1

تابستان

1391

نانو ذرات زيركونيايي بعنوان مراكز جوانهزني ناهمگن عمل نموند، لذا اندازه بلوركها افزايش يافتند. همچنين مقايسه رفتـارپرس پذيري پودرها ي كلس ينه شده نشان داد، نسبت شيب منحن ي تغ يير دانسيته خام بر حسب لگـاريتم فـشار پـرس نمونـهبدون ذرات افزوده شده زيركونيا در ناحيه سوم به دوم (2 A3 /A)، ازعدد كوچكتر ي برخوردار باشد، نمونه قابليـت پرس پذيري بيشتري دارد . لذا طبق مشاهدات بدست آمده افزايش دانس يته خام در نمونهي0% وزني ذرات زيركونيـا نـسبتبه نمونه ي حاوي 10% وزني بيشتر بود.
كليد واژه: پودر زيركونيا، بلورك، ذره اوليه، آگلومره، منحني پرس پذيري.
1- مقدمه
در سالهاي اخير با توجه به توسعه نانو سراميكها، توجه بسياري به تهيه و توليد تركيبات متنوعي از اين گروه مواد شـده اسـت . در اين ميان نانو پودرهاي زيركونيايي بدليل خواصي مثل نقطه ذوب بالا، چقرمگي شكست مناسب و همچنين سازگاري با بـدن انسان، كاربرد فراواني در زمينه ديرگدازها، كاتاليستها و بيو مواد پيدا كردهاند [1]. در ميان سراميكهاي زيركونيايي، زيركون يـاي تتراگونال پايدارشده با 12% مولي سريا (Ce-TZP12%)، بدليل دارا بودن محدوده وسيع فاز تتراگونـال ، تجز يـه پـذيري كمتـر در محيط رطوبي و چقرمگي شكست بالا، از توجه خاصي برخوردار مي باشـند [2]، بـا ا يـن وجـود ا يـن سـراميكهـا در مقا يـسه بـا سراميكهاي زيركونيايي پايدارشده با ايتريا، استحكام شكست كمتري دارند. در مورد بهبـود خـواص سـراميكهـا يCe-TZP ، تركيبات كامپوزيتي گوناگوني تهيه شده است. بطور مثال تحقيقات بسياري جهت بررسي اثر افزودن نـانو ذرات 2ZrO و 3Al2O بر خواص سراميكهاي Ce-TZP، صورت گرفته است.نتايج نشان داده اند نانو ذرات با ايجاد مرزهاي فرعي، دانههـايي در انـدازهكوچكتر تشكيل ميدهند. اين امر باعث پايداري فاز تتراگونال در اندازه بحراني گشته و منجر به افزايش تنش بحراني لازم براياستحاله t→m و در نتيجه باعث افزايش استحكام ميگردد [5-3].
-8822682183

