9
Correlation between slurry rheology, green density and sintered density of tape cast yttria stabilised zirconia Amit Mukherjee 1 , B. Maiti 2 , A. Das Sharma, R.N. Basu 3 , H.S. Maiti * Electroceramics Division, Central Glass and Ceramic Research Institute, Calcutta 700 032, India Received 11 July 2000; received in revised form 9 August 2000; accepted 19 September 2000 Abstract An attempt has been made to investigate the role of dispersant and powder dimension on the slurry rheology and the corre- sponding eect on green as well as sintered densities of tape cast yttria stabilized zirconia YSZ). Two commonly used dispersants, viz. menhaden ®sh oil MFO) and phosphate ester PE) have been used in conjunction with YSZ powders of dierent particle sizes. It has been found that for this system, PE is a much better dispersant than MFO and the best dispersion is obtained with ®ner YSZ powders. The slurry rheology has a marked eect on the green as well as subsequent sintered densities of the tapes. # 2001 Elsevier Science Ltd and Techna S.r.l. All rights reserved. Keywords: A. Tape casting; A. Suspensions; E. Fuel cells, YSZ 1. Introduction Yttria stabilized zirconia YSZ) is the most widely used electrolyte material for oxygen sensor and fuel cell applications. Pure zirconia, ZrO 2 , cannot act as a good electrolyte owing to its poor ionic conductivity and phase transformation monoclinic/tetragonal) on heating associated with a large volume change. Doping of ZrO 2 with a small amount 3±10 mol%) of a divalent or trivalent oxide can stabilize the cubic ¯uorite phase and, in the process, increases its oxygen vacancy concentration leading to an enhanced ionic conductivity. This makes stabilized zirconia suitable for use as an electrolyte material and yttria Y 2 O 3 ) is the most commonly used dopant for stabilizing zirconia for the aforesaid applications. The most important criterion in the fabrication of YSZ electrolyte is the production of a highly dense structure, i.e. with no connected porosity in order to prevent cross ¯ow of gases). Moreover, it should be as thin as possible so that the ohmic loss is minimized. Tape casting is a low cost ceramic fabrication technique that can be employed to produce wide and thin ceramic tapes having precise dimensional tolerances and very smooth surfaces [1]. It has also been observed [2] that tape casting leads to a very homogeneous microstructure. It is not surprising, therefore, that many investigators [3±6] have employed this technique to fabricate YSZ electrolyte for dierent applications. In the tape casting process, ceramic powders of sucient ®neness are dispersed in a proper liquid medium followed by the addition of organic binders and plasticizers which increase the mechanical strength and ¯exibility of the green tapes [7,8]. However, a homogeneous product of uniform density can be obtained if the starting slurry has a high degree of homogeneity and stability. The alignments and packing of particles in the green tapes dictate the sintering characteristics and the ®nal properties [9,10]. Hence, two basic interrelations exist: 1) between the slurry and the green tape, and 2) between the green tape and the sintered product [7]. The present work aims to study the correlation between slurry rheology, green den- sity and sintered density of tape cast YSZ sheets. 2. Experimental 2.1. Starting materials In order to study the eect of particle size on the slurry rheology and the latter's eect on the green and 0272-8842/01/$20.00 # 2001 Elsevier Science Ltd and Techna S.r.l. All rights reserved. PII: S0272-884200)00121-8 Ceramics International 27 2001) 731±739 www.elsevier.com/locate/ceramint * Corresponding author. Fax: +91-033-473-0957. 1 Present address: Department of Chemistry, College of Engineering and Management, Kolaghat, West Bengal, PIN 721 171 India. 2 Present address: Department of Physics, College of Engineering and Mangement, Kolaghat, West Bengal, PIN 721 171, India. 3 Present address: Institut fuÈ r Werkstoe und Verfahren der Energie- technik 1, Werkstosynthese und Herstellungsverfahren, Forschungs- zentrum JuÈ lich GmbH, Leo-Brandt-Straûe, D 52428, JuÈ lich, Germany. E-mail address: [email protected] H.S. Maiti).

Correlation between slurry rheology, green density and sintered density of tape cast yttria stabilised zirconia

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Correlation between slurry rheology, green density and sintered density of tape cast yttria stabilised zirconia

���������� ����� �� ��� ��������� ���� ������ �� ������������� �� ���� ���� ������ ��������� �������

���� � ������� �� �� ����� �� �� �� !������ "�#� ��� $� %�!� ����� &������������� � ���� ������� ����� ��� ����� �������� ��������� �������� ��� ���� ����

"����'�� �� ( �� �)))* �����'�� � ��'���� ���� + � � �� �)))* �������� �+ !������� �)))

��������

� ������� ��� �� ���� �� �'�������� ��� ���� �� ��������� �� ������ ������� � ��� �� ��� �������� �� ��� �����,������ �-��� � ���� �� ���� �� ������� �������� �� ���� ���� ������ ��������� ������� ./!01� 2�� ������� ��� �����������'��� ������ 3�� ��� .�451 �� ��������� ����� .671 ��'� �� ��� � ��� ���� ���� /!0 ������� �� ��-���� �������� ������

8� ��� �� �� � ���� ��� ���� ������� 67 �� � � �� ����� ��������� ��� �45 �� ��� ��� ��������� �� ������ ���� 3�� /!0�������� 2�� �� ��� �������� ��� � ������ �-��� � ��� ���� �� ���� �� � ��9 �� ������� �������� �� ��� ������� �))� 7���'���!����� :�� �� 2���� !����� ��� ������ �����'���

��������� �� 2��� ������* �� ! �������* 7� 4 �� ������ /!0

� ���� ������

/����� ��������� ������� ./!01 �� ��� ���� ������ ��� ����������� �������� ��� �;��� ����� �� � �� ���������������� 6 �� �������� 0�5�� ���� ��� �� � ��������������� ���� �� ��� ���� ���� ��� ���'��� ������� ������������ .��������<���������1 � ���������������� ���� � ����� '�� �� ������ ���� �� 0�5����� � ����� ��� � .$=�)���>1 �� � ��'���� �� ���'�����;��� �� �������� ��� � �� ? ����� ����� ��� � ����������� �������� ��� �;��� '����� ���������������� �� � ������ ���� ��� ���'���� 2��� �������������� ������� � ����� ��� �� �� � ����������� ���������� ������ ./�5$1 �� ��� ���� ������� ��� ����� ������������ ������� ��� ��� ��������� ������������2�� ���� �������� �������� � ��� ��������� ��

