بهبود خواص مکانیکی سرامیک‌ها به کمک فناوری نانو

پژوهشگران دانشگاه علم و صنعت ایران با همکاری محققان دانشگاه‌های EPFL سوئیس و استکهلم سوئد با بهره‌گیری از فناوری نانو، موفق به افزایش چقرمگی شکست بدنه‌های سرامیکی به میزان 3 برابر شدند. محصول معرفی شده خواص مکانیکی بسیار مطلوبی دارد و در صنایع پیشرفته هوافضا، الکترونیک و مهندسی پزشکی قابل کاربرد خواهد بود.

کد خبر: ۱۱۸۲۲۱۸

تاریخ: ۰۸ شهريور ۱۳۹۳ - ۱۲:۰۴

به گزارش گروه دانش خبرگزاری دانا (دانا خبر) با وجود ویژگی‌های منحصر به فرد سرامیک‌ها، تردی ذاتی آن‌ها همواره سبب بروز مشکلات فراوان به هنگام کاربرد در صنایع مدرن و سنتی شده است. استحکام کششی بالا، نسبت طول به قطر زیاد و سایر خواص شناخته شده‌ی نانولوله‌های کربنی، محققان را متقاعد به استفاده از این نانوساختارها، به عنوان عامل تقویت کننده در ساخت ترکیب‌های مختلف، جهت رفع معایب سرامیک‌ها نموده است. در این کار تحقیقاتی نیز تلاش شده است به کمک نانولوله‌های کربنی، عمده‌ترین ضعف سرامیک‌ها (تردی و کم بودن چقرمگی شکست) رفع شده و از سوی دیگر خواص دما بالای بدنه‌های زیرکونیایی نیز بهبود یابد.

سرامیک اصلاح شده به این روش، از ویژگی‌های چندگانه مفیدی نظیر خواص حرارتی، خواص الکتریکی و خواص زیست سازگازی مناسب برخوردار است. با تولید بدنه‌های سرامیکی به کمک روش پیشنهاد شده در این پژوهش می‌توان به مرتفع شدن مشکلات ایمپلنت‌های سرامیکی و دستگاه‌های حرارتی مورد استفاده در صنایع مختلف امیدوار بود.

به گفته مهدیار طاهری، کارشناس ارشد مواد و متالورژی از دانشگاه علم و صنعت ایران، افزایش چشم‌گیر چقرمگی شکست سرامیک به دلیل تأثیر همزمان حضور نانولوله‌های کربنی در زمینه و افزایش اندازه ذرات زمینه زیرکونیایی پایدار بوده است. این نانولوله‌ها در کسر حجمی بالا و در یک محیط خشک نیز پراکندگی مناسبی در ماتریس زیرکونیا دارند. بهبود خواص دما بالای این ترکیب و نیز پخت مناسب بدنه‌ها از دیگر نتایج مهم به دست آمده توسط این محققان به شمار می‌رود.

طاهری مراحل انجام این کار را این‌گونه تشریح کرد: «در ابتدا نانولوله‌های کربنی به کمک مخلوط کن توربیولا (Turbula) در زمینه سرامیکی پراکنده شد و به کمک روش نوین پلاسمای جرقه‌ای (SPS) پخت نمونه‌ها انجام گرفت. سپس نمونه‌های تولید شده به کمک دستگاه SEM و TEM مشخصه‌یابی شدند. در نهایت پس از پخت در دماهای مختلف، خواص مکانیکی در دمای محیط (تعیین چقرمگی شکست به روش مخروط فرورونده) ونیز دمای بالا (به کمک روش طیف سنجی مکانیکی) مورد ارزیابی قرار گرفت.

تصویر HR-TEM از نمونه زیرکونیایی حاوی 5 درصد وزنی نانولوله کربنی پخت شده در دمای 1500 درجه سانتی‌گراد

سازوکار افزایش چقرمگی شکست در حضور نانولوله‌های کربنی را می‌توان پل زدن نانولوله‌ها بر روی دهانه ترک و ممانعت از رشد ترک، بیرون کشیده شدن نانولوله از زمینه (عاملی بر مصرف انرژی ترک) و انحراف ترک (افزایش مسیر ترک و در نهایت افزایش چقرمگی) معنا کرد.

نتایج این کار تحقیقاتی که حاصل همکاری مهندس طاهری، دکتر گلستانی‌فرد، دکتر رضایی- اعضای هیأت علمی دانشگاه علم و صنعت ایران- و همچنین دکتر مظاهری- از دانشگاه استکهلم سوئد و دکتر شالر- از دانشگاه EPFL سوئیس است، در مجله‌ی Ceramics International (جلد 40، شماره 2، ماه مارس، سال 2014، صفحات 3347 تا 3352) منتشر شده است.