پژوهشگران دانشگاهی در مطالعات خود اقدام به ساخت کامپوزیت‌های قابل کاربرد در محدوده دمایی فوق گرم نمودند. این کامپوزیتها به دلیل برخورداری از خواص مکانیکی مطلوب در دماهای بالا، سبب افزایش کارآیی و طول عمر سازه‌های کاربردی در صنعت هوافضا خواهند شد.
دانشگاه صنعتی مالک اشتر: رفع محدودیت کامپوزیتها در دماهای فوق گرم
امروزه نیاز به مواد جدیدی که علاوه بر قابلیت کارکرد در اتمسفرهای اکسیدی و خورنده، توانایی تحمل دماهای بالاتر از ۲۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد را به مدت زمان طولانی داشته باشند، در صنایع مختلف به ویژه صنعت هوافضا به شدت احساس می‌شود. این مواد با توجه به نوع کاربرد و شرایط کاری، قابلیت حفظ خواص مکانیکی خود را در دماهای بالا دارند. سرامیک‌های فوق دما بالا (UHTC) و کامپوزیت‌های ساخته شده بر پایه‌ی آن‌ها (به ویژه دی‌بورید زیرکونیم و دی‌بورید هافنیوم)، که به عنوان گروهی از مواد پیشرفته شناخته می‌شوند، بهترین گزینه برای رفع این نیازها هستند.
علیرضا عبدالهی، دانشجوی دکترای مهندسی مواد، با اشاره به اهمیت موضوع عنوان کرد: «هدف اصلی این تحقیق، دستیابی به دانش فنی ساخت قطعاتی از جنس کامپوزیت‌هایی بر پایه‌ی دی بورید زیرکونیوم (ZrB2) با روشی با قابلیت صنعتی شدن، بوده است. بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی و رفتار تف‌جوشی (سینتر) این کامپوزیتها با استفاده افزودنی‌های کاربید سیلیسیم (SiC) در دو مقیاس نانو و میکرون، دی‌سیلیسید مولیبدن (MoSi2) و کاربید بور (B4C) از دیگر اهداف این طرح به شمار می‌رفت.»
با توجه به نتایج به دست آمده در این تحقیق، بسیاری از محدودیت‌های کار در دماهای بالا بر طرف شده است. به عبارت بهتر، امکان ساخت قطعاتی با خواص دما بالای مناسب جهت ساخت قطعات مورد استفاده در صنعت هوافضا از جمله فضاپیماهای مافوق صوت، هواپیماهای ورود مجدد به جو، قطعات حساس در سیستم‌های پیشرانش مانند گلویی نازل‌ها، پوشش‌های سپر حرارتی (TBC)، دیسک ترمز هواپیماها، قطعات مجموعه‌های پرتابی (بالستیک) و قطعات موتور جت فراهم خواهد شد. البته از این مواد در ساخت قطعات دیگری نظیر المنت کوره‌ها، بوته‌های دیرگداز، بست‌های مکانیکی دما بالا، راکتورهای هسته‌ای و قطعات توربین‌های گازی نیز استفاده می‌شود.
به طور دقیق‌تر، تافنس شکست این کامپوزیتها در حضور نانوذرات به طور قابل توجهی افزایش یافته و در نتیجه شکست آن‌ها در تنش‌های بالاتر و در مدت زمان‌های طولانی‌تر رخ خواهد داد. این مسئله طول عمر و راندمان سازه‌های دما بالا را افزایش داده و درنتیجه منجر به کاهش هزینه‌ها می‌شود.
عبدالهی افزود: «در تمامی مراحل انجام این تحقیق از تجهیزات موجود در داخل کشور استفاده شده است. از طرف دیگر با توجه به نیاز روزافزون صنایع مختلف به این قطعات و وجود دانش فنی ساخت آن‌ها، امید است تولید تجاری آن در درون کشور تحقق یابد.»
