Porogenic Behavior of Water in High‐Alumina Castable Structures

Abstract

Direct casting is a processing method that can produce large parts of complex geometry. It uses dispersions of ceramic particles in water and a hydraulic binder for consolidation. Studies on castable structures have reported the generation of a significant fraction of pores due to the presence of water. This effect occurs because drying preserves part of the interparticle pores originally occupied by water. The fraction of pores obtained in these cases can reach levels higher than 50%, affecting the properties of the structure. However, the porogenic behavior of water in these materials was not investigated in depth. In this work, aqueous suspensions of calcined alumina and hydratable alumina (hydraulic binder) of different water contents (40–60 vol.%) were prepared in a paddler mixer. For compositions of lower (5–35 vol.%) or higher (66–80 vol.%) water amounts, casting and curing steps were assisted by external pressure and a rotating device, respectively, to produce homogeneous microstructures. The total porosity after drying was similar to the initial volumetric content of water in the compositions when side effects, such as sedimentation and air entrapment, were prevented. Below water content of 25 vol.%, particles packing flaws became the main pore generator and the hydroxylation reaction of the binder no longer occurred effectively.

Cerâmicas porosas autoligadas de alumina-mulita obtidas a partir de suspensões de aluminas de transição e sílica coloidal

“…Metodologias baseadas na consolidação de suspensões aquosas por moldagem direta têm se mostrado eficientes, simples e reprodutíveis quanto à formação e manutenção de poros e obtenção de elevada resistência mecânica [3,8,[20][21][22][23][24][25][26][27]. Assim, esse método de processamento para cerâmicas refratários propicia uma elevada porosidade a verde, além de favorecer a liberdade de formas das peças finais (com complexibilidade).…”

“…Após esta etapa, as suspensões são vertidas em moldes, enrijecidas pelas reações de cura e as peças são desmoldadas e secas. A presença da água nesse processo possui três principais funções: i) molhar a superfície das partículas, formando uma fase contínua entre elas, ii) gerar força de capilaridade entre partículas grandes e pequenas, aprimorando a eficiência do empacotamento próximo aos agregados e iii) atuar junto ao ligante hidráulico para restringir o movimento da matriz, endurecendo a estrutura e favorecendo a formação de poros após a secagem (acima de 110°C) [24].…”

“…A Tabela A3 apresenta as características encontradas, onde AF apresentou tamanho de partículas (D50) cerca A amostra contendo somente água destilada (0 SC) apresentou menor contração durante a secagem devido a maior presença de sólidos (AG) em sua composição. A saída da água durante a secagem favoreceu a formação de poros nas peças à verde [24], porém sua baixa resistência mecânica após a secagem evidenciou a necessidade de um agente ligante para consolidar a estrutura [24]. Com o aumento da proporção de sílica coloidal inserida no sistema, as amostras apresentaram queda na porosidade total geométrica, seguida de significativos aumentos de módulo elástico e retração diametral.…”

“…A amostra 0 SC, onde toda a fase líquida foi proveniente da água destilada, obteve a maior porosidade inicial e bons resultados mecânicos, quando comparados às outras composições. A presença da água pode ter favorecido a formação de poros durante a secagem [24], com uma retração diametral de Destacado em vermelho estão os resultados de referências obtidos por Fernandes [5] após prensagem isostática com a mesma fonte de alumina (AF) e variando a quantidade de microssílica até 3A.1S. Os resultados serão apresentados com base na sua composição molar final, para efeito de comparação.…”

“…As amostras com menores módulos e retração e maiores porosidades tiveram suas estruturas mais afetadas. Isso é, os sistemas contendo apenas AG e água destilada (0 SC), não obtiveram uma boa resistência a verde por falta de um agente ligante, apesar da presença da água gerar alguma força de capilaridade entre as partículas e aglomerados[24]. Com a adição de pequenos teores da suspensão coloidal, essa dinâmica de ligação ainda não consegue englobar todas as partículas, causando rompimentos em 6,25 SC (impedindo a obtenção do módulo elástico e os valores de porosidade) e despendimentos de partículas em 12,5 SC.…”