نویسنده: حبیب الله علیخانی
همانطور که پیشتر گفته شد، روش سل- ژل اغلب به عنوان یک روش ساخت پودرهای سرامیکی به کار می رود، زیرا مزایای بسیاری را در مقایسه با روشهای سنتی تولید پودر دارد. سطح ویژه بالای ژلهای خشک شده واکنشپذیری بالایی را سبب میشود و باعث کاهش دمای سینترینگ به درجه حرارتهای پایین ترمی گردد. در این راستا محققان، تحقیقات متعددی را در زمینه تولید نانوپودر زیرکونیای پایدار شده با ایتریا به روش سل- ژل انجام داده و اثر پارامترهای مختلف را روی شرایط تولید پودر مورد مطالعه قرار داده اند.
در پژوهشی که توسط کیو و لی انجام شده است، از زیرکونیم اکسی کلرید و نیترات ایتریم در مخلوطی از آب و اتانول به عنوان مواد اولیه استفاده شده است. محلول به دست آمده در دمای معین نگه داشته شده تا رسوبات سل سفید رنگ به دست آیند. سپس آمونیوم هیدروکسید به سل اضافه میشود تا pH به حدود 9 برسد. در حین رسوبدهی ژل دائماً فیلتر شده و با آب دیونیزه شستشو داده می شود تا اطمینان حاصل شود که هیچ یون کلر در محیط وجود ندارد. در نهایت پودرها خشک شده و در دماهای مختلف کلسینه شده اند. با استفاده از این روش پودرهایی حاصل می شوند که در محدوده ابعادی 25 تا 30 نانومتر قرار دارند.
در پژوهشی دیگر یک روش نسبتاً آسان با قابلیت کاربرد صنعتی توسط ویازی و همکارانش معرفی شده است. این روش شیمیایی ساده بر پایه آب کافت و واکنشهای پلیمریزاسیون غیر آلی آلکوکسیدهای فلزی بنا شده است. در این واکنشها که از آلکوکسیدهای چهار ظرفیتی غیر سیلیکاتی مانند زیرکونیم استفاده می شود، به بازدارنده ها و عوامل کمپلکس کننده با نام کلی اصلاح کننده ها، نیاز است تا سرعت رسوب را کاهش دهند و از رسوب هیدروکسیدهای فلزی مانند هیدروکسید زیرکونیم جلوگیری کنند. این آلکوکسیدها نسبت به رطوبت بسیار حساس هستند و به سرعت هیدراته شده و رسوب میکنند، در نتیجه آنها را باید به دقت و در اتمسفر خشک حمل و نگهداری کرد.
اصلاح کننده های واکنش را می توان از اسیدهای آلی مانند بتا دی کتونها، کربوکسیلیک اسید، و یا لیگاندهای پیچیده انتخاب نمود. این اسیدها از رسوب ناخواسته سایر ترکیبات جلوگیری می کنند. نوع و نسبت اصلاح کننده ها به زیرکونیم عامل بسیار مهمی است که سرعت واکنش و همگنی واکنش در سل را شدیداً تحت تاثیر قرار میدهد. عوامل دیگری نیز در انجام واکنشها موثرند مانند نسبت آب به زیرکونیم و نسبت حلال به زیرکونیم. تقارن کریستالوگرافی و مورفولوژی پودرهای اکسیدی تولید شده کاملاً به این متغیرهای شیمیایی فرایند بستگی دارد.
ماده تشکیل دهنده آلکوکسید زیرکونیم در این پژوهش، پروپوکسید زیرکونیم چهار ظرفیتی محلول در پروپانول است. در اینجا حلال همان پروپانول می باشد. ماده تامین کننده ایتریم نیز نیترات ایتریم سه ظرفیتی دارای شش مولکول آب می باشد که در پروپانول حل شده و غلظت محلول 0.5 مول بر لیتر است. باید به واکنش شدید پروپوکسید زیرکونیم با آب توجه کرد و نمی توان آبی که مینرالهای آن جدا نشده است را مستقیماً به آن اضافه نمود. مخلوطی از آب در پروپانول به عنوان حلال تهیه میشود تا از تمرکز موضعی آب با پروپوکسید زیرکونیم جلوگیری شود زیرا این مساله منجر به ناهمگن شدن ژل خواهد شد. برای جلوگیری از مشکل آب کافت شدن سریع آلکوکسید با آب که معمولاً در هوا اتفاق می افتد، تمامی فرایندها باید تحت اتمسفر خنثی و گاز آرگون انجام شوند. بعد از تهیه ژل در دمای 50 درجه ی سانتیگراد، همه نمونه ها در دمای 80 درجه ی سانتیگراد، به مدت حداقل 24 ساعت خشک می شوند تا اینکه ایروژل تشکیل شود. سپس پودر حاصل به مدت 2 ساعت در دمای 950 درجه ی سانتیگراد، کلسینه می شود. آزمایشهای TEM نشان می دهند که پودر YSZ به دست آمده با این روش دارای ابعادی در حدود 30 تا 40 نانومتر است.
در تحقیق دیگری که توسط وانگ و همکارانش انجام گرفته است نیز نانوپودر زیرکونیا با استفاده از روش سل- ژل تولید شده است. در این روش بوتوکسید زیرکونیم در میزان معینی از الکل تحت شرایط هم زدن یکنواخت حل می شود. به این محلول همگن کاتالیست آب کافتی، آمونیوم هیدروکسید اضافه می شود تا pH معادل 10 شود. سپس 2 میلی لیتر آب اضافه می شود و محلول جدید به طور مداوم هم زده میشود تا ژل تشکیل گردد. ژل در دمای اتاق و در خلاء به مدت زمان 24 ساعت خشک شده و سپس به مدت 4 ساعت در هوا و در دماهای 400، 600 و 800 کلسینه می شود.
در سال 2001 میلادی، لبرتی- رابرت و همکارانش با استفاده از کلرید زیرکونیم و ایتریم نیترات به عنوان پیش ماده، پودر نانوکریستال YSZ برای کاربردهایی نظیر الکترولیت سلول های سوختی و سنسورهای اکسیژنی که در آن ها هدایت یونی اکسیژنی زیرکونیا مهم است، تولید کردند. در پژوهش مذکور ابتدا کلرید زیرکونیم و ایتریم نیترات 6 آبه در آب و در دمای 25 درجه ی سانتیگراد، حل شدند و سپس اسید سیتریک به آن اضافه شد. با افزودن اتیلن گلیکول، پلیمری شدن سیترات مخلوط شده، از طریق واکنش پلیمری شدن استرها انجام شد. با نگه داری بشر بر روی صفحه داغ با دمای 80 درجه ی سانتیگراد، تحت هم زدن مداوم، محلول ویسکوزتر شده و در نهایت یک ژل شفاف بدون هیچ گونه جدایش فازی قابل مشاهده به دست آمد. ژل به دست آمده در 180 درجه ی سانتیگراد به مدت 24 ساعت خشک گردید و در 400 درجه ی سانتیگراد، به مدت 2 ساعت کلسینه شد. عملیات تف جوشی نهایی در 600 تا 1000 درجه ی سانتیگراد و به مدت 6 ساعت انجام شد. این پژوهشگران از مقایسه اندازه ذرات محاسبه شده از آزمون های XRD و BET نتیجه گرفتند که ذرات آگلومره هستند. کاهش مساحت سطح مخصوص با افزایش دمای کلسینه کردن، نشان داد که تمایل به تشکیل ساختاری متراکم در آگلومره ها وجود دارد. بررسی های میکروسکوپ الکترونی روبشی نیز وجود آگلومره ها را تایید کرد.
در سال 2002 میلادی، رابرت و همکارانش نانو پودر 8YSZ را تولید و تاثیر افزودنی های شیمیایی روی مورفولوژی نانو پودرها را بررسی نمودند. در همان سال یاون ژانگ و همکارانش، با استفاده از سه روش پچینی اقدام به تولید نانو پودرهای زیرکونیای حاوی اسکاندیم شدند. در روش اول از پلی وینیل الکل، در روش دوم از پلی اتیلن گلیکول و اسید فورمیک و بالاخره در روش سوم از اتیلن گلیکول و اسید سیتریک تک آبه، به عنوان پیش ماده استفاده کردند. همچنین آنها در هر سه روش خود از یک نوع نمک زیرکونیم و ایتریم استفاده نمودند. آنها در بررسی خود به این نتیجه رسیدند که ژل تولید شده از روش سوم بهترین یکنواختی ترکیب شیمیایی را از خود نشان می دهد.
در سال 2010 میلادی توسط گرزبیلوکا و همکارانش با استفاده از دو نوع روش پچینی نانو پودرهای YSZ را تولید نمودند. در روش اول یا روش (IPC) از زیرکونیم اکسی کلراید اکتا هیدرات، ایتریم نیترات هگزاهیدرات، اتیلنگلیکول و اسیدسیتریک به عنوان پیش ماده استفاده نمودند و در روش دوم یا روش (PEG/AF) از زیرکونیماکسیکلرید اکتاهیدرات، ایتریم نیترات هگزاهیدرات، اسید فورمیک و پلی اتیلن گلیکول به عنوان پیش ماده استفاده کردند.
بررسی اثر پارامترهای موثر درتولید پودر به روش سل- ژل
خواص محصول نهایی تهیه شده از روش سل- ژل وابسته به پارامترهای بسیاری می باشد. محققان اثر برخی ازاین پارامترها را بر روی ویژگی های نانوپودر تولید شده مورد بررسی قرار داده اند. در ادامه تاثیر استفاده از کاتالیست آبکافت، اثر دما و زمان گرم کردن بر واکنش، اثر افزودن توزیع کننده و اثر دما و زمان کلسیناسیون مورد مطالعه قرار گرفته است.

