بررسی اثر دما بر ریزساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت سرامیکی فوق دما بالا ZrB2-SiC-TiC به روش SPS چند مرحله‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مواد - دانشگاه صنعتی اصفهان

2 دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، 8415683111، ایران

چکیده

زینتر ZrB2به دلیل ماهیت کووالانسی و دمای زینتر بالا با چالش مواجه است. بررسی تحقیقات قبلی نشان داد، حضور حداکثر 20% حجمی SiC در میان افزودنی‌های پیشنهاد شده ، موجب بهبود فرایند زینتر و خواص مکانیکی کامپوزیت پایه ZrB2 شده است. هدف پژوهش، ساخت و مشخصه‌یابی کامپوزیت سرامیکی فوق دمابالا پایه ZrB2-20 vol% SiC به روش SPS با تکنیک چندمرحله‌ای در دما های مختلف و بررسی اثر آن بر رفتار افزودنی‌ TiC و خواص مکانیکی کامپوزیت است. لذا اثر دما بر روی ریزساختار و خواص مکانیکی از دمای °C 1600 تا °C 1900 و فشار MPa 30 و افزودنی 10 درصد TiC بررسی شد. افزودن TiC تا 10% حجمی به کامپوزیت ZrB2-20 vol% SiC و زینتر آن در دمای °C 1800 و زمان ماند 5 دقیقه، به دلیل تشکیل محلول جامد (Zr,Ti)B2 و (Ti,Zr)C در زمینه و واکنش با اکسیدهای سطحی پودر ZrB2 نظیر ZrO2 و B2O3 منجر به افزایش 15% چگالی نسبی و بهبود خواص مکانیکی شامل سختی (14%)، مدول الاستیک (%12)، استحکام شکست (20%) و چقرمگی شکست (8%) شد؛ مقایسه نتایج این پژوهش نسبت به تحقیقات قبل نشان داد استفاده از SPS با تکنیک چندمرحله‌ای به جای SPS تک‌ مرحله‌ای موجب کاهش دما و زمان ماند جهت رسیدن به تراکم بالای 99% شد. همچنین نتایج نشان داد افزایش بیشینه دمای زینتر به °C 1900 در کامپوزیت ZrB2- 20 vol% SiC – 10 vol% TiC موجب رشد افراطی دانه و کاهش جزئی چگالی نسبی به مقدار 1% می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of the Effect of Temperature on the Microstructure and Mechanical Properties of the Ultra-High Temperature Ceramic Composite ZrB2-SiC-TiC Using the Multi-Step SPS Method.

نویسندگان [English]

  • Sepehr Pourbahraini 1
  • Mehdi Ahmadian 2
1 Department of Materials Engineering - Isfahan University of Technology
2 Department of Materials Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran.
چکیده [English]

The sintering of ZrB2 presents significant challenges due to its covalent bonding and the high temperatures required for the process. Prior research has demonstrated that incorporating up to 20% by volume of SiC as an additive can enhance both the sintering process and the mechanical properties of ZrB2-based composites. The objective of this study was to fabricate and characterize an ultra-high temperature ceramic composite composed of ZrB2 with 20 vol% SiC, utilizing the Spark Plasma Sintering (SPS) method with a multi-step approach at various temperatures. Additionally, the study sought to investigate the influence of a TiC additive on the microstructural evolution and mechanical properties of the composite. The research focused on assessing the impact of sintering temperature, ranging from 1600°C to 1900°C under a pressure of 30 MPa, in the presence of a 10% TiC additive. The introduction of up to 10% by volume of TiC into the ZrB2-20 vol% SiC composite, followed by sintering at 1800°C for 5 minutes, resulted in the formation of (Zr,Ti)B2 and (Ti,Zr)C solid solutions within the matrix. These solid solutions, along with reactions involving surface oxides such as ZrO2 and B2O3, contributed to a 15% increase in relative density. Furthermore, notable enhancements were observed in mechanical properties, including a 14% increase in hardness, a 12% increase in elastic modulus, a 20% increase in fracture strength, and an 8% increase in fracture toughness. A comparative analysis with previous studies revealed that employing a multi-step SPS technique, as opposed to a single-step process, significantly reduced the temperature and soacking time to achieve a relative density exceeding 99%. However, it was also observed that increasing the maximum sintering temperature to 1900°C in the ZrB2-20 vol% SiC-10 vol% TiC composite resulted in excessive grain growth and a slight decrease in relative density by approximately 1%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ultra-high temperature ceramics
  • zirconium diboride
  • silicon carbide
  • titanium carbide
  • carbon fiber
  • multi-step spark plasma sintering
  • solid solution

تحت نظارت وف ایرانی