برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۰۱/۱۶ تا ۱۳۹۹/۰۱/۲۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۲,۱۲۲
  • بازدید این ماه ۴۰
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۳۲۱
  • قبول شدگان ۲۴۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۴۵
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۱
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 2

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

مکانیزم‌ها و مراحل تفجوشی

همانطور که در مقاله گذشته اشاره شد، تفجوشی به عنوان یک روش حرارتی فرایندی جهت تولید مواد نانوساختار، از ماده اولیه پودری 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 حین تولید قطعه چگال با قرار دادن نمونه خام در دمای بالا مکانیزم ها و مراحل مختلفی رخ می دهد که در مبحث حاضر به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت.

1- مقدمه
همانطور که اشاره شد تف‌جوشی یا سینتر یکی از مهمترین روش‌های شکل‌دهی مواد فلزی و سرامیکی است که در آن ماده اولیه پودری، 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. همچنین نیروی محرکه برای تفجوشی و نفوذ جهت پرکردن خلل وفرج موجود در ساختار، کاهش انرژی سطحی بیان گردید.
جهت تبدیل نمونه پودری به یک قطعه با استحکام مناسب و خواص مورد نطر، مکانیزم‌هایی در دمای بالای کوره اتفاق می‌افتد و این باعث بروز مراحلی در حین پروسه تف‌جوشی می‌شود که در این مقاله به آن ها خواهیم پرداخت.

2- مکانیزم‌های تف‌جوشی
فرایند تفجوشی مواد پلی کریستال توسط انتقال ماده از طریق مسیرهای مختلف انجام می‌شود که مکانیزم های تف‌جوشی را شامل می‌شود. مسیر انتقال ماده از نواحی با پتانسیل شیمیایی بالاتر به نواحی با پتانسیل شیمیایی خواهد بود. به طور کلی حداقل شش مکانیزم در تف‌جوشی مواد پلی کریستال وجود دارد که در شکل 1 آورده شده است. این مکانیزم‌ها شامل نفوذ سطحی (Surface Diffusion)، نفوذ شبکه‌ای (Lattice Diffusion) از مرز دانه و از سطح، انتقال گاز (Vapor Transport)، نفوذ مرزدانه ای (Grain Boundary Diffusion) و تغییر شکل پلاستیک (Plastic Flow) می‌باشند. مکانیزم های تف جوشی باعث تشکیل اتصالات شیمیایی بین ذرات پودری شده و بنابراین استحکام نمونه خام، پودرهایی که تحت فشرده سازی سرد قرار گرفته است، در حین پروسه تف‌جوشی افزایش می‌یابد. با این وجود تنها تعدادی از این مکانیزم‌ها باعث انقباض یا چگالش ترکیب پودری می‌گردد. بنابراین می‌توان مکانیزم‌های تف‌جوشی را به دو دسته مکانیزم‌های چگالشی و مکانیز‌های غیر چگالشی تقسیم‌بندی کرد. بر این اساس مکانیزم هایی مانند نفوذ سطحی، نفوذ شبکه‌ای از سطح و انتقال گاز که باعث اتصالات شیمیایی شده ولی نقشی در چگالش پودر ایفا نمی‌کنند در دسته مکانیزم های غیر چگالشی؛ و مکانیزم‌هایی مانند نفوذ مرزدانه ای، نفوذ شبکه ای از مرزدانه و تغییر شکل پلاستیک که هم باعث اتصالات شیمیایی شده و هم چگالش پودرها را باعث می‌شوند، در دسته مکانیزم‌های چگالشی قرار می‌گیرند.
filereader.php?p1=main_5f2b9323c39ee3c86
 
شکل1- مکانیزم های فرآیند تف‌جوشی مواد پلی کریستال[1]



3- مراحل تف‌جوشی
جهت تهیه یک قطعه چگال در حین فرایند تف جوشی در دمای بالا مراحلی رخ می‌دهد. مراحل تفجوشی را می توان بصورت خلاصه چنین بیان نمود:

1-3- ایجاد پیوند اولیه بین ذرات پودر(Initial Bonding among Particles)
بیشترین تغییر در میزان استحکام، نه بیشترین استحکام، در این مرحله رخ می دهد، ولی انقباضی در ساختار اتفاق نمی افتد. قطعاتی که نیاز باشد دارای خلل وفرج بالا باشند فرایند تف جوشی آن ها در همین مرحله متوقف می شود. پیوند بین ذرات در این حالت در نقاطی که در تماس کامل با یکدیگر می باشند اتفاق می افتد[2].

