بررسی ترمودینامیکی و عملی فازهای سیلیسید آهن قابل تولید از سیستم پودری آهن و سیلسیم

مهندسی متالورژی و مواد

مقاله 11، دوره 33، شماره 2 - شماره پیاپی 26، شهریور 1401، صفحه 161-172   

نوع مقاله: علمی و پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2022.75661.1043

نویسنده

راضیه خوشحال^*

گروه مهندسی مواد دانشگاه صنعتی بیرجند

چکیده

از واکنش سیستم پودری آهن و سیلسیم، انواع مختلف سیلیسیدهای آهن شکل می‌گیرد که بسته به ساختارشان رفتار فلزی‌، نیمه هادی یا عایق را می‌توانند از خود نشان ‌دهند. هر چه میزان آهن این مواد بیشتر باشد، خواص مغناطیسی آنها قویتر خواهد بودیکی از مسائل تکنیکی استفاده از پودر برای تولید انواع مختلف سیلسیدها، پیش‌بینی نوع سیلسید نهایی است. تا کنون تحقیق جامعی بر روی این هدف تدوین نشده است. از این رو در این تحقیق ابتدا بر اساس داده‌های ترمودینامیکی و به کمک نرم‌افزار HSC، پیش‌بینی شد که در هر نسبت مولی آهن و سیلسیم کدامیک از فازهای سیلسید آهن تشکیل خواهد شد. در ادامه به صورت آزمایشگاهی سه درصد مختلف مولی برای بررسی عملی این پیش‌بینی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش نسبت مولی سیلسیم از 5/0 به 1 و 2 ، به ترتیب، فازهای Fe3Si، FeSi و FeSi2 فازهای غالب موجود در ساختار خواهند بود که تا حد زیادی پیش‌بینیهای ترمودینامیکی با نتایج واقعی موافقت داشت. علت تفاوتهای موجود نیز مورد بحث قرار گرفت.

کلیدواژه‌ها

سیلیسید آهن؛ ترمودینامیک؛ آهن؛ سیلیسیم؛ سیستم پودری

مراجع

1. Kolel-Veetil, M. K., Qadri, S. B., Osofsky, M., Keller, T. M., Goswami, R., and Wolf, S. A., "Size-Induced Effects on the Superconducting Properties of Mo2C Nanoparticles", The Journal of Physical Chemistry C, 111, pp. 16878-16882, (2007).
2. Hamayaa, K., Ueda, K., Kishi, Y., Ando, Y., Sadoh, T., and Miyaob, M., "Epitaxial ferromagnetic Fe₃Si∕Si(111) structures with high-quality heterointerfaces", Applied Physic Letter, 93, No. 13, pp. 132117-132121, (2008).
3. Mantovan, R., Georgieva, M., Fanciulli, M., Goikhman, A., Barantcev, N., Lebedinskii, Y., and Zenkevich, A., "Synthesis and characterization of Fe3Si/SiO2 structures for spintronics", physica status solidi,  205, pp. 1753-1757, (2008).
4. Guan, J., Chen, X., Zhang, L., Wang, J., and C, Liang., "Rapid preparation and magnetic properties of Fe₃Si-Al₂O₃ nanocomposite by mechanical alloying and heat treatment", physica status solidi, 213, pp. 1585-1591, (2016).
5. Schmitt, A. L., Bierman, M. J., Schmeisser, D., Himpsel, F. J., and Jin, S., "Synthesis and Properties of Single-Crystal FeSi Nanowires", Nano Letters, 6, pp. 1617-1621, (2006).
6. Fu, C., Krijin, M. P., and S, Daniach., "Electronic structure and optical properties of FeSi, a strongly correlated insulator", Phys Rev B Condens Matter, 49, pp. 2219-2222, (1994).
7. Filonov, A. B., Migas, D. B., Shaposhnikov, V. L., Dorozhkin, N. N., Petrov, G. V., and Borisenko, V. E., "Electronic and related properties of crystalline semiconducting iron disilicide", Journal of Applied Physics, 79, (1996).
8. V. N, Jepsen. O, Henrion. W, Rebien. M, Stauß. P, and Lange. H, "Electronic structure and optical properties of β-FeSi₂", Physical Review B, Vol. 57, pp. 8934-8938, (1998).
9. Kulatov, E., Nakayama, H., and Ohta, H., "Electronic and Optical Properties of α-, β-, and γ-FeSi2", Journal of the Physical Society of Japan, 70, pp. 2199-2204, (2001).
10. Dahal, N., and Chikan, V., "Phase-Controlled Synthesis of Iron Silicide (Fe3Si and FeSi2) Nanoparticles in Solution," Chemistry of Materials, 22, pp. 2892-2897, (2010).
11. Tanaka, N., Sumiyama, K., Katoh, R., Hihara, T., Sato, K., Konno, T. J., and Mibu, K., "Core-Shell Formation and Juxtaposition in Fe and Si Hybrid ClustersPrepared by Controlling the Collision Stages", Materials Transactions,, 51, pp. 1990-1996, (2010).
12. Shen, Q., Li, R., Yuan, W. J., Zhang, L. M., and Zhang, T., "Powder reaction mechanism in fabrication of high silicon iron alloy", Powder Metallurgy, 50, pp. 336-340, (2007).
13. Dezsi, I., Fetzer, C., Bujdoso, L., Broetz, J., and Balogh, A. G., "Mechanical alloying of Fe-Si and milling of α- and β-FeSi2 bulk phases," Journal of Alloys and Compounds, 508, pp. 51-54, (2010).
14. Li, G., Shi, N., Xiong, M., Ma, Z., Bai, W., and Fang, Q., "X-ray diffraction investigation of native Si-Fe alloy minerals from Luobusha, Tibet", Frontiers of Earth Science in China, 1, pp. 21-25, (2007).
15. Crecelius, G., "Reaction of iron on silicon", Applied Surface Science, 65-66, pp. 683-689, (1993).
16. Kubaschewski, O., and Okamoto, H., Phase diagrams ofbinary iron alloy: ASM International, (1993).
17. "HSC Chemistry ", Vol. A. Roine, 5.11 ed. Finland: Outokumpu Research, (2002).
18. Razavi, R., Hosseini, S. M. A., and Ranjbar, M., "Production of Nanosized Synthetic Rutile from Ilmenite Concentrate by Sonochemical HCl and H2SO4 Leaching", Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE), 33, pp. 29-36, (2014).
19. Sadeghi, N., Akbarpour, M. R., and Aghajani, H., "A novel two-step mechanical milling approach and in-situ reactive synthesis to fabricate TiC/Graphene layer/Cu nanocomposites and investigation of their mechanical properties", Materials Science and Engineering: A, 734, (2018).
20. Yeh, C.-L., and Chen, K.-T., "Synthesis of FeSi-Al2O3 Composites by Autowave Combustion with Metallothermic Reduction", Metals, 11, pp. 258, (2021).