Boletines Sociedad de Cerámica y Vidrio

47-54

Control of the γ-alumina to α-alumina phase transformation for an optimized alumina densification

Samir Lamouri, Mohamed Hamidouche, Noureddine Bouaouadja, Houcine Belhoucheta, Vincent Garnier, Gilbert Fantozzi, Jean François Trelkat

In this work, we studied the aptitude to sintering green bodies using γ-Al2O3 transition alumina as raw powder. We focused on the influence of the heating rate on densification and microstructural evolution. Phase transformations from transition alumina γ→δ→θ→α-Al2O3 were studied by in situ X-rays diffraction from the ambient to 1200°C. XRD patterns revealed coexistence of various phase transformations during the heating cycle. DTA and dilatometry results showed that low heating rate leads to a significant reduction of the temperature of the α-Al2O3 alumina formation. Around 1190, 1217 and 1240°C were found when using 5, 10 and 20°C/min of heating rate, respectively. The activation energy for θ-Al2O3→α-Al2O3 transformation calculated by Kissinger and JMA equations using dilatometry method were 464.29 and 488.79kJ/mol, respectively and by DTA method were 450.72 and 475.49kJ/mol, respectively. In addition, the sintering of the green bodies with low heating rate promotes the rearrangement of the grains during θ-Al2O3→α-Al2O3 transformation, enhancing the relative density to 95% and preventing the development of a vermicular structure.

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Key words:Transition alumina, Phase transformation, Densification, Microstructure

Control de la transformación de fase gamma-alúmina a α-alúmina para una densificación óptima

En este trabajo, se ha estudiado la capacidad de sinterización de muestras en verde a partir de γ-Al2O3 de transición en forma de polvo. El trabajo se ha focalizado en la influencia de la velocidad de calentamiento sobre la densificación y la evolución microestructural. Las transformaciones de fase de alúminas de transición γ→δ→θ→α-Al2O3 se han estudiado in situ mediante Difracción de Rayos X (DRX) desde temperatura ambiente hasta 1.200°C. Los diagramas de XRD han revelado la coexistencia de diversas transformaciones de fase durante el ciclo de calentamiento. Los Análisis Térmicos Diferenciales (ATD) realizados y los datos de dilatometría han mostrado que velocidades de calentamiento bajas conducen a una reducción significativa de la temperatura de formación de α-Al2O3. Detectándose alrededor de 1.190, 1.217 y 1.240°C cuando se utilizan 5, 10 y 20°C/min como velocidad de calentamiento, respectivamente. La Energía de Activación para la transformación θ-Al2O3→α-Al2O3 calculada mediante las ecuaciones de Kissinger y JMA usando métodos dilatometricos han sido 464,29 y 488,79kJ/mol, respectivamente, y mediante ATD 450,72 y 475,49kJ/mol, respectivamente. Además, la sinterización con velocidad de calentamiento baja promueve la reorganización de los granos durante la transformación θ-Al2O3 → α-Al2O3, el aumento de la densidad relativa al 95% y la prevención del desarrollo de una estructura vermicular.

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Palabras clave: Alúmina de transición, Transformación de fase, Densificación, Microestructura

55-63

Synthesis of pigments of Fe2O3·SiO2 system, with Ca, Mg, or Co oxide additions

Tsvetan Dimitrov, Stephan Kozhukharov, Nikolay Velinov

The present research work is based on the comparative evaluation of the Ca, Mg, and Co dopant impact on the properties of new ceramic pigments from the system Fe2O3·SiO2 obtained via classical ceramic technology. This approach enabled determination of the optimal temperature for the synthesis and the most appropriate mineralizer. The obtained specimens were submitted to systematical analysis, including X-ray Diffraction (XRD) spectroscopy, Electron Paramagnetic Resonance (EPR) analysis and Mössbauer spectroscopy for crystalline phase determination. The color characteristics are quantified by spectrophotometric measurements. The pigments particle size has been determined by Scanning Electron Microscopy (SEM), combined by Energy Dispersion X-ray spectroscopy (EDX). The obtained results enabled to determine the correlation between the calcination temperature and the phase compositions of the obtained pigments. In addition, some interesting magnetic properties were detected for the Co-doped composition.

