تاثير افزودن نانو گرافيت بر سختي و چقرمگي شكست كامپوزيت هاي ZrB2-SiC ساخته شده به روش تفجوشي پلاسماي جرقه اي

Influence of nano-graphite addition on hardness and fracture toughness of ZrB2-SiC composites fabricated by spark plasma sintering

كامپوزيت هاي دما بالاي دي بوريد زيركونيم-كاربيد سيليسيم به روش تفجوشي پلاسماي جرقه اي و با افزودن مقادير مختلف نانو ورقه هاي گرافيت (0، 2/5، 5، 7/5 و 10 درصد وزني) ساخته شدند. تفجوشي نمونه ها در دماي 1900 درجه سانتي گراد به مدت زمان 7 دقيقه در محيط خلاء و با اعمال فشار بيروني 40 مگاپاسكال به انجام رسيد. تاثير نانو ورقه هاي گرافيتي بر سختي و چقرمگي شكست نمونه ها بررسي و تحليل شد. نتايج به دست آمده نشان داد كه با افزايش ميزان افزودني نانو گرافيت، سختي كامپوزيت ها كمابيش به صورت خطي از 19/5 گيگاپاسكال براي نمونه فاقد افزودني به 12/1 گيگاپاسكال براي نمونه تقويت شده با 10 درصد وزني نانو گرافيت كاهش يافت. عكس اين روند درباره چقرمگي شكست نمونه ها ديده شد به گونه اي كه از 3/4 مگاپاسكال جذر متر در نمونه فاقد افزودني به 8/2 مگاپاسكال جذر متر براي كامپوزيت داراي 7/5 درصد وزني نانو گرافيت افزايش يافت. افت سختي نمونه ها با افزايش مقدار نانو گرافيت به نرمي ذاتي اين ماده نسبت داده شد ولي ارتقاي چشمگير چقرمگي شكست با افزوده شدن اين نانو ماده، به فعال شدن سازوكارهاي گوناگون چقرمه شدن مرتبط بود.

ZrB2­­-SiC-based ultrahigh temperature composites were fabricated by spark plasma sintering and reinforced with different amount of graphite nano-flakes (0، 2.5، 5، 7.5 and 10 wt%). Sintering process was performed at a temperature of 1900 °C for a dwell time of 7 min under an applied pressure of 40 MPa in a vacuum atmosphere. The effect of graphite nano-flake on the hardness and fracture toughness of samples were studied. The results showed that with increasing the nano-graphite content، the hardness of composites linearly decreased from 19.5 GPa for the graphite-free sample to 12.1 GPa for the composite reinforced with 10 wt% nano-graphite. An inverse trend was observed for the fracture toughness of ceramics، as it was increased from 4.3 MPa.m1/2 for the graphite-free sample to 8.2 MPa.m1/2 for the 7.5 wt% nano-graphite doped composite. The drop in hardness values، with increasing the nano-graphite content، was related to the intrinsic softness of graphite phase. However، an obvious enhancement in the fracture toughness values due to the addition of more graphite nano-flakes was attributed to the activation of several toughening mechanisms in such materials.