آلفاآلومینا (α-Al₂O₃) دارای خواص مکانیکی، الکتریکی و نوری منحصربه‌فردی است، بنابراین در بسیاری از حوزه‌های صنعتی مدرن مورد استفاده قرار می‌گیرد. خواص مواد سرامیکی توسط ریزساختار آن‌ها کنترل می‌شود. فازهای انتقالی آلومینا اخیرا به دلیل ماهیت ذاتی نانوکریستالی و به دلیل اینکه می‌توانند با روش‌های مختلف سنتز شوند، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند.

گاماآلومینا (Ƴ-Al₂O₃) رایج‌ترین فاز انتقالی آلومینا است. هنگامی که گاماآلومینا گرم می‌شود، بر اثر یک‌سری انتقالات پلی‌مورفیک، از یک شبکه فشرده مکعبی بسیار نامنظم به یک شبکه فشرده مکعبی با نظم بیشتر (Ɵ-Al₂O₃) تبدیل می‌شود. هنگامی که دما به 1200 درجه سانتیگراد می‌رسد، Ɵ-Al₂O₃ از طریق فرآیند جوانه‌زنی و رشد، تحت یک بازسازی ساختاری قرار می‌گیرد، به‌طوری که اتم‌های اکسیژن دوباره در یک ساختار فشرده شش‌ضلعی قرار گرفته تا α-Al₂O₃ پایدار ترمودینامیکی را تشکیل دهند.

Ƴ-Al₂O₃ → δ-Al₂O₃ → Ɵ-Al₂O₃ → α-Al₂O₃                                                                                                                              

تبدیل فاز آلفاآلومینا توسط فرآیند جوانه‌زنی و رشد رخ می‌دهد. چگالی جوانه‌زنی ذاتی پایین، منجر به فاصله زیاد بین فرآیند هسته‌زایی و تشکیل مقیاس میکرومتری دانه‌های تک‌کریستال α-Al₂O₃ با برآمدگی‌های دندریتیک احاطه‌شده توسط کانال‌های منافذ پیوسته می‌شود. میکروساختار ورمیکولار حاصل برای رسیدن به چگالی بالا، به دمای زینترینگ بالای 1600 درجه سانتیگراد نیاز دارد. برای به‌دست‌آوردن آلفاآلومینای متراکم و ریزدانه در دماهای پایین، اندازه میکروساختار ورمیکولار باید به حداقل برسد.

در این مطالعه، امره یالاماچ و همکارانش ]1[، در سال 2013 به بررسی رفتار زینترینگ سه نوع از پودرهای آلومینای تجاری موجود پرداختند. رفتار زینترینگ این سه پودر با استفاده از آزمایش‌های دیلاتومتری تا دمای 1600 درجه سانتیگراد با سه نرخ گرمایش مختلف 1، 3/3 و 6/6 درجه سانتیگراد بر دقیقه مورد بررسی قرار گرفته است. هر پودر حاوی نسبت‌های مختلفی از آلفا/گاما‌آلومینا است. یکی از آن‌ها پودر (CR6-Baikowski)، حاوی 100 درصد فاز آلفا (α) و نمونه دوم پودر (CR15-Baikowski)، حاوی 10 درصد فاز گاما (Ƴ) و 90 درصد فاز آلفاآلومینا است. نمونه سوم پودر (CR30F-Baikowski)، حاوی 20 درصد فاز گاما و 80 درصد فاز آلفاآلومینا است. نام‌گذاری نمونه‌ها و برخی از خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها در جدول 1 نشان داده شده است.

بررسی الگوی XRD نمونه‌های پودر حاوی مقادیر گاما و آلفاآلومینای خام

شکل 1 نتایج XRD پودرهای خام را نشان می‌دهد. پیک‌های فاز آلفاآلومینا، کاملا واضح و تیز بوده، در حالی که پیک‌های فاز گاما به‌سختی قابل مشاهده هستند. برآمدگی در زاویه 46 = Ɵ2، برای نمونه CR30 قابل مشاهده است، زیرا این نمونه حاوی 20 درصد فاز گاما است.

