Optical images of the electrical di

Optical images of the electrical discharge machined Si3N4/MWCNTs microgear at 100 V.
Figure options
At present, it is difficult to estimate the economical benefits that EDM of CNT doped hard insulating ceramics can achieve compared to classical machining processes. Nevertheless, the huge reduction in the machining time in conjunction with the excellent workpiece surface finishing attained by EDM would compensate the high CNT cost, bearing in mind that EDM would allow the creation of intricate components only achievable through this process. Respecting the safety considerations linked to the use of CNTs, special care must be taken in the processing steps until the full densification of the composite is completed. Then, the nanotubes will be confined within the specimen and the material removed during EDM will mostly be decomposed.
Finally, it should be mentioned that the addition of small amounts of CNTs also affects other ceramic properties. In this way, the present Si3N4/5.3 vol.% MWCNTs nanocomposite exhibited an enhanced tribological performance compared to the blank material containing the same α/β-phase ratio16, increasing the wear resistance by more than 50 % and reducing the friction about 30 %. In contrast, the CNTs produced a deleterious effect (∼35 % decrease) in the mechanical properties of the nanocomposite; mainly the elastic modulus (E), hardness (H), and fracture toughness (KIC), with respect to the monolithic material 29, mostly due to a poor load transfer between the matrix and the nanotubes. However, we have demonstrated that the mechanical interlocking between the Si3N4 grains and the nanotubes can be strengthened by functionalizing the pristine MWCNTs by means of oxidation and boron nitride and silicon oxide coatings 29. The new nanocomposites showed enhanced mechanical properties with E, H, and KICvalues close to or even higher (KIC) than those measured for undoped Si3N4 29. Recent studies of the present authors (unpublished data) have provided evidence for a slight decrease in the thermal diffusivity from 0.088 to 0.075 cm2s−1 with the addition of CNTs, which can be due to both the thermal resistance within the nanotubes and at the CNTs-Si3N4 interface and, also to the lower matrix grain size.
Conclusions
We show the feasibility of EDM of Si3N4 by introducing small amounts of CNTs to create an electrical conductive network within the ceramic. This approach could also be extended to other insulating ceramics such as alumina or zirconia, and different carbon nanostructures like graphenes. This work demonstrates that the EDM performance of Si3N4/CNTs nanocomposites in terms of MRR, surface roughness, and RTW is significantly enhanced compared to that of Si3N4/TiN materials, commonly considered the reference ceramics for EDM. Intricate parts with good mechanical and tribological properties as required for emerging applications such as microturbines, MEMS, microreactors, and microbioimplants could be produced by electrical discharge machining of Si3N4/CNTs.
Materials and methods
Materials
Si3N4/MWCNTs nanocomposites containing 5.3 vol.% of commercial nanotubes (30 nm diameter and 1 – 5 mm length, Nanolab Inc., USA) were prepared as described elsewhere30. In summary, both MWCNTs and ceramic powders (Si3N4 plus 2 wt.% of Al2O3 and 5 wt.% of Y2O3) were separately dispersed in ethanol and mixed in an ultrasonic bath under continuous stirring. Disc shaped samples measuring 3 mm thick and 20 mm in diameter were fully densified using the spark plasma sintering technique (SPS) at 1585 °C for 5 minutes. This temperature was selected to provide a similar α:β Si3N4 phase ratio (40:60) as the monolithic material, which was typically sintered at 1600 °C. SPS tests were carried out using a heating rate of 133 °C min−1, a vacuum atmosphere of 6 Pa, and applying a uniaxial pressure of 50 MPa. The average matrix grain size of the nanocomposite was ∼240 nm, slightly lower than the monolithic (300 nm), confirming that CNTs produced some matrix refinement during the liquid phase sintering process31. The Si3N4/40 vol.% TiN reference material was produced by mixing 56.4 vol.% Si3N4, 40 vol.% TiN, 2.4 vol.% Y2O3, and 1.2 vol.% Al2O3 in ethanol using low energy multidirectional mixing. After mixing, the suspension was dried in a rotating evaporator at 65 °C. Disc shaped samples measuring 5 mm thick and 40 mm in diameter were fully densified using SPS at 1800 °C for 1.5 min, with a heating rate of 100 °C min−1, under a vacuum atmosphere of 4 Pa, and applying a uniaxial pressure of 60 MPa. More information on the experimental SPS procedure is provided elsewhere32. The dense composite was constituted by the following α-Si3N4:β-Si3N4:TiN crystalline phases ratio in wt.%: 34.6:8.0:57.3, with an average Si3N4 and TiN grain size of ∼2 μm and ∼1 μm, respectively.
________________________________________

Kết quả (Việt) 2:

Hình ảnh quang học của phóng điện gia công Si3N4 / MWCNTs microgear ở 100 V.
lựa chọn hình
hiện tại, rất khó để ước tính lợi ích kinh tế mà EDM của CNT pha tạp cứng cách nhiệt gốm sứ có thể đạt được so với quá trình gia công cổ điển. Tuy nhiên, mức giảm rất lớn trong thời gian gia công kết hợp với các bề mặt hoàn thiện phôi xuất sắc đạt được bằng EDM sẽ bồi thường chi phí CNT cao, mang trong tâm trí rằng EDM sẽ cho phép tạo ra các thành phần phức tạp chỉ có thể đạt được thông qua quá trình này. Tôn trọng cân nhắc an toàn liên quan đến việc sử dụng của CNTs, chăm sóc đặc biệt phải được thực hiện trong các bước xử lý cho đến khi đầm nén đầy đủ các hỗn hợp được hoàn thành. Sau đó, các ống nano sẽ được giới hạn trong các mẫu vật và các vật liệu bị loại bỏ trong quá trình EDM chủ yếu sẽ bị phân hủy.
Cuối cùng, nó nên được đề cập rằng việc bổ sung một lượng nhỏ của CNTs cũng ảnh hưởng đến đặc tính gốm khác. Bằng cách này, hiện tại Si3N4 / 5,3 vol.% MWCNTs nanocomposite trưng bày một hiệu suất tribological nâng cao so với các vật liệu trống chứa ratio16 cùng α / β-pha, tăng sức đề kháng mài mòn hơn 50% và giảm ma sát khoảng 30% . Ngược lại, các CNTs sản xuất một ảnh hưởng có hại (~35% giảm) trong các thuộc tính cơ học của nanocomposite; chủ yếu là các mô đun đàn hồi (E), độ cứng (H), và bền phá hủy (KIC), đối với các vật liệu khối 29, chủ yếu là do chuyển tải nghèo giữa các ma trận và các ống nano có. Tuy nhiên, chúng tôi đã chứng minh rằng các lồng vào nhau cơ khí giữa các hạt Si3N4 và các ống nano có thể được củng cố bởi các functionalizing MWCNTs nguyên sơ bằng phương tiện của quá trình oxy hóa và boron nitride và silicon lớp phủ oxit 29. nanocomposites mới cho thấy tăng cường tính chất cơ học với E, H, và KICvalues ​​gần hoặc thậm chí cao hơn (KIC) so với những đo cho undoped Si3N4 29. Các nghiên cứu gần đây của các tác giả hiện nay (liệu chưa công bố) đã cung cấp bằng chứng cho một sự giảm nhẹ trong dẫn nhiệt 0,088-0,075 cm2s-1 với sự bổ sung của CNTs , mà có thể là do cả hai điện trở nhiệt trong các ống nano và tại giao diện CNT-Si3N4 và, cũng với kích thước hạt ma trận dưới.
Kết luận
Chúng tôi cho thấy tính khả thi của EDM của Si3N4 bằng cách giới thiệu một lượng nhỏ của CNTs để tạo ra một điện dẫn điện mạng trong gốm. Cách tiếp cận này cũng có thể được mở rộng cho gốm sứ cách điện khác như nhôm hoặc zirconia, và các cấu trúc nano carbon khác nhau như graphenes. Công việc này chứng tỏ rằng hiệu suất của EDM Si3N4 / CNTs nanocomposites về MRR, độ nhám bề mặt, và RTW được tăng cường đáng kể so với các vật liệu Si3N4 / TiN, thường được coi là gốm tài liệu tham khảo cho EDM. Bộ phận phức tạp với tính chất cơ học và tribological tốt theo yêu cầu cho các ứng dụng mới nổi như tuabin, MEMS, microreactors, và microbioimplants có thể được sản xuất bởi công xả điện của Si3N4 / CNT.
Vật liệu và phương pháp
Vật liệu
Si3N4 / MWCNTs nanocomposites chứa 5,3% của thương mại vol. ống nano (30 đường kính nm và 1 - 5 mm chiều dài, Nanolab Inc., USA) đã được chuẩn bị như mô tả elsewhere30. Tóm lại, cả hai MWCNTs và bột gốm (Si3N4 cộng với 2% trọng lượng. Của Al2O3 và% của Y2O3 5 wt.) Đã bị phân tán một cách riêng biệt trong ethanol và trộn lẫn trong một bồn tắm siêu âm dưới khuấy liên tục. Mẫu đĩa hình đo dày 3 mm và 20 mm đường kính là hoàn toàn làm tăng độ rắn bằng cách sử dụng kỹ thuật tia lửa thiêu kết plasma (SPS) ở 1585 ° C trong 5 phút. Nhiệt độ này đã được lựa chọn để cung cấp một α tương tự: β tỷ lệ pha Si3N4 (40:60) như các vật liệu bằng đá nguyên khối, được thường thiêu kết ở 1600 ° C. Kiểm tra SPS được thực hiện bằng cách sử dụng một tốc độ làm nóng 133 ° C min-1, một bầu không khí chân không của 6 Pa, và áp dụng một áp lực đơn trục của 50 MPa. Kích thước hạt trung bình của các ma trận nhựa nano ~240 nm, hơi thấp hơn so với các nguyên khối (300 nm), khẳng định rằng CNTs sản xuất một số tinh ma trận trong giai đoạn thiêu kết process31 lỏng. Các / 40 vol. Tài liệu tham khảo% TiN Si3N4 được sản xuất bằng cách trộn 56.4 vol.% Si3N4, 40 vol. TiN%, 2,4 vol. Y2O3%, và 1,2 vol.% Al2O3 trong ethanol sử dụng năng lượng thấp pha trộn đa chiều. Sau khi trộn, hệ thống treo đã được sấy khô trong một thiết bị bay hơi quay ở 65 ° C. Mẫu đĩa hình đo dày 5 mm và 40 mm đường kính là hoàn toàn làm tăng độ rắn sử dụng SPS 1800 ° C trong 1,5 phút, với một tốc độ làm nóng 100 ° C min-1, dưới một bầu không khí chân không của 4 Pa, và áp dụng một áp lực uniaxial 60 MPa. Thông tin thêm về các thủ tục SPS thử nghiệm được cung cấp elsewhere32. Các hỗn hợp dày đặc đã được cấu thành bởi những điều sau đây α-Si3N4: beta-Si3N4:. TiN tỷ lệ pha tinh thể trong wt%: 34,6: 8,0: 57,3, với một Si3N4 và TiN kích thước hạt trung bình của ~2 micromet và ~1 mm, tương ứng.
________________________________________