زمینه کاری مقاله­ها:

این دو مقاله به بررسی لحیم کاری Reactivr air brazing) RAB) در سرامیک زیرکونیای ثبیت شده با ایتریم (YSZ) پرداخته است. مقاله Mechanical performance of reactive-air-brazed (RAB) ceramic/metal joints for solid oxide fuel cells at ambient temperature (در اینجا مقاله اول می نامیم) اتصال سرامیک  YSZ به فولاد فریت crofer 22APa در پیل های سوختی اکسید جامد و مقاله Evolution behavior of AL2O3 nanoparticles reinforcements during reactive air brazing and its role in improving the joint strength (در اینجا مقاله دوم می نامیم) به اتصال سرامیک­های YSZ به یکدیگر به منظور کاربرد در پیل­های سوختی به روش RAB را بررسی می­کند.

زیرکونیای تثبیت شده با ایتریم(YSZ):

یک ماده الکترولیتی حائز اهمیت برای تجهیزات الکتروشیمیایی دمای بالا مانند سلول­های سوختی اکسید جامد ، حسگرهای گازی و… می­باشد. و دلیل آن، استحکام خوب، قابلیت هدایت یونی بالا و ثبات شیمیایی در دمای بالا می­باشد. بسیاری از کابرد­ها نیاز به تهیه اجزای YSZ با اشکال بزگ و پیژیده دارند. اگرچه شکنندگی داتی و استحکام بالا باعث می­شود ماشینکاری مشکل گردد. و در مقاله دوم نشان می­دهد با روش RAB می­توان این مشکل را برطرف نمود.

لحیم­کاری Reactive air brazing) RAB):

این روش لحیم­کاری بدون گاز محافظ یا عامل فلاکس در دماهای بالای 900 درجه در کوره و بااعمال کمی نیرو انجام می­شود. فیلر مورد استفاده در این روش اصولا برپایه­ی نقره به همراه اکسید مس برای افزایش ترشوندگی است.

بحث و آزمایش:

ما در اینجا با دوتا مسئله روبرو هستیم:

  1. پیل­های سوختی اکسید جامد درون محظه­های فولادی قرار میگیرن و به وسیله­ی رابط­های فولادی بهم متصل میشن. بنابراین به دلیل اختلاف ضریب انبساط حرارتی و تفاوت ویژگی­های مکانیکی و… نحوه­ی اتصال سرامیک  YSZو فولاد مهم است.
  2. علاوه بر این اتصال YSZ ها با یکدیگر نیز برای ما مهم است. همانطور که گفتیم در ابعاد بزرگ و اشکال پیچیده لازم داریم و به دلیل شکنندگی و استحکام بالا ماشینکاری مشکل است و ما به وسیله اتصال RAB میخواهیم این مشکل را رفع کنیم.

ما در ابتدا می­خواهیم پیل سوختی اکسید جامد (sofc) را به فولاد متصل کنیم. دو تا روش داریم: 1. اتصال با شیشه/سرامیکی و این مورد خودش انرژی شکس کمی دارد و این مدل اتصال رد می­شود  2. اتصال به وسیلهRAB

و در قسسمت اتصال با RAB با یک بار از فیلر Ag و یک بار دیگر از فیلر Ag-Cuo استفاده کردیم و به وسیله خمش چهار نقطه استحکام آن را مورد بررسی قرار دادیم.

نکته ای که باید به آن اشاره شود این است که چون sofc ها خیلی شکننده هستن استحکام شکست پایین تری از فولاد و اتصال دارد زودتر میشکند و امکان بررسی اتصال RAB را نداریم بنابراین آن را با یک Tz3y جیگزین میکنیم .

شکل(1) نحوه قرار گیری و تشکیل لایه ­های پیل­های سوختی اکسید جامد را به ما نشان می­دهد.

و شکل(2) نیروی لایه لایه شدگی را در روش­های مختلف اتصال را به ما نشان می­دهد. منظور از Tz3yb استفاده از مواد braze بدون اکسید مس. درواقع فقط از نقره استفاده کرده است. منظور از Tz3ya یعنی استفاده از نقره به عنوان فیلر همراه با اکسید مس.

شکل1.نمونه قرار گیری لایه­ها در sofc و آماده کردن آن برای تست خمش چهار نقطه­ای.

شکل2.نمونه بار_جا به جایی برای نمونه لایه لایه ای بالا

و همانطور که در شکل میبینیم نیروی شکست در sofc از همه کمتر است. دلیل نیروی بیشتر لایه لایه شدگی در خمش 4 نقطه در فیلر بدون اکسید مس این است که در حالتی که اکسید مس در فیلر خود داشته باشیم در فصل مشترک لحیمکاری و فولاد فریتی اکسید کروم، آهن، منگنز مشاهده می­شود که دلیل آن واکنش فیلر لحیم با سطح فولاد است. و اگر ما TZ3Y را جایگزین sofc کرده باشیم این اکسیدها ترد هستن و سبب ایجاد ترک در فصل مشترک لحیم و فولاد می­شود (شکل3). در حالتی که فیلر بدون اکسید مس باشد، لایه ی اکسید مسی تشکیل نمی­شود و همین عامل سبب می­شود که شکت در فصل مشترک فولاد، لحیم متمرکز نشود به علاوه به دلیل تغییر شکل پلاستیک در ماتریس نقره این شکست را جبران می­کند بدین جهت اتصالی با استحکام بالاتر ایجاد می­شود (شکل4).

شکل3. نمونه شکستگی در اتصال TZ3Y با فولاد با فیلر Ag-Cu

شکل4. نمونه شکستگی در اتصال TZ3Y و فولاد فریت با فیلر Ag بدون اکسید مس

و حالا ما می­خواهیم روشی برای کاهش تردی ذاتی YSZ بگیم تا ماشینکاری آن آسان­تر شود. و دلیل اینکار رو گفتیم به خاطر کاربرد زیاد این سرامک است و نیاز است آن را ابعاد بزرگ و پیچیده مثل پیل­های سوختی درآوریم. روشی که در اینجا استفاده شده است RAB با استفاده از پرکننده Ag-0/8Cu است ولی در RAB بازهم اختلاف ضریب انبساط حرارتی بین سرامیک و لحیم وجود داره و برای کاهش این موضوع از ذرات نانو AL2O3 استفاده می­کنند. البته زمانی که از ماده پرکننده نقرا همراه با مس هم استفاده می­کندد استحکام اتصال و کم شدن تردی که دنبالش بودن درست میشه ولی دنبال بهتر کردن این موضوع هستند.

ولی موضوعی که پیش میاد متوجه می­شوند ذرات آلومینا باعث کاهش ترشوندگی مواد لحیم در سطح سرامیک YSZ می­شود (شکل5). و برای حل این موضوع روی سطح سرامیکمون با روش تبخیر در کوره خلاه لایه از ذرات مس قرار می­دهند (شکل6)  و همانطور که در شکل 5 مشاهده میکنید این عامل باعث کاهش زاویه ترشوندگی می­شود.

شکل5. زاویه تماس در شرایط مختلف: a) فیلر Ag-Cu  b) فیلر Ag-Cu Al2O3  c) فیلر Ag-Cu Al2O3 با لایه پوششی مس

شکل6. شماتیک دستگاه پوشش تبخیر

و حال دلیل این کاهش زاویه ترشوندگی این است که نانو ذرات Al2O3 با اکسید مس واکنش می­دهند و این عامل باعث کاهش اکسید مس در فصل مشترک و در نتیجه کاهش زاویه ترشوندگی می­شود. اما این موضوع نشان­دهنده­ی این مورد هست که این ماده تقویت کننده با فیلر ما سازگاری دارد.

