Microporous sialon material with low thermal conductivity

• Autorzy: Wierzba W. , Wojteczko K. , Putyra P. , Bućko M. M. , Jaworska L. , Pędzich Z.

Warianty tytułu

PL

Mikroporowaty materiał sialonowy o niskiej przewodności cieplnej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The self-propagating high temperature synthesis, SHS, was used to prepare the sialon material starting from a mixture of Al, Si, Al2O3 and SiO2 powders. The synthesis conducted in gaseous nitrogen gave as a result the powders composed mainly of Si4Al4O4N4 and γ-AlON. These powders were consolidated by Spark Plasma Synthesis (SPS). As a result, the samples densified to a level of about 90% of theoretical density were obtained. SEM analysis revealed that samples microstructures contained a set of small pores in the range of single micrometers. The measurements of thermal conductivity with the LFA method proved that some of the samples had very small thermal conductivity which was combined with an absence of open porosity and a relatively high level of bending strength. Such a combination of properties is especially favorable for refractory applications because of very good chemical stability and wear resistance of sialons, which were reported in many papers.

PL

Metoda samorozwijającej się syntezy wysokotemperaturowej (SHS) została wykorzystana do przygotowania materiału sialonowego z mieszaniny proszków metalicznych glinu (Al) i krzemu (Si) oraz korundu (α-Al2O3) i krzemionki (SiO2). Synteza przeprowadzona w atmosferze azotu zaowocowała wytworzeniem proszków składających się głównie z faz Si4Al4O4N4 i γ-AlON. Proszki te zostały spieczone z wykorzystaniem metody iskrowej (SPS). W rezultacie tego procesu otrzymano próbki o gęstości około 90% gęstości teoretycznej. Obserwacje wykonane za pomocą SEM ujawniły, że mikrostruktura tych próbek zawiera zbiór porów zamkniętych w zakresie pojedynczych mikrometrów, zawierających się w dość wąskim przedziale średnic. Pomiary przewodnictwa cieplnego za pomocą metody LFA udowodniły, że niektóre z otrzymanych materiałów mają bardzo niskie przewodnictwo cieplne, mikrostrukturę zawierającą praktycznie wyłącznie porowatość zamkniętą i relatywnie wysoką wytrzymałość mechaniczną. Taka kombinacja cech jest szczególnie korzystna dla wybranych zastosowań ogniotrwałych, ponieważ sialony, co wykazano w szeregu dotychczasowych prac, mają ponadto doskonałą odporność chemiczną i odporność na zużycie czynnikami mechanicznymi.

Słowa kluczowe

EN

sialon; SHS; SPS; thermal conductivity

PL

sialon; SHS; SPS; przewodność cieplna

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 69, nr 2
• Strony: 78--83
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Wierzba W.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Ceramics and Refractory Materials, 30 Mickiewicza Av., 30-059 Kraków, Poland

autor

Wojteczko K.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Ceramics and Refractory Materials, 30 Mickiewicza Av., 30-059 Kraków, Poland

autor

Putyra P.

• The Institute of Advanced Manufacturing Technology, 37A Wrocławska St., 30-011 Kraków, Poland

autor

Bućko M. M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Ceramics and Refractory Materials, 30 Mickiewicza Av., 30-059 Kraków, Poland

autor

Jaworska L.

• The Institute of Advanced Manufacturing Technology, 37A Wrocławska St., 30-011 Kraków, Poland

