوان تابعی از میزان آلومینا تعیین شده است. این مدول با استفاده از روش تهیج پالسی در حالت ویبراسیونی (بر طبق استاندارد ASTM C 1269) و با استفاده از پیکربندی خمشی، بدست آمده است. یک نمونه ی خمشی برای هر کدام از درصدهای مختلف آلومینا، مورد استفاده قرار گرفته است. برای هر مقدار از آلومینا، 5 نمونه مورد استفاده قرر گرفت و خاصیت مدول الاستیک این دو کامپوزیت در دمای اتاق، مورد ارزیابی قرار گرفت.مدول الاستیک به عنوان تابعی از دما برای کامپوزیت های ذره ای، در شکل 14 نشان داده شده است. مدول الاستیک با افزایش دما تا 400℃، کاهش می یابد و سپس تا دمای
، تقریباً ثابت است و بدین وسیله، یک انتقال بی همتا در حوالی دمای 400℃ رخ می دهد که ربطی به درصد آلومینا ندارد. اگر چه در اینجا، این مسئله بیان نشده است، این فهمیده شده است که مدول الاستیک مربوط به کامپوزیت های دارای آلومینای پلاکت شکل، بسیار نزدیک به چیزی است که برای کامپوزیت های ذره است. یک استحاله ی مشابه در دمای 400℃ همچنین بوسیله ی محققین دیگر، برای 6.5YSZ گزارش شده است. شکل 15 نشاندهنده ی مدول الاستیک به عنوان تابعی از میزان آلومینا برای کامپوزیت های ذره ای و پلاکت شکل است که در دمای اتاق، تعیین شده است. مدول الاستیک در این حالت به صورت خطی با افزایش میزان آلومینا برای هر دو کامپوزیت، افزایش می یابد، و تفاوت اندکی در مدول الاستیک میان دو سیستم کامپوزیتی در درصد های آلومینای معین، وجود دارد. پیش بینی بر اساس قانون مخلوط کردن، تطابق خوبی با داده های عملی دارد. داده های مربوط به مدول الاستیک در دمای محیط در جدول 1و 2 آورده شده است.
میکروسختی
میکروسختی برای هر دو کامپوزیت دارای آلومینای ذره ای و پلاکت شکل، در دمای اتاق و با استفاده از سری میکروسختی ویکرز، اندازه گیری شده است. در این نمونه ها، نیروی اعمالی 9.8 N بوده است و نتایج بر اساس متوسط گیری از 5 اندازه گیری، گزارش شده است (بر طبق استاندارد ASTM C 1327). شکل 16 نشاندهنده ی نتایج مربوط به سختی ویکرز اندازه گیری برای این دو سیستم کامپوزیتی است. میکروسختی برای کامپوزیت های دارای آلومینای ذره ای، با افزایش میزان آلومینا، و به طور خطی، افزایش می یابد تا به میزان 20 % آلومینا برسیم و سپس افزایش قابل توجه پیدا می کند. میکروسختی کامپوزیت های دارای آلومینای پلاکت شکل تا 10 % آلومینا بدون تغییر می باشد و سپس به طور محسوس تا 30 % آلومینا، کاهش محسوس پیدا می کند. این مسئله منجر به ایجاد یک تفاوت قابل توجه در سختی در زمان رسیدن به میزان 30 % آلومینا می شود. داده های مربوط به سختی هر دو کامپوزیت در جدول 1 و 2 قابل مشاهده می باشد.شکل 15
خستگی گرمایی
آزمون خستگی گرمایی یا سیکلی برای کامپوزیت داری 30 % مولی پلاکت های آلومینایی انجام شده است. این آزمایش با اعمال 10 سیکل های گرمایی (تا دمای) و سرد کردن تا دمای 200 درجه بر روی 5 نمونه ی خمشی، انجام شده است. نرخ حرارت دهی و سرد کردن در این آزمایش به ترتیب برابر با 10℃/min و 20℃/min می باشد. این نمونه های خمشی سپس در دمای اتاق و با استفاده از آزمون استحکام خمشی شکسته می شوند و بدین صورت استحکام خمشی باقیمانده ی مربوطه، برای نمونه ها، اندازه گیری شد. این آزمون برای یادگیری بهتر اثر عدم تطابق CTE با استحکام خمشی انجام شد و نشاندهنده ی بروز تخریب در استحکام به دلیل وقوع خستگی گرمایی می باشد.
رسانایی گرمایی
دیسک های با قطر 2.5 سانتیمتری از کامپوزیت های دارای ذرات آلومینا که با استفاده از فرایند پرس گرم، تولید می شوند، برای ارزیابی رسانایی گرمایی، مورد استفاده قرار می گیرند. آزمون رسانایی گرمایی با استفاده از لیزر دی اکسید کربنی 3.0 kW ارزیابی می شود. روش عمومی این آزمون در منابع دیگر به خوبی توصیف شده است. در روش آزمون فلاکس حرارتی حالت پایدار با استفاده از لیزر، سطح نمونه بوسیله ی باریکه ی لیزر حرارت دهی می شود و طرف مقابل با هوا خنک سازی می شود تا در یک دمای مناسب و ثابت قرار داشته باشد. یک شار یکنواخت در قطری برابر با 23.9 میلی متر، مشاهده شده است.شکل 18نتایج مربوط به رسانایی گرمایی برای کامپوزیت های دارای ذرات آلومینا را به عنوان تابعی از دما، نشان می دهد. رسانایی گرمای ی با افزایش در میزان آلومینا، افزایش می یابد. این مسئله مورد انتظار است زیرا رسانایی گرمایی آلومینا که در دمای
اندازه گیری شده است، بسیار بالاتر از چیزی است که برای 10-YSZ اندازه گیری شده است. افزایش در رسانایی گرمایی با افزودن آلومینا، در دماهای پایین تر نسبت به دماهای بالاتر، قابل توجه تر است. رسانایی گرمایی مربوط به کامپوزیت های دارای 10 % مولی آلومینا، یک تغییر اندک با دما از خود نشان می دهد. به هر حال، استفاده از این 20 % و 30 %% آلومینا، یک کاهش شدیدتر در رسانایی گرمایی را با افزایش دما، نشان می دهد. مقادیر نمونه وار برای رسانای گرمایی به عنوان تابعی از میزان آلومینا در جدول 1 آورده شده است.
/ج
