خواص سرامیک‌های شفاف منیزیم اکسید

خواص سرامیک‌های شفاف منیزیم اکسید (MgO) تهیه‌شده در دمای پایین با استفاده از پودر‌ منیزیم اکسید با عملیات تفجوشی بالا

چکیده

سرامیک‌های شفاف MgO از طریق تفجوشی پلاسمای جرقه‌ای[1] در دمای پایین‌ با استفاده از پودر دارای عملیات تفجوشی یا کلوخه سازی بالا که طی عملیات رسوب‌دهی سنتز شده است، تولید می‌شوند. نمونه‌ها توسط XRD، SEM، TEM، BET، UV-Vis-NIR، ریز سختی و غیره شناسایی شدند. نتایج حاکی از آن است که تمامی سرامیک‌های تهیه‌شده در دمای بین 7۰۰ تا 9۰۰ درجه سانتی‌گراد شفاف بوده و نمونه‌های تفجوشی شده در دمای ۸۶۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۵ دقیقه تراگسیل بالای ۶۰ درصد (۸۰۰ نانومتر) را نشان می‌دهند. همچنین مشاهده شد که خواص مکانیکی و حرارتی سرامیک‌های منیزیم ‌اکسید، ابتدا در مرحله اول افزایش یافته و سپس با افزایش دمای تفجوشی کاهش می‌یابد. بیشترین مقدار سختی، چقرمگی شکست، استحکام MSP و مدول یانگ سرامیک‌های Mgبه ترتیب ۲۵/۸ گیگا پاسکال، ۱/۲، ۲۰۶مگاپاسکال و ۲۸۶ گیگا پاسکال است. همچنین رسانندگی گرمایی سرامیک‌های اکسید منیزیم تفجوشی شده در دمای860 درجه سانتی‌گراد، در دمای اتاق به ۴/۴۸ وات بر کلوین متر می‌رسد.

واژگان کلیدی: پودر با عملیات تفجوشی بالا؛ سرامیک اکسید منیزیم؛ تف جوشی پلاسمای جرقه‌ای؛ شفافیت.

  1. مقدمه

سرامیک‌های چند بلوری شفاف منیزیم اکسید به دلیل ویژگی‌های مهمی ازجمله استحکام مکانیکی عالی، مقاومت شوک حرارتی مناسب، نقطه ذوب بالا (۲۸۰۰درجه سانتی‌گراد)، پایداری شیمیایی عالی و گسیلندگی کم، توجه قابل‌ملاحظه‌ای را به خود جلب کرده‌اند. این نوع سرامیک‌ها در بسیاری از مصارف کاربردی مانند صفحه‌های نمایش، پنجره‌های هواپیما، گنبدهای موشکی، زره‌های شفاف و مواد لیزری حالت جامد مورد استفاده قرار می‌گیرد. بنابراین، کاربرد آن در مواد اپتیکی امیدبخش است.

به‌طورکلی سرامیک‌های اکسید منزیم به روش تفجوشی سنتی مانند تفجوشی بدون فشار و پرس داغ تهیه می‌شوند. میساوا و همکاران با استفاده از پودر MgO با اندازه ذرات ۶۰ نانومتر که در دمای ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۲ ساعت تحت عملیات تفجوشی بدون فشار قرار گرفت، سرامیک شفافت منیزیم اکسیدی با متوسط اندازه دانه ۳۵ میکرومتر تولید کردند. چن و همکاران نیز با تفجوشی بدون فشار پودر منیزیم اکسید با اندازه دانه ۲۰ نانومتر در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۲ ساعت، سرامیک نیمه شفافت منیزیم اکسید با متوسط اندازه دانه 6 میکرومتر تولید کردند. از این عملیات می‌توان مشاهده کرد که اندازه ذرات پودر ﺁغازگر تاثیر قابل‌توجهی بر تفجوشی ذرات سرامیک دارد و ذرات کوچک ممکن است باعث کاهش دمای تفجوشی شود. اما دمای تفجوشی سرامیک‌های MgO با تفجوشی بدون فشار همواره بالا و معمولا بیش از ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد است. ایتاتانی و همکاران سرامیک نیمه شفاف منیزیم اکسیدی با پرس‌کاری داغ با پودر با اندازه ذرات ۴۴ نانومتر در دمای ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۱ ساعت با متوسط اندازه دانه در حدود 2 میکرومتر تولید کردند. در مقایسه با تفجوشی بدون فشار، تفجوشی پرس‌کاری داغ می‌تواند به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای دمای تفجوشی را کاهش دهد، اما عملیات تفجوشی پرس‌کاری داغ، ساعات زیادی به‌طور می‌انجامد که زمان کافی برای ایجاد ذرات درشت را فراهم آورده و این اندازه ذرات درشت‌ منجر به افت خواص نوری و مکانیکی خواهد شد.

