Effect of ZrO 2 on Crystallization and Phase Transformation in Lowtemperature Processed BaO-Al 2 O 3 -SiO 2 Glass-ceramics

Transcription

1 23 1 Á È Vol. 23, No Journal of Inorganic Materials Jan., 2008 Ë : X(2008) ZrO 2 ÐÝ ² BaO-Al 2 O 3 -SiO 2 Ð Å ÛÈ Öß ÝÒ ÛÓÞ ÐÙÕ ÚÔÐ Ü Ñ Ø ( ) Ê Å Ä È¼ º Ba BaO-Al 2O 3-SiO 2(BAS) Ä È (DSC) X µ (XRD) Àµ ZrO 2 ¹ BAS ¹ ±Îº ¹ ±Î º¾ ±Îº Æ» à BAS Ä ³ 850 C, ³ 900 C. ¹ ±Îº ¹ ¹ Æ ¹ Ñ ZrO 2 Æ Ba Ñ ZrO 2 Ù͹ ±Îº ȼ º BAS Ñ ZrO 2 à ÙÍ Æ Ba BAS Ñ ZrO 2 ² Õ Æ 850 C 100h ³Æ Æ ±Îº Ä Æ Î TG171 A Effect of ZrO 2 on Crystallization and Phase Transformation in Lowtemperature Processed BaO-Al 2 O 3 -SiO 2 Glass-ceramics LU Yu-Feng, DU Yong-Guo, XIAO Jia-Yu, ZHANG Wei-Jun, WU Jian-Feng, YANG Guang, WANG Yue-Ran (College of Aerospace and materials Engineering, National University of Defense Technology, Changsha , China) Abstract: BaO-Al 2 O 3 -SiO 2 (BAS) glass-ceramics with stoichiometric and off-stoichiometric celsian composition were fabricated, doped with B 2 O 3 for melting and sintering. Crystallization and phase transformation characters of two groups of BAS glass-ceramics with and without ZrO 2 were investigated by differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD) and dilatometry. Results show that for both BAS glasses, the sintering temperature is lower than 850 C and crystallization peak temperature is lower than 900 C. The crystallization characteristic of hexacelsian in each sample is bulk nucleation and three-dimensional growth because Avrami exponent is The crystallization characteristic of monocelsian in the sample doped with ZrO 2 is surface nucleation and one-dimensional growth because Avrami exponent is 0.95, while it is bulk nucleation and three-dimensional growth because Avrami exponent is about 3.0 in the sample without nucleation agent. It reveals that crystallization peak temperature and activation energy get lower in stoichiometric BAS glass-ceramics doped with ZrO 2, while the crystallization peak temperature get higher in off-stoichiometric BAS glass-ceramics doped with ZrO 2. Stoichiometric BAS glass-ceramics doped with ZrO 2 crystallized at 850 C for 12h is completely transformed into monocelsian. Monocelsian will not be detected in off-stoichiometric BAS doped with ZrO 2 crystallized at 850 C for 100h. Key words: glass-ceramics; celsian; low temperature sintering; crystallization; phase transformation ¹ ± , ¹ØÀ ± Û 863 ½ (2004AA32G090) Ì ¼ È (1974 ), Ë luyufeng1974@hotmail.com. ¾Â ± Û Ã nudtdyg@126.com

