بررسی ترمودینامیکی و عملی فازهای سیلیسید آهن قابل تولید از سیستم پودری آهن و سیلسیم

نوع مقاله : علمی و پژوهشی

نویسنده

• راضیه خوشحال

گروه مهندسی مواد دانشگاه صنعتی بیرجند

10.22067/jmme.2022.75661.1043

چکیده

از واکنش سیستم پودری آهن و سیلسیم، انواع مختلف سیلیسیدهای آهن شکل می‌گیرد که بسته به ساختارشان رفتار فلزی‌، نیمه هادی یا عایق را می‌توانند از خود نشان ‌دهند. هر چه میزان آهن این مواد بیشتر باشد، خواص مغناطیسی آنها قویتر خواهد بودیکی از مسائل تکنیکی استفاده از پودر برای تولید انواع مختلف سیلسیدها، پیش‌بینی نوع سیلسید نهایی است. تا کنون تحقیق جامعی بر روی این هدف تدوین نشده است. از این رو در این تحقیق ابتدا بر اساس داده‌های ترمودینامیکی و به کمک نرم‌افزار HSC، پیش‌بینی شد که در هر نسبت مولی آهن و سیلسیم کدامیک از فازهای سیلسید آهن تشکیل خواهد شد. در ادامه به صورت آزمایشگاهی سه درصد مختلف مولی برای بررسی عملی این پیش‌بینی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش نسبت مولی سیلسیم از 5/0 به 1 و 2 ، به ترتیب، فازهای Fe3Si، FeSi و FeSi2 فازهای غالب موجود در ساختار خواهند بود که تا حد زیادی پیش‌بینیهای ترمودینامیکی با نتایج واقعی موافقت داشت. علت تفاوتهای موجود نیز مورد بحث قرار گرفت.

کلیدواژه‌ها

• سیلیسید آهن
• ترمودینامیک
• آهن
• سیلیسیم
• سیستم پودری

20.1001.1.20087462.1401.33.2.11.1

موضوعات

• سنتز مواد

---

عنوان مقاله [English]

Thermodynamic and practical study of iron silicon phases that can be produced from iron and silicon powder systems

نویسنده [English]

• Razieh Khoshhal

Department of Materials and Metallurgical Engineering, Birjand University of Technology, Birjand, Iran.

چکیده [English]

Through the reaction of iron and silicon powder system, different types of iron silicides can form. Depending on their structure, the iron silicide exhibit metallic, semiconductor, or insulating behavior. The higher the iron contents of these materials, the stronger their magnetic properties. One of the technical problems in using elemental powder to produce the different types of silicides is predicting the final component of iron silicide. So far, no comprehensive research has been conducted on this goal. Therefore, in this study, based on the thermodynamic data and with the help of HSC software, the iron silicon phases will form in each molar ratio of iron and silicon were predicted. Then, three different molar ratios were examined in the laboratory for practical evaluation of this prediction. The results showed that by increasing the molar ratio of silicon from 0.5 to 1 and 2, respectively, the Fe3Si, FeSi, and FeSi2 phases will be the predominant phases, which almost agreed with the actual thermodynamic predictions. The reasons for the differences were also discussed.

کلیدواژه‌ها [English]