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Key words:Pigments, Dopants, X-ray Diffraction spectroscopy, Electron Paramagnetic Resonance, Mössbauer spectroscopy, Scanning Electron Microscopy, Energy Dispersion X-ray spectroscopy

Síntesis de pigmentos del sistema Fe2O3.SiO2 con adiciones de óxidos de Ca, Mg o Co

La investigación presente está basada en la evaluación comparativa del efecto de la adición de los óxidos de Ca, Mg, y Co sobre las propiedades de unos pigmentos cerámicos nuevos del sistema Fe2O3.SiO2 obtenidos mediante la tecnología cerámica clásica. Ese método de investigación ha permitido la determinación de la temperatura de calcinación óptima y el mineralizador más apropiado. Las muestras obtenidas fueron sometidas al análisis sistemático, incluyendo espectroscopia de difracción de rayos X, análisis de la resonancia electrónica paramagnética (REP) y espectroscopia de Mössbauer para la determinación de las fases cristalinas constituyentes. Los parámetros colorimétricos han sido evaluados mediante medidas espectrofotométricas. El tamaño estimado de las partículas se ha determinado por microscopia electrónica de barrido (MEB) y su composición elemental se ha definido mediante la espectroscopia de dispersión energética de los rayos X (EDEX). Los resultados obtenidos han permitido la determinación la correlación entre la temperatura de calcinación y las composiciones cristalinas de los pigmentos obtenidos. En adición, se han registrado algunas propiedades magnéticas interesantes en el caso de la composición dopada por cobalto.

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Palabras clave: Pigmentos, Dopantes, Espectroscopia de difracción de rayos X, Resonancia electrónica paramagnética, Espectroscopia de Mössbauer, Microscopia electrónica de barrido, Dispersión energética de rayos X

64-72

Influence of surface coating on structure and properties of metallic lithium anode for rechargeable Li-O2 battery

Qiuling Chen, Qingwei Wang, Qiuhua Ma, QingQing Song, Qiuping Chen

Amorphous lithium phosphorous oxynitride film was coated directly on pre-treated lithium metal as anode of lithium air battery by radio-frequency sputtering technique from a Li3PO4 target. The structure and composition of modified anode was analyzed before and after charge/discharge test in a lithium-air battery, which comprises 0.5M LiNO3/TEGDME as the electrolyte and super P carbon as cathode. Batteries were galvanostatically discharged by an Arbin BT-2000 battery tester between open current voltage and 2.15V vs. Li+/Li at various current regimes ranging from 0.1–0.4mA/cm2. Compared with fresh lithium, LIPON-coated anode exhibited better electrochemical performance. Good charging efficiency of 90% at a narrower voltage gap with high ionic conductivity of 9.4×10−5S/cm was achieved through optimizing lithium pre-treated conditions, sputtering N2 flows and suitable solute for electrolyte.

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Key words:Sputtering, Lithium anode, Lithium air battery

Influencia del recubrimiento superficial sobre la estructura y las propiedades del ánodo de litio metálico para una batería recargable de Li-O2

Se realizó un recubrimiento con una capa amorfa de oxinitruro de fósforo y litio (LIPON) mediante pulverización por radiofrecuencia a partir de una diana de Li3PO4 directamente sobre litio metal pretratado como ánodo de una batería de litio-aire. La estructura y composición del ánodo modificado se analizó antes y después del ensayo de carga/descarga en una batería de litio-aire que comprende un electrólito de 0,5M LiNO3/TEGDME y carbono súper P como cátodo. Las baterías fueron descargadas galvanostáticamente por un probador de baterías Arbin BT-2000 entre tensión de corriente abierta y 2,15V frente a Li+/Li a diversos regímenes de corriente que van desde 0,1-0,4mA/cm2. En comparación con el litio fresco, el ánodo revestido con LIPON exhibió un mejor comportamiento electroquímico. Se consiguió una buena eficiencia de carga del 90% a un intervalo de voltaje más estrecho con una conductividad iónica elevada de 9,4×10−5S/cm mediante la optimización de las condiciones del litio pretratado, flujo de N2 en la pulverización y un soluto adecuado como electrólito.

