BazTech - Yadda

1

Badania reologiczne mas ceramicznych służących do otrzymywania propantów

Zarzycka D., Wiśniewski P., Mizera J.

Mechanik

|

2016

|

R. 89, nr 5-6

514--515

PL

Celem badań było opracowanie mas lejnych z surowców głównie pochodzenia krajowego do otrzymania propantów ceramicznych metodą suszenia rozpyłowego. Sporządzono masy lejne z kaolinu, gliny, boksytu oraz mieszanki tych surowców z 5 i 10% wag. dodatkiem popiołu pochodzącego ze spalania węgla brunatnego. Przygotowane masy lejne poddawano badaniom reologicznym. Zastosowano cztery deflokulanty, które wprowadzono w ilości 0,25% wag. w stosunku do fazy stałej.

EN

The aim of the research was to develop mixtures from domestic raw materials which are used for ceramic proppants generation by the method of spray drying The subject of the study were slurries prepared with kaolin, clay, bauxite and mixtures of these materials with 5 and 10% wt. addition of ash from the combustion of brown coal. Prepared slurries were tested for their rheology. Deflocculants were four organic compounds in amount of 0.25% by weight relative to the solid phase.

2

Wpływ deflokulantów na właściwości mas lejnych do otrzymywania proppantów ceramicznych

Zarzycka D., Wiśniewski P., Szymańska J., Mizera J.

Materiały Ceramiczne

|

2016

|

T. 68, nr 1

56--60

PL

Celem niniejszej pracy było zbadanie właściwości mieszanek służących do otrzymywania materiałów mogących znaleźć zastosowanie jako proppanty w procesie hydraulicznego szczelinowania złoża przy wydobyciu gazu łupkowego. Zbadano masy lejne o jednakowej ilości fazy stałej - 50% wag. w mieszaninie wodnej - i o jednakowym składzie fazy stałej, zawierającej kaolin, gliny oraz boksyt. Przy sporządzaniu mas zastosowano 3 rodzaje różnych deflokulantów w ilości 0,25% wag. w stosunku do fazy stałej. W badaniach określono skład jakościowy surowców użytych do sporządzenia mas lejnych, wykorzystując metody XRD i XRF, oraz wyznaczono skład granulometryczny. Następnie wykonano pomiary lepkości dynamicznej mas przy użyciu reometru z układem cylindrów współosiowych, lepkości względnej metodą kubka wypływowego oraz gęstości mas i ich pH. W wyniku przeprowadzonych badań określono wpływ dodatku upłynniaczy na właściwości mas lejnych. Stwierdzono, że rodzaj zastosowanego deflokulantu ma istotny wpływ na własności otrzymywanych mas lejnych, które mogą być użyteczne w procesie formowania proppantów.

EN

The purpose of this study was to investigate the rheological properties of ceramic slurries assigned for the preparation of ceramic proppants used in the process of hydraulic fracturing in shale gas extraction deposits. The slurries contained 50 wt% of solid phase (kaolin, clay, bauxite or a mixture of them) in water. Three kinds of different deflocculants: ammonium poly(acrylate), isodecyl benzoate, sodium poly(acrylate) were used in an amount of 0.25 wt% in relation to the solid phase. The study identified by XRD and XRF the qualitative composition of the raw materials used to produce the slurries, and the size distribution was determined by using a particle size analyzer. Standard industrial parameters of slurries were examined, comprising dynamic viscosity, kinematic viscosity, density and pH. The studies indicated the effect of deflocculants on the properties of slurries. It has been found that the nature of the deflocculant has a significant impact on the properties of the obtained slurries which may be useful in the formation of ceramic proppants.

3

Badania nad otrzymaniem proppantów ceramicznych metodą suszenia rozpyłowego

Wiśniewski P., Małek M., Szymańska J., Zarzycka-Dziedzic D., Mizera J., Kurzydłowski K. J.

