1

تابستان

1391

نانو ذرات زیرکونیایی بعنوان مراکز جوانهزنی ناهمگن عمل نموند، لذا اندازه بلورکها افزایش یافتند. همچنین مقایسه رفتـارپرس پذیری پودرها ی کلس ینه شده نشان داد، نسبت شیب منحن ی تغ ییر دانسیته خام بر حسب لگـاریتم فـشار پـرس نمونـهبدون ذرات افزوده شده زیرکونیا در ناحیه سوم به دوم (2 A3 /A)، ازعدد کوچکتر ی برخوردار باشد، نمونه قابلیـت پرس پذیری بیشتری دارد . لذا طبق مشاهدات بدست آمده افزایش دانس یته خام در نمونهی0% وزنی ذرات زیرکونیـا نـسبتبه نمونه ی حاوی 10% وزنی بیشتر بود.
کلید واژه: پودر زیرکونیا، بلورک، ذره اولیه، آگلومره، منحنی پرس پذیری.
1- مقدمه
در سالهای اخیر با توجه به توسعه نانو سرامیکها، توجه بسیاری به تهیه و تولید ترکیبات متنوعی از این گروه مواد شـده اسـت . در این میان نانو پودرهای زیرکونیایی بدلیل خواصی مثل نقطه ذوب بالا، چقرمگی شکست مناسب و همچنین سازگاری با بـدن انسان، کاربرد فراوانی در زمینه دیرگدازها، کاتالیستها و بیو مواد پیدا کردهاند [1]. در میان سرامیکهای زیرکونیایی، زیرکون یـای تتراگونال پایدارشده با 12% مولی سریا (Ce-TZP12%)، بدلیل دارا بودن محدوده وسیع فاز تتراگونـال ، تجز یـه پـذیری کمتـر در محیط رطوبی و چقرمگی شکست بالا، از توجه خاصی برخوردار می باشـند [2]، بـا ا یـن وجـود ا یـن سـرامیکهـا در مقا یـسه بـا سرامیکهای زیرکونیایی پایدارشده با ایتریا، استحکام شکست کمتری دارند. در مورد بهبـود خـواص سـرامیکهـا یCe-TZP ، ترکیبات کامپوزیتی گوناگونی تهیه شده است. بطور مثال تحقیقات بسیاری جهت بررسی اثر افزودن نـانو ذرات 2ZrO و 3Al2O بر خواص سرامیکهای Ce-TZP، صورت گرفته است.نتایج نشان داده اند نانو ذرات با ایجاد مرزهای فرعی، دانههـایی در انـدازهکوچکتر تشکیل میدهند. این امر باعث پایداری فاز تتراگونال در اندازه بحرانی گشته و منجر به افزایش تنش بحرانی لازم برایاستحاله t→m و در نتیجه باعث افزایش استحکام میگردد [5-3].
-8822682183

1
در میان روشهای سنتز پودرهای زیرکونیایی، روش همرسوبی، به دلیل مزیتهای فراوان، از جمله تولید نانو ذرات بـا قابلیـتزینترشدن بالاتر، یکنواختی بهتر و هزینه مصرفی کمتر، در مقایسه با روشهـایی ماننـد هیـدروترمال، سـنتز احتراقـی، بـسیارمناسب می باشد [6]. خواص پودر حاصل از این روش، به شدت وابسته به پارامترها یی ماننـد؛ مـواد اولیـه،pH ، دمـای محـیطواکنش، نوع شستشو و خشک کردن، است [9- 6]. غالباً پودر سنتز شده به روش همرسوبی از 3 بخـش ریزسـاختار ی شـامل؛ (1) بلورک، (2) بلورک های فشرده شده در ذرات اولیه، (3) آگلومره های ضعیف و متخلخل حاوی ذرات اولیه، تشکیل میشـود
.[10]

