DOI: https://doi.org/10.18524/2304-0947.2018.4(68).147820

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАНОКРИСТАЛІЧНИХ ПОРОШКІВ СИСТЕМИ Al2O3–ZrO2–Y2O3–CeO2, ОДЕРЖАНИХ КОМБІНОВАНИМ МЕТОДОМ

M. Yu. Smyrnova-Zamkova, V. P. Redko, O. K. Ruban, O. V. Dudnik

Анотація


Система Al2O3 – ZrO2 (Y2O3, CeO2) перспективна для створення композитів різноманітного призначення: конструкційного, функціонального, медичного. ZTA – композити –матеріали цієї системи – належать до трансформаційно-зміцнених композитів, матрицяяких на основі Al2O3, зміцнена частинками твердого розчину на основі ZrO2. Введення частинок твердого розчину на основі ZrO2, комплексно стабілізованого Y2O3 і CeO2, у крихку матрицю на основі Al2O3 дозволяє змінювати характеристики в’язкості ZTA-композитів. Відомо, що мікроструктура і властивості ZTA – композитів, значною мірою визначаються характеристиками вихідних порошків. Нанокристалічні ZTA- порошки, із вмістом 20-30 % (мас.) – ZrO2 (Y2O3, CeO2), одержані комбінованим методом гідротермального синтезу у лужному середовищі / механічним змішуванням. Для вивчення закономірностей зміни фізико-хімічних властивостей отримані порошки термічно оброблені в інтервалі температур 400-1450°C з 2-х годиною витримкою при кожній температурі. Методи дослідження – рентгено-фазовий (РФА) та диференціально-термічний аналізи (ДТА), метод БЕТ та скануюча електронна мікроскопія (СЕМ). За результатами РФА, фазовий перехід F - ZrO2→ Т - ZrO2 завершується в інтервалі 850-1000°C. В процесі термічної обробки до 1000 °С М-ZrО2 у порошках не утворюється. При термічній обробці одержаних порошків їх морфологія змінюється топологічно безперервно: округла, близька до сферичної, форма агломератів І-го та ІІ-го порядку зберігається при наступній термічній обробці, а їх щільність зростає. Фазові переходи ZrO2 і спікання агломератів відображаються на характері залежності питомої поверхні від температури обробки порошків. Загальні закономірності зміни фізико-хімічних властивостей нанокристалічних порошків різного складу в системі Al2O3 – ZrO2 (Y2O3, CeO2) відкривають шлях до створення матеріалів з необхідною мікроструктурою та комплексом властивостей при досить низькій (1450 °С) температурі спікання.

Ключові слова


ZTA; комбінований метод; Al2O3; гідротермальний синтез; система Al2O3–ZrO2–Y2O3–CeO2

Повний текст:

PDF

Посилання


Wang J., Stevens R. Review Zirconia-toughened alumina (ZTA) ceramics. J. Mater. Sci., 1989, vol. 24, pp. 3421-3440. https://doi.org/10.1007/BF02385721

Naglieri V., Palmero P., Montanaro L., Chevalier J. Elaboration of alumina-zirconia composites: role of the zirconia content on the microstructure and mechanical properties. Mater., 2013, vol. 6, pp. 2090-3002. https://doi.org/10.3390/ma6052090

Naga S.M., Awaad M., Bondioli F., Fino P., Hassan A.M. Thermal diffusivity of ZTA composites with different YSZ quantity. J. Alloys Compd., 2016, vol. 695, pp. 1859-1862. https://doi.org/10.1016/j.jallcom. 2016.11.019

Hui Yu, Zhenhao Hou, Xiaodong Guo, Yongjun Chen, Jianlin Li, Lijie Luo, Jianbao Li, Tao Yang Finite element analysis on flexural strength of Al2O3-ZrO2 composite ceramics with different proportions. Mater. Sci. Eng. A., 2018, in press. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.05.075

Ziwei Wu, Wei Liu, Haidong Wu, Rongji Huang, Rongxuan He, Qiangguo Jiang,Yan Chen, Xuanrong Ji, Zhuo Tian, Shanghua Wu. Research into the mechanical properties, sintering mechanism and microstructure evolution of Al2O3-ZrO2 composites fabricated by a stereolithography-based 3D printing method. J. Mater. Chem. Phys., 2018, vol. 207, pp. 1-10. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.12.021

