Al2O3 ilavesinin Li2O-ZnO-SiO2 esaslı camların kristalizasyon ve genleşme özellikleri üzerindeki etkisi

Abstract

Uygun bileşimdeki camların, çekirdeklenme ve kristal büyütme aşamalarından kontrollü kristalizasyonu ile üretilen cam-seramik malzemeler günümüz teknolojisinde yaygın olarak kullanılan malzemelerdir. Bileşim ve ısıl işlem koşullarının uygun olarak seçilmesi durumunda klasik seramiklere göre çok daha ince mikroyapıya sahip porozitesiz malzemelerin üretimi mümkündür. Bileşim ve mikroyapı kontrolü ile değişik uygulamalar için önemli olan özelliklere sahip cam- seramikler üretilebilmektedir. Bu çalışmada incelenen Lİ20-ZnO-Si02 cam-seramikleri yüksek mukave metleri ile karekterize edilen malzemelerdir. Isıl genleşme katsayılarının yüksek olması nedeniyle metallerin, özellikle nikel ve nikel alaşımlarının kaplanmasında kullanılabilirler. Lİ20-ZnO-Si02 camlarına alümina ilavesi ile ısıl genleşme özelliklerinin değiştirilmesi mümkündür. Yapılan bu çalışmada, orta derecede çinko oksit içeren camda % 4, 6, 8 ve 11 (ağırlıklı) oranlarında çinkonun yerini alan alüminanın kristalizasyon ve ısıl genleşme özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Diferansiyel termal analizleri bilinen camlara değişik sıcaklık ve sürelerde kristalizasyon ısıl işlemleri uygulanmış, bu ısıl işlemlerle gelişen mikroyapılar taramalı elektron mikroskobu ve X-ışınlan difraksiyon teknikleri kullanılarak analiz edilmiş, alüminanın ısıl genleşme özellikleri üzerindeki etkisi dilatometrik analizlerle belirlenmiştir. Bu incelemeler sonucunda alümina içermeyen camdan seçilen ısıl işlem koşullarında ince bir mikroyapının oluştuğu, camsı fazdan önce C-LZS katı çözeltisinin, daha yüksek sıcaklıklarda da kristobalitin kristalleştiği belirlenmiştir. Alümina içeren camlarda ise, ilk kristalizasyon ürünü C-LZS katı çözeltisi iken ikincil ürün p-spodumene olup son kristalleşen kristobalit fazıdır. C-LZS ve kristobalite göre daha düşük ısıl genleşme katsayısına sahip olan p-spodumene fazının kristalleşmesi ve miktarının artması ile cam-seramiğin ısıl genleşme katsayısının önemli ölçüde düştüğü belirlenmiştir.

Glass-ceramics made by the controlled crystallisation of special glasses are micro-crystalline solids possessing much higher mechanical strength, impact strenght, greater refractoriness, or lower thermal expansion coefficient than many ordinary glasses. The optimum technique for producing a fine- grained glass- ceramic is to nucleate crystals in the glass at a temperature below that at which major crystalline phases grow a significant rate. In many cases, the crystallisation process can be taken almost to completion but a small proportion of residual glass- phase is often present. Conventional crystallisation of glasses is almost invariably observed to initiate at the external surfaces, followed by the crystals growing into the amorphous phase and producing a non uniform body of large grain size. For a variety of reasons, it is desirable that the crystals be small (less than 1 micron) and uniform in size. To obtain such small crystals occupying a large volume fraction of the material, a uniform density of nuclei of the order of 10^2 to lO^5 per cubic centimetre is required. Such copious nucleation is produced by adding selected nucleating agents to the batch during the melting operation and carrying out a controlled heat treatment. It is well known that the addition of nucleating agents is the key for achieving controlled crystallisation. The nucleating agent is soluble in the molten glass but during either controlled cooling or reheating of the initially quenched glass it takes part in or promotes structural changes in the glass. The nucleating agent, in some cases, may precipitate out by homogeneous nucleation. The nuclei thus formed can then promote heterogeneous nucleation of major crystal phases. The most commonly used nucleating agents are TİO2 and Zr02, but P2O5, the Pt group and noble metals, and fluorides are also used. Ti02 is often used in concentrations of 4 to 12 wt%; Zr02 is used in concentrations near its solubility limit (4 to 5 wt% in most silicate melts). In some cases, Zr02 and Ti02 are used in combination to obtain desired properties in the final crystallised bodies. The Pt group and noble metal nucleating agents seem to function by directly forming a crystalline nucleating phase in a precipitation process. The major crystalline phase or phases subsequently grow on particles of the nucleating phase. Such a process could also be operative in the case of oxide nucleating VI ÖZET Uygun bileşimdeki camların, çekirdeklenme ve kristal büyütme aşamalarından kontrollü kristalizasyonu ile üretilen cam-seramik malzemeler günümüz teknolojisinde yaygın olarak kullanılan malzemelerdir. Bileşim ve ısıl işlem koşullarının uygun olarak seçilmesi durumunda klasik seramiklere göre çok daha ince mikroyapıya sahip porozitesiz malzemelerin üretimi mümkündür. Bileşim ve mikroyapı kontrolü ile değişik uygulamalar için önemli olan özelliklere sahip cam- seramikler üretilebilmektedir. Bu çalışmada incelenen Lİ20-ZnO-Si02 cam-seramikleri yüksek mukave metleri ile karekterize edilen malzemelerdir. Isıl genleşme katsayılarının yüksek olması nedeniyle metallerin, özellikle nikel ve nikel alaşımlarının kaplanmasında kullanılabilirler. Lİ20-ZnO-Si02 camlarına alümina ilavesi ile ısıl genleşme özelliklerinin değiştirilmesi mümkündür. Yapılan bu çalışmada, orta derecede çinko oksit içeren camda % 4, 6, 8 ve 11 (ağırlıklı) oranlarında çinkonun yerini alan alüminanın kristalizasyon ve ısıl genleşme özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Diferansiyel termal analizleri bilinen camlara değişik sıcaklık ve sürelerde kristalizasyon ısıl işlemleri uygulanmış, bu ısıl işlemlerle gelişen mikroyapılar taramalı elektron mikroskobu ve X-ışınlan difraksiyon teknikleri kullanılarak analiz edilmiş, alüminanın ısıl genleşme özellikleri üzerindeki etkisi dilatometrik analizlerle belirlenmiştir. Bu incelemeler sonucunda alümina içermeyen camdan seçilen ısıl işlem koşullarında ince bir mikroyapının oluştuğu, camsı fazdan önce C-LZS katı çözeltisinin, daha yüksek sıcaklıklarda da kristobalitin kristalleştiği belirlenmiştir. Alümina içeren camlarda ise, ilk kristalizasyon ürünü C-LZS katı çözeltisi iken ikincil ürün p-spodumene olup son kristalleşen kristobalit fazıdır. C-LZS ve kristobalite göre daha düşük ısıl genleşme katsayısına sahip olan p-spodumene fazının kristalleşmesi ve miktarının artması ile cam-seramiğin ısıl genleşme katsayısının önemli ölçüde düştüğü belirlenmiştir. THE EFFECT OF Al203 ADDITION ON THE CONTROLLED CRYSTALLISATION AND THERMAL EXPANSION PROPERTIES OF Li20-ZnO-Si02 BASE GLASSES SUMMARY Glass-ceramics made by the controlled crystallisation of special glasses are micro-crystalline solids possessing much higher mechanical strength, impact strenght, greater refractoriness, or lower thermal expansion coefficient than many ordinary glasses. The optimum technique for producing a fine- grained glass- ceramic is to nucleate crystals in the glass at a temperature below that at which major crystalline phases grow a significant rate. In many cases, the crystallisation process can be taken almost to completion but a small proportion of residual glass- phase is often present. Conventional crystallisation of glasses is almost invariably observed to initiate at the external surfaces, followed by the crystals growing into the amorphous phase and producing a non uniform body of large grain size. For a variety of reasons, it is desirable that the crystals be small (less than 1 micron) and uniform in size. To obtain such small crystals occupying a large volume fraction of the material, a uniform density of nuclei of the order of 10^2 to lO^5 per cubic centimetre is required. Such copious nucleation is produced by adding selected nucleating agents to the batch during the melting operation and carrying out a controlled heat treatment. It is well known that the addition of nucleating agents is the key for achieving controlled crystallisation. The nucleating agent is soluble in the molten glass but during either controlled cooling or reheating of the initially quenched glass it takes part in or promotes structural changes in the glass. The nucleating agent, in some cases, may precipitate out by homogeneous nucleation. The nuclei thus formed can then promote heterogeneous nucleation of major crystal phases. The most commonly used nucleating agents are TİO2 and Zr02, but P2O5, the Pt group and noble metals, and fluorides are also used. Ti02 is often used in concentrations of 4 to 12 wt%; Zr02 is used in concentrations near its solubility limit (4 to 5 wt% in most silicate melts). In some cases, Zr02 and Ti02 are used in combination to obtain desired properties in the final crystallised bodies. The Pt group and noble metal nucleating agents seem to function by directly forming a crystalline nucleating phase in a precipitation process. The major crystalline phase or phases subsequently grow on particles of the nucleating phase. Such a process could also be operative in the case of oxide nucleating VI ÖZET