ساخت نانو کامپوزیت سرامیک-سرامیک با استفاده از تلفیق فناوری های شکل دهی پلیمرها

سرامیکهای مهندسی با توجه به خصوصیات بینظیرشان مانند استحکام بالا، سختی، مدول الاستیک بالا، خواص سایشی عالی، مقاومت دمای بالا، ماندگاری بالا و مقاومت در برابر خوردگی و مواد شیمیایی خورنده، بهترین گزینه در ساخت قطعات صنعتی دما بالا در مقایسه با آلیاژهای فلزی گرانقیمت محسوب میشوند. داشتن قطعهای با کمترین نقص ساختاری، میزان بارگذاری بالا و چگالی بالا ویژگی اصلی این قطعات با کارایی بالاست. مهمترین مشکل سرامیکهای مهندسی با توجه به طبیعت پودری و ریز بودن آن (به خصوص در اندازههای نانومتری)، شکل دهی آنهاست که استفاده از روشهای شکل دهی پلیمرها معاضدتهای خوبی در سالهای اخیر به حل این معضل داشته است. از طرف دیگر ترد بودن سرامیکها مانع از کاربرد وسیع آنها بوده که تولید نانو پودرهای سرامیکی تک جزئی و چند جزئی و بکارگیری آنها در ساخت قطعات سرامیکی موجب افزایش چقرمگی آنها میشود. در این تحقیق با استفاده از تلفیق فناوریهای پیشرفته شکل دهی پلیمرها درصدد تولید قطعات نمونه نانو کامپوزیتی سرامیک-سرامیک (نظیر بوشینگ) با چگالی بالا، چقرمه و با کمترین نقص ساختاری هستیم. روش و اهم نتایج حاصل از این تحقیق را میتوان در دو بخش خلاصه کرد: در بخش نخست نانو پودرهای تک جزئی و چند جزئی (نانو کامپوزیتها) آلومینا، آلومینا-زیرکونیا، آلومینا-زیرکونیا-ایتریا، زیرکونیا و زیرکونیا-ایتریا به روش شبکه پلیمری با توزیع اندازه یکنواخت تهیه شدند. با تغییر سرعت افزوده شدن عامل تشکیل دهنده پیوند عرضی به محیط (1 قطره بر ثانیه)، غیر همگنی شبکه پلیمری کاهش پیدا کرد. حفظ بیشتر ساختار شبکه پلیمری تا پایان مرحله تکلیس که مانع از رشد و کلوخه شدن ذرات است با افزایش نرخ عملیات حرارتی (°c/min10 به 15)، افزایش نسبت وزنی مونومرها به نمک (3 به 1) و انجام عملیات تکلیس در دو جو (هوا و آرگون) صورت گرفت. همچنین کاهش اندازه حفرههای شبکه پلیمری به زیر 100 نانومتر با کنترل نوع نمک مورد استفاده در تولید نانو پودر به صورت کئوردینه شده با شبکه یا کمپلکس با شتاب دهنده باعث ایجاد فرآیندی قابل کنترل برای تولید ذرات نانومتری تک جزئی و چند جزئی با توزیع ذرات و عناصر یکنواخت در زیر 100 نانومتر با توزیع پهنای حدود مثبت و منفی 10 نانومتر شد. در بخش بعدی قطعات نمونه نانو کامپوزیتی با استفاده از روشهای شکل دهی یاد شده به صورت منفرد و تلفیقی، شکل دهی شدند. این روشها شامل: 1- قالب ریزی ژل، 2- پرس ایزواستاتیک سرد، 3- قالب ریزی ژل با پرس ایزواستاتیک سرد، 4- قالب ریزی ژل تحت فشار و 5- تلفیق قالب ریزی ژل تحت فشار با پرس ایزواستاتیک سرد است. براساس نتایج حاصل، هرکدام از روشهای مذکور در حالت منفرد دارای محاسن و معایبی هستند که تلفیق این روشها و استفاده از فشار باعث حذف کلیه معایب و بهبود شرایط شکل دهی میشود. از اعمال فشار میتوان قبل، بعد از قالب ریزی ویا در هردو مقطع سود جست که هرکدام دارای مزایای ویژهای هستند. الف) اعمال فشار به دوغاب در اثنای تزریق موجب: کنترل زمان تاخیر (بین 30 تا 900 ثانیه)، افزایش کسر ژل ( از 89 به 98 درصد)، بارگذاری پودر ( از35 به 58 درصد حجمی)، چگالی (از 83 به 91 درصد)، خروج هوا، خواص مکانیکی (استحکام خمشی از 36 به 56 مگا پاسکال با افزایش 10 درصد حجمی بارگذاری)، قابلیت ماشین کاری، تعداد قالب گیری، تولید اشکال پیچیده، کاهش زمان خشک کردن (از 1000 به 600 دقیقه)، میزان جمع شدگی (از 29 به 26 درصد) و غیره شود. ب) اعمال فشار بعد از قالب ریزی موجب: افزایش میزان چگالی (از 83 به 94 درصد)، تنوع قالبها و حذف قالبهای گران قیمت، قابلیت ماشین کاری، کاهش میزان جمع شدگی (از 29 به 20 درصد)، اندازه تخلخل (از 800 به زیر 2 نانومتر)، و غیره شود. ج) و در نهایت تلفیق روشهای الف و ب و بکارگیری همزمان فشار به هنگام تزریق و بعد از آن علاوه بر حفظ تمام ویژگیهای مثبت دو روش یاد شده، باعث بهبود هرچه بیشتر افزایش میزان چگالی (از 83 به 98 درصد)، چگالی قطعه خام (از 42 به 54 درصد)، حداکثر استحکام خمشی در حدود 200 الی 350 مگا پاسکال، کاهش میزان جمع شدگی (از 13 به 5 درصد) و دمای تف جوشی (از 1750 به 1650 درجه سانتی گراد) با حفظ ساختار نانومتری میشود.