ﺑﺮرﺳﻲ ﻣﻜﺎﻧﻴﺴﻢ ﺗﺸﻜﻴﻞ ﻛﻮردﻳﺮﻳﺖ از ﻧﺎﻧﻮذرات ﺳﻴﻠﻴﺲ- ﻛﻠﺮﻳﺪ ﻣﻨﻴﺰﻳﻢ- آﻟﻮﻣﻴﻨﺎي اﻛﺘﻴﻮ
اﺣﻤﺪرﺿﺎ ﻋﺒﺎﺳﻴﺎن(1)، ﺻﻔﻮرا ﭘﺎﻛﺪاﻣﻦ ﺗﻬﺮاﻧﻲ(2)، ﻓﺮﻳﺪه ﻃﺒﺎﻃﺒﺎﻳﻲ(2)
1 ﮔﺮوه ﻣﻬﻨﺪﺳﻲ ﻣﻮاد، داﻧﺸﻜﺪه ﻣﻬﻨﺪﺳﻲ، داﻧﺸﮕﺎه ﺳﻴﺴﺘﺎن و ﺑﻠﻮﭼﺴﺘﺎن،
2 ﮔﺮوه ﻣﻬﻨﺪﺳﻲ ﻣﻮاد، ﻣﻮﺳﺴﻪ آﻣﻮزش ﻋﺎﻟﻲ ﻧﻘﺶ ﺟﻬﺎن، اﺻﻔﻬﺎن
ﭼﻜﻴﺪه :
ﺳﺮاﻣﻴﻚﻫﺎي ﻛﻮردﻳﺮﻳﺘﻲ ﺑﻪ ﻋﻠﺖ داﺷﺘﻦ ﺿﺮﻳﺐ اﻧﺒﺴﺎط ﺣﺮارﺗﻲ ﻛﻢ، ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ زﻳﺎد در ﺑﺮاﺑﺮ ﺧﻮردﮔﻲ و ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﺑﺎﻻ در ﺑﺮاﺑﺮ ﺷﻮك ﺣﺮارﺗﻲ ﻛﺎرﺑﺮدﻫﺎي زﻳﺎدي در اﺑﺰار ﻛﻮره و ﻟـﻮازم ﻣـﺼﺮﻓﻲ در دﻣـﺎي ﺑـﺎﻻ دارد.ﻫﺪف ﭘﮋوﻫﺶ ﺣﺎﺿﺮ ﺳﻨﺘﺰ ﻛﻮردﻳﺮﻳﺖ ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از ﻧﺎﻧﻮذرات ﺳﻴﻠﻴﺲ، ﻛﻠﺮﻳﺪ ﻣﻨﻴﺰﻳﻢ و آﻟﻮﻣﻴﻨـﺎي اﻛﺘﻴـﻮ اﺳـﺖ. ﺳﻨﺘﺰ ﺑﻪ روش ﺣﺎﻟﺖ ﺟﺎﻣﺪ اﻧﺠﺎم ﻣﻲﮔﺮدد. ﻣﻜﺎﻧﻴﺴﻢ ﺗﺸﻜﻴﻞ ﻛﻮردﻳﺮﻳﺖ ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از آﻧﺎﻟﻴﺰ ﺣﺮارﺗـﻲ ﻫـﻢزﻣـﺎن (STA) ﻫﻤﺮاه ﺑﺎ آزﻣﻮن ﭘﺮاش اﺷﻌﻪ اﻳﻜﺲ (XRD) ﻣﻮرد ﺑﺮرﺳﻲ ﻗﺮار ﻣﻲﮔﻴﺮد. ﻫﻤﭽﻨﻴﻦ ﺗﻮﺳﻂ ﻣﻴﻜﺮوﺳﻜﻮپ اﻟﻜﺘﺮوﻧﻲ روﺑﺸﻲ (SEM) رﻳﺰﺳﺎﺧﺘﺎر ﭘﻮدرﻫﺎي ﺳﻨﺘﺰ ﺷﺪه در دﻣﺎﻫﺎي ﻣﺨﺘﻠﻒ ﺑﺮرﺳﻲ ﺷﺪه اﺳﺖ. ﻧﺘﺎﻳﺞ ﻧـﺸﺎن ﻣﻲدﻫﺪ ﻛﻪ ﻣﻜﺎﻧﻴﺴﻢ ﺗﺸﻜﻴﻞ ﻛﻮردﻳﺮﻳﺖ از ﻣﻮاد اوﻟﻴﻪ ذﻛﺮ ﺷﺪه ﺑﺎ ﻣﻜﺎﻧﻴﺴﻢﻫﺎﻳﻲ ﻛـﻪ ﺗـﺎﻛﻨﻮن ﺑـﺮاي ﺗـﺸﻜﻴﻞ ﻛﻮردﻳﺮﻳﺖ ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از ﻣﻮاد اوﻟﻴﻪ دﻳﮕﺮ ﮔﺰارش ﺷﺪه، ﻣﺘﻔﺎوت اﺳﺖ. واﻛﻨﺶﻫﺎي اﺣﺘﻤـﺎﻟﻲ در ﻣـﺴﻴﺮ ﺗـﺸﻜﻴﻞ ﻛﻮردﻳﺮﻳﺖ در دﻣﺎﻫﺎي ﻣﺨﺘﻠﻒ ﭘﻴﺸﻨﻬﺎد داده ﺷﺪه اﺳﺖ. دﻣـﺎي ﺗـﺸﻜﻴﻞ ﻛﻮردﻳﺮﻳـﺖ از ﻣـﻮاد اوﻟﻴـﻪ ﻧـﺎﻧﻮذرات ﺳﻴﻠﻴﺲ، ﻛﻠﺮﻳﺪ ﻣﻨﻴﺰﻳﻢ و آﻟﻮﻣﻴﻨﺎي اﻛﺘﻴﻮ °1330C ﺗﻌﻴﻴﻦ ﺷﺪ. ﻛﻮردﻳﺮﻳﺖ ﺳﻨﺘﺰ ﺷﺪه ﺑﻪﺻﻮرت ﺧﺎﻟﺺ ﻧﺒـﻮده و ﺑﺎ ﻧﺎﺧﺎﻟﺼﻲﻫﺎي آﻟﻮﻣﻴﻨﺎ، ﻛﺮﻳﺴﺘﻮﺑﺎﻟﻴﺖ، اﺳﭙﻴﻨﻞ و ﻓﻮرﺳﺘﺮﻳﺖ ﻫﻤﺮاه اﺳﺖ.
1- ﻣﻘﺪﻣﻪ
كورديريت بـا تركيـب شـيميايي Mg2Al4Si5O18يكـي ازمهمترين فازهاي سيـستم سـه تـايي MgO-Al2O3-SiO2 است [1]. سراميك هاي كورديريتي به علت داشـتن ضـريب انبساط حرارتي كم، ديرگدازي و مقاومـت شـيميايي بـالا در برابر خوردگي، ضريب دي الكتريك پايين و مقاومت عالي در برابر شوك حرارتي كاربردهاي زيـادي دارنـد [1-3]. ابـزار كوره و لوازم مصرفي در دماي بـالا [2،4]، فيلتـر گـاز داغ و مــذاب فلــزات [2]، چينــي هــاي الكتريكــي [4]، پايــه كاتاليــست هــاي لانــه زنبــوري اگــزوز خــودرو [4] ، فيلتــر موتورهاي ديزلي[5 ,6]قطعات پيچيده مشعلهاي گاز [2] ، مبدل حرارتي موتور توربينهاي گازي [4]، مبدل كاتاليستي [4,5]پوششهاي ديرگداز [7]و بستر مدارهاي مجتمع [1,4]عايقهاي حرارتي [4,2]كاربردهـاي مهـم كورديريـت هستند.
