ساخت ومشخصه یابی کامپوزیت زیرکونیا –آلومینای تقویت شده با گرافیت
محورهای موضوعی : یافته های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم های مکانیکی
1 - دانشگاه آزاد اهواز
2 - Department of materials Science and engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
کلید واژه: زیرکونیا- آلومینا, گرافیت, سختی, چقرمگی شکست, سایش.,
چکیده مقاله :
هدف از این پژوهش، بررسی تاثیر افزودن گرافیت بر خواص مکانیکی کامپوزیت زیرکونیا-آلومینا است. به این منظور مقادیر 2، 4 و 6 درصد حجمی گرافیت به کامپوزیت زیرکونیا-آلومینا افزوده شد و پودرهای حاصله به روش پلاسمای جرقه‌ای تفجوشی گردیدند. ریزساختار نمونه‌ها با میکروسکوپ الکترونی روبشی، چگالی نسبی و سختی به ترتیب با روش‌های ارشمیدس و راکول مورد ارزیابی قرار گرفت. چگالی نسبی نمونه زیرکونیا-آلومینا خالص 5/98 درصد بود که با افزودن 4 درصد حجمی گرافیت، این مقدار 1 درصد افزایش یافته و به 5/99 درصد رسید؛ اما با افزایش میزان گرافیت و رسیدن به 6 درصد حجمی، به دلیل سبک بودن گرافیت چگالی نسبی کاهش یافت و به 5/97 درصد رسید. نتایج سختی سنجی نشان داد که سختی این کامپوزیت‌ها با افزودن 2 و 4 درصد حجمی گرافیت افزایش یافته و از 6/45 راکولسی به 7/57 راکولسی رسیده است. اما با افزودن 6 درصد حجمی گرافیت، سختی کامپوزیت زیرکونیا-آلومینا-گرافیت اندکی کاهش پیدا کرد و از 7/57 راکولسی به 6/54 راکول رسید. به کمک اندازه‌گیری طول ترک‌های ایجاد شده در آزمون سختی، چقرمگی شکست محاسبه گردید. در کامپوزیت‌های زیرکونیا-آلومینا حاوی 4 و 6 درصد حجمی گرافیت، چقرمگی شکست افزایش یافت. حضور گرافیت نرم در زمینه، ضریب اصطکاک را کاهش داد و سبب بهبود مقاومت به سایش کامپوزیت‌ها گردید.
The purpose of this research is to investigate the effect of adding graphite on the mechanical properties of ZrO2-Al2O3 composite. For this purpose, 2, 4, and 6 Vol % values of graphite were added to ZrO2-Al2O3 composite and the resulting powders were sintered by SPS method. The microstructure of the samples was evaluated by scanning electron microscope, relative density and hardness by Archimedes and Rockwell methods, respectively. The relative density of the pure ZrO2-Al2O3 sample was 98.5%, and with the addition of 4% by volume of graphite, this value increased by 1% and reached 99.5%; But with increasing the amount of graphite and reaching 6% by volume, due to the lightness of graphite, the relative density decreased and reached 97.5%. The hardness measurement results showed that the hardness of these composites increased by adding 2 and 4 volume percent of graphite and reached from HRC 6.45 to HRC 7.57. But by adding 6 volume percent of graphite, the hardness of ZrO2-Al2O3-G composite decreased slightly and reached from HRC 7.57 to HRC 6.54. Fracture toughness was calculated by measuring the length of the cracks created in the hardness test. The fracture toughness increased in ZrO2-Al2O3-4.6%vol G composites. The presence of soft
[1] Yang, C.C.T., Wei,W.C.J., (2000). Effects of material properties and testing parameters on wear properties of fine-grain zirconia (TZP), Wear, 242, pp 97–104.
[2] Lin, J., Huang, Y., Zhang, H., (2015). Damage resistance, R-curve behavior and toughening mechanisms of ZrB2-based composites with SiC whiskers and ZrO2 fibers, Ceram. Int, 41, pp 2690–2698.
