اثر افزودن کاربید زیرکونیوم و نانو صفحات گرافن بر ریزساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت‌ پایه ZrB2

مهندسی متالورژی و مواد

مقاله 4، دوره 35، شماره 3 - شماره پیاپی 35، مهر 1403، صفحه 51-68   

نوع مقاله: علمی و پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2024.86458.1141

نویسندگان

میلاد خیراله زاده¹؛ زهره بلک^{* 2}؛ مهدی عزیزیه¹؛ مهدی شاهدی اصل³

¹گروه مهندسی مواد، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

²گروه مهندسی مواد، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.

³گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه شیان جیائوتنگ- لیورپول.

چکیده

این پژوهش، به منظور بررسی اثر افزودن ZrC بر ریزساختار، و خواص مکانیکی کامپوزیت‌های ZrB2 تقویت‌شده با نانو صفحات گرافن (GNP)، سه کامپوزیت از طریق تف جوشی پلاسمای جرقه‌ای (SPS) در دمای 1900 درجه سانتی‌گراد به مدت 7 دقیقه تحت فشار 40 مگاپاسکال تف جوشی شدند و رفتار تف جوشی، ریزساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت حاصل نیز مورد ارزیابی قرار گرفت. چگالی نسبی به روش ارشمیدس اندازه گیری شد. برای بررسی ترکیب شیمیایی و شناسایی فاز از تجزیه و تحلیل XRD و EDS استفاده شد. از میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی ( FE-SEM) برای ارزیابی ریزساختار (اندازه دانه و تخلخل) استفاده شد. استحکام خمشی، سختی و چقرمگی شکست به ترتیب با آزمون خمشی سه نقطه ای، ماکرو ویکرز و Single Edge Notch Beam (SENB) تعیین شدند. نتایج نشان داد که حضور GNP به تنهایی و همراه با ZrC، چگالی نسبی را به طور قابل توجهی اقزایش می دهد(7/99%). علاوه بر این، چگالی کامل با افزودن 10 و 20 درصد حجمی ZrC در مقایسه با سرامیک خالص ZrB2 با چگالی نسبی 81% حاصل شد. حداکثر سختی ، استحکام خمشی و چقرمگی شکست GPa 8/25، MPa 597 و MPa m0.5 9/4 به ترتیب برای کامپوزیت ZrB2-GNP تقویت شده با 20 درصد حجمی ZrC بدست آمد.

کلیدواژه‌ها

سرامیک ZrB2؛ ریزساختار؛ سختی؛ چقرمگی شکست؛ تف جوشی با جرقه پلاسما

مراجع

[1] Z. Balak, M. Zakeri, M. R. Rahimipoor, E. Salahi, M. Azizieh, and H. Kafashan, “Investigation of Effective Parameters on Densification of ZrB₂-SiC Based Composites Using Taguchi Method,” Advanced Ceramics Progress, vol. 2, pp. 7-15, 2016. https://doi.org/10.30501/acp.2016.90835

[2] Z. Balak, and M. Zakeri, “Effect of HfB2 on microstructure and mechanical properties of ZrB2–SiC-based composites,” Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, vol. 54, pp. 127–137, 2016. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2015.07.011

[3] Z. Balak, and M. Zakeri, “Application of Taguchi L₃₂ orthogonal design to optimize flexural strength of ZrB₂-based composites prepared by spark plasma sintering,” Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, vol. 55, pp. 58–67, 2016. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2015.11.009

[4] X. Zhang, Z. Wang, X. Sun, W. Han, and Ch. Hong, “Changqing Hong, Effect of graphite flake on the mechanical properties of hot pressed ZrB2–SiC ceramics,” Materials Letters, vol. 62, pp. 4360–4362, 2008. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2008.07.027

[5] S. Tang, J. Deng, S. Wang, W. Liu, and K. Yang, “Ablation behaviors of ultra-high temperature ceramic composites,” Materials Science and Engineering A, vol. 465, no. 1-2, pp. 1-7, 2007. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.02.040

[6] Y. L. Zhang, Y. M. Zhang, J. C. Han, Y. Y. Han, and W. Yao, “Fabrication of toughened Cf/SiC whisker composites and their mechanical properties,” Materials Letters, vol. 62, no. 17–18, pp 2810-2813, 2008. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2008.01.090

