استحاله ی فازی دما بالا در سرامیک ها (1)

چکیده

این مقاله به بررسی اساس مربوط به خواص مواد دما بالا می پردازد و تلاش دارد تا مواد سرامیکی جدیدی را معرفی کند که دارای خواص دما بالای خوبی هستند. تمرکز این مقاله بر روی سیستم های سرامیکی اکسیدی دوتایی یا منفرد است که دارای پتانسیل استفاده در صنعت هوافضا دارند. این سیستم ها در واقع، سرامیک های اکسیدی، دما بالا هستند که دارای پایداری شیمیایی بالایی هستند. در نهایت اکسیدهای بیان شده، مورد ارزیابی قرار گرفتند تا بدین صورت مشخص شود که کدام یک از آنها دارای رفتار استحاله ی دما بالای خوبی هستند. بر اساس تحقیقات گذشته، این فهمیده شده است که 4 ماده ی اکسیدی یعنی دارای خواص دما بالای مناسبی هستند.

مقدمه

برای برطرف نمودن چالش در طراحی مواد جدید و دما بالا برای نیازهای هوافضای آینده، این ضروری است که تحقیقات علمی پایه ای بر روی خواص فیزیکی و شیمیایی سرامیک ها، انجام شود. کشف استحاله های فازی جدید دارای کاربردهای بالقوه ای می باشد. برای مثال، مواد دما بالای با قابلیت اطمینان بالا برای نسل بعدی موتورهای هواپیما، مواد با قابلیت تحمل دمایی بالا برای فضانوردی و وسایل ورود مجدد به جو زمین، وسایل MEMS و سیستم های هوشمند و موتوررهای با کارایی بالا، می باشد. علاوه بر این، با تغییر علوم و حرکت به سمت نانوتکنولوژی، این مسئله ممکن است که اجزای موتور را با سرامیک هایی ساخت که ریزساختاری کنترل شده دارند. این سرامیک ها، دارای خواص مناسبی هستند. علاوه بر این، مواد ذکر شده دارای رفتار دقیقی هستند (هم انبساط گرمایی و هم رفتار استحاله ای).

