تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای سرامیک‌های پایه دی‌بورید زیرکونیم-کاربید سیلیسیم تقویت شده با نانو‌الماس

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

2 عضو بنیاد پژوهشگران دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

در این پژوهش تاثیر افزودن الماس (در اندازه نانو) بر ریزساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت‌های فوق دما بالای دی‌بورید زیرکونیم تقویت شده با 25 درصد حجمی کاربید سیلیسیم بررسی شد. بدین منظور، کامپوزیت دی‌بورید زیرکونیم-کاربید سیلیسیم (به عنوان نمونه شاهد) و نمونه‌های دارای مقادیر مختلف از افزودنی نانو الماس (1، 2 و 3 درصد وزنی فاز زمینه) به روش تف­جوشی پلاسمای جرقه‌ای ساخته شدند. فرآیند تف­جوشی پلاسمای جرقه‌ای در دمای 1900 درجه سانتی‌گراد به مدت زمان هفت دقیقه و با اعمال فشار 40 مگاپاسکال به انجام رسید. افزودن نانو­الماس تا میزان دو درصد وزنی، تاثیر چندانی بر فرآیند چگالش نداشت زیرا نمونه شاهد و نمونه‌های دارای یک و دو درصد وزنی نانو­الماس به چگالی نسبی 100 درصد نزدیک شدند ولی چگالی نسبی نمونه حاوی سه درصد وزنی نانو الماس به زیر 99 درصد افت پیدا کرد. سختی نمونه شاهد 5/19 گیگاپاسکال و سختی نمونه‌های دارای 1، 2 و 3 درصد وزنی نانو­الماس به ترتیب 4/23، 7/24 و 2/22 گیگاپاسکال سنجیده شد.  هر سه نمونه تقویت شده با نانو­الماس، سختی بیشتری نسبت به نمونه شاهد داشتند ولی نمونه تقویت شده با سه درصد وزنی نانو­الماس، اندکی دچار افت شد. چقرمگی شکست نمونه‌ها با افزایش میزان نانو­الماس به شکل خطی از 3/4 مگاپاسکال جذر متر برای نمونه شاهد تا 8/5 مگاپاسکال جذر متر برای نمونه دارای سه درصد وزنی نانو­الماس افزایش یافت. فرآیند تف­جوشی از نوع واکنشی بود زیرا بخشی از افزودنی نانو­الماس به هنگام فرآوری به فاز گرافیت دگرگون شد و بخشی دیگر از آن ضمن احیای ناخالصی‌های اکسیدی سطح مواد اولیه به فازهای کاربید زیرکونیم و کاربید بور تبدیل گشت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Spark Plasma Sintering of ZrB2-SiC-Based Ceramics Reinforced with Nano-Diamond

نویسندگان [English]

  • Mehdi shahedi asl 1
  • Zohreh Ahmadi 2
1 Department of Mechanical Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
2 Member of Researchers Foundation of University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
چکیده [English]