[7] Ch. Wei, Zh. Zhang, X. Ma, L. Liu, Y. Wu, D. Li, P. Wang, and X. Duan, “Mechanical and ablation properties of laminated ZrB2-SiC ceramics with Si3N4 whisker interface,” Corrosion Science, vol. 197, pp. 110051, 2022. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.110051

[8] F. Yang, X. Zhang, J. Han, and Sh. Du, “Characterization of hot-pressed short carbon fiber reinforced ZrB2–SiC ultra-high temperature ceramic composites,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 472, no. 1–2, pp. 395-399, 2009. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.04.092

[9] M. Mashhadi, H. Khaksari, and S. Safi, “Pressureless sintering behavior and mechanical properties of ZrB2–SiC composites, effect of SiC content and particle size,” Journal of Materials Research and Technology, vol. 4, no. 4,  pp. 416-422, 2015. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2015.02.004

[10] R. Tu, B. Xiao, S. Zhang, Zh. Deng, Q. Li, M. Yang, T. Goto, L. Zhang, and H. Ohmori, “Mechanical, electrical and thermal properties of ZrC-ZrB2-SiC ternary eutectic composites prepared by arc melting,” Journal of the European Ceramic Society,  vol. 38, no .11, pp. 3759-3766, 2018.https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.04.028

[11] D. Sciti, S. Guicciardi, and M. Nygren, “Spark plasma sintering and mechanical behaviour of ZrC-based composites,” Scripta Materialia, vol. 59, no. 6, pp. 638-641, 2008. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2008.05.026

[12] Zh. Liyou, J. Dechang, D. Xiaoming, Y. Zhihua, and Z. Yu, “Low temperature sintering of ZrC–SiC composite,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 509, no. 41, pp. 9816-9820, 2011. http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.08.041

[13] M. Shahriari Asl, and Z. Balak, “Sinterability and flexural strength of monolithic ZrB2: Role of nano‑carbon black and SiC,” Carbon Letters, vol. 33, pp. 1689–1697, 2023. https://doi.org/10.1007/s42823-023-00523-1

[14] Zh. Huang, and L. Wu, “Phase Equilibria Diagrams of High Temperature Non-Oxide Ceramics,” Springer, pp. 117, 2018. https://doi.org/10.1007/978-981-13-0463-7

[15] M. Shahriari Asl, and Z. Balak., “Fabrication and Characterization of ZrB2 Ceramic in Presence of Graphite Platelet and SiC, Silicon, vol. 15, pp. 6911–6919, 2023. https://doi.org/10.1007/s12633-023-02553-w

[16] V. Savari, Z. Balak, and V. Shahedifar, “Combined and alone addition effect of nano carbon black and SiC on the densification and fracture toughness of SPS-sintered ZrB2,” Diamond & Related Materials, vol. 128, pp. 109244, 2022. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.109244

[17] G. B. Yadhukulakrishnan, S. Karumuri, A. Rahman, R. P. Singh, A. Kaan Kalkan, and S. P. Singh, “Spark plasma sintering of graphene reinforced zirconium diboride ultra-high temperature ceramic composites,” Ceramics International, vol. 39, no. 6, pp. 6637–6646, 2013. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.01.101

[18] A. Rezapour, and Z. Balak, “Fracture toughness and hardness investigation in ZrB2–SiC–ZrC composite,” Materials Chemistry and Physics, vol. 241, pp. 122284, 2020. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.122284

[19] Z. Balak, M. Shahedi Asl, M. Azizieh, H. Kafashan, and R. Hayati, “Effect of different additives and open porosity on fracture toughness of ZrB2–SiC-based composites prepared by SPS,” Ceramics International, vol. 43, no. 2, pp. 2209-2220, 2017. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.11.005

[20] I. Farahbakhsh, Z. Ahmadi, and M. Shahedi Asl, “Densification, microstructure and mechanical properties of hot pressed ZrB2–SiC ceramic doped with nano-sized carbon black,” Ceramics International, vol. 43, no. 11, pp. 8411–8417, 2017. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.03.188