در دهه‌های اخیر، تفجوشی پلاسمای جرقه‌ای (SPS) به دلیل سرعت بهم فشردگی سریع و زمان تفجوشی کوتاه، تبدیل به یک روش ﺁماده‌سازی پیشرفته برای تولید سرامیک شده است. چم و همکاران به تولید سرامیک شفاف MgO با استفاده از پودرهای نانوبلوری تجاری با متوسط اندازه دانه ۵۲ نانومتر توسط فناوری SPS دست یافتند که حداکثر تراگسیل سرامیک تهیه‌شده ۴۲ درصد در 700 نانومتر و تفجوشی شده در دمای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد و ۱۵۰ مگا پاسکال در مدت ۵ دقیقه است. اما فشار وارد شده در طی عملیات تفجوشی بیشتر از ۱۰۰ مگا پاسکال است که نیازمند تجهیزات پیشرفته است و انجام ﺁن طی یک فرایند تولید معمولی ﺁسان نیست.

ژانگ و همکاران سرامیک شفاف MgO را از طریق SPS با استفاده از پودرهای تجاری MgO و LiF به‌عنوان افزودنی تولید کردند. سرامیک MgO در دمای ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد تحت‌فشار ۳۰ مگا پاسکال از پودر با غلظت 1 درصد لیتیم فلورید LiF، تراگسیلی ۳۰ تا۴۰ درصد در ۸۰۰ نانومتر و متوسط اندازه دانه 7/0 ساخته شد. این امر نشان می‌دهد که مقدار کمی افزودنی‌ تفجوشی ممکن است در صورت اعمال فشار تفجوشی کم، باعث افزایش تراکم شود. درمجموع، استفاده از مواد افزودنی مانند لیتیم فلورید، خواص مکانیکی سرامیک‌ها را کاهش می‌دهد که پدیده‌ای نامطلوب است که موجب محدودیت کاربرد سرامیک‌ را به‌ویژه در دمای بالا می‌شود. لازم به ذکر است که پودرهای مورد استفاده در تفجوشی سرامیک‌های شفاف MgO که در پژوهش‌های اخیر ارائه شده‌اند، از نوع نانو پودر به دلیل انرژی‌ سطح بالا هستند. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده نانو پودرها را می‌توان در دمای پایین نیز تهیه نمود. اگرچه از نانو پودرها می‌توان برای تهیه سرامیک‌ در دمای پایین استفاده کرد، به دلیل مساحت سطح ویژه بالا مستعد آگلومراسیون هستند و نسبت به پایداری آماده‌سازی تفجوشی نامطلوب است. علاوه بر این، آماده‌سازی نانو پودر در مقیاس وسیع برای تولید انبوه ﺁسان نیست. بنابراین هنوز مشکلات زیادی در تولید انبوه آن در آینده وجود دارد. بنابراین، درصورتی‌که روشی برای ﺁماده‌سازی سرامیک بدون استفاده از افزودنی‌های تفجوشی در دما و فشار پایین یافت شود، کاربرد عملی سرامیک شفاف MgO از اهمیت بالایی برخوردار خواهد بود. طی سال‌های اخیر دریافته‌ایم که می‌توان از طریق SPS با استفاده از مواد متخلخل در دماهای پایین، شیشه از جنس سیلیسیم دی‌اکسید با شفافیت بالا تولید کرد. در سال ۲۰۰۹، گروه تحقیقاتی ما ابتدا گزارشی مبنی بر تولید شیشه‌های سیلیسی شفاف با استفاده از غربال مولکولی پودر نانو متخلخل آلومینوسیلیکات‌ها ZSM-5 از طریق تفجوشی پلاسمای جرقه‌ای در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد ارائه داد که در مقایسه با فرایند ذوب معمولی، به دمای نسبتا پایینی نیاز دارد (1700> درجه سانتی‌گراد).

