تاثیر عامل فلزی بر احیا کربوترمیک دی اکسیدتیتانیم به منظور تولید کاربیدتیتانیم

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 12، شماره 44، شهریور 1400، صفحه 65-82   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jnm.2021.29247.1942

نویسندگان

فاطمه همایونی¹؛ نادر ستوده^{* 2}؛ عباس محصل³؛ فاطمه حیدری³؛ محمد سجادنژاد³

¹دانشجوی کارشناسی ارشد،گروه مهندسی مواد،دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه یاسوج،یاسوج،ایران

²دانشیار- گروه مهندسی مواد،دانشکده فنی و مهندسی،دانشگاه یاسوج، یاسوج،ایران

³استادیار- گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی،دانشگاه یاسوج، یاسوج،ایران

تاریخ دریافت: 04 آبان 1400،  تاریخ بازنگری: 04 آذر 1400،  تاریخ پذیرش: 21 آذر 1400 

چکیده

چکیده
در این پژوهش تاثیر عوامل فلزی مانند منیزیم، آلومینیم و مخلوط منیزیم-روی بر احیاکربوترمیک دی اکسیدتیتانیم در شرایط آسیاکاری مکانیکی بررسی شد. آزمونهای آسیاکاری مکانیکی در یک آسیای سیاره ای در زمانهای گوناگون انجام شد. مخلوط هایی از دی اکسیدتیتانیم-منیزیم-کربن، دی اکسیدتیتانیم-منیزیم-روی-کربن و دی اکسیدتیتانیم-آلومینیم-کربن بر اساس نسبت های استوکیومتری مرتبط به هر واکنش تهیه شدند. پس از پایان آسیاکاری مکانیکی هر کدام از نمونه ها، فرآیند اسیدشویی با محلول اسیدکلریدریک 2 نرمال برای از بین بردن فازهای قابل حل انجام شد. عملیات گرمایش همدما برای باقی مانده های جامد پس از اسیدشویی، در اتمسفر آرگن در دمای 1000 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت انجام شد. آنالیز محصولات و فازها به روش XRD و ارزیابی ریزساختار نمونه ها با میکروسکوپ SEMانجام شد. نتایج نشان داد با افزودن عامل فلزی، واکنش بین دی اکسیدتیتانیم-کربن به شدت گرمازا می شود. در مخلوط دی اکسیدتیتانیم-آلومینیم-کربن، واکنش به صورت (MSR) در شرایط آسیاکاری پیش رفت و محصولات واکنش در مخلوط 5 ساعت آسیاکاری، کاربیدتیتانیم و اکسیدآلومینیم بود. اما در مخلوط های دی اکسیدتیتانیم-منیزیم-کربن و دی اکسیدتیتانیم-منیزیم-روی-کربن، واکنش احیا در نمونه های آسیاکاری از طریق اکسیدمیانی تیتانیم انجام شد. پس از گرمایش همدما نمونه های آسیاکاری از مخلوط های دی اکسیدتیتانیم-منیزیم-کربن و دی اکسیدتیتانیم-منیزیم-روی-کربن در اتمسفر آرگن،نشانه های کاربیدتیتانیم و اکسیدمیانی تیتانیم از نوع Ti₂O₃ دیده شد. وجود نشانه های فاز Ti₂O₃ نشان می هد واکنش احیای دی اکسیدتیتانیم هنگام استفاده از عامل فلزی منیزیم و یا مخلوط منیزیم-روی پس از 10 ساعت آسیاکاری کامل نمی شود. 

کلیدواژه‌ها

آناتار؛ آسیاکاری مکانیکی؛ روتیل؛ کاربید تیتانیم؛ واکنش MSR

عنوان مقاله [English]

Effect of metallic agent on the carbothermic reduction of titanium dioxide in order to produce titanium carbide

نویسندگان [English]

Fatemeh Homayooni¹؛ Nader Setoudeh²؛ Abbas Mohassel³؛ Fatemeh Heidari³؛ Mohammad Sajjadnejad³

¹M. Sc Student-Materials Engineering Department- School of Engineering-Yasouj University, Yasouj, Iran

²Associate Professor-Materials Engineering Department- School of Engineering-Yasouj University- Yasouj, Iran.

