Assessment of compatibility between BICUVOX and Y-TZP for obtaining composite oxygen ion conductors

The BICUVOX is a potential candidate for devices that require materials with high ionic conductivity at intermediate temperatures. However, deficiencies such as low mechanical resistance and thermodynamic stability in reducing atmospheres have been introducing unsolved obstacles for technological appliance of this material. Unlike BICUVOX, the Y-TZP phase presents high mechanical resistance and high stability under reducing atmospheres. However, it does not display high ionic conductivity at intermediate temperatures. In this work we studied the compatibility between the BICUVOX and Y-TZP for the development of composites oxygen ion conductors. The composites were prepared by liquid phase and solid-state sintering. All characteristics were determined by XRD, SEM, DSC, diametral compression, impedance spectroscopy and treatments in H2 atmosphere. Using the BICUVOX as liquid phase additive, destabilization of tetragonal zirconia and formation of YVO4 take place. However, the solid state sintering enables the development of dense composite with up to 26% of Y-TZP. The composite with 26% of Y-TZP exhibited α = 10.10-6 ºC-1, which is a lower value than the one found for the BICUVOX, in addition to 144% higher mechanical resistance than for the BICUVOX. Also, for this composite a deleterious order-disorder transformation, γ ↔γ, was inhibited. All these improvements are attributed to the effect of Y-TZP both in the inhibition of grain growth, as well as in the preferential location among the grain boundaries of the BICUVOX matrix. However, the increase of grain boundaries and the Y-TZP as an additional phase, reduced the total electrical conductivity in composites. No resistance to γ-Bi4V1,8Cu0,2O10,7 phase decomposition was observed after exposure to H2. A general assessment indicates that the best properties are found in composite with 13 and 26% of Y-TZP, showing some improved properties in relation to each isolated materials.Universidade Federal de Sao CarlosO BICUVOX é um potencial candidato para dispositivos que requerem materiais com elevada condutividade iônica em temperaturas intermediárias. No entanto, deficiências como baixas resistência mecânica e estabilidade termodinâmica em atmosferas redutoras têm introduzido obstáculos não resolvidos para aplicação tecnológica deste material. Diferentemente do BICUVOX, a Y-TZP apresenta elevada resistência mecânica e alta estabilidade em atmosferas redutoras, mas, não exibe suficiente condutividade iônica em temperaturas intermediárias. Neste trabalho foi estudada a compatibilidade entre o BICUVOX e a Y-TZP para o desenvolvimento de compósitos condutores de íons de oxigênio. Os compósitos foram preparados por sinterização na presença de fase líquida e no estado sólido. As características foram determinadas por DRX, MEV, DSC, compressão diametral, espectroscopia de impedância e tratamentos em atmosfera de H2. Quando o BICUVOX é utilizado como formador de fase líquida, ocorre desestabilização da zircônia tetragonal e formação de YVO4. No entanto, a sinterização no estado sólido permite o desenvolvimento de compósitos densos com até 26% de Y-TZP. O compósito com 26% de Y-TZP exibiu α = 10.10-6 ºC-1, valor inferior ao encontrado para o BICUVOX, além de resistência mecânica 144% maior que para o BICUVOX. Também, para este compósito uma deletéria transformação de ordem-desordem, γ ↔γ, foi inibida. Todas estas melhorias são atribuídas ao dual efeito da Y-TZP tanto na inibição de crescimento de grão como na localização preferencial entre os contornos da matriz de BICUVOX. No entanto, o aumento da quantidade de contornos de grão e a Y-TZP como uma fase adicional nos contornos reduziu a condutividade elétrica total dos compósitos. Outro fato, é que no compósito, não foi evitado a decomposição da fase γ-Bi4V1,8Cu0,2O10,7 após exposição em atmosfera de H2. Uma avaliação geral indica que as melhores propriedades são encontradas nos compósitos com 13 e 26% de Y-TZP, mostrando propriedades em parte melhoradas relativamente aos componentes isolados

Zircônia CO-dopada por compensação de cargas nos sistemas (ZrO2)1-(x+y)(InO1,5)x(MOz)y com MOz = TaO2,5, NbO2,5, MoO3 ou WO3, como revestimento para barreira térmica

