Physical and chemical processes during firing of ZrSiO4-Al2O3 powders

• Autorzy: Bradecki A. , Jonas S.

Warianty tytułu

PL

Procesy fizyczne i chemiczne zachodzące podczas wypalania proszków ZrSiO4-Al2O3

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Mullite-zirconia materials are of great interest for their application in filters, catalytic carriers, heat exchangers, as well as coatings in combustion engines and classical refractories. They posses high fire and heat shock resistance as well as good mechanical and chemical resistance at high temperatures. The microstructure of the material is formed as a result of complex physical and chemical processes taking place at high temperatures. Their course depends on temperature, purity and grain size of the substrates. In this work, the microstructure evolution was studied in the samples composed of ZrSiO4 and α-Al2O3. The samples were prepared from commercially available powders showing various grain size distributions. The oxide composition was specified according to stoichiometry of the reaction: Al2O3+2ZrSiO4 --›3Al2O3•2SiO2 +ZrO2. The final firing was carried out at temperatures ranging from 1300°C to 1600°C for the time varying from half an hour up to 60 hours. The changes of chemical and phase compositions were examined with the application of XRD (Rietveld technique), FTIR and EDS analytical methods. The microstructure evolution was traced with SEM for the model samples prepared from ZrSiO4 (of grain size below 150 žm) and Al2O3 (of grain size distribution D90 below 10 žm). The obtained results have been used as a basis for the description of dominant mechanisms responsible for formation of the mullite-zirconia material microstructure. It has been found that the decomposition of ZrSiO4 into oxide components takes place at the first stage of firing of the ZrSiO4 and α-Al2O3 powder. Then a two way diffusion of Si4+ and Al3+ ions goes on, followed by nucleation and growth of a crystalline mullite.

PL

Materiały mullitowo-cyrkoniowe znajdują się w kręgu niesłabnącego zainteresowania w związku z ich zastosowaniem w filtrach, nośnikach katalizatorów, wymiennikach ciepła, a także jako powłoki w silnikach spalinowych i jako klasyczne materiały ogniotrwałe. Mają one wysoką ogniotrwałość i odporność na wstrząs cieplny oraz dobrą mechaniczną i chemiczną odporność w wysokich temperaturach. Mikrostruktura materiału kształtuje się jako wynik złożonych zjawisk fizycznych i chemicznych, zachodzących w wysokich temperaturach. Przebieg tych procesów zależy od temperatury, czystości i rozmiaru ziarna substratów. W pracy zbadano ewolucję mikrostruktury próbek ZrSiO4 i α-Al2O3. Próbki przygotowano z proszków handlowych o różnych rozkładach wielkości cząstek. Skład tlenkowy określono zgodnie ze stechiometrią reakcji: Al2O3+2ZrSiO4 --›3Al2O3•2SiO2 +ZrO2. Wypalanie próbek przeprowadzono w temperaturach z przedziału 1300-1600°C przez czas zmieniający się od 30 min do 60. godzin. Zmianę składu fazowego i chemicznego określono stosując metody XRD (metoda Rietvelda), FTIR i EDS. Ewolucję mikrostruktury śledzono za pomocą SEM dla modelowych próbek przygotowanych z proszków ZrSiO4 o rozmiarze ziarna poniżej 150 žm i proszków Al2O3 o rozmiarze ziarna D90 poniżej 10 žm. Otrzymane wyniki wykorzystano jako podstawę opisu dominujących mechanizmów powstawania mikrostruktury materiału mullitowo-cyrkoniowego. Stwierdzono, że w pierwszym etapie wypalania proszku ZrSiO4 i α-Al2O3 ma miejsce rozkład ZrSiO4 na składowe tlenki. Następnie zachodzą dwa sposoby dyfuzji jonów Si4+ i Al3+, po których następuje zarodkowanie i wzrost krystalicznego mullitu.