[3] Liu, J., Yan, H.X., Reece, M.J., Jiang, K., (2012). Toughening of zirconia/alumina composites by the addition graphene platelets, Journal of the European Ceramic Society, 32(16), pp 4185–4193.
[4] Parchovianský, M., Balko, J., Švančárek, P., Sedláček, J., Dusza, J., Lofaj, F., Galusek, D., (2017). Mechanical properties and sliding wear behaviour of Al2O3-SiC nanocomposites with 3-20 vol% SiC, Journal of the European Ceramic Society, 37(14), pp 4297–4306.
[5] Zhang, F., Vanmeensel, K., Inokoshi, M., Batuk, M., Hadermann, J., (2015). Critical influence of alumina content on the low temperature degradation of 2-3 mol% yttria-stabilized TZP for dental restorations, Journal of the European Ceramic Society, 35(2), pp 741–750.
[6] Liu, X., Liu, H., Huang, C., Wang,L., Zou, B., Zhao, B., (2016). Synergistically toughening effect of SiC whiskers and nanoparticles in Al2O3-based composite ceramic cutting tool material, Chinese Journal of Mechanical Engineering, 29, pp 977–982.
[7] Yazdani, B., Xia,Y., Ahmad, I., Zhu,Y., (2015). Graphene and carbon nanotube (GNT)-reinforced alumina nanocomposites, Journal of the European Ceramic Society, 35(1) pp 179–186.
[8] Munozferreiro, C., Moralesrodriguez, A., Rojas, T.C., Jimenezpique, E., Lopezpernia, C., Poyato, R., Gallardolopez, A., (2019). Microstructure, interfaces and properties of 3YTZP ceramic composites with 10 and 20 vol% different graphene-based nanostructures as fillers, Journal of Alloys and Compounds, 777, pp 213–224.
[9] Claussen, N., Weisskopf, K.L., Rühle, M., (1986). Tetragonal zirconia polycrystals reinforced with SiC whiskers, Journal of the American Ceramic Society, 69(3), pp 288–292.
[10] Casellas, D., Feder, A., Llanes, L., Anglada, M., (2001). Fracture toughness and mechanical strength of Y-TZP/PSZ ceramics, Scripta Mater, 45(2), pp 213–220.
[11] Li, S., Wei, C., Wang, P., Gao, P., Zhou, L., Wen, G., (2020). Fabrication of ZrO2 whisker modified ZrO2 ceramics by oscillatory pressure sintering. Ceramics International, 46(11), pp 17684-17690.
[12] Li, S., Wei, C., Zhou, L., Wang, P., Wang, W., (2019). Microstructure and fracture strength of silicon nitride ceramics consolidated by oscillatory pressure sintering. Ceramics International, 45(12), pp 15671-15675.
[13] Han, Y., Li, S., Zhu, T., Wu, W., An, D., Xie, Z., (2018). Enhanced properties of pure alumina ceramics by oscillatory pressure sintering. Ceramics International, 44(5), pp 5238-5241.
[14] Zhu, T., Xie, Z., Han, Y., Li, S., An, D., Luo, X., (2017). Improved mechanical properties of Al2O3-25 vol% SiCw composites prepared by oscillatory pressure sintering. Ceramics International, 43(17), pp15437-15441.
[15] Li, S., Luo, X., Zhao, L., Wei, C., Gao, P., Wang, P., (2020). Crack tolerant silicon carbide ceramics prepared by liquid-phase assisted oscillatory pressure sintering. Ceramics International, 46(11), pp 18965-18969.
[16] Zhu, T., Zhang, J., An, D., Xie, Z., Li, Y., Sang, S., Dai, J., (2020). Oscillatory pressure sintering: A new method for preparing WC-Co cemented carbides. Journal of Alloys and Compounds, 816, p 152521.
[17] Stanley, L. R., Elizabeth, J. O., Michael, C. H., James, D. K., Mrityunjay, S., Jonathan, A. S., (2002). Evaluation of ultra-high temperature ceramics for aero propulsion use, Journal of the European Ceramic Society.