In this research work, the effects of nano-diamond addition on densification and mechanical properties of 25 vol% SiC reinforced ZrB2-based ultra-high temperature composites were studied. In this way, a ZrB2–SiC composite (as the baseline) and three ZrB2–SiC-based composites doped with different amounts of nano-diamond additive (1, 2 and 3 wt% of matrix phase) were fabricated by spark plasma sintering route. The sintering process was carried out at 1900 °C for 7 min under 40 MPa. The addition of nano-diamond, up to 2 wt%, has not significantly affected the densification process because the 0-2 wt% nano-diamond reinforced samples reached their theoretical densities but the relative density of sample reinforced with 3 wt% diamond was less than 99%. The hardness of 0, 1, 2 and 3 wt% diamond reinforced ceramics were 19.5, 23.4, 24.7 and 22.2 GPa, respectively. All diamond reinforced samples were harder than the diamond-free one but the hardness slightly decreased by the addition of 3 wt% diamond. The fracture toughness linearly increased from 4.3 MPa.m1/2 for diamond-free ceramic to 5.8 MPa.m1/2 for3 wt% diamond reinforced sample. The sintering route was a reactive process as the nano-diamond was transformed to the graphite during the sintering and/or converted to the in-situ formed ZrC and B4C phases through the removal of oxide impurities from the surfaces of raw materials.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spark Plasma Sintering
  • Zirconium Diboride
  • Silicon carbide
  • Nano-diamond
  • Characterization
  1. W. G. Fahrenholtz, G. E. Hilmas, I. G. Talmy and J. A. Zaykoski, Refractory diborides of zirconium and hafnium, Journal of the American Ceramic Society, vol. 90, pp. 1347-1364, 2007.
  2. B. Basu and K. Balani, Advanced Structural Ceramics, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2011.
  3. J. F. Justin and A. Jankowiak, Ultra high temperature ceramics: densification, properties and thermal stability, AerospaceLab Journal, pp. 1-11, 2011.
  4. Z. Balak, M. Azizieh, H. Kafashan, M. Shahedi Asl, Z. Ahmadi, Optimization of effective parameters on thermal shock resistance of ZrB2-SiC-based composites prepared by SPS: Using Taguchi design, Materials Chemistry and Physic, vol. 196, pp. 333–340, 2017.
  5. M. Shahedi Asl, M. Ghassemi Kakroudi, F. Golestani-Fard and H. Nasiri, A Taguchi approach to the influence of hot pressing parameters and SiC content on the sinterability of ZrB2-based composites, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, vol. 51, pp. 81–90, 2015.
  6. M. Shahedi Asl and M. Ghassemi Kakroudi, A processing–microstructure correlation in ZrB2–SiC composites hot-pressed under a load of 10 MPa, Universal Journal of Materials Science, vol. 3, pp. 14–21, 2015.
  7. M. Shahedi Asl, A. Sabahi Namini and M. Ghassemi Kakroudi, Influence of silicon carbide reinforcement on the microstructural development of hot pressed zirconium and titanium diborides, Ceramics International, vol. 42, pp. 5375–5381, 2016.
  8. S. Zhu, W. G. Fahrenholtz, G. E. Hilmas and S. C. Zhang, Pressureless sintering of carbon-coated zirconium diboride powders, Materials Science and Engineering A, vol. 459 , pp. 167-171, 2007.
  9. S. R. Levine, E. J. Opila, M. C. Halbig, J. D. Kiser, M. Singh and J. A. Salem, Evaluation of ultra-high temperature ceramics for aeropropulsion use, Journal of the European Ceramic Society, vol. 22, pp. 2757-2767, 2002.
  10. S Zhu, W. G. Fahrenholtz and G. E. Hilmas, Enhanced densification and mechanical properties of ZrB2–SiC processed by a preceramic polymer coating route, Scripta Materialia, vol. 59, pp. 123-126, 2008.
  11. W. B. Tian, Y. M. Kan, G. J. Zhang, P. L. Wang, Effect of Carbon Nanotubes on the Properties of ZrB2–SiC Ceramics, Materials Science and Engineering, 2008.
  12. F. Yang, X. Zhang, J. Han and S. Du, Processing and mechanical properties of short carbon fibers toughened zirconium diboride-based ceramics, Materials and Design, vol. 29, pp. 1817-1820, 2008.
  13. F. Yang, X. Zhang, J. Han and S. Du, Mechanical properties of short carbon fiber reinforced ZrB2–SiC ceramic matrix composites, Materials Letters, vol. 62, pp. 2925-2927, 2008.
  14. F. Yang, X. Zhang, J. Han and S. Du, Characterization of hot-pressed short carbon fiber reinforced ZrB2–SiC ultra-high temperature ceramic composites, Journal of Alloys and Compounds, vol. 472 , pp. 395-399, 2009.
  15. X. Zhang, Z. Wang, X. Sun, W. Han, C. Hong, Effect of Graphite Flake on the Mechanical Properties of Hot Pressed ZrB2–SiC Ceramics, Materials Letters, 2008.
  16. S. Zhou, Z. Wang, W. Zhang, Effect of Graphite Flake Orientation on Microstructure and Mechanical Properties, Journal of Alloys and Compounds, 2009.
  17. Z. Wang, S. Wang, X. Zhang, P. Hu, W. Han, C. Hong, Effect of Graphite Flake on Microstructure as Well as Mechanical Properties and Thermal Shock Resistance of ZrB2–SiC Matrix Ultrahigh Temperature Ceramics, Journal of Alloys and Compounds, 2009.
  18. M. Shahedi Asl, M. Ghassemi Kakroudi and S. Noori, Hardness and toughness of hot pressed ZrB2–SiC composites consolidated under relatively low pressure, Journal of Alloys and Compounds, vol. 619 , pp. 481–487, 2015.
  19. M. Shahedi Asl, M. Ghassemi Kakroudi, R. Abedi Kondolaji and H. Nasiri, Influence of graphite nano-flakes on densification and mechanical properties of hot-pressed ZrB2–SiC composite, Ceramics International, vol. 41, pp. 5843–5851, 2015.
  20. M. Jaberi Zamharir, M. Shahedi Asl, M. Ghassemi Kakroudi, N. Pourmohammadie Vafa and M. Jaberi Zamharir, Significance of hot pressing parameters and reinforcement size on sinterability and mechanical properties of ZrB2–25 vol% SiC UHTCs, Ceramics International, vol. 41, pp. 9628–9636, 2015.