Materiały Ceramiczne

|

2015

|

T. 67, nr 4

448--453

PL

W artykule przedstawiono przykładowe wyniki prac dotyczących badań nad otrzymywaniem surowych proppantów ceramicznych, uzyskanych w suszarni rozpyłowej, oraz możliwego ich dalszego wytwarzania w skali przemysłowej. Proppanty ceramiczne są materiałem podsadzkowym stosowanym w procesie szczelinowania hydraulicznego w eksploatacji złóż gazu oraz ropy w skałach łupkowych. Szczelinowanie polega na kruszeniu skał wewnątrz wywierconego otworu, a następnie wprowadzeniu do jego wnętrza proppantów za pomocą płynu szczelinującego. Zadaniem proppantów jest zapobieganie ponownemu zamknięciu się powstałych szczelin i umożliwienie przepływu gazu niekonwencjonalnego. Przedmiotem prac były badania nad otrzymaniem lekkich proppantów ceramicznych w suszarni rozpyłowej z surowców mineralnych głównie pochodzenia krajowego. W tym celu opracowywano masy lejne z dodatkiem różnych środków upłynniających i badano ich właściwości reologiczne. Wybrane masy lejne posłużyły do uzyskania surowego materiału podsadzkowego w suszarni rozpyłowej. Kolejnym etapem była charakterystyka proppantów w stanie surowym pod względem gęstości, kulistości oraz mikrostruktury. Do oceny morfologii wykorzystano mikroskopię świetlną, elektronową mikroskopię skaningową (SEM) z analizą EDS w mikroobszarach oraz tomografię rentgenowską. Na podstawie przeprowadzonych prac można stwierdzić, że otrzymane proppanty charakteryzowały się korzystnymi właściwościami, dzięki czemu możliwe będzie zastosowanie ich w produkcji przemysłowej do eksploatacji złóż gazu łupkowego.

EN

The paper presents exemplary results of research related to green ceramic proppants obtained in a spray dryer, and opportunity of their production on industrial scale. Ceramic proppants are classified as propping agents used in the hydraulic fracturing process applied in the shale gas and shale oil exploitation. This technique is based on the shale rocks fracturing inside a borehole and further injection of a hydraulic fluid containing suspended proppants. The aim of this material is to prop open fractures and facilitate unconventional gas flow. The scope of the conducted studies was production of light ceramic proppants from Polish mineral raw materials by using spray drying. For this purpose, ceramic slurries have been prepared with the addition of deffloculants, and examined to determine their rheological properties. The selected slurries were used for production of green propping agents in the spray dryer. The investigation also included characterization of the proppants according to their density, sphericity and microstructure. Morphology estimation was carried out with the use of light microscopy, scanning electron microscopy (SEM) combined with EDS analysis at micro areas, and also Roentgen tomography. The studies have proved that the obtained materials demonstrate favourable properties enhancing their application in the industrial output for shale gas extraction.

4

Technological Properties of SiC-Based Ceramic Slurries for Manufacturing Investment Casting Shell Moulds

Małek M., Wiśniewski P., Matysiak H., Zagórska M., Kurzydłowski K.J.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2014

|

Vol. 59, iss. 3

1059--1062

EN

In this work technological properties of ceramic slurries based on silicon carbide were characterized. Silicon carbide and poly(vinyl alcohol) in an amount 6%, 10% and 15 wt. % as a solution were added to prepare the ceramic slurries. Solid phase content in ceramic slurries was 62,5 wt.%. Plate weight test, pH, density, viscosity (measured by the Zhan 4# cup) and dynamic viscosity were investigated. Dipping test on wax model was done to measure adhesive properties. Characterization of SiC fillers powder was made by determination of grain size, density, chemical composition, Zeta potential and by use of scanning electron microscopy. Obtained results of ceramic slurries based on SiC meet standard specification in industrial investment casting and its properties are very promising for future application in investment casting of superalloys.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości technologicznych mas ceramicznych na osnowie SiC mogących znaleźć zastosowanie do produkcji form odlewniczych do odlewania precyzyjnego części turbin lotniczych. Zawiesiny ceramiczne z SiC o stężeniu 62,5% otrzymano w mieszadle mechanicznym z dodatkiem 6, 10, 15% wag. alkoholu poli(winylowego) spełniającego rolę spoiwa oraz upłynniacza. Przeprowadzono szereg badań materiałoznawczych dla proszku, polimeru oraz wytworzonych mas lejnych, w tym lepkość względną i dynamiczną, pomiar gęstości, pH oraz zanurzeniowy test płyty. Pomiary prowadzono przez 96h. Udowodniono, iż właściwości technologiczne oraz reologiczne ceramicznych mas pozwalają na zastosowanie ich do produkcji form odlewniczych przeznaczonych do procesów odlewania precyzyjnego części turbin lotniczych.

