Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (Mar 2022)
Effect of P2O5 and Al2O3 on crystallization, structure, microstructure and properties of Li2O–MgO–Al2O3–SiO2–TiO2–ZrO2 glass ceramics
Abstract
The structure, microstructure, thermal and mechanical properties of glasses and glass-ceramics in the LMAS (Li2O, MgO, Al2O3, SiO2) system and the effect of P2O5 and Al2O3 additives have been studied. The transition temperatures of both glasses and glass-ceramics increase with the P2O5 and Al2O3 concentration, but at high temperatures the melt viscosity decreases. The main crystalline phases formed are lithium aluminium silicate, enstatite and β-spodumene, being the growth of β-spodumene favoured by fluorine ions, P2O5 and the heat treatment temperature as well. Raman and FT-IR spectroscopies have shown the formation a silica-rich glass phase which acts as a matrix of the crystallites containing Al2O3 and P2O5 in its composition. The shape and aspect ratio of the crystallites depend on the Al2O3 concentration. For low Al2O3 concentration a variety of tubular, granular and plate-like crystals appear, while for high Al2O3 concentration the main shape of the crystals is spherical or globular. Hv, E and CTE properties are related to the crystalline phases formed during the crystallization treatment, and their variations are in accordance with the increase of the crystal aspect ratio. The CTE values of the GCs decrease as the P2O5 content increases up to 3%, while for the Al2O3 concentration of 16% the minimum CTE value is obtained. Hv and E values of the GCs are higher than those corresponding to their respective parent glasses. According to these values, these glasses and glass-ceramics are not appropriate for machining. Resumen: En este trabajo se ha estudiado el efecto del contenido en P2O5 y Al2O3 en vidrios y vitrocerámicos del sistema LMAS (Li2O, MgO, Al2O3, SiO2) en su estructura, microestructura y propiedades térmicas y mecánicas. La adición de estos dos óxidos produce el aumento de las temperaturas de transición tanto de los vidrios como de los vitrocerámicos correspondientes, sin embargo, la viscosidad a alta temperatura decrece. Las fases cristalinas que se forman son fundamentalmente silicato de litio-aluminio, enstatita y β-espodumena, donde el crecimiento de β-espodumena está favorecido por la presencia de iones F, P2O5 así como por la temperatura de tratamiento. Las espectroscopias Raman y FTIR han permitido detectar la formación de una fase vítrea rica en sílice que actúa como matriz de los cristales que contienen Al2O3 y P2O5 en su composición. La microestructura cristalina depende de la concentración de y Al2O3 en los vidrios. Para bajas concentraciones de Al2O3 se originan cristales con formas tubulares o con formas mientras que para altas concentraciones de Al2O3 los cristales tienen forma esférica o globular fundamentalmente. Los valores de HV, E y CTE están relacionados con las fases cristalinas formadas durante el tratamiento de cristalización, y sus variaciones están relacionados con el factor de forma de los cristales. Los valores de CTE de los vitrocerámicos disminuyen a medida que el contenido de P2O5 aumenta hasta un 3%, mientras que para la concentración de Al2O3 del 16% se obtiene el valor mínimo de CTE. Los valores Hv y E de los GC son más altos que los correspondientes a sus respectivos vidrios principales. Estos valores indican que estos materiales, tanto vidrios como vitrocerámicos, no son apropiados para ser mecanizados.
