Fabrication of ceramic porous structures using the freeze-casting method

• Autorzy: Gołębiewski P. , Kaszyca K. , Wajler A. , Węglarz H.

Warianty tytułu

PL

Ceramiczne struktury porowate wytwarzane metodą freeze-casting

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper we describe the construction of an apparatus for a method of unidirectional freeze-casting of ceramic suspensions. The cooling system is based on a cascade system with Peltier modules. The compositions of the suspensions were elaborated in two different systems of the superplasticizer (dispersing agent)/binder additives. Applying the freeze-casting method, zirconium dioxide powder (stabilized with 3% at. of yttrium oxide) was used to fabricate the ceramic matrices, which were then vacuum-infiltrated with a commercially available epoxy resin EpoFix (Struers). SEM microphotographs showed that the porous ceramic materials of a layered structure had been obtained. These layers were arranged into domains of different orientations in relation to each other, while in the domains the layers were arranged in parallel to each other. A mechanism of the processes occurring during freezing the ceramic suspensions was described on the basis of the SEM images of the cross-sections of the produced samples. We observed the key-effect of the additives (superplasticizer, binder) on the microstructure of the samples. That influence can be explained by a change in the freezing mechanism or a change in the ice crystal structure in a system containing those additives.

PL

W ramach przedstawionej pracy opisana została budowa urządzenia służącego do jednokierunkowego wymrażania zawiesin ceramicznych metodą freeze-casting. Układ chłodzenia opiera się na systemie kaskadowym, w którym wykorzystywane są moduły Peltiera. opracowane zostały składy zawiesin w dwóch różnych układach dodatków upłynniacz/spoiwo. metodą freeze-casting, z proszku dwutlenku cyrkonu (stabilizowanego 3% molowo tlenkiem itru) wykonane zostały matryce ceramiczne, które następnie infiltrowano próżniowo za pomocą handlowo dostępnej żywicy epoksydowej EpoFix (struers). mikrofotografie sEm pokazały, iż wytworzone zostały porowate materiały ceramiczne o charakterze warstwowym. Warstwy te ułożone są w domeny o różnej orientacji względem siebie. W domenach z kolei warstwy ułożone są względem siebie równolegle. Na podstawie mikrofotografii z przekroju poprzecznego wytworzonych próbek opisano mechanizm zachodzący podczas wymrażania zawiesin ceramicznych. zaobserwowano kluczowy wpływ dodatków (upłynniacz, spoiwo) na mikrostrukturę próbek. Wpływ ten tłumaczy się zmianą mechanizmu zamarzania, lub zmianą struktury krystalicznej lodu w układzie z tymi dodatkami.

Słowa kluczowe

EN

freeze-casting; biomimetics; ceramic forming techniques

PL

freeze-casting; biomimetyka; techniki formowania materiałów ceramicznych

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
• Czasopismo: Materiały Elektroniczne
• Rocznik: 2018
• Tom: T.46, nr 1-4
• Strony: 16--23
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Gołębiewski P.

• Institute of Electronic Materials Technology, 133 Wólczyńska str., 01-919 Warsaw, Poland

autor

Kaszyca K.

• Institute of Electronic Materials Technology, 133 Wólczyńska str., 01-919 Warsaw, Poland

autor

Wajler A.

• Institute of Electronic Materials Technology, 133 Wólczyńska str., 01-919 Warsaw, Poland

autor

Węglarz H.

• Institute of Electronic Materials Technology, 133 Wólczyńska str., 01-919 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Naleway S. E., et al.: Structural design elements in biological materials: application to bioinspiration, Advanced Materials, 2015, 27.37, 5455 - 5476
• [2] Chen, P. Y., McKittrick, J., & Meyers, M. A.: Biological materials: functional adaptations and bioinspired designs, Progress in Materials Science, 2012, 57, 8, 1492 - 1704
• [3] Meyers, M. A., McKittrick J., Chen P. - Y.. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections, Science, 2013, 339.6121, 773-779
• [4] Chen, P. Y., McKittrick, J., & Meyers, M. A., Biological materials: functional adaptations and bioinspired designs, Progress in Materials Science, 2012, 57, 8, 1492 - 1704
• [5] Bai H., Walsh F., Gludovatz B., Delattre B., Huang C., Chen Y., et al.: Bioinspired hydroxyapatite/poly (methyl methacrylate) composite with a nacre‐mimetic architecture by a bidirectional freezing method, Advanced Materials, 2016 , 28, 1, 50 - 56
• [6] http://www.3ders.org (access 6.06.2018)
• [7] In-Kook J., et al.:Improved compressive strength ofreticulated porous zirconia using carbon coated polymeric sponge as novel template, Materials Letters 2006, 60.20, 2507 - 2510
• [8] White M. A., Conrad J., Ellis S. N., Chen R.: Investigations of ice‐structuring agents in ice‐templated ceramics, Journal of the American Ceramic Society, 2017, 100, 11, 5066 - 5074
• [9] Deville S., et al.: Freezing as a path to build complex composites, Science, 2006, 311.5760, 515 - 518
• [10] Hao B., et al.: Bioinspired large-scale aligned porous materials assembled with dual temperature gradients, Science Advances, 2015, 1.11, e1500849
• [11] Munch E., et al.: Tough, bio-inspired hybrid materials, Science, 2008, 322.5907, 1516 - 1520
• [12] Munch E., et al.: Architectural Control of Freeze‐Cast Ceramics Through Additives and Templating, Journal of the American Ceramic Society, 2009, 92.7, 1534 - 1539
• [13] Naleway S. E., et al.: Bioinspired intrinsic control of freeze cast composites: Harnessing hydrophobic hydration and clathrate hydrates, Acta Materialia, 2016, 114, 67 - 79
• [14] Vallar S., et al.: Oxide slurries stability and powders dispersion: optimization with zeta potential and rheological measurements, Journal of the European Ceramic Society, 1999, 19.6-7, 1017 - 1021