فهرست مطالب

علم و مهندسی سرامیک - سال دوازدهم شماره 2 (پیاپی 45، تابستان 1402)

نشریه علم و مهندسی سرامیک
سال دوازدهم شماره 2 (پیاپی 45، تابستان 1402)

  • تاریخ انتشار: 1403/01/26
  • تعداد عناوین: 7
|
  • وحید محمدزاده، مهری مشهدی، فرهاد فرهنگ راد* صفحات 1-14

    سازه های مورد استفاده در صنایع نظامی و هوافضا نیازمند خواصی نظیر نقاط ذوب، مقاومت در برابر شوک حرارتی و مقاومت در برابر فرسایش/اکسایش بالا بوده که کامپوزیت های ZrB2-ZrC-SiC به دلیل خواص فیزیکی، مکانیکی و اکسیداسیون پیشتاز آن ها گزینه مناسبی برای حفاظت از سازه های ورود مجدد به جو و مافوق صوت هستند. نقطه قوت این تحقیق استفاده از SiC در ابعاد نانو بوده که میزان افزودن آن بر خواص فیزیکی، مکانیکی و مقاومت به اکسیداسیون نانوکامپوزیت ZrB2-ZrC-SiC مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور در پژوهش انجام شده از نانو ذرات SiC به عنوان تقویت کننده با مقادیر 0، 5، 10، 15و 20 درصد وزنی به زمینه ZrB2 ‒10 Wt% ZrC افزوده شده و به روش PLS سینتر شدند. همچنین از B4C به عنوان کمک سینتر به مقدار 3 درصد وزنی استفاده شد. فرآیند سینتر در دمای °C 2100، زمان 1 ساعت با نرخ گرم کردن تقریبی 10 درجه سانتی گراد بر دقیقه انجام شد.  نتایج حاصل حاکی از آن است که با افزودن 5 درصد وزنی SiC در ابعاد نانو، دانسیته نسبی به بیشترین مقدار خود (98.5 درصد) می رسد. همچنین با افزودن همین مقدار SiC نانو، سختی نمونه ها به  Gpa 13/8 می رسد. با بررسی میزان اکسیداسیون نمونه ها ثابت شد که نمونه حاوی 5 درصد وزنی SiC نانو بیشترین مقاومت به اکسیداسیون را دارا است. نرخ فرسایش جرمی در نمونه حاوی 5 درصد وزنی SiC نانو برابر با  mg/s0/18 است. با این حال افزایش میزان SiC نانو باعث کاهش چقرمگی شده بطوریکه بیشترین چقرمگی مربوط به نمونه ای فاقد SiC است.

    کلیدواژگان: سرامیک های فوق دما بالا، نانو کامپوزیت ZrB2-ZrC-SiC، سینتر بدون فشار، رفتار اکسیداسیون، UHTC
  • امیرهوشنگ رمضانی*، امیرحسین ساری، رشا سعد یوسف کریزی صفحات 15-36

