ساخت سرامیک های ZrB2-SiC با چقرمگی شکست عالی از طریق افزودن نانوصفات گرافن
Enhanced fracture toughness of ZrB2–SiCw ceramics with graphene nanoplatelets
سرامیک های دما بسیار بالا (UHTCs) دارای تلفیق خاصی از خواص مانند دمای ذوب بالا، خنثی بودن شیمیایی، مقاومت به اکسیداسیون خوب، و رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا، هستند که موجب شده به یکی از موضوعات اصلی تحقیقات در دهه های گذشته تبدیل شوند. به صورت مشخص، زیرکونیم دی-بوراید به عنوان یکی از این دسته از سرامیک ها کاربرد فراوانی در صنعت دیرگداز و زمینه هوا و فضا در محیط های بسیار سخت داشته است. با این وجود، با توجه به پیوند کوولانسی قوی، نفوذپذیری ضعیف، و وجود ناخالصی ها، نمی توان به راحتی به ZrB2 خالص با دانسیته کامل دست یافت چون به دمای عملیاتی و فشار بالایی نیاز دارد. علاوه بر آن، این سرامیک دارای چقرمگی شکست ضعیف و مقاومت به اکسیداسیون پایین در دماهای بالا (بالاتر از 650 درجه سانتیگراد) می باشد. روش های مخلتفی برای غلبه بر این نواقص پیشنهاد شده است که مهم ترین روش، افزایش خواص مکانیکی از طریق یک تقویت کننده است. در میان کاربیدها، کاربید سیلیکون بیشترین مورد استفاده را به عنوان فاز ثانویه در سرامیک های دما بسیار بالای پایه ZrB2 داشته است و نه تنها مقاومت به اکسیداسیون را افزایش می دهد بلکه خواص مکانیکی را نیز بهبود می بخشد.
در پژوهشی که در این راستا در مجله Ceramics International منتشر شده است، از فناوری زینترینگ جرقه ای پلاسما برای تولید سرامیک های پایه ZrB2 استفاده شده است که دارای ویسکرهای کاربید سیلیکون بوده و با استفاده از گرافن نیز تقویت شده اند. اثر افزودن نانوذرات گرافن بر روی ساختار، سختی، چقرمگی شکست و رفتار چگالش نانوکامپوزیت های ZrB2-SiCw نیز مورد بررسی قرار گرفته است و مشخص شد که گرچه این نانوکامپوزیت ها به سطح چگالش کامل رسیدند (دانسیته نسبی بیش از 99.99%)، نمونه ای که با 7.5% وزنی گرافن ساخته شده بود، مقدار افت دانسیته نسبی را نشان داد. پس از مرحله زینترینگ و به دلیل نبود برهم کنش شیمایی در سیستم ZrB2-Gnp-SiCw، در آنالیز XRD یا تصاویر میکروسکوپ الکترونی، نشانه ای از تشکیل فاز به صورت درجا مشاهده نشد. وارد کردن گرافن موجب جلوگیری از افزایش دانه شد. با افزودن 2.5 درصد وزنی گرافن، سختی نانوکامپوزیت از 21.9 گیگاپاسکال به 22.2 رسید. با این وجود، همراه با افزایش میزان گرافن، سختی به به شدت کاهش پیدا کرد و حتی به 16.6 گیگاپاسکال رسید. اما در خصوص چقرمگی شکست مشاهده شد که با افزودن نانوذرات گرافن، چقرمگی شکست به صورت خطی از افزایش یافت. در این پژوهش، مکانیزم غالب افزایش استحکام، پل زنی ترک، توقف ترک و انحراف ترک عنوان شده است.
