EXAFS and XRD Study of the Structural Evolution during Isothermal Sintering of SnO2 Xerogels

The formation of an ordered (crystalline) phase during isothermal sintering of SnO2 monolithic xerogels, at 200, 250, 300, 400, 500, 600 and 700°C, has been analyzed by the combined use of EXAFS and XRD techniques. For the desiccated gel (110°C), EXAFS results show the formation of small microcrystallites with the incipient cassiterite structure. Between 110 and 250°C, the dehydratation reaction leads to an amorphization evidenced by a decrease of the long and short range crystallographic order. It is due to fissure formation in the xerogel network. For higher temperatures, a continuous coagulation of the crystallites occurs, leading to grain growth. Grain and pore growth obeys the same kinetic relation, so that the microstructure grows by simple enlargement while its morphology is static.

Anisotropy of crystallite growth during sintering of SnO2 xerogels

The crytallite and pore-size evolution during isothermal sintering (400 ≤ T ≤ 700°C) of SnO2 xerogels was studied by X-ray line broadening and nitrogen adsorption-desorption isotherms. The experimental results show a strong anisotropy of crystallite growth between [110] and [101] directions. The preferential growth at [101] is followed by an increase in the mean pore size, reduction of the specific surface area and invariance of total pore volume. This behaviour is typical of grain coalescence sintering. The kinetic analysis of experimental results suggests that the crystallite coalescence at [101] is governed by lattice diffusion. The strong anisotropy of the growth causes pore-size distribution broadening, hindering the macroscopic shrinkage of the compact during sintering. © 1996 Chapman & Hall.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Study of Structure and Properties of Bi4Ti3O12 Prepared by Mechanochemical Syntheses

Bi4Ti3O12 powder was synthesized from bismuth oxide and titanium oxide. Mixture of oxides was milled in zirconium oxide jar in the planetary ball-mill during 1, 3 and 6 h. Extended time of milling directed to formation of higher amount of titanates perovskite phase. Bi4Ti3O12 was formed between 1 and 3 h of milling time. The phase formation of Bi4Ti3O12, crystal structure and powder particle size were followed by XRD, Raman spectroscopy and SEM analysis. After milling for various times the powders were compacted by pressing and isothermal sintering. Sample milled for 3 h and subsequently sintered at 1000C for 24 h exhibit a hysteresis loop, confirming that the synthesized material possesses ferroelectric properties. All results affect that the structure Bi4Ti3O12 is strongly dependent on the milling time.

Precipitation induced densification in a sintered Al-Zn-Mg-Cu alloy

It is demonstrated that slow cooling to 200 degrees C from a high sintering temperature (620 degrees C) reduces porosity in an Al-8Zn-2.5Mg-1Cu powder compact when compared to isothermal sintering at the higher temperature for a longer time. The reduction in porosity is attributed to shrinkage associated with removal of solute from the aluminium solid solution and heterogeneous precipitation of the eta phase (MgZn2), particularly onto pore surfaces. (c) 2006 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Sintering of beta titanium: Role of dislocation pipe diffusion

Sintering of titanium in its high temperature beta phase was studied by isothermal dilatometry. The sintering shrinkage y did not follow the normal time exponent type of behaviour, instead being described by the equation y = Kt(m)/[1-(A+Bt)(2)], where m = 1.93 +/- 0.07, with an activation energy of 62-90 kJ mol(-1). A detailed analysis of these results, based on the 'anomalous' diffusion behaviour reported for beta titanium, is carried out. It is shown that the generation of a high density of dislocations during the alpha --> beta phase transformation, coupled with sluggish recovery at the sintering necks, enables sintering mass transport by pipe diffusion through dislocation cores from sources of matter within the particles to become dominant.

Phase equilibria in the Fe-Zn-O system at conditions relevant to zinc sintering and smelting

Zincite and spinel phases are present in the complex slag systems encountered in zinc/lead sintering and zinc smelting processes. These phases form extensive solid solutions and are stable over a wide range of compositions, temperatures and oxygen partial pressures. Accurate information on the stability of these phases is required in order to develop thermodynamic models of these slag systems. Phase equilibria in the Fe–Zn–O system have been experimentally studied for a range of conditions, between 900°C and 1580°C and oxygen partial pressures (pO2) between air and metallic iron saturation, using equilibration and quenching techniques. The compositions of the phases were measured using Electron probe X-ray microanalysis (EPMA). The ferrous and ferric bulk iron concentrations were determined using a specially developed wet-chemical analysis procedure based on the use of ammonium metavanadate. XRD was used to confirm phase identification. A procedure was developed to overcome the problems associated with evaporation of zinc at low pO2 values and to ensure the achievement of equilibria. An isothermal section of the system FeO–Fe2O3–ZnO at high ZnO concentrations at 1200°C was constructed. The maximum solubilities of iron and zinc in zincite and spinel phases in equilibrium were determined at pO2 = 1 × 10-6 atm at 1200°C and 1300°C. The morphology of the zincite crystals sharply changes in air between 1200–1300°C from rounded to plate-like. This is shown to be associated with significant increase in total iron concentration, the additional iron being principally in the form of ferric iron. Calculations performed by FactSage with a thermodynamically optimised database have been compared with the experimental results.

The effects of sintering profiles on the resistance and flatness of transparent conducting oxide substrates for DSC

The effects of sintering on several properties of FTO and ITO substates used in DSC have been investigated. FTO & ITO substrates were prepared with a range of sizes and aspect ratios - emulated laboratory style test cells through to prototype modules. Time and temperature of the sintering profiles were varied and sheet resistance and flatness measured. Electrical properties of the substrates were then further characterized by electrochemical impedance spectroscopy, and module sized devices were assembled and thickness variations over the device area were determined and related to performance.

Ultrafast near infrared sintering of TiO2 layers on metal substrates for dye-sensitized solar cells

A limiting step to roll-to-roll production of dye-sensitized solar cells on metals is TiO2 sintering (10-30 min). Near infrared (NIR) heating is a novel process innovation which directly heats titanium substrates giving rapid binder removal and sintering. NIR heating (for 12.5 s) at varying power gave titanium temperatures of 545, 685 and 817 degrees Celsius yielding cells with efficiencies of 2.9, 2.8 and 2.5%. Identical cells prepared in a conventional oven (1800 s) at 500, 600 and 800 degrees Celsius gave 2.9, 2.6 and 0.2% efficiency. NIR sintering is ultrafast and has a wide process window making it ideal for rapid manufacturing on metals.

Unsteady natural convection in a triangular enclosure under isothermal heating

The fluid flow and heat transfer inside a triangular enclosure due to instantaneous heating on the inclined walls are investigated using an improved scaling analysis and direct numerical simulations. The development of the unsteady natural convection boundary layer under the inclined walls may be classified into three distinct stages including a start-up stage, a transitional stage and a steady state stage, which can be clearly identified in the analytical and numerical results. A new triple-layer integral approach of scaling analysis has been considered to obtain major scaling relations of the velocity, thicknesses, Nusselt number and the flow development time of the natural convection boundary layer and verified by direct numerical simulations over a wide range of flow parameters.

The effect of temperature dependent viscosity on MHD natural convection flow from an isothermal sphere

Laminar magnetohydrodynamic (MHD) natural convection flow from an isothermal sphere immersed in a fluid with viscosity proportional to linear function of temperature has been studied. The governing boundary layer equations are transformed into a non-dimensional form and the resulting nonlinear system of partial differential equations are reduced to convenient form which are solved numerically by two very efficient methods, namely, (i) Implicit finite difference method together with Keller box scheme and (ii) Direct numerical scheme. Numerical results are presented by velocity and temperature distribution, streamlines and isotherms of the fluid as well as heat transfer characteristics, namely the local skin-friction coefficients and the local heat transfer rate for a wide range of magnetohydrodynamic paramagnet and viscosity-variation parameter.

Natural convection from a plane vertical porous surface in non-isothermal surroundings

In this paper, laminar natural convection flow from a permeable and isothermal vertical surface placed in non-isothermal surroundings is considered. Introducing appropriate transformations into the boundary layer equations governing the flow derives non-similar boundary layer equations. Results of both the analytical and numerical solutions are then presented in the form of skin-friction and Nusselt number. Numerical solutions of the transformed non-similar boundary layer equations are obtained by three distinct solution methods, (i) the perturbation solutions for small � (ii) the asymptotic solution for large � (iii) the implicit finite difference method for all � where � is the transpiration parameter. Perturbation solutions for small and large values of � are compared with the finite difference solutions for different values of pertinent parameters, namely, the Prandtl number Pr, and the ambient temperature gradient n.

MHD natural convection flow from an isothermal horizontal circular cylinder under consideration of temperature dependent viscosity

Magnetohydrodynamic (MHD) natural convection laminar flow from an iso-thermal horizontal circular cylinder immersed in a fluid with viscosity proportional to a linear function of temperature will be discussed with numerical simulations. The governing boundary layer equations are transformed into a non-dimensional form and the resulting nonlinear system of partial differential equa-tions are reduced to convenient form, which are solved numerically by two very efficient methods, namely, (i) Implicit finite difference method together with Keller box scheme and (ii) Direct numerical scheme. Numerical results are presented by velocity and temperature distributions of the fluid as well as heat transfer characteristics, namely the shearing stress and the local heat transfer rate in terms of the local skin-friction coefficient and the local Nusselt number for a wide range of magnetohydrodynamic parameter, viscosity-variation parameter and viscous dissipation parameter. MHD flow in this geometry with temperature dependent viscosity is absent in the literature. The results obtained from the numerical simulations have been veri-fied by two methodologies.