دانلود تحقیق فرآیند نانو پودر های آلومنیا و زیرکونیا و به هم فشردن آن ها

چکیده آلومنیا تقویت شده با مگنزیا و پودرهای نانوی زیرکونیا تقویت شده با اتیریا به صورت مصنوعی با استفاده از ساکروز به عنوان عامل چلاتین و مواد از پیش تهیه شده اند محلول های آبی نیترات آلومینیوم، نیترات منیزیم، نیترات استیریوم و نیترات زیرکونیل تولید می شوند.

پارامترهای سنتز آنها با تغییر نسبت ساکروز به یون فلزی، زمان کلین کردن و دمای تولید این نانو پودرها بهینه سازی می شود.

پودرهای سنتز شده توسط تفرق اشعه x در دمای اتاق، تحلیل گر سطح BET‌و میکروسکوپ الکترونی انتقالی مورد بررسی قرار می گیرند.

نانو پودرهای Y2O3 – ZrO2 اندازه ذرات در بازه nm 200-80 با سطح متوسط m2/g 119 دارد و روش سنتر آن یک روش ساده است و می توان آنرا روی مواد مختلف پایه اکسیدی برای تشکیل پودر نانو اعمال کرد.

نانو پودرها به صورت غیر محوری فشرده و چگتال تر می شود.

دیسک های تف جوش شده برای آزمایش سختی و اندازه گیری های چگالی همانند بررسی زیر ساختاری استفاده می شوند.

مقدمه: چگالی بخشیدن به سرامیک و پودرهای فلز را می توان توسط روش های متعددی مانند افزایش چگالی سبز، کاهش شروع اندازه ذرات پودر، اصلاح توزیع اندازه ذرات و اضافه کردن مواد افزودنی تف جوش بهبود بخشید.

در این فعالیت ما روی توسعه ترکیبات تقویت شده آلومنیا و زیرکونیا به شکل نانو پودر و برای بهبود تف جوش آنها تمرکز کردیم.

سطح بسیار بالای این نانو پودرها یکی از کلیدهای ظهور بهبود بخشی پتانسیل چگالی دادن با استفاده از روش های قراردادی و خواص نسبی به خاطر انرژی سطح ذخیره شده بالاتر است.

جدا از روش های تف جوش متعارف، محققان برای چگالی دادن به پودرهای نانو با استفاده از روش های غیر متعارف مانند میکرو ویو و تف جوش جرقه- پلاسما و نگهداری ریز دانگی ریز ساختار با خواص مکانیکی بهتر تلاش می کنند.

از سرامیک های آلومنیا، منگنز یا (Mgo) به صورت گسترده ای به عنوان مواد افزودنی تف جوش های چگالش بهتر استفاده شده است.

اضافه کردن تعداد کمی از Mgo می تواند رفتار خیس شدن دانه های Al2­o3 و حرکت کمتر ریزدانه ها که چگالش تف جوش را افزایش می دهد را افزایش دهد.

برای زیرگونیا (Zro2) ، اتیریا (Y2o3) را بخاطر پایدار سازی فاز تتراگونال در دمای بالا و جلوگیری از ریزترک و از میان رفتن ذرات فشرده Zro2، به علت استحاله تتراگونال دمای پایین به فاز مونوکلیک که همراه با تغییر حجم است، اضافه می شود.

زیر گونیای پایدار با اتیریا (YSZ) به عنوان یک الکترولیت رایج در سلول سوخت اکسید جامد (SOFC) به علت رسانایی بالای یونی آن در دمای بالا و پایداری حرارتی و شیمیایی مطلوب آن استفاده می شود.

معمولاً بین 6 و 8 مول % از Y2o3 برای عملکرد بهینه استفاده می شود.

در کل، آشکار شده است که چگالی تف جوش هر دو به همان خوبی عملکرد شیمیایی Al2o3 و Zro2 در صورت استفاده از نانو پودرها به عنوان مواد آغازگر می تواند بهبود یابد.

روش های متعددی برای سنتز نانو پودرهای سرامیک مانند سل- ژل، احتراق، پلیمریزاسیون و رسوب دهی به کار مر یوند.

