Keramische materialen zijn alomtegenwoordig in de bouwwereld. Bouwmaterialen zoals cement, bakstenen, tegels of elektrische isolatoren zoals porselein zijn allemaal keramische producten waar we in ons dagelijks leven op vertrouwen. Deze keramiek wordt vervaardigd door middel van een methode die sinteren wordt genoemd, het proces waarbij poedervormige vaste stoffen door druk of temperatuur worden omgezet in een geharde massa. Bij de meeste sinterprocessen gaat het om temperaturen boven de 1000ºC, wat deze methode erg energieverslindend maakt. Bovendien maakt de hoge temperatuur het sinteren van grondstoffen zoals carbonaten en hydroxiden moeilijk, omdat ze vatbaar zijn voor thermische ontleding bij hoge temperaturen.

Magnesiumcarbonaat en -hydroxiden zijn opkomende kandidaten voor bouwmaterialen vanwege hun thermodynamische stabiliteit en hun vermogen om uit te harden of te sinteren, zoals gebluste kalkpleister. Deze materialen kunnen echter niet worden gesinterd met behulp van het conventionele sinterproces omdat ze thermische ontleding ondergaan. Er is echter niet veel bekend over hoe deze materialen reageren op een mildere techniek die koud sinteren wordt genoemd. Om deze onderzoekskloof aan te pakken, onderzocht een team van onderzoekers van het Nagoya Institute of Technology, bestaande uit Prof. Shinobu Hashimoto en Mr. Keitaro Yamaguchi, het mechanisme waarmee Mg-C-O-H-systemen uitharden door het koude sinterproces (of CSP ). Hun bevindingen zijn samengevat in een recente studie die op 21 april 2022 online beschikbaar is gesteld en gepubliceerd in Ceramics International op 1 augustus 2022.

De CSP is de afgelopen jaren populair geworden vanwege de lage energieafhankelijkheid. Dit proces imiteert het sedimentaire gesteentevormingsproces dat plaatsvindt in de aardkorst, waardoor stolling kan plaatsvinden onder een druk van enkele honderden megapascals, maar bij mildere temperaturen zoals 300ºC of lager. Dit maakt het proces minder energie-intensief en ideaal voor het vervaardigen van bouwmaterialen met lage thermische ontledingstemperaturen.

"Basis magnesiumcarbonaat, of magnesiet, is voorgesteld voor gebruik als koolstofopslagmateriaal naast het gebruik als structureel materiaal. Maar magnesiet is moeilijk te produceren zoals bij conventionele industriële methoden vanwege de invloed van hydratatie tijdens de productie en pyrolyse bij hoge temperatuur van sinterproces", legt prof. Hashimoto uit. "Onze studie is bedoeld om te begrijpen of Mg-C-O-H-systemen via CSP een gewenste stolling tot constructiekeramiek kunnen ondergaan."

Het team gebruikte magnesiumhydroxide en basische magnesiumhydroxidepoeders als keramische voorlopers en water als oplosmiddel. Ze verwarmden de eerste op 250ºC en de laatste op 150ºC met 10 massa% water, onder een druk van 270 megapascal (MPa) elk een uur. Ze ontdekten dat de waarden voor druksterkte en relatieve dichtheid voor gestold magnesiumhydroxide respectievelijk 121 MPa en 84% waren, terwijl de waarden voor gestold basisch magnesiumcarbonaat respectievelijk 275 MPa en 88% waren. Het team ontdekte ook dat het water een belangrijke rol speelde bij het bevorderen van de oplossing-precipitatiereactie die nodig is voor de verdichting van poeders tijdens de CSP. Dit fenomeen zorgde ervoor dat het sinteren tot vaste massa's plaatsvond bij lagere temperaturen.

De resultaten van deze studie bieden een frisse kijk op sinteren, dat over het algemeen wordt beschouwd als een proces met hoge temperaturen en hoge energie. De CSP maakt het niet alleen mogelijk om keramiek te vervaardigen van materialen die gevoelig zijn voor thermische ontleding, maar zorgt ook voor uitstekende resultaten door de microstructuur van de gestolde producten te beheersen.

"De bouwsector is een van de grootste energieverbruikers die verantwoordelijk is voor 38% van de wereldwijde energiegerelateerde CO₂ uitstoot. Met ons onderzoek willen we een stap dichter bij het bouwen van een toekomst komen waarin de productie van bouwmaterialen duurzamer en groener is", besluit prof. Hashimoto. + Verken verder

Halfgeleiderbatterijen kunnen schoner worden gemaakt door flash-sintering op te schalen