محققان دانشگاه صنعتی اصفهان در راستای تولید نانوپودرهای سرامیکی پایدار، روشی جدید پیشنهاد داده‌اند. نتایج این تحقیقات مورد توجه صنایع مختلفی از جمله صنایع هوا فضا، تولید سرامیک‌ها و پیل‌های سوختی قرار خواهد گرفت.
اصفهان: امکان ساخت نانوپودرهای سرامیکی پایدار در دمای محیط
زیرکونیا سه ساختار متفاوت مونوکلینیک، چهار وجهی(تتراگونال) و مکعبی(کوبیک) دارد. در دمای محیط ساختار مونوکلینیک و در دماهای بالا ساختارهای چهار وجهی و مکعبی پایدارند. زیرکونیای پایدار شده در صنایع مختلف از جمله تولید حسگرهای اکسیژنی و غشاهای سلول سوختی استفاده می‌شوند. علت استفاده از آن در این کاربردها عبور آسان یون‌های اکسیژن از میان ساختار آن‌ها در دمای بالا است. این امر باعث می‌شود تا از این ماده به عنوان یک الکتروسرامیک مهم یاد گردد.
ویژگی اصلی نتایج این کار، ایجاد ساختارهایی از زیرکونیاست که در شرایط عادی، تنها در دماهای بالاتر از ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد پایدار هستند. محدوده‌ی اندازه ذرات تولید شده حدود ۵۰ نانومتر است.
با کاربرد این روش تولید، در هزینه‌های تولید تجهیزاتی همچون حسگرها و پیل‌های سوختی، صرفه جویی خواهد شد. کاهش هزینه‌ها و آلودگی‌های ناشی از فرایندهای تولید زیرکونیم از دیگر فواید روش پیشنهادی است.
محسن گلزارشهری، دانشجوی دکترای نانومواد دانشگاه صنعتی اصفهان، در گفتگو با بخش خبری ستاد توسعه‌ی فناوری نانو بیان کرد: «در این تحقیق ابتدا سعی شد با استفاده از آسیاکاری ساختارهای چهار وجهی و مکعبی را در دمای محیط ایجاد کرده و سپس این ساختارها را پایدار نماییم. نکته‌ی قابل توجه در این فرایند، تولید نانو ذرات زیرکونیای چهار وجهی و مکعبی از پودر مونوکلینیک اولیه است.»
اندازه ذرات نانومتری پودر نهایی، کاربردهای بدیعی برای این پودر پدیدار کرده است. رادارگریزی پودر در صورت اختلاط اندازه ذرات متفاوت برای کاربردهای هوافضا، تولید فلز زیرکونیوم در دمای پایین و نهایتاّ ساخت حسگرهای اکسیژنی و پیل سوختی با راندمان بالا از جمله کاربردهای این نانوذرات به شمار می‌رود.
در این پژوهش ابتدا با استفاده از آسیاب گلوله‌ای سیاره‌ای، پودر زیرکونیا آسیاکاری و در مراحل مختلف فرایند، پارامترهای موثر بر آن بهینه شد. با استفاده از پارامترهای بهینه و انجام فرایند در زمان‌های مختلف (از ۲ تا ۱۵۰ ساعت) ساختارهای مختلف زیرکونیا به صورت پایدار و نیمه پایدار تولید گردید. در نهایت نیز ساختارهای حاصله با استفاده از اکسیدهای مختلف و طی فرایند آسیاکاری مشابه پایدار شد.
گلزار شهری در ادامه به فواید استفاده از ساختارهای زیرکونیا اشاره کرد و افزود: «فاز چهاروجهی می‌تواند فازی نیمه پایدار باشد. چنانچه میزان کافی از فاز چهاروجهی نیمه پایدار در بدنه یک قطعه (مثلاً بدنه‌ی موشک) وجود داشته باشد و تنشی برآن اعمال شود، با افزایش میزان تنش در نوک ترک، تبدیل فازی چهاروجهی به مونوکلینیک رخ داده و افزایش حجم اتفاق می‌افتد. این افزایش حجم موجب می‌شود ترک تحت فشار قرار گرفته شود و از رشد آن جلوگیری شود. فاز مکعبی زیرکونیا نیز دارای رسانایی گرمایی بسیار پایینی است. این مسئله منجر می‌شود تا از این ماده به عنوان پوششی در برابر حرارت (TBC) در جت و موتورهای دیزلی استفاه شود.»