5

The influence of sintering temperature on properties of Al2O3-Ni composites

Gizowska M., Miazga A., Konopka K., Szafran M.

Composites Theory and Practice

|

2012

|

R. 12, nr 1

33-38

EN

The main advantage of ceramic-metal composites is the increase in fracture toughness of the brittle ceramic matrix. The slip casting moulding method is widely used in the ceramic industry, which gives the possibility to obtain products of complicated shapes without green machining. Good quality and homogeneity of powder consolidation are crucial in the ceramic and ceramic matrix composite fabrication process as they influence the properties of the material. In the paper, the results concerning ceramic matrix ceramic-metal composite fabrication via the slip casting method are presented. Composites were formed from a slurry containing alumina and metallic nickel particles. For the studies nickel powder of average particle diameter below 1 μm was used (Aldrich; d = 8.9 g/cm3). Two types of alumina powder were applied. The materials formed from alumina powder of an average particle diameter of 0.4 μm ( α-Al2O3, A16SG, Almatis; d = 3.9 g/cm3) were sintered at a temperature of 1550 °C (above nickel melting point; TmNi = 1455 °C), whereas composites obtained from alumina powder of an average particle diameter of 0.2 μm ( α-Al2O3, TM-DAR, Tamei, Japan, d = 3.8 g/cm3) undergo densification already at 1300 °C (below nickel melting point). The mechanical properties of the composites are dependent on the processes occurring in the sintering process, during which coalescence may lead to the growth of nickel particles. Stereological analysis of the nickel particles in the alumina matrix (in composites sintered below and above nickel melting point) was performed. The description of nickel particle growth in accordance to the sintering temperature was correlated with mechanical properties of the composites.

PL

Zapotrzebowanie na tworzywa ceramiczne znacznie wzrosło w ostatnich latach ze względu na ich właściwości fizyczne i mechaniczne. Do tych właściwości zalicza się dużą twardość, sztywność, odporność na ścieranie oraz niską gęstość. Duża kruchość tych materiałów ogranicza obszar ich zastosowania. Jedną z metod zwiększenia odporności na pękanie jest wprowadzenie plastycznych cząstek metalu do osnowy ceramicznej, które powodują rozpraszanie energii rozprzestrzeniającego się pęknięcia. W pracy przedstawiono wyniki badań kompozytów Al2O3-Ni otrzymanych metodą odlewania z mas lejnych na bazie proszków metalicznego i ceramicznego. W badaniach jako proszek metaliczny wykorzystano proszek niklu o średnicy cząstek nieprzekraczającej 1 μm (Aldrich; d = 8,9 g/cm3). Natomiast fazą ceramiczną był tlenek glinu. W badaniach korzystano z dwóch rodzajów proszku tlenku glinu. Kompozyty otrzymane z proszku tlenku glinu o średniej średnicy cząstek 0,4 μm (proszek α-Al2O3, A16SG, Almatis; d = 3,9 g/cm3) zostały spieczone w temperaturze 1550 st.C (powyżej temperatury topnienia niklu; TtopNi = 1455°C). Natomiast kompozyty otrzymane z proszku tlenku glinu o średniej średnicy cząstek 0,2 μm ( α-Al2O3, TM-DAR, Tamei, Japan, d = 3,8 g/cm3) ulegają zagęszczeniu już w temperaturze 1300°C (poniżej temperatury topnienia niklu). Właściwości mechaniczne kompozytów zależą także od warunków procesów spiekania, podczas którego może dojść do znacznego rozrostu cząstek niklu w wyniku ich koalescencji. Obserwacja mikrostruktury oraz analiza cząstek niklu w kompozytach spiekanych powyżej i poniżej temperatury topnienia niklu pozwoliła na opis wpływu temperatury spiekania na rozrost cząstek niklu w osnowie ceramicznej.

6

Badania właściwości reologicznych ceramicznych mas lejnych do odlewania precyzyjnego części turbin lotniczych

Matysiak H., Wiśniewski P., Ferenc-Dominik J., Michalski J., Kurzydłowski K. J.

