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

محورهای موضوعی : سرامیک ها و مواد نسوز

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

تاریخ دریافت : 1403/03/11 تاریخ پذیرش : 1403/06/10 تاریخ انتشار : 1404/04/17

کلید واژه: درصد رطوبت فشار پرس زمان آسیاب خواص مکانیکی کاربید سیلیسیم,

چکیده مقاله :

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.

چکیده انگلیسی:

Due to its high compressive strength, reasonable price and easy access, silicon carbide is one of the most widely used ceramics, especially in the manufacture of armor. However, high brittleness is one of the most important problems of these ceramics, which can be controlled by adding additives or modifying and improving the manufacturing process. In this paper, the method of manufacturing and processing silicon carbide ceramics has been investigated with the aim of improving properties through lines such as press pressure, humidity and grinding time. The work steps include; determining the experiment strategy, manufacturing the sample and determining the physical and mechanical properties and the best condition according to the response variables including raw density, bending and compressive strength. Finally, after manufacturing samples with different amounts of press pressure from 30 to 120 bar, grinding time from 1 to 3 hours and moisture percentage from 4 to 13% and determining their density, bending and compressive strength, the improved values of mechanical properties and The density was obtained at 7% humidity, 1 hour milling time, and 120 times press pressure. After these steps and using the determined working conditions, the main sample is finished and baked at 2000 degrees Celsius. By determining the mechanical properties including hardness, Young's modulus, fracture toughness and also the density of the final sample after baking, it is determined that the sample made with the working conditions of humidity, pressing pressure and grinding time is the most consistent with the nominal properties of the silicon carbide.

منابع و مأخذ:

[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.