تأثیر افزودن ZrC در فرآیند تف‌جوشی بدون فشار کامپوزیت هیبریدی ZrB2-SiCn/SiCm-Si3N4 بر خواص فیزیکی، مکانیکی و مکانیزم رشد ترک آن

محورهای موضوعی : سنتز مواد

محمد سرهنگیان ¹ , مهری مشهدی ^{2 *}

1 - دانشجوی دکتری، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
2 - دانشیار، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

تاریخ دریافت : 1403/03/06 تاریخ پذیرش : 1403/05/12 تاریخ انتشار : 1404/02/10

کلید واژه: سرامیک‌های فوق دمابالا دیبوراید زیرکونیوم تف‌جوشی بدون فشار کاربید زیرکونیوم,

چکیده مقاله :

توجه به سرامیک‌های فوق دمابالا به دلیل فناوری‌های قرن بیست و یکم و تلاش برای ساخت سامانه‌های حفاظت حرارتی قابل‌استفاده مجدد و سایر ترکیبات موردنیاز برای نسل‌های آینده وسایل نقلیه هوا فضایی مافوق صوت، به میزان قابل‌توجهی افزایش یافته است. در این پژوهش افزودن کاربید زیرکونیم (ZrC) به‌عنوان تقویت‌کننده در مقادیر 5 تا 40 درصد حجمی بر رفتار خواص مکانیکی و مکانیزم رشد ترک ZrB₂-SiC_n/m (دارای 3 درصد حجمی سیلیکون نیترید Si₃N₄) موردبررسی قرار گرفت. جهت ارزیابی از سختی سنجی ویکرز، چگالی ارشمیدس و تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی استفاده شد. نتـایج نشان داد؛ میزان انقباض حجمی با افزایش میزان ZrC کاهش می‌یابد. بالاترین افزایش چگالی نسبی نمونه­ها با افزایش مقدار ZrC در نمونه ZrB₂-SiC_n/m-30%ZrC به میزان (04/97) درصد است. با توجه به این‌که ترك نمي­تواند از ميان ذرات ZrC عبور کند؛ این ذرات از طريق دو سازوکار تغيير مسير ترك و پل‌زنی ترك باعث افزايش چقرمگي مي­شوند. همچنین نمونه حاوی 30 درصد حجمی ZrC بیشترین مقدار چقرمگی شکست (MPa.M^1/226/4) و سختی (GPa 3/16) را دارد.

چکیده انگلیسی:

Attention to ultrahigh temperature ceramics has increased significantly due to the advancements in 21^st century technologies and efforts to develop reusable thermal protection systems and other compounds required for future generations of hypersonic aerospace vehicles. In this research, the addition of zirconium carbide (ZrC) as a reinforcement in volumes ranging from 5 to 40% was investigated for its impact on the mechanical properties and crack growth behavior of ZrB₂-SiCn/m composites) with 3% silicon nitride (Si₃N₄) by volume) The results indicate that volumetric shrinkage decreases with increasing ZrC content. The highest relative density increase was observed in the ZrB₂-SiC_n/m-30%ZrC sample, with a percentage increase of 97.04%. Since cracks cannot pass through the ZrC particles, these particles increase the toughness by altering the crack path and bridging the crack. Moreover, the sample containing 30% volume fraction of ZrC exhibited the highest fracture toughness (4.26 MPa.m^1/2) and hardness (16.3 GPa).

منابع و مأخذ:

[1] S. V. Ushakov & A. Navrotsky, "Experimental approaches to the thermodynamics of ceramics above 1500 C", Journal of the American Ceramic Society, vol. 95, no. 5, pp. 1463–1482, 2012.

[2] Z. Wu, X. Liang, Z. Shao, H. Chen, J. Li & J. Wang, "Highly porous multicomponent (Hf1/3Ta1/3Nb1/3) C ultra-high temperature ceramic with low thermal conductivity", Materialia, vol. 18, p. 101158, 2021.

[3] E. Zhang, W. Zhang, T. Lv, J. Li, J. Dai, F. Zhang, Y. Zhao, J. Yang, W. Li & H. Zhang, "Insulating and robust ceramic nanorod aerogels with high-temperature resistance over 1400° C", ACS Applied Materials & Interfaces, vol. 13, no. 17, pp. 20548–20558, 2021.

[4] D. Ni, Y. Cheng, J. Zhang, J. X. Liu, J. Zou, B. Chen, H. Wu, H. Li, S. Dong & J. Han, "Advances in ultra-high temperature ceramics, composites, and coatings", Journal of Advanced Ceramics, vol. 11, pp. 1–56, 2022.

[5] B. C. Wyatt, S. K. Nemani, G. E. Hilmas, E. J. Opila & B. Anasori, "Ultra-high temperature ceramics for extreme environments", Nature Reviews Materials, pp. 1–17, 2023.

[6] A. Nisar R. Hassan, A. Agarwal & K. Balani, "Ultra-high temperature ceramics: Aspiration to overcome challenges in thermal protection systems", Ceramics International, vol. 48, no. 7, pp. 8852–8881, 2022.

[7] M. Kheyrollazadeh, Z. Balak, M. Azizieh & M. S. Asl, "Effect of TaC and graphene nanoplatelets on the microstructure and mechanical properties of ZrB2", Diamond and Related Materials, vol. 139, p. 110345, 2023.

[8] D. Hu, Q. Fu, L. Zhou, X. Li & B. Liu, "Effects of air plasma flame on the ZrB2-based UHTC coatings: Microstructure, phase evolution and ablation resistance", Journal of Materials Science & Technology, vol. 158, pp. 194–206, 2023.

[9] M. Zhang, G. Yang, L. Zhang, Y. Zhang, J. Yin, X. Ma, J. Wen, L. Dai, X. Wang & H. Chen, "Application of ZrB2 thin film as a low emissivity film at high temperature", Applied Surface Science, vol. 527, p. 146763, 2020.

[10] B. Kumar & P. Kumar, "Preparation of hybrid reinforced aluminium metal matrix composite by using ZrB2: A systematic review", Materials Today: Proceedings, vol. 61, pp. 115–120, 2022.

[11] J. A. Yeom, Y. W. Kim, W. K. Jung, D. I. Cheong & E. S. Kang "Pressureless sintering of SiC ceramics with improved specific stiffness", Journal of the European Ceramic Society, vol. 43, no. 9, pp. 3941–3949, 2023.

[12] W. Huang, J. Zhou, C. Ren, F. Zhang, J. Tang, M. Omran & G. Chen, "Sintering behaviour and properties of zirconia ceramics prepared by pressureless sintering", Ceramics International, vol. 49, no. 16, pp. 27192–27200, 2023.

[13] X. Li, L. Zhang, Y. Dong, M. Qin, Z. Wei, Z. Que, J. Yang, X. Qu & J. Li, "Towards pressureless sintering of nanocrystalline tungsten", Acta Materialia, vol. 220, p. 117344, 2021.
[14] A. Snyder, D. Quach, J. R. Groza, T. Fisher, S. Hodson & L. A. Stanciu, "Spark Plasma Sintering of ZrB2–SiC–ZrC ultra-high temperature ceramics at 1800 C", Materials Science and Engineering: A, vol. 528, no. 18, pp. 6079–6082, 2011.

[15] T. G. Aguirre, C. L. Cramer, E. Cakmak, M. J. Lance & R. A. Lowden, "Processing and microstructure of ZrB2–SiC composite prepared by reactive spark plasma sintering", Results in Materials, vol. 11, p. 100217, 2021.

[16] F. Adibpur, S. A. Tayebifard, M. Zakeri & M. S. Asl, "Spark plasma sintering of quadruplet ZrB2–SiC–ZrC–Cf composites", Ceramics International, vol. 46, no. 1, pp. 156–164, 2020.

[17] L. Silvestroni & D. Sciti, "Microstructure and properties of pressureless sintered ZrC-based materials", Journal of Materials Research, vol. 23, no. 7, pp. 1882–1889, 2008.

[18] Z. Zhao, K. Li & W. Li, "Ablation behavior of ZrC-SiC-ZrB2 and ZrC-SiC inhibited carbon/carbon composites components under ultrahigh temperature conditions", Corrosion Science, vol. 189, p. 109598, 2021.

