بررسی ساخت و خواص کامپوزیت‌های بر پایه آلومینا به روش سنتز خوداحتراقی در سیستم Al- ZrO2 (ZrSiO4)- B2O3 (TiO2)- C

شاه محمودی, سمانه; کلانتر, مهدی; مشرفی فر, مسعود

doi:10.30501/jamt.2026.555433.1343

بررسی ساخت و خواص کامپوزیت‌های بر پایه آلومینا به روش سنتز خوداحتراقی در سیستم Al- ZrO2 (ZrSiO4)- B2O3 (TiO2)- C

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

سمانه شاه محمودی ¹

مهدی کلانتر ²

مسعود مشرفی فر ³

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه یزد، یزد، ایران

² استاد، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه یزد، یزد، ایران

³ استادیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه یزد، یزد، ایران

10.30501/jamt.2026.555433.1343

چکیده

حضور زیرکونیا در کامپوزیت‌های پایه آلومینا باعث افزایش چقرمگی می‌شود؛ درحالی‌که استحکام و سختی آن‌ها حفظ می‌گردد. در این مطالعه، تأثیر ترکیب مواد اولیه بر خواص مکانیکی نمونه‌های مختلف کامپوزیت پایه آلومینا-زیرکونیا، سنتزشده به روش سنتز خوداحتراقی، برای سه سیستم واکنش آلومینوترمیک Al-ZrO2-B2O3-C، Al-ZrSiO4-B2O3-C و Al-ZrO2-TiO2-C بررسی شد. در این تحقیق، ابتدا مخلوط‌های گوناگون مواد اولیه براساس سیستم‌های یادشده، همگن‌سازی شدند و مطالعات اولیه آنالیز حرارتی افتراقی بر روی آنها انجام شد. سپس، بر‌اساس نتایج حاصل، فرایند زینترینگ پلاسمای جرقه‌ای (SPS) بر روی نمونه‌ها انجام شد. این فرایند با اعمال فشار ۴۵ مگاپاسکال، نرخ گرمایش ۱۵۰ درجه سلسیوس بر دقیقه و نگهداری در دمای ۱۴۰۰ درجه سلسیوس به‌مدت ۵ دقیقه انجام شد. در ادامه، مشاهدات ریزساختاری، تعیین ترکیب فازی و اندازه‌گیری خواص فیزیکی (چگالی، تخلخل) و مکانیکی (سختی، استحکام و چقرمگی) برای نمونه‌های زینتر‌شده انجام شد. نتایج آنالیز حرارتی نشان داد که در تمامی سیستم‌های مورد بررسی، واکنش‌های خوداحتراقی پس از ذوب آلومینیوم تشدید شده و پیک‌های متناظر با این واکنش‌ها در منحنی‌های حرارتی ظاهر می‌شوند؛ به‌طوری‌که بیشترین شدت احتراق در سیستم Al-ZrO2-B2O3-C در دمای 700 درجه سلسیوس و در سیستم Al-ZrSiO4-B2O3-C در دمای حدود 1000 درجه سلسیوس مشاهده می‌شود. نتایج آنالیز فازی حاکی از تشکیل فازهای مختلف آلومیناید زیرکونیم، دی‌سیلیسید و دی‌بورید زیرکونیم، انواع کاربیدهای بور، زیرکونیم و سیلیسیم و تیتانات آلومینیم بسته به نوع سیستم در زمینۀ آلومینا است. براساس نتایج آنالیز حرارتی، دمای 1200 درجه سلسیوس به عنوان دمای مناسب برای فرایند زینتر قوس پلاسما انتخاب شد. نتایج حاصل از نمونه‌های زینترشده نشان داد که سیستم Al-ZrSiO₄-B₂O₃-C با دستیابی به بیشترین چگالی نسبی (۹۲ درصد) و برخورداری از ریزساختاری همگن‌تر نسبت به دو سیستم دیگر، بالاترین خواص مکانیکی (سختی 1159 ویکرز، استحکام خمشی 5/271 مگاپاسکال و چقرمگی MPa.m1/2 76/8) را ارائه می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

واکنش آلومینوترمیک

سنتز احتراقی

ریزساختار

ترکیب فازی

خواص مکانیکی

موضوعات

کامپوزیت های زمینه سرامیکی

عنوان مقاله English

Fabrication and Characterization of Alumina-Based Composites via Self-Combustion Synthesis in the Al-ZrO2 (ZrSiO4)-B2O3 (TiO2)-C System

نویسندگان English

Samaneh Shamahmodi ¹

Mahdi Kalantar ²

Masoud Moshrefifar ³

¹ MSc Student, Department of Materials and Metallurgical Engineering, Faculty of Mining and Metallurgical Engineering, Yazd University, Yazd, Iran.

² Professor, Department of Materials and Metallurgical Engineering, Faculty of Mining and Metallurgical Engineering, Yazd University, Yazd, Iran.