    نیترید تانتالوم   (TaN)  به دلیل خواص منحصر به فردی مانند سختی بالا و مقاومت بالا در برابر سایش و همچنین مقاومت الکتریکی پایدار، در صنایع مکانیکی و میکروالکترونیک به طور گسترده استفاده می شود. نظر به اهمیت موضوع، در مقاله حاضر، با در نظر گرفتن مراجع معتبر، بررسی جامعی از پیشرفت های تحقیقاتی در زمینه روش های لایه نشانی، روش های مشخصه یابی، خواص و کاربردهای لایه های نازک نیترید تانتالوم به عمل آمده است. به این منظور، ابتدا  تولید و لایه نشانی این لایه های نازک  توسط روش هایی مانند رسوب دهی فیزیکی (PVD)، کندوپاش مگنترون RF پالسی و فرکانس رادیوییDC مورد مطالعه قرار گرفته اند. همچنین در ادامه، خواص ساختاری، میکروسکوپی، الکتریکی، اپتیکی، مکانیکی و تریبولوژیکی لایه های نازک نیترید تانتالوم به طور جامع مورد بحث قرار گرفته اند. به این منظور از تحلیل الگوهای پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ الکترون روبشی، محاسبه نرخ سایش لایه ها، تاثیر تغییر محتوای نیتروژن ولتاژ بایاس بستر بر روی تنش پسماند لایه ها، تغییر سختی و  مدول الاستیک لایه های نیترید تانتالوم با نسبت جریان نیتروژن، ضریب شکست و ضریب خاموشی لایه ها، طیف عبور اپتیکی لایه ها،  مقاومت الکتریکی لایه در جریان نیتروژن مختلف، مقاومت سطحی نرمال شده برحسب دما و تغییرات مقاومت سطحی لایه های نگه داشته شده در  دماهای مختلف به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته است.  نتایج بررسی شده نشان می دهد که لایه های نازک تولید شده مذکور، پتانسیل بالایی برای کاربرد در زمینه های مختلف به خصوص در محیط های سخت با دما و فشار بالا دارند. این مقاله مروری، می تواند مرجعی مناسب و جامع برای پژوهش هایی باشد که در زمینه لایه های نازک نیترید تانتالوم و فناوری های مرتبط با آن انجام خواهد شد. این مطالعه بینش های ارزشمندی را در مورد بهینه سازی پارامترهای کندوپاش برای تولید لایه های نازک نیترید تانتالوم با کیفیت بالا بر روی بسترهای مسی ارائه می دهد. یافته ها نشان می دهد که دمای زیرلایه یک پارامتر حیاتی است که برای دست یابی به خواص ساختاری و مورفولوژیکی مطلوب لایه های نازک نیترید تانتالوم باید به دقت کنترل شود.

    کلیدواژگان: نیترید تانتالوم، کاشت، لایه نازک، خواص ساختاری
  • رضا رضوانی زاده، شهاب کاظمی*، رضوان لک صفحات 37-52

    در این پژوهش کامپوزیت زمینه سیمان تقویت شده با ماسه توسط آب و پلیمر پلی یورتان تولید شد. به منظور بررسی تاثیر مخرب محیط های خورنده، نمونه های تولید شده در مقادیر مختلفی از آب، پلیمر پلی یورتان و ماسه در الکترولیت های سود سوزآور 10 درصد و سولفوریک اسید 10 درصد به مدت 70 روز غوطه ور شدند. در ادامه به منظور مشخصه یابی نمونه ها پس از غوطه وری، نمونه ها توسط ارزیابی های مکانیکی و فیزیکی شامل آزمون چگالی سنجی و آزمون فشار مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج آزمون چگالی سنجی نشان داد که چگالی نمونه های غوطه ور شده در سولفوریک اسید در حدود 10 الی 20 درصد از نمونه های غوطه ور شده در سود سوزآور کمتر می باشد. نتایج آزمون فشار نشان داد که به صورت کلی استحکام نمونه های تولید شده آب نسبت به نمونه های تولید شده با پلیمرپلی یورتان بیشتر می باشد. از طرفی مشخص شد در صورت استفاده از ماسه و تولید نمونه های بتنی کامپوزیتی، استحکام نمونه ها افزایش 75 درصدی از خود نشان می دهند. نتایج آزمون استحکام فشاری نشان داد که استحکام نمونه های غوطه ور شده در الکترولیت سولفوریک اسید به صورت کلی در حدود 20 الی 30 درصد ضعیف تر از استحکام نمونه های غوطه ور شده در الکترولیت سودسوزآور هستند.

    کلیدواژگان: کامپوزیت های بتنی، استحکام فشاری، چگالی، سولفوریک اسید، سودسوزآور
  • اطهر نجفی، مسیح دربندی* صفحات 53-64