در تحقیق ما، ساکروز به عنوان ماسو از پیش تهیه شده برای سنتز 05/5% مول Al2o3 تقویت شده با Mgo و 5/6% مول نانو پودرهای Zro2 پایدار شده با اتیر یا به کار گرفته شد.

روش سنتز حاضر منجر به توزیع هموژن فلز در محلول شده که ایجاد پودرهایی با اندازه ذرات یکنواخت می شود.

در طی فرآیند پودر سازی در دمای بالا بااستفاده از ساکروز، تشکیل محصول گازی بخاطر تجزیه جرم چلات و تبدیل حرارت و ایجاد پودرهایدرون متخلخل با سطح بسیار زیاد می باشد.دمای ایجاد شده در محل همچنین باعث تشکیل اکسید یون های فلزی می گردد.

دیگر عناصر مانند H, C و N به سادگی در طی کلسین شدن در هوا اکسید می شدند.

بنابراین، خلوص پودر نهایی زمانی که ساکروز به عنوان عامل چلات و ماده از پیش تهیه شده به کار می رود، هیچ تأثیری نمی بیند.

در مطالعه اخیر، ری Mgo – Al2o3 و Y2o3 – Zro2 سنتر شدند و این نانو پودرها برای تشکیل مواد فشرده چگال و مطالعه رفتار تف جوش آنها مورد مطالعه قرار گرفته اند.

مراحل آزمایش - آماده سازی پودر 5/6 مول% از پودرهایZro2 تقویت شده با Y2o3 با استفاده از ساکروز با نسبت های مول یون فلز 1: 6 ، 1: 12 ، 1: 18 و 1: 30 برای مطالعه اثر تغلیظ ساکروز روی سطح نهایی نانو پودرها سنتز شد.

مواد آغاز گرمورد استفاده در این سنتز نیترات های فلزی مانند نیترات های فلزی مانند میترات استریوم از ((Y(No3­))3 .

6H2o Alfa Aesar) و هیدات نیترات زیرکونیل از Zro(No3)2, xH2o Aldrich)‌( برای به ترتیب منبع Y‌و Z استفاده شد.

برای 05/0 مول% از Al2o3 تقویت شده با Mgo، نسبت یون فلز با ساکروز با استفاده از فرایند ستز مشابه به 1: 6 ، 1: 12 و 1: 18 تغییر کرد.

مواد آغازگر نیترات آلومینیوم Al(No3=)3.9H2o و نیترات منیزیم Mg(No3)2.6H­2o بودند.

برای هر دو سیستم، ساکروز به عنوان مالو از پیش تهیه شده بکار رفت.

برای Zro2 تقویت شده با 5/6% از ترکیب Y2o3 با نیت یون فلزی به سالوز 1: 18 ، 0026/0 مول از Y(No3)3.

6H2o (g9958/0) و 0187/0 مول از Zro(No3)2.2H2o (g 2838/6) در ml20 از آب دیونیزه شده برای ایجاد محلول نمک فلزی ترانسپارنت با مقدار استیکیومتری از یون های مخلوط محلول می شوند.

محلول ساکروز نیز جداگانه با اضافه کردن 36/0مول (g228/123) ساکروز در ml90 آب دیونیزه شده تهیه می شود.

در محلول میل مخلوط شده و به طور مداوم هم زده شده تا محلول هموژن بدست آید و PH محلول با اضافه شدن اسید نیتریک به 1 برسد.

حرارت دادن متعاقب در C ْ80 برای دو ساعت روی ورق داغ با هم زدن مداوم به یون ها اجازه واکنش با تمام ساکروز را می دهد و منجر به بی رنگ شدن محلول ترانسپارت می شود.

محلول سپس روی ورق داغ تا بالای C ْ100 برای دهیدراته کردن حرارت داده شده و تا زمانی که محلول به ژل دیسکوز قهوه ای پررنگ نغییر کند این روند ادامه دارد.

جرم تف مانند سیاه رنگ به پودر آسیاب می شود و در یک کوره مانل در 600 تا 700 و C ْ800 برای پاکسازی کربن کلیسن می شود.