[19] Y. Wang, G. Zhang & K. Chou, "Preparation and oxidation characteristics of ZrC-ZrB2 composite powders with different proportions", International journal of minerals, metallurgy and materials, vol. 29, no. 3, pp. 521–528, 2022.

[20] M. Tiwari, A. Singh & V. K. Singh, "The microstructural and mechanical behavior of in-situ synthesized ZrB2–ZrC and ZrB2–SiC–ZrC composites: A comparative study", Vacuum, vol. 214, p. 112199, 2023.

[21] E. W. Neuman, G. J. Harrington, G. E. Hilmas & W. G. Fahrenholtz, "Thermal conductivity of hot-pressed ZrB2-ZrC ceramics", Materialia, vol. 26, p. 101638, 2022.

[22] B. Ke, W. Ji, J. Zou, W. Wang & Z. Fu, "Densification mechanism, microstructure and mechanical properties of ZrC ceramics prepared by high-pressure spark plasma sintering", Journal of the European Ceramic Society, vol. 43(8), pp. 3053–3061, 2023.

[23] K. Cui, H. Mao, Y. Zhang, J. Wang, H. Wang, T. Tan & T. Fu, "Microstructure, mechanical properties, and reinforcement mechanism of carbide toughened ZrC-based ultra-high temperature ceramics: A review", Composite Interfaces, vol. 29, no. 7, pp. 729–748, 2022.

[24] J. Zhang & J. M. McMahon, "Temperature-dependent mechanical properties of ZrC and HfC from first principles", Journal of Materials Science, vol. 56, no. 6, pp. 4266–4279, 2021.

[25] I. Forooghi & M. Mashhadi, "Pressureless Sintering & Mechanical & Thermal Properties of ZrB2-ZrC-SiC Nanocomposite", Journal of Advanced Materials in Engineering (Esteghlal), vol. 39, no. 4, pp. 115–129, 2022.

[26] M. Sarhangian & M. Mashhadi, "The Impact of Si3N4 Incorporation on the Mechanical Characteristics of ZrB2-SiC Nanocomposite Sintered via Pressureless Method", Heliyon, 2024.

[27] Z. Nasiri & M. Mashhadi, "Investigation on microstructure, mechanical properties and pressureless sintering behavior of ZrB2-SiCnano/micron composites", 2018.

[28] M. Vivekananthan, C. Ahilan, S. Sakthivelu & M. Saravanakumar, "A primary study of density and compressive strength of the silicon nitride and titanium nitride ceramic composite", Materials Today: Proceedings, vol. 33, pp. 2741–2745, 2020.

[29] S. W. Hughes, "Measuring liquid density using Archimedes’ principle", Physics Education, vol. 41, no. 5, p. 445, 2006.

[30] L. Feng, W. G. Fahrenholtz & G. E. Hilmas, "Effect of ZrB2 content on the densification, microstructure, and mechanical properties of ZrC-SiC ceramics", Journal of the European Ceramic Society, vol. 40, no. 2, pp. 220–225, 2020.

[31] S. Li, Y. Zhu, J. Chai, Y. Liu, L. Niu, X. Gao, P. Jin, T. Shen, M. Cui & Z. Wang, "Effects of ZrC content on the microstructure and mechanical property of ZrC/ZTA composites consolidated by hot pressing", Journal of Alloys and Compounds, vol. 860, p. 158402, 2021.

[32] V. Gropyanov & L. Bel’tyukova, "Sintering and recrystallization of ZrC-ZrB 2 compacts", Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics, vol. 7, pp. 527–533, 1968.

[33] Z. Yu, X. Lv, S. Lai, L. Yang, W. Lei, X. Luan & R. Riedel, "ZrC–ZrB 2–SiC ceramic nanocomposites derived from a novel single-source precursor with high ceramic yield", Journal of Advanced Ceramics, vol. 8, pp. 112–120, 2019.

[34] S. Emami, E. Salahi, M. Zakeri & S. Tayebifard, "Effect of composition on spark plasma sintering of ZrB2–SiC–ZrC nanocomposite synthesized by MASPSyn", Ceramics International, vol. 43, no. 1, pp. 111–115, 2017.
[35] B. Ke, J. Zou, W. Wang, W. Ji & Z. Fu, "Fabrication and improved properties of ZrC-SiC-ZrB2 ceramics by ultra-high pressure sintering", Journal of the European Ceramic Society, 2024.

[36] H. L. Liu, G. J. Zhang, J. X. Liu & H. Wu, "Synergetic roles of ZrC and SiC in ternary ZrB2–SiC–ZrC ceramics", Journal of the European Ceramic Society, vol. 35, no. 16, pp. 4389–4397, 2015.

[37] A. Rezapour & Z. Balak, "Fracture toughness and hardness investigation in ZrB2–SiC–ZrC composite", Materials Chemistry and Physics, vol. 241, p. 122284, 2020.

[38] Q. Y. Liu, S. K. Sun, L. Y. Zeng, Y. You, W. M. Guo, L. X. Wu & H. T. Lin, "Improvement of sinterability and mechanical properties of ZrB2 ceramics by the modified borothermal reduction methods", Journal of the European Ceramic Society, vol. 40, no. 12, pp. 3844–3850, 2020.

[39] S. N. Katea, L. Riekehr & G. Westin, "Synthesis of nano-phase ZrC by carbothermal reduction using a ZrO2–carbon nano-composite", Journal of the European Ceramic Society, vol. 41, no. 1, pp. 62–72, 2021.


[40] R. Harrison & W. Lee, "Processing and properties of ZrC, ZrN and ZrCN ceramics: a review", Advances in Applied Ceramics, vol. 115, no. 5, pp. 294–307, 2016.

[41] H. B. Ma, G. J. Zhang, H. L. Liu, J. X. Liu, Y. Lu & F. F. Xu, "Effect of WC or ZrC addition on thermal residual stresses in ZrB2SiC ceramics", Materials & Design, vol. 110, pp. 340–345, 2016.

[42] G. A. Gogotsi, "Fracture toughness of ceramics and ceramic composites", Ceramics international, vol. 29, no. 7, pp. 777–784, 2003.

[43] K. Matsui, K. Hosoi, B. Feng, H. Yoshida & Y. Ikuhara, "Ultrahigh toughness zirconia ceramics", Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 120, no. 27, p. e2304498120, 2023.

متن کامل:



فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال هجدهم –  شماره چهارم –  زمستان 1403 (شماره پیاپی 71)، ص­ص. 59-70
	فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir

تأثیر افزودن ZrC در فرآیند تف‌جوشی بدون فشار کامپوزیت هیبریدی ZrB2-SiCn/SiCm-Si3N4  بر خواص فیزیکی، مکانیکی و مکانیزم رشد ترک آن

مقاله پژوهشی

 محمد سرهنگیان۱، مهری مشهدی2*

 

1- دانشجوی دکتری، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

2- دانشیار، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

*  [e-mail]

 

 

اطلاعات مقاله		چکیده
دریافت: 06/03/1402 پذیرش: 12/05/1403		توجه به سرامیک‌های فوق دمابالا به دلیل فناوری‌های قرن بیست و یکم و تلاش برای ساخت سامانه‌های حفاظت حرارتی قابل‌استفاده مجدد و سایر ترکیبات موردنیاز برای نسل‌های آینده وسایل نقلیه هوا فضایی مافوق صوت، به میزان قابل‌توجهی افزایش یافته است. در این پژوهش افزودن کاربید زیرکونیم (ZrC) به‌عنوان تقویت‌کننده در مقادیر 5 تا 40 درصد حجمی بر رفتار خواص مکانیکی و مکانیزم رشد ترک ZrB2-SiCn/m (دارای 3 درصد حجمی سیلیکون نیترید Si3N4) موردبررسی قرار گرفت. جهت ارزیابی از سختی سنجی ویکرز، چگالی ارشمیدس و تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی استفاده شد. نتـایج نشان داد؛ میزان انقباض حجمی با افزایش میزان ZrC کاهش می‌یابد. بالاترین افزایش چگالی نسبی نمونه­ها با افزایش مقدار ZrC در نمونه ZrB2-SiCn/m-30%ZrC به میزان (04/97) درصد است. با توجه به این‌که ترك نمي­تواند از ميان ذرات ZrC عبور کند؛ این ذرات از طريق دو سازوکار تغيير مسير ترك و پل‌زنی ترك باعث افزايش چقرمگي مي­شوند. همچنین نمونه حاوی 30 درصد حجمی ZrC بیشترین مقدار چقرمگی شکست (MPa.M1/226/4) و سختی (GPa 3/16) را دارد.
کلید واژگان: سرامیک‌های فوق دمابالا  دیبوراید زیرکونیوم تف‌جوشی بدون فشار کاربید زیرکونیوم.

