Results of FTIR and TG analyses revealed the formation of cordierite and the effect of ceria addition. .... Thermo-mechanical analysis was conducted to measure ...
Jou rna lo fAd va n c edC e ram i c s 2015 ,4(1 ) :22–3 0 DO I :10 .1007 / s4 0145 -015 -0127 -3
ISSN2226 -4108 CN10 -1 154 /TQ
R e se a r chA r t i c le
S yn the s i s ,ch a r a c te r i z a t ionands in te r ingbeh a v io r in f luen c ing me ch an i c a l ,the rm a landph y s i c a lp rope r t ie so fpu reco rd ie r i teand co rd ie r i te– ce r i a b M a r ikk ann anSENTH ILKUMARa,*,Ayy a s amyELAYAPERUMAL , a T .R .V I JAYARAM a
S ch oo lo fM e cha n i ca lBu i l d in gan dS c i e n c e s, V ITU n i v e r s i t y,C h e nn a i -6 0012 7 ,T am i lN ad uS t a t e ,In d i a b D e p a r tm e n to fM e c ha n i c a lE ng i n e e r i ng,AnnaUn i v e r s i t y ,C h e nn a i -6 0002 5 ,T am i lN ad uS ta t e ,Ind ia R e c e iv ed :M ay26 ,2014 ;R e v i s ed :Augu s t27 ,2014 ;A c c ep t ed :S ep t em b e r10 ,2014 ©T h eAu t ho r ( s )2015 .Th i sa r t i c l ei spubl i s h e dw i t ho p e na c c e s sa tS p r i n g e r l i n k . c om
Ab s t r a c t:Th es tudyo fco rd i e r i t ec e r am i ci sth en e e do fth eho u rinp r e s en tt e chno log i c a lw o r l dfo r v a r io u sa dv a n c e de ng i n e e r ing a pp l i c a t i on s .C o rd i e r i t e , wh i ch h a sr e l a t i v e ly po o r m e ch an i c a l p rop e r t i e s ,h a sind u c e dt h eu s eo fv a r io u sdop an t stos t udyth eim p rov em en tin m e ch a n i c a lp r op e r t i e s . Th i r s to fs e ek ingn ew m a t e r i a l sw i t hgood m e ch ani c a lp rop e r t i e sh a sr ev i v edth er e s e a r cho nc e r i a dop edco r d i e r i t e .P r e s en tr e s e a r chco nd u c t edonp u r ec o rd i e r i t ean dc e r i ado p e dc o rd i e r i t ec e r am i c s h a si nv e s t i g a t edt h er e s u l t so fch a r a c t e r i z a t i onands t ud i edth e i rs u i t ab i l i ty . Pu r eco r d i e r i t ea nd om po s i t ec e r am i c ssy n th e s i z edfo rv a r io u ss t o i c h i om e t r i c com po s i t io n co r d i e r i t e– c e r i a(C eO 2) c (5–20w t% )w e r ecom p a c t eda t240 MP aa nds i n t e r e db e tw e en600℃ an d13 5 0℃ f o r3h . Th e ch a r a c t e r i z a t i ont e chn i qu e su s edi nt h i ss tudyw e r eX r ayd i f f r a c t ion(XRD ) ,th e rm og r a v im e t r i c(TG ) an a ly s i sandFou r i e rt r a n s fo rmin f r a r ed(FT IR ) .Th ed en s i ty w a sc a l c u l a t edu s i n gth eA r ch im ed e s p r in c ip l e .In f l u en c eo fth ec e r i aa dd i t i ono nco rd i e r i t e ’ sm e ch an i c a lp rop e r t i e ss u cha sh a rdn e s s , f l exu r a ls t r e n g than df r a c tu r etou gh n e s sa ndo nt h e rm a lp rop e r t i e sa sth e rm a lexp a n s ion w a ss t ud i ed . XRDr e su l t scon f i rm edth ep r e s e n c eo fco rd i e r i t ea ndc e r i aint h es am p l e sh e a tt r e a t e da t1350℃. R e su l t so fFT IRandTGan a ly s e sr ev e a l edth efo rm at iono fco rd i e r i t eandth ee f f e c to fc e r i aa dd i t i on . Th em e ch an i c a lp rop e r t i e ss tud i e dw e r efoundt ob ee n co u r ag in ga ndc on f i rm edth es u i t ab i l i t yo f co r d i e r i t e– c e r i aa sa na l t e r n a t em a t e r i a lfo rco rd i e r i t e . ;t em p e r a tu r e ;ph a s et r an s fo rm a t ion ;p rop e r t i e s K e ywo rd s:co rd i e r i t e ;c e r i a(C eO 2)