ژانگ و همکاران همچنین شیشه سیلیسی بسیار شفاف (%90 >) را با استفاده از پودرهای نانو متخلخل سیلیکا SBA-15 در دمای ۱۰۲۰ درجه سانتی‌گراد تولید کردند. این نتایج نشان می‌دهد که مواد متخلخل در دما و فشار پایین به دلیل مساحت سطح ویژه و فعالیت تف جوشی بالا، متراکم می‌شوند. البته تاکنون هیچ گزارشی از سرامیک‌های شفاف MgO تهیه‌شده با پودرهای متخلخل از طریق SPS منتشر نشده است. در این عملیات، پودر‌های اکسید منیزیم با مساحت سطح ویژه بالا با استفاده از روش رسوب‌دهی ساده و بدون قالب تهیه شدند. سرامیک‌های شفاف MgO با پودر سنتزی از طریق SPS در دماهای مختلف ساخته شدند و تاثیر دماهای تفجوشی بر خواص اپتیکی، مکانیکی و حرارتی سرامیک‌های منیزی به تفصیل مورد بحث قرار گرفت.

  1. آزمایش

۲.۱ آماده‌سازی پودر منیزیم اکسید

پودر منیزیم به‌وسیله‌ی روش ارائه شده دینگ و همکاران تولید شد. ابتدا، ۵۸/۸ گرم منیزیم استات تتراهیدرات (Aladdin) در ۳۰ میلی‌لیتر ﺁب دیونیزه حل کرده و به مدت ۱ ساعت همزده شد. در همین زمان، ۵.۰۴ گرم اگزالیک اسید دی هیدراته (Alfa Aesar) در ۱۲۰ میلی‌لیتر ﺁب دیونیزه حل شد و به مدت ۱ ساعت همزده شد. سپس محلول دی‌هیدرات اگزالیک اسید را به‌آرامی به محلول استات منیزیم افزوده و به مدت ۵ ساعت همزده شد تا به‌تدریج رسوبات سفید تشکیل شود. سپس سوسپانسیون در دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۲۴ ساعت در یک کوره خشک‌کن هوا خشک شد. درنهایت، ماده به‌دست‌آمده در کوره‌ای در دمای مختلف از ۴۰۰ تا ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد تکلیس شد.

۲.۲ آماده‌سازی سرامیک شفاف اکسید منیزیم

پودر سنتزی MgO قبل از تفجوشی، حرارت داده شد و سپس به در یک قالب گرافیتی با قطر داخلی 10 میلی‌متر بدون افزودنی خاصی ریخته شد و در دستگاه SPS قرار گرفت (دکتر سینتر-SPS ۷۲۵ ژاپن). سپس پودر اکسید منیزیم به سرامیک‌های با چگالی بالا با دمای تفجوشی مختلف (۷۰۰، ۷۴۰، ۷۸۰، ۸۲۰، ۸۶۰ و ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد) برای مدت ۵ دقیقه و فشار ۵۰ مگا پاسکال در شرایط خلأ تبدیل شدند. به‌علاوه سرامیک‌ها پیش از بررسی خاصیت انتقال نوری به ضخامت ۱ میلی‌متر صیقل داده‌شده‌اند.

۲.۳ مشخصات

ریزساختارها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (TESCAN MAIA3 ، جمهوری چک) و یک میکروسکوپ الکترونی عبوری (JEM-2100، ژاپن) شناسایی شدند. فازهای تشکیل‌دهنده توسط پراش پرتو ایکس (Shimadzu XRD-6000) تابش Cu-Kα در محدوده اسکن از ۱۰ تا ۹۰ درجه حاصل شد و اندازه‌گیری‌های پراکنش پرتو ایکس با زاویه کوچک (SAXS) بر روی پراکندگی اشعه ایکس کوچک (SAXSess mc2 -اتریش) صورت گرفت. نیتروژن ایزوترم جذب سطحی با استفاده از یک ابزار کوانتاکروم (Quantachrome Autosorb-iQ، آمریکا) از بی ای تی (BET[2]) برای تعیین اندازه مساحت سطح و همچنین محاسبات باریت-جوینر-هالندا (BJH) برای توزیع اندازه منافذ انجام شد. تراکم نمونه‌های تفجوشی با استفاده از روش ارشمیدس اندازه‌گیری شد (تراکم نظری ۳.۵۸ گرم بر سانتی‌مترمکعب است). با اندازه‌گیری بیش از ۲۰۰ دانه، متوسط اندازه دانه‌ها با استفاده از برنامه ﺁنالیز تصویر (Nano Measurer 1.2) تخمین زده شد. همچنین باید توجه داشت که میانگین عرض از مبدا در ضریب ﺁماری ۱.۵۶ ضرب می‌شود. اندازه‌گیری تراگسیلی خطی نمونه‌های تفجوشی شده با استفاده از اسپکتروفتومتر UV-Vis-NIR (UV3600 ، ژاپن) انجام شد. مدول یانگ سرامیک‌های منیزیم اکسید با استفاده از سیستم مشخصه‌سازی فراصوتی (UMS-100، فرانسه) اندازه‌گیری شد. سختی ویکرز با استفاده از سیستم ﺁزمون ریز سختی اتوماتیک (FV-700، Future Tech) با روش فرورفتگی تعیین گردید. چقرمگی شکست با استفاده از فرمول (۱) ارائه شده توسط ﺁنستیس (Anstis) محاسبه شد. در این فرمول  مدول الاستیک،  سختی ویکرز، P بار و c، طول میانی ترک است. استحکام گسیختگی سرامیک MgO با استفاده از ﺁزمون پانچ کوچک (MSP) اندازه‌گیری شد. استحکام گسیختگی با استفاده از فرمول (۲) محاسبه می‌شود:

