بررسی مقاومت به اکسایش کامپوزیت HfCZrCTiC در دمای 1200 درجه سانتی‌گراد: نقش نانوکربن سیاه و سیلیسیوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی مواد، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

چکیده

مقدمه و اهداف: کامپوزیت HfCZrCTiC، جزء خانواده سرامیک‌های بسیار دما بالا است که در سپرهای حرارتی برای فضاپیماها، پوشش کوره‌ها، اجزای هواپیمای مافوق صوت و اجزای راکتور هسته‌ای استفاده می‌شوند. هدف از انجام این تحقیق بررسی اثر نانوکربن سیاه و سیلیسیوم بر مقاومت به اکسایش کامپوزیت HfCZrCTiC است.
مواد و روش‌ها: برای دستیابی به هدف این پروژه، چهار کامپوزیت HfCZrCTiC ،HfCZrCTiC حاوی نانوکربن سیاه، HfCZrCTiC حاوی سیلیسیوم و HfCZrCTiC حاوی نانوکربن سیاه و سیلیسیم، به‌طور همزمان در دمای 2000 درجه سانتی‌گراد به روش پلاسمای جرقه‌ای تف‌جوشی شدند. فرآیند اکسایش با استفاده از آنالیز حرارتی افتراقی و آنالیز توزین حرارتی در دمای 1200 درجه سانتی‌گراد انجام شد. ارزیابی ریزساختاری و شناسایی فاز با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و تفرق اشعه ایکس انجام شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که تغییرات وزن برای نمونه‌های HfZrTi-Si ،HfZrTi-C.Bn ،HfZrTi و HfZrTi-C.Bn-Si، به‌ترتیب برابر با 13/5، 16/9، 12/9 و 7 درصد است. به علاوه نتایج آنالیز حرارتی افتراقی نشان داد که در نمونه‌های HfZrTi-Si ،HfZrTi-C.Bn ،HfZrTi و HfZrTi-C.Bn-Si، دمای شروع اکسایش به‌ترتیب در 480، 400، 500 و 580 درجه سانتی‌گراد رخ داده است که بیانگر آن است که با کاهش دمای شروع اکسایش، میزان تغییرات وزن بیشتر شده است. 
نتیجه‌گیری: مشخص شد که در نمونه‌های HfZrTi و HfZrTi-C.Bn، فازهای شناسایی شده پس از اکسایش، شامل اکسید هافنیوم، اکسید زیرکونیوم و اکسید تیتانیوم و در نمونه‌های HfZrTi-Si و HfZrTi-C.Bn-Si علاوه بر این فازها، اکسید سیلیسیوم نیز وجود دارد. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigating the Oxidation Resistance of HfCZrCTiC Composite at 1200 °C: The Role of Nano Carbon Black and Silicon

نویسندگان [English]

  • Shahroukh Malae Hezarvandi
  • Zohre Balak
Department of Materials Science and Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
چکیده [English]

Introduction and Objectives: The HfCZrCTiC composite is part of the family of ultra-high temperature ceramics used in heat shields for spacecraft, furnace linings, supersonic aircraft components, and nuclear reactor components. The purpose of this research is to investigate the effect of nanocarbon black and silicon on the oxidation resistance of HfCZrCTiC composite.
Materials and Methods: Four composites, including HfCZrCTiC, HfCZrCTiC containing nano carbon black, HfCZrCTiC containing silicon, and HfCZrCTiC containing nano carbon black and silicon simultaneously were sintered at 2000 °C by spark plasma method. The oxidation process was carried out using differential thermal analysis (DTA) and thermal gravimetry analysis (TGA) at a temperature of 1200 °C. Microstructural evaluation and phase identification were done using a scanning electron microscope and X-ray diffraction.
Results: The results showed that the weight changes for HfZrTi, HfZrTi-C.Bn, HfZrTi-Si and HfZrTi-C.Bn-Si samples were obtained to be 13.5%, 16.9%, 12.9%, and 7%, respectively. In addition, the results of differential thermal analysis (DTA) revealed that in the samples of HfZrTi, HfZrTi-C.Bn, HfZrTi-Si and HfZrTi-C.Bn-Si, the starting temperature of oxidation occurred at 480 °C, 400 °C, 500 °C, and 580 °C, respectively, indicating the lower the starting temperature of oxidation, the higher the weight changes.
Conclusion: It was found that in HfZrTi and HfZrTi-C.Bn samples, the detected phases after oxidation included hafnium oxide, zirconium oxide, and titanium oxide. These phases along with silicon oxide were identified in HfZrTi-Si and HfZrTi-C.Bn-Si samples.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Oxidation resistance
  • HfC-ZrC-TiC
  • Spark plasma sintering (SPS)
  • Thermal analysis