• Iron silicon
• Thermodynamics
• Iron
• Silicon
• Powder system

مراجع

1. Kolel-Veetil, M. K., Qadri, S. B., Osofsky, M., Keller, T. M., Goswami, R., and Wolf, S. A., "Size-Induced Effects on the Superconducting Properties of Mo2C Nanoparticles", The Journal of Physical Chemistry C, 111, pp. 16878-16882, (2007).
2. Hamayaa, K., Ueda, K., Kishi, Y., Ando, Y., Sadoh, T., and Miyaob, M., "Epitaxial ferromagnetic Fe₃Si∕Si(111) structures with high-quality heterointerfaces", Applied Physic Letter, 93, No. 13, pp. 132117-132121, (2008).
3. Mantovan, R., Georgieva, M., Fanciulli, M., Goikhman, A., Barantcev, N., Lebedinskii, Y., and Zenkevich, A., "Synthesis and characterization of Fe3Si/SiO2 structures for spintronics", physica status solidi,  205, pp. 1753-1757, (2008).
4. Guan, J., Chen, X., Zhang, L., Wang, J., and C, Liang., "Rapid preparation and magnetic properties of Fe₃Si-Al₂O₃ nanocomposite by mechanical alloying and heat treatment", physica status solidi, 213, pp. 1585-1591, (2016).
5. Schmitt, A. L., Bierman, M. J., Schmeisser, D., Himpsel, F. J., and Jin, S., "Synthesis and Properties of Single-Crystal FeSi Nanowires", Nano Letters, 6, pp. 1617-1621, (2006).
6. Fu, C., Krijin, M. P., and S, Daniach., "Electronic structure and optical properties of FeSi, a strongly correlated insulator", Phys Rev B Condens Matter, 49, pp. 2219-2222, (1994).
7. Filonov, A. B., Migas, D. B., Shaposhnikov, V. L., Dorozhkin, N. N., Petrov, G. V., and Borisenko, V. E., "Electronic and related properties of crystalline semiconducting iron disilicide", Journal of Applied Physics, 79, (1996).
8. V. N, Jepsen. O, Henrion. W, Rebien. M, Stauß. P, and Lange. H, "Electronic structure and optical properties of β-FeSi₂", Physical Review B, Vol. 57, pp. 8934-8938, (1998).
9. Kulatov, E., Nakayama, H., and Ohta, H., "Electronic and Optical Properties of α-, β-, and γ-FeSi2", Journal of the Physical Society of Japan, 70, pp. 2199-2204, (2001).
10. Dahal, N., and Chikan, V., "Phase-Controlled Synthesis of Iron Silicide (Fe3Si and FeSi2) Nanoparticles in Solution," Chemistry of Materials, 22, pp. 2892-2897, (2010).
11. Tanaka, N., Sumiyama, K., Katoh, R., Hihara, T., Sato, K., Konno, T. J., and Mibu, K., "Core-Shell Formation and Juxtaposition in Fe and Si Hybrid ClustersPrepared by Controlling the Collision Stages", Materials Transactions,, 51, pp. 1990-1996, (2010).
12. Shen, Q., Li, R., Yuan, W. J., Zhang, L. M., and Zhang, T., "Powder reaction mechanism in fabrication of high silicon iron alloy", Powder Metallurgy, 50, pp. 336-340, (2007).
13. Dezsi, I., Fetzer, C., Bujdoso, L., Broetz, J., and Balogh, A. G., "Mechanical alloying of Fe-Si and milling of α- and β-FeSi2 bulk phases," Journal of Alloys and Compounds, 508, pp. 51-54, (2010).
14. Li, G., Shi, N., Xiong, M., Ma, Z., Bai, W., and Fang, Q., "X-ray diffraction investigation of native Si-Fe alloy minerals from Luobusha, Tibet", Frontiers of Earth Science in China, 1, pp. 21-25, (2007).
15. Crecelius, G., "Reaction of iron on silicon", Applied Surface Science, 65-66, pp. 683-689, (1993).
16. Kubaschewski, O., and Okamoto, H., Phase diagrams ofbinary iron alloy: ASM International, (1993).
17. "HSC Chemistry ", Vol. A. Roine, 5.11 ed. Finland: Outokumpu Research, (2002).
18. Razavi, R., Hosseini, S. M. A., and Ranjbar, M., "Production of Nanosized Synthetic Rutile from Ilmenite Concentrate by Sonochemical HCl and H2SO4 Leaching", Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE), 33, pp. 29-36, (2014).
19. Sadeghi, N., Akbarpour, M. R., and Aghajani, H., "A novel two-step mechanical milling approach and in-situ reactive synthesis to fabricate TiC/Graphene layer/Cu nanocomposites and investigation of their mechanical properties", Materials Science and Engineering: A, 734, (2018).
20. Yeh, C.-L., and Chen, K.-T., "Synthesis of FeSi-Al2O3 Composites by Autowave Combustion with Metallothermic Reduction", Metals, 11, pp. 258, (2021).