    در این مقاله برای اولین بار نانوذرات اکسید نیکل در حضور و عدم حضور حلال اتکتیک عمیق با استفاده از روش ساده و مقرون به صرفه سولوترمال سنتز و مورد مطالعه قرار گرفته است. هدف از این پژوهش بررسی اثر حلال اتکتیک عمیق بر ساختار، مورفولوژی و همچنین فعالیت فوتوکاتالیستی نانوذرات سنتز شده می باشد. جهت ارزیابی و مطالعه ساختاری نمونه ها از تکنیک طیف سنجی پراش پرتو ایکس(XRD)، جهت اندازه گیری تخلخل و مساحت سطح از تکنیک تخلخل سنجی جذب-واجذب نیتروژن (BET)و جهت بررسی مورفولوژی، ترکیب و ساختار سطح از تکنیک میکروسکوپی الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM) استفاده شده است. نتایج به دست آمده از آنالیزها نشان می دهد که نانوذرات اکسید نیکل سنتز شده در حضور حلال اتکتیک عمیق از تخلخل و مساحت سطح ویژه بالاتری نسبت به نانوذرات اکسید نیکل بدون اتکتیک برخوردارند که این ویژگی باعث بهبود عملکرد فوتوکاتالیستی این نانوذرات جهت تخریب آلاینده های آلی می شود. در کار حاضر علاوه بر مقایسه ی روش سنتز، به مقایسه فعالیت سونوفوتوکاتالیستی نانوذرات جهت تخریب آلاینده آلی متیلن بلو پرداخته شده است. فعالیت سونوفوتوکاتالیستی با استفاده از تابش نور فرابنفش، امواج فراصوت و نانوذرات اکسید نیکل مورد بررسی قرار گرفته است. طبق آزمایشات صورت گرفته، نانوذرات اکسید نیکل سنتز شده در حضور حلال اتکتیک عمیق، رنگدانه متیلن بلو را در مدت زمان 60 دقیقه تحت تابش نور فرابنفش و امواج فراصوت به میزان 94% با ثابت سرعت 1/706(min-1)  تخریب کردند و نانوذرات اکسید نیکل بدون حلال اتکتیک عمیق، رنگدانه متیلن بلو را در همان شرایط به میزان 85% با ثابت سرعت 1/475(min-1)  تخریب کردند.

    کلیدواژگان: سولوترمال، نانوذرات اکسید نیکل، حلال اتکتیک عمیق، سونوفوتوکاتالیست
  • علی مهری زاد* صفحات 65-77

    در این تحقیق، کامپوزیت مغناطیسی NiO/Fe3O4 بر روی زئولیت کلینوپتیلولیت (NiO/Fe3O4/CP) سنتز شد و با تکنیک های مختلف از جمله XRD، FE-SEM، EDS و VSM شناسایی شد. امکان استفاده از NiO/Fe3O4/CP در نقش کاتالیزور در فرآیند ازناسیون کاتالیزوری پساب صنایع لبنی مورد بررسی قرار گرفت. تاثیر چهار متغیر عملیاتی موثر بر فرآیند، شامل مقدار کاتالیزور، pH ، مقدار ازن و مدت زمان مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس نتایج بدست آمده، افزایش مقدار کاتالیزور و ازن نقش بسزایی در افزایش راندمان حذف COD پساب دارند. بررسی اثر pH محلول نیز نشان داد که راندمان حذف COD پساب در محلول های قلیایی بیشتر از محلول های اسیدی است که دلیل آن را می توان به حضور رادیکال های هیدروکسیل در محیط های قلیایی و قدرت اکسیدکنندگی بالای آن ها نسبت داد. از مطالعات سینتیکی معلوم شد که حضور کامپوزیت مغناطیسی NiO/Fe3O4/CP در فرآیند ازناسیون کاتالیزوری منجر به افزایش دو برابری سرعت واکنش در مقایسه با فرآیند ازناسیون می شود.

    کلیدواژگان: NiO، Fe3O4، کلینوپتیلولیت، ازناسیون کاتالیزوری، پساب
  • ساره نعیم عبید ال عوید، محمد معظمی گودرزی*، علیرضا عباسی صفحات 78-92