2 160 Á È 23 1 Æà Ӳϻ (BaAl 2 Si 2 O 8 ) à BaO-Al 2 O 3 - SiO 2 (BAS) Ê (> 1590 C) ± Ø Å Á Ö ÂÏ Ö Ï Å«Al 2 O 3 SiC Si 3 N 4 ÉĐ» ¼ ± Øñ Á Ê ÂÆ ²Ï» È ÂÏÁ ÅÈ (< 1200 C) [1 3]. ÛÕÅ BAS Šñ ÍÅÉ µ Þ µ [4 9]. ²Ï»Ã ²Ï» º²Ï» ¼ ²Ï» [3]. ²Ï» º²Ï» ÆÀ C C 1, º ²Ï» Æ» ¼ÆÓ Ø Æ ÆÕÝź²Ï» 300 C ÍÏ µ«¼ ²Ï» Ú Ç Å Ë 3% 4% ³ ÆÛÕÅ Ó ²Ï» Ã Æ BAS Æ Ï ÅÅĐ Ø ¼ BAS ź ²Ï» à BAS ÊÂÏ [5]. ÕÝÅBAS ÍÅÉ ÏÓ¾Å Ú Ñ Á Æ Ï¾ [3,7]. ÛÕÅ Û± BAS Ý ÆÅÎÀ Ba Đ BAS Á ÙÆ ÅÅ BAS  º²Ï»Å ¾ ²Ï» Í º ²Ï» [4,5,10]. ZrO 2 µê Ì º [11 14]. 90 ĐÅ Ô Å ZrO 2 Ø ± Ø [15 17]. Liu [18] ³ÅZrO 2 ²Ï» Ñ Ó Æ Debsikdar [19] ÅÅ ZrO 2 Ò º ²Ï»Ç Í Å º º ²Ï» ²Ï» Ç Å ÚÎ Å Ë ZrO 2 Đ ÅBAS Å Ø Å Æ Å Å µ ʾ» Ba Đ BAS Å ZrO 2 º BAS º²Ï» º²Ï» ²Ï» Ç Ð¼Æ 2 Ä 1»Å ÞÀ Ñ ±Å Å 1 ÚÕ Table 1 Compositions of the glasses investigated Sample Composition/wt% BaO Al 2O 3 SiO 2 ZrO 2 Co 2O 3 B 2O 3 S SZ OS OSZ ±± ÅÑ ÅÉ Ê Å Ù ¹ Æ 1550 C 2h Å ÞÍ Ç ÅÇÛ Æ É ÙÆ ÖÅ À ÙÆ±Ó 400r/min ÇÍÙÆ 2h. ÙÆ ß Ñ À Å 150µm ÃÈ ¹Î Æ Å Ê È STA449C Ö À ÐÇ Ã É À Ý Æ Í À C/min. Þ ÃÅ Æ Ë±Ë 30mm 5mm 5mm Óʵ Æ µ Å ÆÇ Ê È DIL 402 EP Ð ÎÀÅ Í 5 C/min. à 20mL Al 2 O 3 ÍÅ Ó 10 C/min Í «850 C ¾ Å Ó ÑÁ Æ < 5µm Ã Æ D8 Advance XRD Ð Ç X ÆÅ Cu K α Ë (λ=1.5406å), Ë 40kV, Õ 40mA, Å À ÅÅ ÀÍ 1 /min. Ó SZ à 850 C 12h ST à 850 C 100h Å ²Ï» º ²Ï» Å«²Ï»Đ ƺ ²Ï» M(020) º²Ï» H(001) Ø» Æ 3 «¼ 3.1 Ö ³ ÜÉ Ù 1 µ Í 5 C/min ¾ Ý Å Ý É Æ T sp Ò Æ T si «2 ÆÅ Þ ÅÅ Æ 830 C Ó ÅÛÕ ÚÓ ³ 850 C Ó ÅÅ º ± BAS Ó ÍÅÉ Ý Á Ùƺ»Ú¾Å OS (OS0 OSZ) Æ Å S (S0 SZ) ºÝ Æ Æ BaO Đ Ý ÅÓ Đ

3 1» Ç ZrO 2 ¹ Ä BaO-Al 2O 3-SiO 2 Æ» 161 Ø 1 ̳ 5 C/min ½  ³Üµ Fig. 1 Thermal expansion curves of glass powders at heating rate of 5 C/min 2 Ú½ÍÒº Table 2 Characteristic parameters of glass powders Sample T sp/ C T si/ C T p/ C S H r H /Å S SZ OS OSZ ÆÛÕÅ Ba Đ Đ Å Å Æ Æ ÅÀ º» S OS ÃÚ¾ÅÒ ZrO 2 ÅÛÕ SZ OSZ Ã Æ À S0 OS0 Æ Æ 3.2 Ö Đ Óµ ÜÉ Ù 2 ÃÈ Í 10 C/min ¾ DSC Ý Å Ã ÉÉ T p «2 Æ ÍÅ Ë ³ ÉÅÉ 900 C Ó Æ«S0»Å Ò ZrO 2 SZ Ba Đ OS0 BAS Ã É ÅÌ À Þ«35.4 C 83.2 C. Ç Ê¾Å Ozawa [20,21] ½Ô ݱ Æ Æ ¾ ÂÚ Ô Ï E, ½ Û ± Æ Ö¾ Đ ÉÆÛÕÅ Å Ã Ö Í ¾ É ÖÅ Ozawa ( (1)) lnβ º 1/T p ÙÅ Å Â Å «Å«Ù 3 Æ Å ¾ «Ã Ï E, Đ Augis ( (2)) ¾ «Avrami Æ n, «3 Æ ÅT o T e À DSC Ý É E/RT e E/RT o À Å T e T o ¾ «E/RT Í Æº»Ú¾Å OS à ÏÅ ºÝ S à ÏÅ OS0 û S0 Ã Ï 71kJ/mol; S OS à ÅÒ ZrO 2 Ñ Ã Ï Ä Å Å Ba Đ Ò ZrO 2 Ñ Ï Ú Î BAS Æ Ã Ê Æ , à ³º ÂÆ ÍÅ 20< 31.4 E/RT 43.3 <60, ÛÕÅÅ Ozawa ¾ «E n Ù [20]. ( ) AE lnβ = ln E (1) RG(x) RT p Å β «Í Å A Ô ÖÛÍÅ R Õ Ì Å x t ¾Ü Ý ÑÇ À ÆÅ G(x) ³À ʱ ÆÆ Ø 2 ̳ 10 C/min ½  DSC ܵ Fig. 2 Typical DSC curves of glass powders at heating rate of 10 C/min 3»ß 10 C/min Ú Þ Á½Í Table 3 Crystallization characters of glass powders at heating rate of 10 C/min Sample T p/k T o/k T e/k T/K E/(kJ mo 1 ) n E/RT e E/RT o S SZ OS OSZ

