21946

21946

بررسي اثر شرايط سنتز بر سينتيك تشكيل نيتريد سيليسيم پيوند واكنشي

دكتري

مهندسي مواد

91

1398/10/28

دكتر ميرحبيبي - دكتر گلستاني فرد

مواد و متالورژي

در طي سه دههي اخير نيتريد سيليسيم ) (Si3N4به دليل سبكي، استحكام و چقرمگي نسبتاً بالا خصوصاً در كاربردهاي هوافضا، پزشكي و خودرو در كانون توجه قرارگرفته است. اين ماده سراميكي عمدتاً از طريق واكنش كاربوترمال 1سيليس در اتمسفر نيتروژن در دماهاي بالا توليد ميشود در حاليكه تهيه آن از طريق واكنش مستقيم )پيوند واكنشي( Siو نيتروژن باوجود مزيت دماي سنتز پايين فرآيند، به دليل اثر عوامل مختلف مورد بحث و مناقشه بوده است. در تحقيق حاضر اثر عوامل مختلف نظير فشار نيتروژن، اندازه ذرات ،Siمقدار بهينه كاتاليست آهن بر سينتيك تشكيل Si3N4با آزمايشهاي مختلف بررسي شده و تأثير پارامترها با استفاده از مدلسازي بهينهيابي شد. مقدار انرژي اكتيواسيون محاسبه شده براي اين واكنش برابر با 302/5و ثابت سينتيك آن برابر با كسر جزئي تبديل ساعت 3/5 ×109تعيين شد. همچنين ضريب نفوذ مؤثر نيتروژن در D cm S exp eff  2 1   7.618       301.7RT KJmol1  نيتريد سيليسيم به صورت   تعيين شد. مدل جديد ارائه شده در اين تحقيق مدلهاي قبلي اصلاح شده و امكان طراحي فرآيند جامعتر براي توليد صنعتي اين ماده، از طريق پيوند واكنشي فراهم گشته است. در مدل حاضر پارامتر افزايش حجمي ذره حين واكنش ،Z برابر با 1,216محاسبه و در رابطه مدل اعمال شد. براي انجام آزمايش نيتريدهكردن نمونهها به صورت قرص فشرده از پودر سيليسيم اوليه آماده شد. نمونهها به صورت پودر و قرص فشرده در كوره تيوبي در معرض گاز نيتروژن در شرايط مختلف آزمايشي مانند دما، فشار، اندازه ذره اوليه و تركيب سيليسيم اوليه متفاوت قرار گرفت. ميزان پيشروي واكنش در زمانهاي مختلف با استفاده از تغيير وزن نمونهها و تبديلات استوكيومتريك، تعيين گرديد. با افزايش فشار نيتروژن از مقدار 0/4اتمسفر به 0/95توسط افزايش غلظت نيتروژن سيلان يافته در محيط واكنشي، پديده زانويي شدن منحني سينتيك نمونه در نمونههاي پرس شده مشاهده شد كه به دليل تعداد جوانههاي اوليه بالا و انسداد سريعتر كانالهاي نفوذ نيتروژن در فشارهاي بالاتر است. در مورد پارامتر اندازه ذره با كاهش اندازه ذره سيليسيم اوليه، سطح واكنش در معرض گاز واكنشگر افزايش يافته و سرعت انجام واكنش بيشتر ميشود. افزودن پودر آهن به پودر اوليه سيليسيم موجب تشكيل فاز مايع FeSi2 1-carbothermalو شده و اين فاز مسير مناسبي براي نفوذ نيتروژن به داخل نمونه از طريق انحلال نيتروژن در فاز مايع فراهم ساخته و سرعت انجام واكنش را افزايش داد. مقدار بهينه ميزان آهن برابر با 0/8درصد وزني تعيين شد. عوامل مؤثر بر سنتز و سينتيك نيتريد سيليسيم پيوند واكنشي بررسي و شناسايي شده و رفتار عوامل مؤثر به صورت مدلهاي رياضي بيان شد. اساس اين مدل براساس تئوري مدل سطح مشترك تيز (SIM) 1ميباشد. در اين مدل سعي شد تا نقايص و كمبودهاي مدلهاي قبلي از لحاظ درنظرگرفتن تعداد پارامترهاي مختلف مؤثر بر سينتيك واكنش، برطرف شده و از جامعيت بالاتري برخوردار باشد. طي اين پژوهش سازوكار تأثير دما، زمان، اندازه ذره، فشار و افزودني آهن با جزئيات بالا در سينتيك نيتريدهكردن سيليسيم بيان شده و به صورت تحليلي مدلسازي شد. نتايج آزمايشگاهي با نتايج حاصل از مدل مقايسه و تطابق مناسب مدل با نتايج آزمايشگاهي تأييد شد. ميزان ضريب تعيين ) (R2براي پارامتر فشار، اندازه ذره و دما به ترتيب برابر %94 ،%93 و %97محاسبه شد. علاوه بر مدل تحليلي يك مدل ثانويه با روش GMDH2توسعه داده شد. اين مدل بر اساس شبكه عصبي بوده و امكان پيشبيني و بررسي پارامترهاي مؤثر بر واكنش نيتريدهكردن را فراهم ساخته است. نتايج اين مدل نيز تطابق بالايي با نتايج آزمايشي با ضريب تعيين %93داشت. با استفاده از اين روش ميزان تأثير و اولويت اثربخشي پارامترهاي واكنشي بر سينتيك نيتريدهكردن با استفاده از آناليز حساسيت تعيين شد. مؤثرترين عوامل مؤثر بر سينتيك واكنش به ترتيب درصد نيتروژن و دما با مقدار 0/27و 0/135تعيين شدند

1399/02/28

The effect of synthesis conditions on the formation kinetics of reaction bonded silicon nitride

4/20/2020 12:00:00 AM

During the last three decades, silicon nitride (Si3N4) has received considerable attention due to its lightness, strength and toughness especially in aerospace, medical and automotive applications. This ceramic material is mainly produced by the carbothermal silica reaction in the nitrogen atmosphere at high temperatures, while its preparation through direct reaction (reactive bonding) of Si and nitrogen has been controversial due to the effect of various factors. In the present work, the effect of various factors such as nitrogen pressure, Si particle size, optimum amount of Fe catalyst on Si3N4 formation kinetics was investigated with different experiments and the influence of parameters was optimized using modeling. The new model presented in this study has enabled the modification of previous models and industrial production of this material through reactive bonding. Nitridation test was performed on the specimens in the form of compact pellet of primary silicon powder. The samples were exposed to nitrogen gas as powder and compact in the tube furnace under different experimental conditions such as temperature, pressure, particle size and initial silicon composition. The rate of reaction progression at different times was determined by weight change of the samples. As the nitrogen pressure increased from 0.4 atm to 0.95, the kinetic curve deviation phenomenon was observed in the pressed samples due to the high number of initial nuclei and faster closure of the nitrogen penetration channels at higher pressures. In the case of the particle size parameter, by decreasing the size of the initial silicon particle, the reaction surface exposed to the reactant gas increased and the reaction rate increased. The mechanisms of formation of α and β silicon nitride phases in the possible mechanisms were investigated and the free energy of each mechanism was compared. Addition of iron powder to the initial silicon powder resulted in the formation of the liquid phase of FeSi2 and this phase is a suitable route for nitrogen penetration into the sample and increased the rate of reaction. The optimum amount of iron was determined to be 0.8 wt%. The effective factors on the synthesis and kinetics of silicon nitride reaction bonding were investigated and identified and the behavior of the effective factors was expressed as mathematical models. . The basis of this model is based on the theory of Sharp Interface Modeling (SIM). This model tried to eliminate the deficiencies and shortcomings of the previous models and to have a higher comprehensiveness. In this study, the mechanism of the effects of temperature, time, particle size, pressure, and iron addition on high detail of silicon nitration kinetics is presented and modeled analytically. The exprimental results were compared with the results of the model and the performance of the model was confirmed by good agreement with the results of the expriments. A secondary model was also developed using the GMDH method. This model is based on neural network and enables the prediction and investigation of effective parameters of nitriding reaction. Using this method, the influence and priority of the effectiveness of the reaction parameters on the nitration kinetics were determined