33312

بررسي اثر جوانه‌زا و شرايط عمليات حرارتي بر ريز‌ساختار و خواص مكانيكي شيشه-سراميك اسپينلي( MgAl2O4)

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد-سراميك

1400

1403/10/30

بيژن افتخاري يكتا

0

مهندسي مواد و متالورژي

شيشه-سراميك‌ها مواد سراميكي هستند كه از طريق جوانه‌زايي و تبلور كنترل شده شيشه به وجود مي‌آيند. شيشه‌ها ذوب مي‌شوند، شكل مي‌گيرند و با عمليات حرارتي به شيشه-سراميك تبديل مي‌شوند. اساس تبلور داخلي كنترل‌شده در جوانه‌زايي كارآمد است كه اجازه مي‌دهد بلورهاي ريز و با جهت‌گيري تصادفي عموماً بدون حفره، ريزترك يا ساير تخلخل‌ها ايجاد شود. شيشه-سراميك‌ها به‌دليل خواص منحصر به فردي مانند استحكام مكانيكي بالا، سختي و چقرمگي شكست مناسب، مقاومت شيميايي خوب و زيبايي مناسب در كاربردهاي دنداني استفاده مي‌شوند. از‌جمله شيشه-سراميك‌هايي كه امروزه به‌دنبال ساخت آن براي كاربردهاي دنداني هستند، شيشه-سراميك‌هاي اسپينلي مي‌باشند. اسپينل آلومينات منيزيم (MgAl2O4)، يك ماده با ساختار كريستالي مكعبي و با خواص منحصر به فرد، مانند استحكام بالا در دماي بالا، مقاومت شيميايي بالا در محيط دهان، ضريب انبساط حرارتي كم، مقاومت در برابر شوك حرارتي بالا، مقاومت در برابر ضربه، قابليت ماشينكاري و خواص نوري مناسب است. در اين پژوهش سنتز اين نوع شيشه سراميك به روش ذوب و ريخته‌گري انجام شد. تأثير تغيير تركيب شيشه و افزودن TiO2 به عنوان جوانه‌زا بر رفتار تبلور و ريزساختار شيشه سيستم MgO-Al2O3-SiO2(MAS) با استفاده از آناليز حرارتي افتراقي(DTA)، پراش پرتو ايكس(XRD) و ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشر ميداني (FE-SEM) مورد بررسي قرار گرفت. چهار تركيب شيشه (GM، GM-1.5T، GS، GS-2T) با درصدهاي مختلف جوانه‌زا در دماي ˚C1500 در كوره الكتريكي ذوب شدند. سپس در دماهاي بهينه به‌دست آمده از DTA عمليات حرارتي شدند. براساس نتايج حاصل از آناليز پراش پرتو ايكس، در شيشه-سراميك‌هاي GM (شيشه-سراميك در محدوده مولايت) و GM-1.5T (TiO2 در اين شيشه 5/1 برابر GM شده است) فازهاي مولايت و كورديريت متبلور شد و حضور فاز اسپينل در اين دو نمونه مشاهده نشد. با تغيير نقطه تركيبي از محدوده‌ي فازي مولايت به محدوده‌ي فازي اسپينل (در TiO2ثابت) علاوه بره فازهاي مولايت و كورديريت، در شيشه-سراميك GS (شيشه-سراميك در محدوده اسپينل) فازهاي روتايل و اسپينل نيز متبلور شدند. هم‌چنين آزمايش نشان داد كه در محدوده‌ي تركيبي اسپينل، با افزايش ميزان TiO2 در شيشه-سراميك GS-2T(TiO2 در اين شيشه 2 برابر GS شده است) ميزان فاز اسپينل افزايش يافت و فاز سافيرين نيز متبلور شد. در اين پژوهش سه شيشه-سراميك، GS پس از عمليات حرارتي در دماي ℃940 و ℃1000 و GS-2T پس از عمليات حرارتي در دماي ℃940 به‌منظور بررسي ريزساختار، خواص مكانيكي، خواص شيميايي و خواص نوري انتخاب شدند. مقادير بهينه به‌دست آمده از پارامترهاي سختي GPa 05/0 ± 850/9، استحكام خمشي MPa 53/2 ± 84/203، چقرمگي شكست MPa.m1/2 02/0 ± 57/2 و حلاليت شيميايي µg/cm2 64/6 ± 15/332 براي نمونه (℃940) GS-2T اندازه‌گيري شد. هم‌چنين بهترين قابليت ماشينكاري شوندگي (شاخص تردي برابر با µm1/22/0 ± 11/3) براي نمونه (℃1000) GSاندازه‌گيري شد. بيشترين ميزان شفافيت با استفاده از آزمون اسپكتروفتومتري براي نمونه (℃940) GS به‌دست آمد.

1404/02/07

Investigation of the effect of nucleation and heat treatment conditions on the microstructure and mechanical properties of spinel glass-ceramics (MgAl2O4)

1/19/2026 12:00:00 AM

Glass-ceramics are materials which synthesized through controlled nucleation and crystallization of glass. This process involves melting, forming, and heat-treating the glasses to produce crystalline ceramics. Efficient nucleation is fundamental to controlled internal crystallization, facilitating the formation of small, randomly oriented crystals that are typically devoid of voids, microcracks, or porosities. Glass-ceramics are particularly valued in dental applications due to their distinctive properties, including high mechanical strength, excellent hardness and fracture toughness, superior chemical resistance, and aesthetic appearance. Spinel glass-ceramics are among the glass-ceramics currently being explored for dental applications. Magnesium aluminate spinel (MgAl2O4), a material with a cubic crystal structure and unique properties, such as high strength at high temperatures, high chemical resistance in the oral environment, low coefficient of thermal expansion, high thermal shock resistance, impact resistance, machinability and suitable optical properties. In this study, the synthesis of spinel-based glass-ceramics was conducted using the melting and casting method. The research examined the effects of modifying the glass composition and incorporating TiO2 as a nucleating agent on the crystallization behavior and microstructure of the MgO-Al2O3-SiO2 (MAS) glass system. Differential thermal analysis (DTA), X-ray diffraction (XRD), and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) were utilized to investigate these effects. Four glass compositions with varying percentages of nucleating agents were melted at 1500˚C in an electric furnace and subsequently heat-treated at the optimal temperatures determined by differential thermal analysis (DTA). X-ray diffraction analysis revealed that mullite and cordierite phases crystallized in GTi and G2Ti glass-ceramics, with no spinel phase observed in these samples. By adjusting the composition from the mullite region to the spinel phase region (while maintaining a constant nucleating agent), the crystallized phases changed from mullite and cordierite to spinel. further experiment demonstrated that within the spinel composition region, the amount of spinel phase increased with higher TiO2 content. This study also investigated the microstructure, mechanical properties, chemical properties, and optical properties of GTi2 glass-ceramics heat-treated at 940℃ and 1000℃, and G2Ti2 heat-treated at 940℃. The optimal values for hardness (9.850 ± 0.05 GPa), flexural strength (203.84 MPa), fracture toughness (2.57 MPa·m1/2), and chemical solubility (332 µg/cm²) were measured for the G2Ti2(940℃) sample. Additionally, the best machinability (brittleness index of 3.11 µm1/2) was recorded for the GTi2(1000℃) sample , while the highest transparency was achieved for the GTi2(940℃) sample.

شيشه-سراميك , اسپينل , كورديريت , مولايت

Glass-ceramic , spinel , cordierite , mullite

fatemeh kalbeali

bijan eftekhari yekta