KíSÉRLETI RÉSZ
6. A kémiai összetétel hatása a fizikai tulajdonságokra
Az AT bázisú kerámiai anyagok kedvező termofizikai tulajdonságaik mellett meglehetősen szerény szilárdsággal bírnak, ami az ipari felhasználást nagymértékben korlátozza.
Ahogyan azt az Irodalmi összefoglalóban bemutattam, a szilárdság különböző módszerekkel javítható, ez azonban – az AT kristály- és mikroszerkezeti felépülése miatt – elkerülhetetlenül a hőtágulási együttható növekedését eredményezi.
Cél tehát találni olyan szilárdságnövelési módszert, amely a mechanikai tulajdonságok javulásával egyidőben nem csökkenti (kedvező esetben növeli) az AT konverzióját, ill. a lehető legkisebb mértékben rontja a termofizikai sajátságokat (növeli meg a hőtágulási együtthatót).
Kísérleteim során komplexen vizsgáltam a különböző adalékok hatását az AT képződésére, az AT kerámiai anyagok szilárdságára és hőtágulására.
A K11. táblázatban foglaltam össze az 1500 °C-on, 4 órás hőntartás mellett készült, különböző összetételű minták hajlítószilárdság értékeit és hőtágulási együttható adatait.
K11. táblázat
A különböző összetételű AT kerámiák hajlítószilárdsági és lineáris hőtágulási együttható értékei
Minta jele Hajlítószilárdság MPa
A K11. táblázat adatainak felhasználásával készült K51. és K52. ábrákon a különböző adalékanyagok növekvő részarányának függvényében láthatók a minták mechanikai (hajlítószilárdság), ill. termofizikai (lineáris hőtágulási együttható) tulajdonságainak változásai.
K51. ábra
Az ATM és ATF minták hajlítószilárdságának változása a helyettesítő x érték függvényében
A K51. ábráról leolvasható, hogy a szilárdsági tulajdonságokat leginkább a MgO adalék javítja, azonban a hajlítószilárdság értékek csak az x = 0,1-0,2 értékig nőnek számottevően, ezután a változás már nem jelentős.
Hasonló tendencia figyelhető meg a Fe2O3 adalék alkalmazása során is, azzal a különbséggel, hogy az elérhető hajlítószilárdság értékek 10 – 15 %-kal kisebbek.
A szilárdságnövekedés a Mg2+- és Fe3+-ionok rácstorzulást csökkentő hatásának tulajdonítható. Beépülésük a képződő titanátok kristályrácsába csökkenti a hőtágulás anizotrópiáját, így a mikrorepedezettség mértékét, ami logikusan a szilárdság növekedését eredményezi.
A K52. ábrán a lineáris hőtágulási együttható változása látható az adalékanyagok mennyiségének függvényében.
Mindkét adalék alkalmazása egyértelműen a hőtágulási együttható növekedését eredményezi.
Meg kell azonban jegyezni, hogy az ATM sorozat esetén az x = 0,05 – 0,50 tartományban, míg az ATF sorozat esetén az x = 0,05 – 0,30 intervallumban a lineáris hőtágulási együttható abszolút értéke nem haladja meg a 2·10-6 1/K-t, ami továbbra is igen kedvező hőtechnikai tulajdonságot ígér.
K52. ábra
A lineáris hőtágulási együttható változása az adalékanyagok mennyiségének függvényében
Az eddigiek alapján elmondható, hogy az általam vizsgált tartományban az adalékanyagok alkalmazása kedvezően befolyásolta az AT bázisú kerámiák szilárdsági tulajdonságait, és nem rontotta lényegesen a hőtechnikai sajátságokat.
Ahogyan az a Kísérleti rész 2.1. fejezetében bemutattam az AT képződés konverziója MgO adalék esetén x = 0,10 , Fe2O3 adalék esetén x = 0,05 érték mellett a legnagyobb.
Ezek alapján megállapítható, hogy az AT kerámiák fizikai tulajdonságainak javítására, a képződés konverziófokát is figyelembe véve, az x = 0,10 helyettesítési érték a legmegfelelőbb.
ÖSZEFOGLALÁS
Az AT bázisú kerámiai anyagok kedvező termofizikai tulajdonságaiknak köszönhetően potenciális szerkezeti anyagoknak tekinthetők. Sajnálatos módon az ipari felhasználhatóságot több tényező is korlátozza. Ezen kedvezőtlen tulajdonságok azonban adalékanyagok alkalmazásával javíthatók.
Munkám során a MgO és a Fe2O3 adalékoknak az AT képződésére, tulajdonságaira gyakorolt hatását hasonlítottam össze.
