اثرفعال‌سازی مکانیکی آندالوزیت بر مولایت‌زایی و رفتار تفجوشی سرامیک‌های پایه ‌مولایتی برای کاربرد در صنایع هوافضا و سامانه‌های حرارتی پیشرفته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ملایر

چکیده
مقدمه
مولیت یکی از مهم‌ترین فازهای سرامیکی دما-بالا است که به دلیل پایداری حرارتی، مقاومت مکانیکی مناسب و کاربرد گسترده در صنایع نسوز و سازه‌ای پیشرفته، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در این پژوهش، اثر فعال‌سازی مکانیکی آندالوزیت ایرانی بر سنتز و رفتار تف‌جوشی سرامیک‌های پایه مولیت بررسی شد.
روش‌ها
برای این منظور، پودر خام آندالوزیت پس از شستشو و مشخصه‌یابی، تا ۶۰ ساعت تحت آسیاب‌کاری گلوله‌ای پرانرژی قرار گرفت. سپس تحولات فازی، تکامل ریزساختار و رفتار تف‌جوشی نمونه‌ها در بازه دمایی ۸۰۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد ارزیابی و با نمونه مرجع آسیاب‌نشده مقایسه شد.
یافته‌ها
نتایج XRD نشان داد که فعال‌سازی مکانیکی طولانی‌مدت موجب تخریب ساختار بلوری آندالوزیت و کاهش حدود ۴۰۰ درجه سانتی‌گرادی دمای آغاز مولیت‌زایی شد. پودر فعال‌سازی‌شده از ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد شروع به تشکیل مولیت کرد و در دماهای بالاتر از ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد به فاز غالب مولیت تک‌فاز رسید. اندازه بلورک‌های محاسبه‌شده با معادله شرر در محدوده ۸ تا ۱۳ نانومتر باقی ماند و تحلیل ویلیامسون-هال نیز کاهش تدریجی ریزکرنش شبکه را با افزایش دما نشان داد. تصاویر SEM نمونه‌های تف‌جوشی‌شده در ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد بیانگر تشکیل دانه‌های سوزنی‌شکل مولیت با ابعاد ریزتر، کشیدگی بیشتر، توزیع یکنواخت‌تر و ریزساختاری متراکم‌تر نسبت به نمونه آسیاب‌نشده بود.
نتیجه‌گیری
در مجموع، فعال‌سازی مکانیکی روشی مؤثر برای کاهش دمای مولیت‌زایی، بهبود رفتار متراکم‌سازی و تولید سرامیک‌های مولیتی همگن و ریزدانه است. این روش می‌تواند برای ساخت مواد مناسب جهت کاربردهای دما-بالای پیشرفته، از جمله در صنایع هوافضا و دفاعی، مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Effect of Mechanical Activation of Andalusite on Mullitization and Sintering Behavior of Mullite-Based Ceramics for Aerospace and Advanced Thermal Applications

نویسنده English

Mohammad Dadegh Abdi Maghsoudlou
Department of Materials Engineering, Faculty of , Malayer University, Malayer, Iran
چکیده English

Introduction: Mullite is a key high-temperature ceramic phase widely recognized for its outstanding properties in advanced refractory and structural applications.

Methods:This study investigates the synthesis and sintering behavior of mullite-based ceramics using mechanically activated Iranian andalusite. Raw andalusite powder was washed, characterized, and subjected to high-energy ball milling for up to ۶۰ h. The phase evolution, microstructural development, and sintering behavior of the milled powders were evaluated between ۸۰۰ °C and ۱۵۰۰ °C and compared with an unmilled reference sample.

Findings: XRD analysis showed that prolonged mechanical activation disrupted the crystalline structure of andalusite and lowered the onset of mullitization by approximately ۴۰۰ °C. The activated powder began forming mullite at ۸۰۰ °C and reached a predominantly single-phase mullite state above ۱۲۰۰ °C. Crystallite size calculated by the Scherrer equation remained in the nanocrystalline range (approximately ۸–۱۳ nm), while Williamson–Hall analysis indicated a progressive reduction of lattice microstrain with increasing temperature, approaching near-zero values at ۱۵۰۰ °C. SEM observations of samples sintered at ۱۵۰۰ °C revealed that mechanical activation produced finer, more elongated, and more uniformly distributed acicular mullite grains (aspect ratio ≈ ۸–۱۵) together with a denser microstructure, in contrast to the coarser and more porous structure of the unmilled sample.