Uygun bileşimdeki camların, çekirdeklenme ve kristal büyütme aşamalarından kontrollü kristalizasyonu ile üretilen cam-seramik malzemeler günümüz teknolojisinde yaygın olarak kullanılan malzemelerdir. Bileşim ve ısıl işlem koşullarının uygun olarak seçilmesi durumunda klasik seramiklere göre çok daha ince mikroyapıya sahip porozitesiz malzemelerin üretimi mümkündür. Bileşim ve mikroyapı kontrolü ile değişik uygulamalar için önemli olan özelliklere sahip cam- seramikler üretilebilmektedir. Bu çalışmada incelenen Lİ20-ZnO-Si02 cam-seramikleri yüksek mukave metleri ile karekterize edilen malzemelerdir. Isıl genleşme katsayılarının yüksek olması nedeniyle metallerin, özellikle nikel ve nikel alaşımlarının kaplanmasında kullanılabilirler. Lİ20-ZnO-Si02 camlarına alümina ilavesi ile ısıl genleşme özelliklerinin değiştirilmesi mümkündür. Yapılan bu çalışmada, orta derecede çinko oksit içeren camda % 4, 6, 8 ve 11 (ağırlıklı) oranlarında çinkonun yerini alan alüminanın kristalizasyon ve ısıl genleşme özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Diferansiyel termal analizleri bilinen camlara değişik sıcaklık ve sürelerde kristalizasyon ısıl işlemleri uygulanmış, bu ısıl işlemlerle gelişen mikroyapılar taramalı elektron mikroskobu ve X-ışınlan difraksiyon teknikleri kullanılarak analiz edilmiş, alüminanın ısıl genleşme özellikleri üzerindeki etkisi dilatometrik analizlerle belirlenmiştir. Bu incelemeler sonucunda alümina içermeyen camdan seçilen ısıl işlem koşullarında ince bir mikroyapının oluştuğu, camsı fazdan önce C-LZS katı çözeltisinin, daha yüksek sıcaklıklarda da kristobalitin kristalleştiği belirlenmiştir. Alümina içeren camlarda ise, ilk kristalizasyon ürünü C-LZS katı çözeltisi iken ikincil ürün p-spodumene olup son kristalleşen kristobalit fazıdır. C-LZS ve kristobalite göre daha düşük ısıl genleşme katsayısına sahip olan p-spodumene fazının kristalleşmesi ve miktarının artması ile cam-seramiğin ısıl genleşme katsayısının önemli ölçüde düştüğü belirlenmiştir. THE EFFECT OF Al203 ADDITION ON THE CONTROLLED CRYSTALLISATION AND THERMAL EXPANSION PROPERTIES OF Li20-ZnO-Si02 BASE GLASSES SUMMARY Glass-ceramics made by the controlled crystallisation of special glasses are micro-crystalline solids possessing much higher mechanical strength, impact strenght, greater refractoriness, or lower thermal expansion coefficient than many ordinary glasses. The optimum technique for producing a fine- grained glass- ceramic is to nucleate crystals in the glass at a temperature below that at which major crystalline phases grow a significant rate. In many cases, the crystallisation process can be taken almost to completion but a small proportion of residual glass- phase is often present. Conventional crystallisation of glasses is almost invariably observed to initiate at the external surfaces, followed by the crystals growing into the amorphous phase and producing a non uniform body of large grain size. For a variety of reasons, it is desirable that the crystals be small (less than 1 micron) and uniform in size. To obtain such small crystals occupying a large volume fraction of the material, a uniform density of nuclei of the order of 10^2 to lO^5 per cubic centimetre is required. Such copious nucleation is produced by adding selected nucleating agents to the batch during the melting operation and carrying out a controlled heat treatment. It is well known that the addition of nucleating agents is the key for achieving controlled crystallisation. The nucleating agent is soluble in the molten glass but during either controlled cooling or reheating of the initially quenched glass it takes part in or promotes structural changes in the glass. The nucleating agent, in some cases, may precipitate out by homogeneous nucleation. The nuclei thus formed can then promote heterogeneous nucleation of major crystal phases. The most commonly used nucleating agents are TİO2 and Zr02, but P2O5, the Pt group and noble metals, and fluorides are also used. Ti02 is often used in concentrations of 4 to 12 wt%; Zr02 is used in concentrations near its solubility limit (4 to 5 wt% in most silicate melts). In some cases, Zr02 and Ti02 are used in combination to obtain desired properties in the final crystallised bodies. The Pt group and noble metal nucleating agents seem to function by directly forming a crystalline nucleating phase in a precipitation process. The major crystalline phase or phases subsequently grow on particles of the nucleating phase. Such a process could also be operative in the case of oxide nucleating