Kaolin based ceramics obtained by Freeze casting process

Abstract

(Eng) Freeze casting offers a tremendous opportunity to obtain bio-inspired synthetic materials that mimic microstructural characteristics of natural materials like bone and nacre. These natural materials display high strength and toughness; properties usually desired in synthetic engineering materials. The freeze casting process involves four basic steps. The ceramic slurry preparation consists of fine ceramic particles that are suspended in a fluid. In the current work, water based kaolin suspensions were prepared varying the volume fraction of ceramic particles. After the ceramic slurry is properly prepared, the slurry is frozen. The solidification process is often performed using directional freezing, which creates laminar pores, providing the microstructural characteristics of the final part. When a crystal is formed the frozen front moves the particles around it, allowing particles to agglomerate around the crystal, creating different types of pores. In the present study, freezing rates were varied. Subsequently, the samples have to be lyophilized in order to sublimate the frozen liquid phase. Sublimation is the transformation of a solid phase directly to the gas phase. As a result the lyophilized sample has a porous structure with a replica of the water crystals formed during freezing. As a final step, sintering of ceramics is performed. Results of the microstructural characteristics of the samples revealed that varying the volume fraction of ceramic particles and freezing rates have a direct influence on the pore characteristics, changing from circular to laminar pores.

(Spa) El proceso de Freeze casting ofrece la oportunidad de obtener materiales sintéticos que imitan características microestructurales de materiales naturales como el hueso y el nácar. Estos materiales se caracterizan por presentar una buena combinación de resistencia y tenacidad; propiedades deseables en materiales sintéticos de ingeniería. El proceso de Freeze casting consiste en cuatro pasos. Primero, preparación de una suspensión coloidal de partículas cerámicas, en este trabajo se utilizaron suspensiones a base de caolín y agua con diferentes concentraciones de caolín. Luego de preparadas las suspensiones, se realizó un proceso de congelamiento direccional que brinda las características microestructurales de la parte final, obteniendo poros alineados debido a la formación direccional de los cristales de agua que mueven las partículas cerámicas alrededor de ellos, creando distintas tipologías de poros. En este trabajo se varió la velocidad de enfriamiento del proceso. Después de congelada la suspensión coloidal de partículas cerámicas se realizó un proceso de liofilización el cual cambia la fase sólida del agua, obtenida del proceso de congelamiento, a gas sin pasar por estado líquido, permitiendo que la parte mantenga la forma de los cristales de agua. Finalmente, se realiza el proceso de sinterizado. Resultados del análisis microestructural de las muestras obtenidas revela que la variación de la concentración de partículas cerámicas en la suspensión coloidal y la variación de la velocidad de enfriamiento en el proceso de solidificación tiene un efecto considerable sobre la microestructura obtenida. Las microestructuras varían desde poros columnares hasta poros esféricos.