electrophoretic deposition of aqueous nano-γ-al2o3 suspensions

8
Electrophoretic deposition of aqueous nano-g-Al 2 O 3 suspensions Fengqiu Tang 1 , Tetsuo Uchikoshi, Kiyoshi Ozawa, Yoshio Sakka * National Institute for Materials Science, 1-2-1 Sengen, Tsukuba, Ibaraki 305-0047, Japan Refereed) Received 1 October 2001; accepted 14 January 2002 Abstract The deposits of nano-sized g-Al 2 O 3 powders were fabricated via a simple electrophoretic deposition process in aqueous suspensions. Bubble-free deposits of nano-g-Al 2 O 3 powders with a uniform microstructure and high green density up to 56.8% were successfully obtained. Some factors that contribute to the deposition characteristics of the EPD in an aqueous suspension are discussed. # 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. Keywords: Ceramics; Nanostructures; Microstructures 1. Introduction The ability to fabricate nanostructured materials with special functional require- ments and reliability standards has attracted great interest in recent years [1,2]. The controllable assembly of materials with tailored structures, such as thin ®lms, multi- layered nanocomposites and functionally graded materials, is a rapidly expanding area in materials processing. These materials have often been fabricated by chemical vapor deposition, tape casting, plasma spray, sol±gel, and so on [3±6], which is either expensive or time-consuming. Although nanostructured materials have a good potential for various applications, their utilization has been limited due to an inability to conveniently and economically prepare such materials in large quantities. Materials Research Bulletin 37 2002) 653±660 0025-5408/02/$ ± see front matter # 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. PII:S0025-540802)00693-1 * Corresponding author. E-mail addresses: [email protected] F. Tang), [email protected] Y. Sakka). 1 Co-corresponding author. Tel.: 81-298-59-2463; fax: 81-298-59-2401.

Upload: fengqiu-tang

Post on 15-Sep-2016

220 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Electrophoretic deposition of aqueous nano-γ-Al2O3 suspensions

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

�� ��� �� ��� ������ ������ ���� � �!�� "��� #����$

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

%&�������'

&���(�� � ����)�� �**�+ �������� �, -� ���� �**�

��������

�� ������� �� � ��� �� ������� ��!���� !��� ��)������ (� � �.��� �������������

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

!� � � ���..������������ � � � ���� �� ��� �� �� 12/34!��� ������������ �)�� ��/

#�.� ������� ��� �� ��)��� �� �� ������� ������������ �� �� �56 � �������

����� �� ��� ��������/ � �**� ����(�� #�� �� 7��/ ��� ���� �����(��/

�!"� #$ 8���.��+ 9� �����������+ :�������������

� ���� ������

�� �)��� �� ��)����� � ����������� .������� !� ������ �� ��� �� �������.� �� � � ����)��� ��� ����� �� ��������� ����� ������ ���� � ����� ;���</ ���� ������)�� ����.)�� �� .������� !� ������� ����������� ��� �� � =�.�� .����

������� � ���.������ � � �� ��� ���� ������ .�������� � � ������ �>�� � ����� .������� ������� �/ ���� .������� �(� ���� )�� ��)������ )� ��.���(���� ������� � ���� ���� �� ����.� ������ ���?���� � � �� � ;�?2<� !� � ����

�>�� �(� �� �.���� ��. �/ ������ � ����������� .������� �(� � �������� ��� ��� (����� �������� �� ��� ��� ��� �� )�� �.��� ��� �� � �)���

�� �� (� � ��� � � ��� �.����� ������� ��� .������� ����� ��� ����/

:������� &������ 0����� �@ %�**�' 21�?22*

**�1�1,*3A*�AB ? ��� ��� � .����� � �**� ����(�� #�� �� 7��/ ��� ���� �����(��/

5CCD # * * � 1 � 1 , * 3 % * � ' * * 2 E � � �

$ 8������� � � �����/

%�&��� �## ��$ �� �/�� ���F .�/��/G� %�/ �� �'� �����/����F .�/��/G� %"/ #����'/� 8���������� � � �����/ ���/D �3���E3�1E��,2�+ ��>D �3���E3�1E��,*�/

Page 2: Electrophoretic deposition of aqueous nano-γ-Al2O3 suspensions

H� ��� �������� ��(���� � ��! ���� ��������� �� ��)����� ��.���>������

=�.� �� ������� .������� !� ������� ���������� �� � � ��� �� ��!����/ �� .������� .�������� ������������� ������� � � ���������!��� .���� ��� ������.)�� �� ������������ �������� � �� ���������� !� � � ���.� � �������

�� ��� � � ������ �� �>��� �� ������� =��� �� ��(� �� ����� ��� � �������������� �� �(����.� ���������� ������� � � � ������ � �� �������� ������ !� �

� ���� � �� ��� �� �� ��������� �� ������� �����/9� ������� ����� �� � �(� )�� �� ������ ��������� ��� �56 �� �(�� ��������

���� �� �� ���(� � � � �)�� � )�))������� ������ ;@?E<� � � � �� � ��! !���� ;�*?