همانطور که در شکل 7 (a) میبینید زمانی که تنها از فیلر پایه نقره همراه با اکسید مس استفاده میکنیم اتصال خوبی به ما می­دهد. و در اینجا ترک از ناحیه نقره ایجاد می­شود چون استحکام زیادی ندارد. شکل 7 (b) مربوط به اتصالی است که ما از تقویت کننده Al2O3 استفاده کرده­ایم همانطور که مشاهده می­شود میبینیم باعث ترک در مرز اتصال شده است. نقاط تیره D مربوط به نانو ذرات اکسید آلومینایی است که تجمع کرده­اند و ابعاد میکرو پیدا کرده­اند. ابعاد میکرو در حد ابعاد نانو باعث افزایش استحکام و کاهش تفاوت ضریب انبساط حرارتی نمی­شود. نقاط خاکستری کمرنگ E مربوط به واکنش اکسید مس با Al2O3 است. و در شکل 7(c) توضیع مس را نشان می­دهد و همانطورکه میبینیم در اطراف مرز اتصال کم شده است. شکل 7(d) توزیع AL را نشان می­دهد.

با تمام این موضوع­ها باز هم اتصال با تقویت کننده Al2O3 بدون لایه پوششی استحکام بیشتری از لحیم بدون تقویت کننده است.

شکل7. ریز ساختار اتصالات YSZ با استفاده از a) پرکننده Ag-cu و  b ) پرکننده Ag-Cu-AL2O3

c) مس  d)آلومنیوم

در ادامه رفتار لحیمکاری با ماده پرکننده Ag-Cu-AL2O3 همراه با پوشش مس بر روی سطح سرامیک را ببرسی میکنیم. همانطور که در شکل 8 مشاهده میکنیم ترک، حفره و نواقص در مرز اتصال ایجاد نشده است . این کاهش زاویهه ترشوندگی باعث افزایش کیفیت اتصال شده است. در شکل 8(a) آمده است 3 قسمت را انتخاب کرده تا دقیق­تر بررسی کند. در (e) توزیع مس را نشان می­دهد و همانطور که میبینیم توزیع یکنواخت و خوبی دارد و مرز غنی از مس است. در (f) توزیع AL را نشان میدهد که یکنواخت است و این یکنواختی در کیفیت اتصال تاثیر زیادی دارد. شکل (g) توزیع نقره را نشان می­دهد که به عنوان فاز ماتریس برای مهم است و می­بینیم پیوند قابل اعتمادی ایجاد می­کند.

شکل8. a) ساختار اتصالات YSZ پوشش داده با استفاده از پرکننده Ag-Cuo-Al2O3 . تصاویر بزرگنمایی زیاد از هر نقطه در صفحه. B) ناحیه1 c) ناحیه2 d) ناحیه3 . توزیع عناصر e) مس  f) آلومینیوم g) نقره

در شکل 9 استحکام برشی در شرایط مختلف لحیمکاری را نشان می­دهد. همانطور که میبینیم استحکام اتصال با پرکننده Ag-0/8Cu بدون تقویت کننده 32 مگاپاسکال است و زمانی که از تقویت کننده نانوذرات آلومنیا استفاده می­کنیم استحکام افزایش می­یابد ولی نه به صورت چمشگیر. زمانی که لایه­ی پوششی ش بر روی سطح سرامیک استفاده می­کنیم استحکام افزایش چمشگیری می­کند.

شکل9. استحکام برشی در دمای اتاق اتصالات YSZ در شرایط مختلف

حالا می­خواهیم به تاثیر دمای لحیم بپردازیم. دما در اینجا دارای یک اپتیمم است چون اگر دما کم باشد همانند شکا10 (a) در اینجا سیالیت کاهش پیدا میکند در نتیجه حفره­های زیادی ایجاد می­شود و قابلیت ترشوندگی کاهش می­یابد ولی ابعاد نانو ذرات کوچیک است چون نتوانسته­اند به راحتی حرکت و در نتیجه اجتماع کنند. و همانطور که در شکل ­های 10 میبینیم با افزایش دما سایلیت افزایش می­یابد ولی همزامان باعث تجمع ذرات نانو میشود و ابعاد آن­ها فزایش می­یابد و این باعث کاهش کیفیت می­شود. و این مورد را در شکل 11  نیز مشاهده می­کنیم.