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

موضوع متراکم کردن نانو پودرها چالشها و مشکلات خاص خود را دارد. تحقیقات نشان دادهانـد کـه مـواد اولیـه، نـوع سـنتز وریزساختار پودرهای سرامیکی بر رفتار تراکمپذیری نانو پودرها موثر است. از روش های بررسی تراکمپـذیری، مطالعـهی منحنـیدانسیته خام نسبی بر حسب فشار پرس میباشد که اثر دمای کلسیناسیون بر رفتار متراکم شدن پودرهای خام بطور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است [9-6 و 11].
در این تحقیق تلاش شده است اثر افزودن نانو ذرات زیرکونیایی بر خواص فیزیکی پودر، ماننـد انـدازه بلـورک هـا و آگلـومرههـابررسی گردد. همچنین تاثیر این نانو ذرات بر قابلیت تراکمپذیری پودرها مورد مطالعه قرار گرفته است.
2- مواد و روشها
برای تهیه زیرکونیای پایدار شده با 12/0 مول سـریم، از نمـک هـای Ce(NO3)3.6H2O و ZrOCl2.8H2O محـصول شـرکتMerck، از حلال ایزوپروپانول و عامل هیدرولیزکننده آمونیاک، محصول شرکتLOBAChemie ، به عنوان مواد اولیه استفادهگردید.
در مرحله اول، بر اساس وزن محصول موردنظر، محلول شفاف 2/0 مولار از حلال و نمکهای سریم و زیرکونیوم تهیه شد. بعـداز اخ تلاط این دو محلول و تشکیل محلول مخلوط شفاف، آمونیاک رقیق شده با نسبت معین، (به محلول درحال هم خـوردن بـاهمزن مغناطیـسی بـا دورrpm 500، بـه منظـور تـشکیل رسـوب هیدروکـسیدهای 4+Ce و 4+Zr اضـافه گردیـد. pH در طـول رسوبدهی 10-9 تنظیم گردید. به منظور تکمیل فرآیند تشکیل رسوب، رسـوب ژل ماننـد، 24 سـاعت در حالـت سـکون قـرار گرفت. در مرحله بعد رسوب حاصله، یک مرتبه با آمونیاک رقیق شده با ایزوپروپانول و چهار مرتبه با ایزوپروپانول به منظور حذفآنیون های موجود، مورد شستشو قرار گرفت. عملیات خشک کردن 24 ساعت در دمای ºC90 انجام شـد. نهایتـ اً رسـوب خـشکشده تحت سایش با هاون قرار گرفت و در دمایºC 500 به مدت 1 ساعت کلسینه گردیـد. پـودر بدسـت آمـده در ایـن مرحلـه(0%)Ce-TZP نامگذاری گردید. در مرحله دوم برای تهیه پودر زیرکونیایی حاوی 10%وزنی نانو ذرات زیرکونیـا، در ابتـدا جهـتکاهش آگلومره های موجود در پودر کلسینه شدهی مرحله اول، عملیات آلتراسونیک انجام شد و بعد پودر حاصـله در حـین سـنتزهمرسوبی قبل از مرحله رسوبدهی به مخلوط محلولها افزوده شده و به مدت یک سـاعت بـا حـداکثر دورrpm 800 مخلـوطگردید. ادامه عملیات سنتز مشابه توضیحات مرحله اول میباشد. پودر حاصله از مرحله دوم نیـز (10%)Ce-TZP نامگـذاری شـد.
جهت بررسی فازهای موجود در نمونه کلسینه شده از آنالیز XRD با پرتو Cu kα با طول موج 54/1 آنگـستروم (مـدل Philips
2 شماره
Expert) و به منظور تعیین اندازه ذرات، توزیع اندازه ذرات، ریزساختار و دمـای تبلـور بـه ترتیـب از تکنیـکهـایBET (مـدل
(Shimadzu50 مـدل) DTA و (VEGATESCAN مـدل) SEM ،(Malvern4.6 مدل) DLS ،(Mlcromertlcs 2375 .استفاده گردید
با استفاده از قالب فولادی استوانهای، با قطر داخلیcm 1، قطعات دیسکی شکل، در فشارهای 400 تاpsi 800، توسـط دسـتگاهپرس هیدرولیک تک محوره، تهیه گردید. دانسیته خام نسبی با استفاده از روش حجمی محاسبه شد.
3- نتایج و بحث
به منظور بررسی تحولات فازی، پودر خام حاصله، تحت آزمون DTA، در بازه دمایی 50 تا ºC500 با نرخ گرمایشیºC/min 10 قرار گرفت. با توجه به شکل (1)، پیک گرماگیر در محدوده دمایºC 92، بیانگر خروج گروههای هیدروکسیل با باندهای ضعیف و یا مولکولهای آب موجود که از طریق اتمسفر جذب سطحی شدهاند میباشد. 2 پیک گرمازا در محدوده دمـایی266 و ºC454 نشان دهنده سوختن ایزوپروپانول (پیک اول) و تبدیل فاز آمورف به بلوری (پیک دوم) هستند.