توزیع اندازه ذرات پودرها با روش سدیگراف از طریق منحنی‌های گرانولومتری بررسی شده است. لازم به ذکر است که بخش قابل‌توجهی از پودرها ریزتر از 1 میکرومتر هستند. آنالیز SEM نمونه‌ها در شکل 2 آورده شده است. شکل‌های الف، ج، ه، وجود آگلومره‌های نرمی از پودرها را نشان می‌دهد. در بزرگنمایی بالاتر (شکل ب)، فاز گاما در نمونه CR6 مشاهده نمی‌شود. وجود فاز گاماآلومینا (شکل‌های د، و) که توسط دایره‌ها و فلش‌ها نشان داده شده است، در نمونه‌های CR15 و CR30 مشاهده شده است.

بررسی چگالی نمونه‌های پودر حاوی مقادیر گاما و آلفاآلومینا در نرخ‌های حرارت‌دهی ثابت

نرخ‌های گرمایش مختلف 1، 3/3 و 6/6 درجه سانتیگراد بر دقیقه برای حرارت‌دهی نمونه‌ها استفاده شده است. به منظور مقایسه چگالی نمونه‌ها، نتایج چگالی در شکل 3 نشان داده شده است. چگالی نسبی برای همه نرخ‌های گرمایش تا 10 درصد مقدار فاز گاما (CR6) افزایش می‌یابد، اما پس از آن، چگالی نسبی با افزایش مقدار فاز گاما (CR30) کاهش می‌یابد. توجه به این نکته مهم است که چگالی کامل ایجاد نشده و مقدار چگالی در همه نمونه‌ها، زیر 95 درصد است. بیشترین مقدار چگالی 2/94 درصد، مربوط به نمونه CR15 در نرخ حرارت‌دهی 1 درجه سانتیگراد بر دقیقه و کمترین مقدار آن مربوط به نمونه CR30 در نرخ حرارت‌دهی 6/6 درجه سانتیگراد بر دقیقه به‌دست آمده است.

تشکیل آلومینا از طریق آلومیناهای انتقالی (گاماآلومینا) توسط فرآیند جوانه‌زنی و رشد در طی گرمایش اتفاق می‌افتد. مرحله جوانه‌زنی به نرخ گرمایش بستگی دارد. تعداد مکان‌های جوانه‌زنی با افزایش نرخ گرمایش، افزایش می‌یابد. نرخ‌های گرمایش سریع‌تر (3/3 و 6/6 درجه سانتیگراد بر دقیقه) پیک‌های تبدیل گامای بالاتری را نسبت به نرخ گرمایش پایین 1 درجه سانتی‌گراد بر دقیقه از خود نشان می‌دهد.

میکروساختار سرامیک‌های آلومینایی زینترشده حاوی مقادیر گاما و آلفاآلومینا

تصاویر SEM از سطوح پولیش و اچ‌شده حرارتی سرامیک‌های آلومینایی زینترشده در شکل‌های 4 و 5 نشان داده شده است. با توجه به تصاویر، زمانی که نرخ گرمایش از 1 درجه سانتیگراد بر دقیقه به 3/3 درجه سانتیگراد بر دقیقه افزایش پیدا کرده، چگالی نهایی کاهش یافته است. همان‌طور که در شکل 5 نشان داده شده است، هنگامی که محتوای فاز گاما به بیش از 10 درصد رسیده، ایجاد حفرات چندوجهی‌شکل به دلیل تجمع آن‌ها، افزایش یافته است.

اندازه دانه تقریبی از سطوح پولیش و اچ‌شده حرارتی سرامیک‌های آلومینایی زینترشده اندازه‌گیری شده است. نتایج در شکل 6 نشان داده شده است. با توجه به نتایج، اندازه دانه به محتوای فاز گاما بستگی ندارد. اما همان‌طور که انتظار می‌رود، نرخ گرمایش با نگه‌داشتن نمونه در دماهای بالا برای دوره‌های طولانی‌تر، بر اندازه دانه تأثیر می‌گذارد. نتیجه نهایی این بود که نمونه CR6 در نرخ حرارت‌دهی 1 درجه سانتیگراد بر دقیقه، دارای بیشترین اندازه دانه در بین تمام نمونه‌ها بوده است. انتظار می‌رود که سرامیک‌های متراکم تولیدشده از این پودرها، خواص مکانیکی متفاوتی را از خود نشان دهند.

مرجع:

[1] Emre Yalamaç, Antonio Trapani, Sedat Akkurt, Sintering and microstructural investigation of gammaealpha alumina powders, Engineering Science and Technology, an International Journal 17 (2014).