در این فرمول P بار شکست، γ نسبت پواسون، T، ضخامت سرامیک، a شعاع سوراخ در قالب تحمل و bشعاع فرورفتگی استوانه‌ای است.

ضریب هدایت حرارتی سرامیک‌ اکسید منیزیم با استفاده از فرمول (۳) محاسبه می‌شود:

 در این فرمول D نفوذپذیری حرارتی با استفاده از روش فلاش لیزر  LFA 457 (Netzsch Instrch، ﺁلمان)،   ظرفیت گرمایی ویژه اندازه‌گیری شده توسط گرماسنج روبشی تفاضلی (204F1، Netzsch Instruments، آلمان) و ρ چگالی است.

  1. نتایج و بحث

۳.۱ پودرهای نانو متخلخل اکسید منیزیم 

شکل 1 الگوی پراش XRD زاویه باز برای پودر MgO پس از کلسینه‌شدگی  در دمای۴۰۰، ۴۵۰، ۵۰۰ و ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد برای مدت ۶ ساعت را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود پودر اگزالات منیزیم (JCPDS ۲۶-۱۲۲۲) در دمای ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد کلسینه شده است و اگزالات منیزیم به اکسید منیزیم در دمای زیر ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد تجزیه نمی‌شود. همچنین می‌توان مشاهده کرد که در ﺁزمایش اگزالات منیزیم، پیش ماده اکسید منیزیم است. اگرچه هنگامی‌که دمای کلسینه بیش از ۴۵۰ درجه سانتی‌گراد باشد، تنها قله‌های پراش منیزیم اکسید خالص (JCPDS 45-0946) قابل شناسایی هستند. ۵ قله پراش در موقعیت ۳۶.۹، ۴۲.۸، ۶۲.۲، ۷۴.۷ و ۷۸.۵ درجه مربوط به صفحات کریستالی ساختار مکعبی MgO به ترتیب (111) ، (200) ، (220) ، (311) ، و (222) هستند. از طرف دیگر، واضح است که پودر کلسینه‌شده در دمای بالاتر، قله‌های تیز و باریک‌تری نشان می‌دهد و این امر بیانگر افزایش تبلور و رشد بلور در طی فرﺁیند کلسینه شدن بر اساس رابطه شرر (Scherrer) است. شکل 2 الگوی پراکنش اشعه ایکس با زاویه کوچک پودرهای کلسینه شده در دماهای مختلف را نشان می‌دهد، و می‌توان مشاهده کرد که قله پراکنش واضحی در هر منحنی وجود دارد و نشان‌دهنده این است که ممکن است پودرها حاوی کانال‎های منظم باشند.

پارامترهای ساختاری منافذ پودرهای سنتز شده با استفاده از روش BET و ﺁنالیز BJH دریافت می‌شوند. ایزوترم جذب-دفع نیتروژن و توزیع اندازه‌ی منافذ در پودر اکسید منیزیم در دماهای مختلف کلسینه شده در شکل۳(الف) نشان داده شده است. با توجه به طبقه‌بندی IUPAC، منحنی‌های هم دما برای همه نمونه‌ها به‌صورت نوع IV با حلقه هیسترزیس H3 تیز، طبقه‌بندی شده‌اند که این امر نشان می‌دهد ریخت‌شناسی ماهیت و ساختار پودرهای MgO تهیه‌شده مزوپروس (نانو متخلخل) است که می‌توان ﺁن را به ذرات ریزدانه‌های ورقه یا ذرات درون ماده با اندازه و شکل ناهمگن نسبت داد. همانطور که در شکل۳(ب) نشان داده شد، توزیع اندازه حفره نمونه‌های MgO در دمای ۴۰۰-۵۵۰ درجه سانتی‌گراد کلسینه شده و اندازه حفره‌ها عمدتا در محدوده ۲۰-۵ نانومتر متغیر است. علاوه بر این، مساحت سطح، حجم کل و توزیع اندازه منافذ در دماهای مختلف کلسینه شده در جدول ۱ خلاصه شده‌اند. با افزایش دمای تفجوشی، سطح مخصوص به‌تدریج از ۲۴۲.۴ به m2/g ۱۳۷.۸ کاهش یافته در حالی که متوسط اندازه منافذ از ۱۶ به ۲۳ نانومتر پیوسته افزایش می‌یابد. این پدیده را می‌توان بهبود بلورینگی در دمای بالاتر توصیف کرد.