به گفته‌ی این محقق، برای ساخت کامپوزیت‌هایی بر پایه دی‌بورید زیرکونیوم روش‌های مختلفی از جمله تف‌جوشی به کمک قوس پلاسما (SPS)، پرس داغ و پرس ایزواستاتیک گرم (HIP) وجود دارد. اما یکی از ساده‌ترین روش‌ها در تولید این کامپوزیتها، که در این تحقیق نیز از آن استفاده شده است، روش تف‌جوشی بدون فشار (pressureless sintering) است. به این صورت که پس از مخلوط شدن مواد اولیه در آسیاب ماهواره‌ای، مرحله شکل‌دهی در یک پرس تک محوره صورت گرفته و قطعه بلافاصله وارد دستگاه پرس ایزواستاتیک سرد می‌شود. در مرحله‌ی بعد، به منظور حذف مواد فرار و رزین، نمونه‌های پرس شده تحت عملیات پیرولیز قرار گرفته و در نهایت نیز فرآیند تف‌جوشی در محدوده‌ی دمایی ۲۳۰۰-۱۹۰۰ درجه‌ی سانتی گراد بر روی نمونه‌ها صورت گرفت.
نتایج به دست آمده در این تحقیق نشان می‌دهند که در کامپوزیت‌هایZr(Hf)B2 با کاهش اندازه ذرات کاربید سیلیسیم، استحکام و مدول نمونه افزایش پیدا کرده است. به عبارتی حضور نانوذرات کاربید سیلیسیم باعث افزایش خواص مکانیکی می‌شود. از طرفی این نانوذرات تحرک‌پذیری مرزدانه‌ها را کاهش می‌دهند. نانوذرات SiC با ممانعت کردن از حرکت مرزدانه‌ها از رشد دانه‌های زمینه جلوگیری کرده و موجب افزایش خواص کامپوزیت می‌گردند. یکی دیگر از دلایل افزایش استحکام این کامپوزیتها تغییر مسیر مداوم ترک است. این تغییر مسیر به دلیل تغییر شکل مرزدانه‌ها در اثر نفوذ نانوذرات به داخل آن‌هاست که در نهایت منجر به کاهش انرژی ترک و افزایش استحکام کامپوزیت می‌شود.
این کار تحقیقاتی با همکاری علیرضا عبدالهی و دکتر مهری مشهدی- عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی مالک اشتر تهران- انجام شده که نتایج آن در مجله‌ی Ceramics International (جلد ۴۰، شماره ۷، سال ۲۰۱۴، صفحات ۱۰۷۶۷ تا ۱۰۷۷۶) به چاپ رسیده است.
علیرضا عبدالهی، دانشجوی دکترای مهندسی مواد، با اشاره به اهمیت موضوع عنوان کرد: «هدف اصلی این تحقیق، دستیابی به دانش فنی ساخت قطعاتی از جنس کامپوزیت‌هایی بر پایه‌ی دی بورید زیرکونیوم (ZrB2) با روشی با قابلیت صنعتی شدن، بوده است. بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی و رفتار تف‌جوشی (سینتر) این کامپوزیتها با استفاده افزودنی‌های کاربید سیلیسیم (SiC) در دو مقیاس نانو و میکرون، دی‌سیلیسید مولیبدن (MoSi2) و کاربید بور (B4C) از دیگر اهداف این طرح به شمار می‌رفت.»
با توجه به نتایج به دست آمده در این تحقیق، بسیاری از محدودیت‌های کار در دماهای بالا بر طرف شده است. به عبارت بهتر، امکان ساخت قطعاتی با خواص دما بالای مناسب جهت ساخت قطعات مورد استفاده در صنعت هوافضا از جمله فضاپیماهای مافوق صوت، هواپیماهای ورود مجدد به جو، قطعات حساس در سیستم‌های پیشرانش مانند گلویی نازل‌ها، پوشش‌های سپر حرارتی (TBC)، دیسک ترمز هواپیماها، قطعات مجموعه‌های پرتابی (بالستیک) و قطعات موتور جت فراهم خواهد شد. البته از این مواد در ساخت قطعات دیگری نظیر المنت کوره‌ها، بوته‌های دیرگداز، بست‌های مکانیکی دما بالا، راکتورهای هسته‌ای و قطعات توربین‌های گازی نیز استفاده می‌شود.