��< �(� ������� � �� �56 �� � ������� �����./ I�!�(��� � ������� �����. ���� ��(� ����� �� ��!�� ���� ������� �� ��!�� ��������� ���� ��� ������.� �� � �.��� �������(���� � ��!�� � (�� .� ��� ����/ �� ����)�� ������� .��� �. ��

�56 ������� � ���. � ������� ����� �� ���� ���� ������ (������� / ������(��� ������ �(� ��! ��� �������. ������� ����� ������ �����) ������

������ )� �� ����������� �� !���� � � �������� )�))������� ��� �A���. ���. ��� ��.������ ;����,</ C �� ������ ��� �)G���(� !�� �� ��)����� �� ���)�))������� ����.� ������� !� � � ���. .������������ � � �������. ������

�� � � ��� �� �������/ J����� �I � � ����� �� �� �� ����� � !��� (��������� �� �������� �� �56 ������������ ������� ����� �� �/

� ������������

� ������� ������� ��!��� !� � �(����� ��.��� ������� � � �� �� .%9� ����� 7��/� �#�' !�� ���� �� �����/ &���� � ����� ��������� ��� � �

�..� �. ����>�� !��� ���� ��� �� �I ��G���.� �/ ������� ����� �� � �� �� � 1 (��/4 ����� �� �� � !��� �������� ��� �� !���� �� ������ � �I� ��� ���56 ������� �/ �� ����� �� � !��� ������� ����� %�#5�2**� #.�� � C �/�

-��� ' �� �2* �H ��� �* . �� .���(� �� ������� �� �� ��!��� ;�1</K��� ���� ��� %�' .������.� �� �� �� � ��������� !��� ������.�� �� � �

����� ������������� �������� ��� � ��� �� %7�K��2**� ������ ������� �� 8�/�

7��/' � �*�� : 9�8� ������ / �� ������� � � !�� �(������� !� � ������������������ ������� � � � ��� �� �� � �� ��.� ����.� �/ �� �� ����(���� �� ����� �� !�� .������� !� � �� ����(�� .���� %�#���� I��)�'/ ��

��������� )��(�� �� �� ����� �� � !�� ������.�� �� � � (���.���� %���#� ��� 8�/� &81**'/

�� �56 !�� ������ ��� �� � �� ��� � ����� � �� � .�A�.� �� � � ��� ���� ��������� �� � � ��� � � � �������. ���� �� � ������ !� � !��� � ���� ��� �.� � �./ �� ���� �� )��!�� �� � ��� � � ������ ���������� !�� =>�� ��

� �./ �� ������ )��!�� �� ������ !��� � � �.� !�� (�������� �� ������ ������ �� �I�/ #�.���� !��� ���� ����� ������� � � ��������� ���. �����������/ L��� �� ���� �� �� �������������� ����� ������� !��� .������� )�

���.���� .���� ������ �/ �� .������������ �� �)�� �� ���� ��.����� !���)���(�� !� � ��� � ������� .�������� %-#:�3,*�� -��7 C �/� -��� '/

21, '( ���� �� ��( )���� ��� *��� �+ ,������ �� -����. /��0//�

Page 3: Electrophoretic deposition of aqueous nano-γ-Al2O3 suspensions

� ������� �� ���������

�� � ���� ��� (����� �I �� �� � ��������� ��!��� � ��! ��/ �/ ��

��������� �� � %C�5' �� �� ��!��� � ��/ �I E/2/ C �� �I �� �� M2/1� �� � ���� ����� �� ��!��� � �(�� ,* .J� ���� � ��� �� ����� �� �� )�!��� ��������/ ��

�����(��� ��! ������ ��� ���. �I 2/1 �� E/2 ������ N�������� �� �� ����� �� �/�� � ���� ��� ������� ������� ��� ����(��� ������ ������� �������� ����� )��������� � �� ������ !� � �� ������� ����� � � ������� )��!�� �� ����������

