Crystallization Behaviour of the Si-Al-Zr-O Amorphous Bulk

Transcription

1 Æ 22 À Æ 6 ² Vol. 22, No Journal of Inorganic Materials Nov., 2007 Õ Â: X(2007) Si-Al-Zr-O Ù ÇÀ ( Æ ) ½ DSC XRD SEM Ò TEM Æ ³Õ Si-Al-Zr-O(SAZ) Ê«Ï Ì SAZ 900 C ÁÒ Û Ç Si Ò Zr Al C ÄßÇ Û ¼ Al Ç Al-Si ÕÛ ÝÍ Â 1000 C Ø «Õ ÛÄß Ç Í ¹  Al-Si ÕÛĐÐ «ÕÇÆ Û Ø ÇÕ Õ «Õ ¾ Û Al-Si ÕÆ ¼ Ð Ë SAZ Û ± Ô ͱ Ò Â TQ171 ÕÛ A Crystallization Behaviour of the Si-Al-Zr-O Amorphous Bulk TAN Xiao-Ping, LIANG Shu-Quan, ZHANG Yong, TANG Yan, ZHONG Jie (School of Mterials Science and Engineering, Central South University, Changsha , China) Abstract: The in situ controlled crystallizing process of Si-Al-Zr-O(SAZ) amorphous bulk was investigated by DSC, XRD, SEM and TEM techniques. The amorphous undergoes structural changes by treating at. Phase segregation occurs at about 900 C, resulting in the formation of Si-rich and Al, Zr-rich regions. The t-zro 2 is crystallized from the Al, Zr-rich region at C followed by poorly defined Al-Si spinel. With the increase of temperature up to 1000 C, mullite forms by reaction between Al-Si spinel and amorphous silica. The main crystalline phases identified are t-zro 2, mullite and some cristobalite with the spinel disappearing above 1000 C. Key words: SAZ amorphous bulk; phase development; microstructure change 1 Ð Ù Ä Ð º Ý Ù¼ «ÈË ² ±» Û» ¹ à ± Ó «¾ Ë Ë Ã ÏÕÇ ½ ¹ Î Â Ã ± «Ò º ÈË Ä Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2, MgO-Al 2 O 3 -SiO 2, CaO-Al 2 O 3 - SiO 2, PbO-B 2 O 3 -ZnO ¾ ± [1]. Û SAZ е - Öà ± ÞĐ ÚÐ Æ Ç SAZ» Á Î Ã È ÅÎ ½Ä È λ «Í¹ Õ Ó¼ «Á Î ÈÅ½Ä C Î ÑÁ Â Ö SAZ »«½º Ö Î»É Ý [2 4]. Ê ³ DSC XRD SEM Ó TEM SAZ Đ Í Ü ² ÈÐ Æ «2 Æ , ß Æ ÈÎÞ Æ 863 ÞÆ (2003AA332040) «ÊÍÆ (1975 ), Å tanxiaoping hn@163.com Đ È SiO 2 -Al 2 O 3 -ZrO 2 ËÏÜ ÖÜ Ü µöü ½Ä»

