FABRICATION OF MICROPOROUS SILICA CERAMICS WITH VARIED POLYMORPHIC FORMS AND INVESTIGATION OF THEIR THERMAL SHOCK BEHAVIOUR

Abstract

In this study; the SiO2 micro-porous ceramics in the phase α-quartz, α-cristobalite and β-cristobalite were produced and thermal shock resistance of products were compared. In the production of ceramic materials; α-quartz obtained from natural quartz powder, α-cristobalite from pure silica powder which prepared by Stöber technique and β-cristobalite from sol-gel approach. The β-composition was designed as 1 x x x / 2 2 Si Al Ca O - where x = 0.05 and obtained gel was calcined at 850°C. Before shaping, α-quartz powder and calcined β-cristobalite powder were grind in the planetary mill and the powder produced by Stöber technique was shaped directly without any milling process. The prepared powders were shaped by uniaxally press at 50 bars. The samples produced from α-quartz and β-cristobalite powders were sintered at 1150 °C and α-cristobalite obtained by Stöber technique was sintered at 1400 °C. In the defined polymorphic structure, micro-porous materials with pore size ~0.1-5 μm were produced and thermal shock tests were applied. Irrespective of β-cristobalite material,
the samples were cracked and the tests could only repeat on the samples with β-cristobalite material.
In the result, the β-cristobalite sample is believed to be great potential to use as a membrane filters for
harsh thermal environments.

Keywords

• -

Uygulamalı Bilimler ve Mühendislik

Abstract

Bu çalışmada, α-kuvars, α-kristobalit ve β-kristobalit fazlarında mikro-gözenekli silika seramikler üretilmiş ve her birinin ısıl şok testleri yapılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. Seramik malzemelerin üretimlerinde α-kuvars doğal kuvars tozundan, α-kristobalit Stöber yöntemiyle hazırlanan saf silika tozundan ve β-kristobalit sol-jel yöntemiyle hazırlanmış jel yapıdan üretilmişlerdir. β-kristobalit stokiometrik kompozisyonu Si Al Ca O ( x 0.05) olarak uygulanmış ve jel yapı 850 °C’ de 1 saat süre ile kalsine edilmiştir. α-kuvars tozu ve kalsine β-kristobalit tozu planetery değirmende öğütülmüş, Stöber yöntemiyle üretilen tozlar ise doğrudan şekillendirilmiştir. Tozlar tek eksenli pres ile 50 bar basınç altında silindirik olarak şekillendirilmiştir. α-kuvars ve β-kristobalitten üretilen numuneler 1150 °C, Stöber yöntemiyle hazırlanan α-kristobalit ise 1400 °C sıcaklıkta sinterlenmiştir. İstenen polimorfik yapıda mikro-gözenekli (gözenek boyutları ∼0.1-5 µm) malzemeler üretilmiş ve bu ürünlerin ısıl şok testleri yapılmıştır. Şok testi yalnızca β-kristobalit kompozisyonundaki malzemede tekrarlanabilmiş, diğer malzemeler deney sırasında çatlamıştır. Sonuçta, β-kristobalit kaynaklı malzemenin membran filtre olarak ısıl ortamlarda kullanılacak bir ürün olabileceği belirlenmiştir

Keywords

• α-kuvars, α-kristobalit, β-kristobalit, Sol-jel, Gözenekli malzeme, Isıl kararlılık

References

1. Agenor, D.N.J., Dachamir, H., Vicente, C.S. and Enrique, S.V. (2008). Analysis of the de- velopment of microscopic residual stresses on quartz particles in porcelain tile, Journal of the European Ceramic So- ciety 28, 2629–2637.
2. Anthony, J.P., Donald, K.G., Edward, S.M. and Neal, R.D. (1989). Chemically stabiliza- tion of β-cristobalite, J.Am.Ceram.Soc. 72(3), 441-447.
3. Bors, S.L., Winchester, S.C., Saltzberg, M.A. and Bergna, H.E. Process for making chemically stabilized β-cristobalite, Euro- pean 91117856.4. number:
4. Chao, C.H. and Lu, H.Y. (2002). β−cristobalite stabilization in (Na2O + Al2O3)−added sil- ica, Metallurgical and Materials Trans- actions A. 33 A, 2703−2711.
5. Koç, M. (2009). Kristobalit Membran Filtre Üretimi, Dumlupınar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi.
6. Maria, D.A., Concha, R. and Jose, M.C. (1996). A new “Incipient-Wetness” method for the synthesis of chemically stabilized β- cristobalite, 1681-1684. 79(6), Soc. 77(1) 49−56.
7. Uygulamalı Bilimler ve Mühendislik
8. Tong, Q., Wang, J., Li, Z. and Zhou, Y. (2008). Preparation and Properties of Si2N2O/β- cristobalite Composites, Journal of the European Ceramic Society 28(6), 1227- 1234.

9. Xiao-Dong, W., Zheng-Xiang, S., Tian, S., Xin- Bin, C., Ming-Fang, L., Ling-Yan, C. and Zhan-Shan, W. (2010). Preparation of spherical silica particles by Stöber process with high concentration of tetra-ethyl- orthosilicate, Journal of Colloid and In- terface Science 341, 23–29.
10. Zolotar, M.S. and Zavaglia, C.A.C. (1999). Study of the Sol-gel Processing of Glass- Ceramic Powders in the SiO2-Al2O3-CaO- CaF2 System. I. Effect of Powder Compo- sition on Gel Time and Temperature, Journal of Non-Crystalline Solids 247, 50-57.