Vizsgáltam az AT kialakulásának körülményeit atmoszférikus szinterelés és melegpréselés esetén; megállapítottam, hogy az AT képződése eltérő mechaniz- musok alapján történik. Meghatároztam a maximális AT konverzió szempontjából optimális adalékanyag-mennyiségeket.
Hevítőkamrás röntgendiffrakciós technikával bizonyítottam, hogy a 0 < x ≤ 0,10 tartományban mind a MgO, mind a Fe2O3 adalékok jelenlétében az AT kialakulása átmeneti fázison keresztül játszódik le.
MgO adalékolás esetén azonosítottam az átmeneti fázis (QM) összetételét, ami Mg0,3Al1,4Ti1,3O5-nek adódott és leírtam az adott rendszerre jellemző AT-képződés mechanizmusát.
A Fe2O3 adalékolás során kialakuló átmeneti fázis (QF) azonosítására elkészítettem a QF vegyület eddig hiányzó röntgendiffrakciós azonosító kártyáját.
Tanulmányoztam az AT, ill. az átmeneti fázisok kialakulására jellemző energetikai viszonyokat. Kiszámítottam az atmoszférikus szinterelésre és a melegpréselésre vonatkozó, ill. az átmeneti fázisok képződésére jellemző látszólagos aktiválási energiák értékeit.
Ezek az atmoszférikus szinterelésre 240 kJmol-1-, a melegpréselésre 570 kJmol-1-, ATM rendszer átmeneti fázisára 476 kJmol-1-, ATF rendszer esetén pedig 193 kJmol-1-nak adódtak.
Kísérleteim során röntgendiffrakciós fázisanalízissel és rácsparaméter vizsgálattal igazoltam, hogy mind a Mg2+-, mind a Fe3+- ion beépül a képződő titanátok kristályrácsába, így a MgO-Al2O3-TiO2 és Fe2O3-Al2O3-TiO2 rendszerekben korlátlan oldódású szilárd oldatok képződnek
A különböző mértékben adalékolt titanátok síkhálótávolság értékeinek változásai alapján diszkrét szilárd oldat összetételeket jelöltem ki a fenti rendszerekben.
A Fe2O3 adalékolás során nyert titanátok esetén röntgendiffrakciós azonosító kártyákat szerkesztettem az eddig nem azonosított vegyületek minőségi fáziselemzésének megvalósításához.
Az adalékolt titanát-bázisú kerámiák mechanikai- és hőtechnikai tulajdonságainak vizsgálata során megállapítottam, hogy az adalékok javítják a kerámiák szilárdsági
jellemzőit. A szilárdságnövekedés x=0,10-0,20 értékig számottevő. Ebben a tartományban a hőtágulási együttható abszolút értéke kisebb mint 2·10-6 K-1, amely érték a hőlökésállóság szempontjából kedvezően alacsony.
A gyakorlati felhasználhatóságot tekintve –figyelembe véve az AT maximális konverzióját is– megállapítható, hogy a mechanikai és hőtechnikai tulajdonságok szempontjából mindkét adalék esetén az x=0,10 helyettesítési érték tekinthető legkedvezőbbnek.
1. Megállapítottam, hogy az Al2O3-TiO2-MgO és Al2O3-TiO2-Fe2O3 rendszerekbe tartozó szilárd oldatok atmoszférikus szintereléssel és melegsajtolással is előállíthatók. A melegsajtolásos módszer alkalmazása tervezett tömörségű szövetszerkezet kialakításakor indokolt.
2. Az atmoszférikus szinterelés során az AT képződés konverziófoka Mg- és Fe-oxid tartalmú adalékokkal jelentősen növelhető, a legnagyobb mennyiségű AT 5 %(n/n) MgO, ill. 2,5 %(n/n) Fe2O3 adalékolás során keletkezik.
3. Atmoszférikus szinterelés, ill. melegsajtolás során az AT eltérő képződési mechanizmusok alapján alakul ki.
A lejátszódó folyamatok eltérő jellegét a reagálatlan Al2O3:TiO2 mólarányok különbözőségének, ill. a reakciókra jellemző látszólagos aktiválási energiák eltérő értékeinek (240 kJmol-1, ill. 570 kJmol-1) meghatározásával bizonyítottam.
4. Megállapítottam, hogy mind MgO-, mind Fe2O3 adalékanyagot tartalmazó rendszerben 5 %(n/n) helyettesítési határértékig az AT kialakulása nem egy lépésben, hanem átmeneti fázison keresztül játszódik le; ezen kristályos fázisok 1000-1400 °C között stabilak.