Dudnik E.V., Lakiza S.N., Tishchenko Ya.S., Ruban A.K., Red’ko V.P., Shevchenko A.V., Lopato L.M. Phase diagrams of refractory oxide systems and microstructural design of materials. J. Powder Metall. Met. Ceram., 2014, vol. 53, nо 5-6, pp. 303-311. https://doi.org/10.1007/s11106-014-9617-z

Hannink R.H.J. Transformation Toughening in Zirconia-Containing Ceramics. J. Am. Ceram. Soc., 2000, vol. 83, no 3, pp. 461-487. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01221.x

Shevchenko A.V., Ruban A.K., Dudnik E.V. Vysokotehnologichnaja keramika na osnove dioksida cirkonija. Ogneupory i tehnicheskaja keramika, 2000, vol. 9, pp. 2–8. (in Russian)

Chen J., Xie Z., Zeng W., Wu W. Toughening mechanisms of ZTA ceramics at cryogenic temperature (77K). J. Ceram. Int., 2017, vol. 43, pp. 3970–3974.

Aragón-Duarte M.C., Nevarez-Rascón A., Esparza-Ponce H.E., Nevarez- Rascón M.M., Talamantes R.P., Ornelas C., Mendez-Nonell J., González-Hernández J., Yacamán M.J., Hurtado-Macías A. Nanomechanical properties of zirconia-yttria and alumina zirconia-yttria biomedical ceramics, subjected to low temperature aging. J. Ceram. Int., 2017, vol. 43, pp. 3931-3939.

Stanciuc A.-M., Sprecher Ch.M., Adrien J., Roiban L.I., Alini M., Gremillard L., Peroglio M. Robocast zirconia-toughened alumina scaffolds: processing, structural characterisation and interaction withhuman primary osteoblasts. J. Eur. Ceram. Soc., 2018, vol. 38, no 3, pp. 845-853. https://doi.org/10.1016/ j.jeurceramsoc.2017.08.031

Sequeira S., Fernandes M.H., Neves N., Almeida M.M. Development and characterization of zirconia–alumina composites for orthopedic implants. J. Ceram. Int., 2017, vol. 43, pp. 693-703. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.09.216

Uribe J., Geringer J., Gremillard L., Reynard B. Degradation of alumina and zirconia toughened alumina (ZTA) hip prostheses tested under microseparation conditions in a shock device J. Tribology Int., 2013, vol.63, pp. 151–157. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2012.10.002

Pezzotti G., Zhu W., Sugano N., Marin E., Yamamoto K., Nishiike N., Hori T., Rondinella A., McEntire B.J., Bock R., Bal B.S. Oxide Ceramic Femoral Heads Contribute to the Oxidation of Polyethylene Liners in Artificial Hip Joints. J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 2018, vol. 82, pp. 168–182. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2018.03.021

Huang S., Binnerl J., Vaidhyanathanl B., Brownz P., Hampson C., Spacie C. Development of nano zirconia toughened alumina for ceramic armor applications. Advances in Ceramic Armor VII: Ceram. Eng. Sci.Proc., 2011, vol. 32, pp. 103–113. https://doi.org/10.1002/9781118095256.ch10

Shevchenko A.V., Dudnik E.V., Tsukrenko V.V., Ruban A.K., Red’ko V.P., Lopato L.M. Microstructural design of bioinert composites in the ZrO2–Y2O3–CeO2–Al2O3–CoO system. J. Powder Metall. Met. Ceram.,2012, vol. 5, no 11-12, pp. 724 – 733. https://doi.org/10.1007/s11106-013-9487-9

Caravaca C.F., Flamant Q., Anglada M., Gremillard L., Chevalier J. Impact of sandblasting on the mechanical properties and aging resistance of alumina and zirconia based ceramics. J. Eur. Ceram. Soc., 2017, vol. 38, no 3, pp. 915-925. https://doi.org/10.1016/ j.jeurceramsoc.2017.10.050

Smyrnova-Zamkova M.Ju., Dudnіk O.V. Metody oderzhannja vyhydnyh nanokrystalychnyh poroshkіv systemy Al2O3 - ZrO2(Y2O3,CeO2). Tr. IPM im. I. N. Francevicha NAN Ukrainy “Sovrem. probl. fizich.materialovedenija”, Kiev, 2017, no 26, pp. 50-65. (in Ukrainian)

Smyrnova-Zamkova M.Ju., Red’ko V.P., Ruban О.K., Dudnіk O.V. Vlastyvostі nanokrystalіchnogo poroshku skladu (mas. %) 90 Al2O3 – 10 ZrO2, oderzhanogo metodom gіdrotermal’nogo syntezu / mehanіchnogo zmіshuvannja. Nanosistemi, nanomaterіali, nanotehnologіi, 2017, vol. 15, no 2, pp. 7309-317. (in Ukrainian)

Strekalovskij V.N. Polezhaev Ju.M., Pal’guev S.F. Oksidy s primesnoj razuporjadochennost’ju: sostav, struktura, fazovye prevrashhenija. Мoscow, Nauka, 1987, 160 p. (in Russian)

Dudnik E.V., Shevchenko A.V., Ruban A.K., Red’ko V.P., Lopato L.M. Effect of Al2O3 on the Properties of Nanocrystalline ZrO2 + 3 mol % Y2O3 powder. Inorg.Mater., 2010, vol. 46, no 2, pp. 172-176. https://doi.org/10.1134/S0020168510020159


Пристатейна бібліографія ГОСТ


1. Wang J., Stevens R. Review Zirconia-toughened alumina (ZTA) ceramics // J. Mater. Sci. – 1989. – Vol. 24. – P. 3421-3440. http://dx.doi.org/ 10.1007/BF02385721

2. Naglieri V., Palmero P., Montanaro L., Chevalier J. Elaboration of alumina-zirconia composites: role of the zirconia content on the microstructure and mechanical properties // Mater. – 2013. – Vol. 6. – P.2090-3002. https://dx.doi.org/10.3390%2Fma6052090

3. Naga S.M., Awaad M., Bondioli F., Fino P., Hassan A.M. Thermal diffusivity of ZTA composites with different YSZ quantity // J. Alloys Compd. – 2016. – Vol. 695. – P.1859-1862. http://dx.doi.org/ 10.1016/j.jallcom.2016.11.019

4. Hui Yu, Zhenhao Hou, Xiaodong Guo, Yongjun Chen, Jianlin Li, Lijie Luo, Jianbao Li, Tao Yang Finite element analysis on flexural strength of Al2O3-ZrO2 composite ceramics with different proportions // Mater. Sci. Eng A. – 2018. In Press. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.05.075

5. Ziwei Wu, Wei Liu, Haidong Wu, Rongji Huang, Rongxuan He, Qiangguo Jiang,Yan Chen, Xuanrong Ji, Zhuo Tian, Shanghua Wu Research into the mechanical properties, sintering mechanism and microstructure evolution of Al2O3-ZrO2 composites fabricated by a stereolithography-based 3D printing method // J. Mater. Chem. Phys. – 2018. – Vol. 207. – P.1-10. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.12.021

6. Dudnik E.V., Lakiza S.N., Tishchenko Ya.S., Ruban A.K., Red’ko V.P., Shevchenko A.V., Lopato L.M. Phase diagrams of refractory oxide systems and microstructural design of materials // J. Powder Metall. Met. Ceram.– 2014. – Vol. 53. N. 5-6 – P. 303-311. https://doi.org/10.1007/s11106-014-9617-z

7. Hannink R.H.J. Transformation Toughening in Zirconia-Containing Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. – 2000.– Vol. 83, N.3. – P. 461-487. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01221.x

8. Шевченко А.В., Рубан А.К., Дудник Е.В. Высокотехнологичная керамика на основе диоксида циркония // Огнеупоры и техническая керамика. – 2000. – № 9. – С. 2–8.

9. Chen J., Xie Z., Zeng W., Wu W. Toughening mechanisms of ZTA ceramics at cryogenic temperature (77K) // J. Ceram. Int. – 2017. - Vol. 43. - P. 3970–3974.

