Influencia de la deficiencia de itrio en la sinterización de cerámicos YBaCuO (123)

Influence of yttrium deficiency on the sintering of YBaCuO (123) ceramics

Influencia de la deficiencia de itrio en la sinterización de cerámicos YBaCuO (123)

Influence of yttrium deficiency on the sintering of YBaCuO (123) ceramics

E. Benavidez^I; C.J.R. González Oliver^II,III

^IFacultad Regional San Nicolás, Universidad Tecnológica Nacional, Colón 332 - (2900) San Nicolás, Argentina. e-mail: [e-mail] ^IICentro Atómico Bariloche, C.N.E.A. Av. Bustillo Km. 9,5 - (8400) Bariloche, Argentina

^IIICONICET e-mail: [e-mail]

RESUMEN

En este trabajo se analiza la densificación del cerámico superconductor YBa₂Cu₃O_7-x (123) a partir de compactos conformados con dos composiciones deficientes en itrio con respecto a la relación catiónica superconductora Y:Ba:Cu = 1,0:2,0:3,0. La evolución térmica de los polvos se estudió por ATD-TG, en atmósfera de O₂, hasta la zona de descomposición peritéctica del sistema YBa₂Cu₃O_7-x (» 1050ºC). La densificación de estos compactos se analizó por medio de dilatometrías realizadas bajo similares condiciones a las establecidas para los ATD-TG. Los mecanismos dominantes del sinterizado fueron analizados por medio de modelos aplicados a las curvas dilatométricas. De acuerdo a los datos combinados de dilatometrías y ATD-TG, se verifica que el mecanismo de sinterización por fase líquida (SFL) controla el 85% de la contracción total del compacto de composición Y_0,7Ba_2,0Cu_3,3O_x (C2), el cual presenta un temprano crecimiento de granos (CG) desde los 860ºC. El proceso de CG no se detecta en el compacto de composición Y_0,7Ba_2,3Cu_3,1O_x (C1) a temperaturas menores a los 900ºC. Para ambas composiciones se postula que, a partir de 900ºC, el mecanismo de SFL está presente por medio del proceso de reacomodamiento y luego, en el rango 930-975ºC, el mecanismo de solución-precipitación es el proceso dominante en el SFL.

Palabras claves: YBa₂Cu₃O_x, sinterización, densificación, ATD-TG, dilatometría

ABSTRACT

In this work the densification of YBa₂Cu₃O_7-x (or 123) ceramic starting from compacts with two compositions having lower Y-contents relative to the superconducting cationic Y:Ba:Cu ratios equal to 1.0:2.0:3.0 were analyzed. Thermal evolution of the powders was monitored by DTA-TG, under O₂-flow, up to the peritectic decomposition temperature, Tp»1050ºC. The sintering/densification behavior of these compacts was followed by dilatometric runs under the same DTA-TG conditions. The main sintering mechanisms were analyzed using theoretical models fitted to the densification curves allowing the calculation of the apparent sintering enthalpies. According to dilatometric and DTA-TG runs, the liquid phase sintering (LPS) mechanism controls 85% of the total shrinkage in compact of composition Y_0,7Ba_2,0Cu_3,3O_x (C2) presenting an early grain growth (GG) contribution to densification from 860ºC. It should be noted no GG was detected in compact of composition Y_0,7Ba_2,3Cu_3,1O_x (C1) at temperatures lower than 900ºC. From 900ºC the LPS is thought to be present by the rearrangement stage and then, in the range 930-975ºC, the solution-precipitation process in LPS would be the main densification mechanism.

Keywords: YBa₂Cu₃O_x, sintering, densification, DTA-TG, dilatometry

1 Introducción

Es sabido que el grado de densificación de un cerámico influye de forma directa sobre las distintas propiedades del material. En el caso del cerámico superconductor YBa₂Cu₃O_7-x, también conocido como 123, es importante conocer su comportamiento de densificación durante el tratamiento térmico, ya que el porcentaje de porosidad que presenta este tipo de material tiene influencia directa sobre sus propiedades superconductoras [1]. Así, la densificación y el crecimiento de granos del cerámico YBa₂Cu₃O_7-x define su microestructura, lo que a su vez, influye fuertemente en sus propiedades superconductoras.

