Glass-Ceramic Binder of Cordierite Composition for Low-Temperature Sintering of High-Strength Ceramic Materials Based on Oxygen-Free Silicon Compounds
Loading...
Date
2024
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Ukrainian State University of Chemical Technology, Dnipro
Abstract
ENG: The mechanical properties of composite ceramic materials obtained based on oxygenfree silicon compounds are largely determined by the properties of the glass binder. This paper presents the results of studies aimed at determining the most fusible glass in the pseudo-binary system 2MgO⋅2Al2O3⋅5SiO2–2MnO⋅2Al2O3⋅5SiO2 with a high tendency to crystallize as a glass-ceramic binder for low-temperature sintering of high-strength ceramic materials based on oxygen-free silicon compounds. The crystallization tendency of the experimental melts decreases with an increase in in the content of manganese cordierite, as confirmed by X-ray and infrared spectroscopic studies. Based on experimental studies, a melting diagram was constructed, which was used to determine the ratio between magnesium cordierite and manganese cordierite (50:50 wt.%), ensuring a minimum melt temperature of 1275 oC. The melting point of the glass of the specified composition is 1450 oC. The synthesized glass is characterized by a softening point of 800 oC and crystallizes intensively at 1030 oC. The thermal coefficient of linear expansion of the crystallized glass samples is 20.8⋅10–7 oC –1. X-ray diffraction and electron microscopic studies have shown that the developed glass is almost completely crystallized during heat treatment for 2 hours, forming a cordierite solid solution 2(Mg,Mn)O⋅2Al2O3⋅5SiO2. The size of the cordierite phase crystals ranges from 0.5 to 3.0 µm. Due to its fusibility and high crystallization tendency, the developed glass, can be proposed as a promising glassceramic binder for the production of high-strength ceramic materials (wear and impact resistant) based on SiC and Si3N4 with reduced sintering temperatures.
UKR: Механічні властивості композиційних керамічних матеріалів, що одержані на основі безкисневих сполук кремнію, значною мірою визначаються властивостями склозв'язки. У роботі наведено результати досліджень щодо визначення найбільш легкоплавкого скла в псевдобінарній системі 2MgO⋅2Al2O3⋅5SiO2-2MnO⋅2Al2O3⋅5SiO2 з високою схильністю до кристалізації як склокристалічної зв’язки для низькотемпературного спікання високоміцних керамічних матеріалів на основі безкисневих сполук кремнію. Схильність дослідних розплавів до кристалізації зменшується при зростанні вмісту марганцевого кордієриту, що підтверджується даними рентгенофазових і ІЧ-спектроскопічних досліджень. На базі експериментальних досліджень побудовано діаграму плавкості, за допомогою якої визначено співвідношення між магнієвим кордієритом і марганцевим кордієритом (50:50 мас. %), що забезпечує мінімальну температуру утворення розплаву 1275 oC. Температура варіння скла визначеного складу становить 1450 oC. Синтезоване скло характеризується температурою розм'якшення 800 oC та інтенсивно кристалізується при 1030 oC. Температурний коефіцієнт лінійного розширення закристалізованих зразків скла становить 20,8⋅10-7 oC-1. Рентгенофазові та електронно-мікроскопічні дослідження показали, що розроблене скло практично повністю кристалізується при термічній обробці протягом 2 годин з утворенням кордієритового твердого розчину 2(Mg,Mn)O⋅2Al2O3⋅5SiO2. Розмір кристалів кордієритової фази коливається в межах 0,5–3,0 мкм. Розроблене скло, завдяки легкоплавкості та високій схильності до кристалізації, може бути запропоновано як перспективна склокристалічна зв’язка для одержання високоміцних керамічних матеріалів (зносо- і ударостійких) на основі SiC та Si3N4 зі зниженими температурами спікання.
UKR: Механічні властивості композиційних керамічних матеріалів, що одержані на основі безкисневих сполук кремнію, значною мірою визначаються властивостями склозв'язки. У роботі наведено результати досліджень щодо визначення найбільш легкоплавкого скла в псевдобінарній системі 2MgO⋅2Al2O3⋅5SiO2-2MnO⋅2Al2O3⋅5SiO2 з високою схильністю до кристалізації як склокристалічної зв’язки для низькотемпературного спікання високоміцних керамічних матеріалів на основі безкисневих сполук кремнію. Схильність дослідних розплавів до кристалізації зменшується при зростанні вмісту марганцевого кордієриту, що підтверджується даними рентгенофазових і ІЧ-спектроскопічних досліджень. На базі експериментальних досліджень побудовано діаграму плавкості, за допомогою якої визначено співвідношення між магнієвим кордієритом і марганцевим кордієритом (50:50 мас. %), що забезпечує мінімальну температуру утворення розплаву 1275 oC. Температура варіння скла визначеного складу становить 1450 oC. Синтезоване скло характеризується температурою розм'якшення 800 oC та інтенсивно кристалізується при 1030 oC. Температурний коефіцієнт лінійного розширення закристалізованих зразків скла становить 20,8⋅10-7 oC-1. Рентгенофазові та електронно-мікроскопічні дослідження показали, що розроблене скло практично повністю кристалізується при термічній обробці протягом 2 годин з утворенням кордієритового твердого розчину 2(Mg,Mn)O⋅2Al2O3⋅5SiO2. Розмір кристалів кордієритової фази коливається в межах 0,5–3,0 мкм. Розроблене скло, завдяки легкоплавкості та високій схильності до кристалізації, може бути запропоновано як перспективна склокристалічна зв’язка для одержання високоміцних керамічних матеріалів (зносо- і ударостійких) на основі SiC та Si3N4 зі зниженими температурами спікання.
Description
O. Zaichuk: ORCID 0000-0001-5209-7498
Keywords
glass binder, magnesium cordierite, manganese cordierite, phase diagram, crystallization, phase composition, microstructure, склозв' язка, кордієрит магнієвий, кордієрит марганцевий, діаграма плавкості, кристалізація, фазовий склад, мікроструктура
Citation
Polozhaj S. G., Zaichuk O. V., Polozhaj A. G., Amelina O. A., Rudnieva L. L. Glass-Ceramic Binder of Cordierite Composition for Low-Temperature Sintering of High-Strength Ceramic Materials Based on Oxygen-Free Silicon Compounds. Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii. 2024. No. 5. P. 79–84. DOI: http://dx.doi.org/10.32434/0321-4095-2024-156-5-79-84.