مقدمه
آلیاژسازی مکانیکی یکی از روش‌های مؤثر برای سنتز نانوذرات است که در صنایع مختلف از جمله تولید مواد پیشرفته، سرامیک‌ها و کاتالیست‌ها کاربرد دارد. در این روش، با استفاده از آسیاب‌های سایشی و اعمال نیروی مکانیکی، مواد اولیه به‌صورت پودرهای نانومتری در می‌آیند. در این مقاله، تجهیزات مورد نیاز و مراحل انجام این فرآیند را به‌صورت جامع بررسی می‌کنیم.
تجهیزات و وسایل مورد نیاز
1. آسیاب سایشی (Attrition Mill) و قالب مربوطه
آسیاب سایشی شامل دو بخش اصلی است:
- بدنه قالب: که محل قرارگیری گلوله‌ها و پودرها بوده و به‌همراه محلول مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- درب قالب: دارای محوری است که بر روی آن پره‌هایی نصب شده و چرخش لازم توسط دریل زمینی با قابلیت تغییر سرعت انجام می‌شود.
2. گلوله‌های زیرکونیایی
جهت انجام عملیات آسیاب‌کاری از گلوله‌های زیرکونیایی پایدار شده با ایتریا (YSZ) استفاده می‌شود:
- گلوله‌های 5 میلی‌متری: برای آسیاب‌کاری و ایجاد سایش بالا.
- گلوله‌های 2 میلی‌متری: برای تهیه دوغاب.
3. دستگاه آون (Oven)
جهت خشک‌کردن محلول حاوی مواد اولیه پس از عملیات آسیاب‌کاری، از دستگاه آون استفاده می‌شود که با تنظیم دما، رطوبت و حلال‌های موجود را حذف می‌کند.
4. بوته آلومینایی
برای انجام عملیات کلسیناسیون، پودرهای سنتز شده درون بوته‌های آلومینایی قرار داده شده و درون کوره حرارت داده می‌شوند.
5. الک شماره 60
جهت گرانوله‌کردن پودر تولیدشده و جداسازی ذرات با اندازه مناسب از الک شماره 60 استفاده می‌شود.
6. کوره با قابلیت کلسیناسیون
کوره‌های مورد استفاده قابلیت گرم‌شدن تا دمای 1500 درجه سانتی‌گراد را دارند و امکان برنامه‌ریزی برای کنترل نرخ گرم‌شدن و سردشدن را فراهم می‌کنند.
مراحل سنتز نانوذرات به روش آلیاژسازی مکانیکی
1. آماده‌سازی مواد اولیه و توزین
ابتدا مواد اولیه با دقت بالا توزین شده و به نسبت‌های استوکیومتری مشخص، برای انجام واکنش آماده می‌شوند.
2. مخلوط‌کردن مواد اولیه با آسیاب سایشی
- پودرهای اولیه همراه با گلوله‌های زیرکونیایی 2 میلی‌متری و محلول اتانول درون قالب آسیاب ریخته می‌شوند.
- پس از بستن درب آسیاب، عملیات آسیاب‌کاری در محیط اتانول با حداقل سرعت 450 دور در دقیقه (rpm) و به مدت 7 ساعت انجام می‌شود.
3. خشک‌کردن و الک‌کردن پودر
- پس از آسیاب‌کاری، مخلوط پودری به‌مدت 1 ساعت در دمای 120 درجه سانتی‌گراد در دستگاه آون قرار داده می‌شود تا اتانول آن تبخیر گردد.
- سپس پودر خشک شده از الک شماره 60 عبور داده می‌شود.
4. عملیات کلسیناسیون اولیه
- پودر الک‌شده درون بوته آلومینایی استوانه‌ای قرار داده شده و در کوره حرارت داده می‌شود.
- ممکن است پس از این مرحله مقداری مواد اولیه واکنش‌نداده و گازهای محبوس درون پودر باقی بمانند، بنابراین مرحله دوم آسیاب‌کاری و کلسیناسیون انجام می‌شود.
5. آسیاب‌کاری و کلسیناسیون ثانویه
- پودر کلسینه‌شده مجدداً وزن شده و همراه با گلوله‌های زیرکونیایی مشابه مرحله قبل، در آسیاب سایشی قرار داده می‌شود.
- این فرآیند برای 7 ساعت دیگر در محیط اتانول و با سرعت 450 دور در دقیقه تکرار می‌شود.
- پس از آن، پودر خشک‌شده در دمای 120 درجه سانتی‌گراد به‌مدت 1 ساعت نگهداری و مجدداً از الک شماره 60 عبور داده می‌شود.
- در نهایت، پودر آماده‌شده برای بار دوم درون بوته آلومینایی قرار گرفته و عملیات کلسیناسیون نهایی انجام می‌شود.
نتیجه‌گیری
سنتز نانوذرات به روش آلیاژسازی مکانیکی یکی از روش‌های مؤثر برای تولید مواد با خلوص بالا و ساختار نانومتری است. کنترل دقیق پارامترهای آسیاب‌کاری، زمان کلسیناسیون و میزان مواد اولیه نقش مهمی در دستیابی به ترکیب فازی مناسب دارد. با اجرای مراحل گفته‌شده، می‌توان نانوپودرهای یکنواخت و با کیفیت تولید نمود که در صنایع مختلف از جمله تولید کاتالیست‌ها، مواد پیشرفته و سرامیک‌ها کاربرد دارند.