Influence of solid loading in the gel-casting process on the microstructure and properties of porous YSZ ceramics

• Autorzy: Wang Chang-An , Hao Bianlei , Hu Liangfa , Lang Ying

Warianty tytułu

PL

Wpływ zawartości fazy stałej w procesie odlewania żelowego na mikrostrukturę i właściwości porowatej ceramiki YSZ

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

With the development of hypersonic space vehicles for near space, high requirements have been put forward to heat insulation materials. In this work, porous yttria-stabilized zirconia (8 mol%Y2O3-ZrO2, YSZ) ceramics with different solid loading were fabricated by tert-butyl alcohol (TBA)-based gel-casting process. After sintered at the same conditions (1550 °C for 2 h), the sintered YSZ ceramics with different porosity, open porosity, pore size distribution and microstructure were obtained. The relationships between compressive strength and microstructure, room-temperature thermal conductivity and microstructure were discussed, respectively. Porous YSZ ceramics with porosity ranging from 56.4% to 66.9% were fabricated by adjusting the solid loading in the initial slurry. A uniform pore size distribution was observed in each sample. The compressive strength of porous YSZ ceramics was 26.8-35.0 MPa. The room-temperature thermal conductivity of porous YSZ ceramics was between 0.205 W/(mK) and 0.337 W/(mK). Moreover, the compressive strength and the thermal conductivity at room temperature of the porous YSZ ceramics decreased with the increase of porosity, respectively.

PL

Wraz z rozwojem hipersonicznych pojazdów kosmicznych do bliskiej przestrzeni kosmicznej stawiane są wysokie wymagania dotyczące materiałów termoizolacyjnych. W tej pracy porowate materiały ceramiczne z tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem cyrkonu (8% mol. Y2O3-ZrO2, YSZ) o różnej zawartości fazy stałej wytworzono metodą odlewania żelowego na bazie alkoholu tert-butylowego (TBA). Po spiekaniu w tych samych warunkach (1550 °C przez 2 godz.) otrzymano spiekaną ceramikę YSZ o różnej porowatości, porowatości otwartej, rozkładzie wielkości porów i mikrostrukturze. Omówiono zależności między wytrzymałością na ściskanie a mikrostrukturą oraz przewodnością cieplną w temperaturze pokojowej i mikrostrukturą. Porowatą ceramikę YSZ o porowatości w zakresie od 56,4% do 66,9% wytworzono przez dostosowanie udziału fazy stałej w wyjściowej zawiesinie. W każdej próbce zaobserwowano jednorodny rozkład wielkości porów. Wytrzymałość na ściskanie porowatej ceramiki YSZ wynosiła 26,8-35,0 MPa. Przewodność cieplna porowatej ceramiki YSZ w temperaturze pokojowej wynosiła od 0,205 W/(mK) do 0,337 W/(m•K). Ponadto wytrzymałość na ściskanie i przewodność cieplna w temperaturze pokojowej porowatej ceramiki YSZ zmniejszały się odpowiednio wraz ze wzrostem porowatości.

Słowa kluczowe

EN

gel-casting; YSZ; solid loading; porosity; heat-insulation

PL

odlewanie żelowe; YSZ; udział fazy stałej; porowatość; izolacja cieplna

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2019
• Tom: T. 71, nr 4
• Strony: 356--361
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz. rys.

Twórcy

autor

Wang Chang-An

• School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Institute of Ceramics, Jingdezhen 333403, Jiangxi Province, China
• State Key Lab of New Ceramics and Fine Processing, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

autor

Hao Bianlei

• School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Institute of Ceramics, Jingdezhen 333403, Jiangxi Province, China

autor

Hu Liangfa

• State Key Lab of New Ceramics and Fine Processing, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

autor

Lang Ying

• School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Institute of Ceramics, Jingdezhen 333403, Jiangxi Province, China

Bibliografia

• [1] Miller, R. A.: Current status of thermal barrier coatings-an overview, Surface & Coatings Tech., 30, 1, (1987), 1-11.
• [2] Meier, S. M., Gupta, D. K., Sheffler, K. D.: Ceramic thermal barrier coatings for commercial gas-turbine engines J. Minerals Metals & Mater. Soc., 43, 3, (1991), 50-53.
• [3] Evans, A. G., Mumm, D. R., Hutchinson, J. W., et al.: Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings, Prog. in Mater. Sci., 46, 5, (2001), 505-553.
• [4] Cao, X. Q., Vassen, R., Stoever, D.: Ceramic materials for thermal barrier coatings, J. Eur. Ceram. Soc., 24, 1, 2004), 1-10.
• [5] Padture, N. P., Gell, M., Jordan, E. H.: Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications, Science, 296, 5566, (2002), 280-284.
• [6] Miller, R. A.: Thermal barrier coatings for aircraft engines: history and directions, J. Thermal Spray Tech., 6, 1, (1997), 35-42.
• [7] Wortman, D. J., Nagaraj, B. A., Duderstadt, E. C.: Thermal barrier coatings for gas-turbine use, Mater. Sci. Eng. A, 120, (1989), 433-440.
• [8] Zhu, D. M., Miller, R. A.: Thermal-barrier coatings for advanced gas-turbine engines, MRS Bulletin, 25, 7, (2000), 43-47.
• [9] Schulz, U., Fritscher, K., Scheibe, H. J. R., et al.: Thermocyclic behavior of microstructurally modified EB-PVD thermal barrier coatings, Mater. Sci. Forum., 251-2, (1997), 957-964.
• [10] Peters, M., Leyens, C., Schulz, U., et al.: EB-PVD thermal barrier coatings for aeroengines and gas turbines, Adv. Eng. Mater., 3, 4, (2001), 193-204.
• [11] Nicholls, J.: Advances in Coating Design for High-Performance Gas Turbines, MRS Bulletin, 28, 9, 2003), 659-670.
• [12] Jang, B. K.: Influence of temperature on thermophysical properties of EB-PVD porous coatings and dense ceramics of 4 mol% Y2O3-stabilized ZrO2, J. Alloys Compd, 480, 2, 2009), 806-809.
• [13] Chen Changlian, Shen Qiang, Li Junguo, et al.: Fabrication of porous zirconia ceramics with density gradient, Rare Metal Mater. Eng. (in Chinese), 36(S1), (2007), 553-556.
• [14] Wang Hai: Preparation of porous ZrO2 ceramics with controlled pore size, China Ceramic Industry (in Chinese), 13, 3, (2006), 7-9.
• [15] Chen, R. F., Huang, Y., Wang, C. A., et al.: Ceramics with ultra-low density fabricated by gelcasting: an unconventional view, J. Am. Ceram. Soc., 90, 11, (2007), 3424-3429.
• [16] Shackelford, J. F., Alexander, W.: Materials science and engineering handbook, New York, 2001.
• [17] Carson, J. K., Lovatt, S. J., Tanner, D. J. et al.: Thermal conductivity bounds for isotropic, porous materials, Inter. J. Heat Mass Transfer, 48, 11, 2005), 2150-2158.
• [18] Cao, X. Q., Vasseh, R., Stoever, D.: Ceramic materials for thermal barrier coatings, J. Eur. Ceram. Soc., 24, 1, (2004), 1-10.
• [19] Weast, R. C. (ed.): Handbook of Chemistry and Physics, 55th ed., Cleveland, Ohio: CRC Press; 1974.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).