Właściwości mechaniczne kompozytów typu ATZ otrzymanych w procesie spiekania mieszaniny proszków dwutlenku cyrkonu o różnym składzie chemicznym

• Autorzy: Grabowy Marek , Maciewicz Karolina , Łuszcz Maciej , Pędzich Zbigniew , Bućko Mirosław M.

Warianty tytułu

EN

Mechanical properties of ATZ-type composites obtained in the sintering process of zirconia powders with different chemical composition

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Kompozyty na osnowie tetragonalnego dwutlenku cyrkonu, zawierające wtrącenia korundowe (alumina toughened zirconia, ATZ), są jednym z podstawowych i częściej stosowanych ceramicznych tworzyw konstrukcyjnych. Właściwości mechaniczne tego typu kompozytów, głównie wytrzymałość i odporność na kruche pękanie, silnie zależą od ich składu chemicznego, fazowego i mikrostruktury. Celem niniejszej pracy było otrzymanie kompozytów ATZ w procesie spiekania mieszaniny dwóch proszków ZrO2 o różnym składzie chemicznym z niewielkim (1.5 % mas.) dodatkiem nanometrycznego proszku korundu, a także określenie ich mikrostruktury i podstawowych właściwości mechanicznych. Użyto nanometrycznego proszku czystego dwutlenku cyrkonu i proszku zawierającego 4% mol. tlenku itru, a ich ilości w mieszaninie z nanokorundem dobrano tak, aby końcowy produkt miał nominalnie 3% mol. Y2O3. 1,5% mas. nanometrycznego tlenku glinu Do takiej mieszaniny proszków dodano 10% lub 20% obj. proszku submikronowego korundu po czym wypraski spiekano w 1450 °C przez 2 h. Tak otrzymany materiał cechował się wyższą wartością współczynnika krytycznej intensywności naprężeń, lecz niższą wytrzymałością na zginanie w stosunku do spieku otrzymanego w tych samych warunkach z jednofazowego proszku. Obecność ziaren tlenku glinu w każdym przypadku podnosiła zarówno odporność na kruche pękanie, jak i wytrzymałość.

EN

Composites based on tetragonal zirconia, containing corundum inclusions (alumina toughened zirconia, ATZ), are one of the basic and more commonly used ceramic structural materials. The mechanical properties of this type of composites, mainly strength and fracture toughness, strongly depend on their chemical and phase composition as well as their microstructure. The purpose of this work was to obtain ATZ composites in the sintering process of two ZrO2 powders with different chemical composition with a small (1.5 wt%) addition of nanometric corundum powder, as well as to determine their microstructure and basic mechanical properties. Nanometric powders of pure zirconia and zirconia containing 4 mol% yttrium oxide were used, and their amounts in the mixture with nanocorundum were selected so that the final product had a nominal 3 mol% Y2O3. To this powder mixture, 10% or 20% by volume of submicron corundum powder was added, after which the compacts were sintered at 1450 °C for 2 h. The material obtained in this way was characterized by a higher value of the critical stress intensity factor, but a lower bending strength in relation to the sintered body obtained under the same conditions from a single-phase powder. The presence of alumina grains in each case increased both fracture toughness and strength.

Słowa kluczowe

PL

dwutlenek cyrkonu; tlenek glinu; kompozyty; dwutlenek cyrkonu wzmocniony tlenkiem glinu; właściwości mechaniczne

EN

zirconia; alumina; composites; zirconia toughened alumina; mechanical properties

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2019
• Tom: T. 71, nr 3
• Strony: 286--294
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Grabowy Marek

• Institute of Energetics, Ceramics Division CEREL, 1 Techniczna St., 36-040 Boguchwała, Poland

autor

Maciewicz Karolina

• AGH – University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Department of Machine Design and Technology, 30 Mickiewicza Av., 30-059 Kraków, Poland

autor

Łuszcz Maciej

• AGH – University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Ceramics and Refractory Materials, 30 Mickiewicza Av., 30-059 Kraków, Poland

autor

Pędzich Zbigniew

• AGH – University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Ceramics and Refractory Materials, 30 Mickiewicza Av., 30-059 Kraków, Poland

autor

Bućko Mirosław M.

• AGH – University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Ceramics and Refractory Materials, 30 Mickiewicza Av., 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• 1. Okada, A.: Automotive and industrial applications of structural ceramics in Japan, J. Eur. Ceram. Soc., 28, (2008), 1097-1104.
• 2. Wang, J., Stevens, R.: Zirconia-toughened alumina (ZTA) ceramics, J. Mater. Sci., 24. (1989), 3421-3440,
• 3. Claussen, N.: Fracture toughness of Al2O3 with an unstabilized ZrO2 dispersed phase, J. Amer. Ceram. Soc., 59, (1976), 49-51.
• 4. Chevalier, J.: What future for zirconia as a biomaterial ?, Biomaterials, 27, (2006), 535-543.
• 5. Chaim, R.: Pressureless sintered ATZ and ZTA ceramic composites, J. Mater. Sci., 27. (1992), 5597-5602.
• 6. Basu, B., Vleugels, J., Van Der Biest, O.: ZrO2-Al2O3 composites with tailored toughness, J. Alloys Compds., 372, (2004), 278-284.
• 7. Magnani, G., Brillante, A.: Effect of the composition and sintering process on mechanical properties and residual stresses in zirconia-alumina composites, J. Eur. Ceram. Soc., 25, (2005) 3383-3392,
• 8. Casellas, D., Ràfols, I., Llanes, L., Anglada, M.: Fracture toughness of zirconia-alumina composites, Int. J. Refr. Metals Hard Mater., 17, (1999), 11-20.
• 9. Tuan, W. H., Chen, R. Z., Wang, T. C., Cheng, C. H., Kuo, P. S.: Mechanical properties of Al2O3/ZrO2 composites, J. Eur. Ceram. Soc., 22, (2002), 2827-2833.
• 10. https://imagej.nih.gov/ij/
• 11. Niihara, K.: A fracture mechanics analysis of indentation-induced Palmqvist crack in ceramics, J. Mater. Sci. Lett., 2, (1983), 221-223.
• 12. ASTM F394-78 (1996), Test Method for Biaxial Flexure Strength (Modulus of Rupture) of Ceramic Substrates.
• 13. Wojteczko, A., Lach, R., Wojteczko, K., Pędzich, Z.: Investigation of subcritical crack growth phenomenon and estimation of life time of alumina and alumina-zirconia composites with different phase arrangement, Ceram. Int., 42, (2016), 9438-9442.
• 14. Smith, C. S.: Grains, phases, and interphases: an interpretation of microstructure, Trans. Metall. Soc. AIME, 175, (1948), 15-51.
• 15. Swain, M. V.: Inelastic deformation of Mg-PSZ and its significance for strength-toughness relationship of zirconia thoughened ceramics, Acta Metall., 33, (1985), 2083-2091.
• 16. Bućko, M., Pyda, W., Grabowski, G. ,Pędzich, Z.: Wpływ kształtu wtrąceń na naprężenia cieplne w kompozycie regularny ZrO2-Al2O3, Kompozyty/Composites, 6, (2006), 59-64.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).