بررسي اثر شرايط سنتز بر سينتيك تشكيل نيتريد سيليسيم پيوند واكنشي

دكتري

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

194305

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي مواد

دكتر ميرحبيبي - دكتر گلستاني فرد