Il vetro silicato di calcio-magnesio-alluminio (CaO.MgO.Al₃O₃.SiO₂) è un materiale con proprietà interessanti per diverse applicazioni ad alta temperatura. La ricerca si è concentrata sullo sviluppo e sulla caratterizzazione di questo sistema vetroso e delle sue ceramiche derivate.
Sviluppo e Composizione
Un particolare sistema vetroso a base di CaO.MgO.Al₃O₃.SiO₂ è stato studiato utilizzando una composizione specifica: 52,00% in peso di SiO₂, 16,00% in peso di Al₂O₃, 12,00% in peso di CaO, 8,00% in peso di MgO, 2,00% in peso di K₂O, 6,00% in peso di TiO₂, 0,30% in peso di NaCl e 3,70% in peso di altri componenti. Il vetro genitore è stato fuso a 1600°C per 3 ore in un forno a muffola. Il vetro fuso è stato colato in barre, ricotto a 600°C per 1 ora e infine raffreddato a temperatura ambiente. A causa della presenza di impurità nei materiali di partenza, i vetri prodotti presentano un aspetto fisico brunastro.
Cristallizzazione e Trattamento Termico
I vetri base sono stati cristallizzati in ceramiche vetrose utilizzando un programma di trattamento termico a doppio stadio. La cristallizzazione del sistema base CaO.MgO.Al₃O₃.SiO₂ è stata studiata con temperature di nucleazione e crescita dei cristalli rispettivamente di 363°C e 663°C, e tempi di permanenza da 1 a 4 ore. Le ceramiche vetrose risultanti sono state caratterizzate mediante diffrazione a raggi X (XRD) e microscopia elettronica a scansione (SEM).
L'analisi XRD ha identificato le fasi cristalline precipitate nella matrice vetrosa residua del campione mantenuto in permanenza per 4 ore come albite, quarzo, wollastonite e witherite. Il risultato della SEM ha rivelato che la microstruttura del campione è caratterizzata da aggregati densi, di forma circolare e aghiforme, insieme a vuoti di dimensioni micrometriche dispersi nella matrice della fase vetrosa residua.
Proprietà Fisiche e Meccaniche
Le proprietà di densità e durezza sono aumentate, mentre la perdita di peso è diminuita all'aumentare del tempo di permanenza nei campioni analizzati. L'aggiunta di Al₂O₃ alla composizione chimica del filamento di vetro silicato di calcio-magnesio è stata studiata per migliorarne la struttura della rete vetrosa, la cristallizzazione e le proprietà di dissoluzione. I risultati mostrano che con l'aggiunta di Al₂O₃, la struttura della rete vetrosa si è rafforzata e la precipitazione dei cristalli è stata inibita per i filamenti trattati termicamente.
Applicazioni Potenziali
Il filamento di vetro silicato di calcio-magnesio è considerato un materiale candidato per le fibre ceramiche alluminosilicati nel campo della resistenza alle alte temperature. Tuttavia, la sua elevata contrazione termica limita il suo rapido sviluppo e l'applicazione industriale nel campo dell'isolamento ad alta temperatura. Le ceramiche vetrose derivate da un vetro genitore nel sistema CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂ sono state valutate per applicazioni di sigillatura nelle celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC). Il comportamento di sinterizzazione è stato studiato mediante analisi termica differenziale e microscopia a stadio caldo. La composizione vetrosa ha mostrato un comportamento di contrazione in un unico stadio con elevata capacità di sinterizzazione e una viscosità adatta di 107.1 dPa·s alla temperatura operativa delle SOFC di 900°C.
#216 Come fare il VETRO SOLUBILE (sintesi del SILICATO DI SODIO)
I coefficienti di espansione termica (CTE) misurati sono stati di 9,7 x 10⁻⁶ K⁻¹ (200-500°C) e circa 10,1 x 10⁻⁶ K⁻¹ (200-700°C) per il vetro e le ceramiche vetrose, rispettivamente, in buon accordo con quelli tipici dei componenti delle SOFC. L'analisi di Weibull è stata applicata ai dati di flessione a tre punti delle ceramiche vetrose per ottenere la distribuzione della resistenza meccanica, la resistenza caratteristica e il modulo di Weibull. La buona corrispondenza del CTE, i valori di resistenza a flessione, il buon comportamento di sinterizzazione e l'adesione agli altri componenti in atmosfera di aria permettono di proporre questa composizione vetrosa come candidato promettente per ulteriori esperimenti come sigillante per SOFC.
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