1 In t rodu c t ion S in c et h ed i s c ov e ryo fco r d i e r i t ebyF r en chg eo l og i s t Co rd i e r ,i th a sb e enas ub j e c to fr e s e a r c ht i l ltod ay .I ti s w id e lyu s edi na pp l i c a t i on sr ang in gf romco nv e n t io n a l to ad v a n c e d e ng i n e e r in g . C o rd i e r i t e ’ s p ro p e r t i e s
*Co r r e spond ingau tho r . E -m a i l :m sv305@ y ahoo . co . in ,s en th i l .km@v i t . a c . in
in c lud el ow d i e l e c t r i c con s t an t ,l ow c o e f f i c i en to f th e rm a lex p a n s io n ,h ig hr e s i s t a n c et ot h e rm a lsh o c k and good m e ch a n i c a lp rop e r t i e s [1 ] . Th e s e m ak e co rd i e r i t ec e r am i c anim po r t an tm a t e r i a lfo rs tudy . R an k i na nd M e rv i n[2 ]s t ud i edont h eph a s ed i ag r am and r e po r t ed th e c om po s i t io n o f co rd i e r i t e a s iO h es t o i ch iom e t r i ccom po s i t i ono f MgO–A l2O3–S 2.T · 5S iO 3 ] .Th eav a i l ab i l i ty co rd i e r i t ei s2MgO ·2A l 2O3 2[ o fco r d i e r i t ei ni t sn a tu r a lf o rmi sex t r em e lyr a r ea nd
www . sp r ing e r . com / jou rn a l /40145
JAd vC e r am20 15 ,4(1 ) :22–30
23
s e ldom o c cu r sincomm e r c i a l qu a n t i t i e s . Th e r e f o r e , co rd i e r i t ei sp rod u c e df romsy n th e t i co r ig i n . M a ny r e s e a r ch e r sh av er epo r t e dd i f f e r e n tt e chn iqu e so f co rd i e r i t ef ab r i c a t ionsu cha sco p r e c ip i t a t ion ,s o l– g e l ands o l i d s t a t esy n th e s i s[4– 8 ] . Co rd i e r i t ef a b r i c a t e d u s in gm ix tu r e so fc l ay(k a o l i n ) ,t a l ca n da lum in ao r s i l i c a ,a ndo t h e rr aw m a t e r i a l sa sc l ay– f e ld sp a r– t a l c show sb e t t e re l e c t r i c a la ndt h e rm a lp rop e r t i e s[9 ,10 ] . C o r d i e r i t ew h i c hh a sa m e l t i ng p o i n to f1 46 0℃ c an b esyn th e s i z ed on ly a t 1450℃. Th i sp r e s en t s n a r row s i n t e r ing r an g e [1 1 ] . Th ep o ly c ry s t a l l in e co rd i e r i t ec e r am i c o fs t o i c h i om e t r i c com po s i t i on ·5S iO i t hh i g hs t r e ng t ha n dd e n s i t y (2MgO ·2A l 2O3 2) w andlowco e f f i c i e n to ft h e rm a lex p a n s i on(CTE )i sv e ry d i f f i c u l tt oo b t a indu et oi t sn a r rows in t e r i ngr a ng ea nd im pu r i ty s en s i t iv en a tu r e[12 ] .T h i sshow st h a th e a t ing i sv e ryd i f f i c u l ta tt h i ss in t e r ingt em p e r a tu r ew i t hou t th es i n t e r in ga id[13 ] .C o rd i e r i t ec anb es y n th e s i z e da t t em p e r a tu r e sh igh e rt h a n1300℃ [14 ] .P r ep a r a t i ono f co rd i e r i t eo fh ig hd en s i tyandim p rov ed m e ch an i c a l andt h e rm a lp rop e r t i e sw a sa t t em p t edbyadd i t i ono f do p an t sl i k ez i r con i a ,c e r i a ,t i t a n iumox i d e ,e t c . ,u s i ng d i f f e r en t t e c hn i qu e s a nd w i th l ow s in t e r in g t em p e r a tu r e