Szkło i Ceramika

|

2011

|

R. 62, nr 1

10-15

PL

W artykule przedstawiono wyniki prac dotyczących otrzymywania i badania właściwości reologicznych kompozytowych ceramicznych mas lejnych ZrO2-Al2O3-SiO2. Głównym składnikiem był proszek tlenku cyrkonu o oznaczeniu 325 Mesh i średniej wielkości cząstek 15 žm. Tlenki glinu i krzemu pełniły rolę nano-wypełniaczy, które wprowadzono do mas lejnych odpowiednio w postaci proszku (tlenek glinu) oraz w dyspersji polimerowej (tlenek krzemu). Masy lejne mieszano w mieszadle mechanicznym przez 24 h, a następnie mierzono ich lepkość w wiskozymetrze rotacyjnym. Na podstawie wyników badań stwierdzono, że najkorzystniejszymi właściwościami reologicznymi charakteryzują się masy o stężeniu 82% wag. fazy stałej zawierające 1-5% wag. nano Al2O3. Otrzymane masy lejne będą mogły znaleźć potencjalne zastosowanie w procesach odlewania precyzyjnego części turbin lotniczych.

EN

The paper presents rheological properties of ZrO2-Al2O3-SiO2 ceramic suspensions developed for applications in foundry. The main components of the suspensions were zirconia powders with an average particle size about 15 žm (325 MESH). Alumina and silica nanoparticles were added to the suspensions powders polymeric dispersions respectively. The suspensions were mixed with a mechanical stirrer for 24 h and their rheological properties were tested in rotary viscosimeter. The most advantageous properties were measured for the suspensions with 82 wt.% of the filler and 1-5 wt.% nano Al2O3. These suspensions have potential for applications in the precision casting process of airplane turbines.

7

Alumina matrix ceramic-nickel composites wet processing

Gizowska M., Konopka K., Szafran M.

Kompozyty

|

2011

|

R. 11, nr 1

61-65

EN

The main advantage of ceramic-metal composites is the increase of fracture toughness of the brittle ceramic matrix. The slip casting moulding method is widely used in the ceramic industry, which gives the possibility to obtain products of complicated shapes without green machining. Good quality and homogeneity of powder consolidation is crucial in the ceramic and ceramic matrix composite fabrication process as it influences the properties of the material. In the case of such complex systems as powder mixture dispersions in a liquid medium (slurry), it is indispensable to investigate the phenomena taking place at the solid-liquid interface which determines dispersion stability and governs the interaction characteristics between the particles of different types (ceramic and metallic). In the paper, the results concerning ceramic matrix ceramic-metal composite fabrication via the slip casting method are presented. The following materials were used: alumina powder (TM-DAR, Tamei Japan) of average particle size D50 = 0.21 µm, specific surface area of SBET = 14.5 m²/g and density of d = 3.8 g/cm³, and nickel powder (Sigma-Aldrich) of average particle size D50 = 2.17 µm, specific surface area of SBET = 2.1 m²/g and density d = 8.9 g/cm³. Ceramic and metallic powders show great differences in electrokinetic behavior, which can cause the heteroflocculation effect to take place in the suspension. In order to investigate the particles interaction character, the zeta potential of each powder and its mixture was measured. The zeta potential measurements were performed on diluted suspensions that contained deflocculants, as a function of pH. Additionally, the particle size distribution of the diluted slurries was conducted in order to investigate the agglomeration characteristics. Rheological measurements of the slurries were performed. Furthermore, the chosen physical and mechanical properties of sintered bodies were examined (i.e.: bending strength, hardness and fracture toughness).

