بررسی و تعیین اثر رطوبت، فشار پرس و زمان آسیاب، بر بهبود چگالی و خواص مکانیکی کاربید سیلیسیم

الموضوعات :

حسین کیا ¹ , پویا پیرعلی ² , حمیدرضا بهاروندی ³

1 - پژوهشکده مکانیک - دانشکده مهندسی مواد و فناوری های ساخت - دانشگاه صنعتی مالک اشتر
2 - استادیار، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.
3 - استاد، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

تاريخ الإرسال : 23 الجمعة , ذو القعدة, 1445 تاريخ التأكيد : 27 السبت , صفر, 1446 تاريخ الإصدار : 13 الثلاثاء , محرم, 1447

الکلمات المفتاحية: درصد رطوبت فشار پرس زمان آسیاب خواص مکانیکی کاربید سیلیسیم,

ملخص المقالة :

کاربید سیلیسیم به دلیل استحکام فشاری بالا، قیمت مناسب و دسترسی آسان، از سرامیکهای پرکاربرد خصوصا در ساخت زرهها می¬باشد. اما، تردی زیاد، یکی از مهمترین مشکلات این سرامیکها است که از طریق اضافه کردن افزودنی و یا اصلاح و بهبود فرایند ساخت، می توان آن را کنترل نمود. در این مقاله به بررسی و تعیین روش ساخت و فراوری سرامیک کاربید سیلیسیم با هدف بهبود خواص مکانیکی و کاهش تردی از طریق پارامترهایی همچون فشار پرس، رطوبت و زمان آسیاب پرداخته شده است. مراحل کار شامل؛ طراحی آزمایش، ساخت نمونه و تعیین خواص فیزیکی و مکانیکی و تعیین بهترین حالت با توجه به متغییرهای پاسخ شامل چگالی خام، استحکام خمشی و استحکام فشاری است. نهایتا پس از ساخت نمونه با مقادیر مختلفی از فشار پرس از 30 تا 120 بار، زمان آسیاب از 1 تا 3 ساعت و رطوبت از 4 تا 13 درصد و تعیین چگالی، مقاومت خمشی و مقاومت فشاری آن‌ها، بهترین مقادیر خواص مکانیکی و چگالی در رطوبت 7 درصد، زمان آسیاب 1 ساعت و فشار پرس 120 بار، بدست آمده است. بعد از این مراحل با استفاده از این مقادیر رطوبت، زمان آسیاب و فشار پرس، نمونه اصلی تهیه و در دمای حدود 2000 درجه سانتی‌گراد پخت می‌گردد. با تعیین خواص مکانیکی شامل سختی، مدول یانگ، چقرمگی شکست و همچنین چگالی نمونه نهایی بعد از پخت، مشخص می‌شود که نمونه ساخته شده با شرایط کاری رطوبت، فشار پرس و زمان آسیاب تعیین شده ، بیشترین انطباق را با خواص نامی کاربید سیلیسیم دارد.

المصادر:

[1] J. Kriegesmann, "Processing of silicon carbide-based ceramics", 2014.

[2] S. Das, W. Ronan, H. Wadley & V. Deshpande, "Penetration of confined ceramics targets", Extreme Mechanics Letters, vol. 18, pp. 45-57, 2018.

[3] H. Liang, X. Yao, Z. Huang, Y. Zeng & B. Su, "Thermal shock behavior of pressureless liquid phase sintered SiC ceramics", Ceramics International, vol. 42, no. 7, pp. 8677-8683, 2016.

[4] J. H. Eom, Y. W. Kim & I. H. Song, "Effects of the initial α-SiC content on the microstructure, mechanical properties, and permeability of macroporous silicon carbide ceramics", Journal of the European Ceramic Society, vol. 32, no. 6, pp. 1283-1290, 2012.

[5] N. P. Padture, "In situ‐toughened silicon carbide", Journal of the American Ceramic Society, vol. 77, no. 2, pp. 519-523, 1994.

[6] E. Gomez, J. Echeberria, I. Iturriza & F. Castro, "Liquid phase sintering of SiC with additions of Y2O3, Al2O3 and SiO2", Journal of the European Ceramic Society, vol. 24, no. 9, pp. 2895-2903, 2004.

[7] G. Magnani, L. Beaulardi & L. Pilotti, "Properties of liquid phase pressureless sintered silicon carbide obtained without sintering bed", Journal of the European Ceramic Society, vol. 25, no. 9, pp. 1619-1627, 2005.

[8] J. Y. Lee & T. Hinoki, "Densification behavior of monolithic SiC fabricated by pressureless liquid phase sintering method", Open Ceramics, vol. 11 p. 100289, 2022.