در شکل 4 (الف) تصویر SEM پودر اکسید منیزیم بعد از کلسینه شدن در دمای ۴۵۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۶ ساعت نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود پودرها مکعبی شکل و متشکل از دانه‌های لایه مانند هستند، و دانه‌ها نیز تجمعی از ذرات نازک با ظاهری میله‌ای شکل هستند. در تصویر TEM در شکل ۴(ب) پودر تولید شده دارای ساختاری حفره‌ای است که با بلورهای میله‌ مانند شکل گرفته است. قطر بلورهای میله‌ای شکل ۳ تا ۵ نانومتر و طول ﺁن 30 تا 80 نانومتر است. در واقع، از این تصاویر به وضوح می‌توان مشاهده کرد که برخی ساختارهای منظم موجود در پودر منطبق با نتایج SAXS هستند. بر اساس نتایج حاصل از ﺁزمون‌های BET، SEM و TEM، نانوپودر‌های مزومتخلخل سنتزی با ساختار منحصر به فرد می‌توانند جایگزین مناسبی برای نانو پودر متراکم شده باشند و انتظار می‌رود که پیشرفت تفجوشی را بهبود بخشند. در این پژوهش از پودر کلسینه شده در دمای ۴۵۰ درجه سانتی گراد به‌عنوان ماده اولیه برای فرﺁیند تفجوشی استفاده شده است، زیرا این مرحله پودر MgO خالص بوده و دارای بزرگترین مساحت سطح مشخص است و از نظر تئوری از فعالیت تفاضلی بالایی برخوردار است.

3.2 سرامیک اکسید منیزیم 

در شکل 5 منحنی چروکیدگی (انقباض) نسبی و نرخ چروکیدگی نسبی در برابر دما در طی فرﺁیند SPS پودر  MgO  تولید شده نشان داده شده است. فرﺁیند چگالش سریع تنها در یک دقیقه با تغییر دمای ۵۰۰ تا۶۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می شود. هنگامی که دما از ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد تجاوز کند، نرخ انقباض نسبی به‌طور قابل ملاحظه ای افزایش یافته و سپس زمانی که دما به ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد میرسد، به شدت کاهش می‌یابد. لازم به ذکر است که حداکثر نرخ انقباض نسبی در دمای ۵۷۰ درجه سانتی‌گراد برابر با ۳.۱۴ است که عمدتا به علت ساختار منحصر به فرد پودر MgO  سنتزی است.

الگوهای XRD سرامیک‌های تفجوشی شده  SPSبا دمای تفجوشی ۷۰۰ تا ۹۰۰ درجه در شکل‌ ۶ نشان داده شده‌اند. همانطور که مشاهده می‌شود تنها مشخصه پنج قله از مکعب خالص MgO قابل تشخیص است که نشان می‌دهد سرامیک MgO را می‌توان با موفقیت با این روش تهیه کرد و بلور کریستالی نمونه‌های تهیه‌شده در دمای بالا بهتر از دمای پایین است.

