Progress in High Temperature Ceramics PDF
Preview Progress in High Temperature Ceramics
Progress in High Temperature Ceramics Progress in High Temperature Ceramics Special topic volume with invited papers only Edited by Yashwant Mahajan and J. A. Sekhar TRANS TECH PUBLICATIONS LTD Switzerland • UK • USA Copyright 2009 Trans Tech Publications Ltd, Switzerland All rights reserved. No part of the contents of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means without the written permission of the publisher. Trans Tech Publications Ltd Laubisrutistr. 24 CH-8712 Stafa-Zurich Switzerland http://www.ttp.net Volume 395 of Key Engineering Materials ISSN 1013-9826 Full text available online at http://www.scientific.net Distributed worldwide by and in the Americas by Trans Tech Publications Ltd. Trans Tech Publications Inc. Laubisrutistr. 24 PO Box 699, May Street CH-8712 Stafa-Zurich Enfield, NH 03748 Switzerland USA Phone: +1 (603) 632-7377 Fax: +41 (44) 922 10 33 Fax: +1 (603) 632-5611 e-mail: [email protected] e-mail: [email protected] PREFACE Advanced high temperature materials are a key part of the emerging new enabling technologies for structural-aerospace, propulsion systems, defense, nuclear, thermal and chemical industries. Accelerating efforts have been directed towards increasing the temperature capability of existing material systems and developing new material formulations such as advanced ceramics, UHTCs, intermetallics and CMCs. The understanding of the materials’ behavior and control of the microstructure and properties have become the key elements of such research activities. Since the processing itself may manifest various microstructural configurations and properties, the processing routes to obtain optimum structures is also important to record in detail. In this special volume, an attempt has been made to present a large number of the more well-known ultra-high-temperature ceramics, refractory borides, oxides, including their composites, intermetallics, and CMCs. The collection provides a potpourri of valuable past experiences as well as a comprehensive portfolio of the state-of-the-art processing, written by experts in their respective fields. For each system chosen, the synthesis, processing, and microstructure-property interrelationships have been explored. The editors wish to thank the referees for their effort in reviewing the manuscripts. Special thanks are due to all the authors for their invited contributions. Yashwant Mahajan & J. A. Sekhar June 6, 2008 Table of Contents Preface The Study of Ignition Parameters for Energy Efficient Processing of High Temperature Non-Oxide Ceramics by the Micropyretic Synthesis Route H.P. Li 1 Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS) of Advanced High-Temperature Ceramics S.K. Mishra and L.C. Pathak 15 Densification and High Temperature Deformation in Oxide Ceramics A.H. Chokshi 39 Mechanical, Thermal and Oxidation Behaviour of Zirconium Diboride Based Ultra-High Temperature Ceramic Composites R. Mitra, S. Upender, M. Mallik, S. Chakraborty and K.K. Ray 55 Processing of Refractory Metal Borides, Carbides and Nitrides L. Rangaraj, C. Divakar and V. Jayaram 69 Development of High Temperature TiB -Based Ceramics 2 G.B. Raju and B. Basu 89 Boron Rich Boron Carbide: An Emerging High Performance Material R.M. Mohanty and K. Balasubramanian 125 High Temperature Use Fractal Insulation Materials Utilizing Nano Particles B. Kandell 143 Nanoscale Alumina-Reinforced Aluminum Matrix Composites: Microstructure and Mechanical Properties J.X. Han, Y.C. Chen and V.K. Vasudevan 157 Effect of Ductile and Brittle Phases on Deformation and Fracture Behaviour of Molybdenum and Niobium Silicide Based Composites R. Mitra, K. Chattopadhyay, A.K. Srivastava, K.K. Ray and N. Eswara Prasad 179 Nitride & Oxy-Nitride Ceramics for High Temperature and Engineering Applications S. Bandyopadhyay, S. Biswas and H.S. Maiti 193 Vapour Phase Preparation and Characterisation of SiC-SiC and C-SiC Ceramic Matrix f f Composites A. Udayakumar, R. Bhuvana, S. Kalyanasundaram, J. Subrahmanyam, M. Balasubramanian and T.S. Kannan 209 Key Engineering Materials Vol. 395 (2009) pp 1-14 © (2009) Trans Tech Publications, Switzerland doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.395.1 TThhee SSttuuddyy ooff IIggnniittiioonn PPaarraammeetteerrss ffoorr EEnneerrggyy EEffffiicciieenntt PPrroocceessssiinngg ooff HHiigghh TTeemmppeerraattuurree NNoonn--ooxxiiddee CCeerraammiiccss bbyy tthhee MMiiccrrooppyyrreettiicc SSyynntthheessiiss RRoouuttee HH..PP.. LLii JJiinnwweenn UUnniivveerrssiittyy ooff SScciieennccee aanndd TTeecchhnnoollooggyy,, HHssiinnttiieenn,, TTaaiippeeii CCoouunnttyy,, 223311,, TTaaiiwwaann hhllii@@jjuusstt..eedduu..ttww KKeeyywwoorrddss:: MMiiccrrooppyyrreettiicc SSyynntthheessiiss,, HHiigghh TTeemmppeerraattuurree CCeerraammiicc,, NNuummeerriiccaall SSiimmuullaattiioonn.. AAbbssttrraacctt.. TThhee iinnfflluueennccee ooff iiggnniittiioonn ppaarraammeetteerrss ffoorr eenneerrggyy eeffffiicciieenntt pprroocceessssiinngg ooff hhiigghh tteemmppeerraattuurree nnoonn--ooxxiiddee cceerraammiiccss bbyy tthhee mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss rroouuttee iiss ssttuuddiieedd nnuummeerriiccaallllyy iinn tthhiiss aarrttiiccllee.. TThhee ssiimmuullaattiioonn rreessuullttss sshhooww tthhaatt aa lloowweerr iiggnniittiioonn ppoowweerr lleeaaddss ttoo lloonnggeerr iiggnniittiioonn ttiimmee ttoo iinniittiiaattee rreeaaccttiioonnss.. AAnn iinnccrreeaassee iinn tthhee iiggnniittiioonn ttiimmee aallssoo iinnccrreeaasseess tthhee lleennggtthh ooff pprree--hheeaattiinngg zzoonnee bbeeffoorree pprrooppaaggaattiinngg,, wwhhiicchh ffuurrtthheerr cchhaannggeess tthhee iinniittiiaattee pprrooppaaggaattiioonn vveelloocciittyy aanndd oosscciillllaattoorryy ffrreeqquueennccyy ooff tthhee tteemmppeerraattuurree vvaarriiaattiioonnss.. SSuucchh cchhaannggeess iinn tthhee iinniittiiaattee pprrooppaaggaattiioonn vveelloocciittyy aanndd tteemmppeerraattuurree vvaarriiaattiioonnss rreessuulltt iinn iinnhhoommooggeenneeoouuss ssttrruuccttuurreess aatt tthhee iiggnniittiioonn ssppoott.. TThhee ssiimmuullaattiioonn aallssoo iinnddiiccaatteess tthhaatt uussiinngg aa hhiigghheerr ppoowweerr ttoo iiggnniittee tthhee mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonnss ccaann lloowweerr tthhee iiggnniittiioonn ttiimmee aanndd ffuurrtthheerr pprreevveenntt tthhee iinnhhoommooggeenneeoouuss ssttrruuccttuurreess ffrroomm bbeeiinngg ffoorrmmeedd aatt tthhee iiggnniittiioonn ssppoott.. HHoowweevveerr,, mmoorree hheeaatt lloossss iiss nnootteedd ttoo ooccccuurr dduuee ttoo aa hhiigghh tteemmppeerraattuurree ggrraaddiieenntt aanndd tthhee eenneerrggyy rreeqquuiirreedd ttoo iiggnniittee tthhee rreeaaccttiioonn.. TThhee nnuummeerriiccaall ccaallccuullaattiioonn iinnddiiccaatteess tthhaatt tthheerree iiss aa 2200 %% iinnccrreeaassee iinn tthhee rreeqquuiirreedd eenneerrggyy aanndd aa 9900%% ddeeccrreeaassee iinn tthhee rreeqquuiirreedd ttiimmee ttoo iiggnniittee tthhee ssppeecciimmeenn wwhheenn tthhee iiggnniittiioonn ppoowweerr iiss iinnccrreeaasseedd ffrroomm 8877..55 kkJJ//((gg･･ss)) ttoo 996622..55 kkJJ//((gg･･ss)).. IInn aaddddiittiioonn,, tthhee eeffffeecctt ooff tthhee iinnddiivviidduuaall mmaatteerriiaall pprrooppeerrttyy oonn iiggnniittiioonn iiss aallssoo iinnvveessttiiggaatteedd.. IInnttrroodduuccttiioonn DDuurriinngg tthhee ppaasstt ddeeccaaddeess,, tthhee ddeevveellooppmmeenntt ooff hhiigghh tteemmppeerraattuurree ooxxiiddee aanndd nnoonn--ooxxiiddee cceerraammiiccss hhaass lleedd ttoo nnuummeerroouuss tteecchhnniiccaall aapppplliiccaattiioonnss,, ssuucchh aass ttuurrbboocchhaarrggeerr rroottoorrss,, ggllooww pplluuggss,, ccuuttttiinngg ttoooollss,, aaeerroossppaaccee // cchheemmiiccaall iinndduussttrriieess,, aanndd iinn ggeenneerraall iinn aapppplliiccaattiioonnss wwhheerree hhiigghh tteemmppeerraattuurree pprrooppeerrttiieess aarree iimmppoorrttaanntt.. TThhee mmoosstt ccoommmmoonnllyy uusseedd cceerraammiicc mmaatteerriiaallss aarree bboorriiddeess,, ccaarrbbiiddeess,, nniittrriiddeess aanndd ooxxiiddeess ooff tthhee eelleemmeennttss ooff tthhee tthhiirrdd aanndd ffoouurrtthh mmaaiinn ggrroouuppss,, aass wweellll aass ooff tthhee ttrraannssiittiioonn mmeettaallss TTii,, ZZrr,, MMoo,, aanndd WW.. OOnn aaccccoouunntt ooff tthhee ddiiffffeerreenntt cchheemmiiccaall aanndd pphhyyssiiccaall pprrooppeerrttiieess ooff tthhee ccoonnssttiittuueennttss,, tthhee hhiigghh tteemmppeerraattuurree cceerraammiicc mmaatteerriiaall ddeerriivvaattiivveess eexxhhiibbiitt ppaarrttiiaallllyy mmeettaalllliicc,, iioonniicc oorr ccoovvaalleenntt bboonnddiinngg.. TThhuuss,, oouuttssttaannddiinngg cchheemmiiccaall aanndd pphhyyssiiccaall mmaatteerriiaall pprrooppeerrttiieess ccaann bbee aaddjjuusstteedd.. TThhee ssyynntthheessiiss ooff nneeww cceerraammiicc mmaatteerriiaallss aanndd tthhee ddeevveellooppmmeenntt ooff nnoovveell ffaabbrriiccaattiioonn tteecchhnniiqquueess aarree eexxppeecctteedd ttoo bbee tthhee kkeeyy ffaaccttoorrss ffoorr ffuurrtthheerr ooppttiimmiizzaattiioonn ooff pprrooppeerrttiieess,, eessppeecciiaallllyy aatt hhiigghh tteemmppeerraattuurreess.. IInn aaddddiittiioonnaall ttoo tthhee ccoonnvveennttiioonnaall ppoowwddeerr pprroocceessssiinngg rroouuttee,, tthhee nneeww nnoovveell mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss pprroocceessssiinngg tteecchhnniiqquueess hhaass bbeeeenn iinntteennssiivveellyy ssttuuddiieedd ffoorr pprroocceessss iimmpplliiccaattiioonn [[11--1111]].. TThhee tteecchhnniiqquuee eemmppllooyyss eexxootthheerrmmiicc rreeaaccttiioonn pprroocceessssiinngg wwhhiicchh cciirrccuummvveennttss ddiiffffiiccuullttiieess aassssoocciiaatteedd wwiitthh ccoonnvveennttiioonnaall mmeetthhooddss ooff ttiimmee aanndd eenneerrggyy--iinntteennssiivvee ssiinntteerr pprroocceessssiinngg.. TTwwoo bbaassiicc mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss mmooddeess aarree ccoommmmoonnllyy eemmppllooyyeedd,, nnaammeellyy tthhee wwaavvee pprrooppaaggaattiioonn mmooddee aanndd tthhee tthheerrmmaall eexxpplloossiioonn mmooddee.. IInn tthhee wwaavvee pprrooppaaggaattiioonn mmooddee,, tthhee ccoommppaacctteedd ppoowwddeerrss aarree iiggnniitteedd aatt aa ppooiinntt bbyy aa hheeaatt ssoouurrccee.. AAfftteerr iiggnniittiioonn,, tthhee hheeaatt ttoo pprrooppaaggaattee tthhee ccoommbbuussttiioonn wwaavvee iiss oobbttaaiinneedd ffrroomm tthhee hheeaatt rreelleeaasseedd bbyy tthhee ffoorrmmaattiioonn ooff tthhee ssyynntthheessiizzeedd pprroodduucctt.. TThhee uunnrreeaacctteedd ppoorrttiioonn iinn ffrroonntt ooff tthhee ccoommbbuussttiioonn wwaavvee iiss hheeaatteedd bbyy tthhiiss eexxootthheerrmmiicc hheeaatt,, uunnddeerrggooeess ssyynntthheessiiss,, tthhee wwaavvee pprrooppaaggaatteess,, tthhuuss ccaauussiinngg ffuurrtthheerr rreeaaccttiioonn aanndd ssyynntthheessiiss.. IInn tthhee tthheerrmmaall eexxpplloossiioonn mmooddee,, tthhee ssppeecciimmeenn iiss hheeaatteedd iinn aa ffuurrnnaaccee.. TThhee ffuurrnnaaccee mmaayy bbee kkeepptt aatt tthhee iiggnniittiioonn tteemmppeerraattuurree oorr tthhee ssppeecciimmeenn mmaayy bbee hheeaatteedd iinn tthhee ffuurrnnaaccee aatt aa pprreeddeetteerrmmiinneedd hheeaattiinngg rraattee ttoo tthhee iiggnniittiioonn tteemmppeerraattuurree.. TThhee mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonn iinn tthhiiss mmooddee mmaayy ooccccuurr mmoorree oorr lleessss ssiimmuullttaanneeoouussllyy aatt aallll ppooiinnttss iinn tthhee ssppeecciimmeenn.. AAlltthhoouugghh tthhee ssyynntthheessiizzeedd pprroodduucctt pphhaasseess oobbttaaiinneedd bbyy bbootthh tteecchhnniiqquueess aarree ssiimmiillaarr [[1122]],, tthheerree mmaayy bbee ddiiffffeerreenncceess iinn tthhee aammoouunntt ooff 2 Progress in High Temperature Ceramics rreessiidduuaall ppoorroossiittyy,, ffiinnaall ddiimmeennssiioonnss,, aanndd tthhee tthheerrmmaall ggrraaddiieenntt dduurriinngg tthhee pprroocceessssiinngg.. IInn bbootthh tthhee mmooddeess,, ssoolliidd--ssoolliidd rreeaaccttiioonnss aarree mmoosstt ccoommmmoonnllyy eennccoouunntteerreedd,, ssoommeettiimmeess ssoolliidd--ggaass rreeaaccttiioonnss aarree aallssoo nnootteedd aass iinn tthhee ccaassee ooff ssyynntthheessiiss ooff rreeffrraaccttoorryy nniittrriiddeess lliikkee TTiiNN wwhheerree nniittrrooggeenn ggaass iiss uusseedd [[1133]].. TThhee aaddvvaannttaaggeess ooff mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss tteecchhnniiqquueess iinncclluuddee rraappiidd nneett sshhaappee pprroocceessssiinngg aanndd cclleeaann pprroodduuccttss.. WWhheenn ccoommppaarreedd wwiitthh ccoonnvveennttiioonnaall ppoowwddeerr mmeettaalllluurrggyy