³ Assistant Professor, Department of Materials and Metallurgical Engineering, Faculty of Mining and Metallurgical Engineering, Yazd University, Yazd, Iran.

چکیده English

In this study, the fabrication of alumina-based composites (in situ) in the Al-ZrO2(ZrSiO4)-B2O3(TiO2)-C system was carried out by the self-combustion synthesis method. According to the results, different compounds of zirconium aluminide, diboride, and disilicide, boron, zirconium and silicon carbide, and aluminum titanate were formed in the alumina matrix, depending on the type of system. For samples sintered by spark plasma sintering in the Al-ZrSiO4-B2O3-C system, which exhibited the highest relative density (92%) and a more homogeneous microstructure than the other systems, the highest mechanical properties (Vickers hardness of 1159, flexural strength of 271.5 MPa, and fracture toughness of 8.76 MPa·m1/2) were obtained.

کلیدواژه‌ها English

Aluminothermic Reaction

Synthesis

Microstructure

Phase Composition

Mechanical Properties

Thermal Analysis

1. Aghili, S. E., Enayati, M. H., & Karimzadeh, F. (2014). Synthesis of (Fe, Cr) 3Al–Al2O3 nanocomposite through mechanochemical combustion reaction induced by ball milling of Cr, Al and Fe2O3 powders. Advanced Powder Technology, 25(1), 408-414. https://doi.org/https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1243291

2. Amirimoghaddam, A., & Kalantar, M. (2025). Fabrication and Characterization of Al2O3-WxSiy-WwBz Composite Prepared by Spark Plasma Sintering Method in Al-Si-WO3-B2O3 System. Journal of Materials Engineering and Performance, 34(15), 15738-15747. https://doi.org/10.1007/s11665-024-10349-1

3. Dong, Q., Tang, Q., & Li, W. (2008). Al2O3–TiC–ZrO2 nanocomposites fabricated by combustion synthesis followed by hot pressing. Materials Science and Engineering: A, 475(1-2), 68-75. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.01.158

4. Hoseinpour, M., & Kalantar, M. (2024). Fabrication and characterization of alumina-based composites by in-situ combustion synthesis in Al-FeTiO3-B2O3-C alumino-thermic system. Journal of the Australian Ceramic Society, 60(4), 1249-1264. https://doi.org/10.1007/s41779-024-01036-4

5. Hosseini, M., & Abdolghanizadeh, K. (2017). Representing an Empirical Relationship for the Estimating Mode I Fracture Toughness of Rock Obtained from Testing on SCB Specimen using Tensile Strength. Journal of Engineering Geology, 11(2), 157-174. http://jeg.khu.ac.ir/article-1-2509-en.html

6. Jalaly, M., Sh. Bafghi, M., Tamizifar, M., & Gotor, F. J. (2013). Mechanosynthesis of nanocrystalline ZrB2-based powders by mechanically induced self-sustaining reaction method. Advances in Applied Ceramics, 112(7), 383-388. https://doi.org/10.1179/1743676113Y.0000000091

7. Kholghy, M., Kharatyan, S., & Edris, H. (2010). SHS/PHIP of ceramic composites using ilmenite concentrate. Journal of alloys and compounds, 502(2), 491-494. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.04.204

8. Kumar, S.M., Jeffrey, A.J., Boopathy, R., & Sangeetha, D. (2017). Effect of SiC on Al₂O₃-ZrB₂ Composite prepared by self- propagating high temperature synthesis (SHS). International Journal of Science, Engineering and Technology Research (IJSETR), 6(1). 122-130. ResearchGate. Retrieved from: https://www.researchgate.net/publication/342082483_Effect_of_SiC_on_Al2O3-ZrB2_Composite_Prepared_by_Self_Propagating_High_Temperature_Synthesis_SHS

9. Kuruppu, M. D., Obara, Y., Ayatollahi, M. R., Chong, K. P., & Funatsu, T. (2014). ISRM-suggested method for determining the mode I static fracture toughness using semi-circular bend specimen. Rock Mechanics and Rock Engineering, 47(1), 267-274. https://doi.org/10.1007/s00603-013-0422-7

10. Levashov, E. A., Mukasyan, A. S., Rogachev, A. S., & Shtansky, D. V. (2017). Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. International materials reviews, 62(4), 203-239. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1243291

11. Li, Y., Bai, P., Liu, B., & Wang, J. (2012). Effect of Al2O3 content on the synthesized products by the laser ignited self-propagating high-temperature synthesis reaction of Al2O3–Ti–C system. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 34, 53-56. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2012.04.006

12. Liu, G., Chen, K. and Li, J., (2016). Combustion Synthesis. Handbook of Theory: Fundamentals of Combustion Synthesis, Wiley-VCH, Vol. 1, 1-61, https://doi.org/10.1002/9783527628148.hoc094