به دليل اينكه كورديريت در طبيعـت بـسيار كميـاب اسـت،به صورت مصنوعي سنتز ميگردد [8]، به طوركلي كورديريت از واكـنش حالـتهـاي جامـد اكـسيدهاي SiO2 ،MgOو Al2O3يا مواد شامل اين اكسيدها تشكيل ميشـود. دمـاي تشكيل كورديريت به نوع مواد اوليه مصرفي بستگي زيـادي دارد. به همين علت مكانيسم و مسير سنتز با توجه بـه نـوع مـواد اوليـه متفـاوت اسـت [9]. بررسـي مكانيـسم تـشكيل كورديريت با استفاده از مواد اوليه مختلف موضوع تحقيقـات زيادي است. سنتز كورديريـت در حالـت جامـد را كرونـرت و همكارانش [10]در سـال 1954بـا اسـتفاده از مـواد اوليـه
كائولن و تالـك مطالعـه نمودنـد. آنهـا مكانيـسم تـشكيل ﻛﻮردﻳﺮﻳﺖ را ﻣﻄﺎﺑﻖ ﺑﺎ اﻧﺠﺎم واﻛﻨﺶﻫﺎي (1) ﺗﺎ (4) ﮔـﺰارش ﻧﻤﻮدﻧـﺪ. ﻃﺒـﻖ واﻛـﻨﺶ (1) ﻛـﺎﺋﻮﻟﻦ در دﻣـﺎي °800C ﺑـﻪ ﻣﺘﺎﻛﺎﺋﻮﻟﻦ ﺗﺒﺪﻳﻞ ﻣﻲﺷﻮد. ﺑﻪﻃﻮر ﻫﻢزﻣـﺎن ﺗﺎﻟـﻚ ﻧﻴـﺰ ﻃﺒـﻖ واﻛﻨﺶ (2) ﺑﻪ اﻧﺴﺘﺎﺗﻴﺖ و ﺳﻴﻠﻴﺲ آﻣﻮرف ﺗﺠﺰﻳﻪ ﻣﻲﺷﻮد. ﺑـﺎ اﻓﺰاﻳﺶ دﻣﺎ ﺑﻪ °1000Cﻣﺘﺎﻛﺎﺋﻮﻟﻦ ﺑﻪ ﻓﺎز ﻣﻮﻻﻳﺖ و ﺳـﻴﻠﻴﺲ ﻛﺮﻳﺴﺘﺎﻟﻲ (ﻛﺮﻳﺴﺘﻮﺑﺎﻟﻴﺖ) اﺳﺘﺤﺎﻟﻪ ﻣﻲﻳﺎﺑـﺪ. ﺳـﻴﻠﻴﺲ آﻣـﻮرف ﻧﻴﺰ در اﻳﻦ دﻣﺎ ﺑﻪ ﻛﺮﻳﺴﺘﻮﺑﺎﻟﻴﺖ ﺗﺒﺪﻳﻞ ﻣﻲﺷـﻮد. ﺳـﺮاﻧﺠﺎم در دﻣــﺎي °1150C ﻛﻮردﻳﺮﻳــﺖ از واﻛــﻨﺶ ﺑــﻴﻦ ﻣﻮﻻﻳــﺖ، ﻛﺮﻳﺴﺘﻮﺑﺎﻟﻴﺖ و اﻧﺴﺘﺎﺗﻴﺖ ﺗﺸﻜﻴﻞ ﻣﻲﺷﻮد. ﻻﻣﺎر و وارﻧﺮ [11] ﻧﻴﺰ در ﺳﺎل 1954 اﻳﻦ ﻣﻜﺎﻧﻴﺴﻢ را ﭘﻴﺸﻨﻬﺎد ﻛﺮدﻧﺪ وﻟﻲ دﻣﺎي ﺗــﺸﻜﻴﻞ ﻛﻮردﻳﺮﻳــﺖ را °1300C ﮔــﺰارش ﻧﻤﻮدﻧــﺪ. ﻃﺒــﻖ ﮔـﺰارشﻫـﺎي ﻛﺮوﻧـﺮت [10] و ﻻﻣـﺎر [11] و ﻫﻤﻜﺎراﻧـﺸﺎن ﺗﺸﻜﻴﻞ ﻛﻮردﻳﺮﻳﺖ ﻫﻤﺮاه ﺑﺎ ﻛﻤﻲ ﻧﺎﺧﺎﻟﺼﻲ ﻣﻮﻻﻳﺖ اﺳﺖ.
سنتز كورديريـت در حالـت جامـد بـا اسـتفاده از مـواد اوليـهكربنات منيزيم، آلومينـا و سـيليس آمـورف (فيلينـت) طبـق واكنشهاي (5)تا (8)گزارش شده است [10].