)���! �I E/2/��/ � ��!� �� ������ !��� ���. �� � (��/4 ������� ����� �� � �� �

�� ��� �� �.� �� (����� �I�/ C .��� ������ �� ������ !��� � ����� �������

!� �.�� �!�(��� � ������� !�� �)���(�� �� �I E� !� � ���)�)�� ��� �� �(��� ��! ����(� ����� ���� ��� �� ��! ��/ �/ C ������ ���� �� �I ,� � �� �(��� �.��� ������� �.�� � � �)���(�� �(� ���� �� � ���� ��� � �� ���� �� �>���.� �/ �� ������ !��� ������� !� ����� � �I � � � ��!� ��

��/ �/ K��� ���� ��� �� �� ������� ������� � ������� ����� �� /

��/ �/ 6����� !���� �� �� � (��/4 ������� ����� �� � (�/ ������ �.� �� � =>�� ����� � �� � .�A

�.�/

'( ���� �� ��( )���� ��� *��� �+ ,������ �� -����. /��0//� 211

Page 4: Electrophoretic deposition of aqueous nano-γ-Al2O3 suspensions

.�>.�. (���� �� �I 3� !��� �� ������ !��� � ����� ��(� �.�� ��� �� �I ,/� �.��� �� �� �� !�� �)���(�� ��� �� 1 (��/4 ������� ����� �� �/ ��/ � ��!��� ���� �� �� �� �� ������ !���� � �� �I (����� ���. �� � � � 1 (��/4

����� �� �� !� � ������� �� ��� � �� ������ ���/ �� ������ !��� �� ��1 (��/4 ����� �� � ��� �� ��� �� �� � (��/4 ����� �� /

&��� ���� :��� � � � ������ ;�*< �������� ��� �� �������� .��� ��� � � ����

%&' !�� �������� �� �� �� ���� �� �A %�� ����(�� ' � �� �� �� ����� 1� ������������ � � � � ������ �.� � !�� =>��� ������� � ��� �� ���� � ���)�)��� �� ��

�������� �� �� ��)������ � �/ C ��� �>���.� �� �� � ���� ��� ������� �� �� �I��������� ���. 3 �� , �� ��! ��/ �/ �� �� ����(�� �� �� � (��/4 ����� �� (����� �I � �(� ��/ ,/ �� . .�. �� ����(�� (���� !�� �)���(�� �� �I ,/E

�� � � �� ��� �I �� �� ����� �� !���� � � �I ��G����� ����� / ���� ����(�� ������ ������� !� ��G��� � �� �I �� � ��!�� (���� !�� �������� ������� !� �� �I .�(�� �� �� ����� � �� ��/ �� ���� �� �A (������I � ���� ��! ��/ ,/ �� .�>.�. (���� �� �A �������� ��� �I 1 � �

��/ �/ 6����� !���� �� �� � � � 1 (��/4 ������� ����� �� � (�/ �I ��� � . �� � =>�� ����� � ��

� .�A�.�/

��/ ,/ 8� ����(�� %' �� �� � (��/4 ������� ����� �� � � � �� ���� �� �A �� � �� ��� �� �I/

212 '( ���� �� ��( )���� ��� *��� �+ ,������ �� -����. /��0//�

Page 5: Electrophoretic deposition of aqueous nano-γ-Al2O3 suspensions

��������� )�� �� ���� � � )��� .���/ I� ��� � ������ ������ � �������� �� )�

�)�� �� �� �I 1 �� �� �� ���� �I (�����/ I�!�(��� ��� ������� �(� ��! ��� �������� !��� ������� ���. �I , �� 3/ ��� �� ����� � !��� �� ������������������.� �������� !��� ����.�� �� �� � �� ������ ������ �� ����� �� � � ��

����)�� ��� ��� ������� �����.� ��������� .��� ������� ����� )� �� ������ ������� �������� �� ������� .��� �. �� �� �56 ������� � � ������� �����./

9��.����� �� � �� �������������� �������� )�� ���� ���� � � �� ����� �� �� ��)��� �� �� ��� ����� �� �� ������� ����� !� � �>��� �� ������� =��� �������/

� � �� � �� � �������� ������ � ��� � %�'

�� ������� �� ����� �� �� � ���� �I� ��������� ��� � ������ !������� � ������ ;I�< � � ;8��< �� ���(� � � � �������� � (��� ������ �� �� ����(��/ C� �� )�� �������� ��� �� � � �� ����(��� �� I� � �

