Effectiveness of the low-level MgO addition in the two-stage sintering of ultrafine alumina

• Autorzy: Moskała Norbert , Pyda Waldemar

Warianty tytułu

PL

Skuteczność niewielkiego dodatku MgO w dwuetapowym spiekaniu ultradrobnego tlenku glinu

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Submictrometric (~0.1 µm) alumina powders, pure and doped with 0.05% or 0.5% by weight of magnesia, were cold isostatically pressed and two-stage sintered. The preliminary experiment involved selecting the T1 temperature of the two-stage sintering (TSS). This was done by analysing the grain size as a function of relative density during sintering at a constant heating rate. Thereafter, the lower TSS temperature (T2) was set to 25-50 °C below T1, and the dwell time at T2 was assumed to be in the range of 3-12 hours. A final comparison of the density and grain size between the doped and undoped two-stage sintered samples proved that the sintering effect is better for the magnesium oxide doped materials, but also showed that the effect is non-linear, and less magnesia is more beneficial. Finally, an almost fully densified MgO-doped alumina ceramics with an average grain size close to 0.5 microns was obtained. The reference, conventional sintering process (T1/3 h) also resulted in very well densified materials, but with a coarser microstructure.

PL

Submiktrometryczne (~0,1 µm) proszki tlenku glinu, czysty i domieszkowane 0,05% lub 0,5% mas. tlenku magnezu, prasowano izostatycznie na zimno i spiekano dwuetapowo. Eksperyment wstępny obejmował dobór temperatury T1 dwuetapowego spiekania (TSS). Dokonano tego przez analizę wielkości ziarna w funkcji gęstości względnej podczas spiekania ze stałą szybkością ogrzewania. Następnie ustawiono niższą temperaturę TSS (T2) na 25-50° C poniżej T1, a czas przetrzymania w T2 przyjęto w zakresie 3-12 godzin. Końcowe porównanie gęstości i wielkości ziarna pomiędzy domieszkowanymi i niedomieszkowanymi dwuetapowymi próbkami spiekanymi dwuetapowo wykazało, że efekt spiekania jest lepszy dla materiałów domieszkowanych tlenkiem magnezu, ale także pokazało, że efekt jest nieliniowy, a mniejsza ilość tlenku magnezu jest korzystniejsza. Ostatecznie otrzymano prawie całkowicie zagęszczoną ceramikę z tlenku glinu domieszkowanego MgO o średnim uziarnieniu bliskim 0,5 mikrona. Referencyjny, klasyczny proces spiekania (T1/3 godz.) również skutkował bardzo dobrze zagęszczonymi materiałami, ale o bardziej gruboziarnistej mikrostrukturze.

Słowa kluczowe

EN

two stage sintering; Al2O3; sintering aids; MgO

PL

spiekanie dwuetapowe; Al2O3; dodatek do spiekania; MgO

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2020
• Tom: T. 72, nr 3
• Strony: 171--180
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Moskała Norbert

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

autor

Pyda Waldemar

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

Bibliografia

• [1] Chen, I. W., Wang, X. H.: Sintering dense nanocrystalline ceramics without final stage grain growth, Nature, 404, (2000), 168–171.
• [2] Polotai, A., Breece, K., Dickey, E., Randall, C., Ragulya, A.: A novel approach to sintering nanocrystalline barium titanate ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 88, (2005), 3008-3012.
• [3] Binner, J., Annapoorani, K., Paul, A., Santacruz, I., Vaidhyanathan, B.: Dense nanostructured zirconia by two stage conventional/hybrid microwave sintering, J. Eur. Ceram. Soc., 28, (2008), 973-977.
• [4] Mazaheri, M., Zahedi, A. M., Sadrnezhaad, S. K.: Two-step sintering of nanocrystalline ZnO compacts: effect of temperature on densification and grain growth, J. Am. Ceram. Soc., 91, (2008), 56-63.
• [5] Li D., Chen S.O., Shao W.Q., Wang D.C., Li Y.H., Long Y.Z., Liu Z.W., Ringer S.P.: Preparation of dense nanostructured titania ceramic using two step sintering, Mater. Technol., 25, (2010), 42-44.
• [6] Bodišová, K., Šajgalík, P., Galusek, D., Švančárek, P.: Two-stage sintering of alumina with submicrometer grain size, J. Am. Ceram. Soc., 90, (2007), 330-332.
• [7] Yang D. Y., Yoon D. Y., Kang S. J. L.: Suppression of abnormal grain growth in WC-Co via two-step liquid phase sintering, J. Am. Ceram. Soc., 94, (2011), 1019-1024.
• [8] Galusek, D., Ghillányová, K., Sedláček, J., Kozánková, J., Šajgalík, P.: The influence of additives on microstructure of sub-micron alumina ceramics prepared by two-stage sintering, J. Eur. Ceram. Soc., 32, (2012), 1965-1970.
• [9] Kanters, J., Eisele, U., Rödel, J.: Effect of initial grain size on sintering trajectories, Acta Mater., 48, (2000), 1239-1246.
• [10] Wakai, F., Nagano, T., Iga, T.: Hardening in creep of alumina by zirconium segregation at the grain boundary, J. Am. Ceram. Soc., 80, (1997), 2361-2366.
• [11] Cho J., Wang C. M., Chan H. M., Rickman, J. M., Harmer, M. P.: Role of segregating dopants on the improved creep resistance of aluminum oxide, Acta Mater., 47, (1999), 4197-4207.
• [12] Jo W., Kim D. Y., Hwang N. M.: Effect of interface structure on the microstructural evolution of ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 89, (2006), 2369-2380.
• [13] Bennison, S. J., Harmer, M. P.: Effect of MgO solute on the kinetics of grain growth in Al2O3, J. Am. Ceram. Soc., 66, (1983), C90-92.
• [14] Phase diagram for 2-propanol – water system at 1 atm. http://www.separationprocesses.com/Distillation/DT_Data/PD_054.htm. Access in September 2020.