1-1) مقدمه
تیالیت (AL2Tio5) ماده سرامیکی است که بوسیله واکنش حالت جامد ترکیب هم مولار Tio2و AL2O3 در محدوده دمایی 1400-1360 درجه سانتی گراد تشکیل می شود و تا بالای نقطه ذوبش (1860c) پایدار می ماند سرامیکهای بر پایه تیالیت ویژگیهای خارق العاده ای دارند که آنها را برای کاربردهای مدرن به ویژه صنعت اتوموتیو مناسب می سازد . تیالیت به دلیل شوک پذیری عالی و ضریب انبساط حرارتی خیلی پایین مورد استفاده در کاربردهای دما بالا است . با این همه به دلیل دو عیبی که دارد کاربردهای صنعتی آن محدود شده است .یکی از این معایب تجزیه حرارتی تیالیت به کوراندم و روتایل در محدوده دمایی 1280-800 درجه سانتیگراد بوده و دیگری استحکام شکست خیلی پایین تیالیت که ناشی از توسعه میکروترکهای گسترده در حین سرمایش از زینترینگ تا دمای اتاق است . اکسیدهایی از قبیلZrTio4,Fe2o3,Zro2,Mgo و مولایت جهت کنترل تجزیه تیالیت افزوده می شوند در میان این پایدارسازهاMgo و Fe2o3 میزان بالایی از پایداری فازی را در شرایط بحرانی ارائه می دهند مقاومت مکانیکی پایین با ساخت کامپوزیتهای تیالیت – زیرکونیا و کامپوزیتهای تیالیت – مولایت که با افزودن کائولن تهیه می شود افزایش داده می شود جدیدترین روش سنتز تیالیت از طریق فرایند سل – ژل صورت می گیرد که به تولید ذرات نانوی تیالیت منجر می گردد.
1 . 2 ) ساختار کریستالی تیالیت
ساختار کریستالی تیالیت با ساختار مینرال پزودوبروکیت ()ایزوموروف است و در گروه فضایی اوروتورومبیک متبلور می شود و ثوابت شبکه آن به صورت زیر است :
a = 3/591 A , b = 9/429 A , c = 9/636 A
در این ساختار هر کاتیون بوسیله شش یون اکسیژن محاصره شده و هشت وجهی اعوجاج یافته اکسیژنی تشکیل می شود[15]. هشت وجهی 6Tio یا6ALo زنجیرهای دو جهته (001)را تشکیل می دهند که به طور ضعیف با اشتراک لبه ها به یکدیگر متصل می شوند[10].
تیالیت به دو فرم آلوتروپی وجود دارد. 5Tio2AL - فاز دما پایین و 5Tio2AL -فاز دما بالا بوده و دمای تبدیل این دو فرم c 1820 است[13].
1 .3 ) ویژگی های تیالیت
تیالیت (5Tio2AL ) یک ماده دیرگداز با ضریب انبساط حرارتی خیلی پایین (کمتر از سیلیس گداخته) است، که پیامد آن مقاومت به شوک حرارتی عالی بوده و این مزیت عمده تیالیت است. به علاوه، این ماده هدایت حرارتی خیلی پایین، حدوداً 5/1 و نقطه ذوب بالا، حدود c 1860 دارد. مقاومت شیمیایی خوب، عایق حرارتی و مقاومت الکتریکی بالا از دیگر ویژگی های تیالیت است[1-3].
1 . 3 . 1 ) انیزوتروپی حرارتی تیالیت و پدیده میکروترک خوردگی
ساختار کریستالی تیالیت موجب انیزوتروپی حرارتی شدید می شود که سیستم پیچیده ای از تنشهای درونی موضعی را در طی سرمایش ازدمای زینترینگ ایجاد می کند. این تنشهای متجاوز از استحکام شکست ذاتی ماده، منجر به میکروترک خوردگی شدید می شود. میکروترک خوردگی دلیل ضعف مکانیکی تیالیت و همچنین ضریب انبساط حرارتی پایین آن است. به عبارتی دیگر، میکروترکها هدایت حرارتی پایین و شوک پذیری عالی را موجب می شوند[4],[15]. ضرایب انبساط حرارتی در امتداد جهات اصلی کریستالوگرافی دارای مقادیر زیر است[11] :
1 - k6-10× 4/1- = c و 1-k 6-10×6/20 = bو 1-k 6-10× 8/9 = a
پدیده میکروترک مرتبط با ریز ساختار ماده است. در زیر اندازه دانه بحرانی که در محدوده 2-1 میکرومتر است، انرژی الاستیک سیستم برای تشکیل میکروترک در طول سرمایش کافی نبوده و بنابراین ویژگی های مکانیکی به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد[1],[5]. اندازه دانه به تاریخچه حرارتی نمونه بستگی دارد. اندازه دانه بحرانی به طور معکوس متناسب با مجذور میزان انیزوتروپی انبساط حرارتی است. اندازه دانه بحرانی به طور معکوس با دمای زینترینگ در زیر c1500 تغییر می کند. از این رو، دماهای زینترینگ پایین تر منجر به اندازه دانه بحرانی بیشتر و میکروترک خوردگی کمتر می شود[10].
