Синтеза и карактеризација керамике на бази сфена

Abstract

Механохемијска активација стехиометријске смеше реактаната TiO2, SiO2 и CaCO3 показала се као веома успешна и једноставна метода за добијање сфена (CaTiSiO5). На основу мерења релативних густина свих синтерованих узорака установљено је да максималну густину од 93,9 % имају узорци који су активирани 30 минута и синтеровани на 1200 °С. Микроструктурном анализом, тј. анализом слика синтерованих узорака активираних 30 минута, које су добијене скенирајућом електронском микроскопијом, опажа се бимодална расподела величине зрна, са просечном величином од 3 μm, односно 5 μm. Ритвелдовом анализом је потврђено присуство сфена, који кристалише у просторној групи P21/a, као примарне кристалне фазе. Перовскит и коесит, јављају се као секундарне кристалне фазе на свим температурама. Квантитативном рендгенским анализом израчунат је удео присутних фаза и он износи: 93,3 % за сфен, 2,9 % за перовскит и 3,8 % за коесит. Механохемијском активацијом сфена и Cr(NO3)9H2O у стехиометријском односу прерачунатом у односу на формулу CaTi1−yCrySiO5, где је у = 0,0003, 0,0005, 0,0010, 0,0015, 0,0035 и 0,0050, добијени су чврсти раствори. Најбољи однос количине допанта и реемисије, као и јачине обојења има узорак CaTi0,999Cr0,001TiO5. Микроструктурном анализом механички активираних пигмената сфена CaTi1−yCrySiO5 допираних хромом опажа се унимодална расподела величине честица, са просечном величином зрна од око 1μm, која је пожељна за примену пигмената. Дифузно-рефлексиони спектри узорака CaTi1−yCrySiO5 cy показали широку траку са апсорпционим максимумом на 500 nm која се односи на присуство Cr4+ јона у октаедарској координацији. Трака на 570 nm се приписује 4A2g→4T1g(F) и 4A2g(F)→4T2g(F) електронском d-d прелазу Cr3+ у октаедарском окружењу. Спектралне карактеристике узорака допираних јонима хрома показују могућност њихове примене као браон пигмената...

Sphene (CaTiSiO5) was successfully obtained from a mixture of TiO2, SiO2 and CaCO3 using mehanochemical activation. This simple method proved to be suitable to get sphene ceramics. Theoretical density was calculated for each sample after sintering. It was shown that the highest density of 93.9 % have samples with grinding time of 30 min on 1200 °C. The microstructure analysis from scanning electron microscope images shows bimodal grain distribution. The average particle size estimated from SEM images is 3 μm and 5 μm. Rietveld refinement confirms that sphene crystallizes in space group P21/a аѕ a principle crystalline phase. The other two phases (perovskite and coesite) are present at all temperatures indicating its minor amounts. Quantitative analysis was calculated from the Rietveld refinement. Percentage of each phase is 93.3 % for sphene, 2.9 % for perovskite and 3.8 % for coesite. Ceramic pigments with the stoichiometry of sphene and different Cr(NO3)9H2O content (CaTi1−yCrySiO5, with y = 0.0003, 0.0005, 0.0010, 0.0015, 0.0035 and 0.0050) were successfully obtained using mechanochemical activation. The optimum pigment (best hue with lowest Cr content) is obtained with 0.1 % Cr, and the highest brown component is reached in the pigment corresponding to the formula CaTi0.999Cr0.001TiO5. The microstructure analysis from scanning electron microscope images shows unimodal grain distribution with the average particle size around 1 μm which is very desirable for the ceramic pigment application. The difussion-reflectance spectra of sphene show a broad band centered around 500 nm and can be explained by the presence of Cr4+. The d-d electron transitions of Cr4+ are hosted in distorted octahedral coordination. The band at 570 nm is attributed to the 4A2g→4T1g(F) and 4A2g(F)→4T2g(F) transitions of Cr3+ in octahedral sites. Spectral characteristics of sphene doped with different concentration of Cr imply that it can be used as brown pigment...