پارســينلو و همكــارانش [5]در ســال 2013بــراي ســنتز كورديريت از مواد اوليه نـانوذرات آلومينـا، نـانوذرات اكـسيدمنيزيم و رزين سـيليكوني اسـتفاده نمودنـد. آنهـا گـزارش نمودنــد اســپينل آلومينــات منيــزيم در دمــاي °1000Cاز واكنش نانوذرات آلومينا و نانوذرات اكـسيد منيـزيم تـشكيل شده و تا دماي °1250Cپايـدار اسـت. در دمـاي °1250Cبه طور همزمان كريستوباليت تشكيل شـده و بـا واكـنش بـا
اسپينل به كورديريت تبـديل مـي شـود. در دمـاي °1350C واكنش كامـل شـده و صـرفاً كورديريـت بـدون هـيچگونـه ناخالصي ديگري تشكيل مي شود.بنيتو و همكارانش [9]در سال 2012براي سنتز كورديريـت از مواد اوليه كائولن و همچنين هيدروكسي كربنات منيزيم و تالك به طور همزمان به عنوان منبع منيزيم اسـتفاده نمودنـد. طبق مكانيسم پيشنهادي آنها محصول نهـايي كورديريـت همراه با اسپينل است كـه از طريـق دو واكـنش بـه دسـت مي آيد. نخست از واكنش انستاتيت با مولايت، كورديريـت و اسـپينل تـشكيل مـي شـود. سـپس از واكـنش مولايـت بـا پريكلاس (MgO) ، كورديريت و اسپينل تـشكيل مـي شـود ردائــويي و همكــارانش [8]در ســال 2018بــراي ســنتزكرديريت از مواد اوليـه كـائولن و اكـسيد منيـزيم سـنتزي استفاده نمودند. طبق مكانيـسم پيـشنهادي آنهـا محـصول نهايي كورديريت است. بررسي الگوهـاي XRDدر گـزارش اين محققين نشان مي دهد مقداري فـاز ناخالـصي سـافيرين واكنش نكرده در كنار كورديريت وجود دارد. طبق نظر آنهادر دماي °950C فازهاي سافيرين و انستاتيت در كنـار فـاز كوارتز تشكيل ميشـود. در دمـاي °1000Cفـاز انـستاتيت كاملاً ناپديـد شـده و از مقـدار فازهـاي سـافيرين و كـوارتز كاسته شده و همزمان مولايت تشكيل مي شود. بـا افـزايش دما به °1100Cبر مقدار فاز مولايت افـزوده شـده ولـي بـا افزايش بيشتر دما به °1150Cاز مقدار آن به شدت كاسته و در دمــاي °1200C ناپديــد شــده اســت. در عــوض فــاز كورديريت شروع به تشكيل شدن كرده و مقدار آن افـزايش مي يابد. اين در حالي است كه سافيرين و سيليس به صـورت كريستوباليت در دماهـاي 1150و °1200Cحـضور دارنـد. سرانجام در دماي °1250Cكريستوباليت و سافيرين نيز بـه كورديريت تبديل مي شوند. همانطور كه ملاحظه شد بسته به نوع مواد اوليه، مكانيـسم تشكيل كورديريت شـامل دمـاي تـشكيل، فازهـاي ميـاني تشكيل شده و تركيب محـصول نهـايي، متفـاوت اسـت. در پژوهش حاضر مكانيسم تـشكيل كورديريـت از مـواد اوليـه شامل نانوذرات سيليس، كلريد منيزيم و آلوميناي اكتيو براي اولين بار مورد مطالعه قرار مي گيـرد. طبـق نتـايج تحقيقـات گذشته، تشكيل فازهاي مياني اسپينل و مولايت در تـشكيل فاز نهايي كورديريت مؤثر هستند. لذا انتظار است با كـاهش دماي تشكيل اين فازها بتوان كورديريت را در دماي پايينتر سـنتز كـرد. هـدف