فصلنامه سرامیک ایران
سال شانزدهم شماره 4 (پیاپی 64، زمستان 1399)

تولید سیمان پرتلند معایب عمده محیط زیستی به دنبال دارد که این مورد 8 درصد از انتشار CO2 جهانی (4 میلیارد تن در سال) را تشکیل می دهد. از این رو نیاز به استفاده از یک جایگزین برای سیمانهای رایج (پرتلند) ضروری به نظر میرسد. در سالهای اخیر ژیوپلیمر به عنوان یک عامل سیمانی جدید و دوستدار محیط زیست، جهت جایگزینی برای سیمان پرتلند مطرح شده است. ژیوپلیمرها، پلیمرهای معدنی سرامیک مانندی هستند که در دمای پایین عموما زیر 100ºC ، تولید میشوند. ژیوپلیمرها، زنجیره ها یا شبکه هایی از مولکولهای معدنی هستند که با پیوندهای کووالانسی اتصال یافتهاند. مواد خام بکار رفته در فرایند پلیمری شدن، به طور عمده منشاء زمینشناسی دارند و به خاطر همین ژیوپلیمر نامیده میشوند. دو روش سنتز ژیوپلیمرها بین +Na و غیره) و دیگری در محیط اسیدی + Li + , Ca ++ , Cs + , روش های ایجاد شده رایجتر است؛ سنتز توسط محیط قلیایی (, K (فسفریک اسید، کربوکسیلیک اسیدهای آلی)، است. تاکنون مسیر قلیایی از اهمیت بیشتری برخوردار بوده است. طیف سنجی NMR اطلاعاتی درمورد ساختار مولکولی و خصوصیتهای پلیمری فراهم میکند. مشاهدات علمی نشان میدهد که فرایند پلیمری شدن، با چندتراکمی اولیگومرها آغاز شده و درنهایت تبدیل به ساختار پلی سیلات 6 شامل نانوذرات منحصر به فردی (که به خوبی فرایند پلیمری شدن را طی کردند و اندازه 5 تا 40 نانومتر دارند) میشوند. در این مقاله تلاش شده است تا فرایند پلیمری شدن، تولیدسیمان ژیوپلیمر، مقایسه سیمان ژیوپلیمری با سیمان رایج پرتلند و درنهایت کاربردها و ویژگیهای آن مورد بررسی قرار گیرد.

ریخته گری ژلهای به عنوان روشی نوین و بهینه و آسان در ساخت سرامیک، با قابلیت شکلدهی سرامیک به اشکال پیچیده در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. این روش ترکیبی از شیمی پلیمر و فرآیند ریخته گری دوغابی است که در آن دوغاب غلیظی از پودر سرامیک و مونومرهای آلی داخل قالب ریخته شده و با گرفتن شکل قالب به خود، درجا به پلیمر تبدیل میشود. پژوهشهای زیادی در رابطه با ریولوژی دوغابهای استفاده شده در روش ریخته گری ژلهای انجام یافته است اما نتایج چندانی در رابطه با خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیتهای آلومینا-زیرکونیای ساخته شده با این روش وجود ندارد. در این پژوهش نمونه سرامیک آلومینا (A100 (با میزان 45 %حجمی پودر آلومینا در دوغاب و نمونه کامپوزیت آلومینا – زیرکونیا (Z10-A90 (با میزان 45 %حجمی از مخلوط پودرهای سرامیکی در دوغاب، که این میزان پودر مخلوط شامل 90 %حجمی آلومینا و 10 %حجمی زیرکونیای پایدار شده با ایتریا است، با استفاده از روش ریخته گری ژلهای ساخته شدند و نهایتا قطعات در دمای C 1650 تفجوشی شدند. نتایج حاصل از پراش اشعه ایکس حضور فاز تتراگونال زیرکونیا را در کامپوزیت آلومینا – زیرکونیا تایید کرده است. تصاویر حاصل از میکروسکوپ الکترونی روبشی ساختار یکنواختی را برای دو نمونه ساخته شده A100 و -A90 Z10 نشان میدهد و برای نمونه Z10-A90 بیانگر توزیع نسبتا یکنواخت ذرات زیرکونیا در زمینه آلومینا است. نتایج حاصل از خواص فیزیکی نشان داد که میتوان با روش ریخته گری ژلهای به میزان چگالی نسبی مطلوبی برای ساخت کامپوزیت آلومینا – زیرکونیا (%7/89 (دست یافت. نتایج حاصل از خواص مکانیکی نشان داد که با افزودن تقویتکننده زیرکونیا به قطعات آلومینایی، استحکام خمشی و چقرمگی قطعه کامپوزیت (Z10-A90 (در برابر قطعه آلومینای خالص (A100 (به ترتیب در حدود %27/13 و %94/28 افزایش داشته است. از طرفی سختی قطعه کامپوزیت نسبت به قطعه آلومینای خالص به میزان %7/9 کاهش داشته است.