2-3-رشد گلوگاه (Neck Growth)
در این مرحله شعاع انحنای گلوگاه، اتصال شیمیایی بین ذرات که به صورت گلوگاه است، تشکیل شده بین ذرات شروع به افزایش می کند . شکل 2 مراحل 1 و 2 تفجوشی را بصورت شماتیک نشان می دهد. در این شکل در مرحله ابتدا پیوند بین دو ذره ابتدا ایجاد می گردد، و در مرحله دوم این اتصال رشد می‌کند.


filereader.php?p1=main_5890595e16cbebb88
شکل 2– شبیه سازی مرحله اول و دوم تفجوشی به کمک دو گلوله شیشه ای در دمای 1000 درجه سانتیگراد[2]


مکانیزمهای مختلفی درمورد انتقال ماده در این مرحله مورد توجه قرار گرفته است. این مکانیزم ها به صورت خلاصه در جدول 1 آورده شده است.


جدول1 – مکانیزم های حاکم بر تفجوشی در مرحله رشد گلوگاه[2]
filereader.php?p1=main_ce499dea30cfce118



3-3- بسته شدن شبکه حفره ها(Pore Channel Closure)
بطور کلی حفرات درون ساختار را می توان به دو دسته تقسیم نمود:
حفرات مرتبط(Interconnected Pores): در این حالت هنوز ارتباط بین حفرات باقیمانده در سیستم از بین نرفته است و این حفرات کماکان در ارتباط هستند.
حفرات منفرد(Isolated Pores): در این حالت حفرات بصورت نقاط مجزا در ساختار وجود دارد و ارتباط آن ها از بین رفته است.
در این مرحله در اثر انجام مکانیزم های نفوذی حفرات از حالت مرتبط به منفرد تبدیل می شوند.

4-3- مدور شدن حفرات (Pore Rounding)
همانطور که مشخص است حفرات با شکل های مختلف دارای انرژی های متفاوتی هستند که این موضوع به دلیل سطح ویژه متفاوت آن ها می باشد. در این میان حفرات کروی به دلیل سطح حداقلی خود دارای کمترین انرژی می باشند. در این مرحله در اثر کاهش انرژی سطحی، شکل حفرات از حالت غیر منظم به حالت گرد تبدیل می شود.

5-3- چگالش یا انقباض حفره ای (Densification or Pore Shrinkage )
در این مرحله حفرات شروع به از بین رفتن می کنند. مسئله ای که در اینجا بسیار حایز اهمیت است، محل قرار گرفتن حفره جهت انجام فرآیند انقباض است. از سوی دیگر مرزدانه بعنوان یک مسیر مناسب جهت انجام فرآیند نفوذ مطرح می باشد و از بین رفتن حفرات در اثر فرآیند نفوذ وقتی بخوبی انجام می گیرد، که حفرات در مرزدانه حضور داشته باشند. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، وقتی حفره ای در مرزدانه قرار دارد، انتقال ماده جهت انقباض آن نه تنها از طریق مرزدانه بلکه از درون دانه نیز انجام می پذیرد. از طرف دیگر انقباض و انتقال ماده یک فرآیند هم جانبه خواهد بود. این در حالیست که در صورت حضور حفره در درون دانه، انقباض آن از هم طرف یکسان نخواهد بود. جدا شدن حفرات از مرزدانه در اثر تحرک بالای آن نه تنها موجب باقیماندن حفرات در ساختار می شود، بلکه موجب عدم رسیدن به دانسیته های بالا در پایان تفجوشی خواهد شد.


filereader.php?p1=main_bd11537f1bc31e334
شکل 3– تأثیر جدا شدن یک حفره از مرزدانه و تفاوت مسیر نفوذی در انقباض آن (شکل a : حفره جدا از مرزدانه و نفوذ از درون دانه، شکل b : حفره متصل به مرزدانه و نفوذ از درون دانه و خود مرزدانه)[2] 


همانطور که می دانیم یکی از پدیده های مرسوم که هنگام بالا رفتن دما برای تمام مواد پلی کریستال رخ می دهد پدیده رشد دانه است. بزرگ شدن دانه ها خواص مکانیکی مواد را تضعیف می نماید. بنابراین در تمام فرآیندهای تولید جلوگیری از رشد دانه از اهمیت بسیار بالایی برخوردارست. بنابراین هر عاملی که بتواند تحرک مرز دانه یا Mobility آنرا کمتر نماید، می تواند با جلوگیری از رشد دانه در بهبود خواص مکانیکی سودمند باشد. وجود حفرات و همچنین ناخالصی ها با نیروی بازدارنده ای که به مرز وارد می نمایند تحرک آنرا تا حد زیادی کاهش می دهند[2].