از انتخـاب نـانوذرات سـيليس در كنـار آلوميناي اكتيو اين است كه انتظار مي رود استفاده از مواد بـا اندازه ذره كوچك بتواند سبب بهبود سينتيك انجام واكـنش به دليل مسير نفوذ كوتاهتر اتـم هـا شـده و درنهايـت دمـاي تشكيل مولايت كاهش يابد. از طـرف ديگـر گـزارش شـده است كه واكنش كلريد منيـزيم بـا آلومينـا مـي توانـد دمـاي تشكيل اسپينل را به مقـدار قابـل تـوجهي حتـي تـا °400C كاهش دهد [12] ، در سالهاي اخير گزارش هايي مبنـي بـر اسـتفاده از نـانوذرات بـه عنـوان افزودنـي وجـود دارد. ولـي به عنوان ماده اوليه استفاده از نانوذرات به عنـوان مـاده اوليـه محدود به سليس كلوئيدي (سوسپانسيون نـانوذرات سـليس) است[14 ,13]در كار حاضر بـراي اولـين بـار از نـانوذرات سيليس خشك كه توسط يك شـركت دانـش بنيـان ايرانـي توليد مي شود، استفاده شده است. همچنين استفاده از نمـك ارزان قيمت كلريد منيزيم براي اولين بار گـزارش مـي شـود.استفاده از آلوميناي اكتيو به عنوان يـك مـاده اوليـه مناسـب توسط برخي محققين گزارش شده است[15].
2-فعاليتهاي تجربي
1-2-مواد اوليه
در اين پژوهش از پودرهـاي نـانوذرات سـيليس تجـاري بـا خلـوص 98/6درصـد و محـدوده انـدازه ذرات 15-20 nm توليد شركت فدك ايران، آلوميناي فعال شده با نـام تجـاري PFR 20با خلـوص 99/8درصـد و محـدوده انـدازه ذرات كوچــكتــر از 10ميكرومتــر بــا متوســط انــدازه ذرات 2/2 ميكرومتر توليد شركت Alteoفرانسه و كلريد منيزيم شـش آبه توليد شركت مرك آلمان با كد 105833به عنـوان مـواد اوليه استفاده شد. براي شناسايي و تاييد صحت مواد اوليه از آزمون XRD اسـتفاده شـد. آناليزهـاي XRD در شـكل 1 نشان داده شده اسـت. همـان طـور كـه مـشاهده مـي شـود آلوميناي اكتيو به صورت تـك فـاز اسـت و از فـاز كورانـدوم منطبق بر كارت (1862-075-01) تشكيل شده است. همـه پيك هاي تشكيل شده براي تركيب كلريد منيزيم منطبق بر كارت (0100-003-00) است كه نشان مي دهـد ايـن مـاده فاقد هرگونه فاز ناخالصي است. لازم بـه ذكـر اسـت كـه در الگوي XRDنانوذرات SiO2در محدوده زواياي 20تـا 30 درجه، يك پيك پهن مشاهده مـي شـود كـه نـشان دهنـده آمورف بودن ساختار اين ماده است. همه مواد اوليه مطابق با نسبت استوكيومتري تركيب كورديريـت (Mg2Al4Si5O18) توسط يك همزن توربو سـاخت شـركت امـين آسـيا فنـاور پارس به حجم 2 ليتر در حالت خشك به خـوبي بـا يكـديگر مخلوط شدند. عمليات مخلوط كردن بـا سـرعت 60دور بـر دقيقه به مدت 2ساعت در حالتي كه حداكثر يـك پـنجم از حجم همزن با پودر پر بود، انجام شد. نسبت تركيب مخلوط مواد اوليه برحسب درصـد وزنـي بـه صـورت 32/98درصـد نانوذرات سـيليس (nano-SiO2) ،و 22.38 درصـد آلومينـاي فعال شده(Al2O3) و 44/64درصد منيزيم كلرايد شش آبـه است(MgCl2.6H2O) است .
