محققان پژوهشکده‌ی سامانه‌های حمل و نقل فضایی موفق به ساخت آزمایشگاهی نانوالیاف سرامیکی شده‌اند که دمای ذوب بسیار بالایی دارد. این نانوالیاف از مواد اولیه‌ی کم هزینه و سازگار با محیط زیست تهیه شده است.
پژوهشکده سامانه‌های حمل و نقل فضایی: ساخت آزمایشگاهی نانوالیاف سرامیکی دما بالا
زیرکونیوم دی بورید نوعی سرامیک فوق دما بالا با نقطه‌ی ذوب بیش از ۳۲۰۰ درجه‌ی سانتی گراد است. این سرامیک از ویژگی‌های بی‌نظیری همچون سختی و هدایت الکتریکی بالا و مقاومت در برابر خوردگی و سایش بسیار عالی برخوردارست.
به گفته‌ی دکتر روح الله مهدی نواز اقدم، امروزه نیاز به این دسته از مواد که علاوه بر قابلیت کارکرد در اتمسفرهای اکسیدی و خورنده، توانایی تحمل دماهای بالاتر از دو هزار درجه سانتی‌گراد را به مدت زمان طولانی داشته باشند، در سیستم‌های سپر حرارتی، ابزار برش و توربین‌ها، بوته‌های ذوب و نگهداری فلزات مذاب به شدت احساس می‌شود. این مواد همچنین در صنایع هوافضا جهت ساخت عایق‌های حرارتی، بدنه‌های مورد استفاده در شرایط مافوق صوت و ناپایدار و ساخت اجزای الکتریکی – الکترونیکی کاربرد دارند.
دکتر مهدی نواز در خصوص هدف دنبال شده در این طرح عنوان کرد: «از آنجایی که نانو الیاف نسبت به نانوذرات دارای برتری‌هایی همچون مقاومت عالی در برابر شوک حرارتی شدید، ظرفیت تحمل بار دینامیکی بیشتر و چقرمگی شکست بالاتر هستند، بر آن شدیم تا زیرکونیوم دی بورید را به عنوان یک سرامیک دما بالا با ساختار نانو الیاف سنتز کنیم.»
اگر چه روش‌های مختلفی برای سنتز زیرکونیوم دی بورید مانند واکنش حالت جامد، الکتروشیمیایی و روش‌ها مکانیکی استفاده می‌شود، اما موانعی همچون درجه حرارت بالای سنتز، زمان تولید طولانی، خلوص پایین، اندازه دانه‌ی نسبتاً بزرگ در مسیر تولید آن‌ها وجود دارد.
به گفته‌ی این محقق برای غلبه بر این مشکلات، در این پژوهش نانو الیاف زیرکونیوم دی بورید( ZrB2 ) با استفاده از تهیه‌ی یک ژل حاوی مواد اولیه در ابعاد مولکولی و سپس الکتروریسی سل تهیه شده و احیای کربوترمال سنتز شده است. همچنین جهت سنتز نانو الیاف فوق از مواد اولیه‌ی ارزان قیمت و دوستدار محیط زیست استفاده شده است. لذا استفاده از پیش ماده‌های ارزان قیمت بدون نیاز به آماده‌سازی اولیه و نیز کاهش دمای عملیات حرارتی منجر به کاهش هزینه و کاهش آلودگی در سنتز این ماده شده است.
محصول نهایی، نانوالیاف غیر اکسیدی فوق دما بالا، با خلوص بالا و درجه‌ی کریستالی عالی بوده که میانگین قطر آن‌ها بین ۷۰ تا ۲۹۷ نانومتر گزارش شده است. مشخصات نانو الیاف الکتروریسی شده در هر مرحله با انجام آزمون‌های SEM، XRD، EDX و TG/DSC تعیین گردیده است.
به گفته‌ی دکتر روح الله مهدی نواز اقدم، امروزه نیاز به این دسته از مواد که علاوه بر قابلیت کارکرد در اتمسفرهای اکسیدی و خورنده، توانایی تحمل دماهای بالاتر از دو هزار درجه سانتی‌گراد را به مدت زمان طولانی داشته باشند، در سیستم‌های سپر حرارتی، ابزار برش و توربین‌ها، بوته‌های ذوب و نگهداری فلزات مذاب به شدت احساس می‌شود. این مواد همچنین در صنایع هوافضا جهت ساخت عایق‌های حرارتی، بدنه‌های مورد استفاده در شرایط مافوق صوت و ناپایدار و ساخت اجزای الکتریکی – الکترونیکی کاربرد دارند.
دکتر مهدی نواز در خصوص هدف دنبال شده در این طرح عنوان کرد: «از آنجایی که نانو الیاف نسبت به نانوذرات دارای برتری‌هایی همچون مقاومت عالی در برابر شوک حرارتی شدید، ظرفیت تحمل بار دینامیکی بیشتر و چقرمگی شکست بالاتر هستند، بر آن شدیم تا زیرکونیوم دی بورید را به عنوان یک سرامیک دما بالا با ساختار نانو الیاف سنتز کنیم.»
اگر چه روش‌های مختلفی برای سنتز زیرکونیوم دی بورید مانند واکنش حالت جامد، الکتروشیمیایی و روش‌ها مکانیکی استفاده می‌شود، اما موانعی همچون درجه حرارت بالای سنتز، زمان تولید طولانی، خلوص پایین، اندازه دانه‌ی نسبتاً بزرگ در مسیر تولید آن‌ها وجود دارد.
به گفته‌ی این محقق برای غلبه بر این مشکلات، در این پژوهش نانو الیاف زیرکونیوم دی بورید( ZrB2 ) با استفاده از تهیه‌ی یک ژل حاوی مواد اولیه در ابعاد مولکولی و سپس الکتروریسی سل تهیه شده و احیای کربوترمال سنتز شده است. همچنین جهت سنتز نانو الیاف فوق از مواد اولیه‌ی ارزان قیمت و دوستدار محیط زیست استفاده شده است. لذا استفاده از پیش ماده‌های ارزان قیمت بدون نیاز به آماده‌سازی اولیه و نیز کاهش دمای عملیات حرارتی منجر به کاهش هزینه و کاهش آلودگی در سنتز این ماده شده است.
محصول نهایی، نانوالیاف غیر اکسیدی فوق دما بالا، با خلوص بالا و درجه‌ی کریستالی عالی بوده که میانگین قطر آن‌ها بین ۷۰ تا ۲۹۷ نانومتر گزارش شده است. مشخصات نانو الیاف الکتروریسی شده در هر مرحله با انجام آزمون‌های SEM، XRD، EDX و TG/DSC تعیین گردیده است.
تصویر SEM نانوالیاف زیرکونیوم دی بورید سنتز شده
این تحقیقات حاصل تلاش‌های دکتر روح الله مهدی نواز اقدم- پژوهشگر و مدیر بخش نانو فناوری پژوهشکده‌ی سامانه‌های حمل و نقل فضایی- و همکارانش است. نتایج این کار در مجله‌ی Ceramics International (جلد ۴۱، شماره ۵، سال ۲۰۱۵، صفحات ۶۹۰۵ تا ۶۹۱۱) منتشر شده است.