s . Mu l l i t e add i t i oni n t o co rd i e r i t e w i t h d i f f e r en t w e i gh tp e r c e n t a g e s (0 –3 0w t% )r epo r t ed b e t t e rd e n s i f i c a t i onb e h a v i o rand m e ch an i c a lp rop e r t i e s o fth ec om po s i t e[15 ] . Th eadd i t iono fz i r con i ai n toco r d i e r i t er epo r t eda n in c r e a s ein m e ch a n i c a lp rop e r t i e sw i thl owco e f f i c i e n t o ft h e rm a lex p an s io n .Th em e ch an i c a lp rop e r t i e sw e r e im p rov edbyt r an s fo rm a t ionto ug h e n in g .Th i sh a sb e e n d em on s t r a t edbyd i f f e r e n tf ab r i c a t i onrou t e s ,su cha s con v e n t i on a l ,p r e c i p i t a t io n ,d i sp e r s io nt ou gh e n i ngan d th eso l–g e lp ro c e s s , con t a i n ingt e t r agon a l( t )Z rO 2 p a r t i c l e s [1 6 –1 8 ] . D i sp e r s ionto ug h e n i ng o f ox id e c e r am i c sbyz i r con i aadd i t iona sas e co nd a ryph a s ei sa w e l le s t ab l i s h ed p ro c e s s .I th a sb e e n su c c e s s fu l l y em p loy ed t o im p rov et h e m e ch an i c a lp rop e r t i e s by s t r e s s ind u c ed t r a n s fo rm a t ion to ug h e n in g , m i c ro c r a ck i n ga ndc r a c kd e f l e c t ion[19 ] .Inp a r t i cu l a r , co rd i e r i t e sy s t em d i sp l ay ed enh a n c e d m e ch an i c a l p rop e r t i e sbyth ea dd i t i ono fz i r co n i a .I th a sshown m anypo t en t i a lap p l i c a t io n sa r i s ingf romi t se x c e l l e n t th e rm a landd i e l e c t r i cp rop e r t i e s[20 ] .T h ef in ez i r con i a d i sp e r s ioninc e r am i cm a t r ixa f f e c t sth es i n t e r a b i l i ty [2 1 ,2 2 ] . T iO2add i t ionin t o co r d i e r i t em a t r ixl ow e r edth e s in t e r in gt em p e r a t u r e(1 30 0℃) .I t exh ib i t ed b e t t e r m e ch an i c a lp r op e r t i e sandl owco e f f i c i en to ft h e rm a l
exp an s i on [23 ] . A r em a rk ab l e i n f lu en c e o n c ry s t a l l i z a t ionw a sob s e rv edw i thT iO d d i t io nf o rt h e 2a s in t e r in g p ro c e s sc a r r i e d ou t u s i ng ho t p r e s s in g t e c hn i qu e s .I tr epo r t e dh ig hs t r en g t h sfo rlowvo lum e f r a c t io n so ft h er e i n fo r c edph a s e( a ro un d1 0% )[24 ] . san u c l e a t i nga g e n tfo rm agn e s ium Th eu s eo fT iO2 a a lum inums i l i c a t e(MAS )g l a s sc e r am i c sh e a tt r e a t eda t 1 10 0℃ fo r2hr epo r t edt h em ax im ume l a s t i cm odu lu s a c com p an i e dbygood m e ch an i c a lp rop e r t i e s[25–27 ] . Co rd i e r i t e– c e r i af ab r i c a t edbyco l lo id a la nds o l –g e l m e thods how edg oo dr e su l t so fc h a r a c t e r i z a t io n ,w i t h h ig hs t r e ng t ha ndl owt h e rm a le xp a n s i on[ 28 ] .T h r o ug h 4+ inv e s t i g a t ion , co rd i e r i t ec e r am i c con t a in ing C e show ed t h eb eh a v i o ro fg l a s sc ry s t a l l i z a t i on i n iO – C e O s y s t e m . T h i s r e d u c e d t h e MgO–A l2O3–S 2 2 t em p e r a tu r eo fg l a s s so f t en in ga nd d e l ay ed th e c ry s t a l l i z a t iono fc o rd i e r i t e . Asm a l lam ou n to fc e r i a a dd i t i on d i s s o lv e dl i t t l ei n t oc