به طور دقیق‌تر، تافنس شکست این کامپوزیتها در حضور نانوذرات به طور قابل توجهی افزایش یافته و در نتیجه شکست آن‌ها در تنش‌های بالاتر و در مدت زمان‌های طولانی‌تر رخ خواهد داد. این مسئله طول عمر و راندمان سازه‌های دما بالا را افزایش داده و درنتیجه منجر به کاهش هزینه‌ها می‌شود.
عبدالهی افزود: «در تمامی مراحل انجام این تحقیق از تجهیزات موجود در داخل کشور استفاده شده است. از طرف دیگر با توجه به نیاز روزافزون صنایع مختلف به این قطعات و وجود دانش فنی ساخت آن‌ها، امید است تولید تجاری آن در درون کشور تحقق یابد.»
به گفته‌ی این محقق، برای ساخت کامپوزیت‌هایی بر پایه دی‌بورید زیرکونیوم روش‌های مختلفی از جمله تف‌جوشی به کمک قوس پلاسما (SPS)، پرس داغ و پرس ایزواستاتیک گرم (HIP) وجود دارد. اما یکی از ساده‌ترین روش‌ها در تولید این کامپوزیتها، که در این تحقیق نیز از آن استفاده شده است، روش تف‌جوشی بدون فشار (pressureless sintering) است. به این صورت که پس از مخلوط شدن مواد اولیه در آسیاب ماهواره‌ای، مرحله شکل‌دهی در یک پرس تک محوره صورت گرفته و قطعه بلافاصله وارد دستگاه پرس ایزواستاتیک سرد می‌شود. در مرحله‌ی بعد، به منظور حذف مواد فرار و رزین، نمونه‌های پرس شده تحت عملیات پیرولیز قرار گرفته و در نهایت نیز فرآیند تف‌جوشی در محدوده‌ی دمایی ۲۳۰۰-۱۹۰۰ درجه‌ی سانتی گراد بر روی نمونه‌ها صورت گرفت.
نتایج به دست آمده در این تحقیق نشان می‌دهند که در کامپوزیت‌هایZr(Hf)B2 با کاهش اندازه ذرات کاربید سیلیسیم، استحکام و مدول نمونه افزایش پیدا کرده است. به عبارتی حضور نانوذرات کاربید سیلیسیم باعث افزایش خواص مکانیکی می‌شود. از طرفی این نانوذرات تحرک‌پذیری مرزدانه‌ها را کاهش می‌دهند. نانوذرات SiC با ممانعت کردن از حرکت مرزدانه‌ها از رشد دانه‌های زمینه جلوگیری کرده و موجب افزایش خواص کامپوزیت می‌گردند. یکی دیگر از دلایل افزایش استحکام این کامپوزیتها تغییر مسیر مداوم ترک است. این تغییر مسیر به دلیل تغییر شکل مرزدانه‌ها در اثر نفوذ نانوذرات به داخل آن‌هاست که در نهایت منجر به کاهش انرژی ترک و افزایش استحکام کامپوزیت می‌شود.
این کار تحقیقاتی با همکاری علیرضا عبدالهی و دکتر مهری مشهدی- عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی مالک اشتر تهران- انجام شده که نتایج آن در مجله‌ی Ceramics International (جلد ۴۰، شماره ۷، سال ۲۰۱۴، صفحات ۱۰۷۶۷ تا ۱۰۷۷۶) به چاپ رسیده است.