PL

Zapotrzebowanie na tworzywa ceramiczne znacznie wzrosło w ciągu ostatnich lat ze względu na niepowtarzalne właściwości ceramiki, niemożliwe do osiągnięcia przy zastosowaniu innych materiałów. Do korzystnych cech ceramiki można zaliczyć dużą twardość, sztywność, odporność na ścieranie oraz niską gęstość. Jednak kruchość tych materiałów ogranicza obszar ich zastosowania. Jedną z metod zwiększenia odporności na kruche pękanie jest realizowane poprzez wprowadzenie plastycznych cząstek metalu do osnowy ceramicznej, na których energia rozprzestrzeniającego się pęknięcia ulega rozproszeniu. Do tej pory do formowania kompozytów ceramika-metal o osnowie ceramicznej wykorzystywano głównie metody oparte na formowaniu z mas sypkich, spośród których można wyróżnić: prasowanie, prasowanie na gorąco, prasowanie izostatyczne czy metodę wtrysku. Jednak wszystkie te metody mają pewne ograniczenia. Głównym ograniczeniem wymienionych wyżej metod formowania kompozytów są olbrzymie trudności z formowaniem wyrobów o skomplikowanym kształcie i o znacznych wymiarach. W artykule przedstawiono wyniki badań nad otrzymywaniem kompozytów o osnowie z tlenku glinu z rozproszonymi cząstkami niklu metodą bezciśnieniowego odlewania z mas lejnych w porowatych formach gipsowych na bazie proszków metalicznego i ceramicznego. Zastosowano tlenek glinu (proszek α-Al2O3, TM-DAR, Tamei, Japan) o średniej wielkości ziarna 0,2 µm i gęstości 3,8 g/cm³ oraz niklu (Aldrich) o średniej wielkości ziarna 2,13 µm i gęstości 8,9 g/cm³. Wyznaczono krzywe zależności potencjału zeta i rozkładu wielkości cząstek od pH zawiesiny dla poszczególnych proszków i ich mieszanin w wodzie oraz w wodzie z dodatkiem substancji upłynniających w masie lejnej. Proszki wykorzystane w badaniach charakteryzują się dużą różnicą ich właściwości elektrokinetycznych, przez co w ich mieszaninie może dochodzić do efektu heteroflokulacji (przyciągania się elektrostatycznego cząstek różnego rodzaju i o różnym ładunku). Prowadzić to powinno do równomiernego rozmieszczenia cząstek metalicznych w kompozycie ceramika-metal. W wyniku powstawania przeciwnych ładunków podwójnej warstwy elektrycznej poszczególnych proszków dochodzi do elektrostatycznego przyciągania cząstek ceramicznych i metalu (tzw. efekt heteroflokulacji). Dzięki temu zjawisku kompozyt charakteryzuje się równomierną dystrybucją cząstek metalu w osnowie ceramicznej. W niniejszej pracy przedstawiono opis zjawisk elektrokinetycznych występujących w układzie tlenek glinu i nikiel na podstawie pomiarów potencjału zeta sprzężonych z pomiarem rozkładu wielkości cząstek dla czystych proszków oraz ich mieszanin zarówno w wodzie, jak i w roztworze upłynniaczy stosowanych w masie lejnej. Ponadto przeprowadzono badania lepkości dynamicznej i naprężeń ścinających przy zmiennej szybkości ścinania mas lejnych o różnych zawartościach proszku niklu. Przedstawiono także wybrane właściwości fizyczne i mechaniczne spieczonych kompozytów.

8

Wpływ modyfikatorów na właściwości ceramiki sanitarnej

Osińska M, Lachowicz K.

Przemysł Chemiczny

|

2008

|

T. 87, nr 6

721-724

9

Kompozyty ceramika-metal otrzymywane z wykorzystaniem ceramicznych mas lejnych

Gizowska M., Szafran M., Bobryk E., Wasilewski Ł., Konopka K.

Kompozyty

|

2008

|

R. 8, nr 1

53-58

PL

Przedstawiono wyniki badań nad otrzymywaniem kompozytów ceramika-metal metodą odlewania mas lejnych na bazie proszków metalicznego i ceramicznego w formach gipsowych. Otrzymano kompozyty o osnowie z tlenku glinu z dwoma rodzajami fazy rozproszonej: z proszkiem żelaza oraz proszkiem niklu, dodawane w ilości 3% obj. w stosunku do fazy stałej. W roli rozpuszczalnika stosowano wodę destylowaną. W skład masy wchodziła także kompozycja upłynniaczy, nadająca masie lejnej odpowiednie właściwości reologiczne, związki powierzchniowo czynne oraz spoiwo. Środowisko masy lejnej i zjawiska zachodzące w obszarze podwójnej warstwy elektrycznej otaczające cząstki wpływają na mikrostrukturę kompozytów. Stosując proszek żelaza, można otrzymać kompozyty z gradientem stężenia cząstek żelaza poprzez dobór warunków (stężenie fazy stałej w masie lejnej, sił powodujących ruch cząstek żelaza). W przypadku proszku niklu w stosowanym środowisku występuje efekt heteroflokulacji (związany z przyciąganiem elektrostatycznym cząstek Al2O3 i Ni o przeciwnym wypadkowym ładunku warstwy podwójnej), sprzyjający równomiernej dystrybucji cząstek metalu w objętości próbki.