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Palabras clave: Pulverización, Ánodo de litio, Batería de aire-litio

73-82

Análisis de la estructura perovskita LaxSr1-xCryMn1-yO3-δ con potencial aplicación como ánodo para celdas de combustible de óxido sólido

José Juan Alvarado Flores

Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) son complejos dispositivos que ofrecen grandes ventajas sobre la manera convencional en la que se produce la energía eléctrica. Muchas de estas ventajas giran alrededor del impacto medioambiental y en particular de la eficiencia energética. Sin embargo, el progreso en el campo de estos dispositivos que funcionan a temperaturas elevadas requiere la continua búsqueda de nuevos materiales con avanzadas propiedades, optimización en su fabricación, tecnologías de vanguardia para el procesamiento de sus principales componentes (ánodo-electrólito-cátodo-sellos) y bajos costos de fabricación. En este sentido, el material de estructura perovskita LaxSr1-xCryMn1-yO3-δ (LSCM) es eficiente, estable en ambientes redox, tiene bajo costo de fabricación y es óptimo para aplicaciones en celdas SOFC. Sus propiedades se comparan favorablemente con el compuesto Ni/YSZ al utilizar hidrógeno como combustible, y cuando se utiliza metano, se requiere de solo el 3% de humedad para prevenir la formación de carbón, que es mucho menor en comparación a cuando se utiliza en Ni/YSZ (50% de humedad). El material LSCM permite que una celda SOFC funcione a temperaturas intermedias alrededor de 700°C. En este artículo se hace una breve revisión sobre las excelentes propiedades y potencial que presenta esta perovskita.

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Palabras clave:Estructura perovskita, Ánodo, Celda de combustible SOFC, Materiales compuestos y energías alternas

Analysis of the perovskite structure LaxSr1-xCryMn1-yO3-δ with potential application as an anode for solid oxide fuel cells

Solid oxide fuel cells (SOFC) are complex devices that offer great advantages over conventional manner in which electrical energy is produced. Many of these advantages revolve around the environmental impact and particularly energy efficiency. However, progress in the field of these devices operating at high temperatures require the continuous search for new materials with advanced properties, optimization in manufacturing, cutting edge technologies for the processing of its main components (anode-electrolyte-cathode-seal) and low manufacturing costs. Here, the perovskite structure material LaxSr1-xCryMn1-yO3-δ (LSCM) is efficient, stable redox environments, has low manufacturing cost and is optimized for SOFC applications. Its properties compare favorably with the compound Ni/YSZ using hydrogen as a fuel; and when methane is used, it requires only 3% moisture to prevent carbon formation, which is much lower compared to when used Ni/YSZ (50% moisture). The LSCM material allows a SOFC cell operate at intermediate temperatures around 700°C. This article provides a brief review of the excellent properties and potential presented by this perovskite.

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Key words: Perovskite structure, Anode, Fuel cell SOFC, Composite materials and alternative energies

83-99

MgO–CaO–Cr2O3 composition as a novel refractory brick: Use of Cr2O3 nanoparticles

Salman Ghasemi-Kahrizsangi, Hassan Gheisari Dehsheikh, Mehdi Boroujerdnia

At this study the effect of Cr2O3 nanoparticles (up to 3wt.%) on the physical and mechanical properties of MgO–CaO refractory composition with emphasis on the hydration resistance improvement have been investigated. Specimens pressed at 90MPa then were sintered at 1650°C for 5h in an electric furnace. Properties such as bulk density, apparent porosity, cold crushing strength and hydration resistance were examined. The crystalline phases and microstructure characteristics of sintered specimens were studied by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM/EDS), respectively. Results shown that add of the 1.5wt.% Cr2O3 nanoparticles have the best results i.e. increased the bulk density (3.41g/cm3), cold crushing strength (848kg/cm2), hydration resistance (1.5%) and decreased apparent porosity (5.58%), respectively. The mechanism of specimens hydration resistance improvement are: (i) decreasing the amount of free CaO and MgO with converted to high hydration resistance phases such as CaCr2O4 and MgCr2O4 phases, (ii) promotion of the densification as well as (iii) modification of the microstructure.