ooppeerraattiioonnss,, mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss nnoott oonnllyy ooffffeerrss sshhoorrtteerr pprroocceessssiinngg ttiimmee bbuutt aallssoo eexxcclluuddeess tthhee rreeqquuiirreemmeenntt ffoorr hhiigghh--tteemmppeerraattuurree ssiinntteerriinngg.. VVoollaattiillee ccoonnttaammiinnaannttss oorr iimmppuurriittiieess mmaayy bbee eelliimmiinnaatteedd aass tthhee hhiigghh tteemmppeerraattuurree ccoommbbuussttiioonn wwaavvee pprrooppaaggaatteess tthhrroouugghh tthhee ssaammppllee,, aanndd tthhuuss tthhee ssyynntthheessiizzeedd pprroodduuccttss hhaavvee tthhee hhiigghheerr ppuurriittyy [[1144,,1155]].. TThhee sstteeeepp tteemmppeerraattuurree ggrraaddiieenntt aallssoo ggiivveess rriissee ttoo tthhee ooccccuurrrreennccee ooff mmeettaassttaabbllee oorr nnoonn--eeqquuiilliibbrriiuumm pphhaasseess,, wwhhiicchh aarree nnoott aavvaaiillaabbllee iinn tthhee ccoonnvveennttiioonnaall pprroocceessssiinngg [[1144,,1155]].. MMiiccrrooppyyrreettiiccaallllyy ssyynntthheessiizzeedd pprroodduuccttss hhaavvee aallssoo bbeeeenn rreeppoorrtteedd ttoo hhaavvee bbeetttteerr mmeecchhaanniiccaall aanndd pphhyyssiiccaall pprrooppeerrttiieess [[1166,,1177]].. AAnn eexxaammppllee iiss tthhee ffoorrmmaattiioonn ooff sshhaappee--mmeemmoorryy aallllooyyss ooff nniicckkeell aanndd ttiittaanniiuumm [[1166]].. IItt hhaass bbeeeenn rreeppoorrtteedd tthhaatt tthhoossee pprreeppaarreedd bbyy mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss,, ppoosssseessss ggrreeaatteerr sshhaappee--rreeccoovveerryy ffoorrccee tthhaann ccoorrrreessppoonnddiinngg aallllooyyss pprroodduucceedd bbyy ccoonnvveennttiioonnaall mmeetthhooddss [[1166]].. OOnn aaccccoouunntt ooff tthhee hhiigghh tthheerrmmaall ggrraaddiieennttss eennccoouunntteerreedd iinn mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss,, iitt hhaass bbeeeenn ssppeeccuullaatteedd tthhaatt tthhee pprroodduuccttss ooff ssuucchh aa pprroocceessss mmaayy ccoonnttaaiinn aa hhiigghh ddeeffeecctt ccoonncceennttrraattiioonn.. TThhee pprreesseennccee ooff hhiigghh lleevveellss ooff ddeeffeeccttss hhaass lleedd ttoo eexxppeeccttaattiioonn ooff hhiigghheerr rreeaaccttiivviittyy,, nnaammeellyy hhiigghheerr ssiinntteerraabbiilliittyy [[1177]].. TThhee nnuummeerriiccaall aanndd aannaallyyttiiccaall ssttuuddiieess ooff mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss iinn aa ccoommppoossiittee ssyysstteemm hhaavvee bbeeeenn rreeppoorrtteedd bbyy sseevveerraall rreesseeaarrcchh ggrroouuppss [[1188--3333]].. MMiiccrrooppyyrreettiicc--ssyynntthheessiiss mmooddeellss mmaayy bbee ffiirrsstt ttrraacceedd ttoo LLeewwiiss aanndd vvoonn EEllbbee [[1188]],, tthheenn ttoo ZZeellddoovviicchh [[1199,,2200]],, tthhrroouugghh MMeerrzzhhaannoovv eett aall.. [[2211,,2222]] aanndd tthheennccee ttoo aa nnuummbbeerr ooff mmoorree rreecceenntt ccoonnttrriibbuuttoorrss [[11,,22,,2233--3333]].. RReecceennttllyy,, LLaakksshhmmiikkaanntthhaa aanndd SSeekkhhaarr eexxpplloorreedd tthhee nneeww ccoommpplleettee nnuummeerriiccaall mmooddeell tthhaatt iinncclluuddeess tthhee eeffffeeccttss ooff ddiilluuttiioonn aanndd ppoorroossiittyy,, aanndd mmeellttiinngg ooff eeaacchh ccoonnssttiittuueenntt ooff tthhee rreeaaccttaannttss aanndd pprroodduuccttss [[2299]].. TThhee aannaallyyttiiccaall mmooddeelliinngg ooff tthhee pprrooppaaggaattiioonn ooff tthhee ccoommbbuussttiioonn ffrroonntt iinn ssoolliidd--ssoolliidd rreeaaccttiioonn ssyysstteemmss hhaass aallssoo bbeeeenn rreeppoorrtteedd [[22]].. TThhee aannaallyyttiiccaall mmooddeell ggiivveess ggoooodd rreessuullttss wwhheenn ccoommppaarreedd wwiitthh tthhee eexxppeerriimmeennttaallllyy ddeetteerrmmiinneedd nnuummbbeerrss aanndd tthhee nnuummeerriiccaallllyy ccaallccuullaatteedd vvaalluueess.. IInn aaddddiittiioonn,, aa ddyynnaammiicc mmooddeelliinngg ooff tthhee ggaass aanndd ssoolliidd rreeaaccttiioonn hhaass aallssoo bbeeeenn ccaarrrriieedd oouutt ttoo iilllluussttrraattee tthhee eeffffeeccttss ooff vvaarriioouuss ppaarraammeetteerrss oonn tthhee mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss [[11,,22]].. TThheessee nnuummeerriiccaall aanndd aannaallyyttiiccaall aannaallyysseess pprroovviiddee tthhee bbeetttteerr uunnddeerrssttaannddiinngg