3-آزمونهاي تجربي
جهت تعيين مكانيسم واكنشها در مسير تشكيل كورديريتبه طور همزمان آناليز حرارتي افتراقي (DTA) و آناليز توزين حرارتي(TG) توسط دستگاه TAساخت كشور آمريكا روي مخلوط پودري اوليه انجام شد. بر اساس تغييرات حرارتـي و وزني آناليز همزمان حرارتي، مخلـوطهـاي پودرهـاي اوليـه تهيه شده بدون اعمال هرگونه فشار در يك بوتـه آلومينـايي ريخته شده و هركدام به مدت 3ساعت در دماهاي مختلـف 1330 ،1290 ،1150 ،1050 ،900 ،750 ،525 ،350 شــامل و °1390Cكلسينه شدند. پس از سرد شـدن مخلـوط هـاي پودري در كوره خاموش، آنهـا تحـت آزمـون پـراش اشـعه ايكس (XRD) توسط دستگاه مدل D8 Advanceسـاخت شركت بروكر آلمان قرار گرفتند. ريزساختار مخلوط پودرهاي كلــسينه شــده در دماهــاي مختلــف توســط ميكروســكوپ الكتروني روبشي ) (SEMمجهز به آنـاليزور تفكيـك كننـده انرژي (EDS) ساخت شركت فناوري KYKY چـين مـدل EM3900M مورد مطالعه قرار گرفت.
4-نتايج و بحث
منحني هاي به دستآمده از آناليزهاي همزمان DTA-TG با نرخ گرمـايش 10C° min-1 در اتمـسفر هـوا روي مخلـوط پودري شامل 32/98درصد وزني نانوذرات سـيليس، 22/38درصد وزني آلوميناي فعال شده و 44/64درصد وزني منيزيم كلرايد شش آبه، در شكل 2 نشان داده شده است. سه پيـك گرماگير در منحني DTA به ترتيب شامل دو پيك كوچـك در دماهـاي 105و °118Cو يـك پيـك بـزرگ در دمـاي °146Cمشاهده مي شود. اين سه پيـك متنـاظر بـا كـاهش وزن حدود 19/7درصد در منحني TGهستند. با توجـه بـه مراجع [17 ,16] ، پيك هاي گرماگير و كـاهش وزن متنـاظرمربوط به كاهش آب ساختاري تركيب MgCl2.6H2O طي واكنش هاي متوالي است كه مجموعاً به صـورت واكـنش (9) بيان ميشود.
چهارمين پيك مشاهده شده بـه صـورت گرمـاگير در دمـاي °179C رخ مي دهد. اين پيك متناظر با كـاهش وزن حـدود 4/7 درصد در منحني TG است. با توجه به مراجع [17 ,16] پيك گرمـاگير مـشاهده شـده مربـوط بـه تـشكيل تركيـب Mg(OH)Clطبق واكنش (10) است. علـت كـاهش وزن،خروج HCl و بخشي از آب ساختاري به صورت گاز است.
پنجمين پيك مشاهده شـده بـه صـورت گرمـاگير در دمـاي °237C متناظر با كاهش وزن حدود 4/3 درصـد در منحنـي TG اسـت. بـا توجـه بـه مراجـع [18 ,16] پيـك گرمـاگير مشاهده شده و كاهش وزن متناظر مربوط به از دسـت دادن آب سـاختاري تركيـب Mg(OH)Cl مطـابق واكـنش است(11).
ششمين پيك به صورت گرماگير در دمـاي °457Cمـشاهده ميشود. اين پيك متناظر با مجموع كاهش وزن بـه ميـزان 11/4درصد در منحني TG است كه كـاهش وزن طـي دو مرحله به ترتيب 2/0 و 9/4 درصدي انجام مـي شـود. علـت پيك گرمـاگير مـشاهده شـده در دمـاي ،°457C اسـتحاله تشكيل MgO از MgOHCl است. شـكل 3 آنـاليز XRD مخلوط هاي اوليه كه در دماهاي مختلف كلسينه شده اسـت را نشان ميدهد. همانطور كه مشاهده مـيشـود در دمـاي 350°Cتركيب شـامل Al2O3منطبـق بـر كـارت (1862-075-01) و MgOHClمنطبق بر كارت (0100-003-00) است. لازم به ذكر است كه SiO2 بـه دليـل آمـورف بـودن مشاهده نمـي شـود. در دمـاي °525C اثـري از پيـك هـاي MgOHCl مشاهده نمي شود و در كنار پيـكهـاي Al2O3 كه بدون تغيير مانده اند، پيك هاي MgO منطبق بـر شـماره كارت (7746-089-01)مشاهده مي شود. بنابراين مي تـوان گفت استحاله تشكيل MgO از MgOHCl طبـق واكـنش(12)،علت پيك گرماگير مـشاهده شـده در دمـاي °457C است. همچنين خروج آب سـاختاري بـاقيمانـده از واكـنش(11) و خروج گـاز HCl بـه ترتيـب علـت كـاهش وزن دو مرحله اي مشاهده است. اين مشاهدات با گزارشهاي مراجع [18 ,16] همخواني دارد.