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Key words:Cr2O3 nanoparticles, Hydration resistance, MgO–CaO refractory densification

Nuevos ladrillos refractarios de MgO-CaO-Cr2O3: uso de nanopartículas de Cr2O3

En este trabajo se ha estudiado el efecto de la adición de nanopartículas de Cr2O3 (hasta un 3% en peso) en las propiedades físicas y mecánicas de refractarios de MgO-CaO, poniendo especial énfasis en la mejora de la resistencia a la hidratación. Las muestras fueron prensadas a 90MPa y posteriormente sinterizadas a 1.650°C durante 5h en un horno eléctrico. Se han evaluado propiedades tales como la densidad y la porosidad aparente, la resistencia a la compresión en frío y la resistencia a la hidratación. Las fases cristalinas y las características microestructurales de las muestras sinterizadas se han estudiado mediante difracción de rayos-X (DRX) y microscopia electrónica de barrido (MEB/EDS), respectivamente.

Los mejores resultados se han obtenido con una adición del 1,5% en peso de nanopartículas de Cr2O3, lo cual incrementa la densidad aparente (3, 41 g/cm3), la resistencia a la compresión en frío (848 kg/cm2) y la resistencia a la hidratación (1,5%), y disminuye la porosidad aparente (5,58%), respectivamente.

Los mecanismos de mejora de la resistencia a la hidratación son: 1) disminución de la cantidad de CaO y MgO libre mediante la conversión a fases altamente resistentes a la hidratación, como son las fases CaCr2O4 y MgCr2O4; 2) fomento de la densificación, y 3) modificación de la microestructura.

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Palabras clave: Nanopartículas de Cr2O3, Resistencia a la hidratación, Densificación de refractarios de MgO-CaO

1-12

Properties and structure of Faraday rotating glasses for magneto optical current transducer

Qiuling Chen, Qiuhua Ma, Hui Wang, Qingwei Wang, Yinlei Hao, Qiuping Chen

High heavy metal oxides (60–100mol.%) ternary PbO–Bi2O3–B2O3 (PBB) glasses were fabricated and characterized. Using a homemade single lightway DC magnetic setup, Verdet constants of PBB glasses were measured to be 0.0923–0.1664min/Gcm at 633nm wavelengths. Glasses with substitution of PbO by Bi2O3 were studied in terms of their Faraday effects. PbO–Bi2O3–B2O3=50–40–10mol.% exhibited good thermal stability, high Verdet constant (0.1503min/Gcm) and good figure of merit (0.071). Based on this glass, a magneto optical current sensor prototype was constructed and its sensitivity at different currents was evaluated to be 8.31nW/A.

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Key words:Heavy metal oxides glass, Faraday effect, Verdet constant

Propiedades y estructura de los vidrios rotadores de Faraday del transductor de corriente magneto-óptico

Se fabricaron y se calificaron vidrios ternarios PbO-Bi2O3-B2O3 (PBB) de óxidos metálicos muy pesados (60-100mol%). Con una sencilla y simple instalación magnética de corriente continua se midieron las constantes de Verdet de los vidrios de PBB de 0,0923-0,1664min/Gcm, a longitudes de onda de 633nm. Se estudiaron los efectos Faraday en los vidrios con una sustitución de PbO por Bi2O3. PbO-Bi2O3-B2O3=50-40-10mol% mostró una buena estabilidad térmica, una constante de Verdet elevada (0,1503min/Gcm) y un buen factor de mérito (0,071). Sobre la base de este vidrio se construyó un prototipo de sensor de corriente magneto-óptico y se evaluó su sensibilidad a diferentes corrientes para llegar a 8,31nW/A.

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Palabras clave: Vidrio de óxidos de metales pesados, Efecto Faraday, Constante de Verdet

13-18

Optimization of parameters in the synthesis of 0.90Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–0.10PbTiO3 (PZN-10PT) powders obtained by the mixed oxides method

C.F.V. Raigoza, D. Garcia, J.A. Eiras, R.H.G.A. Kiminami

Preventing the formation of the pyrochlore phase in the synthesis of PZN-PT powders requires controlling calcination parameters such as temperature, soaking time and atmosphere. These parameters were examined extensively to determine the time and temperature at which the perovskite phase is the majority phase, as well as the atmosphere that facilitates the formation of this phase. A maximum of 74% of perovskite phase was obtained under the following conditions: 1000°C, 4h in nitrogen atmosphere. In this work, we studied the influence of these parameters, which were optimized, on the formation the perovskite phase in PZN-10PT powders synthesized by the conventional solid state method.