4 162 Á È 23 Ø 3  ln(β) Tp 1 Ó Fig. 3 Plot of ln(β) versus Tp 1 of glass powders n = 2.5 T RT P 2 E T DSC Û ĐÆ Ïß«(2) 4 Á 850 C «Ô ¼ Æ XRD «ÁÇÆ XRD Æ ÆÜ Â Æ ß 1550 C, 2h Æ Ð ÃÆ Á«OS Á 10min Ã Æ XRD ± Æ Ð Í¹» BaSiO 3, Ê Â OS Á DSC Û Æ ĐÆ Í¹» BaSiO 3 Æ Æ «Ò 5 C/min Æ Ë ² «1000 C ½ ÆÆ SZ Á XRD ½Ð Ð Æ Í¹ Å 5 «Â S Á DSC Û Æ ĐÆ Í¹Æ Æ«Á 10min à XRD Í ¹ ÆÆ ² S H, Đ ÆÆ Ïß»Ï Í¹Æ Ý r H, Å 2 «¹ S OS Æ 2 ± Ð ZrO 2 ÁÆ 10min Ã Í ¹ÆÐ ÀÏ À «Â S OS Æ BAS Ð ZrO 2, Ò Ð ØÌ Æ Đ ØÌ Í¹Æ «ÔÜ À S Æ OS Æ Í¹ ÝÀ «BaO Ü Ò Đ«Ï Ba Ð Æ Ã Ö½ØÌ Í¹ÆÝË Ô¼ Ø 4  850 C Õ½ XRD Ø Fig. 4 XRD patterns of glass powders sintered with different soaking time at 850 C (a) Sample S0; (b) Sample SZ; (c) Sample OS0; (d) Sample OSZ

5 1» Ç ZrO 2 ¹ Ä BaO-Al 2O 3-SiO 2 Æ» 163 Ø 5 SZ  5 C/min Å 1000 C ¾ XRD Ø Fig. 5 XRD pattern of SZ glass powder heated to 1000 C(5 C/min) and cooled down to room temperature in stove Æ» BaSiO 3 ͹ÆÍß Ô Đ«3.3 Ô Ï ÙÇ ĐÎ Æ»Ï Á 850 C «Ô¼ Æ Ã Í¹ ( ͹ ͹) Æ Ð x, Ð Å JMA ( (3))»Ï S0 SZ OS0 Á Æ Avrami Å 2.97, Å JMA Æ Á Å 6 «ln( ln(1 x))=nln(k)+nln(t) (3) x t ¼Û Í¹Æ Ð k ÜË ËÅ«Æ S0 Á 850 C «24h Æ Æ Í¹ÆÜ «100h Æ 84% Æ Í¹Å ¾ ͹ Å¾Æ Avrami Å 2.97, ± «Ð ZrO 2 Æ SZ Á 850 C «10min, Æ Í¹Ü «12h, ͹ßÀž ͹ Å¾Æ Avrami Å 0.95, ± ÙÎ Ð Æ ZrO 2 Ï«¼ Æ «É Æ ZrO 2 ½ ÝË ½ «ÌÆÜ «850 C ĐÐ ß É Æ ZrO 2 Å Æ ZrO 2, ͹ Ð Æ Ü Ò Đ Ö½Â ØÌ Í¹ ͹Æž«Ï Ba Ð Æ OS0 Á 850 C «24h Æ Æ Í¹ÆÜ «100h Æ 91% Æ Í¹Å¾ ͹«Ï Ba Р͹ ͹žÆØÌ Ü Â «Ð ZrO 2 Æ OSZ Á 850 C «100h Æ Ã Æ Í¹ÆÜ «Â Ï Ba Ð Æ Ð ZrO 2 ͹ ͹Æž ±  ÆÔ Đ«BaO Ü Ï Ba Ð BAS Æ ² BAS Æ ² Ø Ì Í¹Æ Ã Æ «Ç» ¹ ZrO 2 Æ ĐÙ½ Î Â ØÌ Í¹ Í¹Æ Å¾«Ã Æ É ZrO 2 Å ZrO 2, ͹ Ç Æ Í¹ ͹ ÆÎ «ÔÜ Corral [22] Ï ± ͹ÎÐ 4%SiO 2, ½ ͹ ÎÐ 2%SiO 2. ² ½ Æž ¼ ÄÖ»ÅÆ SiO 2.» BaSiO 3 Æ É ZrO 2 ÆÜ Ï Æ ² µ SiO 2 ÆÐ Ò Đ Ô Í¹ Í¹Æ Å¾«ÚÔ Ð Ï Ba Ð Î Æ ² ØÌ Í¹» BaSiO 3 ØÌ (» BaSiO 3 É ZrO 2 ) žÆߺ Ï Ba Р͹ ͹Æž  ÆØÌ Đ Ð ZrO 2 Ʊ ± Ô Đ«SZ Á 850 C «12h, OSZ Á 850 C «100h Æ Ã C ÌÆ Ð Đ ² Å C 1, Đ ² ÅÆ ² ÒÚÏ ² Å BAS ÌÄÈ ÆÜĐ À Ö Ø«Ø 6  850 C Õ½ ln( ln(1 x) ln(t) Fig. 6 Plot of ln( ln(1 x)) versus ln(t) of glass powders keeping for different times at 850 C

