ساخت سرامیک هافنیوم کربونیترید با مقاومت فوق العاده در برابر حرارت از طریق سنتز احتراقی و زینترینگ اسپارک پلاسما (ساختاری با بیشترین مقاومت حرارتی که تا کنون ساخته شده است)
Fabrication of Ultra-High-Temperature Nonstoichiometric Hafnium carbonitride via Combustion Synthesis and Spark Plasma Sintering
گروهی از محققین روس و آمریکایی توانسته‌اند یک ترکیب سرامیکی با بالاترین نقطه ذوب نسبت به ترکیبات موجود را تولید کنند. به دلیل تلفیق خواص فیزیکی، مکانیکی و حرارتی چشمگیر، این ترکیب می‌تواند گزینه بسیار خوبی برای استفاده در کاربردهای هوا و فضا باشد. همانطور که می‌دانیم، کاربیدها و نیتریدهای فلزات انتقالی دارای خواص بسیار خوبی نظیر چگالی بالا، پایداری شیمیایی بالا، مقاومت به خوردگی عالی، و نقطه ذوب بسیار بالا هستند که موجب شده است در زمینه‌های فراوانی به کار روند. برای نمونه، سرامیک‌های ساخته شده از این فازها می‌توانند در نازل موشک‌ها یا محفظه سوخت به کار روند. یکی از نمونه‌های بسیار خوب این دسته از سرامیک‌ها، هافنیوم کاربید استوکیومتری است (HfC0.98) که دارای نقطه ذوب بالاتر از 3927 درجه سانتیگراد می‌باشد که بیشترین مقداری است که برای فازهای دوتایی گزارش شده است. ساختارهای سه فازی این مواد خواص بهتری نشان داده‌اند؛ به عنوان مثال، سرامیک Ta4HfC5 می‌تواند دمای ذوب تا 4027 (به اضافه یا کم تر از 80) درجه داشته باشد و حتی طبق محاسبات نظری، پیش بینی شده است که ترکیب فازی غیراستوکیومتری HfC0.51N0.38 دمای ذوب بالاتر از 4200 درجه داشته باشد. سایر کارهای نظری پیش بینی کرده‌اند که دمای ذوب فاز 0.76HfC–0.24HfN به 4057 درجه برسد. این ارقام از طریق شبیه سازی اتمی دینامیک مولکولی و یادگیری ماشینی بدست آمده‌اند که پیشنهاد کرده است که سیستم Hf-C-N باید به بالاترین نقطه ذوب برسد. علاوه بر آن، افزودن هر عنصر دیرگداز مانند تانتالیم، موجب افزایش این مقدار نخواهد شد.
هافنیم کربونیترید به صورت یک لایه نازک از طریق رسوب دهی شیمیایی بخار و مگنترون اسپاترینگ ساخته می‌شود. بال میل با انرژی بالا بر روی ترکیب کربن و هافنیوم در اتمسفر نیتروژنی می‌تواند برای تولید HfCxN1-x استوکیومتری به کار رود. روش سنتز احتراقی که مبتنی بر واکنش های گرمازا است نیز می‌تواند برای تولید انواع پودرهای کربونیترید استوکیومتری به کار رود (MeCxN که در آن Me فلزات تیتانیم، وانادیم و هافنیوم را نشان می‌دهد).
در این مقاله که در مجله Ceramics International منتشر شده است، برای نخستین بار کربونیترید هافنیوم غیر استوکیومتری (HfCxNy که در آن x + y کم تر از 1 است) حجیم ساخته شده است. این روش شامل سه مرحله می‌شود (1) بال میل با انرژی بالا با مدت زمان کوتاه (5 دقیقه) بر روی هافنیوم و کربن در یک فضای خنثی برای ساخت کامپوزیت‌های نانوساختار و فعال Hf/C، (2) احتراق این ذرات در اتسمفر نیتروژن در حالت سنتز احتراقی برای تولید پودر HfCxNy، و (3) زینترینگ اسپارک پلاسما بر روی پودر کربونیترید هافنیوم غیراستوکیومتری تا یک سرامیک حجیم با دمای ذوب بسیار بالا ساخته شود.
به منظور زینتر کردن این سرامیک، فشار ثابت 50 مگاپاسکال در دمای 2000 درجه به کار رفت که به مدت 10 دقیق به طول انجامید. سرامیک‌های بدست آمده چگالی نظری 98%، سختی ویکرز 21.3 گیگاپاسکال، و چقرمگی شکست MPa.m1/2 4.7 را نشان دادند. به صورت نظری پیش بینی شده است که نقطه ذوب کربونیترید هافنیوم غیراستوکیومتری باید بسیار بالاتر از 4000 درجه باشد. کربونیترید هافنیوم تولید شده توسط سایر روش‌ها مانند بال میل با انرژی بالا، عمدتاً ساختار استوکیومتری داشته‌اند. تلفیق بال میل و سنتز احتراقی امکان تولید کربونیترید غیراستوکیومتری را فراهم کرده است که پیشرفت شگرفتی در خواص حرارتی را به همراه داشته است. در این سرامیک ترکیب HfC0.5N0.5 ساخته شده است.
سنجش نقطه ذوب مواد در بالاتر از 4000 درجه کار بسیار دشواری است. در نتیجه در این مقاله، مقدار نقطه ذوب سرامیک های تولید شده با کاربید HfC دیرگداز مقایسه شدده است که رکورد بالاترین دمای ذوب را دارد. آنالیزهای آماری بر روی اطلاعات تجربی مختلف در مورد حرارت دهی همزمان این دو مواد نشان داد که کربونیترید هافنیوم غیراستوکیومتری (HfC0.5N0.5) نقطه ذوب بالاتری نسبت به HfC دارد.
گروه علمی و پژوهشی مهندسی و علم مواد (مترس-MatRes)