 

Influence of ZrC Addition on the Physical, Mechanical Properties, and Crack Growth Behavior of ZrB2-SiCn/SiCm-Si3N4 Hybrid Composite Fabricated Through Pressureless Sintering Process

 

Mohammad Sarhangian1, Mehri Mashhadi2*

1- PhD Student, Malek Ashtar University of Technology, Faculty of Materials & Manufacturing Technologies, Tehran, Iran.

2- AssosiateProfessor, Malek Ashtar University of Technology, Faculty of Materials & Manufacturing Technologies, Tehran, Iran.

* [e-mail]

 

Abstract		Article Information
Attention to ultrahigh temperature ceramics has increased significantly due to the advancements in 21st century technologies and efforts to develop reusable thermal protection systems and other compounds required for future generations of hypersonic aerospace vehicles. In this research, the addition of zirconium carbide (ZrC) as a reinforcement in volumes ranging from 5 to 40% was investigated for its impact on the mechanical properties and crack growth behavior of ZrB2-SiCn/m composites) with 3% silicon nitride (Si3N4) by volume) The results indicate that volumetric shrinkage decreases with increasing ZrC content. The highest relative density increase was observed in the ZrB2-SiCn/m-30%ZrC sample, with a percentage increase of 97.04%. Since cracks cannot pass through the ZrC particles, these particles increase the toughness by altering the crack path and bridging the crack. Moreover, the sample containing 30% volume fraction of ZrC exhibited the highest fracture toughness (4.26 MPa.m1/2) and hardness (16.3 GPa).		Original Research Paper Doi: 10.71753/ma.2024.1120898
		Keywords: Ultra-High Temperature Ceramics  ZrB2 Pressureless Sinter  ZrC.

 

 

1- مقدمه

به‌طورکلی منظور از كاربرد فوق دمابالا آن است كه ماده بتواند دماهاي بالاتر از 1800 درجه به همراه جريان‌هاي گرمايي بالا، تنش‌هاي مكانيكي و لرزش را تحمل كند. ازاین‌رو نياز است؛ ماده داراي استحكام، مقاومت به اكسيداسيون، مقاومت به شوك حرارتي و مقاومت به سايش بالايي باشد [1–3]. ترکیبات دیرگداز مانند کاربیدهای سرامیکی، بوریدها و نیتریدها، به دلیل نقاط ذوب بالا، سختی بالا، خنثی بودن شیمیایی و مقاومت در برابر اکسیداسیون، شاخص هستند. این ترکیبات دیرگداز به‌طورکلی سرامیک‌های فوق دمابالا1 (UHTCs) نامیده می‌شود [4–6]. بوریدها و کاربیدهای فلزات مانند دیبورید زیرکونیم (ZrB2)، TaC و ZrC دارای نقاط ذوب بسیار بالایی هستند و به‌عنوان سرامیک‌های فوق دمابالا طبقه‌بندی می‌شوند [7-8].

کامپوزیت‌های سرامیکی ZrB2 کاندیدهای جذاب برای مواد ساختاری فوق دمابالا به علت استحکام عالی دمابالا و مقاومت به اکسیداسیون خوب شناخته‌شده‌اند. این خصوصیات باعث می‌شود تا در محیط‌های حساس ازجمله پرواز مافوق صوت، ورود مجدد اتمسفر، رانش موشک و ... مورداستفاده قرار گیرند [9-10].

تف‌جوشی کامپوزیت‌های پایه ZrB2 اساساً به روش جرقه پلاسما، پرس داغ و پرس داغ واکنشی انجام می‌شود؛ اما به دلیل مزایایی که روش تف‌جوشی بدون فشار در مقایسه با روش‌های ذکرشده دارد (قابلیت ساخت قطعه نزدیک به ابعاد نهایی، ساخت قطعات با اشکال هندسی پیچیده و کاهش هزینه ماشین‌کاری قطعات) به روش‌های دیگر ترجیح داده می‌شود [11–13].

اسنایدر و همکاران2 [14] ارتباط بین ترکیب، ریزساختار و خواص کامپوزیت ZrB2-SiC-ZrC به روش تف‌جوشی قوس پلاسما بررسی کردند. در این پژوهش پنج نمونه مختلف از این کامپوزیت سه‌جزئی ساخته شد. چگالی نمونه‌ها با افزایش درصد سیلیکون کاربید افزایش یافت و بالاترین چگالی مربوط به نمونه‌ها در میزان 20 درصد حجمی سیلیکون کاربید بود. متوسط اندازه ذرات در نمونه‌ها 4 الی 5 میکرومتر گزارش شد. نتایج نشان دادند؛ افزایش درصد فازی SiC منجر به کاهش اندازه ذرات در این کامپوزیت شد. با توجه به نتایج آزمون سختی سنجی بیشترین سختی در نمونه‌ها در مقادیر 20 درصد حجمی از هرکدام از اجزاء این کامپوزیت است.

با توجه به اینکه فرآیند متراکم سازی این کامپوزیت‌ها در دما و فشار بسیار بالا انجام می‌شود، امروزه برای ساخت سرامیک‌های ZrB2-SiC-ZrC درواقع نوعی پرس داغ اصلاح‌شده هستند می‌توان به گرمادهی بسیار سریع و همین‌طور زمان تف‌جوشی کوتاه دست‌یافت. علاوه بر این در روش‌ها رشد دانه‌ها به‌شدت محدودشده و امکان دسترسی به ریزساختارهای بسیار منظمی وجود دارد. همین‌طور چگالی نهایی نمونه نیز به چگالی نظری نزدیک‌تر خواهد بود [14–16].

سیلوسترونی و همکاران3 [17] در پژوهشی کامپوزیت‌های بر پایه ZrC را به روش تف‌جوشی بدون فشار با استفاده از MoSi2 به‌عنوان کمک تف‌جوشی آماده کردند. پس از آزمایش‌ها اولیه، یک ماده ZrC پایه و دو کامپوزیت ZrC-HfC و ZrC-ZrB2 به دست آمد که حاوی 20 درصد حجمی MoSi2 در دمای 1900 تا 1950 درجه سانتی‌گراد به تراکم نسبی 96-98  درصد رسیدند. میانگین اندازه ذرات بین 5 تا 9 میکرومتر به دست آمد. نتایج نشان داد که افزودن دیبوراید زیرکونیوم موجب بهبود خواص این کامپوزیت در دمای اتاق و دماهای بالاتر می‌شود. به‌منظور بررسی اثر ترکیب کامپوزیت روی خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی، کامپوزیت‌هایی با ترکیب‌های متفاوت ساخته شد. نتایج ریزساختار و چگالی نشان دادند که کاهش مقدار ZrB2، دمای شروع چگال شدن را کاهش می‌دهد، اما مقادیر ZrC یا SiC، در این دما تأثیری روی چگال شدن ندارد. 

بیشترین تأثیر قابل‌توجه افزودن ZrC به کامپوزیت‌های زمینه ZrB2 بهبود تف‌جوشی­پذیری، توسعه ریزساختار، بهبود خواص مکانیکی و افزایش مقاومت به اکسیداسیون است [18–21]. همچنین به دلیل سختی ذاتاً بالا و ایجاد ساختار ریزدانه می‌تواند خواص مکانیکی و چقرمگی را بهبود دهد [22–25].  در شکل دو جزئي به دليل محدوديت در قابليت تف‌جوشی، براي كاربردهاي فوق دما بالا مناسب نيست. با توجه به اینکه افزودن 3 درصد حجمی Si3N4 در پژوهش‌های مشابه [26] باعث کاهش تخلخل و بهبود نسبی خواص مکانیکی شده است؛ در این پژوهش اثر میزان افزودنی ZrC (از 5 تا 40 درصد) بر خواص مکانیکی و مکانیزم ترک کامپوزیت ZrB2-SiCn/m (با 3 درصد حجمی Si3N4 در ترکیب) بررسی شده است. در این پژوهش درصد بهینه ZrC به دست آمده است؛ بنابراین سیستم کامپوزیتی موردبررسی، از خواص مکانیکی بهینه‌تری نسبت به پژوهش‌های مشابه برخوردار است (در کاربردهای مختلف و به‌خصوص دما بالا، ویژگی لازم و مثبتی تلقی می‌شود).