محدودیت ها و دغدغه های مطالعه های پیشین

در گذشته، رفتار و خواص سرامیک ها، با استفاده از روشی اندازه گیری می شد که ضرورتاً مهندسی بوده است. برخی اوقات، سرامیک هایی را گزارش داده اند که در آنها، واکنش به صورت کامل انجام نشده است و برخی اوقات، فاز آمورف مرزدانه ای نیز در دان وجود داشته است. یک چنین کامپوزیت هایی، با استفاده از تفرق اشعه ی X، دیلاتومتری، آنالیزهای گرمایی (مانند روش های آنالیز ترموگراویمتری، TGA، کالوریمتری روبشی افتراقی (DSC)) و میکروسکوپ نوری، و بدون وجود اطلاعات در مورد ریزساختار، میزان و نحوه ی توزیع تخلخل و وجود یا عدم وجود میکروترک، مورد بررسی قرار گرفته اند. اخیراً انجام مطالعات با استفاده از میکروسکوپ الکترونی (SEM و TEM)، اطلاعات ارزنده ای در مورد ریزساختار این مواد (مانند اندازه ی ذره ی بحرانی، اثر اندازه ی دانه بر روی شروع استحاله و موارد دیگر) ارائه کرده است. استحاله های فازی و دیاگرام های فازی، اغلب بوسیله ی مطالعه های قدیمی بدست آمده اند. این دیاگرام ها با فرض این مسئله ترسیم شده اند که کوئنچ موجب ایجاد فازهای دما بالا شده است. این مسئله ضرورتاً بدین نحو نیست و ممکن است در موارد خاص، استحاله های جابجایی دارای انرژی های فعال سازی پایین هستند. نتایج متعددی در زمینه ی وجود فازهای شبه پایدار، نیز گزارش شده است.
مطالعات درجا در این زمینه، ما را تنها قادر می ساخت تا به پایین ترین دماهای و اتمسفرهای مورد نیاز و یا شرایط دمایی، پی ببریم. به هر حال، در مورد اکسیدها، اندازه گیری تحت خلأ یا تحت اتمسفر کاهشی، می تواند مناسب باشد که علت این مسئله، حالت غیر اشباع اکسیژن این مواد است که منجر به ایجاد عیوبی مانند جاهای خالی اکسیژن می شود و این مسئله موجب می شود تا استحاله در این مواد، سرکوب یا شیفت داده شود. یک مثال کلاسیک از این موارد، زیرکونیایی است که به طور نسبی یا کامل، پایدار سازی شده است. در این ماده، افزودن عناصری همچون یا موجب می شود تا موجب می شود تا ترکیب تعادلی از اکسیژن در زیرکونیا، تشکیل شود. این مسئله برای تشکیل عیوب جاهای خالی اکسیژن، ضروری است و از این رو، موجب می شود تا فازهای دما بالای یعنی فازهای تتراگونال و مکعبی، پایدار شوند.
پارامترهای کریستالوگرافی و ضریب انبساط حرارتی اکسیدها، به میزان سطح اشباع اکسیژن آنها وابسته است. این سطح اشباع نیز تابعی از شرایط فرآوری و شرایط اندازه گیری آزمایش، می باشد. برای مثال، شکل 1 نشاندهنده ی این است که چرا دیاگرام های فازی اکسیدها، نیازمند اندازه گیری در هوا دارد. استحاله های فازی می تواند بوسیله ی عوامل محیطی تحت تأثیر قرار گیرد. گاها این تأثیر شامل توقف و شیفت دمای انجام واکنش ها می باشد. همچنین پارامترهای کریسالوگرافی نیز می تواند به طور قابل توجهی بوسیله ی عوامل محیطی تحت تأثیر قرار گیرد. این مسئله به صورت عددی برای مواد کلاسیکی همچون مولایت ( ) نشان داده شده است. مولایت مشابه با هر سرامیک اشباع از اکسیژن، سفید رنگ است. زمانی که این ماده دارای کمبود اکسیژن است، رنگ آن به سمت سیاه یا خاکستری حرکت می کند. نمونه های بالک از مولایت که تحت خلأ و در داخل قالب گرافیتی، شکل دهی می شوند، بعد از استحکام بخشی، دارای رنگی مشکی است. پارامترهای شبکه ی کریستالوگرافی، به صورت در جاف در مرحله ی گرمادهی و تفرق نوترونی در دمای  اندازه گیری شده است. در زمان حرارت دهی در هوا، نمونه ها به رنگ سفید تغییر رنگ می دهند و با اکسیژن اشباع می شوند.
وقتی اندازه گیری های درجا، تکرار می گردد، یک گروه متفاوت از پارامترهای شبکه یا انبساط گرمایی مشاهده شده است و اندازه گیری های سیکلی نیز، نشاندهنده ی این است که پارامترهای مولایت اشباع از اکسیژن، نیز قابل تکرار می باشد. این رفتار برای حجم سلول واحد کریستالوگرافی، نیز مشاهده شده است. در واقع حجم کریستالوگرافی، از طریق استفاده از محورهای کریستالوگرافی، محاسبه می شود. به طور مشابه، انبساط گرمایی مربوط به اکسید هافنیوم، با استفاده از روش های دیلاتومتری و تحت شرایط اتسمفر خلأ اندازه گیری می شود. در مورد این ماده نیز تغییر در رنگ، مانند مولایت، مشاهده شده است ( شکل 2 را ببینید). بنابراین، مهم است که رفتار استحاله ی فازی، پارامترهای شبکه و خواص مربوط به انبساط گرمایی اکسیدهای سرامیکی، در هوا، اندازه گیری شود.
خلاصه ای از استحاله های فازی غیر فروالکتریک در سرامیک های اکسیدی
بررسی مقالات به چاپ رسیده در مورد استحاله های فازی غیر فروالکتریک در سرامیک ها، و مواد معدنی، بوسیله ی PI انجام شده است. در این بررسی، گزارش هایی در مورد استحاله های فازی بیان شده است. در در جدول های 1، 2 و 3 اطلاعات مربوطه، بیان شده است. این مسئله باید تذکر داده شود که این جداول تنها دو بعدی هستند و استحاله به همراه ترکیب شیمیایی، بیان شده است. در حقیقت، هر ترکیب ممکن است سیستمی باشد که دارای توالی از استحاله هاست. برای مثال، سیستم دی کلسیم سیلیکات، دارای سه فاز با 5 استحاله ی مجزاست که موجب می شود این فازها در طی سرد کردن از دماهای بالا، جدا شوند.
در طی 40 سال گذشته، PI و همکارانش استحاله های فازی اکسیدهای سرامیکی را با استفاده از روش های TEM، مورد مطالعه قرار دادند. این سیستم ها، شامل دی کلسیم سیلیکات، زیرکونیا، لانتانیوم سسکوکسیدها (lanthanide sesquioxides)، آلومینات های خاک های نادر، هگزاسیلیسین ( )، نیکل سولفید (NiS)، انستاتیت ( )، آلومینات خاک های نادر (
) و تیتانات خاک های نادر ( ) می باشد. علاوه بر این، PI به دقت میزان ضریب انبساط گرمایی مولایت را اندازه گیری کردند. این اندازه گیری تا دمای 1400 درجه ی سانتیگراد و در هوا، انجام شده است.