در محدوده دمايي 800-°1000C يـك پيـك پهـن گرمـازا بدون تغيير وزن قابل توجهي در نمودار TG مشاهده ميشود. طبق شكل 3 در دمـاي °750C الگـوي XRD هـيچگونـه تغييري نسبت به دماي °550C نشان نمي دهد. درحـاليكـه در الگــوي XRD در دمــاي °900Cشــاهد تــشكيل فــاز انــستاتيت منطبــق بــر كــارت (2932-900-96) هــستيم.بنابراين مي توان گفت پيك مشاهده شده در محدوده دمـاي
800-1000°Cمربوط به تـشكيل فـاز انـستاتيت از طريـق واكنش گرمـازاي (13)اسـت. در شـكل 4 الـف ريزسـاختار مخلوط پودري كلسينه شـده در دمـاي 900°Cنـشان داده شده است. با توجه شكل 3در الگوي XRDنمونه كلـسينه شده در دماي 1050°Cنـسبت بـه دمـاي 900°Cتغييـري چنداني مشاهده نميشود. ولي در تصوير SEMمربـوط بـه پودر كلسينه شده در دماي 1050°C(شكل 4ب) شاهد رشد
ذرات انستاتيت هستيم. تمـام فازهـاي گـزارش شـده بـراي تصاوير SEMبر اساس آناليز شـيميايي EDXتعيـين شـد. آناليز شيميايي مربـوط بـه نـواحي مختلـف در شـكل 4 ، درجدول 1ارائه شده است.
در محدوده دمايي بين 1100تا 1200°Cپيك بسيار ضعيف گرمازا مشاهده ميشود. در دمـاي 1150°Cشـاهد تـشكيل كريستوباليت منطبق بر كارت (0939-076-01)در الگـوي XRDهستيم. همچنين پيـكهـاي ضـعيفي از فورسـتريتمنطبــق بــر كــارت(5130-089-01)مــشاهده مــي شــود. بنابراين مي تـوان گفـت پيـك گرمـازاي مـشاهده شـده درمنحني DSC به علت استحاله فاز سـليس آمـورف بـه فـاز كريستالي (كريستوباليت) و همچنين تشكيل فاز فورسـتريت از طريق واكنش گرمـازاي (14) اسـت. ريزسـاختار مخلـوط پودري كلسينه شده در دماي °1150C در شكل 4ج نـشان داده شده است. همانطور كه مي توان مشاهده كرد دانه هاي فورستريت با ابعاد نانومتري تشكيل شده است.
با افزايش دماي كلسيناسيون به °1290C،در الگوي XRD از يــك طــرف شــاهد افــزايش شــدت نــسبي پيــك هــاي فورستريت، كاهش شدت نسبي پيكهاي آلومينـا Al2O3 و عدم مشاهده پيكهاي مربوط به MgO و انستاتيت هستيم. از طرف ديگر شاهد تشكيل پيك هـاي مربـوط بـه اسـپينل MgAl2O4 منطبــق بــر كــارت شــماره (2100-900-96) هستيم. بنابراين مي توان گفت در محدوده دمـايي °1290C ،بخشي از MgO با بخـشي از Al2O3 موجـود در تركيـب از طريــق واكــنش (15) ســبب تــشكيل اســپينل MgAl2O4 مي شود. همچنين بخش ديگر MgO با واكنش با انـستاتيت سبب افـزايش تـشكيل فورسـتريت از طريـق واكـنش (16) مي شود. ريزساختار مخلوط پـودري كلـسينه شـده در دمـاي °1290Cدر شكل 4د نشان داده شده است.