 

2- روش تحقیق

 2- 1- آماده‌سازی نمونه‌ها

با توجه به جدول 1 در این پروژه از پودرهای 1 تا 4 به‌عنوان مواد اولیه و از ZrC به‌عنوان کمک تف‌جوشی استفاده ‌شد. ترکیب کامپوزیت مورداستفاده اولیه 78%VolZrB2-20%VolSiC-3%VolSi3N4 است. کامپوزیت ZrB2-SiC حاوی میکروذرات (m) SiC به دلیل تجمع ذرات در مرز دانه‌ها منجر به توزیع غیریکنواخت ذرات در فاز زمینه می‌شود؛ درنتیجه چگالی نسبی افزایش می‌یابد. از طرف دیگر نانوذرات SiC (n) باعث بهبود رفتار تف‌جوشی ZrB2 می‌شود [27]. از دستگاه پرس هیدرولیک تک‌محوره با فشار 80 مگاپاسکال به مدت 5 دقیقه جهت شکل‌دهی پودرها در قالب فولاد گرید ۱.۲۵۶۷ استفاده شد. درنهایت نمونه­های استوانه­ای شکل به ارتفاع تقریبی 5 و 10 میلی‌متر تهیه شد. جهت پیرولیز در مرحله اول از کوره با سرعت حرارت دهی 1 درجه سانتی‌گراد در دقیقه تا دمای 1000 درجه سانتی‌گراد به مدت 3 ساعت جهت خروج رزین استفاده و در مرحله دوم از کوره با سرعت حرارت دهی 10 درجه سانتی‌گراد تا دمای 1000 درجه سانتی‌گراد به مدت 2 ساعت استفاده شد.

 

جدول (1): مشخصات پودر اولیه کامپوزیت ZrB2_SiCn/m.

 

در چارت موجود در شکل 1 طرح‌واره مراحل کلی آزمایش ارائه شده است. برای بررسی اثر میزان ZrC مقادیر مختلف آن شامل 0 تا 40 درصد وزنی با ترازوی دیجیتالی توزین شدند. به‌منظور آماده­سازی نمونه­ها، مواد اولیه هر ترکیب توسط آسیاب سیاره‌ای و گلوله­های زیرکونیا با نسبت پودر به گلوله 1 به 10 به مدت 2 ساعت با سرعت 200 دور در دقیقه و در محلول اتانول آسیاب شدند. دوغاب حاصله در دمای 100 درجه سانتی‌گراد به مدت‌زمان 2 ساعت خشک شد، در ادامه به‌منظور یکنواخت سازی اندازه آگلومره­ها، همه ترکیب­ها در هاون سرامیکی و از الک با مش 60 میکرومتر عبور داده شد. پرس نمونه­ها توسط دستگاه هیدرولیک تک‌محوره با نیروی 200 مگاپاسکال انجام شد. درنهایت نمونه­ها به‌صورت قطعات استوانه­ای شکل به قطر 14 و ارتفاع 5 میلی‌متر تهیه شدند.

 

 

شکل (1): طرح‌واره فرآیند و مراحل کلی انجام پژوهش.

 

 

به‌منظور تهیه ترکیبات، پودرها به نسبت‌های وزنی مطابق جدول 2 به مدت 2 ساعت در آسیاب ماهواره­ای با نسبت گلوله به پودر 1 به 10 و سرعت rpm 200 مخلوط شدند. جهت تراکم‌پذیری و چسبندگی پودرها از 5 درصد رزین فنولیک استفاده شد.

عملیات خشک‌کردن پودرها در خشک­کن حرارتی تحت دمای 100 درجه سانتی‌گراد، با سرعت حرارت دهی 10 درجه سانتی‌گراد در دقیقه و به مدت 24 ساعت انجام شد.

 

جدول (2): ترکیب شیمیایی نمونه‌های مورد آزمایش.

ردیف	نوع ماده	اندازه ذرات	خلوص (درصد)	ناخالصی‌ها
1	SiCn	40 nm	99>	Al-Ca
2	SiCm	D50=2.5	99>	-
3	ZrB2	D50=3	99>	Hf-Mg-Si-Na
4	Si3N4	D50=10
5	ZrC	D50=7	99>	Fe-S-Cu

کد نمونه	ترکیب
ZSZ0	ZrB2-SiC-0%ZrC
ZSZ5	ZrB2-SiC-5%ZrC
ZSZ10	ZrB2-SiC-10%ZrC
ZSZ15	ZrB2-SiC-15%ZrC
ZSZ20	ZrB2-SiC-20%ZrC
ZSZ25	ZrB2-SiC-25%ZrC
ZSZ30	ZrB2-SiC-30%ZrC
ZSZ35	ZrB2-SiC-35%ZrC
ZSZ40	ZrB2-SiC-40%ZrC

 

به‌منظور سختی سنجی نمونه­ها از روش سختی سنجی ویکرز با استاندارد ASTM-E399 با نیروی 75 کیلوگرم با توجه به رابطه 1 استفاده شد.

 

 

 

در این رابطه p بار برحسب نیوتن و D میانگین طول دو قطر سطح اثر به میلی‌متر است.

به‌منظور اندازه‌گیری دانسیته نمونه­ها پس از پخت از روش ارشمیدس بر اساس استاندارد ASTM-B311 استفاده شد. روش استفاده ‌شده به‌طور خلاصه در ادامه ذکر شده است:

-       انتخاب حداقل 9 نمونه سالم و بدون ترک.

-       خشک‌کردن نمونه­ها.

-       اندازه‌گیری وزن نمونه‌ها در هوا و در حالت خشک با دقت 0001/0 گرم (D).

-       غوطه­وری نمونه‌ها در آب مقطر در حال جوش به مدت 5 ساعت.

-       پس از 5 ساعت نمونه­ها در آب مقطر به مدت 24 ساعت غوطه­ور ماندند.

-       اندازه­گیری وزن نمونه‌های غوطه­ور در آب با دقت 0001/0 گرم (S).

-       اندازه­گیری وزن نمونه­های خیس در هوا پس از حذف آب اضافی روی سطح پارچه کتان (M).

با توجه به روابط 2 تا 7 حجم ظاهری نمونه (V)، حجم تخلخل­های باز (V0p)، تخلخل ظاهری (P)، دانسیته واقعی (T) و دانسیته ظاهری (B) به دست آمد [28-29].

 

(1)

 

دانسیته بالک نمونه‌ها به روش ارشمیدس مطابق با استاندارد ASTM-C373-88 و دانسیته تئوری با استفاده از قانون مخلوط‌ها تعیین شد. از تقسیم دانسیته بالک به دانسیته تئوری، دانسیته نسبی به دست آمد. با استفاده روابط ذکرشده در ادامه،‌ می‌توان دانسیته بالک، دانسیته نسبی و درصد تخلخل‌های ظاهری را محاسبه کرد. محاسبات با استفاده از روابط 8 الی 14 انجام گرفت.

 

(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)

 

در روابط بالا،  چگالی حجمی توده برحسب گرم بر سانتیمتر مکعب،  چگالی ظاهری توده برحسب گرم بر سانتیمتر مکعب،  چگالی مایع غوطه‌ور کننده برحسب گرم بر سانتیمتر مکعب (چگالی آب مقطر 1 گرم بر سانتیمتر مکعب است)،  چگالی نظری برحسب گرم بر سانتیمتر مکعب،   چگالی نسبی (بدون واحد)،وزن خشک نمونه برحسب گرم،  وزن غوطه‌وری نمونه برحسب گرم،  وزن‌ تر نمونه برحسب گرم،  درصد تخلخل باز،  درصد تخلخل بسته و  درصد تخلخل کل است. برای این منظور میزان تخلخل نمونه‌ها در مراحل مختلف (نمونه خام و نمونه تف‌جوشی شده نهایی) گزارش شد. تخلخل‌های ایجادشده در نمونه‌ها به دو صورت باز و بسته است. میزان تخلخل‌های باز یا تخلخل ظاهری تعیین‌کننده میزان نفوذپذیری یا سهولت عبور مایعات و گازها است که از رابطه 15 محاسبه می‌شوند.