شکل 1- نمودار DTA با نرخ گرمایشی ºC/min10، الف) نمونه (0%) Ce-TZP و ب) (10%)Ce-TZP .
بررسی نوع فاز ایجاد شده در دمای ºC500 توسط آنالیز نرمافزاری X Pert High Score نـشان داد، پیـکهـای موجـودمطابق الگوی پراش اشعه ایکس کارت، بـا شـماره مرجـع (1089- 5): JCPDS(S)، مشخـصهی حـضور فـاز زیرکونیـای تتراگونال هستند.

شکل 2- الگو ی پراش اشعه ایکس نمونههای، الف) (0%) Ce-TZP، ب) (10%) Ce-TZP در دمای ºC500 به مدت 1 ساعت.
بدلیل مشابهت دو پودر، جهت اثبات وجود بلورک، ذره اولیه و آگلومره، آزمون هایBET ،XRD و DLS فقط برای نمونه پودری (0%) Ce-TZP انجام شد. متوسط انـدازه بلـورک هـای ذرات کلـسینه شـده (0%) Ce-TZP، در دمـایºC 500 بـا استفاده از رابطه دبای-شرر و نرم افزار X Pert High Score، محاسبه شد و برابر با dx= 10/6nm بدسـت آمـد . م یـانگین اندازه ذراتطبق فرمول (1)، با استفاده از آزمون اندازه گیری سـطح و یـژه (BET) پـودر (0%) Ce-TZP، برابـر nm 9/11، بدست آمد.
dBET 

T 6SBET (1)
dBET= اندازه ذرات (T ،(nm= دانسیته تئوری (3gr/cm) و SBET= سطح ویژه ذره (m2/gr)، که در این آزمـون برابـر (m2/gr) 80 حاصل شد. با مقایسه بین dx و dBET، بدلیل بزرگتر بودن اندازه ذرات حاصل از آزمون BET، اندازه حاصله مربوط بـه انـدازه ذره اولیهها میباشد. همچنین بررسی نتایج حاصل از آزمون توزیع اندازه ذرات با پراکنش نور لیزر (DLS)، (شـکل (3))، تـشکیل آگلومره، با متوسط اندازه nm417 را، تایید مینماید. لذا با توجه به نتایج، هر 3 ساختار بلورک، ذره اولیه و آگلـومره در پودرهـا ی حاصل از سنتز مشاهده گردید.
متوسط اندازه بلورک بدست آمده از آزمون XRD، برای نمونه (10%)Ce-TZP کلسینه شده در دمـایºC 500، برابـرnm 1/17 میباشد. با توجه به اینکه دمای تبلور هر دو نمونه یکسان است، اینطور به نظر میرسـد نـانو ذرات افـزوده شـده بعنـوان مراکـز جوانهزن ی ناهمگن عمل نموده لذا انرژ ی لازم برا ی جوانهزنی، صرف رشد بلورکها شده است.

شکل 3- نمودار توزیع اندازه ذرات ترکیب (0%) Ce-TZP.
در بررسی رفتار تراکمپذیری منحنی دانسیته خام بر حسب لگاریتم فشار، 2 نقطه شکست Py1 و Py2مـشاهده گرد یـد. Py1 نقطـه تغییر آرایش و شکسته شدن ساختار آگلومره ای است و در Py2، آگلومرهها شکل اولیه خود را از دست دادهاند. لذا تغییر آرا یـش در ساختار داخل ی آنها رخ میدهد و به هم فشردگ ی ذرات اولیه اتفاق میافتد.