کاربردهای استحاله های فازی

افزایش تافنس با استحاله

استحاله ی فازی در زیرکونیا، به طور گسترده ای در دنیا مورد بررسی قرار گرفته است. این ماده، یکی از مثال های خوب در مورد افزایش تافنس با استفاده از استحاله می باشد. تافنس به دلیل تغییر ساختار از تتراکونال به مونوکلینیک رخ می دهد. در زمان خنک سازی، این استحاله با افزایش حجمی 3.04 % همراه است و این استحاله، در دمای رخ می دهد. با ایجاد و دوپ شدن جاهای خالی اکسیژن و همچنین کنترل ریزساختار، استحاله می تواند به صورت شبه پایداری حفظ شود و در این حالت، فاز محلول جامد تتراگونال، در دمای اتاق، پایدار می ماند. در این حالت، زیرکونیا متحمل یک انبساط حجمی 4.9 % می شود. این مسئله موجب شد تا مطالعات جهانی متعددی بر روی مکانیزم های درگیر در افزایش تافنس با استحاله ی فازی، انجام شود. این مطالعات، 25 سال طول کشید. سرامیک های بر پایه ی زیرکونیا، دارای کاربردهای گسترده ای می باشد. در واقع این کاربردها شامل اجزای موتورهای دیزل، دریچه های خروجی مذاب، حلقه های زیرکونیایی، امپلنت های گوی و کاسه ای ران، می باشند. این مسئله باید تذکر داده شود که جامعه ی سرامیک، با مطالعه ی سرامیک های زیرکونیایی تافس یافته، اطلاعات خوبی در مورد طراحی سرامیک های افزایش تافنس یافته با استفاده از استحاله، بدست آورده اند.
از آنجایی که افزایش در تافنس، به دلیل تغییر حجم مثبتی بوجود می آید که در حین استحاله، بوجود می آید، Kriven وجود سایر مکانیزم های افزایش دهنده ی تافنسی را پیش بینی نمود. این فهمیده شد که این استحاله ها، دارای تغییرات حجمی قابل توجهی در حین سرد کردن می باشد که این مورد تحت شرایط نرمال کشش، مشکل آفرین است. به هر حال، برای کاربردهای مربوط به زره های سرامیکی، که در آنها ضربه های بالستیکی به همراه تنش ها و شوک ایجاد می شود، این جوانب باید مورد بررسی قرار گیرد. مثال هایی از این سیستم های مورد بررسی در ادامه معرفی شده اند.
شواهد اولیه از افزایش تافنس به دلیل وقوع استحاله در زمینه ی زیرکونات کلسیمی، خبر می دهد. در این زمینه، از سیلیکات کلسیم به عنوان افزایش دهنده ی تافنس، استفاده شده است. این سیستم متحمل تغییر حجمی 12 % می شود مخصوصاً با طراحی مناسب اندازه ی دانه و اصلاح ریزساختار آن. با وجود این، کارهای مقدماتی نشاندهنده ی این است که تافنس منیزیا را می توان با استفاده از ، افزایش داد.
استحاله ی مونوکلینیک به کیوبیک در لانتانید سسکوکسید همراه با تغییر 8.5 % در حجم است. این مسئله در موقع سرد کردن از دمای 1590 درجه ی سانتیگراد، رخ می دهد. در این ماده، عامل افزایش دهنده ی تافنس می باشد. به هر حال، اثرات آزاد سازی در یک چنین دمای بالایی، پیشنهاد می دهد که به دلیل ناپایداری، استفاده از این ماده، محدود می باشد. کارهای دیگری نیاز است تا بوسیله ی آن، پتانسیل افزایش تافنس با استفاده از اکسیدهای خاک نادر، مورد بررسی قرار گیرد. افزایش حجمی 4 % در مورد شیشه های محتوی ذرات NiS، برای این شیشه ها، زیان آور است و منجر به خرد شدن شیشه می شود.
