دانلود مقاله سیالون

چکیده سیالون ها مواد مهندسی هستند که در سیستم چهار عنصری O – N – Si – Al متبلور می شوند .

در این تحقیق ، مطالبی راجع به سیالون و انواع فازهای آن ، خواص و کاربردهای بدنه های سیالونی و روش‌های سنتزسیالون گردآوری شده است .

در بررسی های نسبتا جامع XRD بر روی سیالون ، علاوه بر جنبه کمی ، تغییر کیفی سیالون هم در طی روند استحاله مورد تحقیق قرار گرفته است .

بررسی های نیمه کمّی حاکی از آن است که سنتز سیالون به طریقه احیاء و نیتریداسیون همزمان رس ، مقرون به صرفه ترین و ساده ترین روش ممکن جهت سنتزسیالون می باشد .

در کل ، سیالون از نظر خواص فیزیکی و مکانیکی ، جایگزینی مناسبی برای سیلیکون نیترید محسوب می شود .

و دامنه کاربرد سیالون در آینده‌ای نزدیک بسیار وسیعتر از پیش خواهد شد .

1 – سیالون پودر خالص بدون استفاده از افزودنی استفاده از افزودنی هایی که یک مایع یوتکتیک را تشکیل ندهد ، و دمای زینترینگ را پایین نیاورد ، به سختی زینتر و چگال می شود .

برای اولین بار (1972 ) gack و Wison و (1971) Kamayaito , oyama بطور همزمان در دو کشور مختلف ، را با واکنش داده ، ماده ای جدید بدست آورده ، آن را نام نهادند .

پسوند به دلیل تشابه ساختاری با B –و عبارت Sialon بیانگر عناصر تشکیل دهنده این ماده (Si – Al – O – N ) می باشد .

این ماده محلول جامدی از O , Al در است و حدّ حلالیت آن تا 65% آلومینا می باشد .

- سیالون ، تنها فاز متشکل از عناصر Si – Al – O – N نیست .

بلکه با تغییر درجه جایگزینی اتمهای O , Al به جای N , Si فازهای مختلفی قابل دستیابی هستند .

1 – 2 – فازهای مختلف سیستم سیالون .

سیالون ها ترکیبی از چهار عنصر Si – Al – O – N می باشند ، با فرمول عمومی زیر که در آن b,a دو متغیر هستند .

به عبارتی در شکل (1) در محدوده چهار ضلعی ALN ، وsio و ، ترکیب حاصل از واکنش عناصر با هم سیالون می دهد .

چنانچه شکل (1) را به صورت فضایی رسم کنید ، (شکل 2 ) حادث می شود .

از بین این دو شکل شکل (b ) به خاطر بیان حالت اکی‌والان بیشتر مورد توجه است.

چرا که هر گوشه از چهار وجهی یک اکی والان را نشان می دهد ، و هر اکی والان از هر عنصر یا ترکیب همیشه با یک اکی والان از دیگری واکنش می کند .

به این خاطر ترکیبات و ALN و و اگر بر حسب اکی والان بیان شوند ، در وسط وجوه چهار وجهی قرار می گیرند .

(تصاویر در فایل اصلی موجود است) سیستم شماتیک چهار عنصری Si – Al – O – N (تصاویر در فایل اصلی موجود است) سیستم چهار عنصری در فضای سه بعدی a) بیان بر اساس واحد اتمی b) بیان بر اساس واحد اکی والان در سیستم سیالون .

هر ترکیب با دو متغیر بیان می شود : اکی والان اکسیژن واکی والان آلومینیم و اگر هر یک از این دو را بر حسب دیگری رسم کنیم ، مربعی بصورت زیر در .

هر یک از رئوس بیانگر یک مدل از هر یک از ترکیبات می باشد .

دیاگرام فازی Si – Al – O – N در دمای C 1400 (تصاویر در فایل اصلی موجود است) تمامی فازهای جامد و یا مخلوطی از فازها در سیستم سیالون در داخل این چهار ضلعی قرار می گیرند ، که دقیقا معادل شکل زیر می باشد .

با گذر از چپ به راست تدریجا با جایگزین می گردد .

بدیهی است اگر چه تعداد اکی والان ها مشابه و برابر است ، لیکن تعداد اتمها تغییر می کند .

]9[ فازهای موجود در سیستم ، SiN ، AlN ، ALON ، و X می باشند .

فازهایی که از نظر تکنولوژیکی بیشتر مورد توجه هستند عبارتند از و و .

این نوع دیاگرام ها در مقطعی از دما رسم می شوند .

دیاگرام این سیستم در دمای C 1400 وجود نداشته ، ناحیه فاز X کوچکتر بوده و تغییراتی در فازهای چند گونه ALN مشاهده می شود .

محدوده محلول – جامد ، تقریبا بدون تغییر می ماند.

