Effect of Different Additives on the Sintering Behaviors of Zirconia Toughened Mullite

Abstract

Although multi-phase ceramic materials were always used for ages, today composite materials have an important industrial and technological role, because they enlarge the design capability of the manufacturer in properties and behaviors. The objective of the present work is to study the influence of the starting composition with different additives in the microstructure, density and mineralogical properties of mullite–zirconia composites. Zirconia toughening of mullite composites were prepared by adding 10 wt. % YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) and colemanite contents in the mullite and sintering at 1450-1600 0C for 5h. The phase composition of mixtures examined by X-ray diffraction analysis showed that mullite was the major phase combined with developed t-ZrO2 and m-ZrO2 phase as a function of different additive content. Density of composites increase when sintering temperature were increased ranging from 3.11 to 3.74 g.cm-3. The morphology of mullite grain was showed elongated grains with homogeneously distrubuted zirconia grains.

Keywords

• Zirconia/mullite composite
• Reaction Sintering
• YSZ (Yttria Stabilized Zirconia)
• Colemanite

Çeşitli Katkı İlavelerinin Zirkonya ile Toklaştırılmış Mullitin Sinterlenme Davranışlarına Etkisi

Abstract

Çok fazlı seramik malzemeler uzun zamandır kullanıldığı halde, günümüzde sahip olduğu üstün özellikleri ve davranışları bakımından üreticilerin tasarım yeteneğini geliştirmesinden dolayı kompozit malzemeler önemli endüstriyel ve teknolojik role sahiptir. Yapılan çalışmanın amacı farklı katkılar içeren başlangıç kompozisyonun mullit-zirkonya kompozitlerin mikroyapı, yoğunluk ve mineralojik özelliklerine etkisini incelemektir. Zirkonya ile toklaştırılmış mullit kompozitler ağırlıkça %10 oranında YSZ (Yitriya ile stabilize olmuş Zirkonya) ve kolemanit içerikli karışımların 1450-1600 0C sıcaklıkta 5 saat sinterlenmesiyle hazırlanmıştır. X-ray difraksiyon analizi ile sentezlenen kompozitlerin faz kompozisyonları mullitin ana faz; t-ZrO2 ve m-ZrO2 fazının ise farklı katkı içeriğinin bir fonksiyonu olarak geliştiğini göstermiştir. Kompozitlerin yığınsal yoğunluğu artan sinterleme sıcaklığına bağlı olarak 3.11-3.74 g/cm3 aralığında artmıştır. Mullit tanenin morfolojisi homojen olarak dağılmış zirkonya taneleriyle birlikte uzamış eş eksenli taneler olarak görülmüştür.

Keywords

• Zirkonya/mullit kompozit
• ZrO2 (Zirkonya)
• YSZ (Yitriya ile Kararlı Hale Getirilmiş Zirkonya)
• Kolemanit

References

1. [1] N.M., Rendtorff, G. Suarez, Y. Sakka and E.F. Aglietti, “Dense mullite zirconia composites obtained from the reaction sintering of milled stoichiometric alumina zircon mixtures by SPS,” Ceramic International, Vol. 40, pp. 4461-4470, April 2014. DOI:10.1016/j.ceramint.2013.08.119
2. [2] NM., Rendtorff, L., Garrido, E., Aglietti, “Mullite–zirconia–zircon composites: properties and thermal shock resistance,” Ceram. Int. Vol. 35. pp. 779–786, March 2009. DOI: 10.1016/j.ceramint.2008.02.015
3. [3] NM., Rendtorff, L.B., Garrido, E.F., Agiletti, “Zirconia toughening of mullite–zirconia–zircon composites obtained by direct sintering,” Ceram. Int. Vol. 36. pp. 781–788, March 2010. DOI:10.1016/j.ceramint.2009.11.010
4. [4] P.M., Suoto, R.R., Menezes, “Effect of Y2O3 additive on conventional and microwave sintering of mullite”, Ceram. Int. Vol. 37. pp. 241–247, January 2011. DOI: 10.1016/j.ceramint.2010.08.043
5. [5] S., Bhattacharjee, S.K., Singh, R.K., Galgali, “Preparation of zirconia toughened mullite by thermal plasma”, Mater. Lett. Vol. 43. pp. 77–80, March 2000. DOI: 10.1016/S0167-577X(99)00234-7
6. [6] S., Maitra, A., Rahaman, A., Sarkar, A., Tarafdar. 2006. “Zirconia-mullite materials prepared from semi-colloidal route derived precursors”, Ceram. Int. Vol. 32, pp. 201–206, December 2006. DOI: 10.1016/j.ceramint.2005.02.007
7. [7] S., Prusty, D.K., Mishra, B.K., Mohapatra, S.K., Singh, “Correlation between properties of zirconia mullite and Y2O3 stabilised zirconia mullite derived by various processing techniques”, Advances in Applied Ceramics. Vol. 110. pp. 360-366, November 2013. DOI: 10.1179/1743676111Y.0000000022
8. [8] H., Aydın, “Bor mineralleri katkılı mullit/zirkonya kompozit üretimi,” Doktora Tezi, Dumlupınar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Seramik Mühendisliği Anabilim Dalı, 112s, Şubat 2013.

9. [9] K., Hemra and P., Aungkavattana. “Effect of zirconia content on mechanical and thermal properties of mullite–zirconia composite,” Advances in Applied Ceramics. Vol. 113 (6). pp. 323-327, April 2014. DOI: 10.1179/1743676114Y.0000000164