اگر میزان تحرک مرزدانه را با Mb نمایش دهیم و نیروی محرکه حرکت آنرا برابر F در نظر بگیریم آنگاه سرعت حرکت مرزدانه از رابطه زیر تبعیت می نماید.

filereader.php?p1=main_cda522d4353b166cc

هنگامیکه تعداد N عدد حفره در واحد سطح مرزدانه به آن متصل باشند و نیرویی که به مرزدانه وارد می کنند برابر Fp باشد، آنگاه می توان در مورد سرعت حرکت مرزدانه چنین بیان نمود:

filereader.php?p1=main_8c6d22ff6f63fc671

از آنجا که اتصال حفره و مرزدانه به معنی برابر بودن سرعت حرکت ایندو است ، بنابراین داریم:

filereader.php?p1=main_5c108ce0fe89d0632

بر این اساس میزان تحرک مرزدانه بر اساس رابطه زیر کاهش می یابد:

filereader.php?p1=main_8717ce4dfdc86a4b5

در مورد این رابطه می توان چنین اظهار نمود که اگر NMb>>Mp باشد، آنگاه میزان تحرک مرزدانه از رابطه MNET=Mp/N تبعیت می نماید، که تابع تعداد حفرات متصل به مرز است. در حالت دیگر اگر NMb<<Mp نیروی اعمالی از سوی حفرات بر مرزدانه قابل صرفنظر بوده و MNET=Mb خواهد بود. در این حالت حفرات، دیگر نقشی در تحرک مرزدانه ندارند. عامل تعیین کننده در این حالت نیروی بازدارنده ای است که از سوی اتمهای حل شده و ناخالصی ها به مرزدانه وارد می شود. حالت دیگری نیز وجود دارد که تحرک مرزدانه از حفره آنقدر بیشتر است، که مرزدانه براحتی از حفره جدا می شود و حفره بدرون دانه می رود. بر اساس مطالب گفته شده نقشه مربوط به اتصال یا عدم اتصال حفره به مرزدانه در شکل 4 آمده است[2].


filereader.php?p1=main_905ad4f16a809a8f8
شکل 4– نقشه حفره- مرزدانه جهت پیش بینی جدایش یا عدم جدایش حفره از مرزدانه[2] 


این نقشه شدیداً تابعی از میزان حفرات و همچنین درصد ناخالصی موجود در سیستم می باشد. بر طبق این نقشه، اساس جدایش حفرات از مرزدانه، اندازه دانه و اندازه حفره می باشد. هنگامی که اندازه حفرات به نسبت اندازه دانه بزرگ باشد، حفرات بصورت متصل به مرز باقی می مانند و می توان اظهار نمود که عامل مؤثر در کند شدن حرکت مرزدانه همان حفرات می باشد(Pores attached, Pore drag). اما اگر حفرات به نسبت دانه کوچک باشند، آنگاه وجود یا عدم وجود این حفرات تأثیری در تحرک مرزدانه ندارد و تنها ناخالصیهای موجود درسیستم حرکت مرز دانه را کند می کنند. در این حالت نیز حفرات بصورت متصل باقی خواهند ماند(Pores attached, Solute drag). درحالت سوم اگر اندازه حفرات و دانه ها به یک نسبت بزرگ باشند، جدایش بین حفره و مرزدانه رخ خواهد داد، که مطلوب نیست(Pores Separate, Solute drag). اندازه حفرات و اندازه دانه نباید به این منطقه بحرانی برسد، در غیر اینصورت چگالش در حین تفجوشی بخوبی انجام نمی گیرد.

