دانلود مقاله سیالون

چکیده

سیالون ها مواد مهندسی هستند که در سیستم چهار عنصری O – N – Si – Al متبلور می شوند . در این تحقیق ، مطالبی راجع به سیالون و انواع فازهای آن ، خواص و کاربردهای بدنه های سیالونی و روش‌های سنتزسیالون گردآوری شده است . در بررسی های نسبتا جامع XRD بر روی سیالون ، علاوه بر جنبه کمی ، تغییر کیفی سیالون هم در طی روند استحاله مورد تحقیق قرار گرفته است .

بررسی های نیمه کمّی حاکی از آن است که سنتز سیالون به طریقه احیاء و نیتریداسیون همزمان رس ، مقرون به صرفه ترین و ساده ترین روش ممکن جهت سنتزسیالون می باشد .

در کل ، سیالون از نظر خواص فیزیکی و مکانیکی ، جایگزینی مناسبی برای سیلیکون نیترید محسوب می شود . و دامنه کاربرد سیالون در آینده‌ای نزدیک بسیار وسیعتر از پیش خواهد شد .

1 – سیالون

پودر خالص بدون استفاده از افزودنی استفاده از افزودنی هایی که یک مایع یوتکتیک را تشکیل ندهد ، و دمای زینترینگ را پایین نیاورد ، به سختی زینتر و چگال می شود . برای اولین بار (1972 ) gack و Wison و (1971) Kamayaito , oyama بطور همزمان در دو کشور مختلف ، را با  واکنش داده ، ماده ای جدید بدست آورده ، آن را  نام نهادند . پسوند  به دلیل تشابه ساختاری با B    –و  عبارت Sialon  بیانگر عناصر تشکیل دهنده این ماده (Si – Al – O – N  ) می باشد . این ماده محلول جامدی از O , Al در  است و حدّ حلالیت آن تا 65% آلومینا می باشد .  - سیالون ، تنها فاز متشکل از عناصر Si – Al – O – N نیست . بلکه با تغییر درجه جایگزینی اتمهای O , Al به جای N , Si فازهای مختلفی قابل دستیابی هستند .

1 – 2 – فازهای مختلف سیستم سیالون .

سیالون ها ترکیبی از چهار عنصر Si – Al – O – N می باشند ، با فرمول عمومی زیر

که در آن b,a دو متغیر هستند . به عبارتی در شکل (1) در محدوده چهار ضلعی ALN ، وsio  و ، ترکیب حاصل از واکنش عناصر با هم سیالون می دهد .

چنانچه شکل (1) را به صورت فضایی رسم کنید ، (شکل 2 ) حادث می شود . از بین این دو شکل شکل (b ) به خاطر بیان حالت اکی‌والان بیشتر مورد توجه است. چرا که هر گوشه از چهار وجهی یک اکی والان را نشان می دهد ، و هر اکی والان از هر عنصر یا ترکیب همیشه با یک اکی والان از دیگری واکنش می کند . به این خاطر ترکیبات و ALN و و  اگر بر حسب اکی والان بیان شوند ، در وسط وجوه چهار وجهی قرار می گیرند .

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

سیستم شماتیک چهار عنصری Si – Al – O – N

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

سیستم چهار عنصری در فضای سه بعدی a) بیان بر اساس واحد اتمی     b) بیان بر اساس واحد اکی والان در سیستم سیالون .

 هر ترکیب با دو متغیر بیان می شود : اکی والان اکسیژن واکی والان آلومینیم

           و                                  اگر هر یک از این دو را بر حسب دیگری رسم کنیم ، مربعی بصورت زیر در  . هر یک از رئوس بیانگر یک مدل از هر یک از ترکیبات  می باشد .

 دیاگرام فازی Si – Al – O – N  در دمای C 1400

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

تمامی فازهای جامد و یا مخلوطی از فازها در سیستم سیالون در داخل این چهار ضلعی قرار می گیرند ، که دقیقا معادل شکل زیر می باشد . با گذر از چپ به راست تدریجا   با   جایگزین می گردد . بدیهی است اگر چه تعداد اکی والان ها مشابه و برابر است ، لیکن تعداد اتمها تغییر می کند . ]9[  فازهای موجود در سیستم  ، SiN ،  AlN ، ALON ،  و X می باشند . فازهایی که از نظر تکنولوژیکی بیشتر مورد توجه هستند عبارتند از  و  و  . این نوع دیاگرام ها در مقطعی از دما رسم می شوند . دیاگرام این سیستم در دمای C 1400 وجود نداشته ، ناحیه فاز X کوچکتر بوده و تغییراتی در فازهای چند گونه ALN مشاهده می شود . محدوده محلول – جامد  ، تقریبا بدون تغییر می ماند.  ]7[

در زیر به توضیح مختصر فازهای نیتریدی سیستم سیالون اشاره می کنیم .

1 – 2 – 1 -  - سیالون 

فاز  - محلول جامدی از  در  است که در آن با افزایش جانشینی و حلالیت  در  ، با فقط نسبت  ساختار کریستالی شبکه  - B تغییر نمی کند . (حتی با جانشینی  سیلیکون با آلومینیوم ) . ساختار کریستالی آن هگزا گونال بوده ، با فرمول زیر معرفی می شود :

در اینجا z بیانگر حلالیت  در  است . مقدار z بسته به دما و فشار تغییر می کند . بطوریکه در C 1700 مقدار z برابر 2/4 و در C 1400 مقدار آن 2 می باشد . با افزایش فشار حد حلالیت کم می شود .

از آنجایی که طول اتصال Al – O(nm 17/0 ) نزدیک به طول اتصال Si – N (nm 170/0 ) می باشد ، وقتی جانشینی در امتداد نسبت ثابت  اتفاق می‌افتد ، جانشینی وسیع و زیاد است ، و به علت اینکه طول اتصال Al – N (nm 187/0 ) با طول اتصال Si – O  (nm 162/0 تفاوت فاحشی دارد . از این رو جانشینی در راستای  - ALN سخت بوده ، پهنای فاز  - سیالون کم می شود . ضمن آنکه جانشینی و محلول جامد تا آخر ادامه پیدا نمی کند.]  7[ 

در این محلول جامد ، اتصالات اتمی نسبت به  بیشتر یونی می باشد . و از این روست که  - سیالون نسبت به استعداد بیشتری برای زینترینگ دارد . در جانشینی های کم ، خواص آن بسیار شبیه- B می‌باشد . اما برای مقادیر بالای z خواص  - سیالون از - B به سمت خواص بین  -  میل می کند .

به دلیل تشابه به آرایش اتمی  - سیالون با - B خواص فیزیکی آن شبیه ایم ماده است . مثل استحکام بالا و ضریب انبساط کم (برای  (با Z=3):  قابل مقایسه با  =  در  ) .

از لحاظ شیمیایی -  سیالون (خصوصا در z = 3  ) تا حدی مشخصه های  را دارد . اما استحکام اتصال اتمی Al – o  در  - سیالون تقریبا 50% قوی تر از آلومیناست .   یک محلول جامد بوده و شبیه تمام محلول‌ها، فشار بخارش کمتر از فاز در خود ( ) می باشد (شکل 5 ) . فشار بخار کمتر ، تبخیر و تجزیه را در دمای بالا کاهش می دهد . به این لحاظ است که  - سیالون نسبت به  پایداری ترمونیا مبکی و مقاومت شیمیایی بیشتری دارد . ارتباط بین  - سیالون و  را می توان به ارتباط برنج و مس تشبیه کرد . مس خالص نرم وضعیف است ، اما تا 40 % اتم روی می تواند آن بدون تغییر ساختار مس حل شود . نتیجه حصول ماده ای سخت تر و قوی تر است که در دمای پایین تر ذوب و راحت تر از مس شکل می گیرد . در مقایسه با  -  ، سیالون در دمایی پایین تر با اکسیدهای افزودنی نظیر mgo و  فاز مذاب بیشتری می دهد . کنترل مقدار مذاب اجازه چگالش و زنترینگ بدون فشار را می دهد . دمای چگالش پایین تر از رشد افراطی دانه ها جلوگیری کرده و به این دلیل دانه ها ریزتر بوده و استحکام ثابت باقی می ماند.

از لحاظ تکنولوژیکی ، مطرح ترین فاز ، فاز- سیالون است که اکنون بطور تجاری تولید می شود .

1 – 2 – 2 – سیلیکون اکسی نیتراید

سیلیکون اکسی تیتراید اولین بار در سنگ های آسمانی که در پاکستان سقوط کرده بود دریافت شد . این ترکیب را با فرمول  می‌شناسند . ساختار آن از جهتی با  تشابه دارد . به ایم معنی که ساختار آن از اتصال تترائدرهای  در شبکه ای سه بعدی تشکیل یافته که در آن هر اتم اکسیژن به دو اتم Si متصل است (نظیر  ) و اتمهای نیتروژن و Si ، کوئوردیناسیون سه و چهار دارند (نظیر  ) ، ]1 و 4 و 5 [ . این ماده می تواند از واکنش مخلوطی شامل Si و  یا  و  در دمای بالا تشکیل شود .