    در تحقیق حاضر اثر آسیاکاری بر ریزساختار، خواص مکانیکی و رفتار تریبولوژیکی سرمت Al2O3/30wt%Ni بررسی شده است. به این منظور یک دسته از پودرهای اولیه آلومینا و نیکل خالص تحت فرآیند اختلاط ساده و دسته ای دیگر تحت آسیاکاری گلوله ای قرار گرفتند. پودرهای مخلوط یا آسیا شده به روش تفجوشی پلاسمای جرقه ای در دمای °C 1250 و فشار اعمالی MPa 30 منسجم سازی شده و خواص کامپوزیت های تولید شده بررسی شد. نتایج نشان داد که فرآیند آسیاکاری موجب پراکنده شدن ذرات نیکل بر روی سطح ذرات آلومینا شد که بهبود فرآیند تفجوشی را به همراه داشت. در نتیجه آسیاکاری توزیع ذرات نیکل در زمینه آلومینا و همچنین اتصال بین آن دو بهبود یافت و تخلخل های ریزساختاری نیز کمتر شد. سختی کامپوزیت های مخلوط و آسیا شده به ترتیب 576 و HV 858 اندازه گیری شد. علاوه بر این، شرایط اصطکاکی در کامپوزیت آسیا شده پایدارتر شد و ضریب اصطکاک آن نسبت به نمونه مخلوط شده کاهش یافت. نرخ سایش برای کامپوزیت های مخلوط و آسیا شده به ترتیب 0/00414 و mm3/m 0/00081 محاسبه شد. نتایج آنالیز سطح سایش نشان داد که تشکیل لایه تریبولوژیکی نقشی اساسی در رفتار سایشی سرمت های آلومینا-نیکل ایفا می کند.

    کلیدواژگان: سرمت Al2O3، Ni، آسیاکاری گلوله ای، ریزساختار، چقرمگی شکست، رفتار تریبولوژیکی
  • امیرمهدی همایونفرد، مهدی ملکی*، محمود غفاری، زینب سنائی صفحات 93-105

    باتری های لیتیوم-اکسیژن (Li-O2) بیشترین دانسیته ی ویژه ی انرژی نظری را، در میان سایر سامانه ها ذخیره ساز های انرژی، در اختیار دارند و بنابراین می توانند پاسخی مناسب به نیاز روز افزون بشریت به این سامانه ها به شمار آیند. یکی از اجزای اصلی باتری های Li-O2، کاتد است. هدف از این پژوهش بررسی تاثیر حضور مولیبدن دی سولفید (MoS2)، به عنوان الکتروکاتالیزگر در کاتد، بر ظرفیت ویژه ی باتری Li-O2، با مورد آزمایش قرار دادن دو نمونه ی دارای MoS2 و فاقد آن بوده است.برای رسیدن به این مهم، کامپوزیت گرافیت/MoS2 به روش گرمابی سنتز شد و از آنالیز های پراش اشعه ی ایکس (X-ray diffraction, XRD)، طیف سنجی رامان (Raman spectroscopy)، طیف سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (transform infrared spectrometer, FTIRFourier)، جذب-واجذب نیتروژن (N2 adsorption-desorption) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (scanning electron microscopy, SEM) برای مطالعه ی فازی، پیوندی، حفره ای و مورفولوژی سطحی این نمونه استفاده شد. در مرحله ی بعد، نمونه ی کامپوزیتی به عنوان کاتد باتری Li-O2 به کار گرفته شد و ظرفیت ویژه ای برابر با 912 mA h g-1 از خود نشان داد که به نقش به سزای حضور MoS2 در افزایش تقریبی 17/5 برابری ظرفیت باتری، نسبت به نمونه ی فاقد آن، اشاره دارد.

    کلیدواژگان: کاتد باتری Li-O2، کامپوزیت C، MoS2، سنتز گرمابی
|
  • Mehri Mashhadi, Farhad Farhang Rad* Pages 1-14

    The structures used in the military and aerospace industries require properties such as melting points, thermal shock resistance, and high erosion/oxidation resistance, and ZrB2-ZrC-SiC composites are the best choice due to their physical, mechanical, and oxidation properties. They are a suitable option for the protection of re-entry and supersonic structures.The strength of this research is the use of SiC in nano dimensions, the amount of its addition on the physical, mechanical properties and resistance to oxidation of ZrB2-ZrC-SiC nanocomposite has been investigated. For this purpose, SiC nanoparticles were added as reinforcement with amounts of 0, 5, 10, 15 and 20 wt% to the ZrB2 ‒10 wt % ZrC matrix and were sintered by PLS method. Also, B4C was used as a sintering aid in the amount of 3% by weight. The sintering process was carried out at a temperature of 2100°C for 1 hour with an approximate heating rate of 10°C/min. The results indicate that by adding 5% by weight of SiC in nano dimensions, the relative density reaches its highest value (98.5%). Also, by adding the same amount of nano SiC, the hardness of the samples reaches 13.8 Gpa. By examining the oxidation rate of the samples, it was proved that the sample containing 5% by weight of Nano SiC has the highest resistance to oxidation. The mass erosion rate in the sample containing 5% by weight of nano SiC is equal to 0.18 mg/s. However, increasing the amount of SiC nano has decreased the toughness so that the highest toughness is related to the sample without SiC.

