Quantitative firing transformations of a triaxial ceramic by X-ray diffraction methods

Abstract

The firing transformations of traditional (clay based) ceramics are of technological and archeological interest, and are usually reported qualitatively or semiquantitatively. These kinds of systems present an important complexity, especially for X-ray diffraction techniques, due to the presence of fully crystalline, low crystalline and amorphous phases. In this article we present the results of a qualitative and quantitative X-ray diffraction Rietveld analysis of the fully crystalline (kaolinite, quartz, cristobalite, feldspars and/or mullite), the low crystalline (metakaolinite and/or spinel type pre-mullite) and glassy phases evolution of a triaxial (clay-quartz-feldspar) ceramic fired in a wide temperature range between 900 and 1300 C. The employed methodology to determine low crystalline and glassy phase abundances is based in a combination of the internal standard method and the use of a nanocrystalline model where the long-range order is lost, respectively. A preliminary sintering characterization was carried out by contraction, density and porosity evolution with the firing temperature. Simultaneous thermo-gravimetric and differential thermal analysis was carried out to elucidate the actual temperature at which the chemical changes occur. Finally, the quantitative analysis based on the Rietveld refinement of the X-ray diffraction patterns was performed. The kaolinite decomposition into metakaolinite was determined quantitatively; the intermediate (980 C) spinel type alumino-silicate formation was also quantified; the incongruent fusion of the potash feldspar was observed and quantified together with the final mullitization and the amorphous (glassy) phase formation.The methodology used to analyze the X-ray diffraction patterns proved to be suitable to evaluate quantitatively the thermal transformations that occur in a complex system like the triaxial ceramics. The evaluated phases can be easily correlated with the processing variables and materials properties. These correlations can be employed for materials characterization, design and processing control.

As transformações de queima de cerâmicas tradicionais (à base de argila) são de interesse tecnológico e arqueológico, e são geralmente reportadas qualitativa ou semi-qualitativamente. Estes tipos de sistemas apresentam uma importante complexidade, especialmente para técnicas de difração de raios X, devido à presença de fases totalmente cristalinas, de baixa cristalinidade e amorfas. Neste artigo apresentamos os resultados de análise de Rietveld qualitativa e quantitativa de difração de raios X de amostras totalmente cristalinas (caulinita, quartzo, cristobalita, feldspato e/ou mulita), de baixa cristalinidade (metacaulinita e/ou pré-mulita tipo espinélio) e evolução de fases vítreas de cerâmica triaxial (argila-quartzo-feldspato) após queima em ampla faixa de temperaturas entre 900 e 1300 ºC. A metodologia empregada para determinar as abundâncias de fases de baixa cristalinidade e amorfas é baseada em uma combinação de método de padrões interno se o uso de modelo nanocristalino no qual a ordem de longo alcance é perdida, respectivamente. Uma caracterização preliminar de sinterização foi feita por evolução de retração, densidade e porosidade em função da temperatura de queima. Análise simultânea termogravimétrica e térmica diferencial (TG-ATD) foi feita para avaliar as temperaturas reais em que ocorrem as transformações químicas. Finalmente, foi feita uma análise quantitativa baseada no método de refinamento de Rietveld dos difratogramas de raios X. A decomposição de caulinita em metacaulinita foi determinada quantitativamente; a formação intermediária (980 ºC) de alumino-silicato tipo espinélio foi também quantificada; a fusão incongruente de feldspato potássico foi observada e quantificada juntamente com a mulitização final e formação de fase amorfa (vítrea). A metodologia usada para analisar os difratogramas de raios X provaram ser adequadas para avaliar quantitativamente as transformações térmicas que ocorrem em um sistema complexo como as cerâmicas triaxiais. As fases determinadas podem ser facilmente correlacionadas com as variáveis de processo e as propriedades dos materiais. Essas correlações podem ser empregadas para caracterização, projeto e controle de processamento de materiais.