افزایش تافنس کل بوسیله ی تضعیف استحاله ای فازهای میانی جدایش یافته
در حالی که تافنس با استفاده از استحاله در زیرکونیا، منجر به افزایش سه برابری در تافنس سرامیک های بر پایه ی زیرکونیا (مانند زیرکونیای شبه پایدار (PSZ)، زیرکونیای پلی کریستال تتراگونال (ZTP) و آلومینای تافنس یافته با زیرکونیا (ZTA)) می شود، این فهمیده شده است که اثرات تقویت کننده ی بیشتری در کامپوزیت های سرامیکی تقویت شده با الیاف، مشاهده شده است. تافنس برابر با ، در مورد الیاف سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف سیلیکونی، مشاهده شده است. در این کامپوزیت ها، بر روی الیاف سیلیکون کاربید، گرافیت اعمال می شود و این لایه، موجب می شود تا زمینه به الیاف نچسبد. این کامپوزیت ها، به دلیل استحکام فوق العاده، قادر به تحمل بارهای بزرگ را دارا می باشند، حتی در حالتی که زمینه میکروترک داشته باشد. جدایش میان فیبر و زمینه، یکی از الزامات تولید این کامپوزیت ها، می باشد به نحوی که در زمان ترک خوردن زمینه، فیبر می تواند به صورت مجزا، بار اعمالی را تحمل کند. در حالی که این مسئله، یک بهبود قابل توجه است، سیستم SiC تنها در کاربردهای تحت خلأ کارایی دارد. به همین دلیل، این کامپوزیت ها در کاربردهایی مانند، موتورهای هواپیما، مورد استفاده قرار نمی گیرند. این موتورها در اتمسفرهای غنی از اکسیژن یا تهی از اکسیژن کار می کنند و به همین دلیل، در صورت استفاده از این کامپوزیت ها، با مشکل اکسایش، روبرو هستیم.
از آنجایی که یک تغییر حجمی مثبت منجر به افزایش تافنس بواسطه ی استحاله می شود، این مسئله مطرح شده است که یک تغییر حجمی منفی در هنگام وقوع استحاله، موجب کاهش و یا افت خواص می شود. این مسئله در مورد تبدیل ارتورومبیک به مونوکلینیک در انستایت ( ) مشاهده شده است. مطالعات TEM نشان داده است که این فرض باید اصلاح شود. انستایت که یک سیلیکات زنجیره ای و پیروکسنی است، جزء اصلی تلق های سرامیکی است.
اخیراً این مکانیزم استحکام بخشی مورد بررسی قرار گرفته است و فهمیده شده است که تبدیل فاز مکعبی به تتراگونال، در مورد فاز میانی کریستوبالیت موجود در مولایت- کوئوردیریت، رخ می دهد.
شکل 3 یک دیاگرام شماتیک در مورد تضعیف فاز میانی سرامیکی در اثر وقوع استحاله می باشد. این استحاله، منجر به افزایش تافنس کل در کامپوزیت های زمینه سرامیکی می شود. در استحاله های القا شده به صورت گرمایی، تمام فازهای میانی قبل از رسیدن به ترک، تغییر شکل می دهند و استحکام کل ماده، در این حالت، افت می کند. در حالت ایده آل و در حالتی که تنش برشی اعمال شود، یک ترک ورودی موجب القای استحاله در محیط واسط می شود و این مسئله منجر به کاهش خروجی در حالت بالک می شود. ماکزیمم استحکام بخشی در حالتی ایجاد می شود که اشاعه ی ترک، نیازمند فایق آمدن بر سد جوانه زنی و وقوع استحاله باشد. در این حالت، مکانیزم ایجاد ترک، رخ می دهد.