اثرکاتالیست آبکافت

در پژوهشی که توسط بوخیمی و همکارانش انجام شده است، به منظور بررسی اثر کاتالیست آب کافت از چهار نوع کاتالیست آبکافت که عبارتند از: CH_3 COOH، HCl، H_2 SO_4، NH_4 OH استفاده شده است. در شکل 1 نمودار TG نمونه های تهیه شده با استفاده از این کاتالیستهای آب کافت نشان داده شده اند. همانطور که در شکل دیده میشود تمام نمونه ها در هنگام گرم کردن تا دمای 300 درجه ی سانتیگراد، کاهش وزن داشته اند. این کاهش وزن مربوط به تبخیر ترکیبات فرار باقی مانده از هنگام تهیه و آماده سازی نمونه می باشد. بالاتر از این دما کاهش وزن نمونه بستگی به کاتالیست آبکافت انتخاب شده خواهد داشت. این نمونه ها نشان می دهد که ساختار کریستالی همه آنها در دمای پایین تر از 300 درجه ی سانتیگراد، آمورف است. نمونه هایی که با استفاده از کاتالیستهای آب کافت CH_3 COOH، HCl، H_2 SO_4، NH_4 OH ساخته شده اند، با آنیل شدن در هوا در دمای 400 درجه ی سانتیگراد، کریستاله می شوند. این نمونه در حین آنیل کردن تا این دما بین 30 تا 34 % از وزن اولیه خود را از دست می دهند. نتایج تست DTA این نمونه ها نشان میدهد که بلوری شدن برای این نمونه ها در دمای بین 300 تا 350 درجه ی سانتیگراد، اتفاق می افتد. البته دمای بلوری شدن دقیق بستگی به نوع کاتالیست آب کافت استفاده شده دارد.
وقتی از سولفوریک اسید به عنوان کاتالیست آب کافت استفاده میشود، نمونه ها در دمایی بالاتر از 400 درجه ی سانتیگراد بلوری می شوند. در این مورد نمونه ای که تا دمای 400 درجه آنیل شده است، تنها 26 درصد وزن اولیه خود را از دست داده است و آنیل کردن در دماهای بالاتر از 600 درجه، موجب کاهش وزن بیشتر می شود که این میزان در 800 درجه ی سانتیگراد، به 37 % می رسد. این کاهش وزن مشابه کل کاهش وزنی است که در مورد نمونه های تهیه شده با دیگر کاتالیستهای آب کافت مشاهده شده بود. این مساله به این معناست که واکنش یون های SO_x با فاز آمورف، ساختار آمورف را پایدار میکند و بلوری شدن آن را به دماهای بالاتر انتقال می دهد که توسط نتایج آنالیز DTA نیز به اثبات رسیده است.
همچنین در تحقیق مشابه انجام شده توسط وانگ و همکارانش نشان داده شده است که برای نمونه های زیرکونیایی تهیه شده از روش سل- ژل که از اسید سولفوریک به عنوان کاتالیست آب کافتی استفاده کرده اند، بیشترین سرعت تجزیه هیدروکسید زیرکونیم در دمای 650 درجه ی سانتیگراد در نمودارهای TG مشاهده می شود و این مسئله به این معناست که بلوری شدن زیرکونیا در عامل اسیدی در درجه حرارتهای بالاتری اتفاق میافتد و حدوداً 200 درجه ی سانتیگراد بالاتر از نمونه های بهدست آمده از روش سل- ژل در عامل بازی است. این امر به این علت است که انتقال از هیدروکسید زیرکونیم به زیرکونیا، شامل مراحل ممکن مختلفی است، از دست دادن آب با پیوندهای ضعیف و تشکیل گروه های هیدروکسیلی نهایی، آبزدائی پلهای هیدروکسیلی برای تشکیل هسته اکسیدی و رشد هسته تا درآمدن به صورت یک کریستال قابل رویت. وقتی از اسید سولفوریک به عنوان کاتالیست آب کافتی استفاده میشود، یون SO_4^(2-) موجود در اطراف Zr-O جانشین یون های هیدروکسید می گردند. به خاطر پایداری حرارتی بیشترسولفات، پیوندهای سولفات با زیرکونیم بسیار قوی تر از پلهای هیدروکسیلی بین دو اتم زیرکونیا است. از بین بردن یونهای SO_4^(2-) نیازمند دماهای بالاتر میباشد. به عنوان مثال دمای 600 درجه ی سانتیگراد، که در نتیجه تشکیل باندهای اکسیدی را به تاخیر انداخته و موجب پایداری فازهای دما پایین می گردد.

