Electric field-assisted flash sintering versus conventional sintering of biphasic TiO2

A sinterização ultrarrápida de materiais assistida por campo elétrico é uma técnica recente de processamento através da qual corpos cerâmicos são produzidos com densificação quase instantânea (sinterização flash) em temperaturas (de forno) sensivelmente menores do que observado na sinterização convencional. Neste trabalho, um pó comercial nanométrico de dióxido de titânio (TiO2) bifásico, composto de seus polimorfos anatase e rutilo, foi estudado em termos de sinterização sob campo elétrico versus sinterização convencional. A dinâmica da sinterização desse material foi analisada aplicando técnicas que incluíram a difração de raios X (DRX), a calorimetria diferencial de varredura (DSC), a dilatometria (DIL) e a microscopia eletrônica de varredura (MEV), além do acompanhamento das características elétricas (corrente e potência dissipada) durante o processamento. No caso da sinterização convencional, os dados obtidos durante e após o tratamento térmico dos pós cerâmicos indicaram a incidência de uma transformação de fase anatase → rutilo, ocorrendo na faixa de temperaturas 700 ≲ T (°C) ≲ 900, paralelamente à retração do sistema que atinge sua total densificação em temperaturas T ≥ 1000 °C. Em relação à sinterização assistida por campo elétrico, os resultados mostraram se tratar efetivamente de um processo ultrarrápido, ocorrendo em temperaturas cujos valores decrescem com o aumento do campo elétrico. Duas tendências foram notadas nesse processo: (i) em baixos campos, 150 ≤ E (V/cm) ≤ 200, a transformação de fase anatase rutilo antecede a ocorrência do evento flash, enquanto (ii) em altos campos, E ≥ 300 V/cm, essa transformação é promovida pelo próprio evento flash (espécie de síntese flash), conjuntamente com a rápida densificação do material (espécie de sinterização reativa flash). Assim, conclui-se, se partindo de um pó de anatase, da não necessidade de calcinação ou pré-sinterização de tal pó, caso o objetivo final seja produzir eletrocerâmicas densas de rutilo, a solução sendo então o uso de campos elétricos durante o processamento. Em relação às microestruturas, observou-se, com o aumento do campo elétrico aplicado, uma tendência de diminuição do tamanho médio dos grãos nos corpos cerâmicos assim preparados, resultado correlacionado com a diminuição da temperatura de flash causada pelo campo. Por fim, a densidade de corrente máxima e o tempo de patamar considerados durante o flash influenciam diretamente o grau final de densificação, assim como o tamanho médio dos grãos. Muitos dos resultados aqui apresentados são inéditos para a sinterização flash de um sistema composto de dois polimorfos do mesmo material.Electric field-assisted flash sintering of materials is a novel processing technique which allows producing ceramic bodies through instantaneous-like densification at (furnace) temperatures significantly lower than observed in conventional sintering. In this work, a commercial nanometric powder of biphasic titanium dioxide (TiO2), composed of the anatase and rutile polymorphs, was studied in terms of sintering under electric field action versus conventional sintering. The dynamics of material sintering was analyzed through applying techniques that included X-ray diffraction (DRX), differential scanning calorimetry (DSC), dilatometry (DIL) and scanning electron microscopy (SEM), in addition to monitoring the characteristics (current and dissipated power) during processing. In the case of conventional sintering, the data obtained during and after heat treatment of the ceramic powders indicated the incidence of anatase → rutile phase transformation in the 700 ≲ T (°C) ≲ 900 temperature range, in parallel with shrinkage of the system which reaches its full densification at temperatures T ≥ 1000 °C. Regarding the electric field-assisted sintering, the results showed to be really dealing with an ultrafast process, occurring at temperatures whose values decrease with the increase of the electric field. Two trends were noted in this process: (i) at low fields, 150 ≤ E (V/cm) ≤ 200, the anatase → rutile phase transformation precedes the occurrence of the flash event, while (ii) at high fields, E ≥ 300 V/cm, this transformation is promoted by the flash event itself (kind of flash synthesis), together with the rapid densification of the material (kind of reactive flash sintering). Accordingly, it is concluded, in case of starting from an anatase powder, that there is in principle no need for calcining or pre-sintering such a powder if the final goal is to produce dense rutile electroceramics, the solution being then the use of electric fields during processing. Regarding the microstructures, a tendency of a decrease in average grain size in the prepared ceramic bodies was noted to apply with increasing the electric field applied, a result that is indeed linked to the observed field-induced decrease in flash temperature. Finally, the maximum current density and the annealing time considered during flash directly influence the final degree of material densification, as well as the average grain size. Many of the results presented here are unprecedented for flash sintering of a system composed of two polymorphs of the same material