EN

In the study the results of researches considering the use of slip casting method in fabrication ceramic-metallic composites are presented. Slurry consisted of ceramic ([alpha]-Al2O3) and metallic powder suspended in water with addition of a liquidizers' composition (citric acid and diammonium citrate), surface-active agents and binders. Nickel (of average particle diameter 2.13 žm and density of 8.9 g/cm3) and iron (of average particle diameter 4 žm and density of 7.81 g/cm3) powders were used as a metallic phase. Both were added in amount of 3% by volume (in reference with total solid state amount). In the proposed environment (e.i. water as liquid medium, deflocculants) it is possible to control the distribution of iron particles in alumina matrix by means of solid state content in slurry, the forces causing the metal particles movement etc. Ceramic-metallic composites Al2O3-Fe with graded concentration of Fe particles were obtained by gravity sedimentation of heavier iron particles and by additional forcing the movement of iron particles in magnetic field. In the latter case higher concentration of solid state in the slurry could be used. The double layer surrounding the suspended iron and alumina particles has in both cases positive charge and there is so electrostatic attraction between them. The gradient of metallic particles concentration can be obtained when distance between the suspended particles in the slurry is bigger then the average metal particle diameter. Nickel particles in water show very low pH value of isoelectric point and in the produced slurry heterofloculation was observed. This effect can guarantee homogeneous distribution in Al2O3-Ni composites obtained via slip casting method.

10

Zastosowanie mas lejnych do otrzymywania kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu

Szafran M., Bobryk E., Gizowska M., Rosłoniec G., Konopka K.

Kompozyty

|

2007

|

R. 7, nr 3

126-129

PL

Przedstawiono badania nad zastosowaniem mas lejnych do otrzymywania kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu. Masy lejne przygotowano z mieszaniny proszku Al2O3 i Fe, gdzie żelazo stanowiło 3% objętości mieszaniny. Zastosowanym rozpuszczalnikiem była woda destylowana. Ponadto w skład masy wchodziły spoiwo i taki układ upłynniaczy, który nadaje masie lejnej odpowiednie właściwości reologiczne. Masy lejne odlewano do form gipsowych, otrzymując kształtki o średnicy ok. 10 mm i wysokości 20 mm. Gradient stężenia cząstek metalu realizowano na dwa sposoby. Pierwszy z nich polegał na swobodnej sedymentacji cięższych cząstek żelaza pod wpływem siły ciężkości. Takie zjawisko może zajść jedynie wtedy, kiedy średnia odległość między cząstkami proszku ceramicznego w masie lejnej jest większa od średnicy cząstek metalu. Należy przy tym pamiętać, że odległości te są tym mniejsze, im mniejsza jest średnica zdyspergowanego proszku oraz im większe jest stężenie fazy stałej w zawiesinie. Przy zastosowaniu tej metody gradient stężenia cząstek metalu na wysokości kształtki otrzymano, wychodząc z masy lejnej o stężeniu fazy stałej 39,5% obj. W przypadku wymuszenia ruchu cząstek żelaza w polu magnetycznym w kierunku silnego magnesu możliwe jest uzyskanie gradientu stężenia cząstek metalu, stosując wyjściową masę lejną o stężeniu fazy stałej równej 42,6-50% obj.