³Assistant Professor-Materials Engineering Department- School of Engineering-Yasouj University, Yasouj, Iran

چکیده [English]

Abstract
The effect of metallic agents such as aluminium, magnesium and mixture of magnesium-zinc was studied on the carbothermic reduction of titanium dioxide in this research under mechanical milling. The mechanical milling runs have been done in a planetary ball mill in different times. The mixtures of TiO₂-Mg-C, TiO₂-Mg-Zn-C and TiO₂-Al-C were prepared based on stoichiometric ratios for each reaction. The acid washing process using 2 N HCl solution was done to remove the soluble phases after finishing mechanical milling of each sample. The isothermal heating was done at temperature of 1000 °C for one hour for solid residues of acid washing under flowing of argon atmosphere. The analysis of products and phases was done using XRD and the microstructure of samples studied by SEM. The results showed the reaction between titanium dioxide and carbon would be exothermic after the adding metallic agent. The reaction progresses via MSR mode for the mixture of TiO₂-Al-C in milling conditions and the products were titanium carbide and alumina in the 5 h milled sample. The reduction reaction however progressed via intermediate titanium dioxide in the milled samples for mixtures of TiO₂-Mg-C and TiO₂-Mg-Zn-C. The signs of titanium carbide and intermediate titanium oxide such as Ti₂O₃ were observed in the milled mixtures of TiO₂-Mg-C and TiO₂-Mg-Zn-C after isothermal heating under argon atmosphere. The signs of Ti₂O₃ phase reveal that the reduction reaction of titanium dioxide does not be completed after 10 h milling when metallic agents such as magnesium and/or magnesium-zinc mixture are used
 

کلیدواژه‌ها [English]

Anatase, Mechanical milling, MSR reaction, Rutile, Titanium carbide

مراجع

1.       .Mansour Razavi, Mohammad Reza Rahimipour, Reza Kaboli. (2008). “Synthesis of TiC nanocomposite powder from impure TiO₂ and carbon black by mechanically activated sintering”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 460, pp.694–698.

2.       Navin Chandra, Meenakshi Sharma, Deepesh Kumar Singh, S.S. Amritphale. (2009). “Synthesis of nano-TiC powder using titanium gel precursor and carbon particles”, Materials Letters, Vol. 63, pp.1051–1053.

3.       .Sutham Niyomwas. (2010). “Synthesis of titanium carbide from wood by self-propagating high temperature synthesis”, Songklanakarin J. Sci. Technol. Vol.32 (2), pp.175-179.

4.       .Mohsen Mhadhbia and Miloud Driss. (2021). “Titanium Carbide: Synthesis, Properties and Applications”, Brilliant Engineering, 2, pp. 1-11.

5.       .M. Dastjerdi, S. M. Z. Ebrahimi, A. Ghanbari, M. Sakaki, M. Sh. Bafghi.(2016). “Facile synthesis of TiC powder through microwave-assisted self-propagation high-temperature synthesis”, Ceramic Science and Engineering, Vol. 4, No. 4, pp.67-78 [in Persian, 1394].

6.       .F. Hosseinzadeh, H. Sarpoolaky. (2013). “Preparation and characterization of nano-sized TiC powder by sol gel processing”, Journal of Advanced Materials In Engineering (Esteghlal), Vol.32, No2, pp. 13-24 [in Persian, 1392].

7.       .N. Setoudeh, A. Saidi, N.J. Welham. (2005). “Carbothermic reduction of anatase and rutile”, Journal of Alloys and Compounds, Vol.  390, pp.138–143.

8.      .HSC Chemistry for Windows, version 5.1., Outokumpu Oy, 1994.

9.       A.E. Mchale and R.S. Roth (Editors) (1996). “Phase equilibria diagrams”, Vol. XII-Oxides, American Ceramic Society, 1996.

10.   Sen Wei, Xu Bao-qiang, YangBin, Sun Hong-yan (2011).“Preparation of TiC powders by carbothermal reduction method in vacuum”, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, Vol. 21, pp.185-190.

11.   Young-Chul Woo, Ho-Jae Kang, Deug J. Kim. (2007).”Formation of TiC particle during carbothermal reduction of TiO2”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 27, pp.719–722.

12.   .Malek Ali, Projjal Basu.(2010). “Mechanochemical synthesis of nano-structured TiC from TiO2 powders”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 500 pp.220–223.