1
در ميان روشهاي سنتز پودرهاي زيركونيايي، روش همرسوبي، به دليل مزيتهاي فراوان، از جمله توليد نانو ذرات بـا قابليـتزينترشدن بالاتر، يكنواختي بهتر و هزينه مصرفي كمتر، در مقايسه با روشهـايي ماننـد هيـدروترمال، سـنتز احتراقـي، بـسيارمناسب مي باشد [6]. خواص پودر حاصل از اين روش، به شدت وابسته به پارامترها يي ماننـد؛ مـواد اوليـه،pH ، دمـاي محـيطواكنش، نوع شستشو و خشك كردن، است [9- 6]. غالباً پودر سنتز شده به روش همرسوبي از 3 بخـش ريزسـاختار ي شـامل؛ (1) بلورك، (2) بلورك هاي فشرده شده در ذرات اوليه، (3) آگلومره هاي ضعيف و متخلخل حاوي ذرات اوليه، تشكيل ميشـود
.[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 متراكم كردن نانو پودرها چالشها و مشكلات خاص خود را دارد. تحقيقات نشان دادهانـد كـه مـواد اوليـه، نـوع سـنتز وريزساختار پودرهاي سراميكي بر رفتار تراكمپذيري نانو پودرها موثر است. از روش هاي بررسي تراكمپـذيري، مطالعـهي منحنـيدانسيته خام نسبي بر حسب فشار پرس ميباشد كه اثر دماي كلسيناسيون بر رفتار متراكم شدن پودرهاي خام بطور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است [9-6 و 11].
در اين تحقيق تلاش شده است اثر افزودن نانو ذرات زيركونيايي بر خواص فيزيكي پودر، ماننـد انـدازه بلـورك هـا و آگلـومرههـابررسي گردد. همچنين تاثير اين نانو ذرات بر قابليت تراكمپذيري پودرها مورد مطالعه قرار گرفته است.
2- مواد و روشها
براي تهيه زيركونياي پايدار شده با 12/0 مول سـريم، از نمـك هـاي Ce(NO3)3.6H2O و ZrOCl2.8H2O محـصول شـركتMerck، از حلال ايزوپروپانول و عامل هيدروليزكننده آمونياك، محصول شركتLOBAChemie ، به عنوان مواد اوليه استفادهگرديد.
در مرحله اول، بر اساس وزن محصول موردنظر، محلول شفاف 2/0 مولار از حلال و نمكهاي سريم و زيركونيوم تهيه شد. بعـداز اخ تلاط اين دو محلول و تشكيل محلول مخلوط شفاف، آمونياك رقيق شده با نسبت معين، (به محلول درحال هم خـوردن بـاهمزن مغناطيـسي بـا دورrpm 500، بـه منظـور تـشكيل رسـوب هيدروكـسيدهاي 4+Ce و 4+Zr اضـافه گرديـد. pH در طـول رسوبدهي 10-9 تنظيم گرديد. به منظور تكميل فرآيند تشكيل رسوب، رسـوب ژل ماننـد، 24 سـاعت در حالـت سـكون قـرار گرفت. در مرحله بعد رسوب حاصله، يك مرتبه با آمونياك رقيق شده با ايزوپروپانول و چهار مرتبه با ايزوپروپانول به منظور حذفآنيون هاي موجود، مورد شستشو قرار گرفت. عمليات خشك كردن 24 ساعت در دماي ºC90 انجام شـد. نهايتـ اً رسـوب خـشكشده تحت سايش با هاون قرار گرفت و در دمايºC 500 به مدت 1 ساعت كلسينه گرديـد. پـودر بدسـت آمـده در ايـن مرحلـه(0%)Ce-TZP نامگذاري گرديد. در مرحله دوم براي تهيه پودر زيركونيايي حاوي 10%وزني نانو ذرات زيركونيـا، در ابتـدا جهـتكاهش آگلومره هاي موجود در پودر كلسينه شدهي مرحله اول، عمليات آلتراسونيك انجام شد و بعد پودر حاصـله در حـين سـنتزهمرسوبي قبل از مرحله رسوبدهي به مخلوط محلولها افزوده شده و به مدت يك سـاعت بـا حـداكثر دورrpm 800 مخلـوطگرديد. ادامه عمليات سنتز مشابه توضيحات مرحله اول ميباشد. پودر حاصله از مرحله دوم نيـز (10%)Ce-TZP نامگـذاري شـد.
جهت بررسي فازهاي موجود در نمونه كلسينه شده از آناليز XRD با پرتو Cu kα با طول موج 54/1 آنگـستروم (مـدل Philips
2 شماره
Expert) و به منظور تعيين اندازه ذرات، توزيع اندازه ذرات، ريزساختار و دمـاي تبلـور بـه ترتيـب از تكنيـكهـايBET (مـدل
(Shimadzu50 مـدل) DTA و (VEGA\TESCAN مـدل) SEM ،(Malvern4.6 مدل) DLS ،(Mlcromertlcs 2375 .استفاده گرديد
با استفاده از قالب فولادي استوانهاي، با قطر داخليcm 1، قطعات ديسكي شكل، در فشارهاي 400 تاpsi 800، توسـط دسـتگاهپرس هيدروليك تك محوره، تهيه گرديد. دانسيته خام نسبي با استفاده از روش حجمي محاسبه شد.
3- نتايج و بحث
به منظور بررسي تحولات فازي، پودر خام حاصله، تحت آزمون DTA، در بازه دمايي 50 تا ºC500 با نرخ گرمايشيºC/min 10 قرار گرفت. با توجه به شكل (1)، پيك گرماگير در محدوده دمايºC 92، بيانگر خروج گروههاي هيدروكسيل با باندهاي ضعيف و يا مولكولهاي آب موجود كه از طريق اتمسفر جذب سطحي شدهاند ميباشد. 2 پيك گرمازا در محدوده دمـايي266 و ºC454 نشان دهنده سوختن ايزوپروپانول (پيك اول) و تبديل فاز آمورف به بلوري (پيك دوم) هستند.