شکل10.تأثیرات درجه حرارت دما در ریزساختار سطحی: a) هزار درجه  b) هزار و هشتاد درجه  c) هزار و صد درجه d) هزار صدو پنجاه درجه

شکل11. تاثیر دما لحیم بر استحکام برشی در دمای اتاق و اتصالات YSZ روکش دار با استفاده از پرکننده کامپوزیت Ag-CuO-Al2O3 به مدت 30 دقیقه

ما گفتیم هنگامی که ذرات تقویت در ابعاد نانو هستن استحکام برشی ما افزایش می­یابد حالا اگر بخواهیم دلیل آن را بیان کنیم به شکل 12 دقت کنین. ما گفتیم در این اتصال شکست در مرز­های نقره و ذرات تقویت کننده ایجاد می­شود  هنگامی که ذرات ما در حد میکرو هستن هنگامی که ترک به ذرات نانو آلومنیا میرسد نیاز به انرژی بیشتری دارد تا بتواند شکست ایجاد کند چون در مسیر حرکت آن یک مانع ایجاد شده است. ولی هنگامی که ذرات در ح نانو هستن و ترک به آن می­رسد مانع­های زیادی بر سر راه ان است و این ترک ها منشعب می­شود و انرژی آن کاهش می­یابد و برای ایجاد شکست به انرژی بیشتری نیاز دارد. و قابل ذکر است که تشکیل این میکرو ذرات در زمان استفاده از نانو ذرات غیر قابل اجتناب است.

شکل12. زنمایی شماتیک انتشار ترک و اتلاف انرژی تحت عملکرد تنش: (الف) بدون و (ب) با تقویت کننده نانو مقیاس Al2O3

ما کابرد سرامیک YSZ را پیل­ها سوختی جامد عنوان کردیم. بنابراین مدت زمان طولانی در دمای بالا باید قرار بگیرد پس مهم است که در تغییری در ساختار و خواص آن ایجاد نشود برای این منظور ما YSZ های لحیم شده با استفاده از Ag-Cuo-Al2O3 را به مدت 100 وو 150 ساعت در دمای 800 درجه سانتی گراد قرار دادیم و همانطور که در شکل 13 (a) و (b)می­بینیم تغییری در توزیع و ساختار آن مشاهده نمی­شود. و همانطور استحکام برشی آن را مورد آزمایش قرار دادند و میبینیم (شکلc) استجکام آن تغییر چشمگیری نکرده است. مهم است ترکیب ناخواسته­ای به وجود نیامده باشد و همانطور که در شکل 13 (d) میبینیم از نمونه­ها XRD گرفتن و میبینیم ترکیب جدیدی به وجود نیامده است.

نتیجه گیری:

  1. اتصال پیل­های سوختی اکسید جامد با لحیم RAB اتصال خوبی را به ما می­دهد که دارای استحکام بالاست. فیلر بدون اکسید مس استحکام بیشتری را برای ما حاصل می­کند.
  2. استفاده از نانو ذرات تقویت کننده Al2O3 باعث کاهش خاصی ترشوندگی می­شود. این موضوع باعث افزایش ترک و حفره… در مرز اتصال ی­شد و با استفاده از پوشش مس این مشکل را رفع کردن و باعث شد در پایان، اتصال بدون نقصی ایجاد شود.
  3. رسوب نانو ذرات آلومینا غیرقابل اجتناب بوده. که باعث تشکیل ذرات در مقیاس میکرو می­شود.
  4. در مقایسه با میکرو ذرات، نانو ذرات مزایای بهتری را در ازایش قدرت اتصال نشان داده­اند. با افزایش دمای لحیمکاری تعداد کمتری از تقویت کننده­ها در مقیاس نانو باقی می­مانند در نتیجه ویژگی­های اتصال تضعیف شده است.
  5. آزمون این اتصال در دمای بالا نشان داد که ساختار و توزیع این تقویت کننده تغییرات محدودی را تجربه نمود.

مقالات اخیر

0 پاسخ

پاسخ دهید

میخواهید به بحث بپیوندید؟
مشارکت رایگان.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *