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01.06.2011 | IIB 2010 | Ausgabe 12/2011

Journal of Materials Science 12/2011

Mass transfer through a single grain boundary in alumina bicrystals under oxygen potential gradients

Zeitschrift:
Journal of Materials Science > Ausgabe 12/2011
Autoren:
Tsuneaki Matsudaira, Satoshi Kitaoka, Naoya Shibata, Tsubasa Nakagawa, Yuichi Ikuhara

Abstract

The mass-transfer behavior through grain boundaries (GBs) in alumina was systematically investigated using four types of alumina bicrystals. The alumina bicrystal wafers were exposed to the constant oxygen potential gradient \( \left( {\Updelta P_{{{\text{O}}_{ 2} }} } \right) \) generated by the combination of two different oxygen partial pressures \( P_{{{\text{O}}_{ 2} }} \left( {\text{II}} \right) \) and \( P_{{{\text{O}}_{ 2} }} \left( {\text{I}} \right) \) of 105 and 1 Pa, respectively, at 1923 K. Ridges were formed along the GBs on the surface subjected to \( P_{{{\text{O}}_{ 2} }} \left( {\text{II}} \right) \), and deep GB ditches were developed on the \( P_{{{\text{O}}_{ 2} }} \left( {\text{I}} \right) \) surface mainly during the migration of aluminum thorough GBs from the \( P_{{{\text{O}}_{ 2} }} \left( {\text{I}} \right) \) surface to \( P_{{{\text{O}}_{ 2} }} \left( {\text{II}} \right) \) surface. The surface morphology changes in the vicinity of the GBs were observed by atomic force microscopy. It was found that the surface morphology changes indicative of the aluminum GB diffusion were strongly dependent on the GB characteristics. The GB diffusion coefficients of aluminum estimated from the volume of the GB ridges showed a clear correlation to the local bonding environments of GB cores estimated from theoretical calculations reported previously.

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