مراجع

  1. Paul A, Jayaseelan DD, Venugopal S, Zapata-Solvas E, Binner JGP, Vaidhyanathan B, et al. UHTC Composites for Hypersonic Applications. Am Ceram Soc Bull. 2012;91(1):22-29.
  2. Wuchina E, Opeka M, Fahrenholtz WG, Talmy IG. UHTCs: Ultra-HighTemperature Ceramic Materials for Extreme Environment Applications. Scr Mater. 2007;16:112-143.
  3. Opeka M, Wuchina EJ, Zaykoski JA, Causey SJ. Mechanical, Thermal, and Oxidation Properties of Refractory Hafnium and zirconium Compounds. J Eur Ceram. 1999;19(13-14):2405-2414. https://doi. org/10.1016/S0955-2219(99)00129-6
  4. Shi X-H, Zhu J -L, Liu L, Li H-J, Hu X-J, Li M-Y, et al. Ablation resistance of SiC–ZrC coating prepared by a simple two-step method on carbon fiber reinforced composites. Corros Sci. 2014;88:49-55. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2014.07.014
  5. Yan C, Zhang C, Cao Y, Wang Y. Effects of SiC/HfC ratios on the ablation and mechanical properties of 3D Cf/HfC-SiC composites. J Eur Ceram. 2017;37(6):2343-2351. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.01.017
  6. Xiang L, Fan X, Shi L, Yin X, Zhang L. Effect of interlayer on the ablation properties of laminated HfC–SiC ceramics under oxyacetylene torch. Corros Sci. 2015; 93:172-179. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2015.01.021
  7. Fu YQ, Zhang J, Chen GH, Li T. Radially one-dimensional hafnium carbide-carbon/carbon networks composites for ultra-high temperature ablation-resistance. Corros Sci. 2021;185:109443. https://doi.org/10.1016/ j.corsci.2021.109443
  8. Jiachen L, Junshuai YZ, Tao L, Xiaofei Z, Gai W. Sealing role of Ti-rich phase in HfC-ZrC-TiC coating for C/C composites during ablation above 2100 °C. Corros Sci. 2022;205(15),110474. https://doi.org/10. 1016/j.corsci.2022.110474
  9. Chen Y, Xiang X, Chang YX, Peng Z, Tian T, Zeng Y. Microstructure, thermophysical properties, and ablation resistance of C/HfC-ZrC-SiC composites. Ceram Int. 2019;45(4):4685-4691. https://doi.org/10. 1016/j.ceramint.2018.11.160
  10. Balak Z, Zakeri M, Rahimipour MR, Salahi E, Azizieh M, Kafashan H. Investigation of effective parameters on densification of ZrB2-SiC based composites using taguchi method. Adv Ceram Prog. 2016;2(5):7-15. https://doi.org/10.30501/acp.2016.90835
  11. Malae Hezarvandi S, Balak Z, Heydari A. Fabrication and characterization of HfCZrCTiC composites: role of carbonaceous and metallic additives. J Korean Ceram Soc. 2024;61:1263–1277. https://doi.org/10.1007/s43207-024-00444-3
  12. Balak Z, Zakeri M. Effect of HfB2 on microstructure and mechanical properties of ZrB2-SiC-based composites. Int J Refract Met Hard Mater. 2016;54:127-135. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2015.07.011
  13. Balak Z, Azizieh M. Oxidation of ZrB2-SiC composites at 1600 °C: effect of carbides, borides, silicides, and chopped carbon fiber. Adv Ceram Prog. 2018;4:18-23. https://doi.org/ 30501/acp.2018.90829
  14. Shimada S. A thermoanalytical study of oxidation of TiC by simultaneous TGA-DTA-MS analysis. J Mater Sci. 1996;31:673-677. https://doi.org/10.1007/ BF00367884
  15. Zhang C, Boesl B, Agarwal A. Thermal Analysis of Tantalum Carbide-Hafnium Carbide Solid Solutions from Room Temperature to 1400 °C. 2017; 7(8):111. https://doi.org/10.3390/coatings7080111
  16. Hanifi A, Balak Z. Effect of Microstructure, Chemical Composition, and Open Porosity on Oxidation Resistance of ZrB2-Based Composites. Adv Ceram Prog. 2020;6(4): 37-44. https://doi.org/10.30501/acp.2020.204582.1043
  17. Shaker Hashem Al-Habib D, Balak Z, Shahedi Asl M. Spark plasma sinterability of TaC-based composites co-doped with SiC, TiC and graphene. Diam Relat Mater. 2022;130 :109496. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.109496

 

 

مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 44، شماره 3
(شماره پیاپی 50)
مهر 1404
صفحه 87-99

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

تحت نظارت وف ایرانی