Reaction Sintering of Kyanite and Alumina to Form Mullite Composites

Abstract

Submicron alumina was selected as the matrix to which the mineral kyanite was added to produce an aqueous alumina-kyanite suspension from which a green body could subsequently be cast and reaction-sintered. Naturally-occurring kyanite thermally decomposes above 1400°C to form mullite and free silica. By sintering the mineral in an alumina-rich matrix the silica subsequently reacts to form additional mullite, thereby forming an alumina-mullite composite. Characterisation techniques including sedimentation and rheology were employed to optimise aqueous processing conditions. The most stable dispersion pH for alumina-kyanite suspensions containing up to 20 vol% kyanite was 3.5. Composite green bodies were slip cast and sintered, and the products evaluated using X-ray diffraction, electron probe microanalysis, hardness, toughness and dielectric properties. The resulting 78% alumina-22% mullite material formed a fine-grained structure (∼1μ) with 14% decrease in shrinkage, 11% reduction in linear expansion coefficient and a 34% decrease in dielectric constant relative to alumina. © 1999 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reservedRésuméOn a choisi l'alumine, ayant moins qu'un micromètre, comme matrice à laquelle on a ajouté le mineral cyanite pour la production d'une suspension aqueuse d'alumine-cyanite. À partir de cette suspension, on moule un corps vert et on le fritte par réaction. La cyanite naturelle se d é compose thermiquement, au-dessus de 1400°C, en mullite et en silice libre. En frittant le minéral dans une matrice riche en alumine, la silice reagit ensuite pour former de la mullite additionnelle, formant ainsi un compose d'alumine-mullite. On a employé des techniques de caractemploy érisation incluant la sédimentation et la rhéologie pour l'optimisation des conditions aqueuses de mise en forme. Le pH de dispersion le plus stable des suspensions d'alumine-cyanite contenant jusqu à 20% en volume de cyanite était de 3.5. Les corps verts composes ont été coules en barbotine puis frittes. On a utilise la diffraction des rayons x, la microanalyse par sonde électronique, la durete, la tenacite et les proprietes dielectriques pour evaluer les produits. Le materiel resultant, 78% alumine-22% mullite, formait une structure à grains fins (∼1 μ), avec une diminution de 14% du rétrecissement, une réduction de 11% du coefficient d'expansion linéaire et une diminution de 34% de la constante diélectrique relative à l'alumine. © 1999 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved