محققان دانشگاه تبریز با به کارگیری نانوذرات گرافیت، موفق به ساخت نمونه‌های آزمایشگاهی سرامیک‌های دما بالا شدند. سرامیک‌های ساخته شده، ساختار متراکم و غیر متخلخل داشته و از چقرمگی شکست بالایی برخوردارند. در صورت دستیابی به تولید انبوه، کاربرد این کامپوزیت
تبریز: ساخت نمونه‌های آزمایشگاهی سرامیک‌های دما بالا با خواص بهبود یافته
دی‌بورید زیرکونیم (ZrB2)، در میان کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی دما بالا، گزینه‌ی مناسب و مورد توجهی است. این مواد در سیستم‌های حفاظت حرارتی برای کاربردهای هوا فضا، هواپیماهای مافوق صوت، اجزای موشک یا سایر کاربردهای صنعتی همانند الکترود قوس پلاسما و اجزای کوره استفاده می‌شود.
دکتر مهدی شاهدی اصل، در خصوص دلیل انجام این تحقیق عنوان کرد: «ساخت دی‌بورید زیرکونیم به عنوان عضوی از خانواده سرامیک‌های دما بالا با مشکلات عمده‌ای همراه است. از جمله می‌توان به دشواری دستیابی به چگالی کامل (ساختار غیر متخلخل) و چقرمگی شکست بالا (توانایی جذب انرژی که شکسته شدن و انهدام ماده را به تأخیر می‌اندازد) اشاره نمود. در این طرح برای بهبود ویژگی‌های مذکور در کامپوزیت‌های دی‌بورید زیرکونیم-کاربید سیلیسیم از افزودنی نانوگرافیت استفاده شده است.»
طبق نتایج بررسی‌ها، استفاده از این نانوافزودنی موجب افزایش چگالی نسبی تا نزدیکی ۱۰۰ درصد می‌شود و تقریباً همه تخلخل‌های نمونه از بین می‌روند. بهبود حدود ۳۰۰ درصدی در چقرمگی شکست نمونه‌ی تقویت شده با نانو گرافیت نسبت به نمونه‌ی سرامیکی فاقد افزودنی از دیگر دستاوردهای این پژوهش بوده است.
به گفته‌ی این محقق، یکی از راهکارهای پیشنهادی برای دستیابی به کامپوزیت‌های با ساختار بهینه، بهره‌گیری از فرآیندهایی است که هم‌زمان از دمای بسیار بالا و اعمال فشار بیرونی برای فشرده‌سازی مخلوط پودر استفاده می‌کنند. در این پژوهش برای ساخت نمونه‌ها از فرآیند پرس گرم استفاده شده است.
نکته‌ی حائز اهمیت این است که با استفاده از افزودنی نانوگرافیت، به دمای کمتری برای چگالش کامپوزیت نیاز است که صرفه‌جویی در مصرف انرژی را به دنبال دارد. بهبود ویژگی‌های مکانیکی نیز به افزایش طول عمر و قابلیت اطمینان قطعه می‌انجامد.
شاهدی اصل در خصوص نحوه‌ی تأثیرگذاری نانوذرات گرافیت بر بهبود خواص نمونه‌ها گفت: «پذیرش پایین تف‌جوشی توسط دی‌بورید زیرکونیم، مانع اصلی تولید قطعات فشرده بدون تخلخل است. با افزودن نانو گرافیت، نانوذرات با ناخالصی‌های اکسیدی سطح ذرات پودر واکنش می‌دهد و امکان اتصال هر چه بهتر ذرات پودر به یکدیگر را فراهم می‌سازد. همچنین چقرمگی شکست پایین این سرامیک، با حضور نانو گرافیت به عنوان فاز تقویت کننده، برطرف خواهد شد.»
در بررسی نمونه‌ها از بعد ریزساختاری و فازی، از روش‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی و پراش پرتو ایکس استفاده شده است. چگالی نمونه‌ی پرس گرم شده نیز به روش ارشمیدس و چگالی نظری با استفاده از قانون مخلوط‌ها محاسبه شد. همچنین چقرمگی شکست نمونه‌ها به روش اندازه‌گیری مستقیم طول ترک ایجاد شده با فرو رونده ویکرز برآورده شده است.
دکتر مهدی شاهدی اصل، در خصوص دلیل انجام این تحقیق عنوان کرد: «ساخت دی‌بورید زیرکونیم به عنوان عضوی از خانواده سرامیک‌های دما بالا با مشکلات عمده‌ای همراه است. از جمله می‌توان به دشواری دستیابی به چگالی کامل (ساختار غیر متخلخل) و چقرمگی شکست بالا (توانایی جذب انرژی که شکسته شدن و انهدام ماده را به تأخیر می‌اندازد) اشاره نمود. در این طرح برای بهبود ویژگی‌های مذکور در کامپوزیت‌های دی‌بورید زیرکونیم-کاربید سیلیسیم از افزودنی نانوگرافیت استفاده شده است.»
طبق نتایج بررسی‌ها، استفاده از این نانوافزودنی موجب افزایش چگالی نسبی تا نزدیکی ۱۰۰ درصد می‌شود و تقریباً همه تخلخل‌های نمونه از بین می‌روند. بهبود حدود ۳۰۰ درصدی در چقرمگی شکست نمونه‌ی تقویت شده با نانو گرافیت نسبت به نمونه‌ی سرامیکی فاقد افزودنی از دیگر دستاوردهای این پژوهش بوده است.
به گفته‌ی این محقق، یکی از راهکارهای پیشنهادی برای دستیابی به کامپوزیت‌های با ساختار بهینه، بهره‌گیری از فرآیندهایی است که هم‌زمان از دمای بسیار بالا و اعمال فشار بیرونی برای فشرده‌سازی مخلوط پودر استفاده می‌کنند. در این پژوهش برای ساخت نمونه‌ها از فرآیند پرس گرم استفاده شده است.
نکته‌ی حائز اهمیت این است که با استفاده از افزودنی نانوگرافیت، به دمای کمتری برای چگالش کامپوزیت نیاز است که صرفه‌جویی در مصرف انرژی را به دنبال دارد. بهبود ویژگی‌های مکانیکی نیز به افزایش طول عمر و قابلیت اطمینان قطعه می‌انجامد.
شاهدی اصل در خصوص نحوه‌ی تأثیرگذاری نانوذرات گرافیت بر بهبود خواص نمونه‌ها گفت: «پذیرش پایین تف‌جوشی توسط دی‌بورید زیرکونیم، مانع اصلی تولید قطعات فشرده بدون تخلخل است. با افزودن نانو گرافیت، نانوذرات با ناخالصی‌های اکسیدی سطح ذرات پودر واکنش می‌دهد و امکان اتصال هر چه بهتر ذرات پودر به یکدیگر را فراهم می‌سازد. همچنین چقرمگی شکست پایین این سرامیک، با حضور نانو گرافیت به عنوان فاز تقویت کننده، برطرف خواهد شد.»
در بررسی نمونه‌ها از بعد ریزساختاری و فازی، از روش‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی و پراش پرتو ایکس استفاده شده است. چگالی نمونه‌ی پرس گرم شده نیز به روش ارشمیدس و چگالی نظری با استفاده از قانون مخلوط‌ها محاسبه شد. همچنین چقرمگی شکست نمونه‌ها به روش اندازه‌گیری مستقیم طول ترک ایجاد شده با فرو رونده ویکرز برآورده شده است.
تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از مقطع شکست کامپوزیت تقویت شده با نانوذرات گرافیت
این تحقیقات حاصل همکاری دکتر مهدی شاهدی اصل- استاد مدعو دانشگاه تبریز- و دکتر مهدی قاسمی کاکرودی- عضو هیأت علمی این دانشگاه- است که نتایج آن در مجله‌ی Ceramics International (جلد ۴۱، شماره ۴، سال ۲۰۱۵، صفحات ۵۸۴۳ تا ۵۸۵۱) به چاپ رسیده است.
