Zn/Ti oranının ZMAS (ZnO-MgO-Al2O3–SiO2) cam seramiklerin kristallenme davranışı üzerine olan etkisi / The effect of Zn/Ti ratio on crystallization behavior of zmas ZMAS (ZnO-MgO-Al2O3–SiO2) glass ceramics

Abstract

Mevcut çalışmada temel bileşim %15ZnO, %20,48 MgO, %19,90Al2O3, %38,62SiO2 olup; farklı Zn/Ti oranını karşılayacak şekilde bileşimdeki ZnO'nun ağırlıkça azaltılıp yerine TiO2'nin sisteme dahili olarak ilave edilmesiyle üç farklı kompozisyon hazırlanmıştır. ZMAS-1, ZMAS-2 ve ZMAS-3 olarak adlandırılan sistemler ZMAS-1 için ağırlıkça %15ZnO, %20,48MgO, %19,90Al2O3, %38,62SiO2, %5TiO2, %1Sb2O3; ZMAS-2 için ağırlıkça %12,5ZnO, %20,48MgO, %19,90Al2O3, %38,62SiO2, %7,5TiO2, %1Sb2O3 ve ZMAS-3 için ağırlıkça %10ZnO, %20,48MgO, %19,90Al2O3, %38,62SiO2, %10TiO2, %1Sb2O3 içermektedir. Stokiyometrik olarak MAS üçlü denge diyagramının spinel oluşum bölgesinde belirlenerek hazırlanan reçeteler doğrultusunda saf hammaddelerin tartımı sonucu başlangıç ZMAS toz bileşimleri elde edilmiştir. Homojenizasyon işlemi bilyalı değirmende 12 saat kuru ortamda gerçekleştirilmiş ve bu işlemin ardından ZMAS toz karışımları asansörlü ergitme fırını yardımı ile alümina pota içerisinde 1450-1500°C sıcaklık aralığında 3,5 saat sürede ergitilmiştir. Eriyik cam grafit kalıp içerisine dökülüp şekillendirilmiş ve bu işlemin hemen ardından 600°C'de tavlama fırınında 1 saat boyunca gerilim giderme tavlaması işlemi gerçekleştirilmiştir. ZMAS esaslı cam numunelere kırma-öğütme-eleme, işlemleri yapılarak fazların belirlenmesi için XRD ve ısıl özelliklerin belirlenebilmesi için, DTA analizleri uygulanmıştır. Üretilen ZMAS camlar, DTA analizi yardımı ile belirlenen sıcaklıklar ve sürelerde (800°C-950°C 1-5 saat) 5°Cdk ısıtma hızında yapının mukavemet kazanması için tek kademeli ısıl işlem uygulanarak sinterlenmesi ile ZMAS cam-seramikler elde edilmiş olup; XRD ve SEM analizleri yapılmıştır. Gerçekleştirilen XRD analizlerine göre ZMAS esaslı cam-seramiklerin gahnit, enstatit ve kuvars fazlarından oluştuğu belirlenmiştir. ZMAS esaslı cam-seramiklerin mikrosertlik, yoğunluk ve dielektriksel özellikleri de incelenmiştir. ZMAS esaslı cam-seramik malzemeler için belirlenen sertlik değerleri sinterleme sıcaklık ve süresine bağlı, olarak 548-1020 HV0,05 aralığında değişkenlik göstermektedir. Arşimet yöntemiyle belirlenen yoğunlukların ise 2,13-3,05 g/cm3 değerleri arasında olduğu görülmüştür. Zn/Ti oranının azalmasıyla beraber dielektrik sabitinin azalma yönünde ve dielektrik kaybının ise artma yönünde bir eğilim gösterdikleri tespit edilmiştir.

In this study, the basic composition is 15%ZnO, 20.48%MgO, 19.90%Al2O3, 38.62%SiO2, and three compositions were prepared by reducing the weight of ZnO in the composition and adding TiO2 internally to the system in order to obtain different Zn/Ti ratios. The prepared powder mixtures were named as ZMAS-1, ZMAS-2 and ZMAS-3. ZMAS-1 contains 15%ZnO, 20.48%MgO, 19.90%Al2O3, 38.62%SiO2, 5%TiO2, %1Sb2O3 by weight; ZMAS-2 contains, 12.5%ZnO, 20.48MgO, 19.90%Al2O3, 38.62%SiO2, 7.5%TiO2, %1Sb2O3 and ZMAS-3 contains 10%ZnO, 20.48MgO, 19.90%Al2O3, 38,62%SiO2, 10%TiO2, %1Sb2O3 by weight. ZMAS powder compositions were obtained by weighing the stoichiometrically determined pure raw materials in the spinel formation region of the MAS triple equilibrium diagram. The homogenization process was performed in a ball mill in a dry environment for 12 hours, and after the process, ZMAS powder mixtures was put into alumina, crucibles and melted at 1450- 1500°C of 3,5 hours. The molten glass was shaped by casting into a graphite mold and immediately after this process, it was kept in an annealing furnace at 600°C for 1 hour. XRD for phase analysis and DTA analysis for determination of thermal properties were applied to the produced ZMAS-based glasses by performing crushing-grinding-sieving processes. ZMAS glass ceramics were obtained by sintering the produced ZMAS glasses at the temperatures and times determined by DTA analysis (800°C -950°C 1-5 hours) at a heating, rate of, 5°C /min by applying a single-stage heat treatment to gain strength; XRD and SEM analyses were conducted. According to the XRD analyzes carried out, it was determined that the ZMAS-based glass ceramics consisted of gahnite, enstatite and quartz phases. Microhardness, density and dielectric properties of ZMAS-based glass ceramics were also investigated. The hardness, values measured for ZMAS glass ceramics, vary between 548-1020 HV0,05, depending, on the crystallization temperature, and time. Density values determined by Archimedes method are between 2.13-3.05 g/cm3. It has been determined that with the decrease of the Zn/Ti ratio, the dielectric constant tends to decrease and the dielectric loss to increase.