6 164 Á È » Æ BAS Æ Ã«² 850 C, «² 900 C, ± BAS ³ß Æ ««Í¹Æ «Í¹ Í¹Æ Å¾ Ð ZrO 2 ž «Ï Ba Ð Ð ZrO 2 Ø Ì Í¹Æ «Ç» ¹Æ BAS Ð ZrO 2  ØÌ Å¾ 850 C «12h ±Þßž«Ï Ba Ð Æ BAS Ð ZrO 2 ± Ô Å¾ 850 C «100h ²Å¾ Ð BAS ÌÄÈ Î Ò ÆÜĐ À ÖØ«Ñ [1] Cannillo V, Carlier E, Manfredini T, et al. Composites: Part A, 2006, 37 (1): [2] Ferone C, Esposito S, Dell Agli G, et al. Solid State Sci., 2005, 7 (11): [3] Bansal N P, Gamble E A. J. Power Sources, 2005, 147 (1 2): [4] Ye F, Gu J C, Zhou Y, et al. J. Eur. Ceram. Soc., 2003, 23 (13): [5] Ye F, Liu L M, Zhang J X, et al. Comp. Sci. Tech., 2005, 65 (14): [6] Lee K N, Fox D S, Eldridge J I, et al. J. Am. Ceram. Soc., 2003, 86 (8): [7] Sohn U B, Choi S Y, Kim G. H, et al. J. Am. Ceram. Soc., 2004, 87 (2): [8] Lin H L, Chiang R K, Li W T. J. Non-Cryst. Solids, 2005, 351 (37 39): [9] Koetje E L, Simpson F H, Schorsch J F. Broadband high temperature radome apparatus, US Patent, [10] Ä Â (YANG Jue-Ming, et al). Â É (Journal of Inorganic Materials), 2003, 18 (6): [11] ÉÄ Þ É [12] Á ÓÄ Â Ê (HU An-Min, et al). Â É (Journal of Inorganic Materials), 2005, 20 (2): [13] É (CHI Yun-Shan, et al). Â É (Journal of Inorganic Materials), 2002, 17 (1): [14] Lin C C, Shen P, Chang H M, et al. J. Eur. Ceram. Soc., 2006, 26 (16): [15] Verne E, Defilippi R, Carl G, et al. J. Eur. Ceram. Soc., 2003, 23 (5): [16] Ú Ð Á (GUO Jing-Kun, et al). Â É (Journal of Inorganic Materials), 1986, 1 (1): [17] ÕÝ ³ ÓÄ (CHEN Kang-Guo, et al). ØÎÎÉ (Journal of the Chinese Ceramic Society), 1998, 26(3): [18] Liu C L, Komarneni S, Roy R. J. Am. Ceram. Soc., 1995, 78 (9): [19] Debsikdar J C, Sowemimo O S. J. Mater. Sci., 1992, 27(19): [20] Ï Ô É ØÉ [21] Shao H, Liang K M, Peng F. Ceram. Int., 2004, 30 (6): [22] Corral J S M, Verduch A G. Trans. J. Br. Ceram. Soc., 1978, 77(2):