autor

Pędzich Z.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Ceramics and Refractory Materials, 30 Mickiewicza Av., 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Jack, K. H.: Review: Sialons and related nitrogen ceramics, J. Mater. Sci., 11, (1976), 1135–1158.
• [2] Ekstrom, T., Nygren, M.: Sialon Ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 75, 2, (1992), 259–276.
• [3] Jack, K. H., Wilson, W. I.: Ceramics Based on the Si-Al-O-N and Related Systems, Nat. Physic Sci., 238, (1972), 28–29.
• [4] Dutta, S.: State-Of-The-Art of Sialon Materials, in Proceedings of 49th Meeting of the Structures and Materials Panel Including a Specialist Meeting on Ceramics for Turbine Engine Applications, 7-12 Oct. 1979, Cologne, Germany.
• [5] Pawlik, T., Sopicka-Lizer, M., Mikruskiewicz, M., Gwiżdż, M.: Corrosion resistant sialon-based refractories for applications in the aluminum industry, Mat. Ceram./ Ceram. Mat./, 61, (2009), 250–252.
• [6] Ekström, T., Kall, P. O., Nygren, M., Olsen, P. O.: Dense single-phase β-Sialon ceramics by glass-encapsulated hot isostatic pressure, J. Mater. Sci., 24, (1989), 1853–1861.
• [7] Gilbert, J. E., Mosset, A.: Preparation of β-Sialon form coal-mine schists, Mater. Res. Bull., 10, 32, (1997), 1441–1448.
• [8] Uludag, A., Turan, D.: SiAlON Ceramics for the High Temperature Applications: High Temperature Creep Behavior, Int. J. Mater. Mech. Manuf., 2, (2015), 105–109.
• [9] Riley, F. L.: Silicon Nitride and Related Materials, J. Amer. Ceram. Soc., 83, (2000), 245–265.
• [10] Yang, G., Yin, L., Fang, X., Fang, M., Liu, Y., Huang, Z., Liu, B.: Fabrication and liquid-solid, two-phase erosion wear behaviour of β-Sialon ceramic from pyrophyllite by carbothermal reduction and nitridation, Ceram. Int., 40, (2014), 10737–10741.
• [11] Mackenzie, K. J. D., Meinhold, R. H., White, G. V., Sheppard, C. M., Sherriff, B. L.: Carbothermal formation of β-sialon from kaolinite and halloysite studied by 29Si and 27Al solid state MAS NMR, J. Mater. Sci., 29, (1994), 2611–2619.
• [12] Zheng, J., Forslund, B.: Carbothermal Preparation of β-SiAlON Powder at Elevated Nitrogen Pressures, J. Eur. Ceram. Soc., 19, (1999), 175–185.
• [13] Liu, X. J., Sun, X. W., Zhang, J. J., Pu, X. P., Ge, O. M., Huang, L. P.: Fabrication of β-Sialon powder from kaolin, Mater. Res. Bull., 38, (2003), 1939–1948.
• [14] Zientara, D., Lis, J., Bucko, M. M.: Alon-based materials prepared by SHS technique, J. Eur. Ceram. Soc., 27, (2007), 775–779.
• [15] Puszynski, J. A., Dargar, S. R., Liebig, B. E.: Combustion Synthesis of Ceramics Composites and Solid Solutions from Nanoreactants, in Innovative Processing and Synthesis of Ceramics, Glasses and Composites VIII, Proceedings of the 106th Annual Meeting of The American Ceramic Society, Indianapolis, Indiana, USA, 2004, Bansal, N. P., Singh, J. P., Schneider, H. (Eds), Ceramic Transactions, 166, (2005), 11–21.
• [16] Niu, J., Nakamura, T., Nakatsugawa, I., Akiyama, T.: Reaction characteristics of combustion synthesis of β-Sialon using different additives, Chem. Eng. J., 241, (2014), 235-242.
• [17] Kheirandish, A. R., Nekouee, Kh. A., Khosroshahi, R. A., Ehsani, N.: Self-propagating high temperature synthesis of SiAlON, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 55, (2016), 68–79.
• [18] Belmonte, M., González-Julián, J., Miranzo, P., Osendi, M.: Spark plasma sintering: a powerful tool to develop new silicon nitride-based materials, J. Eur. Ceram. Soc., 30, (2010), 2937–2946.
• [19] Nekouee, Kh. A., Khosroshahi, R. A.: Sintering behavior and mechanical properties of spark plasma sintered β–SiAlON/TiN nanocomposites, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 61, (2016), 6–12.
• [20] Rutkowski, P., Dubiel, A., Piekarczyk, W., Ziąbka, M., Dusza, J.: Anisotropy in thermal properties of boron carbide–graphene platelet composites, J. Eur. Ceram. Soc., 36, (2016), 3051–3057.
• [21] Yi, X., Niu, J., Nakamura, T., Akiyama, T.: Reaction mechanism for combustion synthesis of β-Sialon using Si, Al and SiO2 as raw materials, J. Alloys Compd., 561, (2013), 1–4.
• [22] Wang, H., Han, J.-C., Du, S.: Effect of nitrogen pressure and oxygen-containing impurities on self-propagating high temperature synthesis of Si3N4, J. Eur. Ceram., Soc., 21, (2001), 297–302.
• [23] International Syalons, Comparison of Physical Properties of Ceramics, www.syallons.com
• [24] Sivakumar, R., Aoyagi, K., Akiyama, T.: Thermal conductivity of combustion synthesized β-sialons, Ceram. Int., 35, (2009), 1391–1395.
• [25] Yi, X., Zhang, W., Akiyama, T.: Thermal conductivity of β-SiAlONs prepared by a combination of combustion synthesis and spark plasma sintering, Thermochimica Acta, 576, (2014), 56–59.
• [26] Wang, J.-W., Li, L., Zhang, J.-W., Xu, X., Chen, Ch.-S.: β-Sialon ceramic hollow fiber membranes with high strength and low thermal conductivity for membrane distillation, J. Eur. Ceram. Soc., 36, (2016), 59–65.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).