سنتز و مشخصه یابی نانو کامپوزیت پایه سرامیکی آلومینات مونوکلسیم و بررسی مکانیزم تشکیل آن

STUDENT

DEGREE

YEAR

Monocalcium aluminate(CA) is the main constituent of all types of calcium aluminate cements. This cement have unique properties. These properties include: high temperature and high abrasion resistance and resistance to wide range of chemically aggressive conditions. Although CA cement has good properties, the amount of undesirable phases and grain growth in these materials result in poor quality in some properties. In recent years there has been an increasing interest in the synthesis of nanocrystalline CA for improving these defects. In this research high energy ball milling followed by annealing was used to synthesis CA nanoceramic and CA nanocomposite(SiO 2 nanoparticles in nano cement base). In the first stage, high energy ball milling followed by annealing was performed on a mixture of CaO and Al 2 O 3 to synthesize CA. X-Ray Diffraction(XRD) measurments showed that no calcium aluminate was formed during ball milling even after 100hr. Annealing the powder mixture, milled for different times, in 900, 1000, 1200°C showed that the nucleation and growth of CA took place at 1000°C after 2hr. Depending on milling time, by increasing the annealing temperature, the amount of CA increased and also secondary phases aeared. CA single phases was obtained on the sample milled for 100hr and fired at 1200°C. The average grain size of products measured by scherrer’s and modified scherrer’s equations, was in nanometric range. The product was characterized with Scanning Electron Microscope (SEM) and Transmission Electron Microscope(TEM). TEM results showed that the particle size of products were in the range 40-100nm. In the second stage, the kinetic of formation of CA have been studied with fitting method and the effect of ball milling on activation energy was investigated. Results showed that the amount of activation energy decreased with increase in milling time but with increase the milling time from 70hr to 100hr, the amount of activation energy didn’t change. These results showed that the formation of CA needs high energy ball milling and annealing. In the third stage, the hydration characterization of CA was studied with XRD and SEM analysis and influence of nano-SiO 2 particles were investigated on mechanical and physical properties. The hydration of the cement with the addition of nano-SiO 2 particles(in 0.5, 1, 1.5, 2%) were evaluated at the water/cement ratio of 0.3 to 1 and was compared with plain cement. The experimental results showed that the mechanical and physical properties of nanocomposite with the specific amount of nano particles were better than that of a plain concrete. Keywords : Nanoceramic, Monocalcium aluminate, Mechanical activation, Annealing, Kinetic, nanocomposite

یکی از ترکیبات مهم سیمان های آلومینات کلسیم ، آلومینات مونوکلسیم(CA) است. این ترکیب دارای خواصی همچون مقاومت بالا در دماهای بالا، رفتار سایشی مناسب و مقاومت مطلوب در برابر محیط های مخرب می باشد. علی رغم برخی ویژگی های مناسب این ترکیب، حضور فازهای ثانویه و دانه های درشت در این مواد، خواص مکانیکی و فیزیکی آن ها را تحت تاثیر قرار داده است، لذا برای کاهش تاثیرات منفی ناشی از درشت بودن دانه ها، در سال های اخیر، محققین تلاشهایی در زمینه سنتز این نوع سرامیک ها با ساختار نانو کرده اند. هدف از انجام این پژوهش، تولید نانوسرامیک آلومینات مونوکلسیم و نانوکامپوزیت آلومینات مونوکلسیم با تقویت کننده ی نانوسیلیس ، به روش فعالسازی مکانیکی و عملیات حرارتی پس از آن و همچنین بررسی خواص پودرهای تولیدی می باشد. در مرحله ی اول، مخلوط پودری اکسید کلسیم و اکسید آلومینیوم به منظور تولید ترکیب CA، تحت آسیابکاری قرار گرفته و پس ازآن نمونه های آسیابکاری شده در دماهای 900، 1000 و 1200 درجه ی سانتیگراد به مدت 2 ساعت تحت عملیات حرارتی قرار گرفتند. تغییرات فازی و ساختاری ایجاد شده در ذرات پودر توسط آنالیز XRD و تغییرات مورفولوژیکی توسط SEM و TEM مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج حاکی از آنست که در جریان آسیابکاری هیچ محصولی تشکیل نمی شود. با عملیات حرارتی بر روی پودرهای حاصل از آسیابکاری مشاهده شد که تشکیل فاز CaAl 2 O 4 در دمای °C1000 شروع گردید و بسته به مدت زمان آسیابکاری، با افزایش دما مقدار این فاز افزایش پیدا کرده و نیز در کنار فاز اصلی، مقادیر بسیار کمی فازهای ثانویه ی مشاهده شد. با افزایش دمای عملیات حرارتی تا C°1200 فاز مطلوب CA با خلوص بالایی حاصل شد. به روش شرر و شرر اصلاح شده اندازه دانه ی پودر تولیدی اندازه گیری شد که نشان داد ساختار محصولات سنتز شده در محدوده ی نانومتری قرار دارد. همچنین تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از پودر آسیابکاری شده به مدت 100 ساعت و عملیات حرارتی در دمای C° 1000 نشان داد که اندازه ی ذرات تولید شده در محدوده ی 40 تا 100 نانومتر است. در مرحله ی دوم پارامترهای سینتیکی تشکیل فاز CA به روش برازش مدل محاسبه شد و اثر فعالسازی مکانیکی بر انرژی اکتیواسیون لازم برای تشکیل این فاز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش مدت زمان آسیابکاری تا 70 ساعت کاهش قابل ملاحظه ای در انرژی اکتیواسیون تشکیل فاز CA رخ می دهد اما با افزایش مدت زمان آسیابکاری از 70 تا 100 ساعت تغییری در مقدار انرژی اکتیواسیون مشاهده نشد. این مورد نشان می دهد که در زمان های طولانی تر آسیابکاری نیز ، فاز CA تشکیل نمی شود و نیاز به عملیات حرارتی بعدی، جهت تشکیل فاز مورد نظر می باشد. در مرحله ی سوم ساخت نمونه ی بالک از پودر نانوساختار آلومینات مونوکلسیم تولید شده، به عنوان زمینه نانوکامپوزیت به همراه تقویت کننده ی نانوسیلیس انجام شد و نمونه ها توسط آنالیز XRD و SEM مورد بررسی قرار گرفتند. همچنین خواص فیزیکی و مکانیکی نمونه ها به کمک آزمایشات اندازه گیری استحکام فشاری و آزمایشات اندازه گیری میزان تخلخل و دانسیته بررسی شد. نانوسیلیس در مقادیر مختلف 5 / 0، 1، 5 / 1 و 2 درصد به سیمان مورد نظر اضافه شده و با نسبت وزنی آب به پودر:3 / 0 به 1، مورد عملیات هیدراسیون قرار گرفتند. پژوهش ها نشان داد که خواص مکانیکی و فیزیکی سیمان ها با اضافه کردن مقدار معینی نانوذرات سیلیس، به طور قابل ملاحظه ای نسبت به سیمان های معمولی بهبود می یابد. کلمات کلیدی: نانوسرامیک، آلومینات مونوکلسیم، فعالسازی مکانیکی، عملیات حرارتی، سینتیک، نانوکامپوزیت.