فروالاستیسیته، رفتار حافظه داری و تحریک نیروی بزرگ

رفتار فروییکی (Ferroic behavior) در مواد فروالکتریک، فروالاستیک و فرومغناطیس، رخ می دهد. رفتار این مواد، در در شکل 4 توصیف شده است. این مواد دارای حلقه ی هیسترزیسی خاص هستند.
دمین های فروییکی بواسطه ی استحاله های فروییکی ایجاد می شوند که در این بخش ها، روبط متقارن داخل گروهی قابل توجهی وجود دارد. یک استحاله ی فروییکی، در واقع شامل تغییر در ساختار کریستال می باشد نه بازآرایی دمین های فروییکی. در اصل، این دمین ها، تلاش می کنند تا با همدیگر و در جهت نیروی کوئرسیو، موازی شوند. پارامترهای جزئی در مورد فروالاستیسیته در شکل 5 نشان داده شده است.
رفتار حافظه داری در فلزات، از لحاظ کریستالوگرافی و یا میکروساختاری مشابه با رفتار بازآرایی در دمین های فروالاستیک است. علاوه بر این، این ممکن است که تحریک با نیروهای بزرگ، منجر به ایجاد همسویی فروییکی دمین ها، تحت نیروهای الکتریکی، مغناطیسی و یا نیروی کوئرسیو مکانیکی شود. از تحریک جریانی به طور گسترده در سیستم تیتانات- زیرکونات سرب (PZT) استفاده می شود. در این ماده، تغییر شکل، همراه با کرنش لحظه ای انددگی است که موجب می شود فرکانس هایی در حد کیلوهرتز، تشکیل شود. این حد از فرکانس، موجب شده است تا این ماده، در ساخت فعال سازهای بسیار کوچک، استفاده شوند. علاوه بر این، از این ماده نمی توان در بالای دمای کوری آن (یعنی 120 درجه ی سانتیگراد) استفاده کرد.

در حالی که تبدیل فروالاستیک در پروسکایت ها، و همچنین فروالکتریسیته در این مواد، به طور گسترده مورد مطالعه، قرار گرفته است، فروالکتریسیته کمتر مورد توجه قرار گرفته است. در این زمینه، کار انجام شده بوسیله ی روس ها، دارای چارچوب مطالعاتی مناسبی است. با توجه به این مسئله، دلیل این که ساختارهای پروسکایتی همچون PZT دارای کرنش های لحظه ای کوچک است، این است که این مواد، بر اساس ساختار جعبه ای و دارای موبیلیته ی و بازآرایی اتمی، عمل می کنند.
با توجه به طبقه بندی موجود در جدول 4، ، استحاله های فازی که همراه با تحریک نیرویی قابل توجه می باشد، باید در ساختارهایی ایجاد شوند که شامل گروه های ارتو مانند ساختارهای پالمریتی و فروگوسونیتی، می باشد. بر اساس این تصور، PI و همکارانش، بر روی نیوبات خاک های نادر، مطالعاتی انجام داده و کرنش 6.35 % را در برخی از این مواد، مشاهده کردند.

دید طولانی مدت برای مطالعه ی استحاله های فازی

شکل 6 خلاصه ای از کارهای انجام شده در بوسیله ی PI را نشان می دهد. این کارها، همچنین نشاندهنده ی تغییرات حجمی و یا تغییر در شکل سلول واحد می باشد.
اهداف
نیاز قابل توجهی برای توسعه ی موادی وجود دارد که در آنها استحاله های فازی، در دماهای بالا و در هوا رخ می دهد. آگاهی کنونی در مورد این ویژگی مهم که در برخی از مواد یافت می شود، می تواند موجبات استفاده از این مواد در کاربردهای فنی خاص را مهیا کند. این مسئله احتمالا به دلیل محدودیت های عملی و مشکلاتی است که در جمع آوری اطلاعات می باشد. هدف اصلی مربوط به این بررسی، تشخیص سه یا پنج ماده ی اکسید کلیدی است که ممکن است رفتار استحاله ی فازی خوبی داشته باشند. تمرکز ما بر روی مواد اکسیدی است که دارای پتانسیل استفاده در کاربردهای هوافضا، و استفاده های دما بالا می باشند. هدف نهایی، معرفی یک روش کامل و مؤثر برای تشخیص خواص دما بالای و رفتار آنها در دمای بالا می باشد. این روش ها باید بر اساس اندازه گیری های کریستالوگرافی در دمای بالا، انجام شود.