EN

The main advantage of ceramic-metal composites is an increase of the fracture toughness of the brittle ceramic matrix. Functionally graded materials (FGM) in the mentioned system provides possibility to obtain material which properties such as fracture toughness, thermal, electrical conductivity etc. change as a function of distance from the surface of material. In the paper the method of ceramic-metal composites with gradient concentration of metal particles is presented. Slip casting was chosen as a composite forming method. The gradient was obtained by means of iron particles sedimentation under gravitation force. In the samples produced from more concentrated slurries magnetic field had to be used in order to obtain a FGM. The slurry consisted of a mixture of iron and alumina powders, liquidizers, surface-active agents and binders and water as a solvent. The composites Al2O3-Fe were fabricated from the slip casting slurry containing 39.5, 42.6, 50% (by volume) solid state. Obtaining FGM by the sedimentation in the gravity force field is possible only when the distance between the dispersed particles/agglomerates is bigger then the diameter of metal particle. Otherwise magnetic field applying is indispensable. Using magnetic field leads to graded character of iron particles distribution in samples produced from more concentrated slurries. Moreover metal particles agglomerates are situated along the magnetic field lines. A fluctuation of iron particles surface in a sample produced from slurry with high solid state concentration of 50% by volume, which is desirable in ceramic technological processes, proving graded distribution of iron along the axis of the composite sample.

11

Wytwarzanie kompozytów gradientowych Al2O3-Fe metodą odlewania z mas lejnych

Konopka K., Szafran M., Bobryk E.

Kompozyty

|

2006

|

R. 6, nr 1

57-61

PL

Przedstawiono metodę wytwarzania kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu z wykorzystaniem metody odlewania z mas lejnych. Metoda ta polega na odpowiednim przygotowaniu ceramicznej masy lejnej składającej się z rozpuszczalnika, upłynniacza, spoiwa oraz proszku ceramicznego i proszku metalu. W pracy przedstawiono sposób dobierania mas lejnych, sposób wymuszenia gradientu pod wpływem siły ciężkości, a także pola magnetycznego (rys. 1). Wytworzono i zbadano kompozyty Al2O3-Fe z masy lejnej o stężeniu fazy stałej 40 i 50% i o zawartości Fe 5% obj. w stosunku do tlenku glinu. Sedymentacja cząstek metalu o gęstości znacznie wyższej od gęstości proszku ceramicznego pod wpływem siły ciężkości może zachodzić tylko wówczas, gdy odległości pomiędzy cząstkami proszku ceramicznego w ceramicznej masie lejnej są większe od średnicy cząstek metalu. W przypadku gdy rozmiar cząstek metalu jest porównywalny lub większy od odległości pomiędzy cząstkami proszku ceramicznego, rozmieszczenie cząstek żelaza w kompozycie jest równomierne (rys. 2). Gradient stężenia cząstek metalu może być wymuszony, gdy zastosuje się odlewanie w obecności magnesu umieszczonego pod formą gipsową. Pole magnetyczne powoduje ruch cząstek żelaza w kierunku magnesu (rys. 3). W kompozytach stwierdzono aglomeraty cząstek Fe (rys. 4).

EN

The principal advantage of ceramic-metal composites is an increase of the resistance to brittle fracture compared to that of the ceramic matrix. Functionally gradient composites is the special kind of composites because the variation of the percent content of the metallic phase in ceramic matrix allow to change the fracture toughness as a function of the distance from the surface of material. Moreover, it is possible to modify its electric, thermal and magnetic properties. In the paper the way of ceramic-metal composites with gradient concentration of metal particles is presented. As a method of composites fabrication the slip casting method was chosen. The process of metal particles sedimentation under gravitation force and magnetic field (Fig. 1) was used to achieve the gradient concentration of metal particles. In slip casting method the mixture of powders with addition of liquidizers, surface-active agents and binders is used. The proper selection of components in slip casting mass is crucial for obtaining the material, especially composites in which powders with different density are mixed. In the paper the way of preparing of slip casting mass is discussed. The AlaOj-Fe composites were fabricated from the slip casting mass containing 40 and 50 vol.% of solid phase (volume % of Fe equal to 5). The mkrostructure of composites were characterized by optical microscope and scanning electron microscope. Process of metal particles with higher density than the density of ceramic powder sedimentation under gravity force is possible when the distance between the ceramic powder particles are bigger than the size of metal particles. When the size of metal particles is equal or higher than the distance between the Al2O3 particles the distribution of Fe particle is uniform as it is shown in Figure 2. Magnetic force leads to gradient concentration of metal particles according to the schema presented in Figure 1, moreover the metal particles are situated along the line of magnetic field (Fig. 3). In the composites the Fe particles make agglomerates (Fig. 4).

12

Projektowanie kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu

Szafran M., Bobryk E., Konopka K.