2 À ± 1. Æ º Ü Đ Ù Æ Å Æ Ù Ý Æ È ² Ý Ä C Ñ Î 2 4h, ³ÃÎÁÀ»ßÆ Àû ³» 1 2h, Ä 1690 C Ñ Á 2h Ý ³Â»ß À ÝÒ¼»«µ Å ² ÆĐ È ¹ ÈÇ È º «Ý» Î Ñ Ý ² «409PC Đ Í Ó ½ SAZ ² Æ D/max2000 Å X Ù ½ (Cu Kα ) ² Æ Ü µ Ú Đµ Ó ÑÚ Í [5] : X m = V m = PX m 1 + (P 1)X m (1) I m( 111) I m(111) I m( 111) + I m(111) + I t(101) (2) Ð P = 1.340, I m Ó I t º m-zro 2 (Ú Đ µ) Ó t-zro 2 ( е) Ü ¼ «Sirion200 Í Ó Tecnai G220 ÕùΠΠ²Đ«Ð ² Ç» ÝÐÇ «NEXUS-470 Ú ±½ Æ Đ Í ²Đ«¹ 1 SAZ Ø Å¼ (wt%) Table 1 Compositions of SAZ glasses (wt%) No. SiO 2 Al 2O 3 ZrO 2 Other SAZ SAZ SAZ Î Ñ ¼«ÒÚÝ Đµ Ð «ZrO 2 Ü ¹ ²Đ«ÇĐ º ² È É Å Õ«È Þ «Î È«Ò ZrO 2 Ä Ã «3.2 SAZ Ý ½Ã Ý Ç DSC Ù Î Æ «2(a) Ç SAZ3 ² 900 C Î 2h ÝÛ Í Ë±Â» Ù² XRD Ò ÈÐ ÎĐ Ð Đ Ļ Đ«ÞÎ ÃĐ 920 C,» Đ ± 2(b), Ù Õ豄 ¹ Ä ÑÜ«XRD Ê Å ß «ÇÖ º Öºµ ²Đ ³ ² Ñ Å 3 Đ«²ÓÑ Ä µ ² Ç Û Ë±Ã Õ«Ò Î Ñ Å ÓÈÐ«Ä Đ X ÙÉ ¹ «Ñ Ä ( 3(b) µ Ç 1, 2) Æ ± ¹ ¹Ä Ë 1 È Si, Ä Ë 2 È Al Ó Zr,»± 4. Î º Ã Ñ Â» Å 2(c) Đ«3 Ì Ä SAZ1, SAZ2 Ó SAZ3 ² DSC Ù ( Î Þ Ç 10 C/min). Ë Ç C Ü ÓºÅ ÞÎ ºÇ Ó 1007 C; 1160 C  º Å Õ ½ ZrO 2 Ó º Î ««µ SAZ1 Î SAZ3 «Ö 50 C. ( Õ ³º) «Î» ÙÌ ÈÐÇ Ó «1 ± DSC Ø Fig. 1 DSC curves of the amorphous samples

3 6 ² Si-Al-Zr-O Ì Í Í Ü SAZ3 ± SEM Fig. 2 SEM micrographs of SAZ3 samples pretreated at (a) 900 C; (b) 920 C; (c) 1000 C C Ü SAZ3 ± TEM Fig. 3 TEM micrographs of SAZ3 sample heat treated at 920 C C Ü SAZ3 ± (a) Ê 1 Ò (b) Ê 2 EDS Fig. 4 EDS patterns of (a) area 1 and (b) area 2 for SAZ3 sample heat treated at 920 C ÖÒ Ü ZrO 2 Å Ò ÚÀÀ t-zro 2, Ô XRD Ñ EDS Ê ÅÒ Zr Al Ô t-zro 2. Ü 1000 C Û SAZ3 È Ó ³ ß ( 5) Ê ± ÑÙ XRD ¾ t-zro 2 ÑÁÒÅ Ô TEM Ê Ö ³Ñ ÊÄ Ã É Î Î ÖÎ ³ Ö ÎÈ µá Ìó É Ö ÎÖÈ É Ó ³ ß Å µ Ö Ù ( 5(a)), Å t-zro 2 [1 10] Åß Ê Û 5(b) Î Å t-zro 2, ³ ÎÑÖÎ ¹ Å ÔÑ 3.3 SAZ Ï ÏÆ ¾ Ü ¾Ö

4 À C Ü SAZ3 ± TEM Æ Fig. 5 TEM micrographs and corresponding diffraction pattern of SAZ3 sample heat treated at 1000 C (a) Bright field image and diffraction pattern for t-zro 2 along [1 10] zone axis; (b) Dark-field image and corresponding diffraction pattern ½ Ì ² Ô SAZ Ð Ð Ë Ú Ð SAZ1 SAZ2 Ñ SAZ3 Ú Ú 6, 7 Ñ 8 ¹ SAZ1, SAZ2 Ñ SAZ3 Ì XRD Ê Ö SAZ1 SAZ3 ¹ C Û È º ³ 950 C Û SAZ2 SAZ3 t-zro 2 ºÃÞ ÁÉ Al-Si Ô Ú ³ SAZ1 960 C Û µ Ï Ú ÖÐ 1000 C SAZ2 SAZ3 t-zro 2 Ô Ú º Å Ô Ñ ³ SAZ1 ß t-zro 2 Å Ô ÔÚ¾ 950 C Ì 2h Û 1100 C 1h Û SAZ1 SAZ2 Ñ SAZ3 Ö º Ð Al-Si ÔÚ t-zro 2 Å Ô ¾ Ô ÆÅ Ú SAZ Ë Ñ Ä Ú ÔÚ Â Å µ л ÆÅ Ô ÑÅ Campos A L Ñ Emilija Tkalcec Đ [6,7] C Ð Û Ö Ò m-zro 2 ºÆ Ì t-zro 2 ¾ ÀÖ Á Ô³ Ú Û»ÎÔ ÃÞ Å m-zro 2 [8]. Ð Ì Á Ð 1200 C ± ÔÚ ÌÐ 1250 C ³ ÚÆ m-zro 2 Ò Ó Ä 2. 9 Å SAZ1 Û 400 ¹ 2 ºÑÓ ÅĐ m-zro 2 ÐÉÁ Table 2 Volume fractions of m-zro 2 for the samples heat treated at Heat-treated V m/% temperature/ C SAZ3 SAZ2 SAZ1 6 SAZ1 Í Ð ± XRD Fig. 6 XRD patterns of SAZ1 samples heat treated at a: Amorphous; b: 940 C; c: 960 C; d: 1000 C; e: 950/1100 C; f: 950/1200 C

