Search papers

Article details

  • Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials
  • Vol: 63, Issue: 1, 2011
  • pp: 22-26

download: article (PL)

Physical and Chemical Processes During Firing of ZrSiO4-Al2O3 Powders

Abstract (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 fi re 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 fi ring 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 μm) and Al2O3 (of grain size distribution D90 below 10 μm). The obtained results have been used as a basis for the description of dominant mechanisms responsible for formation of the mullitezirconia material microstructure. It has been found that the decomposition of ZrSiO4 into oxide components takes place at the first stage of fi ring 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.

Keywords (EN): Mullite, Zirconia, Microstructure – final, Zircon decomposition

Procesy fizyczne i chemiczne zachodzące podczas wypalania proszków ZrSiO4-Al2O3

Bradecki A., Jonas S.

Abstract (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 μm i proszków Al2O3 o rozmiarze ziarna D90 poniżej 10 μm. Otrzymane wyniki wykorzystano jako podstawę opisu dominujących mechanizmów powstawania mikrostruktury materiału mullitowocyrkoniowego. 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.

Keywords (PL): mullit, ZrO2, mikrostruktura finalna, rozkład cyrkonu

return…