Porosity-Controlled Mechanical Behavior in Perlite-Added Pumice Ceramics At 1150 °C

This study comparatively examines the effect of 50% perlite addition on phase assemblage, pore architecture, and mechanical behavior in pumice-based ceramic bodies sintered at 1150 °C, against the perlite-free reference P00. Fast-scan XRD (10–90° 2θ) indicates no new crystalline phases in either body and shows coincident peak positions. A semi-quantitative reading via window integration (RIR = 1) reveals phase distributions in both samples of ~55% mullite, ~43% alkali feldspar, and ~1–2% quartz. In contrast, SEM-based morphometry shows that perlite significantly alters the pore architecture: the area fraction of open porosity changes from 60.4 ± 22.3% (P00) to 74.7 ± 6.7% (P50); the median equivalent diameter from 1.46 ± 1.53 µm to 2.46 ± 0.50 µm; the p90 from 5.18 ± 4.03 µm to 20.98 ± 11.50 µm; and the void count from 177 to 49. Archimedes densities are similar (1150-P00: 2.3373 g cm⁻³; 1150-P50: 2.3215 g cm⁻³). Mechanically, the compressive strength in P50 decreases by ~78%, from 36.6 MPa to 8.0 MPa, while microhardness remains statistically equivalent—638 ± 19 HV (P00) vs. 648 ± 24 HV (P50). Additionally, for 1150-P00, SBET ≈ 22.5 m² g⁻¹ and Vp ≈ 0.020 cm³ g⁻¹ were measured. Taken together, the findings indicate that at 1150 °C the phase types are essentially preserved, and the dominant lever on performance is the pore-size distribution and connectivity: a reduced effective load-bearing area lowers compressive strength, whereas the local matrix—retaining its phase/chemical makeup—sustains largely unchanged microhardness.

Bu çalışmada, 1150 °C’de sinterlenen pomza esaslı seramiklerde perlit ilavesinin faz bileşimi, gözenek mimarisi ve mekanik davranış üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla iki farklı gövde hazırlanmıştır: perlitsiz referans numune (P00) ve %50 perlit katkılı kompozisyon (P50). X-ışını kırınımı (XRD) analizleri, her iki numunenin de mullit, alkali feldispat ve kuvars kristalin fazlarını koruduğunu ve yeni bir faz oluşumunun gerçekleşmediğini göstermiştir. Buna karşılık, mikroyapısal incelemeler gözenek morfolojisinde belirgin değişimler ortaya koymuştur. SEM tabanlı görüntü analizleri, perlit ilavesiyle açık gözeneklilik oranının yaklaşık %60’tan %75’e yükseldiğini, gözenek boyutu dağılımının kaba hale geldiğini ve boşluklar arasında kısmi bir bağlantılılık oluştuğunu göstermektedir. Yaklaşık olarak aynı yığın yoğunluklarına (~2,33 g cm⁻³) sahip olmalarına rağmen, bu mimari değişimler basma dayanımının 36,6 MPa’dan 8,0 MPa’a önemli ölçüde düşmesine neden olmuştur; buna karşın Vickers mikrosertlik değerleri yaklaşık 640 HV seviyesinde istatistiksel olarak değişmeden kalmıştır. Bu bulgular, 1150 °C’de kristalin iskelet yapısının ve yerel bağlanma kimyasının büyük ölçüde kararlı olduğunu, mekanik performansın ise esas olarak gözeneklerin geometrisi ve bağlantılılığı tarafından belirlendiğini ortaya koymaktadır. Dolayısıyla, gözenek ağı tasarımının optimize edilmesi, volkanik kökenli hafif seramiklerde dayanım–ağırlık dengesinin etkin biçimde kontrol edilmesi için uygulanabilir bir yaklaşım sunmaktadır.