/!0 ����������� �� ��� ���� ���� �� � ������ ������� �� ��� ���� ���� � ������� �������� .� ����� �����'�� ����� ?�� �� �����1� �����'��� �� ��� �� � ����� �� ������� �� ���� ��� ����� ���� �� ���������

2��� ������ �� � ��� ���� ������� ��������� �����9 ����� �� � �������� �� ���� �� ���� �� ��� ������������ ��'�� ������� ��������� ��������� �� '��������� � ������ @�A� 8� ��� ���� �� ����'�� @�A ���� ���������� ����� �� � '��� �������� � �������� �� ��� 8� ���� � �������� ���������� ���� ��� �'���������� @$=BA��'� �������� ���� �����9 � �� �������� /!0 �������������� ��-���� ������������8 ��� ���� ������ �������� ������� ������� �� � C����

3���� ��� ��������� � � ������ ��9 �� ���� � ��������� ��� ������� �� ������ ����� �� ������������ ������������ ��� ��������� ������� �� ?�;������ �� ������� ����� @D�EA� %���'��� � �������� � ���� �� �� ����� ������ �� � ������ �� ��� ������� �� ��� ��� ����� ������ �� ���������� �� ��������� 2�� ���������� ������ �� ��������� � ��� ���� ����� ������� ���������� ��������������� �� ��� 3�� ���������� @+��)A�%���� ��� ���� ������������ �;���F .�1 ����� ����� ��� �� ��� ���� ����� �� .�1 ����� ��� ���� ������ ��� ������� ���� �� @DA� 2�� ������ ���� ���� ���� �� ��� ���������� ����� �� ��� ��������� ���� ��,���� �� ������� ������ �� ���� ���� /!0 �������

� ������������

�� � !�����" �������

8 ����� �� �� �� ��� �-��� �� �������� ���� � ����� ��� �������� �� ��� ������G� �-��� � ��� ���� ��

)�D�,EEH�<)�<I�)�)) � �))� 7���'��� !����� :�� �� 2���� !����� ��� ������ �����'���

68 8 F !)�D�,EEH�.)) 1))���,E

�������� 8��������� �D .�))�1 D$�=D$+

��������'�������<������<�������

& ����������� � ����� 4�;F J+�,)$$,HD$,)+KD�� 6����� �������F �������� �� ���������� ������� �� 7�������

�� ��������� L�������� M��� ������ 68# D�� �D� 8����� 6����� �������F �������� �� 6������� ������� �� 7�������

�� �������� L�������� M��� ������ 68# D�� �D�� 8����$ 6����� �������F 8���� � � N � M������-� � O������� ��� 7�����,

������ �� M������-������� � %������� ��'�������� 4����� ��,

���� � ( N ���� P�%� :��,�����,!���Q�� K�H�E� ( N ����� P������

�#�� �������F ���R��������������� .%�!� �����1�

Page 2: Correlation between slurry rheology, green density and sintered density of tape cast yttria stabilised zirconia

������� ��������� � ��� ������,��������� ������� .E ���>������1 ���� ��� ��-���� �� ���� ���� ���F 20,E/�2���� ������ (��� .��������� �� 21 �� E/!0� ���:���� 8��� .��������� �� �1� ���� ��� ������� ��� ��'��� ���� � ���� .S++�K>1� 2�� ��� ��-����� �� ������ �������� ���� ������ ���* ����� ������ 2 �� '���3� ���� � ����� �������� ���� �� ��� )��E ��� ������� �� � �� ������� ���� � ����� �������� ���� �� �� �)�KH ���! ������� �� /!0 ���� �������� ��� ������

����� ���'��� �������� �� � ���������� ��;� �� �������� ����� ����� .�7L1 �� ������ .7�5%1� 8����� �� ��� ��� �-��� �� ���������� � ��� �� ������������ ���� �� ���� �� ������� �������� �� ��������� ���� ��� ��� ���������� ���������� @�����A ���� ��� � ��� ���� ������ ���� ������F ��������� ������67 .7����� 6!��,�� M���� ��������� ���� #�� /����T!�1 �� ������ 3�� ���� �45 .!���� ������������ !�� :� ��� �5� T!�1�4�� ��� ���������� �� ���� ������ �� ���� ��� ����

��� ��� � ����'��� ������ 6O� .� �'�� � +E� ��,����� !�� :� ��� �5� T!�1 �� ��� ����������� ��� ���;� �� �� ����������� ������� 67P .!�� 3� ���������:���� 8���1 �� ���� ��� ���������� ��6 .7� ������P�����1�

���� !����� $��$������

2�� ���� ������ �� ��� �� ����� ��� � �������� �2��� �� 2�� ������ ��� 3��� ������ � � ���'�� ��,����� � ��������� ��� 0�5� �� ������ ����� ��� ���� 2��� ���� ����� ��� ������������ ����� ��� ������� � ��� ������� 8 ��� ����� ����� ��� ��9 ������� �� �� ���� �� ������������ ���� ����� �� ���� ������ �� ������ ��� ������ �H � ����� 3�������� �� ����������� ���� �������

���� ������"�

2�� �-����'���� �� ��-���� ���������� .67 ���451 ��� ��� ����� �� /!0 ������� .2 �� �1 ������������ ���� ��� ���� ����� �� �� ��� '�������� �� �� ���� �� ��������� ����������� 2�� �� ��� '����������

���� ���� ��� ��� � �������� ���������� ���������'��������� .O2 K))� %����� P�����1� � ���� ������� ������ ���� H) �� HK) ��� ��� ���������

��%� �������$������ �&��� ����������

4�� ��� ���� ����� �� ��������������� ��������� ������� ������� � ���> ������ ���� ��������� ��� ������ ��� ������ �������� ���� � ���'�� �� ���������� ��� 0�5� ������ ����� ��� H �� 2�� � �,������ ���� ������ ��� �� ��� ��� �� � �������� ������� ������� � ����� ��� �� ��������� �������������� 2���� � ������� � ������� ���� ���� �� �������������������� ���� .0�������� $�)� 0��������8��� T!�1 �� ��� ��� ������� '�� �� � ����'�� ������� �� ��'���� �� ��� ���'�� �� ��������� ��� ������3� �������� 3��� ��� � ���������� �������� ������� ���� ����

��'� (�$� �����"

6���� �� ������� ��� �� ����� ���� '�� � ������� ��� ������ ������� ��� �� � � ��� 2��� ����'���� �������� ��� � ��� �� ��� � ��� ��� ������ ������2�� ������ ��� ��������� ��� � ��������� ��������� ������ �� .����� �BH� 8����� T!�1� 2�� �� ��������� ���� � �������� ����� ������ ���� �� � ���������� 2�� ���� �� ����� ���� ������� �� ��� �'������ ������ �������� �� ����� ���� ���� ����'�� ���� �������� ������

��)� ������ ����������

4�� ���� ������ ���� ������� ����� ����� ������������������� ����� ��������� �� ��� ������� ���������� � ���� ��� ����� ����� �� �������� �K=K) ���������� � ����� � ���� ������ �� ����� ���������2�� ���� ������ �� ��� ����� ��� ��� ���� ����� ������� ������ �� '�� �� ������8 ����� �� ���� �� ��� ������� ������ �� ��� ������

��� ��'� ������� ������ �� ���� ����� ���� 3��� ���� �� ��-���� �������� ��� ����� ���� �HK) ���BK)�� ��� H �� ���� ������ �� ������ ����� ����

2��� �

4��� ����� ������ ����

6����� ����� �������� .��1 ! ����� ���� ��<� 8F5 ����� .�1� : �������� ����� .�1� �6�����������& ����� ����

�45 67

� )�KH D�H$ E�> $+> = )=�> +�$�> �$B>

� )�KH D�H$ E�> K�> )=��K> )=�> +�$�> �$B>

2 )��E �K�D) E�> HK> )=��K> )=�> +�$�> �$B>

� .�1 ����� ��� ������� �� .�������J������1 ������ ���� ��� �� 0�5�<.��� �� 0�5�J���������J����J�����������1� .:1 ����� ��� ������ ������� ���� ��� �� 0�5�<.��� �� 0�5�J���'��J���������J����J�����������1�� .�1 ����� ��� ���> �� ���� ���� ������� �� ��� �� ��� �������� .&1 2�� ��� ����� �� ��6 F ���� ��� ���� �� )��B* �������� ��� ��� ����� �� 67P F ���� ��� �������� �� ���) ��������'����

D$� *� +�,���-�� �� ��� . ������ ������������ �� /��� 0 �� 1��2

Page 3: Correlation between slurry rheology, green density and sintered density of tape cast yttria stabilised zirconia

��������� '��� ����� ��� � ����� �� �'��� ������� ��������� �� ��� ������� ������ 2�� �������� �� ��� ��,����� ����� ���� ��� ���� ��� � ����������G ������ ��� ����� �� � ���� ��

���� +������������� ������

2�� �������� �� ��� �� ��� ���� �� ���� �� ��� ������������ ���� ����'�� ��� � ����� ������� ����������.����� $)�� :��� TL1� 8 ����� �� ����'� ��� �����,��� �� �� �� ���� ������ ����� ������ �� ��� ����������� �;����� �� ���'�� '��� �� �� ���� �������� ����� �K=$) � �� ��� ������ � ������� ����� ���� �������'�� ��� ��� ����������� 4�� ������� ������������� ��������� ��� � ������ ���� ������ ��� � ��;� ���� K>%4 �� �)>%�� .�FK '<�1 ��� $)=B) �� 2�� ������� ������ ���� ��� ����'�� ��� ��� ���������� �� ������ �������� �� ����

� ������� �� ����������

�� � �3��� �4 ��$������ �� ��� ������ ������"�

M� ��'� �������� ��� ����������� ������ �45 ��67 �� ����� �-����'���� � ��������� ������ � ����8F5 ����� �� E�> �� ���� � 4��� �� 8� �� ����'�� ������� 3� �� ���� ��� '�������� �� ��� ���� ������ �� �������� � ���� � ��� ��� ��� ���������� �� � ������ ������������ ���������� ���� ������ ��� �� ��� '���,����� �������� ����� %���'��� ��� ��� � �� 67.�� � � ���>1 ��9 ���� �� ����� ��� ������ ���� ������ �� ���� ��9 ���� ��� �45 .�� � � ���>1� 8� �� �����'���� ���� 4��� � ���� ��� '�������� ���� � �� � ������� �� ��� ����� � �� ������� ��� ��� �� ������������ 67 �� ��� ��������� ��� ����� ��������45 �������� ��� ������ �� � � ����� ����������2���� ����'����� �� � �;������ � ��������� ������� �� ����� �� ��� ��� �����������

8� �� ���� ��� ���� ��� ��������� ��������� ���45� ����� �� � ���� ��� ����� ����� ����� ��� ������� � � �� ������ ����������� @�$��HA� 8� ��� ������ @�KA ���� � ��� ��� ��� ������ ����� ��������� ������ ���� � ���� ������������ ����� ������ 2���������������� ��� �� ���� �� ��9 �� � ��� ���������������� ������ ��� ���� � � ����� 9 ����� �� ���'�� ��?��� %���'��� �� ������� �� ����� ���� ������,������ �� ������� ���������� ���� ���'�� �� �-����'������� �� ?�� ��� ���� � ����� '��������� 2�� ���� �� ���������� �� �� ���� ����� ������� ��������� ������������� ���� ����� ������ ���'���� ����� ������������� � �� '� ��� M���� ��������� ������ 8� �� �'�������� 4��� � ���� �45 �� ���� �-����'� �� ������ ������������ �� ����� ��������� �� � ���������� �� �� �� � ��� �)) � �� ������ ��� ���� � '�������� ���� ��� ���� ����������� 2�� ������� � '�������� �'�� �������� � ��������� ���������� ��� �45 ��� ������'�� ��� ����� ������� ���� @����$A�67 .������� ���� �� �� ���������� ���� �� ����;�����*