روش

خطوط کلی مربوط به کار و برنامه

این مقاله را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:
1. بررسی مقالات قبلی
2. بررسی های اولیه با استفاده از روش های غربال گری (TGA، DSC، دیلاتومتری)
3. مطالعه بر روی استحاله های فازی

بررسی مقالات قبلی

هدف اصلی این کار، تشخیص اکسیدهای سرامیکی کلیدی است. این اکسیدها می توانند به صورت اکسیدهای یک فازی یا دو فازی باشند که در مقالات، به دلیل وجود استحاله، شاخص شده اند. تحقیقات گسترده ی PI نیز نیاز به وجود یک تحقیق ساختاری در زمینه ی کشف مواد جدید و ایجاد یک چارچوب مرجع برای کاربردهای دما بالای را گوشزد می کند. در این مقاله، تلاش بر روی تشخیص مواد اکسیدی کلیدی می باشد. این مواد که تک فازی یا دو فازی هستند، دارای خاصیت استحکام بخشی بعد از استحاله می باشند. هدف این تحقیق، ارائه ی سیستم هایی از مواد است که دارای خواص دما بالای خوبی هستند. معیارهای انتخاب این ترکیبات، عبارتند از:
1. پایداری در دمای بالا و محیط هوا
2. حضور و یا وجود استحاله های فازی که موجب ایجاد تغییر شکل یا حجم قابل توجه می شوند.
تمرکز بر روی تشخیص ترکیباتی است که سبک باشند.

بررسی های اولیه

نمونه های پودری از ترکیبات مورد نظر، در بین مقالات علمی جستجو شدند و گردآوری شده اند. غربال گری اولیه بر روی رفتار استحاله ی فازی دما بالا، بر روی نمونه های پودری انجام شده است. این کار با استفاده از روش های آنالیز گرمایی (DTA/DSC/TGA) و روش دیلاتومتری انجام شده است. روش دیلاتومتری بر روی نمونه های زینترشده، انجام شده است. پودرهای مورد نظر، در دماهای بالا کریستالی شده اند و بعد از آسیاب، نمونه های دارای خاصیت زینترینگ خوب، تولید شده اند.

مطالعات بر روی استحاله های فازی

نتایج مربوط به بررسی اولیه، به عنوان یک راهنما برای رفتار استحاله ی فازی، استفاده شده است. این کار با استفاده از تفرق اشعه ی X دما بالا (HTXRD) انجام شده است. این بررسی های تجربی در توسعه ی دیدی عمیق در مورد انبساط گرمایی و رفتار اسحاله ای، یاری رسان است. داده های مربوط به اشعه ی X، با استفاده از روش های فیت کردن مانند روش ریتولد و روش پائولی، مورد آنالیز قرار گرفته است و بدین صورت، رفتار انبساط گرمایی و استحاله ی فازی این مواد، مورد بررسی قرار گرفته است.

ارزیابی مقالات

یک بررسی بر روی مقالات در واقع فاز اولیه ی این کار بوده است. PI و همکارانش نیز مقالات علمی مختلفی را مورد بررسی قرار داده بودند. این کار در دانشگاه الینویز و از طریق اینترنت انجام شده است.
جدول 5 شامل لیستی از دیتابیس هایی است که برای جمع آوری اطلاعات در مورد خواص استحاله ی فازی و خواص گرمایی اکسیدهای تک فازی و دوفازی، مورد استفاده قرار گرفته است. اگر چه هر خاصیت گرمایی و حتی هر خاصیت گرمایی از این مواد، در نظر گرفته شده اند، این مورد خارج از رویه ی بررسی این تحقیق می باشد. در نهایت، در این تحقیق، به یک لیست 12 تایی از ترکیبات مختلف رسیده ایم. معیار اصلی در انتخاب ترکیبات عبارتست از:
1. پایداری در دماهای بالا و در محیط هوا
2. حضور استحاله های فازی دما بالا که همراه با تغییر حجمی یا شکلی قابل توجه می باشند.
تمرکز در اینجا، بر روی شناسایی ترکیباتی است که سبک وزن باشند. علاوه بر آگاهی در مورد خواص دما بالای این مواد مانند انبساط حرارتی و ...، جزئیات ضروری در مورد روش مورد استفاده در اندازه گیری نیز، از موارد مهم می باشد.