[9] S. Sarva & S. Nemat-Nasser, "Dynamic compressive strength of silicon carbide under uniaxial compression", Materials Science and Engineering: A, vol. 317, no. 1-2, pp. 140-144, 2001.

[10] T. Guo, Z. Liu, C. Yu, J. Ding, P. Yu & C. Deng, "Effect of pore structure evolution on mechanical properties and thermal conductivity of porous SiC-Mullite ceramics", Ceramics International, 2023.

[11] T. Charoonsuk, U. Sukkha, T. Kolodiazhnyi & N. Vittayakorn, "Enhancing the densification of ceria ceramic at low temperature via the cold sintering assisted two-step sintering process", Ceramics International, vol. 44, pp. S54-S57, 2018.

[12] H. Dehghani, M. Khodaei, O. Yaghobizadeh, N. Ehsani, H. R. Baharvandi, S. H. N. Alhosseini & H. Javi, "The effect of AlN-Y2O3 compound on properties of pressureless sintered SiC ceramics-A review", International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, vol. 95, p. 105420, 2021.

[13] A. Montón, F. Maury, G. Chevallier, C. Estournès, M. Ferrato & D. Grossin, "Densification of surface-modified silicon carbide powder by spark-plasma-sintering", Journal of the European Ceramic Society, vol. 41, no. 15, pp. 7543-7551, 2021.

[14] D. Beasock, T. M. Stokes, A. El-Ghannam & T. Schmitz, "Effect of processing parameters on the microstructure and mechanical behavior of a silicon carbide-silica composite", Procedia Manufacturing, vol. 34, pp. 747-753, 2019.

[15] A. Rahman, A. Singh, S. P. Harimkar & R. P. Singh, "Mechanical characterization of fine grained silicon carbide consolidated using polymer pyrolysis and spark plasma sintering", Ceramics International, vol. 40, no. 8, pp.12081-12091, 2014.

[16] P. Barick, D. Chakravarty, B. P. Saha, R. Mitra & S. V. Joshi, "Effect of pressure and temperature on densification, microstructure and mechanical properties of spark plasma sintered silicon carbide processed with β-silicon carbide nanopowder and sintering additives", Ceramics International, vol. 42, no. 3, pp. 3836-3848, 2016.

[17] D. Moskovskikh, Y. Song, S. Rouvimov, A. Rogachev & A. Mukasyan, "Silicon carbide ceramics: Mechanical activation, combustion and spark plasma sintering", Ceramics International, vol. 42, no. 11, pp. 12686-12693, 2016.

[18] M. Petrus, J. Wozniak, A. Jastrzębska, M. Kostecki, T. Cygan & A. Olszyna, "The effect of the morphology of carbon used as a sintering aid on the sinterability of silicon carbide", Ceramics International, vol. 44, no. 6, pp. 7020-7025, 2018.

[19] N. L. Zhang, J. F. Yang, Y. C. Deng, B. Wang & P. Yin, "Preparation and properties of reaction bonded silicon carbide (RB-SiC) ceramics with high SiC percentage by two-step sintering using compound carbon sources", Ceramics International, vol. 45, no. 12, pp. 15715-15719, 2019.

[20] D. Demirskyi & O. Vasylkiv, "Hot-spots generation, exaggerated grain growth and mechanical performance of silicon carbide bulks consolidated by flash spark plasma sintering", Journal of Alloys and Compounds, vol. 691, pp. 466-473, 2017.

[21] A. Gubernat, L. Stobierski & P. Łabaj, "Microstructure and mechanical properties of silicon carbide pressureless sintered with oxide additives", Journal of the European Ceramic Society, vol. 27, no. 2-3, pp. 781-789, 2007.

[22] A. Malinge, A. Coupé, Y. Le Petitcorps & R. Pailler, "Pressureless sintering of beta silicon carbide nanoparticles", Journal of the European ceramic society, vol. 32, no. 16, pp. 4393-4400, 2012.

[23] X. Wang, X. Gao, Z. Zhang, L. Cheng, H. Ma & W. Yang, "Advances in modifications and high-temperature applications of silicon carbide ceramic matrix composites in aerospace: a focused review", Journal of the European Ceramic Society, vol. 41, no. 9, pp. 4671-4688, 2021.

[24] J. Zhang, D. Jiang, Q. Lin, Z. Chen & Z. Huang, "Properties of silicon carbide ceramics from gelcasting and pressureless sintering", Materials & Design (1980-2015), vol. 65, 12-16, 2015.

[25] M. Rączka, G. Górny, L. Stobierski & K. Rożniatowski, "Effect of carbon content on the microstructure and properties of silicon carbide-based sinters", Materials characterization, vol. 46, no. 2-3, pp. 245-249, 2001.