نشریه علمی پژوهشی مواد پیشرفته در مهندسی

هدف از اجرای پژوهش حاضر، بررسی مقایسه­ای اثر افزودن نانوذرات بیوسرامیک دیوپسید و سیلیکا سولفوریک اسید به جزء سرامیکی سیمان گلاس آینومر، به‌منظور ارتقاء خواص مکانیکی آن بود. به این منظور، ابتدا نانوذرات دیوپسید (DIO) با ترکیب شیمیایی (CaMgSi₂O₆)، به روش سل- ژل ساخته و مشخصات ساختاری و مورفولوژی نانوذرات دیوپسید تعیین شد. نتایج بررسی میکروسکوپی الکترونی (SEM) و اندازه گیری توزیع ذرات لیزری (PSA)، ابعاد نانومتری دیوپسید و آگلومره بودن ذرات آن را نشان داد. هم‌چنین نتایج آزمون پراش پرتو ایکس، خالص بودن ترکیب نانو ذرات دیوپسید را تأیید نمود. نانوذرات سیلیکا سولفوریک اسید(SSA)، نیز از طریق اصلاح شیمیایی سطح نانوذرات سیلیس توسط کلروسولفونیک اسید ساخته شده و از آزمون طیف سنجی تبدیل فوریه فروسرخ (FTIR) برای تأیید حضور گروه‌های (SO₃H) بر روی سطح این نانوذرات استفاده شد. در ادامه، با افزودن نانوذرات دیوپسید و سیلیکا سولفوریک اسید در مقادیر 1/0، 3 و 5 درصد وزنی به جزء سرامیکی سیمان گلاس آینومر تجاری (Fuji II GIC)، نانوکامپوزیت ­های سیمان گلاس آینومر ساخته شد و از آزمون­های استحکام فشاری، خمشی به روش سه نقطه‌ای و کششی قطری برای بررسی خواص مکانیکی آن‌ها استفاده شد. نتایج آزمون طیف سنجی تبدیل فوریه فروسرخ، حضورگروه ­های (SO₃H) را در سطح نانوذرات سیلیس نشان داد. مقادیر استحکام فشاری، استحکام خمشی و استحکام کششی قطری سیمان گلاس آینومر بدون افزودنی به‌ترتیب 5_/42 ، 4_/15 و6 مگاپاسکال بود. اگرچه افزودن یک درصد سیلیکا سولفوریک اسید در حدود 122 درصد این خواص را بهبود داد اما بیشترین میزان افزایش در خواص مکانیکی نانوکامپوزیت­ های حاوی 3 درصد دیوپسید بود که رشد
160 درصدی را نشان داد.

در فرایند تف‌جوشی پلاسمای جرقه­ای، اعمال هم‌زمان فشار مکانیکی و بار الکتریکی روی نمونه پودری، موجب حصول نمونه‌ای با چگالی نزدیک به مقدار نظری می‌شود. در این پژوهش به شبیه‌سازی اجزای محدود کوپل الکتریکی- حرارتی- مکانیکی سیستم تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای و استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی چند هدفه برای بهینه‌سازی متغیر‌های قالب، پرداخته شده است. شبیه‌سازی صورت گرفته برای نمونه کامپوزیتی Si₃N₄-SiO₂ با نسبت مولی 1:1 مطابقت خوبی با آزمون‌های تجربی داشت. به کمک الگوریتم ژنتیک چند هدفه، بهینه‌‌سازی ابعاد قالب به منظور حداکثر نمودن دمای مرکز نمونه و حداقل کردن "تنش فون میسز" در قالب صورت گرفت. نتایج نشان می‌دهد پس از بهینه‌سازی ابعاد قالب، دمای مرکز نمونه حدود 8 درصد افزایش و اختلاف دمای مرکز نمونه و سطح قالب در حدود 18 درصد کاهش یافت. این موضوع موجب یکنواختی بهتر در توزیع تخلخل نمونه نهایی گردید.

در این پژوهش پودرهای آهن (~ 45 میکرومتر) با کمینه خلوص 99 درصد با یک تا چهار درصد وزنی از ماده عایق سیلیکات سدیم (SiO₂.3Na₂O محلول در 40 درصد وزنی آب) و 5/0 درصد استئارات روی عایق‌بندی شدند. پودرهای عایق‌بندی شده با فشار 320 مگاپاسکال در یک قالب به شکل چنبره فشرده شدند. اثرهای درصد عایق و دمای بازپخت روی تراوایی مغناطیسی، تانژانت اتلاف هسته و تلفات کل بررسی شد. نتایج نشان می‌دهد که این ماده عایق برای عایق‌بندی پودرهای آهنی، به‌کار رفته در هسته‌های پودری آهن تا بسامدهای 1000 کیلوهرتز مناسب است. همچنین این ماده تا دمای 450 درجه سانتی‌گراد در برابر گرما پایدار است