نتایج این تحقیقات در مجله‌ی Ceramics International (جلد ۴۰، شماره ۸، سال ۲۰۱۴، صفحات ۱۳۲۱۷ تا ۱۳۲۲۱) به چاپ رسیده است. این مطالعات حاصل همکاری دکتر علی سعیدی، دکتر علی شفیعی- اعضای هیأت علمی دانشگاه صنعتی اصفهان و محسن گلزار شهری بوده است.
ویژگی اصلی نتایج این کار، ایجاد ساختارهایی از زیرکونیاست که در شرایط عادی، تنها در دماهای بالاتر از ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد پایدار هستند. محدوده‌ی اندازه ذرات تولید شده حدود ۵۰ نانومتر است.
با کاربرد این روش تولید، در هزینه‌های تولید تجهیزاتی همچون حسگرها و پیل‌های سوختی، صرفه جویی خواهد شد. کاهش هزینه‌ها و آلودگی‌های ناشی از فرایندهای تولید زیرکونیم از دیگر فواید روش پیشنهادی است.
محسن گلزارشهری، دانشجوی دکترای نانومواد دانشگاه صنعتی اصفهان، در گفتگو با بخش خبری ستاد توسعه‌ی فناوری نانو بیان کرد: «در این تحقیق ابتدا سعی شد با استفاده از آسیاکاری ساختارهای چهار وجهی و مکعبی را در دمای محیط ایجاد کرده و سپس این ساختارها را پایدار نماییم. نکته‌ی قابل توجه در این فرایند، تولید نانو ذرات زیرکونیای چهار وجهی و مکعبی از پودر مونوکلینیک اولیه است.»
اندازه ذرات نانومتری پودر نهایی، کاربردهای بدیعی برای این پودر پدیدار کرده است. رادارگریزی پودر در صورت اختلاط اندازه ذرات متفاوت برای کاربردهای هوافضا، تولید فلز زیرکونیوم در دمای پایین و نهایتاّ ساخت حسگرهای اکسیژنی و پیل سوختی با راندمان بالا از جمله کاربردهای این نانوذرات به شمار می‌رود.
در این پژوهش ابتدا با استفاده از آسیاب گلوله‌ای سیاره‌ای، پودر زیرکونیا آسیاکاری و در مراحل مختلف فرایند، پارامترهای موثر بر آن بهینه شد. با استفاده از پارامترهای بهینه و انجام فرایند در زمان‌های مختلف (از ۲ تا ۱۵۰ ساعت) ساختارهای مختلف زیرکونیا به صورت پایدار و نیمه پایدار تولید گردید. در نهایت نیز ساختارهای حاصله با استفاده از اکسیدهای مختلف و طی فرایند آسیاکاری مشابه پایدار شد.
گلزار شهری در ادامه به فواید استفاده از ساختارهای زیرکونیا اشاره کرد و افزود: «فاز چهاروجهی می‌تواند فازی نیمه پایدار باشد. چنانچه میزان کافی از فاز چهاروجهی نیمه پایدار در بدنه یک قطعه (مثلاً بدنه‌ی موشک) وجود داشته باشد و تنشی برآن اعمال شود، با افزایش میزان تنش در نوک ترک، تبدیل فازی چهاروجهی به مونوکلینیک رخ داده و افزایش حجم اتفاق می‌افتد. این افزایش حجم موجب می‌شود ترک تحت فشار قرار گرفته شود و از رشد آن جلوگیری شود. فاز مکعبی زیرکونیا نیز دارای رسانایی گرمایی بسیار پایینی است. این مسئله منجر می‌شود تا از این ماده به عنوان پوششی در برابر حرارت (TBC) در جت و موتورهای دیزلی استفاه شود.»
نتایج این تحقیقات در مجله‌ی Ceramics International (جلد ۴۰، شماره ۸، سال ۲۰۱۴، صفحات ۱۳۲۱۷ تا ۱۳۲۲۱) به چاپ رسیده است. این مطالعات حاصل همکاری دکتر علی سعیدی، دکتر علی شفیعی- اعضای هیأت علمی دانشگاه صنعتی اصفهان و محسن گلزار شهری بوده است.