 

(8)
(9)
(10)	(𝑣𝑜𝑙%𝑍𝑟𝐵2×𝜌𝑍𝑟𝐵2+𝑣𝑜𝑙%𝑍𝑟𝐶×𝜌𝑍𝑟𝐶+𝑣𝑜𝑙%𝑆𝑖𝐶×𝜌𝑆𝑖𝐶+𝑣𝑜𝑙%Si3N4×𝜌Si3N4)
(11)
(12)
(13)
(14)

 

به‌منظور اندازه­گیری چقرمگی شکست نمونه­ها از روش ایجاد ترک توسط نفوذگر مطابق استاندارد ASTM-E399 استفاده شد و برای هر ترکیب 1 نمونه آزمون شد. چقرمگی شکست نمونه‌ها مطابق این استاندارد توسط رابطه 16 محاسبه می­شود.

 

(15)

 

در این رابطه P نیروی اعمالی برای گذاشتن اثر ویکرز برحسب نیوتن و C طول ترک شعاعی برحسب متر است.

 

3- نتایج و بحث

در این پژوهش، از ZrC به‌عنوان افزودنی در مقادیر 5 الی 40 درصد وزنی استفاده شده است که این مقدار بر ترکیب اصلی افزوده شد (ترکیب پایه 78%VolZrB2-20%SiC-3%Si3N4 است؛ در این ترکیب نسبت SiCn به SiCn برابر با 3 است [26]).

 در مقادیر وزنی عنوان‌شده، به ترکیب پایه اضافه شد و عملیات شکل‌دهی و تف‌جوشی نمونه­ها در شرایط ثابت برای تمامی ترکیبات، انجام گرفت. در جدول 3 نتایج حاصل از کامپوزیت ZrB2-SiCn/m در دمای 2200 درجه سانتی‌گراد آورده شده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول (3): درصد تخلخل، دانسیته بالک، دانسیته نسبی، انقباض حجمی و تخلخل نمونه­ها.

(16)

کد نمونه	ترکیب شیمیایی (درصد وزنی)	دانسیته بالک (گرم بر سانتی‌متر مکعب)	دانسیته نسبی (درصد)	تخلخل (درصد)	انقباض حجمی (درصد)
ZSZ0	ZrB2-SiC-Si3N4-0%ZrC	20/5	70/93	9/1	80/47
ZSZ5	ZrB2-SiC-Si3N4-5%ZrC	31/5	10/94	5/1	45/46
ZSZ10	ZrB2-SiC-Si3N4-10%ZrC	22/5	18/95	3/1	67/46
ZSZ15	ZrB2-SiC-Si3N4-15%ZrC	24/5	73/95	3/1	44/48
ZSZ20	ZrB2-SiC-Si3N4-20%ZrC	29/5	09/96	78/0	63/50
ZSZ25	ZrB2-SiC-Si3N4-25%ZrC	26/5	04/97	76/0	71/46
ZSZ30	ZrB2-SiC-Si3N4-30%ZrC	21/5	04/97	5/0	04/46
ZSZ35	ZrB2-SiC-Si3N4-35%ZrC	20/5	01/96	44/0	21/46
ZSZ40	ZrB2-SiC-Si3N4-40%ZrC	26/5	24/95	02/1	09/46

 

 

3-1- اثر مقدار کاربید زیرکونیوم بر دانسیته نسبی کامپوزیت ZrB2-SiCn/m

با داشتن ابعاد نمونه­ها، قبل و بعد از فرآیند تف‌جوشی می­توان درصد انقباض را محاسبه کرد. جدول 3، درصد انقباض، دانسیته­ها و تخلخل نمونه­ها به روش ارشمیدس، بعد از تف‌جوشی در دمای 2200 درجه سانتی‌گراد را نشان می‌دهد. بررسی نتایج حاصل از آزمون دانسیته بر اساس جدول 3 و بررسی شکل 2 که نشان‌دهنده درصد تخلخل برحسب درصد وزنی ZrC است؛ بنابراین در نمونه حاوی ZrC با میزان 0 تا 30 درصد وزنی ZrC، کاهش در میزان تخلخل و افزایش در دانسیته نسبی رخ ‌داد، به‌طوری‌که در 30 درصد وزنی ZrC کمترین درصد تخلخل و بیشترین دانسیته نسبی مشاهده شد. از طرفی در نمونه­های با مقادیر بیش از 30 درصد ZrC به دلیل آگلومراسیون، دانسیته نسبی آن کاهش یافته است. در پژوهش‌های مشابه [29–31] با افزودن ZrC، تخلخل­های ظاهری کاهش پیدا کرده است که می­تواند در نقش یک کمک تف‌جوشی، سبب تف‌جوشی پذیری بهتر کامپوزیت شود؛ در مقابل سبب تراکم بیشتر و افزایش چگالی شده باشد؛ اما مقادیر بیشتر از 30 درصد وزنی، نتیجه عکس داشته و سبب افزایش تخلخل‌های ظاهری می­شود و به دنبال آن چگالی را کاهش می­دهد. گروپيانو و همكاران4 [32] تأثیر افزودن  ZrCو ZrB2 به يكديگر را موردمطالعه قراردادند. آن‌ها نتيجه­گيری كردند كه سينترپذيری ZrB2 به ميزان زيادي به مقدار ZrC وابسته بوده و به‌عبارت‌دیگر با افزايش جزء ديرگدازتر كامپوزيت يعني ZrC تا حدودی چگالي بيشتر و تخلخل ظاهري كمتر مي­شود. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که با افزايش مقدار  ZrCفصل مشترك­ها گسسته خواهند شد و از حالت يكپارچگي بيرون خواهد آمد.

 با توجه به نتایج شکل 2 و بررسی­های صورت گرفته با افزودن مقدار ZrC درصد انقباض افزایش یافت، اما با عبور از مقدار 30 درصد وزنی، درصد انقباض نمونه مجدد روند نزولی پیدا کرد. با افزایش بیش از 35 درصد وزنی ZrC، روند نزولی انقباض می‌تواند مربوط به تشکیل احتمالی فازهای جدید باشد و این مطلب در مورد دانسیته نیز صادق است. در نمونه حاوی 30 درصد وزنی ZrC، کمترین مقدار انقباض حاصل شد که نشان‌دهنده تف‌جوشی شدن خوب نمونه و حذف بیشتر تخلخل­ها می‌تواند باشد [26 و 33].

 

شکل (2): تغییرات چگالی نسبی با افزایش مقدار ZrC.

 

 

 

3-2- اثر مقدار کاربید زیرکونیوم بر سختی کامپوزیت ZrB2-SiCn/m-ZrC

نتایج حاصل از سختی سنجی ویکرز کامپوزیت ZrB2-SiCn/m در جـدول 4 آمـده است. همان‌طور که ملاحظه می­شود با افزایش میزان ZrC در نمونه‌های 25 تا 30 درصد وزنی ZrC، افزایش در سختی مشاهده شد؛ زیرا سختی سرامیک­ها با افزایش دانسیته افزایش یافته است. به‌بیان‌دیگر نتایج حاصل از سختی تأییدکننده نتایج حاصل از دانسیته هستند. از طرفی حضور ZrC تحریک‌پذیری مرزدانه­ها را کاهش داده است. درنهایت ذرات ZrC با ممانعت کردن از حرکت مرزدانه­ها از رشد دانه­های زمینه جلوگیری می‌کنند. روند تغييرات در مقادير سختي را مي­توان به تغيير مقدار ZrC در كامپوزيت و اثر آن بر اندازه دانه و ساختار بلوري كامپوزيت نسبت داد؛ زيرا خود فاز ZrC از سختي بالايي برخوردار است [22] و با افزودن اين فاز به كامپوزيت سختي آن بالا مي­رود. همچنين با افزايش مقدار ZrC از یک‌سو رشد دانه­ها کنترل‌شده و اندازه دانه­ها ريزتر مي­شود كه اين امر باعث افزايش سختي نمونه­ها شده است. از سوي ديگر مقدار بیش‌ازحد ZrC (بيش از 30 درصد) موجب گسستگي ساختار و افزايش تخلخل­هاي ظاهري می‌شود. اين امر اثر بيشتري بر سختي گذاشته و مقدار سختي كامپوزيت را كم مي­كند. بنابراين بالاترين مقدار سختي در نمونه با 30 درصد ZrC به مقدار 3/16 گیگاپاسکال حاصل شد. این میزان در حد سختي به‌دست‌آمده براي كامپوزيت ZrB2-SiC-ZrC در دیگر پژوهش‌های مشابه [34–36] است.

