احیاء مکانوشیمیایی اکسید کبالت با آلومینیوم و کربن و بررسی تأثیر پارامترهای آسیاکاری در تولید پودر کامپوزیتی Co-Al2O3

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی متالورژی و مواد، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران.

2 استادیار، دانشکده مهندسی هوا و فضا، دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری، تهران، ایران.

3 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی هوا و فضا، دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری، تهران، ایران.

4 دانشیار، دانشکده مهندسی متالورژی و مواد، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران.

چکیده

در این پژوهش تولید کامپوزیت کبالت-آلومینا به صورت درجا و به کمک فرآیند احیاء مکانوشیمیایی از ماده اولیه اکسید کبالت در حضور عوامل احیاء کننده آلومینیوم و کربن مورد بررسی قرار گرفت، به طوری که از گرمای آزاد شده در طی واکنش آلومینوترمی جهت فعال‌سازی واکنش کربوترمی استفاده شد. در این راستا مخلوط پودری ‌-Co3O4-Al-C در یک دستگاه آسیای گلوله‌ای پر انرژی (fast mill) تحت فرآیند آسیاکاری قرار گرفت و همچنین تأثیر پارامتر‌های مختلف از جمله سرعت، زمان و نسبت گلوله به پودر‌ بر محصول تولیدی نهایی مورد بررسی قرار گرفت. پودر‌های آسیاکاری شده تحت آنالیز پراش پرتو اشعه ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) قرار گرفتند. با توجه به نتایج آنالیز XRD و نقشه توزیع عناصر بعد از دوازده ساعت آسیاکاری واکنش احیاء به صورت کامل رخ داد و در نتیجة آن پیک‌های متناظر با فاز کبالت و آلومینا در الگوی پراش به‌دست آمده ظاهر و کامپوزیت Co-33 wt% Al2O3 تولید شده است. افزایش زمان آسیاکاری از دوازده تا سی و شش ساعت منجر به کاهش اندازة کریستالیت‌های فاز کبالت و آلومینا به ترتیب تا 9 و 20.3 نانومتر شد. از سوی دیگر با افزایش سرعت آسیاکاری از 350 تا 450 دور بر دقیقه توزیع اندازه ذرات یکنواخت‌تر شده و اندازه آگلومره‌های ایجاد شده در مخلوط پودری کاهش یافت. همچنین با توجه به تصاویر SEM، افزایش نسبت گلوله به پودر از 15:1 تا 40:1 منجر به کاهش متوسط اندازة ذرات به زیر یک میکرومتر و توزیع یکنواخت‌تر فاز تقویت کننده آلومینا در زمینه کبالت شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

mechanochemical reduction of Cobalt oxide by Aluminum and carbon and investigating the effect of milling parameters on the production of Co-Al2O3 composite powder

نویسندگان [English]

  • Hojjat Gheybat Khajeh 1
  • darush javabvar 2
  • hamed abbasi 3
  • Massoud Goodarzi 4
1 M.Sc., School of Metallurgy and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
2 Assistant Professor, Faculty of Aerospace Engineering, Shahid Sattari Aeronautical University of Science and Technology, Tehran, Iran.
3 Ph.D. Student, Faculty of Aerospace Engineering, Shahid Sattari Aeronautical University of Science and Technology, Tehran, Iran.
4 Associate professor, School of Metallurgy and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
چکیده [English]