5 6 ² Si-Al-Zr-O Ì SAZ2 Í Ð ± XRD Fig. 7 XRD patterns of SAZ2 samples heat treated at a: 950 C; b: 1000 C; c: 950/1100 C; d: 950/1150 C; e: 950/1200 C; f: 950/1250 C 8 SAZ3 Í Ð ± XRD Fig. 8 XRD patterns of SAZ3 samples heat treated at a: Amorphous; b: 920 C; c: 950 C; d: 1000 C; e: 950/1100 C; f: 950/1150 C; g: 950/1200 C; h: 950/1250 C Ó 830cm 1 Ø Al O ² [9]. Ì ÁÐ 960 C, 610cm 1 Ö Zr O ² Ó Ô Ð³«Æ [10]. ų Ú 1000 C Ì Ñ 1100 C Ð Ø ( d e), cm 1 Ä ÉØ Å Ô É Å Ô «Æ [11,12]. ѵ XRD ÙÜ Ð Ì Á Ø «Ð Si-O-Si Ô ßÁ ¼ È Ó «Æ¾Ô ½ XRD Ñ IR SAZ Ë ³ Ú Ê Ù ÅÄ ÊÄ Ë SAZ amorphous state I SAZ amorphous state II+t-ZrO 2 SAZ amorphous state II spinel+amorphous SiO 2 Spinel+amorphous SiO 2 mullite+cristobalite 9 SAZ1 ± Í Ü Ù Fig. 9 IR spectra of SAZ1 samples heat treated at a: Amorphous; b: 940 C; c: 960 C; d: 1000 C; e: 950/1100 C 1500cm 1 IR Ê Æ 940 C Ì ³ Ø Å Ú 1090 Ñ 460cm 1 Ø Si O ² 4 Ì SAZ ½ Ì Û ³ Ì Ä 900 C À Ö ÚÖÐ «Æ Si Ñ Zr Al Ì Á ÚÈ Ó C ÃÞÆ Ú ¾ г» Al «Æ Al-Si ÔÚ ÜÌ ÁÐ 1000 C Å Ô ÚÃÞÆ Ì

6 À Á Al-Si ÔÚ ¾ г Å ÔÆÅ Ú ¾Ô Æ Å Ô ½ Ú Al-Si ÔÅ µ л µ РОԻ ÔÚ [1] Ͼ Å Å 2000, 36 (5): [2]» (TAN Xiao-Ping, et al). Ø (Journal of Inorganic Materials), 2006, 21 (4): [3] Liang Shuquan, Tan Xiaoping, Li Shaoqiang, et al. Nanoscience, 2006, 11 (1): [4]» ŠϾ 2005, 15 (9): [5] Toraya H, Yoshimura M, Somiya S. J. Am. Ceram. Sco., 1984, 67 (6): C-119 C-121. [6] Emilija Tkalcec, Stanislav Kurajica, Hrvoie Ivankovic. J. Europ. Ceram. Soc., 2005, 25 (5): [7] Campos A L, Silva N T, Melo F C L, et al. J. Non-Cryst Solids, 2002, 304 (1): [8] Mcpherson R. J. Am. Ceram. Soc., 1986, 69 (3): [9] Jin Xi-Hai, Gao Lian, Guo Jing-Kun. J. Europ. Ceram. Soc., 2002, 22 (8): [10] Popa M, JOSé M, Calderón M, et al. J. Non-Cryst. Solids, 2002, 297 (2-3): [11] Mackenzie K J D. J. Am. Ceram. Soc., 1972, 55 (2): [12] Dong X L, William J T. J. Am. Ceram. Soc., 1990, 73 (4):