 

جدول (4): سختی ویکرز کامپوزیت‌های ZrB2-SiCn/m.

کد نمونه	سختی (گیگاپاسکال)
ZSZ0	01/13
ZSZ5	17/13
ZSZ10	20/14
ZSZ15	32/14
ZSZ20	06/15
ZSZ25	94/15
ZSZ30	30/16
ZSZ35	22/15
ZSZ40	19/14

با توجه به رابطه 17 و با در نظر گرفتن این نکته که تخلخل روی سختی اثر مستقیم دارد. P سختی ماده کاملاً چگال، H0 میزان تخلخل موجود در ساختار و b یک ثابت است با توجه به این‌که تخلخل در سرامیک‌ها هیچ‌گونه مقاومتی در برابر تنش نشان ندارد؛ بنابراین در مواد با تخلخل بیشتر، سختی کمتری دیده می­شود [37-38] و می­توان نتیجه گرفت که در نمونه­های 35 و 40 درصد، با زیادشدن مقدار درصد ZrC تخلخل افزایش‌یـافته و سختی کمتری دیده می­شود.

 

 

با افزایش میزان کاربید ­زیرکونیوم و با توجه به نمودار سختی در شکل 3 به نظر می­رسد به دلیل پدیده آگلومراسیون خواص کاهش یافته است. درنتیجه میزان 30 درصد وزنی کاربید زیرکونیوم بهینه است.

 

 

شکل (3): مقایسه سختی نمونه‌ها در دمای 2200 درجه سانتی‌گراد.

 

3-3- اثر مقدار کاربید زیرکونیوم بر ریزساختار ZrB2-SiCn/m-ZrC

همان‌طور که در شکل 4 مشاهده می­شود، زمینه تصاویر به‌صورت چندرنگ متفاوت نشان داده‌شده است؛ با توجه به چگالی عناصر مختلف، می­توان تا حدودی نوع آن را تخمین زد. سه فاز بارنگ خاکستری تیره، خاکستری روشن و مشکی، مشاهده می­شود. با توجه منابع مطالعاتی [39–41] رنگ خاکستری روشن مربوط به فاز ZrC است (با توجه به این نکته که بالاترین چگالی را در بین مواد مورد استفاده دارد، روشن‌تر از باقی فازها است). همچنین رنگ خاکستری تیره نشانگر فاز ZrB2 و رنگ مشکی بیانگر حضور فاز SiC است. در جدول 5، میانگین اندازه دانه‌ در نمونه‌ها که با استفاده از نرم‌افزار پردازش تصویر5  به دست آمده است. با توجه به تصاویر تخلخل در ساختار 0% تا 20% وزنی زیاد است و با اضافه شدن 30% درصد وزنی افزودنی، مقدار تخلخل کاهش می­یابد. همان‌طور که اشاره شد، با افزایش ZrC، تخلخل کاهش و دانسیته افزایش‌یافته و همچنین ساختار ازنظر دانه‌بندی همگن­تر شده و تشکیل دانه­های ریز و همگن نیرو محرک­هایی برای چگال شدن کامپوزیت است. نتایج حاصل از EDS، نمونه ZSZ30 در جدول 6 آورده شده است. حضور فازهای ثانویه در ریزساختار می­توانند نقطه ذوب پایین­تر داشته باشند؛ و آثار مخربی روی قابلیت­های دمابالای ماده دارند. پس حضور ناخالصی­های اکسیژن برای متراکم سازی پودرهای اولیه، مخرب است و باعث رشد سریع دانه می­شود. همان‌طور که آنالیز EDS در نمونه ZSZ30 نشان می­دهد، عمده فاز تشکیل‌شده در مناطق خاکستری تیره و روشن، بر پایه Zr می­باشند و همچنین در مقدار محدودی B و C شناسایی شد. (لازم به ذکر است که با توجه به این نکته که عناصر سبک مانند کربن، بور و نیتروژن در آنالیز EDS چندان قابل‌شناسایی نیستند و همواره مقداری خطا در آنالیز کمی وجود دارد و حضور این مواد در مقادیر کم و محدود، با اطمینان زیاد نمی­تواند قابل استناد باشد و همواره تا حدودی خطا دارد.)

 

 

(17)

 

 

شکل (4): تصاویر میکروسکوپ الکترون روبشی کامپوزیت‌های ZrB2-SiCn/m.

 

 

جدول (5): میانگین اندازه دانه در نمونه‌ها با توجه به آنالیز تصویر.

کد نمونه	میانگین اندازه دانه (µm)
ZSZ0	08/4
ZSZ5	94/3
ZSZ10	36/3
ZSZ15	97/2
ZSZ20	32/2
ZSZ25	29/2
ZSZ30	06/2
ZSZ35	14/2
ZSZ40	28/3

 

جدول (6): نتایج EDS در نمونه ZSZ30.

 

3-4- اثر مقدار کاربید زیرکونیوم بر چقرمگی کامپوزیت ZrB2-SiCn/m-ZrC

در رابطه با نتایج چقرمگی شکست نمونه­های تف‌جوشی شده، نمودار در جدول 7 آورده شده است. سرامیک­ها به دلیل پیوندهای یونی-کوالانس چقرمگی شکست پایین و تغییر شکل پلاستیک محدودی دارند. عدم تطابق در ضرایب انبساط حرارتی زمینه و ذرات فاز ثانویه، تنش­های باقیمانده در اطراف فاز ثانویه ایجاد نموده که این تنش‌ها با فاصله از فاز ثانویه کاهش می­یابند. وجود این تنش‌ها در اطراف فاز ثانویه نابجایی و مرزهای فرعی ایجاد نموده که در حین فرآیند سرد کردن بعد از تف‌جوشی ایجاد می‌شوند [42-43]. حضور ZrC به‌عنوان فاز دوم، با انحراف ترک باعث افزایش چقرمگی شده است. چقرمگی نمونه‌ها با استفاده از اندازه طول ترک و بار اعمالی محاسبه شد. با توجه به تراکم بالاتر در نمونه ZSZ30 حرکت ترک در نمونه به‌سختی انجام پذیرفته درنتیجه چقرمگی بالاتری نسبت به دیگر درصدهای افزودنی دارد.

 

جدول (7): چقرمگی شکست کامپوزیت‌های ZrB2-SiCn/m تف‌جوشی شده در دمای 2200 درجه سانتی‌گراد.

کد نمونه	ترکیب شیمیایی (درصد وزنی)	چقرمگی (مگاپاسکال در جذرمتر)
ZSZ0	ZrB2-SiC-0%ZrC	09/3
ZSZ5	ZrB2-SiC-Si3N4-5%ZrC	06/3
ZSZ10	ZrB2-SiC-Si3N4-10%ZrC	10/3
ZSZ15	ZrB2-SiC-Si3N4-15%ZrC	50/3
ZSZ20	ZrB2-SiC-Si3N4-20%ZrC	90/3
ZSZ25	ZrB2-SiC-Si3N4-25%ZrC	02/4
ZSZ30	ZrB2-SiC-Si3N4-30%ZrC	26/4
ZSZ35	ZrB2-SiC-Si3N4-35%ZrC	12/4
ZSZ40	ZrB2-SiC-Si3N4-40%ZrC	96/3

 

در شکل 5 مسیر انحراف ترک توسط ذرات ZrC به‌خوبی قابل‌مشاهده است، به‌طوری‌که هر چه دانه‌ها ریزتر بوده و تعداد و توزیع ذرات فاز ثانویه در زمینه یکنواخت‌تر باشد، از رشد ترک در ساختار ممانعت به عمل آمده است. در اين تصاوير روشن است كه ترك ایجادشده، در اثر برخورد با ذرات ZrB2 (دانه­هاي خاكستري روشن) و به‌ویژه ذرات ZrC (دانه­هاي سفیدرنگ) تغيير مسير داده و به‌طور عمده ذرات ZrC را دور مي­زند. يعني ترك نمي­تواند از ميان ذرات ZrC عبور كند. درنتیجه ذرات ZrC از طريق دو سازوکار تغيير مسير ترك و پل‌زنی ترك باعث افزايش ميزان چقرمگي شكست كامپوزيت­هاي ZrB2-SiC-ZrC مي­شوند.