5. Meghatároztam a Mg-tartalmú átmeneti fázis összetételét, amelyre Mg0,3Al1,4Ti1,3O5
adódott.
A Fe2O3 adalékolás során kialakuló átmeneti fázis azonosítására röntgendiffrakciós azonosító kártyát állítottam össze.
6. Az azonosított átmeneti fázisok képződésére vonatkozóan meghatároztam a látszólagos aktiválási energia értékeket, amelyek MgO-os adalékolás esetén 476 kJmol-1-nak, Fe2O3-os adalékolás esetén 193 kJmol-1-nak adódtak.
7. Röntgendiffrakciós és rácsparaméter vizsgálatokkal megerősítettem, hogy mind a Mg2+-, mind a Fe3+-ion beépül az Al2TiO5 kristályrácsába, korlátlan oldódású szilárd oldatok képződnek.
8. A különböző mértékben adalékolt, Mg2+- és Fe3+-ion tartalmú titanátok síkháló távolság értékeinek változásai alapján diszkrét szilárd oldat összetételeket határoztam meg, lehetővé téve ezzel a nagyobb pontosságú minőségi fázisanalízist.
9. A Fe-tartalmú titanátok azonosítása során, a síkháló távolságok változásai alapján az Fe0,4Al1,6TiO5, FeAlTiO5 ill. Fe1,6Al0,4TiO5 összetételű vegyületekhez megszerkesztettem az eddig hiányzó röntgendiffrakciós azonosító kártyákat.
10. Az adalékolt titanát-bázisú kerámiák mechanikai- és hőtechnikai tulajdonságainak vizsgálata során megállapítottam, hogy -az általam alkalmazott körülmények között- az AT képződés maximális konverziójánál a mechanikai és hőtechnikai tulajdonságok a gyakorlati felhasználhatóság szempontjából kedvezően alakulnak.
[ 1 ] H. Wartenberg, H. J Reusch, Zeitung anorg. und allgem. Chem. 207, 10 (1932)
[ 8 ] M. Milosevski, G. Ondracek, R. Milosevska, et al, Proceeding of the World Ceramics Congress, Part C, 1875 (1995
[ 9 ] D. P. H. Hasselmann, K. Y. Donaldson, E. M. Anderson, J. Am. Ceram. Soc. 76, 9 2180 (1993)
[ 10 ] E. Gugel, P. Schuster, Tonindustrie Zeitung 98, 12 315 (1974) [ 11 ] Y. Ohaya, Z. Nagakava, J. Am. Ceram. Soc. 71, 5 C-232 (1988)
[ 12 ] Y. Ohaya, M. Hasegawa, K. Hamano, Report of the Research Laboratory of Engineering Materials 12, 81 (1987)
[ 13 ] W. Dworak, D. Fingerle, Br. Ceram. Trans. Journal 86, 6 170 (1987) [ 14 ] G. Schuseil, cfi/Ber.DKG 6/7, 242 (1987)
[ 15 ] H. A. J. Thomas, R. Stevens, Br. Ceram. Trans. Journal 88, 184 (1989) [ 16 ] I. Alecu, Int. Ceram Monograf.1, 2 868 (1994)
[ 17 ] J. J. Ceveland, R. C. Bradt, J. Am. Ceram. Soc. 61, 11-12 478 (1978)
[ 18 ] V. Buscaglia, F. Caracciolo, M. Leoni, Journal of Materials Science 32, 6525 (1997) [ 19 ] Y. Ohya, Z. Nakagawa, J. Am. Ceram. Soc. 70, 8 C-184 (1987)
[ 20 ] M. Zaharescu, M. Crisan, D. Crisan, et al, Journal of the Eur. Ceram. Soc. 18, 1257 (1998)
[ 21 ] H. Wohlfromm, J. S. Moya, P. Pena, Journal of Materials Science 25, 3753 (1990) [ 22 ] Y. X. Huang, A. M. R. Senos, J. L. Baptista, Key Engineering Materials Vols.
132-136, 41 (1997)
[ 23 ] V. Buscaglia, M. A. Delfrate, P. Nanni, Ceramics: Charting the Future 1867 (1995) [ 24 ] J. L. Runyan, S. J. Bennison, Journal of the Europian Ceram. Soc.7, 93 (1991) [ 25 ] N. P. Padture, S. J. Bennison, H. M. Chan, J. Am. Ceram. Soc. 76, 9 2312 (1993) [ 26 ] H. Morishima, Z. Kato, K. Uematsu, et al, J. Am. Ceram. Soc. 69, 10 C-226 (1986) [ 27 ] F. J. Parker, J. Am. Ceram. Soc. 73, 4 929 (1990)
[ 28 ] N. R. Thielke, USA Air Force, Air Research Development Command, WADC Techn.