روش آزمایش و دستورالعمل ها

آنالیز حرارتی دما بالا بوسیله ی دیلامتومتری و TGA/DSC
روش های آنالیز حرارتی متداول یعنی روش های TGA/DSC و دیلاتومتری، به عنوان ابزارهای مناسب برای بررسی شروع کریستالیزاسیون نمونه های پودری سنتز شده و تعیین دماهای مربوط به استحاله های فازی، استفاده می شود. همچنین با استفاده از این بررسی ها، می توان رفتار گرمایی مربوط به نمونه های بالک پلی کریستال را در گستره ی دمایی وسیع، بدست آورد (شکل 7a و 7b). . داده های TGA که به همراه داده های مربوط به DSC استفاده می شود، به عنوان یک روش بررسی و ارزیابی نمونه های حرارت دیده، مورد استفاده قرار می گیرد.
تفرق اشعه ی X دما بالا و درجا
تفرق اشعه ی x دما بالا و درجا (HTXRD)، روشی مناسب برای اندازه گیری خواص فیزیکی مانند انبساط حرارتی و استحاله های فازی و ... می باشد. هر استحاله ی فازی تشخیص داده شده بوسیله ی مطالعات آنالیز گرمایی، با تفرق اشعه ی x دما بالا و درجا (HTXRD) نیز مورد ارزیابی قرار می گیرد. در این روش، پارامترهای کریستالوگرافی و ترکیبی، می تواند برای استحاله های فازی و هر واکنش دیگری، مورد استفاده قرار گیرد. با استفاده از HTXRD، نمونه های پودری آماده سازی شده و عمل آوری شده، از لحاظ موارد زیر، مورد آنالیز قرار گرفته اند:
1. ترکیب فازی کمی
2. انبساط حرارتی هر فاز
3. رفتار استحاله ی فازی با استفاده از تابش سینگوترونی
پارامترهای شبکه و فازهای موجود در استحاله، نیز تعیین شده است. اطلاعات مربوط به روابط میان ساختار و خواص، که به صورت درجا، اندازه گیری شده است، برای توسعه ی مواد سرامیکی مورد استفاده در کاربردهای خاص، ضروری می باشد.

دستورالعمل مربوط به تفرق اشعه ی X در جا در دمای بالا

روش های مختلفی وجود دارد که برای تولید دماهای بالا در ادات تفرق اشعه ی X ، مورد استفاده قرار می گیرد. این روش ها، عبارتند از روش های حرارت دهی بر پایه ی حرارت دهی مقاومتی، حرارت دهی با شعله، حرارت دهی القایی و حرارت دهی تابشی.
روش های تفرق اشعه ی X سنتی برای تشخیص فازهای موجود در نمونه ها، مورد استفاده قرار می گیرد. این روش ها نه تنها زمان بر بوده، بلکه همچنین نویز زیادی نیز در امواج مشاهده می شود. علاوه بر این، اندازه گیری بر روی نمونه ها در دمای بالا و با زمان زیاد، معمولاً قابل اجرا نیست.
تلاش های زیادی در زمینه ی افزایش کیفیت داده ها و کاهش میزان زمان مورد نیاز برای اندازه گیری ها، شده است. روش های مختلف مورد استفاده می تواند به صورت زیر، طبقه بندی شوند:
1. سیستم های مالتی دتکتور
2. سیستم های مجهز به دتکتورهای اشعه ی X حساس که شامل دستگاه های شمارش بسیار حساس می باشند (مانند INEL). همچنین وسایل کوپل بار (مانند CCDs) و یا سیستم های تصویربرداری مسطح (IP). اگر چه ستاپ مجهز به چند دتکتور در زمانی که به همراه کریستال های آنالیزور مورد استفاده قرار گیرد، رزولیشن مناسبی در داده های مربوط به XRD ایجاد می کند، این روش هنوز هم نیازمند زمان زیادی در حد چند ساعت برای انجام آزمایش می باشد. موقعیت های دتکتورهای حساس بر پایه ی CCDs یا کنترهای خطی می تواند گستره ی وسیعی از زوایا را پوشش دهد و بدین وسیله، تفرق مناسبی تشکیل می شود. دتکتورهای IP دارای پیکربندی های مختلفی است. این پیکربندی ها از حالت مسطح گرفته تا حالت خمیده متغیر می باشد. محدودیت های متداول در زمینه ی دتکتورهای IP وابسته به الزامات مربوط به اسکنر IP است. این مورد شامل قابلیت تولید محل قرارگیری IP است. این مورد علاوه بر مرحله ی بازخوانی صفحات دو بعدی است. سایر محدودیت های موجود، زاویه ی دسترسی کوچک در هندسه ی مسطح و رزونانس فضایی پایین می باشد ک به علت وجود نمونه های کوتاه ایجاد می شود.
یک دتکتور صفحه ای یک بعدی (CIP) بوسیله ی PI و آزمایشگاه تابش سینکروترون هامبورگ (HASYLAB) توسعه یافته است که عملکرد آن بر اساس دتکتور OBI می باشد. دتکتور OBI نیز قبلا بوسیله ی HASYLAB توسعه یافته است. محدودیت این دتکتور به یک بعد موجب می شود تا پیچیدگی مکانیکی کاهش یافته و زمان مورد نیازز برای خواندن IP نیز کاهش یابد. دتکتور CIP به طور قابل توجهی بهبود یافته است و رزولیشن آن اصلاح شده است. این دتکتور برای کار با کوره های لامپی چهار قطبی، طراحی شده است و دمای آن در هوا، تا 2000 درجه نیز می رسد.