����;����� ����� ��� ������ ��� � ����������� ����,�;������� ��� � �� ����������� ����� ��� �1 � �������� ���� �������� � ��� ������������� ��������������� @DA� 8� ��� �� �������� @D��BA ���� � � ��������� � �����7LF7�5%� ��� �������� � '�������� ������� ����� � ���������� �� 67 ��� � ����� ��� ����� �������� �� 67 � ��� �������� � ������ �� ������������� � ������ ������ �� � ������������� ������� ����� ���� ����� ��� ����� ���� ���� �;���� ��� �������� ���'�� �� ���'��� ������ ������������ 8� �� ����'��@DA ���� ��� ������ ���������� � �������� ��� ���,������� ����� ����� � �� � �������� �� ��� �������,������ �� ������ ���������� ��� � ������ ������������ � � �� ���� �������� �� ���� ����� ��� �������� ��� ��������� ��������� 8� �� �;������ �������������� ��� ���� � ��� '�������� �� ��� ���� ������ �� ��� ������� 67 ���� � ����3����� ������ ��� ���� ���45 ������� �� ���� %���'��� ���� ��� ����� ������������ ��� ������ 67 ����� ��� ��� � �������� ������� ���� ���� ����� @��A �� ���� ������ ?��� ,����� ��� �� @�DA �� ��� �� ��� '�������� ���������������� � ������� ���� � ��� ������� � '�������� ���� ����� ���� ��� ����� � ���������� �� 67 ������� �� ����'�� ��� ��2�5$ ���� �� ����� @�EA�8� �� ���� ���������� ���� ��� ��� ������������ �� �

�� ��� �� ������� � ��� ��������� �� ��� ��������� ������ ���� ���� �������� ����� ������ M��� ���������������� ��������� ��� ��������� �� ����� ���������������� ��������� '�������� @�+A� 2�� ����� ��������'�� � ��� ���� � � � �� �������� ?��� �����@�)���A� 2��������� �� �� �;������ ���� ��� ��� ����������-��� ���� � ������� ��� ����� �� ��� �������� ?��� ,����� �� ��� ��� �������� ��������� �� ���� � ��� ���������� �� ���� 4��� � ��������� ��� ����� ����� ���,'�� � �� ��� ���� ������ �� ����� ����������� �� �����-���� ���������� .67 �� �451 � ��� ���� ������

4��� �� O������� �� �� ��� '�������� ���� ��������� ���������� ���

��-���� �����������

*� +�,���-�� �� ��� . ������ ������������ �� /��� 0 �� 1��2 D$$

Page 4: Correlation between slurry rheology, green density and sintered density of tape cast yttria stabilised zirconia

������� ������ �� 8� ��� �� � ������� ���� ��������� ���� ������ ���� ������� � � �� ��� ����� ���������� �������� .� ���> �� �45 �� � ���> ��67 � ��� ����������� ���� ������ ��������'���1� 8��� � ����'�� ���� ��� ���� ���� ��� '�������� �� ����� ����� ������� �45 �� ������ ��� ���� ������������� 67 ���� ��� � ��� ���� �� ����� ����� �'���������.H) �� HK) ���1�2�� ����� ����� ���'�� � �� ��� �� ����� �� �

�������� � � ��������� �� ��� ?�� ���; �������� ���� ��� �������� ��������� ����� ��� �9 �,��� @��AF

� � ��� ���

����� � �� ��� ����� ������� � �� ��� ����� ����� �� � ��,������� ������ �� � �� ��� ���� ���������� ���; ������,��'���� 4�� ��� ��������� � �������� ��� '�� � �� � �� ������� � ��� ��� ������� ��� ��'������ ���� #���������'�� �� ��� ����� �� ��� '�� ��2��� � ����� ��� '�� �� �� ��� ��� ������������ ���;

�� ��� ��'� ��� �� ����� ���� ����� � 6����G� ������@�$A� 2�� '�� �� �� � ������� ���������� ���� ���� ���������� � ����� ����� ��� ��� ������������ �� ��� ����� ����� �������� .� ���������1� 8� �� �'�� � ���� 79�.�1 ���� �� ������ � ������ ����� � ����� ����� �������� � ����� ������ ���� � ����� �� ������������������� ����� ������ 2��� �� �� �� ����� ����� ���� ���'�� � �� ��� �� �������� �� ���� ����� ������ �� ������'�� ���� ��� ��� �� ����� �'����������8� �� ���� � ��� ���� 2��� � ���� ��� ����� �����

� ��� '�� � �� �.��1 ��� ��� �� ��� ������� 67 .�,671 ��������� ��� ���� �� ��� �� ��� ������� �45 .�,�451�4�� ������ ���������� � ������� �� ���� ������ ���,����� �� �� �;������ ���� �'� ����� ��� ������ ����������� ����� � ������������ ��� �� ����� ��� �� ��'�

������������ ���������� T��� ����� ��������� �� �3��� ����� ��� ������������ ���� � ���� ��� ���������� ��� �� �� � ������� ���� �� ������� ����������2���� ������� ��� �� ���'�� �� ��������� ���� ���� ��9 ���� ��� �� ����� �������'�� ��� ������ ������ ���� ���'�� ���� ��� �-����'���� �� �45 �� ���������� �� ���� �������� �� 67 ����� ��� ��� � �

4��� �� O�������� '�� ����� ���� ����� �� /!0 �� ����� ��������� ���� ��-���� �����������

2��� �

"���������� ���������� ��� ��� ��-���� ����,������ �� �����

6�����

������

:�����

.51�2��9 �

.#���1

!���� ������

.6�1

!���� ����

.���16�� ������������

���; .�1

�<67 $+ )��� $)�$B H)�$�

)��D H$�)� KD�H� )�+D

)��D BE�$� +K�+H )�+H

)�HH ����$� �K+�E) )�+H

)�D) �DD��) �BB�D) )�+)

��)B �BE��E HHH�B) )�E�

�<67 K� )��+ HD�+E H)�$�

)��B BB�EE KD�H� )�+H

)�H� �)B�H+ +K�+H )�+)

)�BB �BE�K+ �K+�E) )�+)

��)� �KB�)$ �BB�E) )�E�

��H� $B)��� HHH�B) )�BB

�<�45 K� )��) K��)) H)�$�

)��E D)�HH KD�H� )�+�

)�HH ��)�E� +K�+H )�EE

)�BE �DH��E �K+�E) )�EE

��)K �BD��$ �BB�D) )�E$

��KH $+���K HHH�B) )�DH

2<67 HK )��H B)�EE H)�$�

)�$$ EH�$+ KD�H� )�+�

)�K� �$)�HD +K�+H )�EK

)�DK �+)��B �K+�E) )�EK

���) �E)��H �BB�D) )�D�

��KH H)+��� HHH�B) )�BK

� 5 ������ ��� ������ ������ � ���> �������

D$H *� +�,���-�� �� ��� . ������ ������������ �� /��� 0 �� 1��2

Page 5: Correlation between slurry rheology, green density and sintered density of tape cast yttria stabilised zirconia

������� ������ �� ������������ � �,�45 �� ���� 2� ����� ����������� ��������� �� ����� ������������ ������� ���� ��� ����� ���� � �������� 2��� �� ��� ����������� ����� ���� ��� ������������ ���45 �� ��������� � ����� �������� �� ���� �� 67 �� ������ 2�� ��'�������� �� ��?����� � ��� ����� ������ �� ��� ?�����; '�� �� ��� ����� ��� � �� ��� �� )��D ��� �45������� �� ����� �� �� ���� �� )��E ��� 67 ��������� ������

���� �3��� �4 $������ �6�

2�� ���� ��� �� ���� ������ � �� ��� ��������.'��������� ��� ������������1 ���� ������� � � ���� 67 ��� ���������� � ����� ��� ���� �� ������ U ������2 �� ������� �������� ���� ��� ������ � �� ������� ���4��� $ ����� � ��������� �� ��� '���������� �� ���

�� ����� ������� ������ � �� 2 �� � � ���� �� 67����������� 8� �� �'���� ���� ��� 3� �� ���� ���'�������� �� ��� �� ��� ������� ������ 2 �� ��������� ���� ������� ������ � ���� ��� � ��� ���� ����������� ���������� ���� !������ '�������� ����,���� �� �������� ���� ��� ���� �� ����'�� � ��'����������� @�H��KA� ����� �� � �� ������ '���������� ��������� ���� ����� ����� ���'�� � .���� ���������1 �� �������� ����� ��� �� ?��� ����� �� ������������������������� ������� ���� ������ ���� ��� 3����������� .������ 21 �� ��'� ������ ��������� ������������� .��B)$�� O�� ��� 1 �������� �� ������� ���������.������ �1 ��� ����� ��� ������� '�� � �� ��� )�H+K�� O�� ���� 2��� �� �� ����� ���� ��� 3�� ��������� �������� ��������� � ��� ���� ������ �� ���� 2� �� � ������� �;���� � �� ���� '���������� ��� 3�� ��������� ������������� � �� �� ������ ����� �� �������'���� ��-���� ��� �� � ���������� � ����� �� ������ 2���� ���������� ��� ��� �� ����� ���������� ������������ ��������� �������� �������� @�KA� 2���� �-����

���� � ���� ���� ���?� ����� �������� ��� ��� ��,���������� �-��� �� ����� �� ������8� �� ���� � ��� ���� 4��� $ ���� ��� ����� � ���,

������ ���������� ��� ��� '�������� ���� � ��������� 2 �� ������ � ��� � �K>� 2��� �� �;������ ������ ��� �������� � �������� ���� ����� �� � ������� �� ����� ���� �� ��� ������� � ��� ����������� 2����� �� ����� � ������ ��� � �� ��������� ��9 ���� ����'�� ��� � ����� ���� ��� �-����'� �������� ���������@+��BA�2�� ����� � �������� ������� ���� ����� � ��?�����

� ��� ����� ����� ���'�� � �� ��� �� ����� .4��� H1�8� �� �'���� ���� 4��� H ���� ��� �� �� �� ��� '������������ ���� ����� ���� ��� ������ 2 ��-��� ������ �������� �� ������ �� �� � �� �� ���������� ��� ���������� ��� ������� '���������� ��� ������ 2 �� ��D�������� ��� ��� ������ � ��� ����������� '�� � ����� ��� � ��HD� ! �� ������ ������ � '�������� ��������� ��� 3�� ��������� ��� �� ����'�� ��� ������������ ��� @�D=$�A �� ��� ��� ��� ������� ���� �������� ����� ���'�� � �� 3�� ��������� �� � ����,���� �� ��� ������� �� ������ ����� ���������'���� � �-��� @�E=$�A� 2�� �������'���� � �-��������� ���������� �������� ���� ������ �������,�������� �������� ������ � ����� ������ ������ ���������� � �������� ���� ��������'����2�� ?�� ���; '�� � .�1 ��� ��� ������ 2<67� ���,

����� ���� ��� ���� ��� �<67� .2��� �1 ���� ����� ������� �� ��� ����������� �� 2<67 �� ���� ��� ����������%���'��� ��� ����� ����� � ��� ?�� ���; ��� 2<67 �������� ��� ���� ��� �������� �� �<67 .��V)��E1����������� ����� ��� ��� ��� ������ �� � �����,�������� %���'��� ��������� ��� ������ ������ �� �� �� ����� � ��� ���� �� 2<67 �� ���� ��� ����� ������ ��� ?�� ���; �� ������'��� ������ �������� �� ���� ���<67 �� ���� 2�� ������ ������ ��� ����������� ������� � ��� ���� �� ������ 2 �� �� �� ���� ��� '��������

4��� $� O���������� �� /!0 �� ����� �� � � ���� �� 67 ���������� ��� ��-���� ��������

*� +�,���-�� �� ��� . ������ ������������ �� /��� 0 �� 1��2 D$K

Page 6: Correlation between slurry rheology, green density and sintered density of tape cast yttria stabilised zirconia

����� �������� ������ ��� ��� ������ ��������� 8� ���'����� ���������� ���� � ��� ���� �� 3� �������� ��'����������� ��'� � ����� ��� � ��������� ��� �� ����������� �� ���� ���� ��'��

���� ����� ������ �4 ��$��

8� �� ���� ��� ���� ��� ����� �� ��������� ��� ��������� �? ��� � ��� ���� �������� �� ��� �������'����� � ��� ������ ����������� �� �'�����,��� �� ��� ���'��� M���,��������� � ������� ��� ������ �� ������ ����� �������� � ��������� 4���� K�B �� D ���� ��� '������� �� ���� ������ �� � � ������ ��� ��������� ����������� M���� 4���� K �� B ����� ��������� �� ��� ������ ���� ��� � ����� � ,���� ��� 67 � �45 � ��� ���� ������ �� ���* 4���� B

�� D ���� � �� '������� � �������� ������ � ���������� 2� 8� �� ����� ������� ���� ��� ��� ��� ����������� ���� ��� ���� �'�� � ����� ��� �� ��������'��'�� 3'� ��-���� �������8� �� �'���� ���� 4��� K ���� ���� '������� � �45

����������� ��� ��� '�� �� �� ���� ������ �� ������� ���������� .�K$> �� ����������� '�� �1� %��,�'��� �� �� ���� ����3��� �� ��� ��� '�� �� �� ���������'����� . ��� � ���; �� ���� �� ��� �������� ����� �����1 �� ����� ���� �������� ���� ������ � �45����������� 8� �� ����'�� ���� 4��� K ���� ��� �� �������������� �� � �45 ���������� �� � ���> ����)) � �� ������ �� ���� �������� � .�� ��?��������� ��� ������� ��'����� '�� ��1 �������� �� ��������� ��������� ! �� '������� � ���� ������ �� ���� ���� ��� '�������� ���� ������ ����� ������ ������ ���� ���������� �� ��������� ��� ������ �������������� �� �������� �������� ��-���� ���� �� ������ ��� ��� �� ���

������� 67 .4��� B1� 8 ���� ����� ���� ������ � ������������ ���������� ��� ��� ���� ������ ������ ���� �� ���� ���� � '�� � �� �K$> .�� �����������'�� �1 �� ���� ��������� ���������� �� � '�� � ���KB> �� � ��������� ���������� �� � ���>� 4 ������������ � ��������� ���������� ������ � �����'��-��� � ��� ���� ������� 4��� B ���� ����� ���� ���������� ��'����� '�� �� ��� ����� �������� �� ����� ������ �45 ������� �� ������ ���� � ���� � ��� ������ � ���> �� ������ 2� �� ����� ��� ��� ��?���� ������������ �� ������ ���� ��� ����������� ���� ����������� ������ 67 �� � � ���� �-����'� ����������������� �� �45 ��� � ����� �� �������� ����������������� �� ��� ��� ��9 ������ � ��� �� ����� ������� ���� �� ���� ����'�� ����� ������ ���

������ ������� ���� � �� ��� 3�� '������ 2 ���� 67�� � ���������� %���'��� � ���� ����� ��� ��� ����

4��� H� O�������� '�� ����� ���� ����� �� �� ����� �������� ���� /!0 ������� �� ��-���� �������� ������

4��� K� ����� �� ���� ����� �� � � ���� �� �45 ���������� �

��� ����������� �� ��� �������� ���� ������ ��

D$B *� +�,���-�� �� ��� . ������ ������������ �� /��� 0 �� 1��2

Page 7: Correlation between slurry rheology, green density and sintered density of tape cast yttria stabilised zirconia

������ ������� � ��;�� � .�KD> �� ����������� '�� �1�� � ��������� ���������� �� ���K ���> .4��� D1� ������� ������� ��'����� �� ����� �������� ��� �������,��� ����� �������� �� ��� ��'����� ����'�� ���������� �� 2���� ����'����� ��� � ��� ���� ��� ����,����������� ������� �� ����������� ���� ������ ����������� ���� ������ 2 ���� ��� � ���� ����� � �������������� �� ������ � ��� �������� ���������4��� E ����� � �����������'� ���������� �� ��� ����

���� �� ������ ���� 2,67 ������� %���'��� � ������� '��� ��� �������� �� �� �� �� ������ ���� ���������� ����3��� ��� ����'��� 2��� �� ��������� � ��� ��� ���� ����� �� ��� � ������ %���'��� ��� ���������� ��� ���'�� ������ �������'��� �� ��� � ����� ������ � ������ �� '��� ��� �������� �� �� �� ��� ������� ������� .4��� E�1� � ����3�� ���� ���� ����� ������ ������ ����� ��� ��������� ��� �������������� ��� ������ ��� ������� � ���� ������������ ���� ���������� 3� ����� .4��� E1�

��%� !�����" �4 ��$��

2��� $ ����� ��� �������� '��,�,'�� ��� ������������� ��� ��� ����� ������ ���� ��� ���� ���������������� ��� ����� � ��������� ��������� 8� ������'�� ���� ��� ���� � �������� �� �������� �� ���

����3����� ������� �� ������� ��� ���� 2,67S�,67S�,�45�8� �� ���� ��� @$$A� ���� ��� ��-������ � ��� ����

�������� �� ��� ��'� � ����� � �-��� � � ��9 ��������� ���'�� �* � ������ ������� ������� ������ ����� ����������� ������� ������� ��� � ������� �'��,'�� ?���� ��� ������� �������� �� �������� ������ ���� ������� ������ ��� � � �� ����� '�� �� ! ����-������ � ������� ��� ��������� � � �� ��� ���� ������� ?��� ����� ������� ��� ����� ����3����� .��������� ������ �������� �� �����1 ��� ��� ������� ���������� ��������� � � �� � ����� ��� �� ����������� � ������� ��� �������� �� ����� ����� ��������� ������� �� ������� �����'��� ������������� ��-������� ���������3����� ���������� ��������� �� ������ ����� �� ����� �������� ����� ����������� � ������� �������� @$HA� "����������'��������� �� ��� �� ��� ������� ����� �� �,67 �� 2,67��� ���� � 4��� +� ���� ��� ������� ���� �;������ ������� ����� ��� �� �;������� ��� �������� �� ��� �������� ������� ����������� �� ������ 2 .4��� +�1 ������������ ����� �������� �� ���� �� ��� � ��������������� ���� ������ � .4��� +1� �����'��� �� �;������@$KA� ��� ������� �������� �� �� ��� 3� ��������� ������������� ����� .�K))��1 �������� �� ���� �� ������� .�BK)��1�

4��� B� ����� �� ���� ����� �� � � ���� �� 67 ���������� � ��� ����������� �� ��� �������� ���� ������ ��

4��� D� ����� �� ���� ����� �� � � ���� �� 67 ���������� � ��� ����������� �� ��� �������� ���� ������ 2�

*� +�,���-�� �� ��� . ������ ������������ �� /��� 0 �� 1��2 D$D

Page 8: Correlation between slurry rheology, green density and sintered density of tape cast yttria stabilised zirconia

� �����������

������� �'���������� ���� ������� � � �� 3� � ���� �-��� �� ��� ��������� �� ������ ������� ���� �� ��� �������� �� ��� ����������� �-��� ����� �� ���� �� ������� �������� �� ���� /!0 ������ 2����� ��� �� ����� �;�������� ��'� ��'����� ���� � ��������� ����� ��������� ����� �� � � �� ���� �-����'���������� �������� �� ������ 3�� ��� �� ���������� ��� ����������� '�������� �� ?�� ���; '�� �� ������ � ������� �� ��� ������� �'���������� �����'������ ��� ��� ���� � � ���� ��� ������ �� ������������ �������� ��� �� ����� �'��'���45� �� ��� ��� ���������

��� ������ ���� 3�� ������� � ��� ���� ���� 67�� ��� ���������� 8� ��� �� ���� ���� ��� � �������������� ��� ���� � ����� � �-��� � ��� ���� �������� ��� � ��9 �� ������� ������ �� ��� ������

�������� �������

4������ � ����� ���� ����� �� "������� � # �����!������ .�"#!1� P�'�� �� 8���� �� ������ ��� ������,������ 5� �� ��� � ����� .��1 ����������� 3�������������� ���� ��� 7�" �'���� �� �!8"� P�'�� ��8����

4��� E� !���� ������� ���������� �� ���� ������ .�1 !��'�� ������ � ����� �� .1 ����3�� '��� �� ��� �����

2��� $

!������� �� ������� ������ �� /!0 �����

!�����

.������� �������� ��1

���������'� �����

�� ���������

����� ��

������������

P��� ������

.> �����������1

!�������

.>1

!������ ������

.> �����������1

2,67 .�K))��1 ���� :����� KD �D +B

�,67 .�BK)��1 ������ %����� KB $) +H

�,�45 .�BK)��1 6��� %������ K$ $� +�

4��� +� !���� ������� ���������� �� ������� ������ .�1 6������� ���� ������ 2 �� .1 �������� ���� ������ ��

D$E *� +�,���-�� �� ��� . ������ ������������ �� /��� 0 �� 1��2

Page 9: Correlation between slurry rheology, green density and sintered density of tape cast yttria stabilised zirconia

