Processing of Electroceramic Materials for Advanced Applications
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Disertační práce se zabývá přípravou pokročilých keramických materiálů se zajímavými fyzikálními vlastnostmi. Materiály, připravené v rámci této práce, byly vyrobeny tuho-fázovými popř. hydrotermálními syntézami. První ze zkoumaných materiálů je elektrokeramika EuTiO3 s perovskitovou mřížkou. Absence termodynamických dat tohoto systému vedla k rozsáhlému experimentálnímu výzkumu vhodných podmínek jeho přípravy. Tři směsi práškových prekurzorů (Eu2O3 s Ti2O3 nebo TiO2 – rutil či anatas) byly homogenizovány mletím v planetovém mlýnu a formovány izostatickým tlakem 300 MPa. Vzniklé keramické polotovary diskového tvaru byly slinovány konvenčními metodami v redukčních atmosférách (Ar + 7 % H2 nebo pouze čistý H2) popř. pokročilou slinovací metodou Spark Plasma Sintering (SPS). Následně byl studován vliv slinovací metody, teploty, složení atmosféry a prodlevy na finální hustotu a fázovou čistotu vzorků. Tento výzkum vyústil v úspěšnou přípravu jednofázové EuTiO3 objemové keramiky s relativní hustotou vyšší než 95 % teoretické hustoty (%TH). S ohledem na dostupnou literaturu jsou tyto materiály jedinými publikovanými vzorky fázově čisté EuTiO3 keramiky s tak nízkou porozitou. Důležitost těchto výsledků je podložena čtyřmi publikacemi v impaktovaných časopisech, kde byly vlastnosti měřené na těchto vzorcích prezentovány. Spektra infračervené odrazivosti byla porovnána s výsledky v literatuře. Byla tak demonstrována nezbytnost fázově čistých vzorků s minimálním porozitou pro měření jejich reálných (neovlivněných) fyzikálních vlastností. Další výzkum byl zaměřen na hydrotermální syntézu (HTS) keramického prášku Eu0,5Na0,5TiO3. Prezentované HTS byly uskutečněny ve vysoce zásaditém prostředí vodných roztoků NaOH nebo KOH při teplotách 220 – 250 °C. Experimenty s různými koncentracemi prekurzorů (EuCl3 a TiCl4) a redukčních činidel vedly k přípravě jednofázového práškového perovskitu Eu0,5Na0,5TiO3 s krychlovými částicemi s rozměry pod 1 m. Jiný titaničitan - MgTiO3 – byl syntetizován tuho-fázovou reakcí směsi práškových prekurzorů MgO a TiO2. Směsi byly mechanicky aktivovány v kulovém mlýnu po dobu 0, 10, 40, 80 nebo 160 min. Keramická tělesa byla slinována pomocí dvou různých přístupů a to buď metodou Two-step Sintering (TSS) na teplotách 1300 °C (30 min) a následně 1200 °C (20 h) nebo nejprve konvenčním slinováním při 1300 °C popř. 1400 °C po dobu 30 min a poté ještě pomocí metody Hot Isostatic Press (HIP) na 1200 °C popř. 1280 °C. V případě HIP-ovaných vzorků při 1280 °C po 3 hodiny v inertní Ar atmosféře o tlaku 200 MPa byly získány fázově čisté keramické vzorky MgTiO3 s relativní hustotou nad 93 %TH. Poslední z prezentovaných materiálů je Ba(Ca)Ti(Zr)O3 bezolovnatá piezokeramika, která byla připravena tuho-fázovou reakcí práškových směsí mletých v planetovém kulovém mlýnu za rozdílných podmínek. Keramická tělesa lisovaná izostatickým tlakem (300 MPa) byla dále zhutněna beztlakým slinováním na teplotách 1200, 1300, 1400 popř. 1500 °C po dobu 1 h na vzduchu. Byly studovány potřebné podmínky pro přípravu jednofázové perovskitové Ba0,85Ca0,15Ti0,9Zr0,1O3 keramiky s požadovanou mikrostrukturou. Úspěšně tak byly připraveny vzorky fázově čisté Ba(Ca)Ti(Zr)O3 keramiky o relativní hustotě až 96 %TH. Prezentované výsledky potvrzují význam volby vhodné metody výroby a potřebných parametrů k získání pokročilých elektrokeramických materiálů s požadovanou mikrostrukturou i fázovým složením a tudíž i pro správné stanovení jejich fyzikálních vlastností.