اثر زمان کلسیناسیون

تعداد بسیار معدودی از پژوهشگران اثر زمان کلسیناسیون را بر خواص نهایی پودر مورد بررسی قرار داده اند. یکی از کارهایی که در این زمینه انجام شده، پژوهش لی و همکارانش می باشد که اثر زمان کلسیناسیون را بر روی اندازه کریستالیتهای به دست آمده را مطالعه کرده اند. نمودار مربوط به وابستگی اندازه ذرات به زمان در شکل 2 دیده می شود. با توجه به نمودار می توان دریافت که انتخاب زمان مناسب برای کلسیناسیون، بستگی مستقیم به دمای انتخاب شده دارد. با افزایش دمای کلسیناسیون، به منظور ممانعت از رشد کریستالیت ها باید زمان مناسب با آن دما انتخاب گردد. همانطور که در نمودار مشاهده می شود، در دمای 773 کلوین تا زمان 90 دقیقه، افزایش قابل توجهی در اندازه کریستالیت مشاهده نمی شود اما با افزایش بیشتر زمان، 11.8 % افزایش در اندازه کریستالیتها وجود خواهد داشت. این روند در مورد دماهای 873 و 973 کلوین متفاوت است و در این دماها، افزایش زمان حتی از 10 دقیقه تا 30 دقیقه سبب رشد کریستالیتها میشود که این امر نشانگر آن است که با افزایش دما روند رشد کریستالیتها سریعتر میشود و در زمانهای کوتاه تری اتفاق می افتد.

اثر دمای کلسیناسیون

پژوهشگران متعددی اثر دمای کلسیناسیون را بر روی ویژگی های نانوپودرهای نهایی تولید شده توسط روش سل- ژل مورد مطالعه قرار داده اند. به طور کلی در اکثر موارد دمای کلسیناسیون بهینه از تفسیر نتایج آنالیز DTA، حاصل میگردد به این ترتیب که با در نظر گرفتن پیک اگزوترم مربوط به کریستالیزاسیون، دمای دقیق تبلور پودرها مشخص میگردد.
در پژوهشی که توسط کیو و لی انجام شده است آنالیز FT-IR بر روی نمونه های پودر ژل تهیه شده از روش سل- ژل که در دماهای مختلف کلسینه شدهاند، انجام گرفته است که نتایج آن در شکل 3 مشاهده می گردد. همچنین نتایج آنالیز XRD انجام شده بر روی این پودرها، در شکل 4 مشاهده می گردد. همانطور که از نتایج تست FT-IR بر می آید، پودرهای کلسینه نشده دارای پیوندهای O-H، N-O و کلا پیوندهای گروه های آلی هستند و یونهای آزاد نیترو، نیترات و هیدروکسی در پودرها موجودند. با افزایش دمای کلسیناسیون این ارتعاشات پیوندی به تدریج ناپدید می شوند و وقتی که دمای کلسیناسیون به 973 کلوین می رسند، غیر قابل تشخیص میگردند.
نتایج آنالیز XRD، نشان می دهند که نمونههایی که به مدت 2 ساعت در دمای 473 کلوین کلسینه شده اند، همچنان آمورف می باشند. وقتی دمای کلسیناسیون به 673 کلوین می رسد، پیک های موجود دال بر کریستاله شدن زیرکونیا در فاز مکعبی میباشند اما پیکهای پهن، نشان دهنده کریستالیزاسیون ضعیف و ذرات بسیار ریز YSZ هستند. وقتی دمای کلسیناسیون از 673 به 1273 کلوین می رسد، پیکها بسیار تیزتر و قویتر می شوند که نشان دهنده بهبود تبلور YSZ با افزایش دمای کلسیناسیون است.
اما دبونی و همکارانش اثر افزایش دمای کلسیناسیون را بر اندازه کریستالیتها بررسی کردهاند. در شکل 5 نمودار اندازه کریستالیتها بر حسب دمای کلسیناسیون دیده می شود. همانطور که از نمودار پیداست، با افزایش دمای کلسیناسیون اندازه کریستالیتها افزایش می یابد که در حقیقت نمایانگر رشد ذرات می باشد. انرژی اکتیواسیون بسیار پایین برای رشد کریستالهای YSZ یک ویژگی اصلی نانوکریستال های سرامیکی است. در حین کلسیناسیون، معمولترین نوع رشد، اگریگاسیون و تشکیل باندهای حالت جامدی است که بین نانوذرات تشکیل می شود.