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Key words:PZN-PT, Perovskite, Pyrochlore, Phase transformation, Temperature, Soaking time, Atmosphere

Optimización de los parámetros en la síntesis de polvos de 0,90Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–0,10PbTiO3 (PZN-10PT) obtenidos por mezcla de óxidos

Evitar la formación de la fase pirocloro en la síntesis de polvos de PZN-PT requiere el control de parámetros en el proceso de calcinación tales como temperatura, tiempo y atmósfera utilizada en el tratamiento térmico. Estos parámetros fueron examinados extensamente para determinar el tiempo y la temperatura a la que la fase perovskita es la fase mayoritaria, así como la atmósfera que facilita la formación de esta fase. Se obtuvo un 74% de la fase perovskita bajo las siguientes condiciones: temperatura de 1.000°C por un tiempo de 4h en atmósfera de nitrógeno. En este trabajo se estudió la influencia de estos parámetros, que fueron optimizados, en la formación de la fase perovskita en polvos cerámicos de PZN-10PT sintetizados por el método de estado sólido convencional.

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Palabras clave: PZN-PT, Perovskita, Pirocloro, Transformación de fase, Temperatura, Tiempo de tratamiento térmico, Atmósfera

19-28

Comportamiento ferroeléctrico de una nanoesfera de titanato de plomo debido a campos de despolarización y a esfuerzos mecánicos

Julio Andrade Landeta, Luis Lascano

Un modelo teórico fundamentado en la teoría de Ginzburg-Landau-Devonshire se ha desarrollado para estudiar y predecir los efectos que produce la disminución del tamaño de partícula en una nanoesfera de PbTiO3, sometida a la acción simultánea de campos de despolarización y esfuerzos mecánicos. Se consideró una nanoesfera con una capa de cargas espaciales en su superficie, y con dominios de 180° generados por la minimización de la energía libre de despolarización. Las densidades de energía de despolarización, de pared de dominio y la densidad de energía electro-elástica fueron incorporadas en la energía libre del sistema. Para la determinación de la polarización espontánea y de la temperatura de transición de la nanopartícula se minimizó la energía libre. Se observa que la estabilidad de la fase ferroeléctrica de la nanoesfera se ve favorecida con la reducción del grosor de la capa de cargas espaciales en la superficie, con la aplicación de esfuerzos de tensión y para configuraciones con un número de dominios de 180° elevado. Además, el modelo predice que no es posible un cambio de orden de la transición ferroeléctrica en la nanoesfera con dominios de 180° bajo la acción de esfuerzos mecánicos.

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Palabras clave:Transición ferroeléctrica, Titanato de plomo, Despolarización, Esfuerzo, Nanopartícula

Ferroelectric behavior of a lead titanate nanosphere due to depolarization fields and mechanical stresses

A theorical model has been developed based on the theory of Ginzburg-Landau-Devonshire to study and predict the effects the decreasing of size particle in a nanosphere of PbTiO3 subjected to the action of depolarization fields and mechanical stress. It was considered that the nanosphere is surrounded by a layer of space charges on its surface, and containing 180° domains generated by minimizing free energy of depolarization. Energy density of depolarization, wall domain and electro-elastic energy have been incorporated into the free energy of the theory Ginzburg-Landau-Devonshire. Free energy minimization was performed to determine the spontaneous polarization and transition temperature system. These results show that the transition temperature for nanosphere is substantially smaller than the corresponding bulk material. Also, it has been obtained that the stability of the ferroelectric phase of nanosphere is favored for configurations with a large number of 180° domains, with the decreasing of thickness space charge layer, and the application of tensile stress and decreases with compressive stress.

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Key words: Ferroelectric transition, Lead titanate, Despolarization, Stress, Nanoparticle

29-38

Comparison of porosity assessment techniques for low-cost ceramic membranes

Maria-Magdalena Lorente-Ayza, Olga Pérez-Fernández, Raquel Alcalá, Enrique Sánchez, Sergio Mestre, Joaquin Coronas, Miguel Menéndez

Several characterization methods were applied to low cost ceramic membranes developed for wastewater treatment in membrane bioreactors (MBRs) and/or tertiary treatments. The membranes were prepared by four different procedures (uniaxial pressing and extrusion, both with and without starch addition to generate pores). The pore size of these symmetric ceramic membranes was measured by two different methods: bubble point and intrusion mercury porosimetry. A good agreement between both methods was achieved, confirming the validity of the bubble point method for the measurement of the mean pore size of membranes. Air and water permeations of these ceramic membranes were also studied. The relationship between the permeation of both fluids is consistent with the ratio of viscosities, according to the Hagen–Poiseuille equation.

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Key words:Membranes, Porosity, Shaping, Bubble point method, Intrusion mercury porosimetry

Comparación de técnicas de medida de la porosidad en membranas cerámicas de bajo coste

En el presente trabajo se han caracterizado mediante diferentes métodos membranas cerámicas de bajo coste desarrolladas para tratar aguas residuales en reactores biológicos de membrana (MBR) o mediante tratamientos terciarios. Las membranas se prepararon mediante diferentes procedimientos (prensado uniaxial y extrusión, con o sin adición de almidón como material generador de poros). El tamaño del poro de estas membranas cerámicas simétricas se determinó mediante 2 métodos diferentes: punto de burbuja y porosimetría de intrusión de mercurio. Los resultados obtenidos mediante ambos métodos mostraban concordancia, lo que confirma la validez del método de punto de burbuja para la medida del tamaño del poro medio de las membranas. Además, se ha estudiado la permeabilidad al aire y agua de estas membranas cerámicas: la relación entre la permeabilidad de ambos fluidos es consistente con el ratio de viscosidades, de acuerdo con la ecuación de Hagen-Poiseuille.

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Palabras clave: Membranas, Porosidad, Conformado, Método de punto de burbuja, Porosimetría de intrusión de mercurio

39-46

Low-temperature synthesis of silicon carbide powder using shungite

Agnieszka Gubernat, Waldemar Pichór, Radosław Lach, Dariusz Zientara, Maciej Sitarz, Maria Springwald

The paper presents the results of investigation the novel and simple method of synthesis of silicon carbide. As raw material for synthesis was used shungite, natural mineral rich in carbon and silica. The synthesis of SiC is possible in relatively low temperature in range 1500–1600°C. It is worth emphasising that compared to the most popular method of SiC synthesis (Acheson method where the temperature of synthesis is about 2500°C) the proposed method is much more effective. The basic properties of products obtained from different form of shungite and in wide range of synthesis temperature were investigated. The process of silicon carbide formation was proposed and discussed. In the case of synthesis SiC from powder of raw materials the product is also in powder form and not requires any additional process (crushing, milling, etc.). Obtained products are pure and after grain classification may be used as abrasive and polishing powders.

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Key words:Silicon carbide, Abrasives powder, Shungite, Low-temperature synthesis

Síntesis de baja temperatura de polvo de carburo de silicio utilizando shunguita

Este trabajo presenta un método novedoso de obtención de carburo de silicio a partir de shunguita, mineral natural rico en carbono, y sílice. La síntesis se realiza a temperatura relativamente baja (1.500-1.600°C) respecto a las temperaturas (∼2500°C) requeridas en el método Acheson. Se describen la propiedades básicas de los productos obtenidos a partir de diferentes formas de shunguita y utilizando una amplia gama de temperaturas de síntesis. Se propone un proceso de formación del carburo de silicio. Cuando se obtiene el carburo de silicio a partir de materias primas en forma de polvo, el producto tiene también esta forma y no requiere ningún proceso adicional (trituración, molienda, etc.). Una vez clasificados los tamaños, el producto puede utilizarse directamente como abrasivo.

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Palabras clave: Carburo de silicio, Abrasivos, Shungita, Síntesis a baja temperatura

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Vol 56, N° 2 (2017) - Marzo / Abril