Synthesis of Ba_0.75Sr_0.25Al₂Si₂O₈ - ZrO₂ Ceramic Composites by Solid State Reaction of Mechanically Activated Precursor Mixtures

Abstract

Precursor mixtures composed of fly ash, BaCO3, SrCO3, Al2O3 and ZrO2, were subjected to attrition milling for 0-8 h and then uniaxially pressed and sintered at 900-1500 °C/5 h, for the in situ solid state synthesis of composites with nominal Ba0.75Sr0.25Al2Si2O8 (SBAS)/ZrO2 mass ratios of: 1) 90/10, 2) 70/30, and 3) 50/50. Mechanical activation, combined with the likely generation of a considerable amount of transient liquid during sintering of the composites, notably enhanced the reactivity of the precursor mixtures. ZrO2 decreased the conversion from the hexagonal (Hexacelsian) into the monoclinic (Celsian) phases of SBAS in the composites, which became more pronounced when the content of ZrO2 was increased in the materials. Nearly full conversions could be achieved at temperatures as low as 1100 °C, by mechanically activating the precursor mixtures for times that increased with increasing content of ZrO2 in the materials. An increment in the time of mechanical activation of the precursor mixtures, as well as in their ZrO2 content and in the sintering temperature, increased the mechanical properties of the synthesized materials. Thus, the best mechanical properties were obtained for composition 3 milled for 8 h and sintered at 1500 °C.Mezclas precursoras de cenizas volantes, BaCO3, SrCO3, Al2O3 y ZrO2, fueron activadas mecánicamente en un molino de atrición por 0-8 h y luego prensadas uniaxialmente y sinterizadas a 900-1500 °C/5 h, para la síntesis in situ por reacción en el estado sólido de compósitos con relaciones nominales Ba0.75Sr0.25Al2Si2O8 (SBAS)/ZrO2 en masa de: 1) 90/10, 2) 70/30, y 3) 50/50. La activación mecánica, combinada con la probable generación de una cantidad considerable de líquido transitorio, incrementó notablemente la reactividad de las mezclas precursoras. La ZrO2 disminuyó la conversión de la fase hexagonal (Hexacelsiana) a la monoclínica (Celsiana) del SBAS, lo cual fue más pronunciado cuando el contenido de ZrO2 se incrementó en los compósitos. Fue posible obtener conversiones casi completas a temperaturas tan bajas como 1100 °C, activando mecánicamente las mezclas precursoras por tiempos que se incrementaron con el incremento en el contenido de ZrO2 en los materiales. El incremento en el tiempo de activación mecánica de las mezclas precursoras, así como en su contenido de ZrO2 y en la temperatura de sinterización, incrementó las propiedades mecánicas de los materiales sintetizados. Así, las mejores propiedades mecánicas correspondieron a la composición 3 molida por 8 h y sinterizada a 1500 °C.

Keywords

• Mechanical activation
• Solid state reaction
• Fly ash
• Celsian
• Mechanical properties
• Activación Mecánica
• Reacción en el estado sólido
• Cenizas Volantes
• Celsiana
• Propiedades mecánicas