En trabajos previos se analizó la densificación de compactos 123 con adiciones de Ag [2] y Sr [3], donde se evalúo la aplicación de diferentes modelos de sinterizado sobre la curva de contracción.

Siguiendo con este tipo de estudio se busca analizar el comportamiento de densificación del sistema-123 partiendo de compactos con diferentes composiciones químicas. En el presente trabajo se evalúan los mecanismos involucrados en la densificación de compactos cerámicos 123 con deficiencia de itrio respecto a la relación Y:Ba:Cu=1:2:3. Comprobándose que la presencia de pequeñas desviaciones respecto a esta relación 1:2:3 relación provoca, previo a su descomposición peritéctica, importantes cambios en el comportamiento de su densificación. Esta deficiencia de itrio promueve la presencia, a partir de 925-935ºC, de un líquido que acelera notablemente la densificación del cerámico.

2 Experimental

Los polvos de partida fueron obtenidos a través del secado (70ºC, 24 h) de soluciones organometálicas formadas a partir de acetato de itrio, metoxietóxido de bario y butirato de cobre disueltos en solventes alcohólicos. Se diseñaron para este estudio dos composiciones deficientes en itrio respecto a la estequiométrica Y:Ba:Cu = 1:2:3 (denominadas C1 y C2). Ambos polvos presentaron un color verde intenso.

Los polvos ya secos fueron sometidos a un tratamiento de calcinación (890ºC, 12h) bajo flujo de O₂, y durante su etapa de enfriamiento se los sometió a un tratamiento intermedio de oxigenación (460ºC, 6h). Ambos polvos transformaron a un color negro.

Análisis dispersivo en energía (EDS) fue empleado para determinar la composición de los polvos. Las relaciones Y:Ba:Cu determinadas para las composiciones fueron: C1 = 0,7:2,3:3,1 y C2 = 0,7:2,0:3,3.

La identificación de las fases cristalinas presentes en cada uno de estos polvos de partida se realizó mediante difracción de rayos X (DRX) en un equipo Philips PW 1700.

La morfología de los polvos tratados fueron observados por microscopía electrónica de barrido (MEB) con un microscopio Philips 515.

Los ensayos de análisis térmico diferencial y termogravimetría (ATD-TG) fueron efectuados en forma simultánea en un equipo Netzsch STA-409. Las corridas fueron realizadas a una velocidad de calentamiento de 10ºC/min en atmósfera dinámica de O₂.

Aproximadamente 50 mg de cada tipo de polvo se prensó uniaxialmente (100 MPa) en una matriz cilíndrica. Las dimensiones típicas de las pastillas tuvieron 3,88 mm de diámetro y 1,09 mm de altura. Estos compactos, previo a los ensayos dilatométricos, fueron tratados a 750ºC, por 4 horas bajo flujo de O₂, para eliminar componentes orgánicos. Luego de este tratamiento no se detectó ninguna modificación en las dimensiones de las muestras.

Las dilatometrías fueron realizadas sobre los compactos en condiciones similares a las establecidas para los ensayos de ATD-TG.

Los modelos de sinterización aplicados sobre las curvas dilatométricas obtenidas fueron detallados en trabajos previos [2, 3, 8]. Básicamente, consistieron en evaluar las entalpías asociadas a distintos mecanismos responsables de la densificación de materiales cerámicos y vidrios, como ser: difusión en estado sólido (por volumen y por borde de grano), flujo viscoso y sinterización con asistencia de fase líquida.