نویسنده: حبیب الله علیخانی
خواص قطعات سرامیکی به عواملی چون اندازه، شکل ذرات، خلوص و یکنواختی پودر مصرفی به طور مستقیم بستگی دارد و به واکنشهای حین پخت که خود متاثر از نوع و چگونگی مواد اولیه است نیز مربوط میشود. اندازه ذرات، شکل ذرات، میزان خلوص آنها همراه با ثبات ترکیب و استوکیومتری عناصر از جمله عواملی میباشند که کنترل دقیق آنها میتواند ما را به ظهور خواص ویژه سرامیکها رهنمون سازد. برای دستیابی به سرامیک هایی با دانسیته تئوری، پودر ریز دانه با توزیع اندازه پهن و شکل تقریباً کروی و غیر آگلومره مطلوب است.
با پیشرفت تکنولوژی، نیاز به مواد اولیه خالص با ویژگیهای دقیق و مشخص که به راحتی قابل کنترل باشد احساس شد، به همین دلیل راههایی جهت دستیابی به این خواص آغاز گردید که مهمترین آنها روشهای شیمیایی تهیه پودر است. هر قدر اختلاط عامل پایدار کننده با زیرکونیا بیشتر باشد، مسیر و زمان کوتاهتری را برای حضور در سرتاسر شبکه زیرکونیا طی خواهد کرد و لذا احتیاج به حرارت پایینتر و همچنین مقدار پایدار کننده کمتری میباشد که به وسیله روشهای شیمیایی قابل انجام است. با توجه به این دو موضوع دیده میشود که در واقع با استفاده از روشهای شیمیایی میتوان میزان اختلاط و توزیع عوامل پایدار کننده را به حداکثر ممکن رساند و ضمناً پودری با خواص مناسب به دست میآید که در نتیجه دو هدف تولید پودر زیرکونیا و پایدار نمودن آن به طور همزمان حاصل شده است.
از این مواد اولیه در ساخت و تولید محصولات جدید به خصوص سرامیکهای مهندسی و سرامیکهای نوین به منظور بهره وری از خواص ویژه سرامیکها استفاده شده است. مهمترین عاملی که متخصصین را به بهره برداری از اینگونه خواص رهنمون ساخت، کنترل مواد اولیه بوده است. سابقاً برای افزایش هدایت الکتریکی زیرکونیا و نیز پایدارسازی آن، از روش های فرآوری خشک استفاده می شد. این روش شامل مخلوط کردن پودر زیرکونیا یا اکسی کلرید زیرکونیم با یک عامل پایدار کننده و گرم کردن مخلوط برای ساعتهای طولانی بود تا محلولهای جامد اکسیدی غیر استوکیومتری به دست آید. فرایند فرآوری خشک نیاز به دماهای بسیار بالا برای فرآوری مواد در کاربردهای مورد نظر دارد. دماهایی که در تحقیقات مختلف برای این روش ذکر شده است 1350 درجه ی سانتیگراد و بالاتر است. بعد از بهدست آوردن فاز مکعبی، پودرها حتی در دماهای بالاتر تفجوشی می شوند تا هدایت الکتریکی آنها افزایش یابد. زیرکونیا و زیرکونیای پایدار شده با ساختار مکعبی و تتراگونال در دماهای بسیار پایینتر هم با گرم کردن ذرات ریز به دست آمده از محلولهای آبی قابل دستیابی هستند.
پودرهای زیرکونیای دوپ شده یکنواخت و بسیار ریز، به دلیل تهیه سرامیک هایی برای طرحهای الکترونیکی دارای اهمیت فراوانی است. این پودرها نه تنها امکان و توانایی تهیه سرامیک های متراکم را در دماهای پایین فراهم میکنند بلکه خواص ترمومکانیکی بهتری نیز دارند؛ چرا که در نهایت اندازه دانه کوچکی دارند. روشهای زیادی برای تهیه شیمیایی پودرها در دسترس می باشد. به کارگیری روشهای شیمی تر برای تهیه پودرهای سرامیکی مخصوصاً در جهت دستیابی به درجه بالایی از همگنی و قابلیت پخت بهتر می باشد.

روش رسوب دهی

همانطور که پیشتر گفته شد، عموماً پودرهایی که با روشهای شیمیایی تر فرآوری میشوند، همگنی بیشتری دارند و توزیع نقایص مانند جایهای خالی اکسیژن در آنها همگنتر خواهد بود که این امر خواص الکتریکی آنها را تحت تاثیر قرار خواهد داد. بررسیهای انجام شده نشان می دهند که روش تولید پودر بر روی خواص الکتریکی YSZ شدیداً تاثیر گذار است. روش رسوبدهی به دلیل قابلیت اعمال کنترل در مقیاس بالا یکی از روشهای موثر برای تولید پودر شناخته شده است که نه تنها انرژی اکتیواسیون لازم برای انجام فرایند را کاهش می دهد، بلکه ماده ای با خواص بهبود یافته نیز فراهم می کند. در این روش رسوب گذاری عمدتاً توسط هیدروکسید آمونیم یا اوره انجام می شود.
در پژوهشی که توسط برون و همکارانش انجام گرفته، رسوبدهی پودرهای YSZ از محلول های آبی مورد بررسی قرار گرفته است. در این روش YSZ از محلول آبی نیترات ایتریم 4 آبه و نیترات زیرکنیل توسط هیدروکسید آمونیم رسوب داده میشود. سپس رسوبها در هوا خشک شده و کلسینه می گردند.
در پژوهش دیگری که توسط ژین و همکارانش انجام گرفته، از روش رسوبدهی همگن برای تولید YSZ استفاده شده است. در این روش مواد اولیه شامل ایتریا و زیرکونیل کلراید 8 آبه می باشد. ایتریا در مقادیر معین در اسید نیتریک حل شده و سپس زیرکونیل کلراید 8 آبه نیز در آب دیونیزه حل شده و با محلول نیترات ایتریم مخلوط می گردد. سپس اوره به این مخلوط اضافه شده و رقیق می گردد تا غلظت زیرکونیا در آن به 0.05 مول بر لیتر برسد. محلول حاصل در یک اتوکلاو در دمای 85 درجه ی سانتیگراد و به مدت یک ساعت گرم میگردد تا رسوب هیدروژل تشکیل شود. این رسوب توسط سانتریفوژ جمعآوری شده و سپس به دفعات با آب دیونیزه شستشو داده می شود و پس از خشک کردن در دمای 500 درجه ی سانتیگراد، کلسینه می گردد.
متوسط اندازه کریستالیتهای بهدست آمده با این روش توسط فرمول شرر، 7 نانومتر گزارش شده است. همچنین طیف های رامان گرفته شده نشان می دهند که نمونه ها عمدتاً شامل فاز مکعبی هستند. همچنین نتایج آنالیز TEM نشان داده اند که آگلومراسیون در این پودرها بسیار ضعیف می باشد. نانو پودرهای همگن با آگلومراسیون کم به دست آمده از این روش، قابلیت کاربرد برای ساخت ابزار سرامیکی پیشرفته را دارند.