با اینکه ماده کاتدی لایه ای LiNiCoMnO2 موسوم به NCM به دلیل دارا بودن ظرفیت نسبتا بالا و برگشت پذیر و همچنین هزینه و سمیت پایین به عنوان ماده کاتدی اصلی برای باتریهای لیتیم-یون قابل شارژ شناخته شده است، اما چرخه کاری این ماده در سرعتهای شارژ-دشارژ بالا ناپایدار است و در دماهای بالا نیز عملکرد ضعیفی از خود نشان میدهد. روش پوشش دهی سطحی به عنوان یکی از روش های موثر در بهبود عملکرد ماده کاتدی NCM شناخته شده است. با توجه به این که خصوصیات ریزساختاری ماده کاتدی تاثیر مستقیمی بر عملکرد الکتروشیمیایی آن دارد، بررسی تغییرات ریزساختاری حاصل از فرآیند پوششدهی از اهمیت خاصی برخوردار است. در تحقیق حاضر ماده کاتدی تجاری 3O2.2Mn0.5Co0.LiNi0 با ماده لیتیم زیرکونات (Li2ZrO3) در مقادیر 1 ،3 و 5 درصد وزنی پوشش داده شد. برای این منظور برای اولین بار از پیش ماده نسبتا ارزان زیرکونیم اکسیکلراید 8 آبه (8H2O.ZrOCl2) و روش سل-ژل در محیط آبی استفاده شد. سپس از لحاظ ریزساختاری مورد مشخصهیابی قرار گرفت. مطابق با نتایج حاصل از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، نمونه با 1 %وزنی از ماده پوشش بالاترین میزان یکنواختی ماده پوشش روی ذرات ماده کاتدی را نشان داد. برای نمونه مذکور، بر اساس نتایج آنالیز پراش اشعه ایکس و استفاده از روش کوهن برای محاسبه ثوابت شبکه، برای نمونه با 1 %وزنی ماده پوشش، شاخص نسبت ثوابت شبکه a/c بالاتر از عدد 9/4 بهدست آمد که دلالت بر منظم بودن ساختار ماده کاتدی است. همچنین، اختلاف ثوابت شبکه ماده کاتدی با 1 %وزنی ماده پوشش با میانگین ثوابت شبکه گزارش شده برای ماده کاتدی بدون پوشش برای ثوابت a و c به ترتیب 0015/0 و 0456/0 آنگستروم به دست آمد و مشخص شد که کمترین تغییر را نسبت به مقادیر %3 و 5 %وزنی در ساختار ماده کاتدی ایجاد کرده است. همچنین مطابق با نتایج حاصل از تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری، در نمونه با 1 %وزنی ماده پوشش، حضور لایه پوشش به ضخامت حدود 15 تا 20 نانومتر با یک مرز قابل رویت بین هسته از جنس ماده کاتدی و پوسته از جنس ماده لیتیم زیرکونات اثبات شد. در مجموع نتایج تحقیق نشان داد که لایه پوشش لیتیم زیرکونات به مقدار 1 %وزنی کمترین تغییر در ساختار بلوری ماده کاتدی را ایجاد میکند و از این رو، این مقدار ماده پوشش را میتوان به عنوان مقدار بهینه درنظرگرفت.

در پژوهش حاضر اثر استفاده از نانوذرات مگنتیت بر رشد طول و افزایش وزن گیاه آبزی علف مویی بررسی شده است. در این پژوهش نانوذرات اکسید آهن به روش هم رسوبی تولید شدند و برای بررسی مشخصاتشان از آنالیزهای XRD و SEM استفاده شد. برای تولید نانوذرات مگنتیت از کلرید آهن دو ظرفیتی FeCl2 و کلرید آهن سه ظرفیتی FeCl3 به عنوان منبع آهن و محلول سود سوزآور NaOH به عنوان عامل احیایی استفاده شد. نتایج SEM نشان داد میانگین اندازه ذرات به دست آمده در شرایط مختلف تولید 4/18 تا 7/24 نانومتر است و ریخت شناسی ذرات کروی و شبه کروی است. داده های XRD تاییدکننده تشکیل نانوذرات Fe3O4 با ساختار اسپینل معکوس است. با افزایش pH محلول، میانگین اندازه ذرات تولیدشده کاهش یافت. برای بررسی اثر غلظت نانوذرات اکسید آهن بر رشد گیاه، نانوذرات در غلظتهای 30 ،60 ،90 و 120 ppm به محیط رشد گیاه اضافه شدند. نتایج بهدست آمده نشان داد که افزایش غلظت نانوذرات اکسید آهن تا ppm 90 نه تنها اثر منفی بر رشد گیاه نداشته است، بلکه باعث افزایش رشد طول گیاه و افزایش وزن نمونه گردیده است. نانوذرات اکسید آهن در غلظتهای بالا در حدود ppm 120 اثر منفی بر پارامترهای پیشگفته داشته است. با کاهش میانگین اندازه نانوذرات تولید شده افزایش بیشتری در رشد طول گیاه و وزن نمونه های گیاه علف مویی مشاهده شد که به دلیل سطح تماس بیشتر نانوذرات اکسید آهن با سلولهای گیاه و افزایش ریزمغذی های فراهم شده لازم برای رشد گیاه است.

