سنتز و بررسی خصوصیات پوشش های اسپینل های پایه مس بر روی زیرلایه آلومینا به منظور کاربرد در جرقه زن های توربین موتورهای هوایی

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 12، شماره 45، آذر 1400، صفحه 65-76   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jnm.2022.29685.1950

نویسندگان

راضیه عرب احمدی^{* 1}؛ نوید رضایی²؛ مجتبی قطعی²

¹گروه شیمی، دانشگاه پیام نور، صندوق پستی 4697-19395، تهران ، ایران

²مهندسی شیمی ومواد، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود

تاریخ دریافت: 10 دی 1400،  تاریخ بازنگری: 21 دی 1400،  تاریخ پذیرش: 27 بهمن 1400 

چکیده

چکیده
هدف از این مقاله سنتز و بررسی خصوصیات پوشش های اسپینلی جهت استفاده در جرقه زن های شمع موتورهای هوایی است. در ابتدا اسپینل پایه مس به روش آلیاژ سازی مکانیکی سنتز شده اند. سپس لایه های پوشش های مختلف با ترکیب و چیدمان های مختلف به روش چاپ توری بر روی سطح اعمال شد. پوشش های موجود به روش تفرق اشعه ایکس (XRD) شناسایی شده اند. مورفولوژی و ریزساختارسطح و مقطع نمونه‌های پوشش داده شده به وسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مطالعه شد. نانوسختی و مدول الاستیک پوشش به وسیله آزمون نانوفروروندگی مورد بررسی قرار گرفت. مقاومت الکتریکی پوشش ها در دماهای مختلف اندازه گیری شد. فرسایش الکتریکی بوسیله کاهش وزن پوشش ها در حین آزمون جرقه بررسی شد. آنالیز XRD‌تشکیل فاز اسپینل پایه مس تایید کرد. پوشش های حاصل ضخامتی در حد ۱۹-۲۲ میکرومتر داشتندو دانسیته مناسبی دارند. متوسط سختی پوشش هاGPa10 برای پوشش داده شده نتیجه شد. نرخ فرسایش سطح بعد از 140000 جرقه کمتر از ۱درصد وزن کل پوشش بود. به علاوه مشخص شد که ترتیب لایه مناسب پوشش شامل شامل ۴ لایه متوالی شامل از CuCr2O4+ CuFe2O4، دولایه CuCr2O4و مجدداْ لایه CuCr2O4+ CuFe2O4بود که نسبت فازها در لایه های کامپوزیتی 50:50 درصد وزنی است

کلیدواژه‌ها

پوشش اسپینل؛ جرقه زن؛ موتورهای هوایی؛ خواص مکانیکی؛ خواص الکتریکی

عنوان مقاله [English]

Synthesis and characterization of copper based spinel coating on alumina substrate for spark plug aero-engine application

نویسندگان [English]

Raziyeh Arabahmadi¹؛ Navid Rezaie²؛ Mojtaba Ghatee²

¹Chemistry Department,Payame Noor University (PNU), Tehran 19395-3697, Iran

²Department of Chemistry and Materials Engineering, Shahrood University of technology

چکیده [English]

Abstract

The present study aims to synthesis and characterization of spinel coating for spark plug aero-engine application. At first spinel coatings were synthesized by mechanical alloying. The different spinel coatings with spinel different composition and modulation were applied on alumina substrate. The phase content of the samples was characterized by X-ray diffraction (XRD) method. The microstructure and thickness of the coatings were analyzed by scanning electron microscopy. Nano-hardness and Young’s modulus of the coating were measured by nano-indentation method. The electrical resistance of the coating was studied at different temperatures. The electrical wear resistance of the coating was evaluated by spark method. The XRD method confirmed the synthesis of copper based spinels. The coatings had a thickness of 19-22 μm with proper density. The average nano-hardness of the coatings was 10 GPa. The wear rate after 140000 of spark was less than 1% of coating weight. It was also found that the optimum modulation of the multilayer coating is 4 successive layers composed of CuFe2O4+CuCr2O4, followed by two layer of CuCr2O4 and again CuFe2O4+CuCr2O4 layer. The ratio of the components in the composite layers were 50:50 wt.%