o r d i e r i t ea nd d i dn o t r e a c tw i thco rd i e r i t e . Bu ti te x i s t eda sas e c ond a ry ph a s einth ec e r am i cw i thnor e du c t i onins i n t e r i ng t em p e r a tu r e[29 ] .R e du c t i o nins i n t e r i ngt em p e r a tu r e w a s ob s e rv e din co r d i e r i t ep ro c e s s ed by powd e r m e t a l lu r gyt e chn iqu e [30 ] . Th e co rd i e r i t ec e r am i c sy n th e s i z e db yco -p r e c i p i t a t io nt e ch n i qu einh ib i t e dt h e co rd i e r i t ec r y s t a l l i z a t i onandim p rov ed c o r d i e r i t e 4+ nh a n c e dth e c ry s t a l l i z a t ion . Th e3 . 2w t% o fC e e d en s i tya nd m e ch a n i c a ls t r e ng t h[3 1 ] .In v e s t ig a t io n so n f l u e n c eo fC eO2o nco rd i e r i t e ’ sp rop e r t i e ss how e d th ein nor em a rk ab l em od i f i c a t io n sint h em i c ro s t ru c t u r e[3 2 ] . Th er e s u l t ssugg e s t edt h a tc e r i aa dd i t ioni n toco r d i e r i t e p r e s en t e de x c e l l en tc h a r a c t e r i s t i c sa s af l ux fo r th es in t e r i ngo fc e r am i c s . Th i sr e du c e dth es i n t e r ing i th e nh an c e d p r op e r t i e s . A b o v e t em p e r a tu r e w l i t e r a tu r e ss howth a tt h e r eh a sb e e nnoex t en s i v es t udy ont h et h e rm o -m e ch an i c a lp rop e r t i e sfo rc e r i adop ed c e r am i c s . Th er e s e a r c h on d e v e lopm en to fn ew m a t e r i a l sw i t hgood m e ch an i c a lp rop e r t i e sr ek i nd l e s th er e s e a r ch on c e r i a do p ed co rd i e r i t e , du e to co rd i e r i t e ’ s app l i c a t i on si n au tom o t iv e ,a e ro sp a c e , fu rn i t u r ek i l nande l e c t r i c a lin su l a t o r s . W i t h a n o b j e c t i v e t o s t u dy t h e s i n t e r i ng ch a r a c t e r i s t i c s and im p rov em en ti n m e ch an i c a l p rop e r t i e s ,co rd i e r i t eh a sb e ent ak e na sa m a t e r i a lo f s tudybyt h ea dd i t i ono fc e r i a(do p a n t ) .S i n c ec e r i ai sa h igh lya c t iv esub s t an c e ,i ta c t sa sa ne f f e c t i v ef luxin s in t e r in go fc e r am i c s .Th i sr e s e a r ch w a sc a r r i edou tt o inv e s t i g a t e th e syn th e s i s and c h a r a c t e r i z a t ion o fc o r d i e r i t ea ndc o r d i e r i t ed op e dbyt h ea dd i t i ono f c e r i a (5 –2 0w t% ) u s in g con v e n t io n a lt e ch n i qu e . Ch a r a c t e r i z a t i on su ch a sX r ay d i f f r a c t ion(XRD ) ,
www . sp r ing e r . com / jou rn a l /40145
24
JAd vC e r am20 15 ,4(1 ) :22–30
th e rm og r av im e t r i c (TG ) and d i f f e r e n t i a lt h e rm a l an a ly s i s(DTA ) ,Fou r i e rt r an s fo rmin f r a r ed(FT IR )and s c an n in g e l e c t ron m i c ro s copy (SEM ) and t h e w e r e th e rm o -m e ch an i c a lp r op e r t i e so fco rd i e r i t e–C eO 2 inv e s t i g a t ed .
2 E xpe r imen t a l 2 .1 S amp lep rep a r a t ion Ino rd e rtosyn th e s i z eco r d i e r i t eandc o rd i e r i t e – c e r i a com po s i t e ,t h er aw m a t e r i a l su s ed w e r epu r ea lum in a (99%pu r i ty ,5 m ,A ld r i ch ) ,m agn e s i a(9 9 .95%p u r i ty , A ld r i ch ) ,s i l i c a(99 .74% pu r i ty ,