با افزایش دانسیته ماده در حین تفجوشی و افزایش اندازه دانه ها در سیستم امکان تحرک آنها افزایش یافته و امکان جدایش جدایش حفرات از دانه ها بیشتر می شود. نقشه شکل5 رسیدن به مرز جدایش بین حفرات و مرزدانه را نشان می دهد. مسیر نشان داده شده در شکل مسیر افزایش اندازه دانه ها برحسب دانسیته می باشد[2].


filereader.php?p1=main_c6b1847fa30bd92ff
شکل5- جدا شدن حفرات از مرزدانه با زیاد شدن دانسیته و افزایش اندازه دانه ها در سیستم آلومینا با مقادیر اندکی منیزیم (مسیر نشان داده شده مسیر انجام فرآیند تفجوشی است) خطوط نقطه چین مربوط به عدم حضور ناخالصی در سیستم است[2]


برای جلوگیری از عدم جدایش حفرات از مرزدانه دو راه وجود دارد[2]:
1- در بسیاری از موارد برای کم کردن سرعت حرکت مرزدانه و جلوگیری از رشد دانه، ناخالصیهایی در حد ppm به سیستم افزوده می شود تا با کم کردن تحرک مرزدانه از جدایش حفرات از مرزدانه جلوگیری کنند. بعنوان مثال در مورد سیستم آلفا- آلومینا اضافه کردن مقادیر جزئی MgO ، SiO2 ، Y2O3 و یا ZrO2 می تواند علاوه بر ریز کردن دانه بندی نهایی در رسیدن به دانسیته های بالا نیز مؤثر باشد.

2- با افزایش سرعت گرم کردن، پیش از افزایش نرخ رشد دانه، چگالش را در قطعات ایجاد نماییم. شکل 6 این تأثیر را بخوبی نشان می دهد.


filereader.php?p1=main_53453c482d4d75c2f
شکل6 – تأثیر افزایش سرعت گرم کردن در حین تفجوشی و رسیدن به دانسیته های بالا با دانه بندی ریز در سیستم آلومینا[2]



6-3- بزرگ شدن حفرات (Pore Coarsening)
در این مرحله حفرات بزرگ به قیمت از بین رفتن حفرات کوچکتر بزرگتر شده و تعداد زیاد حفرات ریز و پراکنده به تعداد کم حفرات درشت بدل می شوند. این موضوع به دلیل تمایل ماده به کم کردن انرژی خود از طریق کاهش سطح حفرات باقی مانده می باشد.

شکل 7 تصویر میکروسکوپی یک نمونه در مراحل اولیه، مراحل میانی و مراحل پایانی تف‌جوشی نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود با پیشرفت فرایند تف‌جوشی، میزان تخلخل در ساختار کاهش یافته و اتصال شیمیایی بین ذرات ایجاد می‌گردد.


filereader.php?p1=main_d8db410ef2444bf4b
شکل 7- تصویر میکروسکوپی یک نمونه در: (a) مراحل اولیه، (b) مراحل میانی و (c) مراحل پایانی تف‌جوشی[1]


4- نتیجه گیری
  • مکانیزم‌ها شامل نفوذ سطحی (Surface Diffusion)، نفوذ شبکه‌ای (Lattice Diffusion) از مرز دانه و از سطح، انتقال گاز (Vapor Transport)، نفوذ مرزدانه ای (Grain Boundary Diffusion) و تغییر شکل پلاستیک (Plastic Flow) می‌باشند که برخی از آنها مکانیزم‌های چگالشی و برخی دیگر مکانیزم‌های غیر چگالشی می‌باشند.
  • مراحل تف‌جوشی شامل ایجاد پیوند اولیه بین ذرات پودر، رشد گلوگاه، بسته شدن شبکه حفره ها، مدور شدن حفرات، چگالش یا انقباض حفره ای و بزرگ شدن حفرات می‌باشد.

منابـــع و مراجــــع

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

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.

نظرات و سوالات

نظرات

0 0

حسن مستجاب الدعوه - ‏۱۳۹۳/۱۱/۲۴

مباحث بیان شده برای پدیده های زینتر بسیار جالب و کامل بودند. اما بهتر بود در مورد شش مکانیزم انتقال ماده و اثر هر یک بیشتر توضیح داده می شد.

اگر به اندازه های موجود در نمودارها توجه شود می بینید که کلیه مباحث بیان شده مربوط به مقیاس میکرومتر است و می دانیم که برخی از این مباحث در مقیاس نانو دچار تغییراتی می شوند که باید به آنها نیز اشاره می شد.