13. Maleki, A., Hosseini, N., & Nirouman d, B. (2018). A review on aluminothermic reaction of Al/ZnO system. Ceramics International, 44(1), 10-23. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.09.168

14. Mishra, S. K., Das, S. K., & Sherbacov, V. (2007). Fabrication of Al2O3–ZrB2 in situ composite by SHS dynamic compaction: a novel approach. Composites Science and Technology, 67(11-12), 2447-2453. 10.1016/j.compscitech.2006.12.017

15. Pacheco, M. (2007). Self-sustained high-temperature reactions: Initiation, propagation and synthesis. Printed by PrintPartners Ipskamp, The Netherlands. https://www.sensorprod.com/wp-content/uploads/2023/09/wp_pbg.pdf

16. Rao, C. N. R., & Biswas, K. (2015). Essentials of inorganic materials synthesis. John Wiley & Sons. https://books.google.com/books?id=O-l8CAAAQBAJ

17. Rendtorff, N. M., Grasso, S., Hu, C., Suarez, G., Aglietti, E. F., & Sakka, Y. (2012). Zircon–zirconia (ZrSiO4–ZrO2) dense ceramic composites by spark plasma sintering. Journal of the European Ceramic Society, 32(4), 787-793. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2011.10.021

18. Sadrnejad, S.K.A., (1378). Heat and motion in materials, Ministry of Foreign Affairs Printing and Publications Center, Vol. 1, 609-613 (In persion)

19. Sakaki, M., Behnami, A. K., & Bafghi, M. S. (2014). An investigation of the fabrication of tungsten carbide–alumina composite powder from WO3, Al and C reactants through microwave-assisted SHS process. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 44, 142-147. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2014.02.003

20. Sedaghat Ahangari Hossein Zadeh, Askarzadeh, Maedeh., & Faraji, Arash. (2019). SPS device and the effect of its parameters on final properties of sintered samples, Journal of Iranian Ceramic Society, 15(2), 31–46. http://jicers.ir/browse.php?a_code=A-10-33-1&slc_lang=fa&sid=1

21. Sen, M., Shukla, R., Pathak, N., Ali, K., Sathian, V., & Tyagi, A. K. (2022). Synthesis, characterization, and thermoluminescence‐based high‐dose neutron and gamma dosimetry study of Al5BO9: Mn, Li nanophosphor. Journal of the American Ceramic Society, 105(11), 6693-6709. https://doi.org/10.1111/jace.18639

22. Shen, Y. F., Zou, Z. G., Xiao, Z. G., Liu, K., Long, F., & Wu, Y. (2011). Properties and electronic structures of titanium aluminides–alumina composites from in-situ SHS process. Materials Science and Engineering: A, 528(4-5), 2100-2105. https://doi.org/10.1016/j.msea.2010.11.039

23.

Tapsuan, K., & Niyomwas, S. (2012). Effect of preform conditions on synthesis of Fe3Al-TiB2-Al2O3 composite by self-propagating high-temperature synthesis. Procedia Engineering, 32, 635-641. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.01.1320

24. Vaeedi, M., & Rabiezadeh, A. (2021). Fabrication of Al2O3-B4C Nanocomposite via Ball Milling, Subsequent Self-Propagation High-Temperature Synthesis, and Final Hot Pressing. Journal of Advanced Materials and Technologies, 9(4), 1-11. https://doi.org/10.30501/jamt.2020.235445.1096

25. Vallauri, D., Shcherbakov, V. A., Khitev, A. V., & Deorsola, F. A. (2008). Study of structure formation in TiC–TiB2–MexOy ceramics fabricated by SHS and densification. Acta Materialia, 56(6), 1380-1389. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2007.11.022

26. Xiao, G. Q., Fu, Y. L., Zhang, Z. W., & Hou, A. D. (2015). Mechanism and microstructural evolution of combustion synthesis of ZrB2–Al2O3 composite powders. Ceramics international, 41(4), 5790-5797. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.01.007

27. Yeh, C. L., & Chou, C. C. (2015). Formation of NbB2/mullite composites by combustion synthesis involving metallothermic reduction of Nb2O5 and B2O3. Ceramics International, 41(10), 14592-14596. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.07.177

28. Yeh, C. L., & Kao, W. C. (2014). Preparation of TaB/TaB2/mullite composites by combustion synthesis involving aluminothermic reduction of oxide precursors. Journal of alloys and compounds, 615, 734-739. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.06.167

29. Yeh, C. L., & Li, R. F. (2009). Formation of TiB2–Al2O3 and NbB2–Al2O3 composites by combustion synthesis involving thermite reactions. Chemical Engineering Journal, 147(2-3), 405-411. https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.01.007

30. Yeh, C. L., Li, R. F., & Shen, Y. G. (2009). Formation of Ti3SiC2–Al2O3 in situ composites by SHS involving thermite reactions. Journal of alloys and compounds, 478(1-2), 699-704. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.11.131