روش رسوب دهی دو امولسیونی

در میان روشهای گوناگون تولید پودر، رسوب دهی ذرات از محلول به دلیل سهولت، ارزانی و قابل کنترل بودن، روشی خوب و قابل قبول می باشد. مشکل اغلب روشهای رسوب دهی متعارف این است که ذراتی با شکل هندسی نامنظم و توزیع اندازه ذرات وسیع حاصل میشود که این مشکلات را می توان با استفاده از تکنیک رسوب دهی دو امولسیونی برطرف کرد. اولین قدم در روش رسوب دهی امولسیونی، یافتن فرمولی مناسب برای پایداری امولسیون است که شامل فعال کننده سطحی و یا مخلوطی از فعال کنندههای سطحی در کنار آب و روغن می باشد. اگر اندازه قطرات امولسیون مورد توجه قرار گیرد، دو نوع مختلف به نام های ماکرو امولسیون و میکروامولسیون را می توان نام برد. در میکرو امولسیون ذرات باید از ابعاد بسیار کوچکتری نسبت به ماکروامولسیون برخوردار باشند. معمولاً میکرو امولسیونها شفاف هستند زیرا اندازه قطرات در آنها بین چند نانومتر تا 100 نانومتر است اما ماکروامولسیونها حالتی شیری شکل دارند زیرا اندازه قطرات در آنها در حد میکرومتر می باشد. اخیراً تحقیقاتی انجام گرفته است که بر طبق آنها میتوان برای تهیه پودرهای سرامیکی نظیر آلومینا، زیرکونیا و ایتریا را از روش رسوب دهی امولسیونی استفاده کرد. ایده پایه در تکنیک رسوبدهی دو امولسیونی در شکل 1 نشان داده شده است.
در این روش دو محلول امولسیون در دو ظرف جداگانه آماده می شوند. یک ظرف حاوی روغن به علاوه فعال کننده های سطحی می باشد که درون آن محلول ذرات اکسید فلزی آبدار وجود دارد و در ظرف دیگر محلول آمونیاک آبی موجود است. بعد از آماده سازی، این دو محلول با تلاطم و سرعت زیاد با یکدیگر مخلوط میشوند. سرعت تعویض و تغییر ذرات داخلی در حل شدن در یکدیگر بسیار پایین است به عنوان مثال تماس بین ذرات فلزی محلول و آمونیاک نیازمند نفوذ آمونیاک از میان فاز روغن می باشد که در مسیر نشان داده شده در شکل 1 نمایان است. از طرف دیگر تعویض ذرات می تواند به علت به هم پیوستن ذرات از دو نوع مختلف باشد. در حقیقت چند مرحله را میتوان در انجام این واکنشهای زنجیرهای نام برد: نفوذ و جابجایی قطرات برای رسیدن به یکدیگر، باز شدن لایه های فعال کننده های سطحی و تماس آنها، نفوذ مولکولهای قابل حل درون اگریگیتهای دیمری که به صورت لحظه ای تشکیل می شوند، واکنش بین مولکولهای حل شونده، جوانه زنی و رشد ذرات اولیه به وجود آمده و جدایش ذرات به منظور تشکیل ذرات ریزتر.
مزیت تکنیک رسوب دهی دو امولسیونی، دستیابی به غلظتهای یکنواخت آمونیا درون فاز روغن است. در این روش اندازه، توزیع اندازه و شکل محصولات تولیدی نسبت به روشهای متعارف رسوب دهی قابل کنترل تر می باشد. در ادامه روشهای متعددی که توسط آنها با استفاده از این تکنیک ترکیبات حاوی زیرکونیم تولید شده اند مورد بررسی قرار می گیرند.
روش اول عبارت است از دمیدن گاز آمونیاک در محلول امولسیونی که حاوی ذرات آبی Zr می باشد. پس از این مرحله رسوبهای ژل مانندی تشکیل شده و سپس زیرکونیا آگلومره شده حاصل می گردد که ابعاد ذرات آن پس از کلسیناسیون در حد زیر میکرون میباشد. کانای و همکارانش در سال 1987 پودر اکسیدی زیرکونیم ایتریم با اندازه متوسط 100 تا 200 نانومتر را تحت شرایط بهینه و با این روش، تولید کردند.
در روش دیگری که در سال 1997 توسط باون انجام گرفته است، دو محلول مورد استفاده در میکرو امولسیون عبارتند از زیرکو نیترات و محلول آمونیا. این دو محلول آماده سازی شده و مخلوط میشوند تا ذرات اولیه به دست آیند. سپس این ذرات به منظور دستیابی به زیرکونیا تتراگونال کلسینه می گردند. ذرات به دست آمده کروی، غیر آگلومره و اندازه آنها در محدوده 5 تا 10 نانومتر می باشد. باید خاطر نشان کرد که میزان فعال کننده سطحی که در این روش به کار گرفته می شود بسیار بالا بوده و به میزان 35 درصد وزنی کل محلول امولسیون می باشد.
همانطور که گفته شد هدف از تکنیک رسوب دهی دو امولسیونی، کنترل اندازه ذره میباشد. فاکتورهای مهمی در بهینه کردن شرایط تولید پودر با استفاده از این روش نقش دارند که به طور خلاصه به برخی از آنها اشاره می شود. از فاکتورهای بسیار مهم پایداری امولسیون می باشد که در این رابطه تاثیرات نوع فعال کننده سطحی، غلظت یون زیرکونیم 4 بار مثبت و نسبت آب/روغن توسط محققان مختلف بررسی شده و چنین نتیجه شده است که غلظت پایین این یون و همچنین نسبت کمتر آب/روغن شرایط مناسب تری را برای پایداری ماکروامولسیون فراهم می نماید. همچنین ماکروامولسیونهای پایداری با استفاده از سه فعال کننده آنیونی مختلف که عبارتند از Arlace 183، Span80 و Span40، مناسب ترین ماده تشخیص داده شده است. افزودن این فعالکنندههای سطحی به فرمولاسیون، کشش سطحی قطرات را کاهش می دهد.
از پارامترهای مهم دیگر می توان به نوع فاز روغنی و غلظت محلول آبی اشاره کرد که بر روی خواص امولسیون موثر بوده و متعاقب آن خواص ذره تولید شده را نیز تحت تاثیر قرار میدهد. اندازه قطرات در فاز آبی نیز از پارامترهای بسیار مهمی است که بر روی اندازه نهایی پودر تولید شده موثر است. در تحقیق انجام شده توسط تای و همکارانش تاثیر غلظت محلول آبی روی اندازه قطرات آبی در سیستم ماکروامولسیون بررسی شده است. طبق نتایج بهدست آمده از این پژوهش نمودار توزیع اندازه قطرات فاز آبی هنگامی که غلظت کاهش می یابد، به سمت ابعاد کوچکتر می رود.
شدت و زمان هم زدن نیز از دیگر پارامترهای موثر در تولید پودر به روش رسوب دهی امولسیونی می باشند. در تحقیقات نشان داده شده که افزایش شدت همزدن منجر به افزایش اندازه دانه ها می شود و نیز نشان داده شده که تاثیر همزدن به مراتب کمتر از تاثیرات غلظت می باشد.

