25448

عوامل موثر بر سازوكار و بهينه سازي سنتز كاربيد تيتانيم به روش نمك مذاب

دكترا

مهندسي مواد و متالورژي

1394-1400

24 شهريور 1400

منصور سلطانيه- حسين سرپولكي

مواد و متالورژي

كاربيد تيتانيم (TiC) به عنوان يك ماده سراميكي با كاركرد عالي در دماهاي بالا شناخته ميشود كه كاربردهاي مختلفي در صنايع هوافضا، الكترونيك و ديرگدازها دارد. روشهاي مختلفي از جمله سنتز متداول حالت جامد، سل-ژل، فعالسازي مكانيكي و سنتز خود انتشار دما بالا جهت توليد كاربيد تيتانيم وجود دارد. براي بهبود فرآيند سنتز و كاهش معايب اين روشها، در سالهاي اخير از روش سنتز از طريق نمك مذاب استفاد شده است. كاهش زمان سنتز، افزايش خلوص ماده نهايي، سازگاري با محيط زيست، كاهش هزينه فرآيند سنتز، كنترل اندازه و شكل ماده نهايي و عدم احتياج به عمليات اضافي برخي از مزاياي سنتز از روش نمك مذاب هستند. همچنين Ti2AlC به عنوان يك فاز MAX تركيبي از خواص فلزي و سراميكي را به صورت همزمان نشان ميدهد. سنتز اين فاز از روش نمك مذاب در اتمسفر هوا و بدون استفاده از گاز محافظ (Molten Salt Shielded Synthesis)، روش نويني است كه از سال 2019 مورد توجه قرار گرفته است. در اين پژوهش، با استفاده از پودر تيتانيم عنصري و كربن سياه و تركيب يوتكتيك نمك KCl-LiCl ذرات كاربيد تيتانيم با ابعاد حدود 20 نانومتر در دماي 950 درجه سانتيگراد به مدت زمان 4 ساعت سنتز شدند. بررسي نتايج پراش سنجي پرتوي ايكس (XRD) نشان داد فازهاي متفاوتي از جمله TiClx، LiTiO2، اكسيد تيتانيم و تركيبهاي مختلفي از كاربيد تيتانيم در حين فرآيند سنتز تشكيل ميشود. مطالعه نمودارهاي DTA در كنار الگوهاي XRD نشان داد كه سنتز كاربيد تيتانيم به صورت چند مرحلهاي انجام ميشود؛ ابتدا تركيبهايي از كاربيد تيتانيم غيرموازنهاي تشكيل شده كه در نهايت با افزايش دماي سنتز منجر به سنتز تركيب كاربيد تيتانيم موازنهاي ميشود. بررسي شكل كاربيد تيتانيم نهايي با استفاده از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM) و روبشي (SEM) نشان داد كه سنتز كاربيد تيتانيم در محيط نمك مذاب KCl-LiCl به صورت "رشد الگودار" است. بررسي سينتيك سنتز كاربيد تيتانيم با استفاده از مدل هسته كوچك شونده مشخص كرد كه مرحله انتقال ذرات تيتانيم از محيط نمك مذاب به سطح ذرات كربن سياه، مرحله كنترل كننده سرعت واكنش تشكيل كاربيد تيتانيم است. در ادامه با استفاده از تركيب يوتكتيك نمك KCl-NaCl و واكنشگرهاي تيتانيم، آلومينيم و گرافيت فاز Ti2AlC سنتز شد. الگوهاي XRD نشان داد كه در دماي 1100 درجه سانتيگراد طي مدت زمان 5/1 ساعت تركيب Ti2AlC با موفقيت سنتز ميشود. براي كاهش اكسيداسيون واكنشگرها و افزايش راندمان محصول نهايي، سطح نمك در داخل بوته با استفاده از كربن پوشانده شد كه تصاوير ميكروسكوپ الكتروني عبوري نشان داد كه استفاده از كربن منجر به تشكيل ساختار هگزاگونال لايهاي Ti2AlC با خلوص بالا ميشود.

1400/08/08

Effective factors on mechanism and optimization of TiC synthesis via molten salt method

9/15/2022 12:00:00 AM

Titanium carbide (TiC) is known as a ceramic material with excellent performance at high temperatures that has various applications in the aerospace, electronics, and refractory industries. There are various methods such as conventional solid-state synthesis, sol-gel, mechanical activation, and self-propagating high-temperature synthesis (SHS) to produce titanium carbide. To improve the synthesis process and reduce the disadvantages of these methods, the synthesis procedure through molten salt has been used in recent years. Reducing the synthesis time, increasing the purity of the final product, compatibility with the environment, lowering the synthesis process cost, controlling the size and shape of the final product, and not requiring additional operations are some of the advantages of the molten salt synthesis method. Furthermore, Ti2AlC as a MAX phase shows a combination of metallic and ceramic properties simultaneously. The synthesis of this phase from the molten salt method in the air atmosphere without using the shielding gas is a new method that has been considered since 2019. In this study, using elemental titanium, carbon black powders and the eutectic composition of KCl-LiCl salt, titanium carbide particles with the diameter of about 20 nm were synthesized at 950 °C for 4 hours. Investigation of X-ray diffraction (XRD) results showed that different phases such as TiClx, LiTiO2, titanium oxide, and various combinations of titanium carbide are formed during the synthesis process. The DTA curve study along with XRD patterns showed that the titanium carbide synthesis is conducted in several steps; First, non-stoichiometric titanium carbide compounds are formed, which eventually led to the synthesis of a stoichiometric titanium carbide compound by increasing the synthesis temperature. Examination of the synthesized titanium carbide morphology using transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM) images showed that the titanium carbide synthesis in the KCl-LiCl molten salt medium is "template growth". Evaluation of the titanium carbide synthesis kinetics using a shrinking core model revealed that the transfer step of titanium particles from the molten salt medium to the surface of an individual carbon black particles is the controlling step of titanium carbide formation. Moreover, the Ti2AlC phase was synthesized using the eutectic composition of KCl-NaCl salt and titanium, aluminum, and graphite reactants. The XRD patterns showed that the Ti2AlC phase was successfully synthesized at 1100 °C for 1.5 hours. To reduce the oxidation of the reactants and increase the efficiency of the final product, the salt surface inside the crucible was covered with carbon. Transmission electron microscopy images showed that applying the carbon resulted in the formation of a high-purity Ti2AlC layered hexagonal structure.

كاربيد تيتانيم , Ti2AlC , نمك مذاب , تصحيح ريتولد , مدل هسته كوچك شونده , سازوكار سنتز , سينتيك سنتز , رشد الگودار

Titanium carbide , Ti2AlC , Molten salt , Rietveld refinement , Shrinking core model , Synthesis mechanism , Synthesis kinetics , Template growth