در شکل۷ ریزساختار سطوح شکست سرامیک‌های منیزیم اکسید در دماهای مختلف نشان داده شده است. در مقایسه با ریزنگار پودر، می‌توان مشاهده کرد که ساختار میله‌ای شکل پودر از بین رفته و در ریزنگار نمونه تهیه‌شده در دمای ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد، به دانه‌های کوچکی تبدیل شده است. این موضوع نشان می‌دهد که ساختار پودر تحت دو عمل دما و فشار، تخریب و به ذرات کوچکتر تبدیل می‌شود. عملیات تفجوشی پودر به دلیل افزایش سطح مخصوص در طی فرﺁیند تفجوشی افزایش می‌یابد و باعث بهبود تفجوشی نمونه‌ها می‌شود. در عین حال، به دلیل تشکیل نانو ذرات کوچکتر در طی فرﺁیند تفجوشی، می‌توان منافذ و حفره‌ها را به خوبی پر کرد و در پی آن چگالش (متراکم‌سازی) تفجوشی به سرعت افزایش می‌یابد. بنابراین می‌توان سرامیک‌های MgO متراکم را با استفاده از پودر در دمای پایین تولید کرد. این مکانیزم متراکم‌سازی در دمای پایین شبیه به سازوکاری است که توسط گروه تحقیقاتی ما ارائه شده است که طی آن کانال‌های نانومتخلخل ریزش کرده تا سطح جدیدی تشکیل شود و عملیات تفجوشی بهبود یابد. از طرف دیگر، به وضوح مشاهده می‌شود که دانه‌های تمام سرامیک‌های اکسید منیزیم تهیه‌شده به‌طور کامل بهبود و توسعه یافته و ریزساختارهای چندوجهی محوری معمولی را نشان می‌دهند. با افزایش دمای تفجوشی، متوسط اندازه دانه ها به تدریج افزایش می‌یابد. علاوه بر این، حالت شکست نمونه‌های تفجوشی شده عمدتا شکستگی بین‌دانه‌ای و کمی شکستگی برون‌دانه‌ای است.

تاثیر دمای تفجوشی بر تراکم سرامیک‌های MgO در شکل ۸ نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می‌شود چگالی سرامیک‌های MgO ابتدا در حال افزایش بوده و سپس با افزایش دمای تفجوشی کاهش می‌یابد، و در دمای 860 درجه سانتی‌گراد به حداکثر تراکم دست می‌یاید. دلیل این امر آن است که پودرها به سرعت جمع ﺁوری می‌شوند، ذرات کریستالی رشد کرده و منافذ باقیمانده در اثر دما و فشار هنگامی که دمای تف جوشی زیر ۸۶۰ درجه سانتی‌گراد است، از بین می‌روند. با این حال، افزایش بیشتر دمای تفجوشی سرامیک باعث کاهش چگالی نسبی می‌شود زیرا دمای تفجوشی بیشتر باعث می‌شود سرعت حرکت مرز دانه‌ها بسیار سریعتر از سرعت حفره‌های داخل سرامیک باشد و برخی از حفره‌ها را نمی‌توان به موقع از بین برد که منجر به کاهش چگالی نسبی سرامیک‌‌های MO میشود. شکل ۸ متوسط اندازه دانه نمونه های ﺁماده شده بعنوان تابعی از دمای تف جوشی را نشان میدهد. هنگامی که دمای تف جوشی از ۷۰۰ به ۹۰۰ درجه سانتی گراد افزایش یابد، متوسط اندازه دانه‌ها از  80  به 420 نانومتر افزایش خواهد یافت.

عکس‌ نمونه‌های SPSed  منیزم اکسید تحت شرایط مختلف تفجوشی در شکل 9 نشان شده است. ﺁرم دانشگاه دونگهوا و نمونه تفجوشی شده در دمای ۸۶۰ درجه سانتی‌گراد قابل مشاهده است. شکل 9 (ب) طیف عبوری نمونه‌های منیزیم اکسید تهیه‌شده در دمای 7۰۰ تا 9۰۰ درجه سانتی‌گراد را نشان می‌دهد. در این شکل مشاهده میشود که طیف درون خطی به تدریج افزایش می‌یابد و سپس با افزایش دمای تفجوشی نمونه تهیه‌شده و تراگسیلی سرامیک تهیه‌شده در دمای ۸۶۰ درجه سانتی‌گراد به ۶۰ درصد در 800 نانومتر می رسد. این تمایل به تغییر هم راستا با رابطه بین چگالی نسبی و دمای تفجوشی است. تخلخل عامل اصلی مؤثر بر شفافیت سرامیک‌های تهیه‌شده در دمای تف جوشی پایین (۸۶0<) است. وقتی نور از سرامیک عبور می‌کند، حفره‌های روی سطح و داخل سرامیک، نور را به شکلی نامنظم می‌شکند و پراکنده می‌کند. در نهایت، اثر یکدیگر را خنثی کرده و این امر  منجر به کاهش تراگسیلی سرامیک میشود. هنگامی که دمای تفجوشی به دلیل کاهش چگالی نسبی به ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد، تراگسیلایی به‌طور قابل ملاحظه‎ای کاهش می یابد. بر طبق نظریه میه Mie، هنگامی که طول موج نور تابشی نزدیک به اندازه مرکز پراکندگی است، حداکثر پراکندگی نور منجر به کاهش عبور نور و ، تراگسیلی می شود. از این رو، اندازه دانه کوچکتر باعث می شود که انتقال نور در حفره‌های باقیمانده بیشتر باشد.