در دمــاي °1330C در الگــوي XRD عــلاوه بــر حــضور پيـك هـاي فازهـاي آلومينـا، فورسـتريت و اسـپينل، شـاهدتشكيل فاز كورديريت (Mg2Al4Si5O18) منطبق بر كـارت شماره(1121-084-01) همچنين فاز مولايت (Al2SiO5) منطبق بر كارت شماره (1568-900-96) هستيم. با افزايش دما به °1390C شاهد افزايش شدت نسبي پيك هاي مربوط به كورديريت و كـاهش شـدت نـسبي پيـك هـاي آلومينـا،
فورستريت و كريستوباليت هستيم. بنابراين مـي تـوان پيـك گرمازاي مشاهده شده در دماي 1370°C در منحنـي آنـاليز DTA كه شروع آن از دماي °1330C اسـت را مربـوط بـه تشكيل فازهاي مولايت و كورديريت مطابق با واكنش هـاي(17)،(18) و (19) تشخيص داد. لازم به ذكر است افـزايش وزن 2/6 درصـد وزنـي در منحنـي آنـاليز TG در محـدوده دمايي متناظر (شکل2) احتمالاً مربوط بـه جـذب اكـسيژن محــيط بــراي تــشكيل كورديريــت يــا مولايــت اســت. از يك طرف، با توجه به اينكـه آنـاليز حرارتـي در محـيط هـوا انجام مي شود، تنها دليل منطقي براي افزايش وزن ميتوانـد جذب اكسيژن باشد. از طرف ديگر با توجه به اينكه افـزايش وزن مـشاهده شـده در آنـاليز حرارتـي متنـاظر بـا تـشكيل كورديريت و مولايت طبق آناليزهاي XRD است، بـه نظـر مي رسد در ساختار شبكه كريستالي كـورديريتي يـا مولايـت كه در دماي پايينتر تشكيل مي شود احتمالاً نقايص زيـادي وجود دارد كه با افزايش دماي عمليات حرارتي اكسيژن وارد شبكه كورديريت يا مولايت مي شود.
در شكل 4د تـصوير SEM از ريزسـاختار مخلـوط پـودري كلسينه شده در دماي °1390C نـشان داده شـده اسـت. در اين تصوير مي توان تـشكيل دانـه هـاي كورديريـت ريزدانـه به صورت هم محور و همچنين تـشكيل دانـه هـاي مولايـت به صورت ستوني را مشاهده نمود. ريزساختار مشاهده شده در تطبيق با نتايج آناليز فازي شكل 3 است.
5-نتيجه گيري
مكانيسم تـشكيل كورديريـت از نـانوذرات سـيليس، كلريـد منيزيم و آلوميناي اكتيو به صورت زير است.
– استحاله كلريد منيزيم به اكسيد منيزيم تا دماي °460C
– تشكيل انستاتيت از واكنش بين اكسيد منيزيم و سيليس آمورف در دماي °900C
– اسـتحاله سـيليس آمـورف بـه كريـستوباليت در دمـاي °1100C
– تـشكيل فورسـتريت از واكـنش بـين اكـسيد منيـزيم و كريستوباليت در دماي °1150C
– افـزايش مقـدار تـشكيل فورسـتريت از طريـق واكـنشانستاتيت با اكسيد منيزيم در دماي °1290C
– تشكيل اسپينل آلومينات منيزيم از طريق واكنش آلومينا با اكسيد منيزيم در دماي °1290C
– تشكيل مولايت از طريق واكنش آلومينا با كريـستوباليت در دماي °1330C
– تشكيل كورديريت از طريـق واكـنش اسـپينل آلومينـات منيزيم با كريستوباليت در دماي °1330C
– تـشكيل كورديريـت از طريـق واكـنش فورسـتريت بـا كريستوباليت و مولايت در دماي °1330C
تشكر و قدرداني
بدين وسيله از شركت پيشتاز نانو صنعت شريف براي حمايت مالي انجام شده از اين پروژه قدرداني مي گردد.
منبع : نشریه علم و مهندسی سرامیک
شماره تماس: 
تلفن ثابت: 
کانال تلگرام: 
اینستاگرام: 
ایمیل: 