3 Resultados

Las figuras 1 y 2 muestran la morfología de los polvos C1 y C2, respectivamente, luego del tratamiento térmico a 890ºC durante 12 horas en O₂. Se observa que el polvo C1 presenta granos de tamaño menor a 1 mm, mientras que el polvo C2 exhibe granos del orden de los 2 mm, mostrando indicios de un incipiente crecimiento de granos.

De acuerdo a los DRX, en el polvo C1 se detectaron dos fases: 123 y 011, mientras que en el polvo C2 se detectaron tres fases:123, 011 y 001 (donde:123 = YBa₂Cu₃O_x , 011 = BaCuO₂ y 001 = CuO).

Las curvas de ATD-TG de ambos polvos (Figuras 3 y 4) presentan varios picos endotérmicos previos a la Tp. Siguiendo trabajos previos [4-6] se pueden considerar las siguientes reacciones (donde:211 = Y₂BaCuO₅ y 202 = Y₂Cu₂O₅).

925-935ºC: 123 + 011 + 001 → L(e1)

963-975ºC: 123 + 001 → 211 + L(p1)

995-1005ºC: 211+001 → 202+ L(p2)

1012-1015ºC: 123 + 011 → 211 + (p3)

011 → L(m2)

211 + 011 → L(e3)

1020-1037ºC: 123→ 211+ L(m1)

En ambas figuras se muestran, además, las curvas dilatométricas de los compactos, con su respectiva derivada d()/dT. En las mismas se observa que las mayores velocidades de contracción, para ambos compactos, se presentan en el rango 925-945ºC.

En las Tablas 1, 2 y 3, se presentan las entalpías de activación (Q) de los distintos modelos aplicados. En la Tabla 1, , corresponden a las energías asociadas a los mecanismos de sinterización por difusión por volumen (subíndice v) y por borde de granos (subíndice b) correspondientes a la etapa inicial del sinterizado (supraíndice ini).

En todas las tablas se coloca el intervalo de temperatura donde fue realizado el ajuste (Rango de ajuste) y el porcentaje de contracción involucrado ().

4 Anális y discusión

De acuerdo a la curva de dilatometría, el compacto de composición C1 inicia su contracción a partir de 790ºC y desarrolla su etapa inicial de sinterizado en el rango 818-901ºC con una de 553 kJ/mol. Por otro lado, el compacto C2 inicia su contracción a una temperatura superior (827ºC) y una también mayor (1061 kJ/mol) que es dominante en el rango entre 863-909ºC. Sin embargo, debe destacarse que en dicho intervalo de temperaturas: 863-901ºC, el ajuste que considera el crecimiento de grano (etapa intermedia del sinterizado) presenta una Q menor ( = 432 kJ/mol). Por lo tanto, este mecanismo se presenta como el más probable a ocurrir. Además, esta tendencia al CG a temperaturas menores a los 900ºC por parte del compacto C2, se pone de manifiesto en las imágenes de MEB (Figuras 1 y 2), obtenidas sobre los polvo tratados a 890ºC (12 h). En dicha imagen el polvo C2 muestra indicios de operación del CG.

Cabe mencionar, además, que capas de unos 2-5 mm de espesor con una composición química similar a la C2, fueron depositadas sobre substratos de titanato de estroncio (SrTiO₃) y tratadas 8 horas a 870ºC en O₂. Imágenes de MEB de la morfología desarrollada por dichas películas, confirman un crecimiento de los granos a estas temperaturas [7, 8].

Los modelos de densificación por reacomodamiento de granos originado por la presencia de líquido, ajusta muy bien en el compacto C2 cuando la temperatura supera los 900ºC. En este caso la energía de activación = 1447 kJ/mol en el rango 901-930ºC y es del mismo orden que las calculadas para los mecanismos de difusión de estado sólido. Es muy probable que ambos mecanismos, de reacomodamiento y CG se estén desarrollando en forma simultánea en este rango. Luego, a partir de 932ºC y hasta 948ºC continúa una etapa de solución–precipitación ( = 814 kJ/mol) la cual se desarrolla hasta alcanzar una contracción del 20%. Por lo tanto, alrededor del 85% de la contracción total de esta compacto se debe a la sinterización con ayuda de una fase líquida.