کوره های لامپی چهارقطبی

کوره های لامپی چهارقطبی (QLF) شامل 4 لامپ هالوژن فروسرخ به همراه رفلکتورهای بیضوی است. تابش بوسیله ی این لامپ های هالوژنی از گستره ی مرئی به گستره ی فروسرخ گسترش می یابد. سطح تابش بوسیله ی طلا، پوشش داده می شود و بدین وسیله ی میزان انعکلاس فروسرخ بهبود می یابد. حباب در داخل محفظه ی خاصی قرار داده می شوند به نحوی که مرکز فیلمان تنگستنی، محفظه ای به طول 3 میلی متر، 1 میلی متر و 5 میلی متر، ایجاد کند. 4 لامپ در یک محفطه ی برنجی آبگرد، واقع می شوند به نحوی که تمرکز ثانویه بر روی 4 سطح بیضوی قرار دارد. شکل 8 نشاندهنده ی سطح مقطع تصویر واقعی فیلمان های لامپ را نشان می دهد. این بخش یک نقطه ی گرم ایجاد می کند. محفظه ی لامپ، که در ان لامپ قرار دارد و همچنین کوره، با آب خنک سازی می شود. QLF به همراه یک تابش سنکرترون ترکیب می شود تا بدین صورت، رزولیشن بالایی به صورت در جا در داده های HTXRD ایجاد شود.
شکل 9 نشاندهنده ی ستاپ کوره می باشد. این کوره دارای یک ورودی مدور برای ورود اشعه ی سنگترون و یک شکاف قائم به ارتفاع 4.2 سانتیمتر و 0.7 سانتیمتر عرض در بخش دتکتور، می باشد. این شکاف موجب می شود تا اشعه ی تفرق یافته ی مناسبی وارد دتکتور شود. به منظور بدست آوردن یک تفرق مناسب در الگوی اشعه ی X، تابش با طول موج مورد استفاده قرار گرفته است.
چهار لامپ هالوژن در QLF به صورت سری، به هم متصل می شوند و دما در نقطه ی وسط این کوره با دقت کنترل می شود. این کار با استفاده از یک ترموکوپل نوع B انجام می شود (ترموکوپلی با Pt30%، Rh-Pt6%Rh).
نتایج بدست آمده
با توجه به مقاله های مورد بررسی، این مقاله، به بررسی مستقیم و غیر مستقیم 8000 مقاله، مبادرت ورزیده است. المان هایی که در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته اند، در شکل 10 نشان داده شده است. همانگونه که می دانید، این تحقیق محدود به ترکیبات تک فازی و دو فازی می باشد که شامل بورات ها، کربونات ها، آلومینات ها، سیلیکات ها، فوسفات ها، گالات ها، ژرمانات ها، تیتانات ها، نیوبات ها و تانتالات ها، می باشد. تمرکز این مقاله بر روی استحاله های فازی، ساختار کریستالی و خواص گرمایی می باشد و در این تحقیق، تلاش شد تا از کلمه واژه های مناسب، استفاده شود. برای مثال، استحاله های فازی بیشترین استفاده را در سرامیک دارد اما اکثر این استحاله ها، بوسیله ی متخصصین شیمی یا فیزیکدان ها، کشف شده اند.
اولین و بهترین نتیجه گیری حاصله، هم پوشانی قابل توجه در زمینه ی مقالات عملی می باشد. این مسئله بر اساس غربال گری های انجام شده در دیتابیس های مختلف، منتج شده است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.