Manufacturing and characterization of alumina/alumina-doped laminates: colloidal processing, dopants diffusion, and mechanical behavior

Abstract

Neste trabalho, laminados cerâmicos à base de alumina foram desenvolvidos por colagem de fitas, seguida de laminação e sinterização. A otimização do processamento coloidal pelo ajuste adequado dos parâmetros atingiu a estabilização das partículas, com auxílio de um agente dispersante. Análises térmicas revelaram a remoção de água residual e aditivos orgânicos de cadeia curta em temperaturas abaixo de 215 °C, de aditivos de cadeia longa acima de 300 °C, e de orgânicos residuais ao se atingir 525 °C. A adição de 4 m% de TiO2+MnO reduziu a temperatura inicial de sinterização e aumentou a sinterabilidade da alumina. Os sinterizados apresentaram as fases cristalinas alumina alfa, rutilo e MnTiO3. Altas concentrações de Mn e Ti foram observados nos pontos triplos e nos contornos de grão, bem como dentro dos grãos de alumina. A alumina dopada apresentou valores maiores de densidade, tamanho de grão, dureza e módulo de elasticidade comparados à alumina pura, os quais aumentaram com o aumento da temperatura de sinterização. Uma zona de difusão de dopantes foi observada nas camadas de alumina pura, logo após a interface com as camadas alumina dopada. Essa zona apresentou uma diminuição gradual nos valores das propriedades, refletindo em um gradiente decrescente da quantidade de dopantes à medida que se afasta da interface. A resistência mecânica da alumina pura e dopada, sinterizadas à 1350 e 1200 °C respectivamente, foi estatisticamente equivalente. A respeito dos laminados, a resistência dos que possuem finas camadas porosas (razão 4:1) não foi diferente das referências. No entanto, à medida que a espessura dessas camadas aumentou (razão 1:1 e 1:2), uma diminuição na resistência foi observada. As referências apresentaram valores constantes de tenacidade à fratura (KIC), ~2 MPa·m1/2, e propagação de trinca linear. Por outro lado, KIC dos laminados aumenta quando a trinca se propaga da camada porosa para a densa. Esse comportamento foi mais evidente com o aumento da espessura das camadas fracas. A superfície de fratura dos laminados com interfaces porosas apresentou pequenos desvios com a propagação da trinca através das intercamadas. Entretanto, não foram observadas diferenças significativas na resistência mecânica, no trabalho e na tenacidade à fratura.

Abstract: In this work, alumina-based ceramic laminates were developed via aqueous tape casting, with subsequent lamination and sintering. Optimized colloidal processing through proper adjustment of parameters was achieved to reach particle stabilization, with the aid of a dispersant agent. The thermal analyses revealed the release of residual water and decomposition of short-chain organics at temperatures under 215 °C, long-chain additives over 300 °C, with complete burn out of organics after 525 °C. The addition of 4 wt% of TiO2+MnO reduced the initial sintering temperature and increased the sinterability of alumina (Al2O3). Sintered samples presented a-alumina, rutile, and MnTiO3 as crystalline phases. High concentrations of Mn and Ti were observed at triple points and grain boundaries, as well as within alumina grains. Compared to pure alumina, doped alumina (d-Al2O3) presented higher average grain size, hardness, and Young?s modulus, which increased with increasing sintering temperature. A diffused zone with dopants was observed through the pure alumina layers, right after the interface with the doped alumina ones. This zone presented a gradual decrease in properties? values, corresponding to a decreasing gradient in the dopants concentration in the Al2O3 layer with increasing distance from the interface. The mechanical strength of d-Al2O3 samples sintered at 1200 °C was not statistically different from Al2O3 samples sintered at 1350 °C. Regarding doped-pure alumina laminates, the strength of laminates with thin weak interlayers (4:1 ratio) did not change compared to references. Nevertheless, as the thickness of these weak interlayers increased (1:1 ratio or higher), a loss of strength was observed. Monolithic references showed constant values of fracture toughness (KIC), ~2 MPa·m1/2, and linear crack path. On the other hand, the KIC of laminates was higher when the crack propagates from weak layers to dense layers. This behavior was more evident as the weak layers? thickness increased. Regarding Al2O3 laminates with porous interlayers, fracture surfaces presented small deviations when the crack propagates through porous interlayers. However, no significant differences were observed in the strength, work of fracture, and fracture toughness.