Lo expuesto está en acuerdo con un trabajo de Hwang et al. [9] donde se comprobó que una muestra rica en CuO promueve una mayor densificación debido a la presencia de una fase líquida. En nuestro caso, la presencia de fase líquida es atribuida a la reacción eutéctica (e1) que se presenta a 925-935º y genera el líquido L(e1), rico en Ba y Cu. Esta reacción tiene asociada una pérdida de masa Dm/m_o del 0,71% en el polvo C2.

Luego de los 950ºC el compacto C2 ha alcanzado un valor elevado de la contracción (DL/Lo » 22%). A partir de 980ºC, la contracción se mantiene en un valor aproximadamente constante que oscila entre 24-25%. De acuerdo a las curvas de ATD, se registran reacciones posteriores a esta temperatura previas a la Tp; sin embargo, no se observan posteriores modificaciones en la curva dilatométrica, por lo que se puede interpretar que los líquidos que se generan en la región entre 950ºC y la Tp no producen ni contracción en el compacto ni exudado de líquidos.

El compacto C1 no desarrolla CG a temperaturas por debajo de los 900ºC. A mayor temperatura, los mecanismos de reacocomodamiento y CG por difusión de estado sólido, comparten el dominio del rango 900-930ºC, con una Q de unos 1200 kJ/mol. Entre 930-941ºC la etapa de solución-precipitación es dominante con una = 715 kJ/mol, pero, en este caso, se interrumpe para volver a dominar en el rango 950-973ºC con una considerablemente menor (192 kJ/mol). El menor contenido de CuO en este polvo se cree que es responsable de la menor contracción (» 15%) alcanzada por este compacto.

De la curva TG, se verifica una continua perdida de peso en el rango 950-1012ºC con una Dm/m_o del 0,20%, provocado por las reacciones que generan los líquidos peritécticos L(p₂) y L(p₃). A temperaturas superiores a los 973ºC, ninguno de los modelos de densificación utilizados logra ajustar esta zona de temperaturas. Una probable explicación a esto, puede hallarse si se interpreta que los líquidos generados a estas temperaturas no promueven un fenómeno de solución-precipitación, por lo tanto no efectúan ningún aporte a la densificación del sistema.

Alrededor de los 1030ºC, el compacto C1 inicia un proceso de expansión. Este hecho puede ser explicado si se considera la reacción a 1010ºC y la descomposición peritéctica, ambos generan una considerable cantidad de fase 211. La formación de esta fase en el sistema Y-Ba-Cu-O trae asociada una expansión considerable del volumen provocado por el coarsening de partículas [10, 11].

5 Conclusiones

Los modelos aplicados en las diferentes etapas de la curva de densificación se correlacionaron muy bien con los datos de ATD-TG y las morfologías halladas en los polvos de ambas composiciones.

La deficiencia de itrio en el sistema YBaCuO-123 promueve la presencia, alrededor de los 925-935ºC, de un líquido eutéctico L(e1), rico en Ba y Cu, que acelera notablemente la densificación del cerámico.

El polvo de composición Y_0,7Ba_2,0Cu_3,3O_x (C2) mostró indicios de un crecimiento de granos a temperaturas tan bajas como 865ºC en O₂, lo cual es corroborado por los resultados de la aplicación de los modelos de densificación.

6 Agradecimientos

Los autores desean agradecer a la Ing. S. Dutrús y al Sr. C. Cotaro por las imágenes de MEB y análisis de EDS y al Sr. D. Quattrini por los ensayos de ATD-TG, todos del Centro Atómico Bariloche.

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Fechas de Publicación

• Publicación en esta colección
  12 Set 2012
• Fecha del número
  2006