�I� ��� .�� ��� �� ���� � � �� �1�8 ;�2</ �� � ������� � � ���)�)�� ��� I�

��. ���� �� ������� ����� � �� ���(� � � � �� ��� ����� �.)�� �� �� �������

�������� ����� )� �������/ ��������� (��� �.��� ������� �.�� �� !��� �)���(��

)���! �I , ���� �� ����� �� ����� )� !��� ��������/ H� �� �I ����������. ,� �� ��� ����� �.)�� �� �� ����� ���������� ����.�� �� )� � ������

��� �� �� ������� ��������� � � �� � ������� .��� ������� ��� �)�� �� �� �I�� �� �� ,?2/1/

0����� �� � � N�� ��� ��������� �� ����� � �� �� ����� � N�������� ��

�� �������� ����� )� �� ������ �� � ���� ������/ ��/ 1 ��!� �� .�� �������� � �� �� ������� ����� �� � �� � �� ��� �� �� �I (�����/ �� .���. �����

������� � � ��.� � ���� �� �** . )���! �I 2 )�� � )�� � �� ���! ���. �I 2/1 ��

3� !� �� )� ������� ��� ���. �� ������ ����/ �� ������� � � � �)��� �1* .�� �I @/1/ J��� ��(��� N�������� ������ �)�(� �I 3 � � �� ������� � � �O�1** ./ ��/ 2 ��!� �� (������� �� �� � (��/4 ����� �� �� � �� ��� �� �I

�� � ���� ���� �� �** ���/ �� (������� ��� (��� ��! � � ��.� �� ��� � )���! �I2/1/ ���. �I 2/1� �� (������� ������ ������ � � ���� � .�>.�. �� ��/ �I E�

��/ 1/ ������ �� �I � �� .�� ������� � � �� ������� ����� �� �/

'( ���� �� ��( )���� ��� *��� �+ ,������ �� -����. /��0//� 21@

Page 6: Electrophoretic deposition of aqueous nano-γ-Al2O3 suspensions

������� � �� N�������� �� �� ��������/ �� � ������� N��������� ������� ��������

����� �� !������������ �������� ����� )�.�(�� ��� � �� �56 ������� � !� �� �I � �(�� 2/1/ ��������� �� ������������� .�)��� !�� )� �����. �� )� ���� ������ ������ �� ��!��� � � ����� ������� ����� �� �� ��������/ C ��� ����� ��

������� ����� � ���� ��� �� �� �I 3/ I�!�(��� !� �� �I � �(�� 3� �� �������������� ����� �� �� ������� )���.�� ��� ��! �� .�(� �� ��(�� ����� �������� �(� ���� �� ��� ����� �.)�� �� �� ����� ���������/ �� � ������� �� ������ !���

����� �� ���������/�� ������ !��� �� �� 1 (��/4 ����� �� � ��� �� ��� �� �� � (��/4

����� �� �� ��! ��/ �� )������ �� ��� ����� �.)�� �� �� ������� �������� ������� ��� �� �� ������ �� ���� �� �� ����� /

��/ @ ��!� �� �����(� �� ��� �� �� ���. � ���� ��.����� �������� ��

������ � �I� �)�� �� ���. �� � (��/4 ����� �� �/ �� �� ���� �������� !� � ������ �I� ���� � ��� �� ��� ������ ��� �� �� ������� ����� �� ��������� �� �� ��� �������/ �� ���� �� ��� �� �I ,/2 ������ 12/34� !� �

��/ 2/ J������� �� �� � (��/4 ������� ����� �� � �� � �� ��� �� �I �� � ���� ���� �� �** ���/

��/ @/ &����(� �� ��� �� �� ������� ���� ��.����� (�/ �I (����� �������� ���. �� � (��/4

����� �� �/

213 '( ���� �� ��( )���� ��� *��� �+ ,������ �� -����. /��0//�

Page 7: Electrophoretic deposition of aqueous nano-γ-Al2O3 suspensions

(��� � ��� � ����������/ �(� �� �I @� �� �� ��� �� �� ������ � ���� �(��1�/14� ������� � ��� �� �56 ������� � ����� )� � ���.� � .���� ��� ��

�������� ������� � �� � � ��� �� ��!���� ������� ����� �� � )� ��������� ����� � �� �� �>���.� � �� ��� �/ #�: �)���(��� � ��!�� ��� �� .������������� �� �� ������� !�� � ���. � � � )�))��� !��� �)���(�� �� �I �� �� ��

,/2?@/ ��/ 3 ��!� ������ #�: .�������� �� �� ������� �� �I ,/2 � � @/ ��.������������� �� )�� ��.���� ��� (��� �� �� � � � ���.� � � � )�))��� ������

)� !���� �������� ��� � �� �56 ������� � �� )� �)���(��/ #�.� �����.�������� )� ��� ���. �� ������ .��� �������� �� �I @� ������� � �� .������������ ���� ������ �� �I @ � ���� � ���. �� ��� �� �I ,/2/ C �� �>���.� �� �� )��� ��

�� ����.����� �� �� ���� �� ��� � � ������� ������ �� ���.�. ������� !�������� ��� �� �I �� �� �� 1?2/ ������ ������� (������� � � �� ������� .��� �. �� �� �56 ������� ����� �� � ��� ���� ��������/

� �����������

�� ����� � ����� ��!� �� ���!�� �� ����� ���. � ������� ������ (� �56������� �/ �� �I (����� � � �� ����(�� � � (������ ���� (��� .����� � �����

��� ������ �� ������� ��� � �� �56/ 6� �� ������� !� � ���..�������������� � ��� �� ��!��� �� )� ��)������ !� � ���� �.�� ���(� � � ���.� �

������� �� ���. ����.� ������� ���. ������� ����� �� � �� � ��� �� ��!������ � ��!�� � (�� .� ��� ����/

�������� ������

�/ �� � !���� ��� �� ��� �!����� �� ������� ���. �� #�� �� � � ��� �������� �� �� �� -��� ��� L�(�� .� � ����� � #�� ������������ �����!��/

��/ 3/ #������ .������������� �� �� ������� ���. � (��/4 ������� ����� �� � �� �I ,/2 %�' � � �I

@ %)'/

'( ���� �� ��( )���� ��� *��� �+ ,������ �� -����. /��0//� 21E

Page 8: Electrophoretic deposition of aqueous nano-γ-Al2O3 suspensions

����������

;�< I/ :������ �/ ������� #�� �� �23 %�EE1' �,22/

;�< :/ ����� 6/�/ #�(���� C/�/ ������ #�� �� �@� %�EE2' @*2/

;�< �/�/ -� ��!��� 9� �������/ :����/ 2 %�EE1' �@E/

;,< "/5/ K� �� 6/7/ -� �� 8���./ C �/ �@ %1' %�**�' 1E@/

;1< "/8/ K�� 8/P/ 6 �� -/ ���/ 8���./ #��/ �* %�' %�***' ��@/

;2< -/L/ "�� P/-/ K��� Q/9/ K��� :����/ 8�./ 5��/ 2E %�?�' %�**�' �1/

;@< 5/ #������ 5/#/ 9����� � -/ �./ 8���./ #��/ @E %3' %�EE2' �E3@/

;3< 5/ #������ P/ I�� �� 5/#/ 9����� � -/ �./ 8���./ #��/ @2 %,' %�EE�' �*11/

;E< �/ C����� �/ #.���� �/ ����� I/ 9����� �/ ��)��� "/ ������ -/ �./ 8���./ #��/ 3� %3'

%�***' �E��/

;�*< &/ :��� �� 0/ ������� :����/ &��/ 0���/ �1 %�***' 33@/

;��< &/8/ 0����� �/-/ #��(� �� � -/�/ I���� ��(/ :����/ �� %�,' %�***' �E�*/

;��< :/ I������� �/ L�����#� ��.���� �/ 0�� ��� :/ C)����� �/ 8 ���� I/ :��� � 8/-/ #�� �� 8/

:���������� -/ &���� �� �/ :����� �/ :�������� 8/ 7��� � 7� �.�� �1 %�EEE' ,@*�/

;��< �/ ������ �/ � �!�� 0/6/ I���� � "/ #����� -/ :����/ &��/ �2 %�' %�**�' ���/

;�,< "/ #����� �/ ������ 0/ I���� � #���/ #���/ #�/ 8����/ ��� %�**�' ���/

;�1< �/#/ #� ��� "/ #����� �/ 9��� �� �/ I����� -/ �./ 8���./ #��/ 3, %�**�' ����/

;�2< -/ ������� -/ 6(����� 5� ����� �� ���������.����� H���� 9�! "���� �E3@/

22* '( ���� �� ��( )���� ��� *��� �+ ,������ �� -����. /��0//