13.   N. Setoudeh, N.J. Welham. (2015).“Effect of carbon on mechanically induced self-sustaining reactions (MSR) in TiO2–Al–C mixtures”, Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 54, pp.210–215.

14.   H. Zhu, Y. Jiang, Y. Yao, J. Song, J. Li, Z. Xie. (2012). “Reaction pathways, activation energies and mechanical properties of hybrid composites synthesized in-situ from Al-TiO2-C powder mixtures” , Mater. Chem. Phys. Vol.137, pp.532–542.

15.   R. Rahbari, L.H. Saw, M. Hamdi, R. Yahya. (2009). “Combustion synthesis of TiO₂-Al-C/Al₂O₃ mixture in the presence of oxygen”, J. Phys. Vol.152, pp.1–9.

16.   .J.H. Lee, S.K. Ko, C.W. Won. (2001).” Combustion characteristics of TiO₂/Al/C system”, Mater. Res. Bull. Vol. 36, pp.1157–1167.

17.   .Kou Sheng-zhong, Xu Guang-ji, Ding Yu-tian. (2001). “Effect of carbon content on microstructure of in-situ Al₂O₃p-TiCp/Al composites”, Trans. Nonferrous. Met. Soc. China, Vol. 11(5), pp.756–759.

18.   A. Haj Alilou, A. Saidi, M. Abbasi. (2010). “Production of titanium carbide and TiC-Al₂O₃ nanocomposite using rutile by combustion synthesis and mechanical alloying”, Journal of Advanced Processes in Materials Engineering, Vol.4, No.1, pp.1-9 [in Persian, 1389].

19.   H.H. Nersisyan, J.H. Lee, C.W. Won. (2003) “Combustion of TiO2–Mg and TiO2–Mg–C systems in the presence of NaCl to synthesize nanocrystalline Ti and TiC powders”, Materials Research Bulletin, Vol. 38, pp.1135–1146.

20.   Reza Ebrahimi-Kahrizsangi, Marzieh Alimardani, Omid Torabi. (2015)” Investigation on mechanochemical behavior of the TiO2–Mg–C system reactive mixtures in the synthesis of titanium carbide”, Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 52, pp. 90–97.

21. N. Setoudeh, M. Ali Askari Zamani and A.Mohasel. (2013). “Effect of mechanical milling on the carbothermic reduction of zircon”, Journal of New Materials, Vol.3, No.3, pp.89-101 [in Persian, 1392].

22.   N. Setoudeh, M. Ali Askari Zamani and A. Mohasel. (2011). "Carbothermic reduction of Likak mine celestite concentrate", Journal of New Materials, Vol. 1, No.3, pp.33-44 [in Persian, 1390].

23.   Nader Setoudeh, Mohammad Sajjadnejad. (2017). Production of Ni-ZnO nano-composite by two methods of electrodeposition and mechanochmical synthesis and studying its characteristics as corrosion and wear resistant coating in industrial parts and also investigation their capability for electro-catalyst applications, Iran national Science Foundation, Research No. 92004488, 2017 [in Persian, 1396]

24.   C. Suryanarayana. (2004). Mechanical alloying and milling, Marcel Dekker New York.

25.   Malek Ali (2014). “Transformation and powder Characteristics of TiO₂ during high energy milling”, Journal of Ceramic Processing Research. Vol. 15, No. 5, pp. 290-293.

26.   S. Begin-Colin, G. Le Caer, A. Mocellin and M. Zandona. (1994). “Polymorphic Transformation of Titania Induced by Ball Milling", Philosophical Magazine Letters, Vol. 69, pp.1-7 .

27.   R. Ren, Z. Yang, and L.L. Shaw. (2000). “Polymorphic Transformation and powder characteristics of TiO₂ during high energy milling”, Journal of Materials Science, Vol. 35, pp.6015-6026.

28.   N. Setoudeh, A. Saidi, A. Shafyei and N.J. Welham. (2006). “Study of anatase-to-rutile phase transformation in milled and un-milled samples, Journal of Esteghlal, Vol.25, No.1, pp.207-216 [in Persian,1385].

29.   L. Takacs. (2002). “Self-sustaining reactions induced by ball milling”, Prog. Mater. Sci. Vol. 47 pp. 355–414.

L. Takacs. (2009). “Self-sustaining reactions induced by ball milling”, Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. Vol.18 (4), pp.276–282.