Rep. 53, 165 34 (1953)
[ 29 ] G. Bayer, Jour. Less. Common. Met. 24, 2 129 (1971) [ 30 ] E. Gugel, P. Schuster, Tonindrustrie Ztg. 98, 315 (1974)
[ 31 ] M. Nagano, S. Nagashima, H. Maeda, et al, Ceramics International 25, 681 (1999) [ 32 ] F. J. Parker, R. W. Rice, J. Am. Ceram. Soc. 72, 12 2364 (1989)
[ 33 ] H. Okamura, E. A. Barringer, H. K. Bowen, J. Am. Ceram. Soc. 69, 2 C-22 (1986) [ 34 ] H. W. Hennicke, W Lingenberg, cfi/Ber.DKG 62, 9/10, 439 (1985)
[ 35 ] H. L. Lee, J. Y. Jeong, H. M. Lee, Journal of Materials Science 32, 5687 (1997) [ 36 ] M. Ishitsuka, T. Sato, T. Endo, et al, J. Am. Ceram. Soc. 70, 2 69 (1987)
[ 37 ] S.Djambazov, D. Lepkova, I. Ivanov, Journal of Materials Science 29, 2521 (1994)
[ 41 ] G. Aliprandi, G. Battilana, P. Nanni, et al, Ceramics Today-Tomorrow’s Ceramics 775 (1991)
[ 42 ] D. S. Perera, M. W. A. Stewart, S. Moricca, International Ceramic Mongraphs 1, 1 310 (1994)
[ 43 ] C. G. Shi, I. M. Low, Materials Letters 36, 118 (1998)
[ 44 ] D. S. Perera, D. J. Cassidy, Journal of Materials Science Letters 16, 699 (1997) [ 45 ] H. A. J. Thomas, R. Stevens, Br. Ceram. Trans. Journal 88, 229 (1989)
[ 46 ] S. Jambazov, D. Lepkova, Third Euro-Ceramics V.3, 1013 (1993)
[ 47 ] Y. X. Huang, A. M. R. Senos, J. L. Baptista, Fourth Euro-Ceramics Vol 1, 187 (1995) [ 48 ] D. M. Ibrahim, A. A. Mostafa, T. Khalil, Ceramics International 25, 697 (1999) [ 49 ] A. M: Segadaes, M. M. Morelli, R. G. A. Ruth, Key Engineering Materials Vols.
132-136, 209 (1997)
[ 50 ] B. Freudenberg, A. Mocellin, J. Am. Ceram. Soc. 70, 1 33 (1987) [ 51 ] H. W. Hennicke, W Lingenberg, cfi/Ber.DKG 63, 3 100 (1986)
[ 52 ] V. Buscaglia, G. Battilana, M. Leoni, et al, Journal of Materials Science 31, 5009 (1996)
[ 53 ] S. Lee, P. G. Wahlbeck, High Temperature Science 21 27 (1986) [ 54 ] B. Freudenberg, A. Mocellin, J. Am. Ceram. Soc. 71, 1 22 (1988)
[ 55 ] H. Wohlfromm, P. Pena, J. S. Moya et al, J. Am. Ceram. Soc. 75, 12 3473 (1992) [ 56 ] V. Buscaglia, P. Nanni, G. Battilana, et al, Journal of the Europian Ceram. Soc. 13,
411 (1994)
[ 57 ] V. Buscaglia, M. Alvazzi, M. Leoni, et al, , Journal of Materials Science 31, 1715 (1996)
[ 58 ] I. W. M. Brown, D. G. McGavin, Fourth Euro-Ceramics Vol 4, 487 (1995) [ 59 ] E. Kato, K. Daimon, J. Takahashi, J. Am. Ceram. Soc. 63, 5-6 355 (1980) [ 60 ] E. Kato, Y. Kobayashi, K. Daimon, Journal Ceram. Soc. Japan 87, 81 (1979) [ 61 ] V. Buscaglia, P. Nanni, M. Leoni, Key Engineering Materials Vols. 132-136, 810
(1997)
[ 62 ] V. Buscaglia, J. Am. Ceram. Soc. 81, 10 2645 (1998)
[ 63 ] W. S. Li, Y. G. Li, H. R. Li, et al, 5th Int. Symp. Ceram. Mater. Compon. Engines 759 (1994)