Microstructural designs of spark-plasma sintered silicon carbide ceramic scaffolds

• Main Authors: Román-Manso, B., De Pablos, Á., Belmonte, M., Osendi, M. I., Miranzo, P.
• Format: Article
• Language: English
• Published: Elsevier 2014-04-01
• Series: Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio
• Subjects: Silicon carbide; Robocasting; spark plasma sintering; ceramic scaffolds; mechanical properties; carburo de silicio; sinterización por corriente eléctrica pulsada (SPS); andamiajes cerámicos; propiedades mecánicas
• Online Access: http://ceramicayvidrio.revistas.csic.es/index.php/ceramicayvidrio/article/view/1259/1294

Concentrated ceramic inks based on β-SiC powders, with different amounts of Y₂O₃ and Al₂O₃ as sintering aids, are developed for the adequate production of SiC scaffolds, with different patterned morphologies, by the Robocasting technique. The densifi cation of the as-produced 3D structures, previously heat treated in air at 600 ºC for the organics burn-out, is achieved with a Spark Plasma Sintering (SPS) furnace. The effects of the amount of sintering additives (7 - 20 wt. %) and the size of the SiC powders (50 nm and 0.5 μm) on the processing of the inks, microstructure, hardness and elastic modulus of the sintered scaffolds, are studied. The use of nano-sized β-SiC powders significantly restricts the attainable maximum solids volume fraction of the ink (0.32 compared to 0.44 of the submicron-sized powders-based ink), involving a much larger porosity of the green ceramic bodies. Furthermore, reduced amounts of additives improve the mechanical properties of the ceramic skeleton; particularly, the stiffness. The grain size and specific surface area of the starting powders, the ink solids content, green porosity, amount of sintering additives and SPS temperatures are the main parameters to be taken into account for the production of these SiC cellular ceramics.<br><br>Se han fabricado andamiajes de carburo de silicio (SiC) usando la técnica de <em>“Robocasting”,</em> a partir de tintas cerámicas conteniendo β-SiC y distintas cantidades de Y2O3 and Al₂O₃, como aditivos de sinterización. La densificación de las estructuras tridimensionales, previamente calcinadas a 600 ºC para eliminar los aditivos orgánicos, se realizó en un horno de <em>“Spark Plasma Sintering”</em> (SPS). Se analizó el efecto de la cantidad de aditivos de sinterización (7-20 % en peso) y del tamaño de partícula inicial del polvo de SiC (50 nm y 0.5 μm) en el procesado de las tintas, en la microestructura, la dureza y el módulo elástico de las estructuras sinterizadas. El uso de polvo nanométrico restringió significativamente la fracción máxima de sólidos alcanzable (0.32 frente a 0.44 de la tinta de SiC submicrométrico), lo que condujo a una mayor porosidad de los andamiajes en verde. Una reducción del contenido de aditivos produjo aumentos en la dureza y módulo elástico del esqueleto cerámico. El tamaño de partícula y la superficie específi ca del polvo de partida, el contenido en sólidos, la porosidad en verde, y cantidad de aditivos y temperatura de sinterización, fueron los parámetros esenciales para la producción de estas cerámicas celulares de SiC.