Kompozyty

|

2005

|

R. 5, nr 3

10-15

PL

Przedstawiono metodę projektowania kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu z wykorzystaniem sedymentacji cząstek metalu w ceramicznej masie lejnej otrzymanej z proszku ceramicznego i proszku metalu o różnej gęstości. Metoda ta polega na odpowiednim przygotowaniu ceramicznej masy lejnej składającej się z rozpuszczalnika, upłynniacza, spoiwa oraz proszku ceramicznego i proszku metalu. Sedymentacja cząstek metalu o gęstości znacznie wyższej od gęstości proszku ceramicznego pod wpływem siły ciężkości może zachodzić tylko wówczas, gdy odległości pomiędzy cząstkami proszku ceramicznego w ceramicznej masie lejnej są większe od średnicy cząstek metalu (rys. 2). W pracy przedstawiono metodę oraz wyniki obliczeń odległości pomiędzy cząstkami proszku ceramicznego w zależności od stężenia fazy stałej oraz średniej wielkości cząstki proszku ceramicznego. Obliczenia te wykonano przy założeniu luźnego, regularnego ułożenia cząstek. Wyniki przedstawione w tabeli l i na rysunku 3 wskazują, że odległość pomiędzy cząstkami proszku ceramicznego maleje wraz ze zmniejszeniem średniej średnicy cząstek oraz ze wzrostem stężenia fazy stałej w ceramicznej masie lejnej. Wyniki tych obliczeń potwierdzono, przygotowując ceramiczną masę lejną z tlenku glinu oraz proszku żelazowego. Zastosowano tlenek glinu o średniej średnicy cząstek 0,5 um i o gęstości 3,926 g/cm3 oraz proszek żelaza o średnicy cząstek równej 4 um i gęstości 7,81 g/cm3. W przypadku mas lejnych o stężeniu tlenku glinu powyżej 40% obj. nie obserwowano gradientu stężenia cząstek żelaza na wysokości kształtki otrzymanej metodą odlewania w formie gipsowej. Gradient stężenia cząstek żelaza spowodowany sedymentacją obserwuje się wówczas, gdy rozmiar cząstek żelaza w masie lejnej jest mniejszy niż odległość pomiędzy cząstkami tlenku glinu w ceramicznej masie lejnej. Metodą tą można uzyskać kształtki z gradientem nie tylko stężenia cząstek metalu, ale także z gradientem wielkości tych cząstek na wysokości kształtki. Gradient stężenia cząstek metalu może być wymuszony, gdy zastosuje się odlewanie w obecności silnego magnesu umieszczonego bezpośrednio pod formą gipsową. Pole magnetyczne powoduje ruch cząstek żelaza w kierunku magnesu.

EN

In the paper the design of ceramic-metal composites with gradient concentration of metal particles is presented. As a method of composites fabrication the slip casting method was chosen. The process of metal particles sedimentation under gravitation force and magnetic field was used to achieve the gradient concentration of metal particles. In slip casting method the mixture of powders with addition of liquidizers, surface active agents and binders is prepared. Process of metal particles with higher density than the density of ceramic powder sedimentation under gravity force is possible when the distance between the ceramic powder particles are bigger than the size of metal particles (Fig. 2). In the paper the calculations of the distances between the particles are presented. Moreover, the correlation between the size of metal particles and the distance between ceramic particles is described. In calculations the assumption was made that there is regular distribution of free particles. Results showed that the distance between the particles decreases together with the decrease of average size of particles and with increase of concentration of solid phase in slip casting (Tab. 1, Fig. 3). Experimental results confirmed the calculations. The composites Al2O3-Fe were prepared. The Al2O3 powder with average diameter equal to 0.5 um and density equal to 3.926 g/cm3 was used. The average size of Fe powder was equal to 4 um, and its density was equal to 7.81 g/cm3. In case of slip casting with 40 volume % of alumina powder no gradient concentration in composites was noticed. Gradient concentration of iron particles is possible when the size of Fe particles in slip casting is lower than the distance between the Al2O3 particles. In such a situation when gradient concentration of metal particles can not be obtained by sedimentation method i.e. when the size of metal particles is equal or bigger than the distance between the particles, the magnetic force might be used. Magnetic force leads to gradient concentration of metal particles, moreover the metal particles are situated along the line of magnetic field.