محققان پژوهشگاه مواد و انرژی در طرحی به بررسی اثر نانوذرات بر خواص مکانیکی و حرارتی سرامیک‌های مورد استفاده در عایق‌های حرارتی پرداختند. در این طرح اثر تعداد لایه‌های مورد استفاده نیز بررسی شده و مدلی ریاضی برای پیش‌بینی رفتار آن‌ها ارائه شده است.
پژوهشگاه مواد و انرژی: ساخت عایق‌های حرارتی سرامیکی چندلایه با نانوذرات
آلومینا دارای خواص شیمیایی و فیزیکی مناسبی است، اما از لحاظ مقاومت به شکست ضعیف است. برای بهبود این مشکل از نانوذرات زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا استفاده می‌شود. از طرفی مواد چند لایه (Functionally Graded Materials) دارای خواص بهتری در مقایسه با مواد تک لایه، در شرایط باردهی یکسان هستند. در این تحقیق نانوکامپوزیت‌‌های چندلایه‌ای از آلومینا و درصدهای مولی گوناگون زیرکونیای تثبیت شده ساخته شده است. هدف این طرح بررسی رفتار حین تف جوشی(سینتر) و خواص مکانیکی قطعات چندلایه با ترکیب شیمیایی متفاوت بوده است.
نتایج این طرح در حوزه‌های مواد پیشرفته به‌خصوص عایق‌های حرارتی تحت تنش قابل کاربرد است. علاوه بر این می‌توان از آن در ساخت مواد کاشتنی زیست‌سازگار دندانی و استخوانی نیز استفاده نمود.
در این طرح ریزساختار، خواص فیزیکی و حرارتی حین تف جوشی و همچنین خواص مکانیکی قطعات چند لایه مورد ارزیابی قرار گرفته است. رفتار حین تف جوشی قطعات چند لایه برای اولین بار توسط مدل‌های ریاضی شبیه‌سازی شده است. با مدل‌سازی انجام شده بر رفتار حرارتی و مشخص کردن تانسور کرنش حرارتی، به‌راحتی می‌توان هزینه‌های بعدی برای طراحی قطعات کامپوزیتی از نانو مواد آلومینا-زیرکونیا و حتی سایر مواد سرامیکی مشابه را کاهش داد.
این طرح با عنوان”نانو بیو‌کامپوزیت آلومینا زیرکونیای چقرم شده با ایتریا“ به شماره‌ی ۶۴۶۴۵ به ثبت رسیده است.
به گفته‌ی حمید اصفهانی، دانشجوی دکترای مهندسی مواد، به طورکلی مقدار سختی و چقرمگی در نمونه‌های چندلایه بیش از نمونه‌های دولایه است. وی معتقد است استفاده از ذرات نانومتری دستیابی به این خواص مکانیکی مناسب را امکان‌پذیر کرده است. علاوه براین، به کمک نانوذرات دمای مؤثر تف جوشی کاهش و رفتار حین تف جوشی مواد بهبود یافته است. همچنین خواص حرارتی بدنه‌ی تولید شده به‌دلیل استفاده از نانوذرات و همچنین توزیع تنش حرارتی بهبود یافت.
در روند انجام این تحقیقات، در ابتدا نانوذرات زیرکونیا ابتدا با ۳ درصد مولی نانو ذرات ایتریا مخلوط شد. نانوذرات آلومینا در ترکیب‌های متفاوت از زیرکونیای تثبیت شده در بستر استن مخلوط و از الک با مش ۲۵۰ میکرومتر عبور داده شد. به کمک پانچی با سطح برآمده و فرورفته، لایه‌ها در قالب پرس تک محور روی یکدیگر قرار گرفتند. نمونه‌ها در دمای ۱۶۵۰ درجه سانتی‌گراد در اتمسفر هوا تف جوشی شدند. در این تحقیق اثر فشار پرس بر چگالی نهایی، ساختار و وضعیت ترک‌ها در سطح تماس لایه‌ها بررسی شده است. همچنین به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و پرتو ایکس (X-Ray Map) سطوح تماسی از لحاظ ترکیب و ساختار مورد ارزیابی قرار گرفتند. سختی و چقرمگی شکست نیز به کمک روش ویکرز از لایه‌های مختلف گرفته شد.
در این گزارش آمده است که اگرچه با افزایش فشار پرس، تراکم نمونه بهبود می‌یابد اما یک مقدار بهینه برای این عامل وجود دارد. فشارهای بیشتر از مقدار بهینه، موجب تخریب نمونه در هنگام تف جوشی، به‌علت برگشت فنری می‌شود. از طرفی با افزایش میزان زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا، سختی نمونه کاهش و تافنس آن افزایش و تف جوشی لایه‌ها با میزان بیشتر زیرکونیا دشوارتر می‌شود.
باید دقت داشت که به‌دلیل عدم انطباق ضریب انبساط حرارتی لایه‌ها در بدنه با ساختار گرادیانی، میزان انقباض حین تف جوشی متفاوتی در لایه‌ها رخ می‌دهد. در این تحقیق به بررسی میزان این انقباض‌ها پرداخته شده است. بر اساس مدلی پیشنهادی امکان پیش‌بینی رفتار تغیر فرم برای بدنه‌ای با تعداد لایه‌های مختلف فراهم گردیده است.
اصفهانی در ادامه به سایر نتایج حاصل شده اشاره کرد و افزود: «طبق نتایج فاز شناسی قطعه تولید شده توسط الگوی پراش پرتو ایکس XRD، زیرکونیا به‌صورت فاز تتراگونال تثبیت شده است. این فاز منجر به بهبود تافنس شکست بدنه سرامیک در اثر مکانیسم استحاله مارتنزیتی می‌شود. همچنین با سنجش نتایج سختی و چقرمگی شکست از نمونه دارای ۵ لایه نانو کامپوزیت مشخص شده که تغییرات خواص مکانیکی به‌صورت تدریجی و متناسب با تغییرات زیرکونیا در بدنه تغییر می‌کند.»
به‌طور کل می‌توان گفت که نتایج این کار تحقیقاتی در پیشبرد صنایع وابسته به مواد پیشرفته و کامپوزیت‌ها خصوصاً در حوزه‌ی فناوری نانو بسیار مفید خواهد بود.
این طرح حاصل همکاری گروه تحقیقاتی مواد پیشرفته به سرپرستی دکتر اسماعیل صلاحی در پژوهشگاه مواد و انرژی است که نتایج آن در مجله‌ی Ceramics International (جلد ۴۰، شماره ۲، سال ۲۰۱۴، صفحات ۲۷۱۷ تا ۲۷۲۲) به چاپ رسیده است.