در شکل ۱۰ سختی و چقرمگی شکست سرامیک‌های اکسید منیزیم تهیه‌شده توسط SPS به‌عنوان تابعی از دمای تفجوشی نشان داده شده است. با افزایش تدریجی دمای تفجوشی از ۷۰۰ به ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد، سختی از ۰۸/۶ گیگا پاسکال به حداکثر ۲۵/۸ گیگا پاسکال افزایش و سپس اندکی به ۶۳/۷ گیگا پاسکال کاهش می‌یابد. حداکثر مقدار بیش از مقدار گزارش شده (۷.۶۲ گیگا پاسکال) توسط ژانگ و همکاران است. افزایش سختی عمدتا به دلیل افزایش چگالی نسبی است  وگزارش شده است که سختی با افزایش چگالی نسبی به صورت نمایی افزایش می‌یابد. بنابراین، تأثیر چگالی نسبی بر سختی عامل اصلی در دماهای تفجوشی پایین‌ است (۸۶۰<). البته هنگامی که دمای تفجوشی همچنان افزایش می‌یابد، دانه‌های سرامیک MgO سریع‌تر رشد می‌کنند. با توجه به اثر هال-پچ Hall-Petch، با افزایش اندازه دانه در یک محدوده مشخص، سختی کاهش می‌یابد.  در این مطالعه تاثیر اندازه دانه بر سختی، در اثر افزایش دمای تفجوشی از چگالی نسبی قوی‌تر است. همانطور که در شکل ۱۰ مشاهده می‌شود، با افزایش دمای تفجوشی از ۷۰۰ به ۹۰۰، چقرمگی شکست ابتدا افزایش و سپس کاهش می‌یابد و به حداکثر مقدار  MPa    01/2  در ۸۲۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. چقرمگی شکست ترکیبی از عوامل متعدد مانند چگالی نسبی و اندازه دانه است که بیشترین مقدار را تولید می کند.

تاثیر دمای تفجوشی بر استحکام MSP و مدول یانگ سرامیک‌های منیزیم اکسید در شکل ۱۱ نشان داده شده است. با افزایش دمای تفجوشی، استحکام MSP ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد و به حداکثر ۲۰۶ مگا پاسکال در دمای ۸۶۰ درجه سانتی‌گراد می رسد. به نظر می‌رسد که چگالی نسبی و اندازه دانه‌ها دو عامل اصلی تأثیرگذار بر استحکام سرامیک‌ها هستند. با افزایش دمای تفجوشی نمونه‌ها، چگالی نسبی به تدریج افزایش یافته و محل تمرکز تنش کاهش می‌یابد، لذا استحکام MSP افزایش می‌یابد. اما استحکام MSP نمونه‌ی تفجوشی در ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد، به دلیل رشد غیرعادی دانه‌ها و کاهش چگالی نسبی، کاهش می‌یابد. همانطور که می‌دانیم، تاثیر تخلخل بر مدول یانگ را می‌توان با استفاده از یک رابطه تجربی توضیح داد:

در این رابطه  مقدار بدون تخلخل E، p تخلخل و b یک مقدار ثابت است که بستگی به شرایط مختلف فرﺁیند ﺁماده‌سازی سرامیک دارد. با توجه به این فرمول می‌توان دریافت که با کاهش تخلخل مدول افزایش می یابد. بنابراین، اثر دمای تفجوشی بر مدول سرامیک‌های منیزیم ‌اکسید مشابه با چگالی نسبی است. مدول یانگ سرامیک‌های اکسید منیزیم در دماهای مختلف تفجوشی بین ۲۱۵ تا ۲۸۶ گیگا پاسکال متغیر است.