کلیدواژه‌ها [English]

Spinel coating, Spark plug, aero-engine, Mechanical properties, Electrical properties

مراجع

1. Hill, R.J.,Craig, J.R.,and Gibbs, G.V., Systematics of the Spinel Structure Type.Phys. Chem. Miner. 1979, 4,317-339.
2. Sabato, A.G., Molin, S., Javed, H., Zanchi, E., Boccaccini, A.R., Smeacetto, F., In-situ Cu-doped MnCo-spinel coatings for solid oxide cell interconnects processed by electrophoretic deposition.Ceram. Int. 2019, 45, 19148-19157
3. Meng, X., Yaping, Y., Youbin,X., Research on Modeling and Faults Diagnosis of Aero-engine Ignition System. Open Autom. Control. Syst. J., 2014, 6, 885-893.
4. Antoshkiv, O., Poojitganont, Th., Jehring, L., Berkholz,C., Main aspects of kerosene and gaseous fuel ignition in aero-engine.The Aeronaut. J. 2017, 121, 1779 – 1794
5. Jankowiak,A, Blanchart, P.,Electricalbehaviour of ceramic composite materials for aero-engine igniters.Aerosp.Sci.Technol. 2006, 10, 207–216.
6. Stephen, S. C., straubEashey, W., surface gap igniter. US005187404A, 1993.
7. Riddle, F.H., Ceramic spark-plug insulators. J. Am. Ceram. Soc. 1949, 32, 333-346.
8. Yousefi, M., Ghatee, M., Rezakazemi, M., Ghaderi, S. H., The effects of adding nano-alumina filler on the properties of polymer-derived SiC coating. Int. J. Appl. Ceram. Technol.2021, 18, 2197-2206.
9. blanchart,F. A. J. P., laigneauCollardey, D.,Method For preparing A Semi-Conductive Ceramic Material And ignition Plug Using This Ceramic Material. U.S. Patent : 200600030912006.
10. Burland, G. N., Goreham, K., Taunt, R.,The development of the High Energy surface discharge spark igniter. Am. Soc. Mech. Eng. 1984, 3, 1-7.
11. Bayón, R., Vicente, G.S., Maffiotte, C., Morales, Á., Preparation of selective absorbers based on CuMn spinels by dip-coating method. Renew. Energy 2008, 33, 348–353.
12. Cui, H., Zayat, M., Levy ,D., Sol-gel synthesis of NanoscaledSpinelsUsing Propylene Oxide as a Gelation Agent.J. Sol-Gel Sci. Technol.2005, 35, 175–181.
13. Auerkari, P., Mechanical and physical properties of engineering alumina ceramics. VTT Technical Research Centre of Finland1996.
14. Coble, R.L., and Kingery, W.D.,Effect ofPorosity on Physical Properties of Sintered Alumina. J. Am. Ceram. Soc. 2006, 39, 377-385.
15. Ghatee, M., Salari, F., Electrical and Mechanical Properties of 5YSZ Tubular Thin Film Prepared by Screen Printing Method. Int. J. of Appl. Ceram. Tech. 2016, 13, 373-381.
16. Laokul, P., Amornkitbamrung, V., Seraphin, S., Maensiri, S., Characterization and magnetic properties of nanocrystallineCuFe 2O 4 ,NiFe 2O4 , ZnFe 2O4 powders prepared by the Aloe vera extract solution.Curr. Appl. Phys.2010, 11, 101–108.
17. Doremusa, R. H.,Diffusion in alumina. J. Appl. Phys. 2006, 100, 101301-101307.
18. Lesage,B., Huntz, A. M., Petot-ervas, G.,Transport phenomena in undoped and chromium or yttrium doped-alumina. Radiat. Eff. 1983, 75, 283–299.
19. Anderson, R. L., Aviation Spark Plug Operational Factors. SAE Transact.1966, 74, 232-251.
20. Liu,G., CuCr2O4 Spinel Ceramic Pigments Synthesized by Sol-Gel Self-Combustion Method for Solar Absorber Coatings.J. Mater. Eng. Perform.2016, 25, 2814-2823.