In this study, cobalt-alumina composite was prepared in-situ by mechanochemical process using cobalt oxide as a raw material in the presence of aluminum and carbon as reducing agents, for this purpose released heat from aluminothermic reaction was used in order to activate the carbothermic reaction. In this respect, milling the powder mixture of Co3O4-Al-C was done by a high energy ball milling device (fast mill) and also, the effect of different parameters such as speed, time, and ball-to-powder ratio on the final production was investigated. The milled powders were analyzed by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). According to the results of XRD analysis and distribution map of elements after 12 hours of milling, the redox reaction completely occurred and as a result, the peaks corresponding to the cobalt and alumina phases appeared in the diffraction pattern. The increase in milling time from 12 to 36 resulted in a decrease in the crystallites size of the cobalt and alumina phases up to 9 and 20.3 nm, respectively. On the other hand, with an increase in the speed of 350 to 450 rpm, the particle size distribution has been uniformly and size of the agglomerates produced in the powder mixture has decreased. Also, according to SEM images, increasing the ball to powder ratio from 15:1 to 40:1 resulted in a reduction in the average particle size below 1 μm and a more uniform distribution of the alumina reinforce phase in the cobalt background.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cobalt-Alumina composite
  • Milling
  • mechanochemical reduction
  • Carbothermic
  • Aluminothermic
[1]   Sigl, L. S., Mataga, P. A., Dalgleish, B. J., McMeeking, R. M., &     Evans, A. G. “ON THE TOUGHNESS OF BRITTLE MATERIALS REINFORCED WITH A DUCTILE PHASE,” Acta Metall., vol. 36, no. 4, pp. 945–953, 1988.
[2]  Froes, F. S., Senkov, O. N., & Baburaj, E. G., “Synthesis of nanocrystalline materials — an overview,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 301, no. 1, pp. 44–53, 2001.
[3]  Nath, L., Saha, G. C., & Brüning, R., “Nanocrystalline Al2O3-Ni(Cr) particle synthesis by high-energy mechanical alloying method,” J. Alloys Compd., vol. 758, pp. 224–236, 2018.
[4]  Suryanarayana, C., “Mechanical alloying and milling,” Prog. Mater. Sci., vol. 46, no. 1–2, pp. 1–184, 2001.
[5]  Yeo, W. S., & Yaacob, I. I., “Mechanical Alloying of Al2O3-Co Powders Mixture,” Key Eng. Mater., vol. 308, pp. 1109–1114, 2006.
[6]  El-Eskandarany, M. S., Mechanical alloying: For fabrication of advanced engineering materials. William Andrew. 2001.
[7]  Lü, L., & Lai, M. O., Mechanical Alloying. Springer Science & Business Media, 2013.
[8]  McCormick, P. G., & Froes, F. H., “The Fundamentals of Mechanochemical Processing,” JOM J. Miner. Met. Mater. Soc., vol. 50, no. 11, pp. 61–65, 1998.
[9]  Hwang, S. J. and Lee, J., “Mechanochemical synthesis of Cu–Al2O3 nanocomposites,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 405, no. May, pp. 140–146, 2005.
[10]         Karimzadeh, F., Enayati, M. H., & Tavoosi, M., “Synthesis and characterization of Zn/Al2O3 nanocomposite by mechanical alloying,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 486, no. 1–2, pp. 45–48, 2008.
[11]        Gokmese, H., Bostan, B., & Baris, M., “Fabrication and characterization of nanoceramic particle Al2O3/B4C composite by mechanochemical approach,” Inorg. Nano-Metal Chem., vol. 47, no. 3, pp. 416–422, 2017.
[12]         Padhan, A. M., Sathish, M., Saravanan, P., & Perumal, A., “prepared by chemical reduction Mechanical activation on aluminothermic reduction and magnetic properties of NiO powders,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 50, p. 21, 2017.
[13]         Zakeri, M., Yazdani-Rad, R., Enayati, M. H., & Rahimipoor, M., “Synthesis of MoSi2–Al2O3 nanocomposite by mechanical alloying,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 430, no. 1–2, pp. 185–188, 2006.
[14]         Heidary, M., Goodarzi, M., “Preparation of copper-chromium-alumina composite by mechanical activation of aluminothermic process,”In persian, MSc Thesis ,Iran University of science and Technology,Tehran, Iran, 2007.
[15] Younes, A., Dilmi, N., & Bouamer, A. (2020). Effect of thermal spray process on chemical composition, magnetic behaviour, structure and mechanical properties of coatings based on milled Fe, Co and Al2O3 powd  " Bulletin of Materials Science 43, no. 1, 2020
 [16] Li, J., Ni, X., & Wang, G., “Microstructure and magnetic properties of Co/Al2O3 nanocomposite powders,” J. Alloys Compd., vol. 440, pp. 349–356, 2007.
 
[17]         Hosseini, S. N., Karimzadeh, F., & Enayati, M. H., “Mechanochemical synthesis of Al2O3/Co nanocomposite by aluminothermic reaction,” Adv. Powder Technol., vol. 23, no. 3, pp. 334–337, 2012.
[18]         Kubaschewski, O., Alcock, C. B., and Spencer, P. J., Materials Thermochemistry. Oxford OX30BW, 1993.
[19]        Yi, H. C., & Moore, J. J., “Review (combustion) synthesis (SHS) of powder-compacted materials,” J. Mater. Sci., vol. 25, no. 2, pp. 1159–1168, 1990.
[20]         Tai, W. P., Kim, Y. S., & Kim, J. G., “Fabrication and magnetic properties of Al2O3/Co nanocomposites,” Mater. Chem. Phys., vol. 82, no. 2, pp. 396–400, 2003.
[21]         E. Gaffet and M. Harmelin, “Crystal-amorphous phase transition induced by ball-milling in silicon,” J. Less Common Met., vol. 157, no. 2, pp. 201–222, 1990.
[22] B. Gomez, E. Gordo, and J.M. Torralba, “Influence of milling time on the processing of Fe – TiCN composites,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 430, no. 1–2, pp. 59–63, 2006.
[23]         Sheibani, S., Ataei, A., Hashmati Manesh, S., khayyati, Gh., “Investigating of the  effect o type of mill and weight  ball  to powder  ratio on mechanoical-chemical reduction of copper oxide,” In persian, The 6th materials science and Engineering Conference, Tehran, Iran University of science and Technology, pp. 265–272, 2006.
[24]         Farahbakhsh, I., Zakeri, A., Manikandan, P., Tanaka, S., & Hokamoto, K., “Effect of Mechanical Alloying Parameters on the Formation of Ni–Cu Solid Solution Coating on the Ni Balls,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 50, p. 1S2, 2011.
[25]         Eckert, J., Holzer, J. C., Krill, C. E., & Johnson, W. L. “Structural and thermodynamic properties of nanocrystalline fcc metals prepared by mechanical attrition,” J. Mater. Res., vol. 7, no. 7, pp. 1751–1761, 1992.
[26]         Abbasi, B. J., Zakeri, M., & Tayebifard, S. A., “Mechanochemical synthesis of Al2O3–ZrB2–ZrO2 nanocomposite powder,” Mater. Res. Bull., vol. 49, pp. 672–676, 2014.