پس از 30 دقیقه از کلسین شدن، کربن از پودرهای سیاه رنگ اکسید شده و پودر سفید رنگ حاصل می شود.

تصویر 1 نشان دهنده جزئیات فرآیند سنتز پودر است.

برای سنتز ساکروزهای دیگر به نسبت های دیگر یون فلز Zro2 تقویت شده با Y2o3 (YSZ) از همین فرآیند استفاده می شود.

در مورد 05/0% مول پودرهای Al2o3 تقویت شده با Mgo، سنتز مشابهی انجام شد، به استثناء مرحله پودرها که در 700، 800 و C ْ900 برای 3 ساعت کلین شد.

بدون مواد افزودنی کاتالیز وری مانند استیریا، پاکسازی کامل کربن از پودرها نیازمند دمای بالاتر و زمان بیشتر است.

سپس سطح پودرهای سنتز شده Al2o3 و Zro2‌را برای تحت مطالعه با آنالیزگر سطح BET 3000 Micro meritico Tnstzr و برای آنالیز اندازه ذرات از JEDL- JEM- 1200EX – TEM استفاده شد.

برای آنالیز فازها، اطلاعات اشعه X پودرها با استفاده از سیستم X-Pert با تابش =0.178897 nm) Co K)کاملاً اتوماتیک مورد بررسی قرار گرفت.

با استفاده از KV 35 و mA 35 هدف ثبات با اندازه (2) ْ02/0 و زمان S 5/0 در هر مرحله مطالعه صورت گرفت.

آنالیزهای کالری تری و حرارت سنجی (TG) با یک Netzsch STA 409 در جریان هوا و در نرخ حرارتی C ْ10 در دقیقه با پودرهای از پیش تهیه شده، Al2o3 – Mgo انجام شد.

مطالعات چگالی بخشی مطالعات چگالی دادن با پودرهای کلین شده Al2o3 – Mgo در دمای C ْ700 به علت بالا بودن سطح پودرها انجام شد.

برای مقایسه رفتار تف خوبی و زیرساختاری پودرهای سنتز شده با پودرهای تجاری، دلیک ها هم از نوع تجاری و هم از نوع سنتز شده به صورت هم زمان مورد مطالعه قرار گرفتند.

Al2o3 تجاری با 075/0% مول Mgo با سطح m2/g 5/9 تقویت شد.

مطالعات چگالی دادن با پودرهای کلین شده Al2o3 – Mgo در دمای C ْ700 به علت بالا بودن سطح پودرها انجام شد.

برای حذف مقدار زیادی از پودرهای کلوخه شده در سنتز، پودرهای کلین شده برای 32 ساعت در آسیاب کلوخه ای آسیاب و سپس در C ْ300 برای 3 ساعت در یک کوره فاعل برای پاکسازی رطوبت جذب شده در سطح نانو پودرها و خشک شدن آنها حرارت داده شدند.

پودر پیش نرم شده به صورت غیر محوری تا ضخامت mm6/2 به دیسک های سبز با قطر mm 13 فشرده می شوند.

دیسک های سبز در C ْ1600 برای 3 ساعت تف جوش می شوند.

چگالی تف جوش شده و اندازه گیری های انقباض حاصله روی این نمونه ها انجام شد.

دیسک های YSz تف جوش شده به همان شیوه دیسک های Al2o3 – Mgo تهیه شدند.

دیسک های اسکن الکترونی Hitachi S – 570 برای بررسی ویژگی های زیر ساختار و آزمایش گر سختی LECOM – 400 G3 برای اندازه گیری ریز سختی نمونه های تف جوش شده استفاده شدند.

نتیجه گیری - آنالیز فاز تصویر 2 نشان دهنده نمودار TG/DSC برای پودرهای Al2o3 – Mgo است.

می توان ملاحظه کرد که تجزیه بین 250 و C ْ650 با از دست دادن 90% وزن جرم پیشرو انجام می شود.

از دست رفتن وزن در ادامه به اندازه 4% بین 650 و C ْ1200 به علت مواد آلی باقیمانده صورت می گیرد.