بررسی رسانایی گرمایی سرامیک‌های MgO برای کاربرد ﺁن بسیار مهم است. در شکل 12، رسانایی گرمایی سرامیک‌های SPS تفجوشی شده با شرایط تفجوشی مختلف نشان داده شده است. با افزایش دمای ﺁزمون، رسانایی گرمایی همه نمونه های همجوشی کاهش می یابد. این افزایش به دلیل پراکنش فونونی تقویت شده که شدیدا وابسته به دمای ﺁزمایش است. همچنین رسانایی گرمایی نمونه‌های ﺁزمایش شده در دمای اتاق ابتدا افزایش یافته و سپس با افزایش دمای تفجوشی، کاهش می‌یابد و در دمای 860 درجه سانتی‌گراد به حداکثر ۴۸.۴۰ وات بر متر کلوین می‌رسد که مطابق با روند تغییرات چگالی است. فرض بر این است که حفره‌های موجود در سرامیک در دمای تفجوشی پایین، فونون‌ها را پراکنده می‌کنند که در نتیجه رسانایی گرمایی کمتر خواهد شد. هنگامی که دمای تفجوشی بیشتر افزایش یابد، تخلخل و عیوب سرامیک به دلیل افزایش تراکم نسبی کاهش یافته و بدیت ترتیب باعث ضعیف شدن پراکندگی فونونی و بهبود رسانایی حرارتی میشود. با این حال، رسانندگی گرمایی نمونه تفجوشی شده در دمای ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد به میزان اندکی کاهش می‌یابد که این امر ممکن است به دلیل کاهش چگالی نسبی باشد.

  1. نتیجه‌گیری

به‌طور خلاصه، پودر اکسید منیزیم با مساحت سطح ویژه ۲۱۰ متر مربع بر گرم با روش رسوب دهی ساده سنتز شده و سرامیک شفاف MgO با استفاده از این SPS در محدوده دمای نسبتا پایین ۷۰۰ تا۹۰۰،  با مدت زمان نگهداری ۵ دقیقه و فشار ۵۰ مگا پاسکال با موفقیت ساخته می‌شوند. نتایج این مطالعه حاکی از آن است که دمای تفجوشی بهینه سرامیک‌های اکسید منیزیم ۸۶۰ درجه سانتی‌گراد و بیشترین میزان تراگسیلی (انتقال) ۶۰ درصد (۸۰۰ نانومتر) است. سختی، چقرمگی شکست، استحکام MSP و مدول یانگ ابتدا در حال افزایش و به حداکثر می‌رسد و سپس با افزایش دمای تفجوشی کاهش می‌یابد. حداکثر سختی، چقرمگی شکست، استحکام MSP و مدول یانگ سرامیک‌های منیزیم اکسید به ترتیب به ۲۵/۸ گیگا پاسکال، MPa    01/2  ، ۲۰۶ مگا پاسکال و ۲۸۶ گیگا پاسکال می‌رسد. حداکثر رسانایی گرمایی سرامیک‌ منیزیم اکسید تفجوشی شده در دمای ۸۶۰ درجه سانتی‌گراد ۴۸.۴ وات بر متر کلوین است.

توضیحات اشکال

 شکل 1 الگوی XRD پودرهای اکسید منیزیم سنتزی در دماهای مختلف تکلیس

شکل 2 الگوی SAXS نانوپودرهای MgO سنتزی

شکل 3 (الف) ایزوترمهای جذب-دفع نیتروژن و 3 (ب) اندازه منافذ BJH مربوط منحنی توزیع نمونه‌های اکسید منیزیم سنتزی در با دمای مختلف تکلیس

شکل 4 (الف) تصاویر SEM و (ب) TEM از پودر اکسید منیزیم سنتز شده

شکل 5 انقباض نسبی و نرخ انقباض نسبی بسته به میزان دمای بالا طی عملیات تفجوشی

شکل 6 پراش پرتو اشعه ایکس سرامیک‌های MgO تهیه‌شده در دماهای مختلف تفجوشی

شکل 7 ریزنگار FESEM از سطوح شکست سرامیک MgO  تهیه‌شده در (a) ۷۰۰, (b) ۷۴۰ (c)،۷۸۰, (d) ۸۲۰, (d) ۸۶۰ و (e)۹۰۰ درجه سانتی‌گراد

شکل 8 چگالی نسبی و اندازه دانه متوسط ​​نمونه‌های تفجوشی شده توسط SPS

شکل 9 (الف) سرامیک‌های MgO با دمای مختلف تفجوشی و (ب) تراگسیلی نمونه‌های تفجوشی شده باSPS در ناحیه قابل مشاهده

شکل 10 سختی و چقرمگی شکست سرامیک‌های اکسید منیزیم

شکل 11 استحکام MSP و مدول یانگ سرامیک‌های اکسید منیزیم

شکل 12 رسانایی حرارتی سرامیک‌های MgO

1] Spark Plasma Sintering

[2] Brunauer-Emmett-Teller

محصولات مرتبط

فهرست