شکل 4- منحن ی دانسیته خام نسب ی بر حسب لگاریتم فشار، الف) (0%) Ce-TZP و ب) (10%) Ce-TZP.
در منحنی دانسیته خام بر حسب لگاریتم فشار نسبت شیب نمودار در ناحیه سوم بـه شـیب نمـودار در ناح یـه دوم، بـا فـاکتور α،
( 3

A) مشخص میشود که بیانگر قابلیت پرسپذیری است. 2A شیب منحنی ناحیه دوم (بعد از تغییر آرا یـش و خـرد شـدن
A
2
آگلومرهها) و 3A شیب منحنی ناحیه سوم (بعد از تغییر آرایش و یا به هم فشردگی ذرههای اولیه) میباشد. هر چقدر عـدد α، بـه صفر نزدیکتر باشد بیانگر تراکم بهتر و متعاقباً وجود آگلومرههای نرمتر اسـت [10]. محاسـبه α، 2 ترک یـب در جـدول (1)، آورده شده است.
جدول 1- محاسبه مقادیر α، 2 ترکیب (10 و 0%) Ce-TZP.
نمونه Ce-TZP (%0) Ce-TZP(%10)
α 0/08 2/86
بررسی اندازه بلورکها در تایید تغییر شیب منحنیهای لگاریتم فشار بر حسب دانسیته خام در ناحیه سوم، مـیباشـد . در مـواد بـا اندازه بلورک کوچک، اندازه ذره اولیه نیز کوچک خواهد بود [12]، لذا با افزایش سطح ذرات، نقاط تماس بین ذرات اول یـه ب یـشتر شده و اصطکاک بین آنها افزایش مییابد. با توجه به اینکه در ناحیه سوم، لغزش و تغییر آرایش مربوط بـه اجـزاء ذره هـای اول یـه است لذا تغییرات دانسیته خام کمتر میگردد. بنابراین با توجه بـه شـکل (4)، شـیب منحنـ ی ترک یـب (0%)Ce-TZP بـا انـدازه بلورکهای nm6/10، نسبت به شیب منحنی ترک یـب (10%)Ce-TZP بـا انـدازه بلـورک هـا ی nm 1/17، کمتـر شـده اسـت .
همچنین با توجه به نتایج جدول (1)، ترکیب (0%) Ce-TZP از آگلومرههای نرمتری نسبت به (10%) Ce-TZP برخوردار اسـت .
هر چه استحکام آگلومره کمتر باشد شکست آن آسانتر میگردد و دانسیته تراکم افزایش مییابد. لـذا بـا در نظـر گـرفتن مقـادیر دانسیتهها ی موجود در شکل (4)، چنین روند ی مشاهده میشود؛
α Ce-TZP(%0)<α Ce-TZP(%10) و dgr.Ce-TZP(%10)<d gr.Ce-TZP(%0)
همچنین مورفولوژی (ریختشناسی) ذرات کلسینه شده در دمایºC 500، بدون انجام عملیات پخش کردن در محـیط الکلـ ی در شکل (5)، با بزرگنمایی 5 هزار برابر، نشان داده شده است. همانطورکه مشاهده میگردد، آگلومرههای با اندازه بـزرگ ، محـصول متراکم شدن آگلومرههای کوچکتر میباشند که با بزرگنمایی 50 هزار برابر، در داخل شکل (5-ب)، مـشخص شـده اسـت . تعـداد آگلومرهها ی بزرگ، در نمونه (10%)Ce-TZP بیشتر میباشد و با توجه به اینکه افزایش دانسیته، ناش ی از متراکم شـدن و شکـست آگلومرههای نرمتر است، میتوان نتیجه گرفت مقدار نیروی بیشتری برای شکست لازم میگردد لذا خرد شدن آگلومرهها و تغییر دانسیته خام، در نمونه (10%) Ce-TZP کمتر اتفاق میافتد.