10. Aragón-Duarte M.C., Nevarez-Rascón A., Esparza-Ponce H.E., Nevarez- Rascón M.M., Talamantes R.P., Ornelas C., Mendez-Nonell J., González-Hernández J., Yacamán M.J., Hurtado-Macías A. Nanomechanical properties of zirconia-yttria and alumina zirconia-yttria biomedical ceramics, subjected to low temperature aging // J. Ceram. Int. – 2017. – Vol. 43. – P. 3931-3939.

11. Stanciuc A.-M., Sprecher Ch.M., Adrien J., Roiban L.I., Alini M., Gremillard L., Peroglio M. Robocast zirconia-toughened alumina scaffolds: processing, structural characterisation and interaction withhuman primary osteoblasts // J. Eur. Ceram. Soc. – 2018. – Vol. 38, N. 3. – P. 845-853. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.08.031

12. Sequeira S., Fernandes M.H., Neves N., Almeida M.M. Development and characterization of zirconia–alumina composites for orthopedic implants // J. Ceram. Int. – 2017. – Vol. 43. – P. 693-703. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.09.216

13. Uribe J., Geringer J., Gremillard L., Reynard B. Degradation of alumina and zirconia toughened alumina (ZTA) hip prostheses tested under microseparation conditions in a shock device // J. Tribology Int. – 2013.– Vol. 63. – P. 151–157. https://doi.org/10.1016/ j.triboint.2012.10.002

14. Pezzotti G., Zhu W., Sugano N., Marin E., Yamamoto K., Nishiike N., Hori T., Rondinella A., McEntire B.J., Bock R., Bal B.S. Oxide Ceramic Femoral Heads Contribute to the Oxidation of Polyethylene Liners in Artificial Hip Joints // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. – 2018. – Vol. 82. – P. 168–182. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2018.03.021

15. Huang S., Binnerl J., Vaidhyanathanl B., Brownz P., Hampson C., Spacie C. Development of nano zirconia toughened alumina for ceramic armor applications // Adv. Ceram. Armor VII: Ceram. Eng. Sci. Proc. – 2011. – Vol. 32. – P. 103–113. https://doi.org/ 10.1002/9781118095256.ch10

16. Shevchenko A.V., Dudnik E.V., Tsukrenko V.V., Ruban A.K., Red’ko V.P., Lopato L.M. Microstructural design of bioinert composites in the ZrO2–Y2O3–CeO2–Al2O3–CoO system // J. Powder Metall. Met. Ceram. – 2012. – Vol. 5, N. 11-12. – Р. 724 – 733. https://doi.org/10.1007/s11106-013-9487-9

17. Caravaca C.F., Flamant Q., Anglada M., Gremillard L., Chevalier J. Impact of sandblasting on the mechanical properties and aging resistance of alumina and zirconia based ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. – 2017. – Vol. 38, N 3. – P. 915-925. https://doi.org/10.1016/ j.jeurceramsoc.2017.10.050

18. Смирнова-Замкова М.Ю., Дуднік О.В. Методи одержання вихідних нанокристалічних порошків системи Al2O3 - ZrO2(Y2O3,CeO2) // Тр. ИПМ им. И. Н. Францевича НАН Украины “Соврем. пробл.

физич. материаловедения”. – Киев, ИПМ НАН Украины. – 2017. – № 26. – C. 50-65.

19. Смирнова-Замкова М.Ю., Редько В.П., Рубан О.К., Дуднік О.В. Властивості нанокристалічного порошку складу (мас.%) 90% Al2O3 – 10% ZrO2, одержаного методом гідротермального синтезу / меха-

нічного змішування // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – 2017. – Т. 15, № 2. – С. 309-317.

20. Стрекаловский В. Н. Полежаев Ю. М., Пальгуев С. Ф. Оксиды с примесной разупорядоченностью: состав, структура, фазовые превращения. − М.: Наука, 1987. – 160 с.

21. Dudnik E.V., Shevchenko A.V., Ruban A.K., Red’ko V.P., Lopato L.M. Effect of Al2O3 on the Properties of Nanocrystalline ZrO2 + 3 mol % Y2O3 Powder // Inorg. Mater. – 2010. – Vol. 46, N 2. – P. 172-176. https://doi.org/10.1134/S0020168510020159





Creative Commons License
Ця робота ліцензована Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.