آلومینا دارای خواص شیمیایی و فیزیکی مناسبی است، اما از لحاظ مقاومت به شکست ضعیف است. برای بهبود این مشکل از نانوذرات زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا استفاده می‌شود. از طرفی مواد چند لایه دارای خواص بهتری در مقایسه با مواد تک لایه، در شرایط باردهی یکسان هستند.

محققان پژوهشگاه مواد و انرژی با بررسی اثر نانوذرات بر خواص مکانیکی و حرارتی سرامیک‌های مورد استفاده در عایق‌های حرارتی و همچنین اثر تعداد لایه‌های مورد استفاده، موفق به ارائه مدلی ریاضی برای پیش‌بینی رفتار آنها شدند.

به گزارش ایسنا، حمید اصفهانی، دانشجوی دکترای مهندسی مواد و محقق طرح در این مورد اظهار کرد: آلومینا دارای خواص شیمیایی و فیزیکی مناسبی است، اما از لحاظ مقاومت به شکست ضعیف است. برای بهبود این مشکل از نانوذرات زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا استفاده می‌شود. از طرفی مواد چند لایه دارای خواص بهتری در مقایسه با مواد تک لایه، در شرایط باردهی یکسان هستند.

وی افزود: در این تحقیق نانوکامپوزیت‌های چندلایه‌ای از آلومینا و درصدهای مولی گوناگون زیرکونیای تثبیت شده ساخته شده است. هدف این طرح بررسی رفتار حین تف جوشی‌ (سینتر) و خواص مکانیکی قطعات چندلایه با ترکیب شیمیایی متفاوت بوده است.

محقق طرح تصریح کرد: نتایج این طرح در حوزه‌های مواد پیشرفته بویژه عایق‌های حرارتی تحت تنش قابل کاربرد است. علاوه بر این می‌توان از آن در ساخت مواد کاشتنی‌ زیست‌سازگار دندانی و استخوانی نیز استفاده کرد.

اصفهانی گفت: در این طرح ریزساختار، خواص فیزیکی و حرارتی حین تف جوشی و همچنین خواص مکانیکی قطعات چند لایه مورد ارزیابی قرار گرفته است. رفتار حین تف جوشی قطعات چند لایه برای اولین بار توسط مدل‌های ریاضی شبیه‌سازی شده است. با مدل‌سازی انجام شده بر رفتار حرارتی و مشخص کردن تانسور کرنش حرارتی، به‌ راحتی می‌توان هزینه‌های بعدی برای طراحی قطعات کامپوزیتی از نانو مواد آلومینا- زیرکونیا و حتی سایر مواد سرامیکی مشابه را کاهش داد.

محقق طرح تصریح کرد: این طرح با عنوان «نانو بیو‌کامپوزیت آلومینای زیرکونیای چقرم شده با ایتریا» به شماره‌ی 64645 به ثبت رسیده است.

به گفته‌ی اصفهانی، به طورکلی مقدار سختی و چقرمگی در نمونه‌های چندلایه بیش از نمونه‌های دولایه است. وی معتقد است استفاده از ذرات نانومتری دستیابی به این خواص مکانیکی مناسب را امکان‌پذیر کرده است. علاوه براین، به کمک نانوذرات دمای مؤثر تف جوشی کاهش و رفتار حین تف جوشی مواد بهبود یافته است. همچنین خواص حرارتی بدنه‌ی تولید شده به‌ دلیل استفاده از نانوذرات و همچنین توزیع تنش حرارتی بهبود یافت.

محقق طرح درباره چگونگی انجام مراحل این تحقیق گفت: در روند انجام این تحقیقات، در ابتدا نانوذرات زیرکونیا ابتدا با سه درصد مولی نانو ذرات ایتریا مخلوط شد. نانو‌ذرات آلومینا در ترکیب‌های متفاوت از زیرکونیای تثبیت شده در بستر استن مخلوط و از الک با مش 250 میکرومتر عبور داده شد. به کمک پانچی با سطح برآمده و فرورفته، لایه‌ها در قالب پرس تک محور روی یکدیگر قرار گرفتند. نمونه‌ها در دمای 1650 درجه سانتی‌گراد در اتمسفر هوا تف جوشی شدند.

وی افزود: در این تحقیق اثر فشار پرس بر چگالی نهایی، ساختار و وضعیت ترک‌ها در سطح تماس لایه‌ها بررسی شده است. همچنین به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و پرتو ایکس (X-Ray Map) سطوح تماسی از لحاظ ترکیب و ساختار مورد ارزیابی قرار گرفتند. سختی و چقرمگی شکست نیز به کمک روش ویکرز از لایه‌های مختلف گرفته شد.

اصفهانی خاطرنشان کرد: اگرچه با افزایش فشار پرس، تراکم نمونه بهبود می‌یابد اما یک مقدار بهینه برای این عامل وجود دارد. فشارهای بیشتر از مقدار بهینه، موجب تخریب نمونه در هنگام تف جوشی، به‌ علت برگشت فنری می‌شود. از طرفی با افزایش میزان زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا، سختی نمونه کاهش و تافنس آن افزایش و تف جوشی لایه‌ها با میزان بیشتر زیرکونیا دشوارتر می‌شود.

وی تاکید کرد: باید دقت داشت که به‌ دلیل عدم انطباق ضریب انبساط حرارتی لایه‌ها در بدنه با ساختار گرادیانی، میزان انقباض حین تف جوشی متفاوتی در لایه‌ها رخ می‌دهد. در این تحقیق به بررسی میزان این انقباض‌ها پرداخته شده است. بر اساس مدل پیشنهادی امکان پیش‌بینی رفتار تغییر فرم برای بدنه‌ای با تعداد لایه‌های مختلف فراهم شده است.

اصفهانی در ادامه به سایر نتایج حاصل شده اشاره کرد و افزود: طبق نتایج فازشناسی قطعه تولید شده توسط الگوی پراش پرتو ایکس XRD، زیرکونیا به‌ صورت فاز تتراگونال تثبیت شده است. این فاز منجر به بهبود تافنس شکست بدنه سرامیک در اثر مکانیسم استحاله مارتنزیتی می‌شود. همچنین با سنجش نتایج سختی و چقرمگی شکست از نمونه دارای پنج لایه نانو کامپوزیت مشخص شده است که تغییرات خواص مکانیکی به‌ صورت تدریجی و متناسب با تغییرات زیرکونیا در بدنه تغییر می‌کند.

محقق طرح تصریح کرد: به‌ طور کل می‌توان گفت که نتایج این کار تحقیقاتی در پیشبرد صنایع وابسته به مواد پیشرفته و کامپوزیت‌ها بویژه در حوزه‌ی فناوری نانو بسیار مفید خواهد بود.

یافته‌های این طرح که حاصل همکاری گروه تحقیقاتی مواد پیشرفته به سرپرستی دکتر اسماعیل صلاحی در پژوهشگاه مواد و انرژی است، در مجله‌ی Ceramics International به چاپ رسیده است.