ooff tthhee rreeaaccttiioonn sseeqquueennccee dduurriinngg mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss rreeaaccttiioonnss.. DDuurriinngg mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss,, tthhee ccoommppaacctteedd ppoowwddeerrss aarree ffiirrsstt iiggnniitteedd bbyy aann eexxtteerrnnaall hheeaattiinngg ssoouurrccee ssuucchh aass llaasseerr bbeeaamm iirrrraaddiiaattiioonn,, rraaddiiaanntt fflluuxx,, rreessiissttaannccee hheeaattiinngg ssppaarrkk oorr cchheemmiiccaall oovveenn,, aanndd tthheenn iinndduucceedd bbyy tthhee cchheemmiiccaall rreeaaccttiioonn iinnssiiddee tthhee hheeaatteedd mmaatteerriiaallss [[1155,,3344]].. AAfftteerr iiggnniittiioonn,, tthhee hheeaatt ttoo pprrooppaaggaattee tthhee ccoommbbuussttiioonn wwaavvee iiss oobbttaaiinneedd ffrroomm tthhee hheeaatt rreelleeaasseedd bbyy tthhee ffoorrmmaattiioonn ooff tthhee ssyynntthheessiizzeedd pprroodduucctt.. TThhee uunnrreeaacctteedd ppoorrttiioonn iinn ffrroonntt ooff tthhee ccoommbbuussttiioonn wwaavvee iiss hheeaatteedd bbyy tthhiiss eexxootthheerrmmiicc hheeaatt,, uunnddeerrggooeess ssyynntthheessiiss aanndd pprrooppaaggaatteess,, tthhuuss ccaauussiinngg ffuurrtthheerr rreeaaccttiioonn aanndd ssyynntthheessiiss.. SSiinnccee tthhee mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss nnoorrmmaallllyy ooccccuurrss iinn aa ffeeww sseeccoonnddss,, aannyy ssmmaallll vvaarriiaattiioonnss iinn tthhee iiggnniittiioonn ppoowweerr hhaavvee bbeeeenn rreeppoorrtteedd ttoo iinnfflluueennccee ddrraammaattiiccaallllyy tthhee pprrooppaaggaattiioonn dduurriinngg mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss [[3344]].. TThhee iiggnniittiioonn ppoowweerr hhaass bbeeeenn rreeppoorrtteedd aass aa pprriimmaarryy ffaaccttoorr ttoo iinnfflluueennccee tthhee ttiimmee rreeqquuiirreedd ttoo iiggnniittee tthhee mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonn [[3355--3388]].. TThhee eexxppeerriimmeennttaall ssttuuddiieess oonn tthhee mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonnss wwiitthh 22NNii++AAll [[3355]] aanndd TTii++NNii [[3366]] ssyysstteemmss hhaavvee iinnddiiccaatteedd tthhaatt aann iinnccrreeaassee iinn tthhee iiggnniittiioonn ppoowweerr iinnccrreeaasseess tthhee eenntthhaallppyy aanndd tthhee hheeaattiinngg rraattee aatt tthhee iiggnniittiioonn ssppoott.. TThhee tteemmppeerraattuurree iiss qquuiicckkllyy rraaiisseedd ttoo tthhee mmeellttiinngg ppooiinntt ooff lloowweerr rreeffrraaccttoorryy rreeaaccttaanntt aanndd tthheenn tthhee mmeellttiinngg ooff rreeaaccttaannttss aacccceelleerraatteess ttoo iiggnniittee tthhee mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonn.. TThheessee eexxppeerriimmeennttaall ssttuuddiieess hhaavvee aallssoo iinnddiiccaatteedd tthhee mmeellttiinngg ppooiinntt ooff lloowweerr rreeffrraaccttoorryy rreeaaccttaanntt aass aann iiggnniittiioonn tteemmppeerraattuurree [[3366,,3377]].. AAnn iinnccrreeaassee iinn tthhee iiggnniittiioonn ppoowweerr aacccceelleerraatteess tthhee tteemmppeerraattuurree ttoo qquuiicckkllyy iinnccrreeaassee ttoo tthhee mmeellttiinngg ppooiinntt.. TThhuuss,, tthhee ttiimmee rreeqquuiirreedd ffoorr iiggnniittiioonn iiss nnootteedd ttoo ddeeccrreeaassee.. SSiimmiillaarr eexxppeerriimmeennttaall rreessuullttss hhaavvee bbeeeenn ffoouunndd iinn tthhee TTii--CC mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonn iiggnniitteedd bbyy aa mmeecchhaanniiccaall mmiilllliinngg [[3388]].. IItt hhaass aallssoo bbeeeenn sshhoowwnn tthhaatt aann iinnccrreeaassee iinn tthhee mmiilllliinngg eenneerrggyy aallssoo ddeeccrreeaasseess tthhee iiggnniittiioonn ttiimmee.. AAnnootthheerr eexxppeerriimmeennttaall iinnvveessttiiggaattiioonn oonn NNbb++CC mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonn sshhoowwss tthhaatt aann iinnccrreeaassee iinn tthhee iiggnniittiioonn ppoowweerr aallssoo rreedduucceess tthhee iiggnniittiioonn ttiimmee bbuutt rraaiissee tthhee eenneerrggyy ffoorr iiggnniittiioonn [[3377]].. Key Engineering Materials Vol. 395 3 MMaatteerriiaallss ppaarraammeetteerrss hhaavvee aallssoo bbeeeenn rreeppoorrtteedd ttoo iinnfflluueennccee oonn tthhee ttiimmee aanndd eenneerrggyy ffoorr iiggnniittiioonn.. SShheenn eett aall.. [[3355]] rreeppoorrtteedd tthhaatt aann iinnccrreeaassee iinn tthhee rreeaaccttaanntt ddeennssiittyy iinnccrreeaasseess tthhee ttiimmee ffoorr iiggnniittiinngg tthhee mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonn wwiitthh 22NNii++AAll.. HHoowweevveerr,, tthhee eexxppeerriimmeennttaall ssttuuddyy iinn tthhee NNii++AAll rreeaaccttiioonn sshhoowweedd tthhee ddiiffffeerreenntt rreessuullttss [[3399]].. IItt iiss sshhoowwnn tthhaatt aann iinnccrreeaassee iinn tthhee ccoommppaacctt pprreessssuurree oorr tthhee rreeaaccttaanntt ddeennssiittyy ddeeccrreeaasseess tthhee iiggnniittiioonn tteemmppeerraattuurree,, ffuurrtthheerr rreedduucciinngg tthhee ttiimmee rreeqquuiirreedd ffoorr iiggnniittiioonn [[3399]].. IInn aaddddiittiioonn ttoo tthhee ccoommppaacctt ddeennssiittyy,, tthhee rraattiioo ooff rreeaaccttaannttss [[3366]] aanndd tthhee ppaarrttiiccllee ssiizzee [[3399,,4400]] bbootthh hhaavvee bbeeeenn rreeppoorrtteedd ttoo iinnfflluueennccee tthhee ttiimmee rreeqquuiirreedd ffoorr iiggnniittiioonn.. IItt hhaass bbeeeenn rreeppoorrtteedd tthhaatt tthhee pprrooppaaggaattiinngg mmaannnneerr iinn tthhee wwaavvee pprrooppaaggaattiioonn mmooddee iiss ssttrroonnggllyy ddeeppeennddeenntt oonn tthhee pprroocceessss ooff hheeaatt ddiissppeerrssiioonn ((bbyy hheeaatt ttrraannssffeerr aanndd hheeaatt lloossss)) aanndd hheeaatt ggeenneerraattiioonn ((bbyy cchheemmiiccaall rreeaaccttiioonn)) [[1144]].. AAnnyy cchhaannggee iinn tthhee pprroocceessssiinngg ccoonnddiittiioonnss mmaayy ggiivvee rriissee ttoo aa vvaarriiaattiioonn iinn tthhee vveelloocciittyy aanndd tteemmppeerraattuurree ooff tthhee pprrooppaaggaattiioonn ffrroonntt aanndd ffuurrtthheerr iinnfflluueennccee tthhee iinnssttaabbiilliittyy ooff tthhee pprrooppaaggaattiioonn.. IItt hhaass bbeeeenn sshhoowwnn tthhaatt wwhheenn tthhee eexxootthheerrmmiicc hheeaatt iiss rreedduucceedd oorr tthhee tthheerrmmaall ccoonndduuccttiivviittyy iiss ssiiggnniiffiiccaannttllyy eennhhaanncceedd,, iitt mmaayy ccoonnvveerrtt tthhee pprrooppaaggaattiioonn mmooddee ffrroomm tthhee ssttaabbllee ttoo tthhee uunnssttaabbllee mmooddee [[2299]].. AA ffuurrtthheerr ddeeccrreeaassee iinn tthhee ccoommbbuussttiioonn tteemmppeerraattuurree,, tthhee uunnssttaabbllee ccoommbbuussttiioonn ffrroonntt mmaayy ssttoopp pprrooppaaggaattiinngg.. IItt hhaass aallssoo bbeeeenn rreeppoorrtteedd tthhaatt iiff tthhee ddiiffffeerreennccee ooff tthheerrmmaall aaccttiivviittyy ((ρρCCppκκ)) bbeettwweeeenn tthhee rreeaaccttaannttss aanndd pprroodduucctt iiss iinnccrreeaasseedd,, tthhee ssttaabbllee pprrooppaaggaattiioonn aallssoo cchhaannggeess ttoo tthhee uunnssttaabbllee mmooddee [[66]].. IInn tthhee uunnssttaabbllee pprrooppaaggaattiioonn,, tthhee ccoommbbuussttiioonn tteemmppeerraattuurree aanndd pprrooppaaggaattiioonn vveelloocciittyy aarree nnoott uunniiffoorrmm wwiitthh ttiimmee [[4411]] aanndd tthhee ccoommbbuussttiioonn ffrroonntt pprrooppaaggaatteess iinn aann oosscciillllaattoorryy oorr ssppiinn mmaannnneerrss [[1144,,1155]].. TThhee tteemmppeerraattuurree aalltteerraattiioonn aalloonngg tthhee ssppeecciimmeenn iinnfflluueenncceess tthhee hhoommooggeenneeiittyy ooff mmiiccrroossttrruuccttuurreess [[4411]].. TThhee mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss nnoorrmmaallllyy ooccccuurrss iinn aa ffeeww sseeccoonnddss,, tthheerreeffoorree,, aannyy ssmmaallll vvaarriiaattiioonnss iinn tthhee iiggnniittiioonn ppoowweerrss hhaavvee bbeeeenn ffoouunndd ttoo ddrraammaattiiccaallllyy cchhaannggee tthhee ttiimmee rreeqquuiirreedd ttoo iiggnniittee tthhee rreeaaccttiioonn aanndd ffuurrtthheerr iinnfflluueennccee tthhee pprrooppaaggaattiioonn dduurriinngg mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss [[22,,2299,,4422]].. AAss aa rreessuulltt,, tthhee hhoommooggeenneeiittyy ooff tthhee uunnssttaabbllee mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss iiss ccoorrrreessppoonnddiinnggllyy aalltteerreedd,, eessppeecciiaallllyy aatt tthhee iiggnniittiioonn ssppoott.. SSeevveerraall nnuummeerriiccaall ssttuuddiieess hhaadd rreeppoorrtteedd tthhee eeffffeeccttss ooff tthhee mmiiccrrooppyyrreettiicc ppaarraammeetteerrss oonn tthhee uunnssttaabbllee mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonnss [[2299,,3311,,3322]].. HHoowweevveerr,, tthhee ssttuuddyy ooff tthhee iiggnniittiioonn ppoowweerrss oonn tthhee mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonn hhaadd nnoott bbeeeenn wweellll iinnvveessttiiggaatteedd.. TThhiiss aarrttiiccllee iiss ttoo aaddddrreessss tthhee iinnfflluueenncceess ooff tthhee iiggnniittiioonn ppoowweerr oonn tthhee mmiiccrrooppyyrreettiicc ppaarraammeetteerrss iinn tthhee uunnssttaabbllee mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonn bbyy uussiinngg tthhee nnuummeerriiccaall ccaallccuullaattiioonn.. MMeettaall bboorriiddeess aarree aa ggrroouupp ooff cceerraammiicc mmaatteerriiaallss wwiitthh oouuttssttaannddiinngg aanndd aattttrraaccttiivvee pprrooppeerrttiieess ffoorr tteecchhnnoollooggiiccaall aapppplliiccaattiioonnss.. AAmmoonngg tthheessee mmaatteerriiaallss,, ttiittaanniiuumm ddiibboorriiddee ((TTiiBB )) ddiiffffeerrss wwiitthh hhiigghh eelleeccttrriiccaall ccoonndduuccttiivviittyy,, aanndd 22 ssuuppeerrccoonndduuccttiivviittyy aatt ccrryyooggeenniicc tteemmppeerraattuurreess.. IInn aaddddiittiioonn,, TTiiBB hhiigghh tteemmppeerraattuurree cceerraammiicc ccaann bbee 22 ssyynntthheessiizzeedd iinn aa nneett sshhaappee bbyy mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss dduuee ttoo tthhee hhiigghheerr eexxootthheerrmmiicc hheeaatt,, aass sshhoowwnn iinn FFiigg.. 11.. TThheerreeffoorree,, TTii++22BB mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonn iiss cchhoosseenn ttoo ddeemmoonnssttrraattee tthhee iiggnniittiioonn eeffffeecctt iinn tthhiiss ssttuuddyy.. FFiigguurree 11.. NNeett sshhaappeedd TTiiBB hhiigghh tteemmppeerraattuurree cceerraammiicc ssyynntthheessiizzeedd bbyy mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss.. 22 NNuummeerriiccaall PPrroocceedduurree DDuurriinngg tthhee ppaassssaaggee ooff aa ccoommbbuussttiioonn ffrroonntt iinn tthhee mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonn,, tthhee eenneerrggyy eeqquuaattiioonn ffoorr ttrraannssiieenntt hheeaatt ccoonndduuccttiioonn,, iinncclluuddiinngg tthhee ssoouurrccee tteerrmm,, ccoonnttaaiinniinngg hheeaatt rreelleeaassee dduuee ttoo tthhee eexxootthheerrmmiicc rreeaaccttiioonn iiss ggiivveenn aass [[66,,1199,,2211]]:: 4 Progress in High Temperature Ceramics TT TT 44hh((TT TT )) CC (( )) (( )) oo QQ((TT,,)) pp tt zz zz dd ((11)) EEaacchh ssyymmbbooll iinn tthhee eeqquuaattiioonn iiss eexxppllaaiinneedd iinn tthhee nnoommeennccllaattuurree sseeccttiioonn.. TThhee rreeaaccttiioonn rraattee,, ((TT,, ηη)),, iinn EEqq.. ((11)) iiss ggiivveenn aass :: EE TT,, KK ((11))eexxpp(( )) tt oo RRTT ((22)) IInn tthhiiss ssttuuddyy,, aa nnuummeerriiccaall ccaallccuullaattiioonn ffoorr EEqq.. ((11)) iiss ccaarrrriieedd oouutt wwiitthh tthhee aassssuummppttiioonn ooff tthhee ffiirrsstt--oorrddeerr kkiinneettiiccss.. IInn EEqq.. ((11)),, tthhee eenneerrggyy rreeqquuiirreedd ffoorr hheeaattiinngg tthhee ssyynntthheessiizzeedd pprroodduucctt ffrroomm tthhee iinniittiiaall tteemmppeerraattuurree ttoo tthhee aaddiiaabbaattiicc ccoommbbuussttiioonn tteemmppeerraattuurree iiss sshhoowwnn oonn tthhee lleefftt--hhaanndd ssiiddee.. TThhee tteerrmmss oonn tthhee rriigghhtt--hhaanndd ssiiddee aarree tthhee ccoonndduuccttiioonn hheeaatt ttrraannssffeerr tteerrmm,, tthhee ssuurrffaaccee hheeaatt lloossss ppaarraammeetteerr,, aanndd tthhee hheeaatt rreelleeaassee dduuee ttoo tthhee eexxootthheerrmmiicc mmiiccrrooppyyrreettiicc rreeaaccttiioonn,, rreessppeeccttiivveellyy.. TThhee pprreevviioouuss ttwwoo--ddiimmeennssiioonn ssttuuddyy [[11]] hhaass iinnddiiccaatteedd tthhaatt tthhee ccoonndduuccttiioonn hheeaatt ttrraannssffeerr aanndd ssuurrffaaccee hheeaatt lloossss aarree ssoo ssmmaallll aass ccoommppaarreedd wwiitthh tthhee eexxootthheerrmmiicc hheeaatt.. TThhuuss,, tthhee ssuurrffaaccee hheeaatt lloossss iiss aassssuummeedd ttoo bbee rraaddiiccaallllyy NNeewwttoonniiaann aanndd iiss ttaakkeenn ttoo bbee zzeerroo iinn tthhiiss ssttuuddyy.. AA mmiiddddllee--ddiiffffeerreennccee aapppprrooxxiimmaattiioonn aanndd aann eenntthhaallppyy--tteemmppeerraattuurree mmeetthhoodd ccoouupplleedd wwiitthh GGuuaassss--SSeeiiddeell iitteerraattiioonn pprroocceedduurree aarree uusseedd ttoo ssoollvvee tthhee eeqquuaattiioonnss ooff tthhee mmiiccrrooppyyrreettiicc ssyynntthheessiiss pprroobblleemmss.. IInn tthhee ccoommppuuttaattiioonnaall ssiimmuullaattiioonn,, aa oonnee--ddiimmeennssiioonnaall ssaammppllee ooff 11 ccmm lloonngg iiss ddiivviiddeedd iinnttoo 11220011 nnooddeess ((rreeggiioonnss)) ttoo ccaallccuullaattee tthhee llooccaall tteemmppeerraattuurree.. TThhiiss oonnee--ddiimmeennssiioonnaall nnuummeerriiccaall mmooddeell aassssuummeess tthhee ffoolllloowwiinngg sseeqquueennccee ooff eevveennttss:: ((11)) tthhee ssppeecciimmeenn iiss ggrraadduuaallllyy hheeaatteedd bbyy aa ssuurrffaaccee hheeaatt ssoouurrccee;; ((22)) tthhee rreeaaccttiioonn iiss iiggnniitteedd aanndd tthhee ccoommbbuussttiioonn ffrroonntt pprrooppaaggaatteess aalloonngg tthhee ssppeecciimmeenn;; ((33)) tthheerree iiss aa ccoooolliinngg ssoouurrccee aatt oonnee eenndd.. TThhee cchhooiiccee ooff 11 ccmm ssaammppllee lleennggtthh iiss oonnllyy ffoorr ccoommppuuttaattiioonnaall ppuurrppoossee aanndd tthhee ssiimmuullaattiioonn rreessuullttss aarree aapppplliiccaabbllee ttoo pprraaccttiiccaall eexxppeerriimmeennttaall ccoonnddiittiioonnss.. TThhee pprrooppeerr iinniittiiaall ccoonnddiittiioonnss aarree uusseedd ttoo iinniittiiaalliizzee tthhee tteemmppeerraattuurreess aanndd eenntthhaallppiieess aatt aallll nnooddeess.. AAtt ttiimmee tt == 00,, tthhee tteemmppeerraattuurreess aarree ttaakkeenn ttoo bbee tthhee ssaammee aass tthhee ssuubbssttrraattee tteemmppeerraattuurree ((TT == TToo ((330000 KK)) aannddηη== 00)).. TThhee eenneerrggyy iiss ggrraadduuaallllyy aaddddeedd aatt tthhee iiggnniittiioonn nnooddee iinn vveerryy ssmmaallll ttiimmeesstteeppss ((2200 -- 225500 μμss)) uunnttiill tthhee ccoommbbuussttiioonn ffrroonntt ssttaarrttss ttoo pprrooppaaggaattee.. TThhee vvaarriioouuss mmiiccrroossccaallee eevveennttss,, tthhaatt iiss,, llooccaall pprroocceesssseess ssuucchh aass wwaarrmmiinngg ooff tthhee ssaammppllee,, mmeellttiinngg ooff lloowweerr rreeffrraaccttoorryy rreeaaccttaanntt,, ffoorrmmaattiioonn ooff pprroodduucctt,, aanndd ccoooolliinngg ooff tthhee ssaammppllee aatt oonnee eenndd,, aarree iinncclluuddeedd iinn tthhiiss ccaallccuullaattiioonn pprroocceedduurree.. DDeeppeennddiinngg oonn tthhee vvaalluueess ooff tthhee tteemmppeerraattuurree aanndd eenntthhaallppyy ooccccuurrrreedd iinn tthhee rreeaaccttiioonn,, tthhee pprrooppeerr tthheerrmmoopphhyyssiiccaall // cchheemmiiccaall ppaarraammeetteerrss aarree ccoonnssiiddeerreedd aanndd tthhee lliimmiittss ooff tthhee rreeaaccttiioonn zzoonnee aarree ddeetteerrmmiinneedd ffoorr eeaacchh nnooddee iinn tthhee nnuummeerriiccaall ccaallccuullaattiioonn.. AAtt aannyy ggiivveenn ttiimmee,, tthhee ffrraaccttiioonn rreeaacctteedd aanndd eenntthhaallppyy ooff tthhee ccuurrrreenntt iitteerraattiioonn aarree ccaallccuullaatteedd ffrroomm tthhee pprreevviioouuss ffrraaccttiioonn rreeaacctteedd aanndd eenntthhaallppyy ooff tthhee eeaarrlliieerr iitteerraattiioonn.. TThhee rraannggee ooff tthhee eenntthhaallppyy aass wweellll aass tthhee mmoollaarr rraattiioo aammoonngg eeaacchh mmaatteerriiaall ffoorr eeaacchh nnooddee iiss tthhuuss ddeetteerrmmiinneedd,, aanndd tthhee vvaalluueess ooff tteemmppeerraattuurree,, ddeennssiittyy,, aanndd tthheerrmmaall ccoonndduuccttiivviittyy aatt eeaacchh nnooddee ccaann bbee ffuurrtthheerr ccaallccuullaatteedd iinn aapppprroopprriiaattee zzoonnee.. IInn aaddddiittiioonn,, tthhee ppoorroossiittyy eeffffeeccttss ooff tthhee rreeaaccttaannttss aanndd pprroodduucctt tthhaatt iinnfflluueennccee tthhee ddeennssiittyy (()) aanndd tthheerrmmaall ccoonndduuccttiivviittyy (()) pprrooffiilleess aarree aallssoo ccoonnssiiddeerreedd iinn tthhee nnuummeerriiccaall ccaallccuullaattiioonn.. OOnnccee tthhee ppoorroossiittyy aatt eeaacchh nnooddee iiss sseett ttoo aa ggiivveenn hheetteerrooggeenneeiittyy,, tthhee tthheerrmmoopphhyyssiiccaall//cchheemmiiccaall ppaarraammeetteerrss aatt nnooddee jj ccaann bbee tthhuuss ccaallccuullaatteedd aass:: ddeennssiittyy aatt nnooddee jj :: [[ VV ((11PP ))]] ((33)) jj ss ss,,jj jj ss tthheerrmmaall ccoonndduuccttiivviittyy aatt nnooddee jj :: [[ VV ((11PP )) ((11PP 22))]] ((44)) jj ss ss,,jj jj jj ss
The list of books you might like