شکل 5- مورفولوژ ی ذرات کلسینه شده قبل از پرس با بزرگنمایی 5 هزار برابر، الف) (0%)Ce-TZP، ب) (10%)Ce-TZP.
4- نتیجه گیری
در این پژوهش پودر زیرکونیای تتراگونال پایدارشده با سریا حاصل شد و پودرهای سنتز شده بـه روش هـم رسـوب ی از 3 سـاختار بلورک، ذره اولیه و آگلومره تشکیل شدهاند. اندازه بلورک در پودر (10%)Ce-TZP، بزرگتر از پودر (0%)Ce-TZP مـیباشـد کـه نشاندهنده عملکرد نانو ذرات بعنوان مراکز جوانهزنی ناهمگن بوده لذا انرژی لازم برای جوانهزنی، صرف رشـد بلـورک هـا شـده است.
در بررسی منحنی دانسیته خام نسبی بر حسب لگاریتم فشار، فاکتور α، برای نمونه (0%)Ce-TZPکـوچکتر از نمونـه (10%)Ce-TZP میباشد که نشاندهنده تراکمپذیری بهتر در نمونه (0%)Ce-TZP بود لذا افزایش دانسیته در ا یـن نمونـه ب یـشتر مـشاهده شد. مراجع
.1 W. Chen, “Ceramic Material Classes”, Ceramics Science and Technology, 2(2010).
.2 S. C. Shahram, N. M. Gokale, “Synthesis, microstructure and mechanical properties of ceria stabilized tetragonal zirconia prepared by spray drying technique”, Bull. Mater. Sci., 25(2002)15-
20.
.3 S. Ban, “Reliability and properties of core materials for all ceramics dental restorations”, Japanese Dental Science Review (2008) 44, 3-21.
.4 M. Nawa, M. Bamba, T. Sekino and K. Niihara, “The Effect of TiO2 Addition on Strengthening and Toughening in Intragranular Type of 12Ce-TZP/Al2O3 nanocomposites”, Journal of the European Ceramic Society 18 (1998) 209-219.
.5 G. Yang, J. Li, G. Wang, M. Yashima, S. Min, “Influences of ZrO2 nanoparticles on themicrostructure and mechanical behaviorof Ce-TZP/Al2O3nanocomposites”,Material Science, 40(2005) 6087–6090.
.6 E. N. S. Muccillo, D. M. A Â vila, “Synthesis and characterization of submicron zirconia-12 mol% ceria ceramics”, Ceramics International 25 (1999) 345-351.
.7 T. Sato, K. Dosaka, M. Ishitsuka, E. M. Haga and A. Okuwaki “Sintering of ceria-Doped
Tetragonal Zirconia Crystallized in Organic”, J. of Alloys and Compounds, 193(1993) 274-276.

.8 S. K. Tadokoro, E. N. S. Muccillo, “Physical characteristics and sintering behavior of ultrafine zirconia–ceria powders”, Journal of the European Ceramic Society 22 (2002) 1723–1728.
.9 T. Sato, K. Dosaka, M. Ishitsuka, E. M. Haga and A. Okuwaki, “Sintering behaviour of ceriadoped tetragonal zirconia powders crystallized and dried using supercritical alcohols”, Journal of Alloys and Compounds, 193 (1993) 274-276.
A. A. Bukaemskiy, D. Barrier, G. Modolo, “Compressibility and sinterability of CeO2–8YSZ powders synthesized by a wet chemical method”, Journal of the European Ceramic Society 29 (2009) 1947-1954.
.01 Joanna R. Groza, Nanocrystalline Powder Consolidation Methods, Chapter 4,1997 .
.11 S. Koley, A. Ghosh, A. KumarSahu, R. Tewari, A. KumarSuri, “Correlation of compaction pressure, green density, pore size distribution and sintering temperature of a nano-crystalline 2YTZP-Al2O3 composite”, J.Ceramics International, Vol. 37, pp-731–739, (2011).

  • 1

پاسخ دهید