    Keywords: ultra-high temperature ceramics, ZrB2-ZrC-SiC nanocomposite, pressureless sintering, oxidation behavior, UHTS
  • AmirHoshang Ramezani*, Amirhosain Sari, Rasha Saad Kerazi Pages 15-36

    Tantalum nitride (TaN) is widely used in mechanical and microelectronic industries due to its unique properties such as high hardness and high we are resistance as well as stable electrical resistance. Considering the its importance in this paper, taking into account the reliable references, a comprehensive review of research developments in the field of layer identification methods, characterization methods, properties and applications of TaN thin films has been carried out. For this purpose, firstly, the production and deposition of these thin layers have been studied by methods such as physical deposition (PVD), DC and RF magnetron sputtering. In addition, the structural, microscopic, electrical, optical, mechanical and tribological properties of thin layers of tantalum nitride have been comprehensively discussed. For this purpose, by analyzing X-ray diffraction patterns, atomic force microscope, scanning electron microscope, calculating the we arrate of the layers, the effect of changing the nitrogen content of the substrate bias voltage on the residual stress of the layers, changing the hardness and elastic modulus of the tantalum nitride layers with the current ratio Nitrogen, refractive index and extinction coefficient of layers, optical transmission spectrum of layers, electric resistance of layer in different nitrogen flow, surface resistance normalized according to temperature and changes of surface resistance of layers kept at different temperatures have been investigated in detail. The reviewed results show that the produced thin layers have a high potential for application in various fields, especially in harsh environments with high temperature and pressure. This review Article can be a suitable and comprehensive reference for the research that will be done in the field of TaN thin films and related technologies.

    Keywords: tantalum nitride, thin layer, address layer
  • Reza Rezvani Zadeh, Shahb Kazemi*, Rezvan Lak Pages 37-52

    In this research, the cement base composite reinforced with sand was produced by water and poly-polyurethane. In order to investigate the destructive effect of corrosive environments, the samples produced in different amounts of water, polyurethane polymer and sand were immersed in 10% caustic soda and 10% sulfuric acid electrolytes for 70 days. Next, in order to characterize the samples after immersion, the samples were examined by mechanical and physical evaluations including densitometry test and pressure test. The results of the densitometry test showed that the density of the samples immersed in sulfuric acid is about 10-20% lower than the samples immersed in caustic soda. The results of the pressure test showed that the strength of water produced samples is higher than the samples produced with polyurethane polymer. On the other hand, it was found that if sand is used and composite concrete samples are produced, the strength of the samples increases by 75%. The results of the compressive strength test showed that the strength of samples immersed in sulfuric acid electrolyte is generally 20-30% weaker than the strength of samples immersed in caustic soda electrolyte.

    Keywords: concrete composites, compressive strength, density, sulfuric acid, caustic soda
  • Athar Najafi, Masih Darbandi* Pages 53-64

    In this paper, nickel oxide nanoparticles were synthesized and studied for the first time in the presence and absence of Deep Eutectic Solvents (DES) using a simple and economical solvothermal method. The purpose of this study is to investigate the effect of DES on the structure, morphology and sonophotocatalytic activity of synthesized nanoparticles. The synthesized nanostructures were characterized by XRD, BET and SEM to evaluate their crystallinity, morphology, size and composition. The results show that the nickel oxide nanoparticles synthesized with DES have higher porosity and specific surface area than nickel oxide nanoparticles synthesized without DES. This caused better sonophotocatalytic performance for the degradation of organic pollutant. A comparison of the sonophotocatalytic activity of nanoparticles for the degradation of the organic pollutant methylene blue was studied to compare the effect of DES. The sonophotocatalyst is stimulated by ultraviolet light and ultrasonic radiation to form more active radicals during the sonophotocatalytic performance. According to the data from the sonophotocatalytic degradation study, the removal efficiency of the nickel oxide nanoparticles synthesized with DES was 94% at a constant rate of 1.706 (min-1), while the removal efficiency of the nickel oxide nanoparticles synthesized without DES was 85% at a constant rate of 1.475 (min-1).