روش هیدرو ترمال

روش هیدروترمال روشی برای تولید جامدات غیر آلی اکسیدی یا غیر اکسیدی است. در روش های تولید هیدروترمال، کنترل فاز و مورفولوژی محصول به وسیله به کار گرفتن واسطه واکنش مناسب و در نظر گرفتن خواص فیزیکی نظیر ویسکوزیته، نقطه جوش و قابلیت پولاریته شدن، آسان می باشد.
به علاوه وجود واسطه واکنش مایع می تواند از تشکیل آگریگیتهای سخت محصولات در حین تولید، ممانعت به عمل آورد. در این فرایند یک روش بسیار مورد قبول، استفاده از یک حلال الکلی به عنوان جایگزینی برای آب، به عنوان واسطه واکنش برای جلوگیری از آب کافت اولیه میباشد. آب بعداً به سیستم واکنش افزوده می شود تا آبکافت اجزاء فلزی را تسهیل نماید.
روش هیدروترمال به طور گسترده ای برای تولید ذرات بسیار ریز زیرکونیا به کار میرود. متغیرهای فرایند مانند pH، غلظت، دما و زمان، اثرات مهمی بر ساختار کریستالی زیرکونیا دارند. در پژوهشی که توسط ژیانگ دنگ و همکارانش انجام گرفته است سنتز زیرکونیا در الکل های خاص تحت شرایط هیدروترمال مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. در این روش از تتراکلرید زیرکونیم به عنوان ماده اولیه استفاده می گردد و پس از خشک شدن، الکل مورد نظر (متانول، اتانول، ایزو پروپانول) به آن افزوده میشود و سپس در اتوکلاو تحت حرارت تا 300 درجه ی سانتیگراد، قرار می گیرد. محلولهای حاصله از متانول سوسپانسیونهای پایدار از نانو ذرات می باشند که برای جدا کردن آنها از تبخیر استفاده می گردد.
زیرکونیای تولید شده تتراگونال بوده و اندازه متوسط دانه آن نانومتر گزارش شده است. این محققان به این نتیجه رسیده اند که افزودن آب ضروری نمی باشد زیرا حلالهای الکلی در حین فرایند طی فرایند اتری شدن، آب تولید می نمایند. محصولات تولید شده توسط این پژوهشگران، نانو کریستالیتهای بسیار ریز بودند که تنها در برخی موارد آگلومرههای بسیار ضعیف در آنها تشکیل شده بود و توزیع اندازه دانه نیز نسبتاً همگن بوده است.
در پژوهش دیگری که توسط گانگ ژو و همکارانش انجام گرفته است، برای تولید نانوپودرهای زیرکونیای پایدار شده با اسکاندیا (ScSZ) که هدایت یونی قابل توجهی را داراست، از روش هیدروترمال دو مرحلهای و رسوب گیری در حضور اوره استفاده شده است. در این روش از نیترات اسکاندیم و زیرکونیم، به عنوان مواد اولیه، استفاده شده است. این مواد اولیه در دمای 80 درجه ی سانتیگراد به مدت 24 تا 48 ساعت گرم شده و سپس در دمای 180 درجه ی سانتیگراد، به مدت 48 تا 72 ساعت دیگر گرم می گردند. پودرهای رسوب کرده فیلتر شده و با آب دیونیزه و اتانول شسته شده و در یک گرم کن خلاء در دمای 40 درجه ی سانتیگراد، خشک می شوند. در نهایت پودرهای حاصله در دمای 600 تا 1200 درجه ی سانتیگراد، به مدت یک ساعت در یک کوره مافلی تحت هوای ساکن کلسینه می گردند. در واقع در این روش اوره، کنترل کننده بازیسیته سیستم می باشد زیرا با افزایش بازیسیته، رسوب ژل زیرکونیا افزایش یافته و جوانه زنی فاز مونوکلینیک نیز افزایش می یابد و نیز استحاله آن به فاز مکعبی زیاد می گردد. مرحله دوم عملیات هیدروترمال به خاطر دادن دما و زمان کافی برای متبلور شدن نانو کریستالیتها به صورت مکعبی و جلوگیری از استحاله تشکیل مونوکلینیک است. اندازه ذره متوسط در این کار تحقیقاتی کوچکتر از 10 نانومتر و سطح ویژه آنها نیز 157 متر مربع بر گرم گزارش شده است.
پژوهش دیگری که توسط کانگودتیتی و همکارانش انجام شده است، مقدار معینی از تترا- نرمال پروپوکسید زیرکونیم به 100 میلی لیتر گلیکول اضافه شده و تحت گاز نیتروژن تا 300 درجه ی سانتیگراد، حرارت داده می شود و به مدت 2 ساعت در این دما نگهداری می گردد. پس از سرد شدن تا دمای اتاق، پودرها جمع آوری شده و با متانول شستشو داده میشوند و سپس در هوا خشک میگردند. کلسینه کردن پودرها نیز به مدت یک ساعت انجام می گیرد. نتایج به دست آمده حاکی از این است که پودرهای به دست آمده با استفاده از غلظت های مختلف ZNP همه سفید رنگ و تتراگونال بودهاند و اندازه ذرات با افزایش غلظت ZNP، از 3.4 نانومتر به 4.8 نانومتر افزایش یافته است. پس می توان چنین نتیجه گرفت که افزایش غلظت ماده تامین کننده زیرکونیم باعث ترغیب آگلومراسیون و درشت شدن ذرات می گردد.

 