]7[ در زیر به توضیح مختصر فازهای نیتریدی سیستم سیالون اشاره می کنیم .

1 – 2 – 1 - - سیالون فاز - محلول جامدی از در است که در آن با افزایش جانشینی و حلالیت در ، با فقط نسبت ساختار کریستالی شبکه - B تغییر نمی کند .

(حتی با جانشینی سیلیکون با آلومینیوم ) .

ساختار کریستالی آن هگزا گونال بوده ، با فرمول زیر معرفی می شود : در اینجا z بیانگر حلالیت در است .

مقدار z بسته به دما و فشار تغییر می کند .

بطوریکه در C 1700 مقدار z برابر 2/4 و در C 1400 مقدار آن 2 می باشد .

با افزایش فشار حد حلالیت کم می شود .

از آنجایی که طول اتصال Al – O(nm 17/0 ) نزدیک به طول اتصال Si – N (nm 170/0 ) می باشد ، وقتی جانشینی در امتداد نسبت ثابت اتفاق می‌افتد ، جانشینی وسیع و زیاد است ، و به علت اینکه طول اتصال Al – N (nm 187/0 ) با طول اتصال Si – O (nm 162/0 تفاوت فاحشی دارد .

از این رو جانشینی در راستای - ALN سخت بوده ، پهنای فاز - سیالون کم می شود .

ضمن آنکه جانشینی و محلول جامد تا آخر ادامه پیدا نمی کند.] 7[ در این محلول جامد ، اتصالات اتمی نسبت به بیشتر یونی می باشد .

و از این روست که - سیالون نسبت به استعداد بیشتری برای زینترینگ دارد .

در جانشینی های کم ، خواص آن بسیار شبیه- B می‌باشد .

اما برای مقادیر بالای z خواص - سیالون از - B به سمت خواص بین - میل می کند .

به دلیل تشابه به آرایش اتمی - سیالون با - B خواص فیزیکی آن شبیه ایم ماده است .

مثل استحکام بالا و ضریب انبساط کم (برای (با Z=3): قابل مقایسه با = در ) .

از لحاظ شیمیایی - سیالون (خصوصا در z = 3 ) تا حدی مشخصه های را دارد .

اما استحکام اتصال اتمی Al – o در - سیالون تقریبا 50% قوی تر از آلومیناست .

یک محلول جامد بوده و شبیه تمام محلول‌ها، فشار بخارش کمتر از فاز در خود ( ) می باشد (شکل 5 ) .

فشار بخار کمتر ، تبخیر و تجزیه را در دمای بالا کاهش می دهد .

به این لحاظ است که - سیالون نسبت به پایداری ترمونیا مبکی و مقاومت شیمیایی بیشتری دارد .

ارتباط بین - سیالون و را می توان به ارتباط برنج و مس تشبیه کرد .

مس خالص نرم وضعیف است ، اما تا 40 % اتم روی می تواند آن بدون تغییر ساختار مس حل شود .

نتیجه حصول ماده ای سخت تر و قوی تر است که در دمای پایین تر ذوب و راحت تر از مس شکل می گیرد .

در مقایسه با - ، سیالون در دمایی پایین تر با اکسیدهای افزودنی نظیر mgo و فاز مذاب بیشتری می دهد .

کنترل مقدار مذاب اجازه چگالش و زنترینگ بدون فشار را می دهد .

دمای چگالش پایین تر از رشد افراطی دانه ها جلوگیری کرده و به این دلیل دانه ها ریزتر بوده و استحکام ثابت باقی می ماند.

از لحاظ تکنولوژیکی ، مطرح ترین فاز ، فاز- سیالون است که اکنون بطور تجاری تولید می شود .

1 – 2 – 2 – سیلیکون اکسی نیتراید سیلیکون اکسی تیتراید اولین بار در سنگ های آسمانی که در پاکستان سقوط کرده بود دریافت شد .

این ترکیب را با فرمول می‌شناسند .

ساختار آن از جهتی با تشابه دارد .

به ایم معنی که ساختار آن از اتصال تترائدرهای در شبکه ای سه بعدی تشکیل یافته که در آن هر اتم اکسیژن به دو اتم Si متصل است (نظیر ) و اتمهای نیتروژن و Si ، کوئوردیناسیون سه و چهار دارند (نظیر ) ، ]1 و 4 و 5 [ .

این ماده می تواند از واکنش مخلوطی شامل Si و یا و در دمای بالا تشکیل شود .

سیلیکون اکسی تیتراید اولین بار در سنگ های آسمانی که در پاکستان سقوط کرده بود دریافت شد .