بدنه های سرامیکی بر پایه بوریدها، کاربیدها و نیتریدها دارای ویژگیهایی نظیر سختی بالا، نقطه ذوب بالا و مقاومت به اکسیداسیون بالا هستند. از بین اصلی ترین ترکیبات آنها میتوان به دیبورید زیرکونیوم، دیبورید هافنیوم و دیبورید تیتانیوم اشاره کرد. پیوند اشتراکی قوی در بوریدها موجب افزایش نقطه ذوب، مدول کشسان و سختی در این گروه از سرامیکها میشود. به دلیل بالا بودن هدایت حرارتی و الکتریکی بوریدها میتوان از آنها به عنوان مواد دیرگداز و قطعاتی نظیر پوششهای مقاوم به سایش و ابزار برشی استفاده کرد. همچنین به عنوان کاتد برای پیل الکتروشیمایی در فرآیند تولید آلومینیم کاربرد دارند. به منظور استفاده بهینه از این ترکیبات و ساختن کامپوزیتهایی با خواص مورد نظر از تقویت کننده هایی (SiC ،TiC ،C و عناصر فلزی) استفاده میشود. در این مقاله کامپوزیتهای تقویت شده با این ترکیبات بررسی شده اند. همچنین با توجه به بررسیهای صورت گرفته معمولا از افزودنی SiC برای بهبود ویژگیهای حرارتی، مکانیکی و مقاومت به اکسیداسیون در اکثر محیطها استفاده می شود.

در سالهای اخیر نانوپوشش کامپوزیتی لاستیک سیلیکونی RTV که نسل جدیدی از پوششهای خود پالاینده و ابر آبگریز هستند برای استفاده بر روی مقره ها معرفی شده اند. در این مطالعه، دو نوع نانوپوشش کامپوزیتی لاستیک سیلیکونی (RTV -Nano)شامل نانوذرات ZnO و SiO2 مورد مطالعه قرار گرفتند. با هدف بهبود توزیع نانوذرات و جلوگیری از آگلومراسیون، ابتدا اصلاح سطحی نانوذرات ZnO و SiO2 به ترتیب با استفاده از APTES وHDMS انجام شد. با استفاده از روش های آنالیز پراش اشعه ایکس (XRD) آنالیز BET و میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM) اصلاح سطح نانوذرات بررسی شد. در مرحله بعد نانوذرات اصلاح سطحی شده به پایه RTV اضافه شدند و تاثیر استفاده از پوشش پلیمری و دو نوع نانوپوشش بهبود یافته، برروی تست چسبندگی و تست آبگریزی پوششهای مورد نظر به عنوان معیارهای بهبود عملکردی عایق بررسی شد. همچنین با استفاده از نتایج آزمایشهای عملی، تاثیر استفاده از پوشش پلیمری و دو نوع نانوپوشش بهبود یافته، برروی ولتاژ تخلیه الکتریکی به عنوان شاخص بهبود استقامت الکتریکی و در نتیجه قابلیت اطمینان مقره های پوشش داده شده و بدون پوشش موردنظر درحضور درجات مختلف آلودگی مصنوعی مورد بررسی قرار داده شد. نتایج نشان داد که مقره دارای نانوپوشش کامپوزیتی لاستیک سیلیکونی RTV بیشترین و مقره بدون پوشش کمترین ولتاژ تخلیه الکتریکی رانشان میدهد. بر مبنای نتایج، احتمال رخداد تخلیه الکتریکی در مقره حاوی نانوپوشش لاستیک سیلیکونی به ویژه در محیطهای با آلودگی زیاد کاهش یافته و این امر قابلیت اطمینان بالاتری را در سطح شبکه قدرت ایجاد میکند. نتایج نشان داد که چسبندگی پوشش در مقره دارای نانوپوشش کامپوزیتی لاستیک سیلیکونی (RTV – Nano) نسبت به نمونه حاوی پوشش لاستیک سیلیکونی (RTV) افزایش یافته است. نتایج تست آبگریزی نشان داد که زاویه تماس استاتیک °5/1 ± 8/103 بر روی سطح لاستیک سیلیکون RTV بدست آمد که برای پوشش RTV / ZnO به °6/1 ± 1/114 و برای پوشش RTV / SiO2-ZnO به °4/3 ± 4/128 افزایش یافت و مقره دارای نانوپوشش کامپوزیتی لاستیک سیلیکونی (RTV – Nano) حاوی SiO2 بیشترین میزان آبگریزی را نشان میدهد.