قله گرما زای کوچک در C ْ900 به علت کریستالی شدن –Al2o3 از پودرهای آموز، است.

جابجایی درقله کریستالی شدن به سمت دمای بالاتر حین DSG به علت نرخ حرارت دادن سریعتر است.

تصویر 3 و 4 نشان دهنده، نتایج تفرق اشعه x در دمای اتاق برای سرامیکهای YSZ و Mgo – Al2o3 است.

تصویر 3 واضح است که فاز تتراگونال زیر کونیا در پودرهای YSZ پر از کلسین شدن در C ْ600 برای 30 دقیقه بوجود می آید.

به علاوه، قله های YSZ با عرض حداکثر در نصف حداکثر نشان دهنده اندازه کوچک متوسط کریستالی شدن است با استفاده از معادله Scherrer، اطلاعات خط اندازه محاسبه شده کریستالی شدن بین 60 و nm70 بدست می آیند.

قرین از این کلسین شدن در C ْ800 و C ْ1100، تنها فاز زیرکونیای تتراگونال در دمای اتاق وجود است.

برای پودرهای Mgo – Al2o3 ، فاز Al2o3 پر از کلسین شدن در C ْ800 برای 3 ساعت، همانطور که در تصویر 4 قابل مشاهده است، پدیدار می شود.

در دمای بالاتر تا C ْ1100 هیچ فاز دیگری وجود ندارد.

تحلیل سطح ویژه اندازه گیری سطح ویژه توسط جذب ایزوترم N2 با استفاده از آنالیز کننده تمام اتوماتیک Micromeritics Tristar 3000 BET انجام شد.

قبل از انالیز سطح ‌BET، پودرها در دمای C ْ350 برای 3 ساعت برای از بین رفتن رطوبت جذب شده حرارت دیده و پس گاز N2 وارد سیستم می شود.

جلالی 1 نشان دهنده نتایج سطح BET از پودرهای YSZ آماده سازی شده توسط ساکروز و مواد قالب دیگر است.

در کل، پودرهای YSZ‌ نشان دهنده سطح بالا (>70m2/g) پر از کلین شدن در C ْ600، C ْ700 و C ْ800 می باشند.

سطح در مورد بهینه سازی شده تا حتی >100m2/g نیز خواهد رسید.

در روش حاضر ساکروز به عنوان چیلات و یک ماده الگو، بسیار شبیه به روش Pechini عمل می کند.

در مورد روش Pechini، اسید سیتریک- اتیلن گلوین به عنوان عامل چیلات در جایی که مواد به شکل ژل یکبار پلیمریزه شده و کلسین شده کمپلکس چیلات، ذرات ریزی را به سمت تجزیه حاصل می کنند.

در مورد ساکروز به عنوان یک عامل چیلات، اضافه کردن اسید نیتریک به شکستن ساکروز به گلوکز و فراکتوز کمک می کند که سپس به جلوگیری از کریستالی شدن شکر کمک می کند.

گروه –OH و –COOH از تجزیه محصول به اتصال یون های فلز در محلول هموژن، که باعث کاهش شانس رسوب یافتن می شود، جلوگیری می کند.

مسیر مکانیزمی در تصویر 5 نمایش داده شده است.

در طی حرارت دادن، کمپلکس یون فلزی – چیلات به دی اکسید کربن و آب و مقدار زیادی از گرما تجزیه می شوند.

این گازهای تولید شده از کلوخه شدن جلوگیری می کند و کمک به شکل گیری ذرات متخلخل و ریز با مساحت بالا در محصول نهایی می کند به خوبی معین است که در به تخلخل نتیجه مستقیم مقدار گازهایی است که در طی احتراق خارج می شود.

در نتایج حاصله، 6 تا 30 مول ساکروز برای یک محلول یون فلزی بکار می رود.

به صورت تئوری 6 مول ساکروز به 138 مول گاز، همانطور که در معادله (1) نشان داده شده است تبدیل می شود: (1) 12 Co2 + 11 H2o C12 H22O11 + 12O2 از سوی دیگر، حرارت تبدیل شده برای ضعیف سازی اثر مثبت ساکروز به سطح با افزایش در دمای محیط به کار می رود