InO1.5-stabilized zirconia (InSZ) is a potential hot corrosion resistant thermal barrier coating (TBC). However, the thermal instability prevents real applications of InSZ-based TBC. This thesis investigates the hypothesis of co-doping using the charge compensation to improve the phase stability of InSZ. Four co-doping systems were synthesized by coprecipitation and studied: (ZrO2)1-(x+y)(InO1.5)x(MOz)y with MOz = TaO2.5, NbO2.5, MoO3, or WO3. After synthesis, 9 mol% of InO1.5 plus the charge-compensating oxides was sufficient to stabilize the tetragonal phase. Specific surface area up to 106.1 m2.g-1 and crystallite size ~11 nm were achieved using ethanol washing followed by azeotropic distillation as dehydration technique in the precipitates. In these powders, initial thermal stability analysis indicated instability of the tetragonal phase, with extension of the t→m transformation less detrimental in the InMoSZ system. Further increase in the concentration of InO1.5:MoO3 results in monophasic samples with retention of cubic phase in the InMoSZ. Cubic InMoSZ exhibited hardness and thermal expansion coefficient of 13.5% and 9% higher than those of InSZ, respectively. However, thermal treatments at T ≥ 1200 °C showed that the InMoSZ is also passive to destabilization of the high temperature cubic polymorph. Although the cubic InMoSZ was the most promising system found in this thesis, the stability results do not support its application as TBC for temperatures ≥ 1000 ºC. A deep evaluation of the phase transformations between 1000 to 1200 °C indicated that the instability of the proposed systems is due to a progressive c→t→m destabilization of the polymorphs. This c→t→m transformation is directly associated with the reduction of the InO1.5 stabilizer in solid solution by volatilization as In2O during heat treatment. At temperatures ≤ 800 ºC, the c→t phase transformation do not occurs, then, InSZ-based TBC is stable in these conditions.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)A zircônia estabilizada com InO1,5 (InSZ) é um material com potencial aplicação como revestimentos para barreira térmica (TBC) resistentes à corrosão. Contudo, a instabilidade de fases impede aplicações industriais da InSZ. Esta tese investiga a ação da co-dopagem por compensação de cargas como uma estratégia para aumentar a estabilidade de fases da InSZ. Quatro sistemas de co-dopagem foram sintetizados por co-precipitação e estudados: (ZrO2)1-(x+y)(InO1,5)x(MOz)y com MOz = TaO2,5, NbO2,5, MoO3 ou WO3. Após a síntese, 9 %mol de InO1,5 somado a concentração de óxidos compensadores de carga foi suficiente para estabilização da fase tetragonal. Área superficial específica de até 106,1 m2.g‒1 e tamanho de cristalitos de ~11 nm foram obtidos utilizando a lavagem com etanol seguida por destilação azeotrópica como técnica de desidratação dos precipitados. Para estes pós, testes de estabilidade térmica indicaram instabilidade da fase tetragonal, com extensão de transformação t→m menos detrimental no sistema InMoSZ. Aumentando gradativamente a concentração de InO1,5-MoO3 na InMoSZ resulta em amostras monofásicas com retenção da fase cúbica. A InMoSZ cúbica exibiu dureza e coeficiente de expansão térmica até 13,5% e 9% superiores aos valores da InSZ, respectivamente. No entanto, tratamentos em temperaturas ≥ 1200 ºC indicaram que a InMoSZ é também suscetível a desestabilização da fase cúbica. Embora a InMoSZ cúbica tenha sido o sistema mais promissor obtido nesta tese, os resultados de estabilidade indicam que sua aplicação como TBC não é possível em temperaturas ≥ 1000 ºC. Uma avaliação detalhada das fases formadas após os tratamentos entre 1000 a 1200 ºC demonstrou que a instabilidade dos sistemas estudados é decorrente de uma transformação progressiva tipo c→t→m. A origem da transformação c→t→m é associada a redução da concentração do estabilizador InO1,5 em solução sólida por volatilização como In2O durante os testes de estabilidade térmica. Em temperaturas ≤ 800 ºC, a transformação c→m não ocorre, neste caso, TBCs baseadas em InSZ são estáveis termicamente para aplicações industriais

Resumos em andamento - Cerâmicas e Vidros

Resumos em andamento - Cerâmicas e Vidro

Boletín oficial de la provincia de Santander: Número 79 - 1881 Octubre 05

Porcelanas aluminosas contendo diferentes concentrações de Fe2O3 foram sinterizadas em atmosfera oxidante e redutora. A microestrutura e fases formadas foram investigadas com o auxílio de difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura. Espectroscopia de impedância foi utilizada para estudar as propriedades elétricas. Os resultados indicaram que todas as amostras apresentaram mulita e coríndon como fases majoritárias e pequenas frações de quartzo. A adição de Fe2O3 provocou o surgimento de hematita nas amostras sinterizadas em atmosfera oxidante e, ferro metálico nas amostras contendo > 3%p sinterizadas em atmosfera redutora. Os espectros de impedância indicam que as características da fase vítrea e interface entre fase vítrea /fases cristalinas regem o comportamento elétrico global das amostras. Não obstante, diferentes atmosferas de queima provocam efeitos opostos na resistividade elétrica das porcelanas contendo Fe2O3. A presença de hematita foi considerada a responsável pela diminuição da resistividade elétrica nas amostras sinterizadas em atmosfera oxidante, enquanto que o aumento na resistividade elétrica das amostras sinterizadas em atmosfera redutora foi atribuído à elevada quantidade de fase vítrea e porosidade. Estes resultados indicam que atmosfera redutora durante a queima pode favorecer o uso de matérias-primas com maiores concentrações de Fe2O3, desde que todo óxido de ferro tenha se dissolvido na fase liquida durante a queima.Aluminous porcelain containing different Fe2O3 concentrations were sintered in oxidizing and reducing atmosphere. The microstructure and crystalline phase formation were investigated by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. Electrical properties were investigated by Impedance spectroscopy. The results indicated that all samples showed mullite and corundum as major phases and small fractions of quartz. The addition of Fe2O3 caused the appearance of hematite in samples sintered in oxidizing atmosphere and metallic iron for the samples containing > 3%wt. and sintered in reducing atmosphere. The impedance spectrum indicates that the glass phase and crystal/glassy phase interface govern the overall electrical behavior of the samples. However, different firing atmospheres cause opposite effect on the electrical resistivity of the porcelain containing Fe2O3. The presence of hematite was considered to be responsible for the decrease in resistivity for samples sintered in oxidizing atmosphere, whereas the increase in the resistivity of the sample sintered in a reducing atmosphere was attributed to the high amount of glassy phase and porosity. These results indicate that reducing atmosphere during firing may favor the use of raw materials with higher concentrations of Fe2O3, since all iron oxide have been dissolved into the melting phase during the sintering of porcelain bodies

Synthesis of core-shell magnetic nanoparticles containing ultra-small domains of silicalite-1

International audienc

Synthesis of core-shell magnetic nanoparticles containing ultra-small domains of silicalite-1

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