The doctoral thesis is focused on processing of advanced ceramic materials with interesting physical properties. The materials were prepared by solid-state resp. hydrothermal syntheses. The first investigated material described in this work is EuTiO3 perovskite ceramics. Absence of thermodynamic data of this system led to extensive experimental research of proper processing conditions. Three mixtures of different powder precursors (Eu2O3 with Ti2O3 resp. TiO2 – rutile or anatase) were homogenized by planetary ball mill and formed by isostatic pressure of 300 MPa. These cylindrical green bodies were sintered conventionally in reducing atmospheres (Ar + 7 % H2 resp. pure H2) or by Spark Plasma Sintering (SPS). The influence of the sintering technique, temperature, atmosphere composition and dwell time on final density and phase purity was discussed. The investigation resulted in successful processing of phase pure EuTiO3 ceramic with relative density higher than 95 % of theoretical density (%TD). According author’s best knowledge, it is up to now the best bulk EuTiO3 ceramic sample. The importance of this achievement is also declared by four publications in respected journals where the properties of these samples were presented. The infra-red reflectivity spectra of prepared materials were compared with data from literature. It was proven that only single phase samples with low content of porosity are suitable for establishing their real (undistorted) physical properties. The next research was aimed on processing of Eu0.5Na0.5TiO3 ceramics by hydrothermal syntheses (HTS). The HTS were performed in highly alkaline environment of NaOH resp. KOH solution at temperature range 220 – 250 °C. The experiments with varied precursors (EuCl3 and TiCl4) and reductant agent concentrations led to processing of pure Eu0.5Na0.5TiO3 perovskite ceramic powder with submicron cubic particles. Another titanate - MgTiO3 - was synthetized by solid-state reaction from MgO and TiO2 powder mixtures. The mixtures were mechanically activated in ball mill for 0, 10, 40, 80 resp. 160 min. The green bodies were formed by isostatic pressure of 300 MPa and sintered by two different approaches. The first batch of samples was sintered by two-step sintering technique at 1300 °C (30 min) and 1200 °C (20 h). The second set was sintered conventionally at 1300 °C resp. 1400 °C for 30 min and post-sintered by Hot Isostatic Press (HIP) at 1200 °C resp. 1280 °C. The phase pure MgTiO3 samples with relative density higher than 93 %TD were reached after post-sintering by HIP at 1280 °C for 3 hours in Ar atmosphere and pressure of 200 MPa. The last studied material was Ba(Ca)Ti(Zr)O3 lead-free piezoceramics, which was prepared by solid-state reaction from powder mixtures milled by planetary ball mill at different conditions. The pressure-less sintering of isostatically pressed bodies (300 MPa) at 1200, 1300, 1400 resp. 1500 °C for 1 h in air was performed. The processing condition needed for single phase perovskite Ba0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3 ceramics with required microstructure were studied. The single phase Ba(Ca)Ti(Zr)O3 sample with relative density 96 %TD was successfully prepared. Our results proved the importance of careful choice of the processing techniques and their variables for reaching of desired microstructure and phase composition of advanced electroceramics and therefore for proper evaluation of their physical properties.
The doctoral thesis is focused on processing of advanced ceramic materials with interesting physical properties. The materials were prepared by solid-state resp. hydrothermal syntheses. The first investigated material described in this work is EuTiO3 perovskite ceramics. Absence of thermodynamic data of this system led to extensive experimental research of proper processing conditions. Three mixtures of different powder precursors (Eu2O3 with Ti2O3 resp. TiO2 – rutile or anatase) were homogenized by planetary ball mill and formed by isostatic pressure of 300 MPa. These cylindrical green bodies were sintered conventionally in reducing atmospheres (Ar + 7 % H2 resp. pure H2) or by Spark Plasma Sintering (SPS). The influence of the sintering technique, temperature, atmosphere composition and dwell time on final density and phase purity was discussed. The investigation resulted in successful processing of phase pure EuTiO3 ceramic with relative density higher than 95 % of theoretical density (%TD). According author’s best knowledge, it is up to now the best bulk EuTiO3 ceramic sample. The importance of this achievement is also declared by four publications in respected journals where the properties of these samples were presented. The infra-red reflectivity spectra of prepared materials were compared with data from literature. It was proven that only single phase samples with low content of porosity are suitable for establishing their real (undistorted) physical properties. The next research was aimed on processing of Eu0.5Na0.5TiO3 ceramics by hydrothermal syntheses (HTS). The HTS were performed in highly alkaline environment of NaOH resp. KOH solution at temperature range 220 – 250 °C. The experiments with varied precursors (EuCl3 and TiCl4) and reductant agent concentrations led to processing of pure Eu0.5Na0.5TiO3 perovskite ceramic powder with submicron cubic particles. Another titanate - MgTiO3 - was synthetized by solid-state reaction from MgO and TiO2 powder mixtures. The mixtures were mechanically activated in ball mill for 0, 10, 40, 80 resp. 160 min. The green bodies were formed by isostatic pressure of 300 MPa and sintered by two different approaches. The first batch of samples was sintered by two-step sintering technique at 1300 °C (30 min) and 1200 °C (20 h). The second set was sintered conventionally at 1300 °C resp. 1400 °C for 30 min and post-sintered by Hot Isostatic Press (HIP) at 1200 °C resp. 1280 °C. The phase pure MgTiO3 samples with relative density higher than 93 %TD were reached after post-sintering by HIP at 1280 °C for 3 hours in Ar atmosphere and pressure of 200 MPa. The last studied material was Ba(Ca)Ti(Zr)O3 lead-free piezoceramics, which was prepared by solid-state reaction from powder mixtures milled by planetary ball mill at different conditions. The pressure-less sintering of isostatically pressed bodies (300 MPa) at 1200, 1300, 1400 resp. 1500 °C for 1 h in air was performed. The processing condition needed for single phase perovskite Ba0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3 ceramics with required microstructure were studied. The single phase Ba(Ca)Ti(Zr)O3 sample with relative density 96 %TD was successfully prepared. Our results proved the importance of careful choice of the processing techniques and their variables for reaching of desired microstructure and phase composition of advanced electroceramics and therefore for proper evaluation of their physical properties.
Description
Citation
KACHLÍK, M. Processing of Electroceramic Materials for Advanced Applications [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2015.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Fyzikální a materiálové inženýrství
Comittee
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (předseda)
RNDr. Jan Petzelt, DrSc. (člen)
Ing. Eva Bartoníčková, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Švejcar, CSc. (člen)
RNDr. Přemysl Vaněk, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2015-10-08
Defence
Práce a její prezentace měla vynikající úroveň. Doktorand prokázal v diskuzi výborné znalosti. Výsledky byly publikovány v impaktovaných časopisech.
Teze mají předepsanou strukturu. Je potřeba opravit některé formulační nedostatky a chyby, na které byl doktorand upozorněn v diskuzi.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení