Foam and bulk cordierite ceramics: preparation, characterization and modelling

Abstract

Os materiais cerâmicos à base de cordierite são normalmente usados como materiais refractários devido às propriedades que possuem, tais como, excelente expansão térmica e elevada resistência ao choque térmico. Os pós precursores consistem numa composição estequeométrica de minerais à base de alumina, talco, α-quartzo, K-feldspato, caolinite e mulite, bem como uma pequena quantidade de calcite, cristobalite e fases vítreas derivadas da moloquite, obtidas pela calcinação da caolinite a elevadas temperaturas (1550ºC). Os corpos em verde consolidados por enchimento por barbotina foram sinterizados ao ar a diferentes temperaturas: 1050, 1150, 1250, 1350, 1425 e 1500°C. Os resultados obtidos por difracção de Raios-X mostraram que a cristalização ocorre entre 1250 e 1350ºC e que a composição inclui não só cordierite mas também mulite, alumina e quartzo residual. Aumentando a temperatura de sinterização para 1500ºC, a única fase cristalina detectada é a mulite, juntamente com uma elevada fracção de porosidade envolta por uma abundante fase vítrea. Além dos efeitos originados pela temperatura, a sinterização é também dependente do tempo. Por este motivo, o tratamento térmico foi efectuado ao fim de 2, 4 e 8 h de patamar de modo a relacionar as composições obtidas com o tempo de sinterização. As composições obtidas à base de cordieritemulite- alumina apresentam baixo coeficiente de expansão térmico 2~4x10-6/K e resistência à flexão relativamente elevada, 90~120 MPa. As amostras sinterizadas a 1250ºC durante 2 e 4 h apresentam os valores mais elevados de resistência ao choque térmico (ΔT~350-400 K). Além destas propriedades, os materiais à base de cordierite também apresentam baixa constante dieléctrica (entre 5 e 10) e um baixo factor de perda dieléctrica, o que faz deles materiais com forte potencial para aplicações em circuitos integrados como substratos dieléctricos. A constante dieléctrica em função da temperatura foi medida desde a temperatura ambiente até 600ºC, tendo-se verificado estabilidade das propriedades dieléctricas a 1 MHz em toda a gama de temperaturas testada. As propriedades reológicas das suspensões à base de cordierite foram optimizadas de forma a obter uma boa impregnação do polímero. As propriedades mecânicas das espumas cerâmicas obtidas pelo método de replicação da espuma polimérica foram caracterizadas com base nas propriedades dos cerâmicos densos. O módulo de Young foi determinado pelo método de excitação por impulso. A teoria micro-mecânica para materiais heterogéneos conhecida como método de “Mori-Tanaka” foi aplicada para estimar o módulo efectivo das espumas cerâmicas. Dos resultados obtidos verifica-se um desfasamento entre os valores experimentais (1~2 GPa) e os teóricos (6~7 GPa). A tomografia computadorizada por Rais-X foi usada para estudar a estrutura tridimensional (3D) das espumas cerâmicas por análise de elementos finitos (FEA). As propriedades elásticas foram estudadas pelo cálculo da força de reacção na deformação elástica. Embora a estrutura tridimensional calculada das espumas cerâmicas represente apenas uma pequena fracção da estrutura, os resultados mostram que a correlação entre eles é fortemente melhorada pelo método de Mori-Tanak. A razão apontada para o desfasamento é a existência de uma estrutura interna oca, que não é tida em conta no modelo utilizado. Por outro lado, o método CT mostra que a estrutura porosa e a diferença no microestrutura poderá também ser simulada. O resultado da análise de elementos finitos mostrou que as espumas cerâmicas são muito quebradiças, o que é consistente com a observação experimental obtida nos testes de compressão.

Cordierite ceramics have excellent thermal expansion and thermal shock resistance for applications such as refractory materials. The precursor powder consisted of a non-stoichiometric composition of minerals containing corundum, talc, α-quartz, K-feldspar, kaolinite and mullite as well as small amount of calcite, Cristobalite and glass phases probably derived from molochite, produced by calcining kaolinite at high temperature (1550 ºC). The green consolidates were sintered in air at 1050, 1150, 1250, 1350, 1425 and 1500°C. It was discovered by XRD that cordierite crystallization takes place between 1250 oC and 1350 oC while the composition includes not only cordierite but also mullite and alumina and residual quartz. At 1425oC, the ceramics consisted of cordierite and mullite. With further increasing the sintering temperature to 1500 oC mullite was the single crystalline phase detected, together with a high porosity fraction embedded in an abundant glassy phase. Besides the temperature effects, sintering was also time-dependent, therefore heat treatment was conducted for 2, 4 and 8 h to study the sintering time– composition relationships. The cordierite-mullite-alumina heterogeneous ceramics were obtained with low thermal expansion coefficient of 2~4x10-6/K and relatively high flexural strength of 90~120 MPa. Thermal shock resistance measurements demonstrated that the samples sintered at 1250 oC for 2 h and 4 h exhibited the highest thermal shock resistance values (ΔT~350-400 K). Cordierite ceramics also exhibited very low dielectric constant (between 5 and 10) and low dielectric loss factor, showing a good potential for low dielectric substrate applications in integrated circuits. The dielectric constant as function of temperature was measured from RT to 600oC, demonstrating to have very stable dielectric properties at 1 MHz across the entire temperature range. The cordierite slurries were prepared with optimized rheological properties and impregnation conditions to coat the polymer struts by dip casting. The mechanical properties of ceramics foams fabricated by polymer replica method were characterised on basis of properties of bulk ceramics. The foam’s effective Young’s modulus was determined by Impulse excitation method. Micro-mechanical theory for heterogeneous material known as “Mori-Tanaka” method was applied to model the effective modulus of ceramics foam. The results showed that the agreement was not good between experimental (1~2 GPa) and modelling (6~7 GPa) data. In the meantime, Computed X-ray tomography was applied to study the actual 3D structure of ceramic foams for Finite Element Analysis (FEA). Elastic properties were studied by calculating the reaction force in elastic deformation. Although the calculated 3D structure of the ceramic foams represents only small fraction of the structure, the results showed that the agreement has greatly improved over Mori-Tanaka method. The reason of disagreement from the former method is the existence of internal hollow structure in ceramics struts, which is not taken into account in the model. On the other hand, CT method revealed the hollowed structure and the influence of such microstructure could be simulated. The FEA also showed that the ceramic foams are very brittle, which is consistent with the experimental observation under compression tests.