1 . 3 . 2 ) ناپایداری حرارتی تیالیت
ناپایداری فاز تیالیت به اعوجاج شبکه کریستالی آن نسبت داده است. این اعوجاج ناشی از اختلاف شعاع بین است. یون کوچک آلومینیم (به شعاع یونی 05/0 نانومتر) که در بعد بزرگتر ساختار قرار می گیرد، پایداری حرارتی ساختار را تحت تأثیر قرار می دهد. تیالیت در محدوده دمایی c 1280 – 800 تجزیه می شود، در واقع تیالیت در دمای اتاق تا c750 و از c 1280 تا نقطه ذوبش پایدار است و در محدوده دمایی c 1280 – 800 به اکسیدهای سازنده، کوراندم (3o2AL -) و روتایل (2Tio) تجزیه می شود. پدیده تجزیه زیر c 900 خیلی آهسته است و در محدوده دمایی c 1200 – 900 به حداکثر سرعت می رسد[1]. پدیده تجزیه که با فرآیند جوانه زنی و رشد دانه کنترل می شود بوسیله ویژگی های پودر اولیه و متغیرهای فرآیند (فشار تراکم، دما و زمان زینترینگ) تحت تأثیر قرار می گیرد[15].
1 . 4 ) وابستگی دمایی ویژگی های مکانیکی سرامیکهای تیالیتی
1 . 4 . 1 ) تأثیر دما بر ریز ساختار
تصویر SEM سطح پولیش شده در شکل) 1 – 1( نشان داده شده است. نواحی خاکستری دانه های AT با طول متوسط حدوداً 3 میکرومتر، و نواحی تیره تخلخل های توزیع شده به طور یکنواخت در سرتاسر زمینه هستند. شکل) 1 – 2 ( تصاویر SEM سطوح شکست نمونه ها در دمای اتاق (RT) را نشان می دهد :
(a) بدون عملیات حرارتی، (b) پس ازاولین عملیات حرارتی، و (c) بعد از دومین عملیات حرارتی. پیکانهای سفید میکروترکها را نشان می دهند و حلقه های نقطه چین آگلومره های شیشه ای را نشان می دهند. میکروترکهای زیادی در امتداد مرز دانه های زمینه در دمای اتاق وجود دارد (شکل a – 1 - 2) میکروترک خوردگی به وسیله تغییر ضریب انبساط حرارتی در جهات کریستالی دانه های AT ایجاد می شود و تنشهای مرز دانه افزایش می یابد. این تنش ها برای شروع ترکهای کوچک کافی هستند. تنش های تولید شده در طول سرمایش نمونه ها از دمای زینترینگ موجب میکروترک خوردگی بدون شکست می شود. در دمای بالا، میکروترکها بسته شده و خود جوش خورندگی مسئول فاز شیشه است. خود جوش خورندگی میکروترکها مکرراً در نتیجه تکرار سرمایش از c 702 به RT اتفاق می افتد. بنابراین، دانسیته میکروترک در مقایسه با نمونه بدون عملیات حرارتی کمتر است (شکل 1 - 2). زیرا فاز شیشه از ساختار جدا شده و مقدار زیادی از فاز شیشه در زمینه AT به دام می افتد. اختلاف زیادی در ریز ساختار سطح شکست در دمای c702 پس از اولین و دومین سیکل عملیات حرارتی دیده نمی شود (شکل 1 - 3). میکروترک خوردگی بین دانه ای کمتری در سطح شکست در c 702 در مقایسه با سطح شکست در دمای محیط دیده می شود. فازشیشه از تقاطع سه گانه دور شده و در مرز دانه قرار می گیرد. دیفراکسیون اشعه x نشان داد که عملیات حرارتی ترکیب فازی را تغییر نمی دهد.
1 . 4 . 2 ) تأثیر دما بر مدول الاستیک و هدایت حرارتی تیالیت
شکل) 1 – 4( وابستگی دمایی مدول الاستیک و هدایت حرارتی سرامیکهای AT از دمای محیط تا 704 درجه را نشان می دهد. افزایش ناگهانی مدول الاستیک و هدایت حرارتی در بالای 502 درجه سانتی گراد پیشنهاد می کند که سطوح ترک بسته شده، خود جوش خورنده هستند و موجب اتصال دانه های AT بوسیله فاز شیشه زمینه می شوند. یک رفتار هیسترزیس حرارتی طی گرمایش و سرمایش در ویژگیهای انبساط حرارتی خطی سرامیکهای AT مشاهده می شود (شکل 1 - 5). آنالیز ICP نشان می دهد که اختلاف ترکیب فاز شیشه بین 19 – TM و 20 – TM در مقدار 2Sio است (19 – TM : 1/8 درصد جرمی، 20 – TM : 31/6 درصد جرمی). این بوسیله میکروترک خوردگی ناشی از انیزوتروپی انبساط حرارتی کریستالهای AT می تواند توضیح داده شود، که تنش های میکروسکوپی را در طول سرمایش افزایش می دهد. این تنشهای درونی موضعی نیرو محرکه میکروترک خوردگی هستند. به طور واضح، اختلاف ترکیب فاز شیشه اثر زیادی بر انقباض و انبساط کریستالهای AT دارد[20].