Słowa kluczowe

EN

mullite; zirconia; microstructure final; zircon decomposition

PL

mullite; ZrO2; mikrostruktura finalna; rozkład cyrkonu

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2011
• Tom: T. 63, nr 1
• Strony: 22--26
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Bradecki A.

autor

Jonas S.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Kraków, Poland,

Bibliografia

• [1] Hynes A.P., Doremus, R.S.: J. Am. Ceram. Soc., 74, (1991), 2469.
• [2] Ohnishi H., Kawanami T., Nakahira A., Niihara K.: „Microstructure and mechanical properties of mullite ceramics”, J. Ceram. Soc. Jpn., 98, (1990), 541-547.
• [3] Aksel C., Konieczny F.: „Mechanical Properties and Thermal Shock Behaviour of PSR-333 Alumina-Mullite-Zirconia Refractory Material”, Glass Int., 24, 1, (2001), 16-18.
• [4] Manfredo L., McNallyt R.N.: „The corrosion resistance of high ZrO2 fusion-cast Al2O3-ZrO2-SiO2 glass refractories in soda lime glass”, J. Mater. Sci., 4, (1984), 1272-1276.
• [5] Jang H.M., Cho S.M., Kim K.T.: „Alumina-Mullite-Zirconia Composites : Part II, Microstructural Development and Toughening”, J. Mater. Sci., 2, (1997), 503-511.
• [6] Boch P., Chartier T., Giry J.P.: „Zirconia-toughened mullite/The role of zircon dissociated”, Ceram. Trans., 6, (1990), 473 494.
• [7] Claussen N., Jahn J.: „Mechanical Properties of Sintered, In Situ-Reacted Mullite-Zirconia Composites”, J. Am. Ceram. Soc., 63, (1980), 228-229.
• [8] Claussen N., Rühle M.: „Design of transformation toughened ceramics”, in Advances in Ceramics, Vol. 3, Science and Technology of Zirconia”, A.H. Heuer and L.W. Hobbs (Eds.), The American Ceramic Society, Columbus, Ohio, (1981), 137-163.
• [9] Evans G., Cannon R.M.: „Toughening of brittle solids by martensitic transformations”, Acta Metall., 34, (1986), 761.
• [10] Wallace J.S., Petzow G., Claussen N.: „Microstructure and property development of in-situ reacted mullite-ZrO2 composites”, in Advances in Ceramics, 12, (1983), 432-436.
• [11] Koyama T., Hayashi S., Yasumori A., Okada K.: „Preparation and Characterization of Mullite-Zirconia Composities from Various Starting Materials”, J. Eur. Ceram. Soc., 14, (1994), 295-302.
• [12] Robie R.A., Hemingway B.S.: „Therodynamic Properties of Minerals and Related Substances at 298.15 K and 1 Bar (105 Pascals) Pressure and at Higher Temperatures”, US Geol. Surv. Bull., 2131, (1995).
• [13] Zaho S-K, Wang Ch-A, Huang Y, Huang X-X, Guo J-K: „Mullite formation from Reaction sintering of ZrSiO4/α-Al2O3 mixtures”, Mat. Let., 57, (2003), 1716-1722.
• [14] Curtis C.E., Sowman H.G.: „Investigation of the Thermal Dissociation, Reassociation, and Synthesis of Zircon”, J. Am. Ceram. Soc., 35, (1953), 190-198.
• [15] Greca M.C., Emiliano J.V., Segadaes A.M.: „Revised Phase Equlibrium Relationship in the System Al2O3-ZrO2-SiO2”, J. Eur. Ceram. Soc., 9, (1992), 271-283.
• [16] Kaiser A., Lobert M., Telle R.: „Thermal stability of zircon (ZrSiO4)”, J. Eur. Ceram. Soc., 28, (2007), 2199-2211.
• [17] Bradecki A., Jonas S.: „Investigation of high-temperature reactions within the ZrSiO4-Al2O3 system”, Ceram. Int., 36, (2010), 211-214.