 

 

شکل (5): مسیر انحراف ترک نمونه کامپوزیتی ZSZ30.

 

ریزدانگی افزایش سطح مرزدانه را به همراه دارد و باعث طولانی شدن مسیر تکثیر ترک می­شود. همچنین اصلاح چقرمگی شکست برای مقاومت به شوک حرارتی نیز سودمند است. چقرمگی شکست تحت تأثیر اندازه ذرات فاز ثانویه و توزیع آن‌ها است. اندازه بزرگ‌تر دانه ZrB2 و اندازه کوچک‌تر فاز ثانویه می­توانند چقرمگی شکست را به دلیل انحراف ترک در سطوح مشترک مرزدانه افزایش دهد. این موضوع به تنش باقیمانده درون‌دانه‌ها و در مرزدانه­ها مربوط است. احتمال افزایش چقرمگی، به دلیل وجود میکروترک‌های به وجود آمده در اثر اختلاف ضریب انبساط حرارتی SiC, ZrB2, ZrC نیز وجود دارد. بدون حضور فاز ثانویه، ترک به‌راحتی اشاعه می­یابد، ولی با حضور آن، ترک انرژی بیشتری جهت حرکت نیاز دارد که در نتیجه چقرمگی ماده با کامپوزیت شدن افزایش می‌یابد. افزایش دانسیته و کاهش اندازه دانه ناشی از بهبود فرآیند تف‌جوشی در حضور ZrC و همچنین کاهش تخلخل­ها از یک‌سو موجب انحراف مکرر ترک از مسیر مستقیم می‌شود. از سوی دیگر، می­تواند عامل بهبود چقرمگی باشد. بسياري از محققان [16، 30 و 35] ذكر کرده‌اند كه فاز ZrC می‌تواند باعث بهبود استحکام، چقرمگي شکست و مقاومت در برابر اكسيداسيون سراميک بر پايه ZrB2 به‌وسیله مهار كردن رشد دانه شود.

 

4- نتیجه‌گیری

در این پژوهش اثر ZrC به‌عنوان تقویت‌کننده در مقادیر 5 تا 40 درصد وزنی بر خواص مکانیکی سرامیک­ ZrB2-SiCn/m (ترکیب پایه 77%VolZrB2-20%SiC-3%Si3N4 است؛ در این ترکیب نسبت SiCn به SiCn برابر با 3 است) در فرآیند تف‌جوشی بدون فشار موردبررسی قرار گرفت؛ نتایج نشان داد:

1- افزودن ذرات ZrC با درصد وزنی 25 و 30 درصد، باعث افزایش دانسیته نسبی به 04/97 شد. همچنین افزایش درصد ZrC به بالای 30 درصد باعث کاهش حداکثر دانسیته نسبی خواهد شد.

2- با توجه به‌سختی بالای ZrC و همچنین کنترل رشد دانه توسط آن افزودن ذرات ZrC تا 30 درصد وزنی سبب افزایش سختی شد و سختی از 01/13 به حداکثر 3/16 گیگاپاسکال افزایش یافت. در مقادیر بالای 30 درصد اگرچه سختی بالاتر از نمونه بدون افزودنی است؛ اما به دلیل گسستگي ساختار و افزايش تخلخل­هاي ظاهري باعث کاهش سختی از مقدار ماکزیمم خواهد شد.

3- با توجه به تراکم بالاتر در نمونه ZSZ30 حرکت ترک در نمونه به‌سختی انجام پذیرفت؛ بنابراین چقرمگی نمونه از 09/3 به حداکثر 26/4 مگاپاسکال در جذر متر افزایش یافت.

 

5- مراجع

[1] S. V. Ushakov & A. Navrotsky, "Experimental approaches to the thermodynamics of ceramics above 1500 C", Journal of the American Ceramic Society, vol. 95, no. 5, pp. 1463–1482, 2012.

 

[2] Z. Wu, X. Liang, Z. Shao, H. Chen, J. Li & J. Wang, "Highly porous multicomponent (Hf1/3Ta1/3Nb1/3) C ultra-high temperature ceramic with low thermal conductivity", Materialia, vol. 18, p. 101158, 2021.

 

[3] E. Zhang, W. Zhang, T. Lv, J. Li, J. Dai, F. Zhang, Y. Zhao, J. Yang, W. Li & H. Zhang, "Insulating and robust ceramic nanorod aerogels with high-temperature resistance over 1400° C", ACS Applied Materials & Interfaces, vol. 13, no. 17, pp. 20548–20558, 2021.

 

[4] D. Ni, Y. Cheng, J. Zhang, J. X. Liu, J. Zou, B. Chen, H. Wu, H. Li, S. Dong & J. Han, "Advances in ultra-high temperature ceramics, composites, and coatings", Journal of Advanced Ceramics, vol. 11, pp. 1–56, 2022.

 

[5] B. C. Wyatt, S. K. Nemani, G. E. Hilmas, E. J. Opila & B. Anasori, "Ultra-high temperature ceramics for extreme environments", Nature Reviews Materials, pp. 1–17, 2023.

 

[6] A. Nisar R. Hassan, A. Agarwal & K. Balani, "Ultra-high temperature ceramics: Aspiration to overcome challenges in thermal protection systems", Ceramics International, vol. 48, no. 7, pp. 8852–8881, 2022.

 

[7] M. Kheyrollazadeh, Z. Balak, M. Azizieh & M. S. Asl, "Effect of TaC and graphene nanoplatelets on the microstructure and mechanical properties of ZrB2", Diamond and Related Materials, vol. 139, p. 110345, 2023.

 

[8] D. Hu, Q. Fu, L. Zhou, X. Li & B. Liu, "Effects of air plasma flame on the ZrB2-based UHTC coatings: Microstructure, phase evolution and ablation resistance", Journal of Materials Science & Technology, vol. 158, pp. 194–206, 2023.

 

[9] M. Zhang, G. Yang, L. Zhang, Y. Zhang, J. Yin, X. Ma, J. Wen, L. Dai, X. Wang & H. Chen, "Application of ZrB2 thin film as a low emissivity film at high temperature", Applied Surface Science, vol. 527, p. 146763, 2020.

 

[10] B. Kumar & P. Kumar, "Preparation of hybrid reinforced aluminium metal matrix composite by using ZrB2: A systematic review", Materials Today: Proceedings, vol. 61, pp. 115–120, 2022.

 

[11] J. A. Yeom, Y. W. Kim, W. K. Jung, D. I. Cheong & E. S. Kang "Pressureless sintering of SiC ceramics with improved specific stiffness", Journal of the European Ceramic Society, vol. 43, no. 9, pp. 3941–3949, 2023.

 

[12] W. Huang, J. Zhou, C. Ren, F. Zhang, J. Tang, M. Omran & G. Chen, "Sintering behaviour and properties of zirconia ceramics prepared by pressureless sintering", Ceramics International, vol. 49, no. 16, pp. 27192–27200, 2023.

 

[13] X. Li, L. Zhang, Y. Dong, M. Qin, Z. Wei, Z. Que, J. Yang, X. Qu & J. Li, "Towards pressureless sintering of nanocrystalline tungsten", Acta Materialia, vol. 220, p. 117344, 2021.

[14] A. Snyder, D. Quach, J. R. Groza, T. Fisher, S. Hodson & L. A. Stanciu, "Spark Plasma Sintering of ZrB2–SiC–ZrC ultra-high temperature ceramics at 1800 C", Materials Science and Engineering: A, vol. 528, no. 18, pp. 6079–6082, 2011.