شكل 1- نمودار DTA با نرخ گرمايشي ºC/min10، الف) نمونه (0%) Ce-TZP و ب) (10%)Ce-TZP .
بررسي نوع فاز ايجاد شده در دماي ºC500 توسط آناليز نرمافزاري X Pert High Score نـشان داد، پيـكهـاي موجـودمطابق الگوي پراش اشعه ايكس كارت، بـا شـماره مرجـع (1089- 5): JCPDS(S)، مشخـصهي حـضور فـاز زيركونيـاي تتراگونال هستند.

شكل 2- الگو ي پراش اشعه ايكس نمونههاي، الف) (0%) Ce-TZP، ب) (10%) Ce-TZP در دماي ºC500 به مدت 1 ساعت.
بدليل مشابهت دو پودر، جهت اثبات وجود بلورك، ذره اوليه و آگلومره، آزمون هايBET ،XRD و DLS فقط براي نمونه پودري (0%) Ce-TZP انجام شد. متوسط انـدازه بلـورك هـاي ذرات كلـسينه شـده (0%) Ce-TZP، در دمـايºC 500 بـا استفاده از رابطه دباي-شرر و نرم افزار X Pert High Score، محاسبه شد و برابر با dx= 10/6nm بدسـت آمـد . م يـانگين اندازه ذراتطبق فرمول (1)، با استفاده از آزمون اندازه گيري سـطح و يـژه (BET) پـودر (0%) Ce-TZP، برابـر nm 9/11، بدست آمد.
dBET 

T 6SBET (1)
dBET= اندازه ذرات (T ،(nm= دانسيته تئوري (3gr/cm) و SBET= سطح ويژه ذره (m2/gr)، كه در اين آزمـون برابـر (m2/gr) 80 حاصل شد. با مقايسه بين dx و dBET، بدليل بزرگتر بودن اندازه ذرات حاصل از آزمون BET، اندازه حاصله مربوط بـه انـدازه ذره اوليهها ميباشد. همچنين بررسي نتايج حاصل از آزمون توزيع اندازه ذرات با پراكنش نور ليزر (DLS)، (شـكل (3))، تـشكيل آگلومره، با متوسط اندازه nm417 را، تاييد مينمايد. لذا با توجه به نتايج، هر 3 ساختار بلورك، ذره اوليه و آگلـومره در پودرهـا ي حاصل از سنتز مشاهده گرديد.
متوسط اندازه بلورك بدست آمده از آزمون XRD، براي نمونه (10%)Ce-TZP كلسينه شده در دمـايºC 500، برابـرnm 1/17 ميباشد. با توجه به اينكه دماي تبلور هر دو نمونه يكسان است، اينطور به نظر ميرسـد نـانو ذرات افـزوده شـده بعنـوان مراكـز جوانهزن ي ناهمگن عمل نموده لذا انرژ ي لازم برا ي جوانهزني، صرف رشد بلوركها شده است.

شكل 3- نمودار توزيع اندازه ذرات تركيب (0%) Ce-TZP.
در بررسي رفتار تراكمپذيري منحني دانسيته خام بر حسب لگاريتم فشار، 2 نقطه شكست Py1 و Py2مـشاهده گرد يـد. Py1 نقطـه تغيير آرايش و شكسته شدن ساختار آگلومره اي است و در Py2، آگلومرهها شكل اوليه خود را از دست دادهاند. لذا تغيير آرا يـش در ساختار داخل ي آنها رخ ميدهد و به هم فشردگ ي ذرات اوليه اتفاق ميافتد.

شكل 4- منحن ي دانسيته خام نسب ي بر حسب لگاريتم فشار، الف) (0%) Ce-TZP و ب) (10%) Ce-TZP.
در منحني دانسيته خام بر حسب لگاريتم فشار نسبت شيب نمودار در ناحيه سوم بـه شـيب نمـودار در ناح يـه دوم، بـا فـاكتور α،
( 3

A) مشخص ميشود كه بيانگر قابليت پرسپذيري است. 2A شيب منحني ناحيه دوم (بعد از تغيير آرا يـش و خـرد شـدن
A
2
آگلومرهها) و 3A شيب منحني ناحيه سوم (بعد از تغيير آرايش و يا به هم فشردگي ذرههاي اوليه) ميباشد. هر چقدر عـدد α، بـه صفر نزديكتر باشد بيانگر تراكم بهتر و متعاقباً وجود آگلومرههاي نرمتر اسـت [10]. محاسـبه α، 2 ترك يـب در جـدول (1)، آورده شده است.
جدول 1- محاسبه مقادير α، 2 تركيب (10 و 0%) Ce-TZP.
نمونه Ce-TZP (%0) Ce-TZP(%10)
α 0/08 2/86
بررسي اندازه بلوركها در تاييد تغيير شيب منحنيهاي لگاريتم فشار بر حسب دانسيته خام در ناحيه سوم، مـيباشـد . در مـواد بـا اندازه بلورك كوچك، اندازه ذره اوليه نيز كوچك خواهد بود [12]، لذا با افزايش سطح ذرات، نقاط تماس بين ذرات اول يـه ب يـشتر شده و اصطكاك بين آنها افزايش مييابد. با توجه به اينكه در ناحيه سوم، لغزش و تغيير آرايش مربوط بـه اجـزاء ذره هـاي اول يـه است لذا تغييرات دانسيته خام كمتر ميگردد. بنابراين با توجه بـه شـكل (4)، شـيب منحنـ ي ترك يـب (0%)Ce-TZP بـا انـدازه بلوركهاي nm6/10، نسبت به شيب منحني ترك يـب (10%)Ce-TZP بـا انـدازه بلـورك هـا ي nm 1/17، كمتـر شـده اسـت .
همچنين با توجه به نتايج جدول (1)، تركيب (0%) Ce-TZP از آگلومرههاي نرمتري نسبت به (10%) Ce-TZP برخوردار اسـت .
هر چه استحكام آگلومره كمتر باشد شكست آن آسانتر ميگردد و دانسيته تراكم افزايش مييابد. لـذا بـا در نظـر گـرفتن مقـادير دانسيتهها ي موجود در شكل (4)، چنين روند ي مشاهده ميشود؛
α Ce-TZP(%0)<α Ce-TZP(%10) و dgr.Ce-TZP(%10)<d gr.Ce-TZP(%0)
همچنين مورفولوژي (ريختشناسي) ذرات كلسينه شده در دمايºC 500، بدون انجام عمليات پخش كردن در محـيط الكلـ ي در شكل (5)، با بزرگنمايي 5 هزار برابر، نشان داده شده است. همانطوركه مشاهده ميگردد، آگلومرههاي با اندازه بـزرگ ، محـصول متراكم شدن آگلومرههاي كوچكتر ميباشند كه با بزرگنمايي 50 هزار برابر، در داخل شكل (5-ب)، مـشخص شـده اسـت . تعـداد آگلومرهها ي بزرگ، در نمونه (10%)Ce-TZP بيشتر ميباشد و با توجه به اينكه افزايش دانسيته، ناش ي از متراكم شـدن و شكـست آگلومرههاي نرمتر است، ميتوان نتيجه گرفت مقدار نيروي بيشتري براي شكست لازم ميگردد لذا خرد شدن آگلومرهها و تغيير دانسيته خام، در نمونه (10%) Ce-TZP كمتر اتفاق ميافتد.

شكل 5- مورفولوژ ي ذرات كلسينه شده قبل از پرس با بزرگنمايي 5 هزار برابر، الف) (0%)Ce-TZP، ب) (10%)Ce-TZP.
4- نتيجه گيري
در اين پژوهش پودر زيركونياي تتراگونال پايدارشده با سريا حاصل شد و پودرهاي سنتز شده بـه روش هـم رسـوب ي از 3 سـاختار بلورك، ذره اوليه و آگلومره تشكيل شدهاند. اندازه بلورك در پودر (10%)Ce-TZP، بزرگتر از پودر (0%)Ce-TZP مـيباشـد كـه نشاندهنده عملكرد نانو ذرات بعنوان مراكز جوانهزني ناهمگن بوده لذا انرژي لازم براي جوانهزني، صرف رشـد بلـورك هـا شـده است.
در بررسي منحني دانسيته خام نسبي بر حسب لگاريتم فشار، فاكتور α، براي نمونه (0%)Ce-TZPكـوچكتر از نمونـه (10%)Ce-TZP ميباشد كه نشاندهنده تراكمپذيري بهتر در نمونه (0%)Ce-TZP بود لذا افزايش دانسيته در ا يـن نمونـه ب يـشتر 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).


دیدگاهتان را بنویسید