جدول 1 – 1 برخی از ویژگی های (1 و 20 ) ابعاد کریستالی ساختار اورتوربیک nm 485/0 = C nm 888/0 = b nm 55/0 = a دانسیته محصولات دیرگداز ضریب انبساط ( ) هدایت حرارتی ( ) 40 گرمای ویژه 22/0 سختی ( ) 1600 مدول یانگ () مدول شکست در RT (psi ) 7500 مدول شکست در F 2640 (Psi ) 5000 ماکزیمم دمای استفاده 2800 در اولین واکنش ، پودرهای را در اتمسفر نیتروژنی در دمای بعد از اکسیداسیون اولیه و ابتدایی Si حرارت می دهند .

در دومین واکنش ، اکسی نیتراید می تواند یا زینترینگ واکنشی مذابی که از افزودن پدید می آید .

(در سیستم ) ساخته شود .

فاز سیلیکون اکسی نیتراید ماده ای دیر گذر بوده و به عنوان عامل اتصال دهنده نسوزهای Sic کاربردی موفق داشته است ]20 و 1 [ .

این فاز با تشکیل لایه سیلیسی محافظ همگون (Coherent ) در دمای بالا مقاومت اکسیداسیون – خوردگی خوبی نشان می دهد ]4 و 1 [ .

از طرفی این ماده عایق خوبی هم محسوب می شود .

بطوریکه مقاومت آن در RT برابر cm 30 و در C1000 برابر می باشد .

(20) در محیط هایی که در تماس با کلرین ها و محلول های کلریدها هستند (نظیر و و ) پایداری عالی دارد .

در برابر حمله و نفوذ مذاب کریونیت و مذاب آلومینیوم مقاومت خوبی دارد .

در برابر مذاب اکثر نمک ها مقاوم بوده و به راحتی با بعضی از شیشه ها تر نمی شود .

این ماده را می توان بوسیله پرس یاریخته گری دو غابی به اشکال مختلف چون صفحه بلوک و لوله … فرم داد .

]20 [ ویژگی های دیگر این ماده در جدول 1 آمده است .

1 – 2 – 3 – سیالون تشکیل از مخلوطی از و کند و بطئی است و شرایط ویژه ای را برای زینترینگ مواد اکسی نیتریدی دنس می طلبد .

که عموما برای ساخت آن قطعات در دماهای بالا و زمان های طولانی تر ، HIP می شوند[ .

افزودن آلومینا در طی واکنش مذابی با ویسکوزیته مناسب پدید می‌آورد و چگالش را به شدت تشویق می کند ]4[ .

این ماده بعد از سرد شدن سیالون رسوب می دهد .

در این فاز با فرمول پایه ، جزئی از Si و N می تواند با Al و O جانشین شده ، محلول جامدی را پدید آورد ]9 و 4[.

محدوده این محلول جامد با حلالیت در ، بدون تغییر ساختار و با فقط نسبت = فلز تا حدود 10 درصد مولی امتداد می یابد .

]1 و 5[ .

فرمول عمومی سیالون را به صورت می‌نویسند البته حد حلالیت در منابع مختلف متفاوت است.

با تعبیه عمومی در سیستم با استفاده از لیتیم ، می توان الکترولیتهای جامدی نظیر آلومینا به منظور مقاصد الکتریکی تهیه کرد .

]5[ .

افزودنی های دیگری چون ، دمای سالیدوس ترکیب را کمتر کرده و با افزایش حجم مایع ، اجازه چگالش بدون اعمال فشار را نظیر پروسه ساخت سیالون می دهد .

این محصول ضریب انبساط پایینی دارد و مقاومت به شوک حرارتی خوبی دارد .

مقاومت اکسیداسیون آن تا دمای C 1350 خوب بوده ، می تواند نظیر در کاربردهای مهندسی مفید واقع شود .

استفاده از سیالون ها بصورت کمپوزیت با ، سرامیک هایی می دهد که علاوه بر دنس بودن ، استحکام ، سرامیک هایی می دهد که علاوه بر دنس بودن ، استحکام و مقاومت به اکسیداسیون سیالون را تواما دارد ] 5[ .

1 – 2 – 3 – 1 پلی مورف دما پایین جدید –o سیالون یک فاز جدید در سیستم Si – Al – O- N (2) به دنبال سنتز بر مبنای نیتریداسیون شبکه های سیلیکون رس در دماهای پایین (1350 لازم به ذکر است که سطح ناخالصی در مواد موجود بطور قابل توجهی پایین تر از آنهایی است که برای پایداری سیالون به کار رفت .

ساختار فاز جدید ]3[ با استفاده از ترکیب دیفرکسیون .

بصورت ورقه مانند مثل –o سیالون () یافت شده است که البته آرایش دسته‌ای متفاوتی دارد .

ترکیب فاز جدید در انتقال از – O سیالون در C 1350 بدون تغییر وزن قابل توجهی مشاهده شده ، همینطور با ظاهر شدن فازهایی ثانویه بطور واضح و این امر نشان می دهد که شرایط سنتز دما پایین ، توانایی سنتز پلی مورف