����������

@�A (�(� 2������� 4����� ��� ��������� ��� ������ !��� � ��� H�

.�+B$1 HE)=HE��

@�A 2� ��������� (�:� ����� 6� ����� ��������� ���������� ��

0�5�=���5$ �������� ����������� �F !� !������ #� /��������

%� %������ .7���1� ��'���� � ��������� O��� �H.�1� !�����

�� 2�������� �� 0������ 888� ������� ������� !������� �+EE�

��� ��$�=��$E�

@$A %� 2������ %� 2����� !� L�������� !� !�������� L� 2�����

�'������� �� ��3��� ���� ����� !54�� �F 6��������� �� ���

H�� 8��������� !������ � � !���� 5;��� 4 �� ������ �++K�

2�� 7�������������� !������� #(� T!�� ��� ��)=��E�

@HA !� ��� ����� 2� ������ �� 4�� ��������� !����� ����� �� ���,

'��� �� ��������� � �� ���� ������ (� ��� ������ !��� B+ .�+EB1

B�E=B$$�

@KA 2� 8����� "� ����� !54� ��� � �� ��������� ������� � �

0�5�=!��5$=���5$ ������ �� � ������������ �F 6��������� ��

��� H�� 8��������� !������ � � !���� 5;��� 4 �� ������

�++K� 2�� 7�������������� !������� #(� T!�� ��� �+K=$))�

@BA 4�:� :������ "� � "������� ����%� !������ M� L������� ���,

������ �� ������� �� �������� �� �� �� ��� � ��� ���������

������� �� ���� �������� �� �� +K)��� �F 6��������� �� ���H�� 8��������� !������ � � !���� 5;��� 4 �� ������ 2��

7�������������� !������� #(� T!�� ��� $�E=$�K�

@DA "� ������ 2�� ���� �� ���� ������'�� � ���� ������ ���������F

6��� 8 U ���'��� �� ����������� ��� ������ !��� � ��� D�

.�++�1 �K��=�K$��

@EA "� ������ 2�� ���� �� ���� ������'�� � ���� ������ ���������F

6��� 88 U ����� �� ������������� ��� ������ !��� � ��� D�

.�++�1 �BHD=�BKD�

@+A �� "����� ����� ��9 ������� ��� ���� ������ �� ������� ���,

����� �F P�:� ������� 7�"� 4 ����� %� %� ��� .7���1� �������

2���������� O��� �� ������� 6����� !����� 88 �� �������

������� !������� �+EE� ��� BDK=B+��

@�)A 2� T������ #� L����� 7-��� �� ������������ ��������� �

���������� �� ������� ���� ������� �F 6� O������ .7��1� %���

2��� ��������� 7���'���� ���������� �+ED� ��� �HK�=�HKE�

@��A L�6� 6� ������ ��%� �������� �!� M������� 2��� ������ ��

3� �� ���<������� ������� ��� ��������� ���������� (� ���

������ !��� DD .�++H1 ��$D=��HH�

@��A L� �������� M�"� ���� ��������� ��� ���� ������ � ��

��� � �������� �F P�: ������ .7��1� ��'���� � ���������

O��� +� ������� ������� !������� �+EH� ��� �BH=�E$�

@�$A � ���'���� 7�!� 2������ "�!� 6���� 4��� ��� �� ������������� ��

���������� ��� �� ���� ��� ������ !��� � ��� BK .�+EB1 BB+=BD��

@�HA "�7� �������� �(� !���3���� "��� " �� 2��� ������ �� ����,

����� �F P�/� 5���� :�:� %��� .7���1� ������� 6��������

������ 4����� M����� #�� /���� �+DE� ��� H��=HEE�

@�KA �� � !����� ��!� L��������� ������ �� � ������ ���'��� ��

���5$ � ������� �� ������ ��� ��� ������ (� ��� ������

!��� BB .�+E$1 HEE=H+H�

@�BA 2� ��������� 7� !��������� 6� ����� 6�������� ������ �� ����������

��� ��� ���� ������ �� �� ���� ��� ������ !��� � ��� BB .�+ED1

�BK$=�BKK�

@�DA %� "������ �� !���� 2� ��������� %�:� 2���������� 2��� ������

�� ������� ��� �� ��� ���� �������F � �� �� �� �����������

(� 7 �� ������ !��� �$ .�++H1 HEK=H+��

@�EA 2� ��������� 7� !��������� 6� ����� �������� ���������� ��

��2�5$ ���� ������ �� ������ (� 7 �� ������ !��� �� .�++$1 $ED=

$+$�

@�+A �� M � P�:� ������� 4�������� �� ������� !��,�������,���,

������ � ����� �����; ���������� � ���� ������� (� ��� ������

!��� DD .�++H1 �KEB=�K+��

@�)A �� � !����� "���������� ������ � ������� ����������

�F :�:� %���� �"� T����� .7���1� !����� �� ������� ��������

6��������� M����� #�� /���� �+EB� ��� K��=K$E�

@��A �� � !����� ��!� L��������� P�M� !����-���� ��O� !�����

(�%� ��� "�!� ��� �������� �� �������� � ������� ���,

������� �F P�:� ������� L�!� ���������� (�M� ���� ����

"��� %��� .7���1� ��'���� � ��������� O��� ��� ������� 6�����

!������ ��� ������ !���� M�����'����� 5%�

@��A (�!� "���� "������� �� ��� ����� ������� .�� ����� �� ������1� �F

6�������� �� ������� 6��������� (�� M���� �� !��� #��

/���� �++K� ��� �DD=$)+�

@�$A 2��� 6����� 6��� ?�� ������������� �F 6��� 4��� �� 6�����

��������� 8��������� 6 �������� #/� �+BB� ��� H�D=H��

@�HA ��O� O��������� 4�4� :���� 7-��� �� ������������ ���������

�� ����������� � �������� ������ ������ �� ������ ��������

������ ��� � ��� ����� �� 3�������� (� ��� ������ !��� DH

.�++�1 �BB=�D��

@�KA 2�!� /��� ��!� !����� :�� �������� �� ������� �� �� ��� �

�;���� (� ��� ������ !��� D� .�+EE1 EH�=EHH�

@�BA �(� !���3���� �������� ���������� � ���� �������

�F (��� �� �� M�"� ��� .7���1� ��'���� � ��������� O���

�+� � �������� ������� �'����� ��� ������ !��� M�����'�����

5%� �+EE� ��� �KK=�B)�

@�DA ��7� M����� 8��� L������� "���������� �� ���� � ��������� ��

����� ��������� �������F 8� �9 �� � ���������� � ������ �����

?��� (� ������� 8������� !��� $H .�+D)1 +�=++�

@�EA /�!� 6����� 8��� L������� "���������� �� ���� � ��������� ��

����� ��������� �������F 88� ��������� � ��9 �� � ������

(� ������� 8������� !��� $H .�+D)1 ��B=�$)�

@�+A 8��� L������� "������� �� ����������� ��������� ��'� �������

8������� !��� $ .�+D�1 ���=�$B�

@$)A (� !���,��� �� �� M������� 7������'���� � �-���� � ����������

�� ����������� ���������� ��������� (� ������� 8������� !��� �E

.�+BE1 �ED=�)��

@$�A (�P� ������� 7�:� L����� 2�� �-��� �� ����������� ����� ��

�������� ����; ?�� ���'���� (� ������� !��� �) .�+BK1 D=�+�

@$�A 8��� L������� �� 79 �� �� 2�� ����� �������'���� � �-��� �

������� ��������� 2���� !��� "����� �) .�+DB1 �+=HK�

@$$A �� � !����� 2�/� 2���� 6��������� �� !�5� ����� ���� �����

������ ��������F 88� �������� (� ��� ����� !��� BD .�+EH1 K$�=

K$D�

@$HA (� 0���� (�!� "���� 7-���� �� �������� ������ ��������������� �

����� ����� �������� (� ��� ������ !��� D� .�+E+1 E�)=E�D�

@$KA �� L ������ P�:� ������� ��������� ������������ �� ��,

����� �� � ������� ���=��� � �,�� ��� ������� (� ��� ������!��� BE .�+EK1 K))=K)K�

*� +�,���-�� �� ��� . ������ ������������ �� /��� 0 �� 1��2 D$+