برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۰۶/۲۹ تا ۱۳۹۹/۰۷/۰۴

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۴۲,۲۶۹
  • بازدید این ماه ۱۰
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۴۴۰
  • قبول شدگان ۳۳۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۸۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

تفجوشی؛ تولید قطعه نانوساختار از ماده اولیه پودری

در این مقاله به بررسی روش حرارتی تفجوشی به عنوان روشی جهت تولید مواد نانوساختار، از ماده اولیه پودری پرداخته خواهد شد. تف‌جوشی یا سینتر یکی از مهمترین روش‌های شکل‌دهی مواد فلزی و سرامیکی می‌باشد. در این روش ابتدا ماده اولیه، که به صورت پودر است، را پرس کرده و در کوره می‌گذارند و در نتیجه قطعه حجیم با استحکام مناسب از ذرات پودر بدست می‌آید. در مبحث حاضر به بررسی انواع تفجوشی، فاکتورهای موثر بر فرآیند تفجوشی، نیروی محرکه تفجوشی و فرآیند‌های چگالش در دمای بالا و با اعمال فشار پرداخته خواهد شد.

1- مقدمه

تف‌جوشی یا سینتر یکی از روش‌های شکل‌دهی مواد فلزی و سرامیکی است. در این روش ابتدا ماده اولیه، که به صورت پودر است، را پرس کرده و در کوره می‌گذارند. در دماهای بالای کوره، نفوذ اتمی تشدید شده و اتمهای ذرات مجاور در یکدیگر نفوذ کرده و ذرات را به هم می‌چسبانند. در نتیجه قطعه حجیم با استحکام مناسب از ذرات پودر بدست می‌آید.
جهت ایجاد پیوند بین ذرات پودری و تهیه یک نمونه یکپارچه و رساندن دانسیته آنها به بالاترین میزان خود و بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی، انجام عملیات تفجوشی در دما و زمان بهینه از اهمیت فوق العاده‌ای برخوردارست. نیروی محرکه برای تفجوشی و نفوذ جهت پرکردن خلل وفرج موجود در ساختار، کاهش انرژی سطحی است.
ایجاد پیوند بین ذرات پودری، تغییر ابعاد قطعه در اثر انقباض های ناشی از کاهش اندازه و تعداد حفرات، آزاد شدن تنشهای داخلی، تغییر فاز (مانند تفجوشی حالت مایع) و همچنین انجام واکنشهای شیمیایی وقایعی است که در حین تفجوشی رخ خواهد داد. بطور کلی تفجوشی را می توان به دو صورت انجام داد:
filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
شکل 1- a) تفجوشی حالت مایع b) تفجوشی حالت جامد[1].

2- فاکتورهای مؤثر در تفجوشی فاز جامد
عوامل مؤثر بر تفجوشی در فاز جامد عبارتند از:

1-2- دما: عامل اصلی انجام فرآیند تفجوشی دماست، بالا رفتن دما موجب تسریع فرآیندهای نفوذی می گردد. اما از طرف دیگر هزینه تولید را نیز بالاتر خواهد برد. میزان فشردگی نمونه خام و همچنین مقدار و نحوه توزیع حفرات، در انتخاب بهترین دمای تفجوشی تأثیر بسزایی دارد.

2-2- زمان: زمان تفجوشی در ساختار نهایی تأثیر شدیدی دارد. کوتاه کردن زمان تفجوشی در یک حد بهینه علاوه بر پایین آوردن هزینه های تولید، همانطور که در قسمت قبل نیز توضیح داده شد، از رشد دانه جلوگیری می کند و مانع از جدا شدن حفرات از مرزدانه ها می شود.

3-2- دانسیته خام: هرچه دانسیته خام قطعات اولیه بالاتر باشد، تفجوشی نیز در دما و زمان کمتری منجر به ایجاد قطعاتی با بهترین دانسیته نهایی می گردد. بطور کلی روش تولید در رسیدن به یک دانسیته خام بالا بسیار مؤثر است.

4-2- همگنی ساختار خام اولیه: هرچه حفرات موجود در سیستم و همچنین افزودنیهایی که به عنوان کمک سینتر به سیستم افزوده می شوند بصورت یکنواخت تر در ساختار پراکنده شوند، نتایج بهتری حاصل خواهد شد. حضور اگلومره ها می تواند یکنواختی سیستم را به شدت تحت تأثیر قرار داده و موجب بجا ماندن حفرات درشت در ساختار گردد.

5-2- اتمسفر تفجوشی: اتمسفر تفجوشی را از دو جنبه فشار و ترکیب می توان مورد بررسی قرار داد. انتخاب مناسب اتمسفر کوره علاوه بر اینکه از انجام واکنشهای شیمیایی نامطلوب جلوگیری می کند و در بعضی موارد موجب خروج بعضی ناخالصیها از سیستم می شود، می تواند از لحاظ فشاری نیز فرآیند تبخیر و چگالش را درحین تفجوشی تحت تأثیرمثبت قرار داده و موجب بهبود خواص قطعه نهایی گردد. اما اتمسفرهای شامل گازهای غیر قابل حل نظیر نیتروژن (یا هوا)، آرگون و یا هلیوم می تواند با ایجاد فشار داخلی در حفرات و بالا بردن فشار درونی، از نیروی محرکه انقباض آن کاسته موجب عدم توانایی در رسیدن به دانسیته های بالا شود[2].

6-2- ناخالصی: درصد مناسب ناخالصی جهت جلوگیری از رشد دانه و همچنین جدایش حفرات از مرزدانه ها می تواند سودمند باشد. بسیاری از ناخالصی ها از درشت شدن حفرات نیز در مرحله آخر جلوگیری می نمایند.

7-2- نحوه انجام تفجوشی: از نظر اعمال یا عدم اعمال نیرو به یک قطعه جهت تولید قطعاتی با دانسیته بالا می توان روش های تفجوشی را به دو نوع تقسیم نمود :

1-7-2- تفجوشی بدون فشار: در این روش که بسیار ارزانقیمت نیز می باشد، هیچگونه فشار مکانیکی در حین  تفجوشی به نمونه اعمال نمی شود. در این حالت نیروی محرکه جهت کاهش حفرات تنها همان کاهش انرژی سطحی است.

2-7-2- تفجوشی تحت فشار: در این حالت در حین تفجوشی به نمونه فشاری اعمال می شود، تا فشار اعمالی نیز بعنوان نیرو محرکه، فرآیند چگالش را بهبود بخشد.

امروزه روشهای غیر مرسومی نظیرتفجوشی به کمک امواج مایکروویو و تفجوشی به کمک جرقه پلاسمایی نیز وارد عرصه تفجوشی شده اند [3].

3- نیروی محرکه تف جوشی
همانند بسیاری از فرآیند های برگشت ناپذیر، تف جوشی نیز با کاهش انرژی آزاد سیستم همراه است. منابعی که باعث کاهش انرژی آزاد می شود را غالبا نیروی محرکه فرایند تف جوشی می نامند. سه نوع متفاوت از نیروهای محرکه موجودند که عبارتند از تقعر سطحی، فشار اعمالی و واکنش شیمیایی

1-3- تقعر سطحی
در غیاب نیروهای محرکه دیگر تقعر سطحی ذرات به عنوان نیروی محرکه تف جوشی شناخته می شود. برای درک بهتر مطلب یک مول از ماده که شامل ذرات کروی به شعاع a می باشد را در نظر می گیریم. تعداد ذرات عبارتند از:

filereader.php?p1=main_cda522d4353b166cc

در اینجا ρ دانسیته ذرات، M وزن مولکولی و Vm حجم مولی می باشد. مساحت سطحی سیستمی از ذرات عبارتند از:
filereader.php?p1=main_8c6d22ff6f63fc671

اگر γsv انرژی مخصوص سطحی ذرات بر واحد سطح باشد، بنابراین انرژی آزاد سطحی ذرات عبارتند از:
filereader.php?p1=main_5c108ce0fe89d0632
در حقیقت Es نشان دهنده میزان کاهش انرزی آزاد سطحی سیستم، هنگامی که یک جسم با دانسیته تئوری از یک مول از ذرات تشکیل می شود و نیروی محرکه ای برای تف جوشی خواهد بود. البته این محاسبات با عدم در نظر گرفتن انرژی مربوط به مرزدانه انجام شده است و در مواد چندبلور مرزدانه نیز باید در نظر گرفته شود.

2-3- فشار اعمالی
در غیاب واکنش های شیمیایی، فشار خارجی اعمالی عموما بزرگترین سهم را در نیروی محرکه تف جوشی، هنگامی که فشار به قسمت اعظمی از نمونه هنگامی که در دمای لازم برای تف جوشی است اعمال می شود، فراهم می کند. تقعر سطحی را نیز در این مورد می توان به عنوان نیروی محرکه حساب کرد ولی در بسیاری موارد مقدار آن بسیار کم است. برای یک مول از ذرات کار انجام شده روی سیستم با رابطه زیر تقریب زده می شود.

filereader.php?p1=main_44379f2b1a5611f62

در این رابطه Pa فشار اعمالی و Vm حجم مولی می باشد. W نیز به عنوان نیروی محرکه برای چگالش به دلیل اعمال نیروی خارجی مطرح می باشد.

3-3- واکنش شیمیایی
واکنش شیمیایی نیز می تواند به عنوان نیروی محرکه فرآیند تف جوشی به حساب آید اگر بتواند به چگالش پودر کمک کند. تغییرات انرژی آزاد هنگام انجام واکنش شیمیایی عبارتند از:
         filereader.php?p1=main_e1b8054c9cdd622c9

در واکنش بالا R ثابت گازها (8.314JK-1mol-1) و T دمای مطلق و Keq ثابت تعادلی واکنش می باشد. این کاهش در انرزی آزاد به مراتب بزرگتراز حالت اعمال فشار می باشد. در عمل واکنش شیمیایی به ندرت در فرآیند چگالش پودر سرامیک های مدرن مورد استفاده قرار می گیرد و این به دلیل عدم کنترل ساختاری سرامیک ها، هنگامی که واکنش شیمیایی همراه تف جوشی اتفاق می افتد، می باشد.
در شکل 2 شماتیکی از نیروهای محرکه فرآیند تف جوشی نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_5890595e16cbebb88
شکل 2- شماتیکی از نیروهای محرکه فرآیند تف جوشی [3].

4- چگالش در دمای بالا و با اعمال فشار
اگر چه در متراکم سازی پودرهای سرامیکی به روش های مختلف و سپس تف جوشی آنها بدون اعمال فشار حین حرارت دهی ازجمله متداولترین روشهای شکل دهی و چگالش سرامیک ها محسوب می شوند، اما در مواردی به منظور بهبود خصوصیات مکانیکی قطعات تولید شده و یا دستیابی به ریز ساختارهای خاص، مثلاً ساختارهای نانومتری، لازم است از اعمال فشار حین فرآیند تف جوشی به منظور تسهیل نمودن مکانیزم های چگالش و کاهش دما و یا زمان این فرآیند استفاده نمود. اعمال فشار حین عملیات حرارت دهی و تف جوشی قطعات متراکم شده از ذرات پودر به منظور تسهیل و کمک به مکانیزمهای چگالش و در نتیجه کاهش دمای تف جوشی و یا زمان آن برای رسیدن به ساختارهایی کاملاً چگال با اندازه دانه های کوچک صورت می پذیرد.

فرآیندهایی که در آنها تف جوشی قطعات درحضور فشار خارجی صورت می گیرد، عمدتاً به سه دسته مستقل تقسیم می شوند که عبارتند از فشردن گرم (Hot Pressing یا HP)؛ فشردن هم جانبه در دمای بالا (Hot Isostatic Pressing یا HIP)؛ و فشردن خارج از قالب و در دمای بالا (Sinter Forging یا SF). در ادامه هر یک از روشهای مذکور مورد بررسی و ارزیابی قرار خواهند گرفت.

1-4- فشردن گرم (Hot Pressing یا HP)
در فرآیند فشردن گرم HP، فشار بصورت تک محوری بر مجموعه ذرات پودری که قبلاً به روشی شکل دهی شده اند یا در حال شکل دهی هستند، در درون قالب و حین عملیات حرارت دهی و تف جوشی اعمال می گردد. با انجام این عملیات دمای تف جوشی قطعات سرامیکی حداقل 200-100 درجه سانتی گراد کاهش یافته و دسترسی به دانسیته هایی کاملاً نزدیک به دانسیته تئوری در زمان کوتاه میسر می گردد. بدین ترتیب قطعاتی تولید می گردند که به مراتب دارای خصوصیات مکانیکی و فیزیکی (گذردهی نور و هدایت الکتریکی) برتری بوده و بخصوص برای قطعات سرامیکی درصد اطمینان به عملکرد قطعه و تواناییهای آن (که در مورد سرامیکها بسیار حائز اهمیت می باشد) شدیداً افزایش می یابد. در هر حال این فرآیند نیز مانند اکثر فرآیندهای صنعتی دارای معایبی نیز می باشد که از آن جمله می توان به هزینه بالای آن و محدودیت در اشکال قابل کاربرد در این فرآیند اشاره نمود.

دستگاهی که با استفاده از آن عملیات فشردن در دمای بالا انجام می پذیرد، بطور کلی شامل یک پرس اصلی و کوره ای می باشد که بازوهای پرس و قالب را احاطه کرده و بطور کامل عایق بندی و از محیط اطراف ایزوله شده است. شکل 3 شماتیکی از دستگاه پرس گرم را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_bd11537f1bc31e334
شکل 3- شماتیکی از دستگاه پرس گرم[3].

2-4- فشردن هم جانبه در دمای بالا (Hot Isostatic Pressing یا HIP)
در فرآیند فشردن هم جانبه در دمای بالا، نمونه خام که از قبل تحت عملیات فشرده سازی سرد، و یا حتی تحت عملیات تف‌جوشی اولیه بدون حضور فشار، قرار گرفته است را محکم درون یک ظرف شیشه‌ای یا فلزی و در حضور خلا قرار داده و سپس این ظرف را وارد محفظه فشار همه جانبه کرده تا تحت فشار برابر از هر سوی قرار گیرد. در حین اعمال فشار، نمونه نیز باید در دمای مناسب قرار گرفته تا همزمان با اعمال فشار نمونه تحت فرآیند تف‌جوشی نیز قرار گیرد.

3-4- فشردن خارج از قالب و در دمای بالا (Sinter Forging یا SF)
سینتر فورج یا فورج گرم مانند فرآیند فشردن گرم است با این تفاوت که نمونه خام درون هیچ قالبی قرار ندارد. مطابق انتظار باید نمونه قبلا تحت عملیات فشرده سازی سرد قرار گرفته باشد ویا حتی تحت تف‌جوشی اولیه قرار گرفته باشد و دارای استحکام خام مناسبی باشد تا در حین انجام فرایند، شکل خود راحفظ کند. در این روش کرنش های بزرگتری نسبت به پروسه فشردن گرم به نمونه وارد می‌شود و بنابراین جهت ایجاد ساختارهای جهت دار روش بسیار مناسبی می باشد.

5- نتیجه‌گیری
  •  تف‌جوشی یا سینتر یکی از مهمترین روش‌های شکل‌دهی مواد فلزی و سرامیکی می‌باشد و در این روش ابتدا ماده اولیه، که به صورت پودر است، را پرس کرده و در کوره می‌گذارند و در نتیجه قطعه حجیم با استحکام مناسب از ذرات پودر بدست می‌آید.
  •  بطور کلی تفجوشی را می توان به دو دسته تفجوشی در حالت جامد و تفجوشی در حضور فاز مایع تقسیم‌بندی کرد.
  •  مهمترین پارامترهای موثر بر روی تفجوشی شامل دما، زمان، اتمسفر، حضور فشار و ... می‌باشند.
  • نیروی محرکه تف جوشی شامل تقعر سطحی، فشار اعمالی و واکنش شیمیایی می‌باشند.
  •  به منظور بهبود خصوصیات مکانیکی قطعات تولید شده و یا دستیابی به ریز ساختارهای خاص، مثلاً ساختارهای نانومتری، لازم است از اعمال فشار حین فرآیند تف جوشی به منظور تسهیل نمودن مکانیزم های چگالش و کاهش دما و یا زمان این فرآیند استفاده نمود. این فرآیندها شامل از فشردن گرم؛ فشردن هم جانبه در دمای بالا؛ و فشردن خارج از قالب و در دمای بالا است.

منابـــع و مراجــــع

1. Barsoum, M.W. (2003). Fundamentals of Ceramics, Department of Materials Engineering, Drexel University, USA.

2. Chiang, Y. M., Birnie, D. P., Kingery, W. D. (2007). Physical Ceramics Principles for Ceramic Science and Engineering, New York: John Wiley & Sons, Inc.

3. Rahaman, N.M. (2008). Sintering of Ceramics, New York: Plenum Press.

نظرات و سوالات

نظرات

3 0

حسن مستجاب الدعوه - ‏۱۳۹۳/۱۱/۲۴

مباحث بیان شده برای آشنایی اولیه با فرآیند زینتر (نه سینتر!! البته در فارسی) نسبتا خوب بودند اما من ارتباط آن با تولید نانو ساختارها را متوجه نشدم.

3 -2

فرانک منطقی - ‏۱۳۹۲/۱۲/۱۹

با تشکر بهتر بود عناوین بحث و عنوان اصلی را به انگلیسی در متن یا در واژه نامه می آوردید. چون بسیاری از این عناوین در مقاله ها و در نتیجه برای ما به انگلیسی جا افتاده است.