Conclusion:Consequently, the activated powder exhibited more stable densification and higher relative density at lower firing temperatures. This work provides an efficient route for fabricating fine-grained, homogeneous mullite ceramics that are of significant interest for high-temperature aerospace and defense applications

کلیدواژه‌ها English

Andalusite
Mechanical activation
Mullitization
Phase evolution
Sintering behavior
High-temperature ceramics
[1] H. Schneider, J. Schreuer, B. Hildmann, Structure and properties of mullite: a review, Journal of European Ceramic Society 28 (2008) 329–344.
[2] Yingchao Dong, Xuyong Feng, Xuefei Feng, Yanwei Ding, Xingqin Liu, Guangyao Meng, Preparation of low-cost mullite ceramics from natural bauxite and industrial waste fly ash, Journal of Alloys and Compounds 460 (2008) 599–606.
[3] D.J. Duval, S.H. Risbud, J.F. Shackelford, Mullite, in: J.F. Shackelford, R.H. Doremus (Eds.), Ceramic and Glass Materials: Structure, Properties and Processing, Springer, 2008, pp. 27–48.
[4] Yulong An, Jianmin Chen , Huidi Zhou , Guang Liu, Fast transformation of andalusite into mullite by addition of yttria, Boletín de la Sociedad Española de Cerámica,  58(2019) 142-150
[5] S.K. Haldar,  Introduction to Mineralogy and Petrology (Second Edition), Elsevier, 2020, Pages 1-51.
[6] Marie-Laure Bouchetou, Jean-Pierre Ildefonse, Jacques Poirier, Pierre Daniellou, Mullite grown from fired andalusite grains: the role of impurities and of the high temperature liquid phase on the kinetics of mullitization and consequences on thermal shocks resistance, Ceramics International 31 (2005) 999–1005.
[7] M. Ghassemi Kakroudi, M. Huger, C. Gault, T. Chotard, Aniso- tropic behavior of Andalusite particle, Journal of European Ceramic Society 29 (2009) 571–579.
[8] Ibram Ganesh, Jose´ M.F. Ferreira, Influence of raw material type and of the overall chemical composition on phase formation and sintered microstructure of mullite aggregates, Ceramics International 35 (2009)2007–2015.
[9] M.S. Abdi, T. Ebadzadeh, Mullitization, microstructure and physical properties of mechanically activated andalusite sintered by microwave, Ceramics International 39 (2013) 1451-1454.
[10] S. Tamborenea, A.D. Mazzoni, E.F. Aglietti, Mechanochemical activation of minerals on the cordierite synthesis, Thermochimica Acta 411 (2009) 571–579.
[11] N. Behmanesh, S. Heshmati-Manesh, A. Ataie, Role of mechanical activation of precursors in solid state processing of nano-structured mullite phase, Journal of Alloys and Compounds 450 (2008) 421–425.
[12] Teresa Wala, Bronisław Psiuk, Jerzy Kubacki, Katarzyna Stec, Jacek Podwórny, Mullitization process of andalusite concentrates – Role of natural inclusions, Ceramics International 40 (2014) 5129–5136.
[13] T. Ebadzadeh, Effect of mechanical activation and microwave heating on synthesis and sintering of nano-structured mullite, Journal of Alloys and Compounds 489 (2010) 125–129.
[14] P. Prigent, M.L. Bouchetou, J. Poirier, Andalusite: An amazing refractory raw material with excellent corrosion resistance to sodium vapours, Ceramics International 37 (2011) 2287-2296.
[15]Dafei Ding , Guotian Ye , Na Li , Guihua Liao , Xuekun Tian , Liugang Chen, Andalusite transformation and properties of andalusite-bearing refractories fired in different atmospheres, Ceramics International 45 (2019) 3186-3191.
[16]Hosseini Moradi,S A and alborznia,H . (2023). Protecting electronic equipment against electromagnetic waves of ku band using single and multilayer plasma. Aerospace Defense, 2(2), 1-16.
[17]Yazdan Panah,M R , Hosseini Moradi,S A , Hatami,M and Jouladeh Roodbar,H . (2021). Designing and Manufacturing Recyclable Metal Based Nanocomposites for Purification of Chemically Contaminated Waters. Nashrieh Shimi va Mohandesi Shimi Iran, 40(2), 51-59.
 [18] H. PooladvandS. BaghshahiB. MirhadiA. R. Souri &, H. arabi, Effect of MgO and CaO on Transformation of Andalusite to Mullite. J. of Materi Eng and Perform 21(2012) 1637–1644. 
[19] GHOBADI, N., Hosseini Moradi, S.A., & AMIRZADE, M.. (2022). SYNTHESIS AND STRUCTURAL, MAGNETIC, AND ELECTROMAGNETIC CHARACTERIZATION OF COBALT FERRITE / REDUCED GRAPHENE OXIDE COMPOSITE. ADVANCED MATERIALS IN ENGINEERING (ESTEGHLAL), 40(4 ), 69-83. SID. https://sid.ir/paper/1042817/en
 
دوره 5، شماره 2
تابستان 1405
صفحه 28-49

  • تاریخ دریافت 03 اسفند 1404
  • تاریخ بازنگری 01 فروردین 1404
  • تاریخ پذیرش 08 اردیبهشت 1405