 

[15] T. G. Aguirre, C. L. Cramer, E. Cakmak, M. J. Lance & R. A. Lowden, "Processing and microstructure of ZrB2–SiC composite prepared by reactive spark plasma sintering", Results in Materials, vol. 11, p. 100217, 2021.

 

[16] F. Adibpur, S. A. Tayebifard, M. Zakeri & M. S. Asl, "Spark plasma sintering of quadruplet ZrB2–SiC–ZrC–Cf composites", Ceramics International, vol. 46, no. 1, pp. 156–164, 2020.

 

[17] L. Silvestroni & D. Sciti, "Microstructure and properties of pressureless sintered ZrC-based materials", Journal of Materials Research, vol. 23, no. 7, pp. 1882–1889, 2008.

 

[18] Z. Zhao, K. Li & W. Li, "Ablation behavior of ZrC-SiC-ZrB2 and ZrC-SiC inhibited carbon/carbon composites components under ultrahigh temperature conditions", Corrosion Science, vol. 189, p. 109598, 2021.

 

[19] Y. Wang, G. Zhang & K. Chou, "Preparation and oxidation characteristics of ZrC-ZrB2 composite powders with different proportions", International journal of minerals, metallurgy and materials, vol. 29, no. 3, pp. 521–528, 2022.

 

[20] M. Tiwari, A. Singh & V. K. Singh, "The microstructural and mechanical behavior of in-situ synthesized ZrB2–ZrC and ZrB2–SiC–ZrC composites: A comparative study", Vacuum, vol. 214, p. 112199, 2023.

 

[21] E. W. Neuman, G. J. Harrington, G. E. Hilmas & W. G. Fahrenholtz, "Thermal conductivity of hot-pressed ZrB2-ZrC ceramics", Materialia, vol. 26, p. 101638, 2022.

 

[22] B. Ke, W. Ji, J. Zou, W. Wang & Z. Fu, "Densification mechanism, microstructure and mechanical properties of ZrC ceramics prepared by high-pressure spark plasma sintering", Journal of the European Ceramic Society, vol. 43(8), pp. 3053–3061, 2023.

 

[23] K. Cui, H. Mao, Y. Zhang, J. Wang, H. Wang, T. Tan & T. Fu, "Microstructure, mechanical properties, and reinforcement mechanism of carbide toughened ZrC-based ultra-high temperature ceramics: A review", Composite Interfaces, vol. 29, no. 7, pp. 729–748, 2022.

 

[24] J. Zhang & J. M. McMahon, "Temperature-dependent mechanical properties of ZrC and HfC from first principles", Journal of Materials Science, vol. 56, no. 6, pp. 4266–4279, 2021.

 

[25] I. Forooghi & M. Mashhadi, "Pressureless Sintering & Mechanical & Thermal Properties of ZrB2-ZrC-SiC Nanocomposite", Journal of Advanced Materials in Engineering (Esteghlal), vol. 39, no. 4, pp. 115–129, 2022.

 

[26] M. Sarhangian & M. Mashhadi, "The Impact of Si3N4 Incorporation on the Mechanical Characteristics of ZrB2-SiC Nanocomposite Sintered via Pressureless Method", Heliyon, 2024.

 

[27] Z. Nasiri & M. Mashhadi, "Investigation on microstructure, mechanical properties and pressureless sintering behavior of ZrB2-SiCnano/micron composites", 2018.

 

[28] M. Vivekananthan, C. Ahilan, S. Sakthivelu & M. Saravanakumar, "A primary study of density and compressive strength of the silicon nitride and titanium nitride ceramic composite", Materials Today: Proceedings, vol. 33, pp. 2741–2745, 2020.

 

[29] S. W. Hughes, "Measuring liquid density using Archimedes’ principle", Physics Education, vol. 41, no. 5, p. 445, 2006.

 

[30] L. Feng, W. G. Fahrenholtz & G. E. Hilmas, "Effect of ZrB2 content on the densification, microstructure, and mechanical properties of ZrC-SiC ceramics", Journal of the European Ceramic Society, vol. 40, no. 2, pp. 220–225, 2020.

 

[31] S. Li, Y. Zhu, J. Chai, Y. Liu, L. Niu, X. Gao, P. Jin, T. Shen, M. Cui & Z. Wang, "Effects of ZrC content on the microstructure and mechanical property of ZrC/ZTA composites consolidated by hot pressing", Journal of Alloys and Compounds, vol. 860, p. 158402, 2021.

 

[32] V. Gropyanov & L. Bel’tyukova, "Sintering and recrystallization of ZrC-ZrB 2 compacts", Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics, vol. 7, pp. 527–533, 1968.

 

[33] Z. Yu, X. Lv, S. Lai, L. Yang, W. Lei, X. Luan & R. Riedel, "ZrC–ZrB 2–SiC ceramic nanocomposites derived from a novel single-source precursor with high ceramic yield", Journal of Advanced Ceramics, vol. 8, pp. 112–120, 2019.

 

[34] S. Emami, E. Salahi, M. Zakeri & S. Tayebifard, "Effect of composition on spark plasma sintering of ZrB2–SiC–ZrC nanocomposite synthesized by MASPSyn", Ceramics International, vol. 43, no. 1, pp. 111–115, 2017.

[35] B. Ke, J. Zou, W. Wang, W. Ji & Z. Fu, "Fabrication and improved properties of ZrC-SiC-ZrB2 ceramics by ultra-high pressure sintering", Journal of the European Ceramic Society, 2024.

 

[36] H. L. Liu, G. J. Zhang, J. X. Liu & H. Wu, "Synergetic roles of ZrC and SiC in ternary ZrB2–SiC–ZrC ceramics", Journal of the European Ceramic Society, vol. 35, no. 16, pp. 4389–4397, 2015.

 

[37] A. Rezapour & Z. Balak, "Fracture toughness and hardness investigation in ZrB2–SiC–ZrC composite", Materials Chemistry and Physics, vol. 241, p. 122284, 2020.

 

[38] Q. Y. Liu, S. K. Sun, L. Y. Zeng, Y. You, W. M. Guo, L. X. Wu & H. T. Lin, "Improvement of sinterability and mechanical properties of ZrB2 ceramics by the modified borothermal reduction methods", Journal of the European Ceramic Society, vol. 40, no. 12, pp. 3844–3850, 2020.

 

[39] S. N. Katea, L. Riekehr & G. Westin, "Synthesis of nano-phase ZrC by carbothermal reduction using a ZrO2–carbon nano-composite", Journal of the European Ceramic Society, vol. 41, no. 1, pp. 62–72, 2021.

 

 

[40] R. Harrison & W. Lee, "Processing and properties of ZrC, ZrN and ZrCN ceramics: a review", Advances in Applied Ceramics, vol. 115, no. 5, pp. 294–307, 2016.

 

[41] H. B. Ma, G. J. Zhang, H. L. Liu, J. X. Liu, Y. Lu & F. F. Xu, "Effect of WC or ZrC addition on thermal residual stresses in ZrB2SiC ceramics", Materials & Design, vol. 110, pp. 340–345, 2016.

 

[42] G. A. Gogotsi, "Fracture toughness of ceramics and ceramic composites", Ceramics international, vol. 29, no. 7, pp. 777–784, 2003.

 

[43] K. Matsui, K. Hosoi, B. Feng, H. Yoshida & Y. Ikuhara, "Ultrahigh toughness zirconia ceramics", Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 120, no. 27, p. e2304498120, 2023.

 

 

6- پی­نوشت

 

[1] Ultra High Temperature Ceramics

[2] Snyder et al

[3] Silvestron et al

[4] Gropyanov

[5] Image j

[6] Gropyanov

 

 

 

 

 

برای ارجاع به این مقاله از عبارت ذیل استفاده نمایید:

Please cite this article using:

Mohammad Sarhangian, Mehri Mashhadi, Influence of ZrC Addition on the Physical, Mechanical Properties, and Crack Growth Behavior of ZrB2-SiCn/SiCm-Si3N4 Hybrid Composite Fabricated Through Pressureless Sintering Process, New Process in Material Engineering, 2024, 18(3), 59-70.

 

 

 

---