Efecto del metodo de sintesis sobre la sinterabilidad de los polvos ceramicos de (Sn,Ti)[O.sub.2].(F�sica)

Publication: Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Fisicas y Naturales

Publication Date: 01-JUN-05

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COPYRIGHT 2005 Acedemia Colombiana de Ciencias Exactas, Fisicas y Naturales

Resumen

Ararat, C., J. A. Varela & J. E. Rodriguez-Paez: Efecto del metodo de sintesis sobre la sinterabilidad de los polvos ceramicos de (Sn,Ti)[O.sub.2]. Rev. Acad. Colomb. Cienc. 29 (111): 271-281 2005. ISSN 0370-3908.

El sistema (Sn,Ti)[O.sub.2], sin y con dopantes, es de gran interes por las potencialidades tecnologicas que presenta como sensor de gas y como varistor. A pesar de esto se ha realizado muy poco trabajo para mejorar los metodos de sintesis que permitan obtener polvos ceramicos de (Sn,Ti)[O.sub.2], sin y con dopantes, con caracteristicas fisicas y quimicas pre-determinadas. Se realizo la sintesis de polvos ceramicos de este sistema utilizando los metodos de coprecipitacion y precursor polimerico (Pechini). Los polvos obtenidos se caracterizaron con Difraccion de Rayos X (DRX) y analisis termicos (ATD/TG). La sinterabilidad de los mismos fue estudiada utilizando dilatometria y la microestructura de muestras densificadas se observo utilizando Microscopia Electronica de barrido (MEB). Ademas se realizo una discusion de los resultados obtenidos considerando los diferentes fenomenos fisicoquimicos que se presentaron durante la sinterizacion de las muestras.

Palabras claves: (Sn,Ti)[O.sub.2], Sintesis, Sinterizacion, Microestructura.

Abstract

Solid solutions of Sn[O.sub.2]--Ti[O.sub.2], systems have recently emerged as attractive materials for application in electronic devices, particularly in gas sensor and varistor applications. Although the technological application of this (Sn,Ti)[O.sub.2] system is important, very little work had been realized to optimize the synthesis methods to obtain ceramic powders with predetermined physical and chemical properties, in this work the ceramic powders were obtained by coprecipitation and polymeric precursor methods. They were characterized with X-ray diffraction (XDR) and thermical analysis ( DTA/TG). We investigate the sintering parameters and some aspects of mass transport in (Sn,Ti)[O.sub.2] polycrystalline ceramics.

Key words : (Sn,Ti)[O.sub.2], synthesis, sintering, microstructure.

1. Introduccion

El dioxido de estano, Sn[O.sub.2], es un semiconductor tipo n que presenta una estructura cristalina tetragonal similar a la estructura tipo rutilo (Jarzebski J.M. 1976). Al igual que el oxido de cinc, ZnO, el Sn[O.sub.2] es un semiconductor con banda prohibida ancha y presenta una adecuada combinacion de propiedades quimicas, electronicas y opticas que lo hacen util como material para sensores de gas, catalizadores, dispositivos optoelectronicos, electrodos electrocataliticos y celdas fotovoltaicas (Chopra K. L. et. al. 1983, Duhn J. G. et. al. 1989, Fagan J. G. & Amarakon V. 1993, Olive P. et. al. 1993); recientemente se ha generado un gran interes por el desarrollo de varistores con base en el Sn[O.sub.2] (Pianaro S. A. et. al. 1995, Leite E. E. et. al. 1999, Bueno P. R. et. al. 1998, Bueno P. R. et. al. 2000). Un aspecto que limita el uso de este oxido es su baja densificacion durante la sinterizacion debido a que los mecanismos de transporte de masa que predominan son la difusion superficial o la evaporacion--condensacion, dependiendo de la temperatura de tratamiento, mecanismos que no favorecen la densificacion (Varela J. A. et. al. 1987, Kimura T. et. al. 1989, Santilli C. V. et. al. 1995, Brito G. E. S. et. al. 1996, Ahn J. P. 1997); una alta densidad se logra con la incorporacion de CoO, Mn[O.sub.2] (Cerri J. A. et. al. 1996 Cerri J. A. et. al. 1996, Castro M. S. & Aldao C. M. 1998) y ZnO (Wang Y. J. et. al. 2000), entre otros.

Los polvos ceramicos de Sn[O.sub.2], sin y con dopantes, se pueden sintetizar utilizando los metodos siguientes: solgel, coprecipitacion de oxalatos o hidroxidos, precursor polimerico, reacciones en estado solido a traves de la descomposicion de carbonatos, deposicion en fase vapor y oxidacion de SnO (a) a Sn[O.sub.2] por crecimiento epitaxial (Giuntini J. C. et. al. 1990, Leite E. R. et. al. 2002). Aunque los polvos ceramicos obtenidos pueden ser ultrafinos, caracteristica que garantizaria un aumento de las velocidades de sinterizacion y por lo tanto un aumento de la posibilidad de obtener materiales densos con grano fino (Herring C. 1950), el Sn[O.sub.2] es un caso tipico donde el polvo nanometrico no garantiza un material completamente densificado; este comportamiento se debe a los mecanismos de transporte de masa que predominan durante la sinterizacion (Varela J. A. et. al. 1987, Kimura T. et. al. 1989, Santilli C. V. et. al. 1995, Brito G. E. S. et. al. 1996, Ahn J. P. 1997). El estudio de Santilli, Brito y colaboradores (Santilli C. V. et. al. 1995, Brito G. E. S. et. al. 1996) sugiere que la morfologia de las particulas, las especies quimicas ligadas a la superficie del Sn[O.sub.2] y la microestructura de las piezas en verde tienen un gran efecto sobre la sinterizacion de este oxido.

Al igual que el Sn[O.sub.2], el Ti[O.sub.2] en su fase tipo rutilo, estructura tipo tetragonal, es tambien un semiconductor tipo n y se realizan investigaciones para utilizarlo como material en electrocatalisis, fotoelectroquimica y como contraelectrodo en las ventanas inteligentes (Finklea H. O. et. al. 1988) El Ti[O.sub.2] densificado tambien presenta efecto varistor, como el ZnO y el Sn[O.sub.2], con un voltaje de ruptura bajo por lo que puede utilizarse como varistor a voltajes bajos (Yan M. F. & Rhodes W. W. 1982) y sensor de humedad (Gopel W. & Shierbaum K. D 1995). A diferencia del oxido de estano, el Ti[O.sub.2] no requiere de dopantes para su densificacion y se alcanza un valor muy cercano a su densidad teorica sinterizandolo a ~ 1300[grados]C.

Por otro lado, al mezclar el Sn[O.sub.2] y el Ti[O.sub.2], oxidos isoestructurales, se obtienen soluciones solidas dentro de un amplio rango de composicion (Park M. et. al. 1975, Flevaris N. K. 1987); este sistema exhibe un intervalo de miscibilidad...

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