عملیات های صنعتی کنونی و استفاده از دیرگدازها

صنایع شیمیایی ادوات فرآوری دارد که در گستره ی 370 تا 1870 درجه ی سانتیگراد کار می کنند. واحدهای حاوی آسترهای دیرگداز در یک بخش پالایشگاهی نمونه وار، می توانند شامل واحد کراکینگ کاتالیستی (FCCUs)، بهینه سازهای کاتالیستی، هیترهای مشعلی، بویلرها، بهینه سازهای هیدروژن، کوره های اتیلنی، مخازن مخصوص سوزاندن و کوره های کربن می باشد. برخی از این واحدها به گونه ای طراحی شده اند که قابلیت عایق کاری را دارا می باشند در حالی که برخی بخش های دیگر، واحدهای دما پایین هستند (مانند FCCUs) و از ای نرو، تنها حاوی یک لایه ی منفرد از مواد دیرگداز هستند که برای فایق آمدن بر سایش شدید ایجاد شده به دلیل کاتالیست ها، اعمال شده اند.در صنعت پتروشیمی و سنتز صنعتی گازها، طراحی های جدید در محیط حمایت کننده ی کاتالیست و عایق کاری با استفاده از دیرگدازها، موجب افزایش در عمر مفید عملیات و افزایش بازده رآکتورهای مختلف می شود.هزینه ی تخمین زده شده برای عایق کاری با آسترهای دیرگداز و کارهای نصب و نگهداری آنها در صنعت شیمیایی و پتروشیمی، نسبتاً پایین است (در واقعا مقداری نزدیک به 1 % از کل هزینه های عملیاتی). به دلیل دماهای عملیاتی پایین، در مقایسه با سایر صنایع، دیرگدازها به صورت نرمال بوسیله ی دماهای بالا تحت تأثیر قرار نمی گیرند و از این رو، تخریب ناشی از ایروژن، خوردگی و تنش های مکانیکی در آنها کمتر است. یکی دیگر از مشکلاتی که بر روی قابلیت اعتماد دیرگدازها اثر گذار است، روشی است که دیرگداز با استفاده از آن نصب می شود. علاوه بر این، آسترکاری این بخش ها، معمولاً زمان کمتری در مقایسه با آسترکاری در سایر صنایع، نیاز دارد. طراحی آسترکاری (ضخامت، نحوی چیدمان، طراحی ساختار و اتصالات مربوطه) نیز می تواند مورد توجه باشد.
همچنین تناژ کلی مربوط به مواد دیرگدازی که در یک پالایشگاه نمونه وار با اندازه ی متوسط مورد استفاده قرار می گیرد، می تواند در حد 1000 تن باشد که این میزان برای حداقل یک دهه کافی است. یک پالایشگاه نمونه وار نیازمند 2500 تن دیرگداز می باشد. برخی از واحدهای حساس تر نیازمند نگهداری هستند و باید هر ساله مورد بازبینی و تعمیر و نگهداری قرار گیرند.
به طور کلی، اکثر دیرگدازهایی که بوسیله ی کارخانه جات مواد شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند، از نوع مونولیتیکی هستند. این دیرگدازها شامل مواد ریختنی، مخلوط های ریخته گری شده با ویبراسیون، مخلوط های چسبی، مواد ریختنی حاوی مقادیر اندک سیمان و بدون سیمان، و انواع مختلفی از دیرگدازهای عایق کاری می باشند. به دلیل اینکه بسیاری از فرایندهای پالایش کوتاه مدت می باشند، یک اتصال سرامیکی می تواند با اتصال های هیدرولیکی (سیمانی) جایگزین شود. برخی از انواع این دیرگدازها را با استفاده از پلاستیک های با اتصال فسفاتی به هم متصل می کنند. در واقع این اتصال ها نیازهای مربوط به دما پایین را برطرف می کنند. برخی از شرکت ها دارای مخلوط های ریختنی هستند که مخصوص استفاده در این بخش ها می باشند.
به هر حال، محلی که دیرگدازی پیشرفته ممکن است بیشترین اثر را بر روی بازده صنعت شیمیایی داشته باشند، بویلرها هستند که در حقیقت برای تولید جریان بخار استفاده می شوند. بهبودهای ایجاد شده در بازده گرمایی بویلرها (به خودی خود) از طریق بهبود عایق کاری بخش های داخلی و لوله های انتقال مقدور می شود. در حقیقت با استفاده از دیرگدازهای مورد استفاده در این بویلرها، میزان اتلاف حرارت به حداقل، می رسد.
در صنعت پتروشیمی و سنتز صنعتی گازها، طراحی های جدید در محیط حمایت کننده ی کاتالیست و عایق کاری با استفاده از دیرگدازها، موجب افزایش در عمر مفید عملیات و افزایش بازده رآکتورهای مختلف می شود. طراحی های جدید از دیرگدازها که در بخش حمایت کننده های کاتالیستی استفاده می شوند، موجب افزایش نرخ جریان و افزایش عمر مفید تولید کاتالیست ها می شوند. کاتالیست ها مواد گران قیمتی هستند و از این رو، این کار موجب صرفه جویی های قابل توجهی می شود. توجه زیادی باید به استفاده از مواد آسترکاری سرامیکی حاوی فیبر و همچنین مواد میکرومتخلخل سیلیسی شود. توجه زیادی نیز باید به استفاده از قطعات پیش ساخته برای استفاده در اجزای مختلف فرایندهای تولید، معطوف شود. همچنین استفاده از تکنولوژی پیش ساخته، بیشتر مد نظر می باشد. به دلیل اینکه این بسیار مهم است که دماهای مربوط به پوسته ی رآکتورها و بخش های واکنشی باید بالاتر از یک دمای آستانه قرار گیرد تا بدی صورت از ایجاد بخار بر روی سطوح رآکتورها جلوگیری به عمل آید، طراح ها تلاش می کنند تا مدل هایی برای پیش بینی گرادیان دمایی و دماهای سطح سرد رآکتورها، توسعه دهند. فقدان اطلاعات در مورد رسانایی گرمایی برخی از مواد ریختگی مونولیتیک یکی از مشکلات در این زمینه می باشد.

موانع

دیرگدازها و مواد عایق کاری نقش مهمی در بیشتر عملیات های شیمیایی دارند. این تخمین زده شده است که 50 % از انرژی که به صورت مستقیم در این فرایندها به مصرف می رسد، با دیرگدازها مرتبط است. بر اساس تجزیه و تحلیل انجام شده بر روی کوره های صنعتی و عملیات های انجام شده در این صنایع، فهمیده شده است که بهبود در سیستم دیرگداز مورد استفاده در صنایع شیمیایی و پتروشیمی، می تواند منجر به صرفه جویی قابل توجه در مصرف انرژی شود (تا میزان 266.4 TBtu در سال). موانع موجود در این زمینه، عبارتند از:
• فقدان آگاهی در مورد خواص دما بالا مانند گسستگی خزشی، استحکام کوتاه مدت، رسانایی گرمایی، انبساط حرارتی، دوام و پایداری دیرگدازهای مونولیتیکی مورد استفاده در این صنایع.
• فقدان آگاهی در مورد خواص خوردگی دیرگدازهای مورد استفاده در صنایع شیمیایی و پتروشیمی.
• فقدان آگاهی در مورد زمان اتمام و هزینه های نگهداری که به صورت روزافزون بر روی المان های هزینه ای اثرگذار می باشد. فقدان آگاهی در مورد کاهش در مصرف انرژی و آلودگی هوا.
• فقدان آگاهی در مورد محیط های دما بالا و خوردنده که موجب محدود شدن عمر دیرگدازها و افزایش هزینه های نگهداری در بسیاری از رآکتورهای شیمیایی و بخش های پتروشیمی، می شود.

بیشتر بخوانید: آثار تخریب پتروشیمی بر محیط زیست

 

روش های تحقیق و توسعه

• توسعه ی دیرگدازهای بهبود یافته برای مینیمم کردن آسیب های مکانیکی به محفظه های با آستر دیرگداز از طریق کاهش در میزان تنش های مکانیکی بر روی آستر.
• توسعه ی کارها در زمینه ی بهینه سازی خواص فیزیکی دیرگدازها (یعنی خاصیت عایق کاری گرمایی، مقاومت به ایروژن، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت به شوک حرارتی، استحکام، تخلخل و نفوذپذیری) تحت شرایط عملیاتی شناخته شده برای انواع واحدهای خاص. توسعه ی محصولات واقعی و با قابلیت تولید و توسعه و بهبود خواص به منظور کنترل کیفیت و بهبود خواص فیزیکی مورد نیاز برای آسترکاری در شرایط سرویس دهی.
• توسعه ی روش های بهبود یافته برای آنالیز ادوات دما بالا از طریق روش های بررسی آنلاین دیرگدازها
• توسعه ی دیرگدازهای با عمر طولانی تر که در حقیقت تردی کمتری دارند و نسبت به شوک حرارتی مقاوم تر می باشند.
• بدست آوردن داده های ترموفیزیکی، مکانیکی و کینتیکی از دیرگدازها.
• توسعه ی کامپوزیت های زمینه ی سرامیکی- فلزی با پایداری بهبود یافته و سطح اصلاح شده و یا دارای پوشش برای افزایش مقاومت به خوردگی
• توسعه ی موادی که در برابر دماهای بالا مقاوم هستند در حالی که استحکام، دوام، مقاومت به خوردگی، مقاومت به سایش و تخریب در آنها فوق العاده است.
• توسعه ی موادی که مقامت بهبود یافته ای در برابر اسیدهای آلی دارند و می توان آنها را در فرایندهای پایه کلر نیز استفاده کرد. با این کار می توان الزامات عملیاتی و حفظ و نگهداری را کاهش داد.
• توسعه ی دیرگدازها و پوشش های نسوزی که موجب کاهش مصرف انرژی و هزینه های نگهداری می شوند. توسعه ی سطوح نچسب دما بالا که در واقع بدون تخریب شدن، در دماهای بالا تبخیر می شوند و موجب کاهش هزینه های نگهداری مربوط به ادوات می شوند.

محصولات جنگلی

عملیات ها و استفاده های کنونی از مواد دیرگداز
اگر چه صنعت پالپ و کاغذ یک استفاده کننده ی قابل توجه از مواد دیرگداز نیست. صنعت محصولات جنگلی سومین مصرف کننده ی بزرگ انرژی در ایالات متحده ی آمریکا می باشد. این بخش سالانه 3.3 کوارد انرژی مصرف می کند. به خاطر همین، این صنعت 63 % از انرژی خود را با استفاده از محصولات ضایعاتی چوبی بازیافت شده و سایر منابع تجدیدپذیر تولید می کند. از سال 1972، این صنعت استفاده ی خود از سوخت های فصیلی را کاهش داد و تنها 2 % از انرژی خود را خریداری کرد، در حالی که میزان تولید این بخش از زمان گفته شده تا الان، 64 % افزایش یافته است. در آینده، گازگیری از شیرآبه ی تولید کاغذ (black liquor) و بیوگاز، منجر به کاهش بیشتر انرژی خریداری شده و حتی تغییر در صنعت تولید پالپ و کاغذ می شود. بخش های گازگیری در واقع می توانند انرژی قابل توجهی تولید کنند.
کوره های بازیافت آهک نیز در تولید محصولات جنگلی استفاده می شوند. این بخش ها، به عنوان یکی از اجزای مربوط به فرایند کرافت پالپ است. این کوره ها، 7 میلیون Btu انرژی را برای بازیابی آهک مصرف می کنند. حال این کوره ها محدودیت هایی از جمله نرخ تولید سیکلی، کیفیت پایین محصول حاصله، گرد و غبار سیکلی قابل توجه، و مشکل انسداد، رنج می برند. بیشتر این محدودیت ها به دلیل خرابی در آجرکاری و یا شکست دیرگدازها رخ می دهد و می توانند موجب تعمیر و نگهداری این سیستم ها به مدت 35 روز شوند.

موانع

این تخمین زده می شود که 40 % از مصرف انرژی مستقیم بوسیله ی محصولات جنگلی، در فرایندهایی رخ می دهد که تحت تأثیر دیرگدازها می باشند. بر اساس تجزیه و تحلیل های انجام شده بر روی کوره ها و واحدهای فرآوری، این فهمیده شده است که بهبود در سیستم های دیرگداز می تواند منجر به صرفه جویی در میزان مصرف انرژی تا میزان 129 TBtu در سال شود.
• فقدان آگاهی در مورد مسائل مربوط به چسبیدن مواد واکنش دهنده و محصولات به آسترهای دیرگداز و کوره ها که موجب محدود شدن عمر عملیاتی آنها می شود.
• عدم دسترسی به مواد با مقاومت خوردگی در برابر محیط های قلیایی بالا و مقاوم در برابر خوردگی و سایش، مقاومت در برابر پوسته ای شدن و تطابق گرمایی با مواد فلزی مورد استفاده در بخش های گازگیری.
• عدم دسترسی به مواد بهبود یافته که با اتمسفرهای قلیایی واکنش نمی دهند. یک چنین واکنش هایی موجب تراشیده شدن سطح آستر دیرگداز می شود و عمر آستر را کاهش می دهد.
• فقدان داده ها در مورد خواص مواد با قابلیت ریخته گری مورد استفاده در این صنعت و اطلاعات مربوط به محصولات دیرگداز موجود.
• عدم دسترسی به دیرگدازهای بهبود یافته برای بویلرهای بازیابی Tomlinson و جایگزینی با دیرگدازهای گل آتشخوار، آجرهای آلومینایی و اجزای مونولیتیکی مشابه در بخش های زیرین. دیرگدازهای بهبود یافته می توانند میزان زمان های خاموشی دستگاه را کاهش دهند.
• فقدان سیستم های دیرگداز با مقاومت به خوردگی قلیایی کافی برای آسترکاری محفظه های دخیره سازی مورد استفاده در بخش مواد شیمیایی پالپ.

روش های تحقیق و توسعه

• توسعه ی دیرگدازهای بهبود یافته برای کوره های آهک، به منظور کاهش زمان های مورد نیاز برای ایجاد رینگ و کوتینگ که منجر به افزایش بازده انرژی و طول عمر کوره
• توسعه ی دیرگدازهای پیشرفته برای مهیا کردن مواد مناسب در بخش های گازگیری. دیرگدازهای پیشرفته می توانند منجر به بهبود قابل توجه در بازده انرژی برا صنعت محصولات جنگلی شوند.
• توسعه ی موادی که دارای مقاومت بیشتر در برابر خوردگی با نمک های مذاب هستند. این مواد مقاومت بیشتری در برابر ایروژن دارند و نسبت به خرد شدن نیز مقاوم ترند.
• توسعه ی مواد دیرگدازی که از لحاظ گرمایی با مواد فلزی مورد استفاده در بخش های گازگیری، تطابق داشته باشند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Refractories for industrial processing: opportunities for improved energy efficiency/ prepared by DOE- EERE industrial technologies program