سنتز و مشخصه يابي نانو کامپوزيت پايه سراميکي آلومينات مونوکلسيم و بررسي مکانيزم تشکيل 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

چکيده يکي از ترکيبات مهم سيمان هاي آلومينات کلسيم ، آلومينات مونوکلسيم(CA) است. اين ترکيب داراي خواصي همچون مقاومت بالا در دماهاي بالا، رفتار سايشي مناسب و مقاومت مطلوب در برابر محيط هاي مخرب مي باشد. علي رغم برخي ويژگي هاي مناسب اين ترکيب، حضور فازهاي ثانويه و دانه هاي درشت در اين مواد، خواص مکانيکي و فيزيکي آن ها را تحت تاثير قرار داده است، لذا براي کاهش تاثيرات منفي ناشي از درشت بودن دانه ها، در سال هاي اخير، محققين تلاشهايي در زمينه سنتز اين نوع سراميک ها با ساختار نانو کرده اند. هدف از انجام اين پژوهش، توليد نانوسراميک آلومينات مونوکلسيم و نانوکامپوزيت آلومينات مونوکلسيم با تقويت کننده ي نانوسيليس ، به روش فعالسازي مکانيکي و عمليات حرارتي پس از آن و همچنين بررسي خواص پودرهاي توليدي مي باشد. در مرحله ي اول، مخلوط پودري اکسيد کلسيم و اکسيد آلومينيوم به منظور توليد ترکيب CA، تحت آسيابکاري قرار گرفته و پس ازآن نمونه هاي آسيابکاري شده در دماهاي 900، 1000 و 1200 درجه ي سانتيگراد به مدت 2 ساعت تحت عمليات حرارتي قرار گرفتند. تغييرات فازي و ساختاري ايجاد شده در ذرات پودر توسط آناليز XRD و تغييرات مورفولوژيکي توسط SEM و TEM مورد بررسي قرار گرفتند. نتايج حاکي از آنست که در جريان آسيابکاري هيچ محصولي تشکيل نمي شود. با عمليات حرارتي بر روي پودرهاي حاصل از آسيابکاري مشاهده شد که تشکيل فاز CaAl 2 O 4 در دماي °C1000 شروع گرديد و بسته به مدت زمان آسيابکاري، با افزايش دما مقدار اين فاز افزايش پيدا کرده و نيز در کنار فاز اصلي، مقادير بسيار کمي فازهاي ثانويه ي مشاهده شد. با افزايش دماي عمليات حرارتي تا C°1200 فاز مطلوب CA با خلوص بالايي حاصل شد. به روش شرر و شرر اصلاح شده اندازه دانه ي پودر توليدي اندازه گيري شد که نشان داد ساختار محصولات سنتز شده در محدوده ي نانومتري قرار دارد. همچنين تصوير ميکروسکوپ الکتروني عبوري از پودر آسيابکاري شده به مدت 100 ساعت و عمليات حرارتي در دماي C° 1000 نشان داد که اندازه ي ذرات توليد شده در محدوده ي 40 تا 100 نانومتر است. در مرحله ي دوم پارامترهاي سينتيکي تشکيل فاز CA به روش برازش مدل محاسبه شد و اثر فعالسازي مکانيکي بر انرژي اکتيواسيون لازم براي تشکيل اين فاز مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد که با افزايش مدت زمان آسيابکاري تا 70 ساعت کاهش قابل ملاحظه اي در انرژي اکتيواسيون تشکيل فاز CA رخ مي دهد اما با افزايش مدت زمان آسيابکاري از 70 تا 100 ساعت تغييري در مقدار انرژي اکتيواسيون مشاهده نشد. اين مورد نشان مي دهد که در زمان هاي طولاني تر آسيابکاري نيز ، فاز CA تشکيل نمي شود و نياز به عمليات حرارتي بعدي، جهت تشکيل فاز مورد نظر مي باشد. در مرحله ي سوم ساخت نمونه ي بالک از پودر نانوساختار آلومينات مونوکلسيم توليد شده، به عنوان زمينه نانوکامپوزيت به همراه تقويت کننده ي نانوسيليس انجام شد و نمونه ها توسط آناليز XRD و SEM مورد بررسي قرار گرفتند. همچنين خواص فيزيکي و مکانيکي نمونه ها به کمک آزمايشات اندازه گيري استحکام فشاري و آزمايشات اندازه گيري ميزان تخلخل و دانسيته بررسي شد. نانوسيليس در مقادير مختلف 5 / 0، 1، 5 / 1 و 2 درصد به سيمان مورد نظر اضافه شده و با نسبت وزني آب به پودر:3 / 0 به 1، مورد عمليات هيدراسيون قرار گرفتند. پژوهش ها نشان داد که خواص مکانيکي و فيزيکي سيمان ها با اضافه کردن مقدار معيني نانوذرات سيليس، به طور قابل ملاحظه اي نسبت به سيمان هاي معمولي بهبود مي يابد. کلمات کليدي: نانوسراميک، آلومينات مونوکلسيم، فعالسازي مکانيکي، عمليات حرارتي، سينتيک، نانوکامپوزيت.