Modification of Quartz Ceramics by Applying a Sol-Gel Composition of MgO–Al2O3–ZrO2–SiO2 System

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Composite sol-gel materials of the MgO–Al2O3–ZrO2–SiO2 system were synthesized and the processes of their thermal evolution and crystallization were studied. Application of sol-gel compositions of the MgO–Al2O3–ZrO2–SiO2 system to the surface of quartz ceramics leads to a significant increase in the mechanical strength of the material. The processes of thermal evolution of the sol-gel composition were studied using IR spectroscopy, X-ray diffraction, electron microscopy, and energy dispersive analysis. It was shown that the formation of the oxide composite structure of materials begins at the stage of wet gels. Treatment of quartz ceramics with composite sols followed by drying and heat treatment up to 1200°C results in modification of the surface layers of the material, which makes it possible to increase the mechanical strength of the material by more than 20%. Sol-gel modifying compositions, upon drying and subsequent heat treatment, form polycrystalline structures bonded to quartz ceramic particles and consisting of various oxide crystals.

About the authors

S. K. Evstrop'ev

ITMO University; Vavilov State Optical Institute; St. Petersburg State Institute of Technological (Technical University)

Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru
197101, St. Petersburg, Russia; 192171, St. Petersburg, Russia; 190013, St. Petersburg, Russia

V. M. Volynkin

Vavilov State Optical Institute

Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru
192171, St. Petersburg, Russia

A. S. Saratovskiy

St. Petersburg State Institute of Technological (Technical University); Institute of Silicate Chemistry named after I. V. Grebenshchikov, Russian Academy of Sciences

Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru
190013, St. Petersburg, Russia; 199034, St. Petersburg, Russia

D. P. Danilovich

St. Petersburg State Institute of Technological (Technical University)

Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru
190013, St. Petersburg, Russia

V. V. Demidov

Vavilov State Optical Institute

Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru
192171, St. Petersburg, Russia

K. V. Dukel'skiy

ITMO University; Vavilov State Optical Institute

Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru
197101, St. Petersburg, Russia; 192171, St. Petersburg, Russia

D. V. Bulyga

ITMO University; Vavilov State Optical Institute

Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru
197101, St. Petersburg, Russia; 192171, St. Petersburg, Russia

S. O. Sysolyatin

Vavilov State Optical Institute

Author for correspondence.
Email: acjournal.nauka.nw@yandex.ru
192171, St. Petersburg, Russia

References

  1. Pivinskii Yu. E., Tsarev V. F., Tereshchenko Z. E., Koneva L. S. The slip casting rate for quartz ceramics // Refractories. 1973. V. 14. P. 509-512. https://doi.org/10.1007/BF01284421
  2. Xu H., Liu J., Guo A., Du H., Hou Z. Porous silica ceramics with relatively high strength and novel bi-modal pore structure prepared by a tba-based gel-casting method // Ceram.Int. 2011. V. 38. N 2. P. 1725-1729. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.09.013
  3. Dehghani P., Soleimani F. Effect of cristobalite content on physical, dielectric constant, and bending strength of fused silica ceramics formed by slip casting method // Advanced Ceram. Progr. 2021. V. 7. N 22. P. 16-22. https://doi.org/10.30501/ACP.2021.286931.1060
  4. Wan Wei, Huang Chun-e, Yang Jian, Zheng Jinzhen, Qiu Tai. Effect of sintering temperature on the properties of fused silica ceramics prepared by gel casting //j. Electron. Mater. 2014. V. 43. P. 2566-2569. https://doi.org/10.1007/s11664-014-3112-7
  5. Casasola R., Ma Rincón J., Romero M. Glass-ceramic glazes for ceramic tiles: A Review //j. Mater. Sci. 2012. V. 47. P. 553-582. https://doi.org/10.1007/s10853-011-5981-y
  6. Kaya G., Karasu B. ZrO2-CaO-MgO-SiO2 (ZrCMS) system glass-ceramic glazes suitable for porcelain tiles // Proceeding of Austceram & The 3rd Int. Conf. of Advanced Materials Processing. 2004. P. 301-302.
  7. Ferrari A. M., Barbieri L., Leonelli C., Manfredeni T., Siligardi C., Corradi A. B. Feasibility of using cordierite glass-ceramics as tile glazes. //j. Am. Ceram. Soc. 1997. V. 80. N 7. P. 1757-1766. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1997.tb03049.x
  8. Bondioli F., Taurino R., Ferrari A. M. Functionalization of ceramic tile surface by sol-gel //j. Colloid Interf. Sci. 2009. V. 334. N 2. P. 195-201. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2009.02.054
  9. Pasiut K., Partyka J., Lesniak M. Jelen P., Olejniczak Z. Raw glass-ceramics glazes from SiO2-Al2O3-CaO-MgO-Na2O-K2O system modified by ZrO2 addition - Changes of structure, microstructure and surface properties // Open Ceram. 2021. V. 8. 100188. https://doi.org/10.1016/j.oceram.2021.100188
  10. Евстропьев С. К., Волынкин В. М., Шашкин А. В., Гатчин Ю. А., Дукельский К. В., Коробейников А. Г., Поляков В. И. Влияние одностадийной обработки кварцевой керамики гелеобразующими растворами на прочностные характеристики // Науч.-техн. вестн. информационных технологий, механики, оптики. 2014. № 5. C. 46-51.
  11. Liu B., Gao M., Liu X., Zhao X., Zhang J., Yi X. Thermal stable nanoporous ZrO2/SiO2 HYBRID aerogels for thermal insulation // ACS Appl. Nano Mater. 2019. V. 2. N 11. P. 7299-7310. https://doi.org/10.1021/acsanm.9b01791
  12. Gorelova A. V., Evstropiev S. K., Efremov A. M., Konovalov A. V., Petrovskii G. T., Semenov A. D., Shashkin V. S. Inorganic sol-gel synthesis of monolithic silica glasses with the use of aerosils // Glass Phys. Chem. 1999. V. 25. N 3. P. 274-280.
  13. Adachi T., Sakka S. The Role of N,N-dimethylformamide, A DCCA, in the formation of silica gel monoliths by sol-gel method //j. Non-Cryst. Solids. 1988. V. 99. N 1. P. 118-128. https://doi.org/10.1016/0022-3093(88)90464-4.
  14. Bortkevich A. V., Dymshits O. S., Zhilin A. A., Polushkin A. Yu., Tsenter M. Ya., Shashkin A. V., Golubkov V. V., Bʹen V.-B., Li K.-K., Pak E.-B. Study of phase transformation in titanium-containing magnesium-aliminum silicate glasses and glass-ceramics for diffuse reflectors //j. Opt. Technol. 2002. V. 69. N 8. P. 558-594. https://doi.org/10.1364/JOT.69.000588
  15. Zandonà A., Moustrous M., Véron C. G. E., Canizarès A., Allix M. Glass-forming ability and ZrO2 saturation limits in the magnesium aluminosilicate system // Ceram.Int. Elsevier, 2021. hal-03478059f. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.12.051
  16. Petrović R., Janaćkocić D., Zec, S., Drmanić S. Ž., Kostić-Gvozdenović L. J. Crystallization behavior of alkoxy-derived cordierite gels //j. Sol-Gel Sci. Technol. 2003. V. 28. N 1. P. 111-118. https://doi.org/10.1023/1025649406466
  17. Tsai M.-T. Synthesis of nanocrystalline enstatite fiber via alkoxide sol-gel process //j. Am. Ceram. Soc. 2005. V. 88. N 7. P. 1770-1772. https://dx.doi.org/10.1111/j.1551-2916.2005.00359.x
  18. Pagliari L., Dapiaggi M., Pavese A., Francescon F. A Kinetic study of the quartz-crystobalite phase transition //j. Eur. Ceram. Soc. 2013. V. 33. N 15. P. 3403-3410. https://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2013.06.014
  19. Lange P. Evidence for disorder-induced vibration mode coupling in thin amorphous sio2 films //j. Appl. Phys. 1989. V. 66. 201. https://dx.doi.org/10.1063/1.344472
  20. Borrajo J. P., Liste S., Serra J., González P., Chiussi S., León B., Pérez-Amor M., Ylänen H. O., Hupa M. Influence of the network modifier content on the bioactivity of silicate glasses // Key Eng. Mater. 2004. V. 254-256. P. 23-26. https://doi.org/10.4028/www/scientific.net/KEM.254-256.23
  21. Damayanti N. P. Preparation of superhydrophobic pet fabric from Al2O3-SiO2 hybrid: Geometrical approach to create high contact angle surface from low contact angle materials //j. Sol-Gel Technol. 2010. V. 56. P. 47-52. https://doi.org/10.1007/s10971-010-2271-0
  22. Ficheux M., Burov E., Aquilanti G., Trcera N., Montouillout V., Cormier L. Structural evolution of high zirconia aluminosilicate glasses //j. Non-Cryst. Solids. 2020. V. 539. 120050. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2020.120050
  23. Castro Y., Aparicio M., Moreno R., Durán A. Silica-zirconia sol-gel coating obtained by different synthesis routes //j. Sol-Gel Sci. Technol. 2005. V. 34. P. 1-9. https://doi.org/10.1007/s10971-005-3213-0
  24. Pivinskii Yu. E., Dyakin P. V., Kolobov A. Yu. Research in the area of preparing materials based on fused quartz HCBs. Part 8. Effect of alkali additions on ceramic sintering and cristobalitization in nonisothermal heating regime // Refract. Industr. Ceram. 2016. V. 57. P. 27-32. https://doi.org/10.1007/s11148-016-9921-x

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».