Preparation of ZrO2 i ZrO2/SiC powders by carbothermal reduction of ZrSiO4

Pored značajnog broja istraživanja koja se odnose na procese koji se dešavaju u toku karbotermalne redukcije (KTR) cirkonijumsilikata (ZrSiO4), još uvek postoji potreba za detaljnim izučavanjem ovog procesa u cilju upotpunjavanja saznanja o uticaju molskog odnosa ugljenika i ZrSiO4 (C/ZrSiO4) na moguće proizvode reakcije. Uticaj C/ZrSiO4 odnosa je temeljno ispitan za široki opseg molskih odnosa (C/ZrSiO4 = 1-8) i temperatura (1473 – 1973 K). Prah ZrSiO4 je mešan sa aktivnim ugljenikom kao redukcionim agensom u kontrolisanoj protočnoj atmosferi argona (Ar). Periklas (MgO) je dodavan da bi se olakšalo obrazovanje visoko temperaturnih oblika cirkonijum-dioksida (ZrO2), kao i da bi se ispitao eventualni katalitički efekat MgO na ukupnu reakciju. Pojava faza i njihov udeo je izučavan u funkciji temperature, molskog odnosa C/ZrSiO4 i različitog sadržaja MgO. Dobijeni prahovi su karakterisani rendgenskom difrakcionom analizom (XRD) i skenirajućom elektronskom mikroskopijom sa elektronskom disperzivnom spektroskopijom (SEM/EDS). Na osnovu dobijenih rezultata ustanovljeno je da je moguće dobiti različite proizvode reakcije kao što su: m-ZrO2 ili c-ZrO2 prahovi, kao i kompozitne ZrC/SiC ili ZrO2/SiC prahove, polazeći od ZrSiO4 kao prekursora zavisno od molskog odnosa C/ZrSiO4. Ugljenik u višku je korišćen da bi se onemogućio neželjeni gubitak materijala, kao i da bi se sav ZrO2 konvertovao u ZrC koji bi nakon toga mogao lagano da se prevede u c- ZrO2 prostom oksidacijom ZrC. Cilj istraživanja je, takođe, bila primena relativno novog, jednostavnog i brzog procesa sinterovanja, spark plazma sinterovanja (SPS), da bi se dobio keramički materijal koristeći proizvode karbotermalne redukcije ZrSiO4. Utvrđeno je da se korišćenjem ugljenika u višku sadržaj SiC povećava i dostiže maksimum kod uzoraka sa molskim odnosom C/ZrSiO4 = 7. Iz tog razloga je kompozitni prah (ZrC/SiC) dobijen KTR-om cirkona sa C/ZrSiO4 = 7 korišćen u SPS-u sa LiYO2 aditivom za sinterovanje. LiYO2 je usled niskog napona pare već potvrđen kao efikasan nisko temperaturni aditiv...In spite of a significant number of studies concerning ZrSiO4 carbothermal reduction (CTR) process, there is still a need for a consistent and detailed study, aimed at better understanding of the influence of carbon and ZrSiO4 (C/ZrSiO4) ratio on the reaction products. The influence of carbon to ZrSiO4 ratio was thoroughly investigated for a wide range of compositions (C/ZrSiO4 = 1-8) and temperatures (1473-1973 K). The ZrSiO4 powder was mixed with activated carbon as a reducing agent and heat treated under controlled flowing Ar atmosphere. Periclase (MgO) was added to facilitate the formation of high temperature form of zirconia (ZrO2) as well as to study a possible catalytic effect of MgO on the overall reaction. Phase evolution and phase content were followed as a function of temperature, C/ZrSiO4 ratio and different quantity of MgO introduced. The obtained powders were characterized by means of ex-situ X-ray diffraction and SEM/EDS methods. It was found that, depending on the C/ZrSiO4 ratio, it was possible to produce either m-ZrO2, c-ZrO2, ZrC/SiC or ZrO2/SiC powders by using zircon as precursor. The excess of carbon was used, not only to prevent the undesired loss of material but, first of all, to convert all ZrO2 to ZrC which was then easily converted to the c-ZrO2 by a simple oxidation of ZrC. Also, the aim of this study was an application of relatively new, simple and fast sintering process, sparc plasma sintering (SPS), for obtaining ceramic materials by using product of carbothermal reduction of zircon. For excess carbon content, the SiC content increases and reaches its maximum in the sample with C/ZrSiO4 = 7 molar ratio. This is a reason for using products of CTR C/ZrSiO4 =7 molar ratio in process of SPS, with LiYO2 as a sintering additive. LiYO2 is known as an effective low temperature sintering additive due to its low vapor pressure..