Hardness Improvement on Graphite by Silicon Nitride (Si3N4) Reinforcement using Slurry Infiltrationการปรับปรุงความแข็งของกราไฟต์ผ่านการเสริมแรงด้วยซิลิคอนไนไตรด์ (Si3N4) โดยวิธีการแทรกซึมสารละลาย

Abstract

กราไฟต์เป็นวัสดุที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงแต่มีข้อจำกัดในด้านความแข็งที่ค่อนข้างต่ำ ในการศึกษานี้ ได้ทำการพัฒนาคอมโพสิตกราไฟต์ที่เสริมแรงด้วย Si₃N₄ โดยการแทรกซึมสารละลายซิลิคอนลงบนผิวของกราไฟต์ ซึ่งใช้ระยะเวลาในการแทรกซึมที่แตกต่างกัน 5, 10 และ 15 นาที โดยใช้อุณหภูมิในการเผาที่ 1,450 องศาเซลเซียส ภายใต้บรรยากาศไนโตรเจน ผลการวิจัยพบว่าอนุภาค α-Si₃N₄ และ β-Si₃N₄ ปรากฎอยู่ในโครงสร้างจุลภาคของคอมโพสิตกราไฟต์ และมีปริมาณที่มากขึ้นในระยะเวลาการแทรกซึมที่ 15 นาที และการเสริมแรงด้วย Si₃N₄ มีผลต่อรูพรุนของกราไฟต์ โดยทำให้ความพรุนลดลงและความแข็งของกราไฟต์เพิ่มขึ้น 53.98%, 140.18%, และ 217.49% ในเวลาการแทรกซึม 5, 10 และ 15 นาที ตามลำดับ ซึ่งจะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าความแข็งของกราไฟต์เสริมแรงด้วย Si₃N₄ และใช้ระยะเวลาการแทรกซึมที่ 15 นาที ให้ค่าสูงสุดที่ 217.49% ซึ่งเป็นผลจากการกระจายตัวของ Si₃N₄ ในรูพรุนของกราไฟต์ และส่งผลให้ค่าความแข็งที่สูงที่สุดคือ 15.07 GPa การปรับปรุงคุณสมบัติทางกลและการเสริมแรงด้วย Si₃N₄ นี้ทำให้ความแข็งของกราไฟต์เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ผลลัพธ์นี้มีความสำคัญในการพัฒนาวัสดุที่มีประสิทธิภาพสูงในสภาพแวดล้อมที่ต้องการความทนทานต่อการสึกหรอและความแข็งของวัสดุ

Graphite was an attractive material for high-temperature applications, however, there was limited in its relatively low hardness. In this study, a reinforced graphite composite with Si₃N₄ was developed through infiltrating a silicon slurry onto the graphite surface. The slurry infiltration process was carried out for different durations: 5, 10, and 15 minutes, then sintered at a high temperature of 1,450 °C in a nitrogen atmosphere. The research revealed the presence of α-Si₃N₄ and β-Si₃N₄ particles in the microstructure of the graphite composite, with higher quantities observed after 15-minute infiltration. The Si₃N₄ reinforcement influenced the porosity of the graphite, resulting in a reduction in porosity and an increase in hardness by 53.98%, 140.18%, and 217.49% after infiltration durations of 5, 10, and 15 minutes, respectively. Notably, the maximum enhancement in hardness (217.49%) was achieved with Si₃N₄ reinforcement and a 15-minute infiltration, attributed to the effective dispersion of Si₃N₄ within the graphite porosity. This led to a remarkable increase in hardness, reaching a peak value of 15.07 GPa. The improvement in mechanical properties and the reinforcement with Si₃N₄ have significantly enhanced the hardness of the graphite composite, making it crucial for developing high-performance materials with abrasion resistance and increased mechanical strength.