    Keywords: Solvothermal, Nickel oxide nanoparticles, Deep eutectic Solvents, Sonophotocatalyst
  • Ali Mehrizad* Pages 65-77

    In this research, NiO/Fe3O4 magnetic composite supported onto clinoptilolite zeolite (NiO/Fe3O4/CP) was synthesized and characterized by different techniques such as X-ray diffraction (XRD), field emission-scanning electron microscopy (FE-SEM), energy-dispersive X-ray spectrometer (EDS) and vibrating-sample magnetometer (VSM). The feasibility of employing NiO/Fe3O4/CP as a catalyst in the catalytic ozonation of dairy effluent was investigated. The effect of four effective operational parameters (catalyst dosage, pH, ozone dosage and time) was investigated. Based on the obtained results, increasing the catalyst and ozone dosage play a vital role in increasing the COD removal efficiency of effluent. The effect of solution pH also showed that the COD removal efficiency of dairy effluent in alkaline solutions is higher than acidic solutions, which can be attributed to the presence of hydroxyl radicals in alkaline environments and their high oxidizing power. The kinetic studies demonstrated that the presence of the NiO/Fe3O4/CP ternary composite in the catalytic ozonation process leads to a doubling of the reaction rate compared to the ozonation process.

    Keywords: NiO, Fe3O4, Clinoptilolite, Catalytic ozonation, Effluent
  • Sarah Naeem Obaid, Mohammad Moazami-Goudarzi*, Alireza Abbasi Pages 78-92

    This research investigates the effects of ball milling on microstructure, mechanical properties and tribological behavior of Al2O3/30wt%Ni cermet. For this purpose, the primary powders of alumina and pure nickel were either mixed using a turbula mixer or milled using a planetary ball mill. The mixed or milled powders were consolidated by spark plasma sintering at 1250 °C and 30 MPa, and the properties of the produced composites were investigated. The results showed that the milling process caused the formation of a layer of nickel particles on the surface of the alumina particles, which improved the sintering process. As a result of the milling, the distribution of nickel particles in the alumina matrix and the bonding quality between them improved and the microstructural porosity was also reduced. The hardness of the mixed or milled composites was measured as 576 and 858 Vickers, respectively. In addition, the friction conditions in the milled composite became more stable and its friction coefficient decreased compared to the mixed sample. The wear rate for mixed and milled composites was calculated to be 0.00414 and 0.00081 mm3/m, respectively. The results of the wear surface analysis showed that the formation of the tribo-layer plays an essential role in the wear behavior of alumina-nickel cermets.

    Keywords: Al2O3, Ni cermet, Ball milling, Microstructure, Fracture toughness, Tribological behavior
  • AmirMahdi Homayounfard, Mahdi Maleki*, Mahmoud Ghafari, Zeinab Sanaee Pages 93-105

    Lithium-oxygen (Li-O2) battery is considered the system with the highest theoretical specific energy density among all other energy storage devices. Therefore, it can be a suitable response to the increasing demand for the energy. Due to the fact that the cathode is one the of key components, this research represents a practical investigation on the impact of utilizing molybdenum disulfide as an electrocatalyst in the cathode on specific capacitance of Li-O2 battery.To do so, at the first step, graphite/MoS2 composite was synthesized via one-pot hydrothermal approach. Then, different analysis of X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Fourier transform infrared spectrometer (FTIR), N2 adsorption-desorption, and scanning electron microscopy (SEM) were applied to study phase characteristics, covalent bonds, porous structure, and to observe the surface morphology of the synthesized composite. Finally, it was employed as the cathode of the Li-O2 battery and could exhibit the specific capacitance of 912 mA h g-1, which illustrates the significant effect of using MoS2 on increasing the specific capacitance by about 17.5 times than the sample without it.

    Keywords: Li-O2 battery cathode, MoS2, C composite, Hydrothermal synthesis