Analiza stereologiczna gęstych spieków kompozytowych w układzie ATZ

• Autorzy: Grabowy Marek , Dzidek Wiktoria , Wilk Agnieszka , Wojteczko Kamil , Wojteczko Agnieszka , Łuszcz Maciej , Delikhovskyi Yurii , Pędzich Zbigniew

Warianty tytułu

EN

Stereological analysis of dense sintered ATZ composites

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Kompozyty ATZ (Alumina Toughened Zirconia), składające się z matrycy tetragonalnego ZrO2 modyfikowanej dodatkiem Al2O3, zyskują coraz większą popularność i poszerzają obszar zastosowań wśród ceramicznych materiałów konstrukcyjnych i biologicznych. Wykorzystując mechanizmy poprawy właściwości mechanicznych w kompozytach, udało się znacznie podnieść w nich odporność na kruche pękanie czy wytrzymałość na zginanie. Doskonałe parametry mechaniczne tego typu tworzyw zależą w głównej mierze od ich składu fazowego oraz uzyskanej mikrostruktury. Celem niniejszej pracy było otrzymanie spieków kompozytów ATZ, określenie podstawowych właściwości mechanicznych oraz kompleksowa charakterystyka mikrostruktury nowatorskich kompozytów ATZ. Materiał bazowy wykorzystany do ich przygotowania stanowiła mieszanina proszku ZrO2 otrzymanego za pomocą metod chemii mokrej oraz niewielkiego dodatku nanometrycznego, komercyjnie dostępnego proszku korundu. Właściwe kompozyty ATZ-10 oraz ATZ-20 uzyskano poprzez wprowadzenie do materiału bazowego większych ilości fazy Al2O3 (odpowiednio 10% i 20% obj.). Jako materiał odniesienia do celów porównawczych wykorzystano komercyjnie dostępne proszki nanometrycznego ZrO2 z dodatkiem 3% mol. Y2O3 (typowy materiał TZP). Po należytym przygotowaniu zgładów, wykorzystując mikroskopię skaningową, wykonano szereg zdjęć, które następnie zbinaryzowano i poddano szczegółowej analizie stereologicznej. Uzyskane kompozyty ATZ charakteryzowała wysoka gęstość przekraczająca 99% gęstości teoretycznej, wytrzymałość na zginanie dochodząca do wartości 1 GPa oraz znakomita odporność na kruche pękanie o KIc powyżej 10 MPa•m1/2. Specyficzna metoda wytwarzania, skutkująca intensyfikacją dyfuzji w trakcie spiekania, doprowadziła do uzyskania homogenicznych mikrostruktur o drobnych ziarnach. Analiza stereologiczna pozwoliła na szczegółową charakterystykę mikrostruktury; wyznaczono średni liniowy rozmiar ziaren, średnią powierzchnię ziaren oraz udział poszczególnych faz, odpowiadający realnej zawartości tlenków w zaprojektowanych kompozytach. Znajomość wartości parametrów opisujących postać mikrostruktury stanowi ważny element interpretacji znakomitych właściwości mechanicznych badanych kompozytów ATZ.

ATZ composites (Alumina Toughened Zirconia), consisting of a tetragonal ZrO2 matrix modified with the addition of Al2O3, are gaining more and more popularity and expand the area of application among ceramic construction and biological materials. By using synergistic factors for improving mechanical properties in composites, it was possible to significantly increase their fracture toughness and bending strength. The excellent mechanical properties of this type of materials depend mainly on their phase composition and obtained microstructure. The aim of this study was to obtain novel ATZ composites, determine the basic mechanical properties and conduct a comprehensive characterization of the microstructure of innovative ATZ composites. The base material used for their preparation was a mixture of ZrO2 powder synthesized by wet chemistry methods and a small addition of commercially available corundum nano-powder. The ATZ-10 and ATZ-20 composites were obtained by adding larger amounts of Al2O3 phase into the base material (respectively 10 and 20 vol.%). Commercially available nanometric ZrO2 powders containing 3 mol.% of Y2O3 (typical TZP material) were used as reference material for comparative purposes. After proper preparation of the specimens’ surfaces, a series of images were taken using scanning electron microscopy, which were then binarized and subjected to detailed stereological analysis. The obtained ATZ composites were characterized by high density exceeding 99% of the theoretical density, flexural strength reaching 1 GPa and excellent fracture toughness with KIc above 10 MPa•m1/2. The specific method of fabrication, resulting in diffusion intensification during sintering, led to homogeneous microstructures with fine grains. Stereological analysis allowed for a detailed characterization of the microstructure - the average linear grain size, average grain area and the fraction of individual phases, corresponding to the real content of oxides in the designed composites, were determined. The knowledge of the parameters describing the form of the microstructure is an important element in the discussion about the excellent mechanical properties of the investigated ATZ composites.

Słowa kluczowe

PL

tlenek cyrkonu; tlenek glinu; dwutlenek cyrkonu wzmocniony tlenkiem glinu; kompozyty; mikrostruktura

EN

zirconium oxide; aluminium oxide; alumina toughened zirconia; composites; microstructure

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2021
• Tom: T. 73, nr 2
• Strony: 82--91
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Grabowy Marek

• IEN Institute of Power Engineering, Ceramics Division CEREL, 8 Mory St., 01-330 Warsaw

autor

Dzidek Wiktoria

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

autor

Wilk Agnieszka

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

autor

Wojteczko Kamil

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

autor

Wojteczko Agnieszka

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

autor

Łuszcz Maciej

• Łukasiewicz Research Network - Institute for Sustainable Technologies, 6/10 Pułaskiego St., 26-600 Radom, Poland

autor

Delikhovskyi Yurii

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

autor

Pędzich Zbigniew

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

Bibliografia

• [1] Maji, A., Choubey, G.: Microstructure and Mechanical Properties of Alumina Toughened Zirconia (ATZ), Materials Today: Proceedings, 5, 2, (2018), 7457-7465.
• [2] Grabowy, M., Wojteczko, K., Wojteczko, A., Dębiński, P., Almansour, S. A., Minh L. H., Bućko, M. M., Pędzich, Z.: The abrasive wear susceptibility of innovative ATZ type composite produced by sintering mix of zirconia powders with different chemical composition, Composites Theory and Practice, 20, 1, (2020), 11-16.
• [3] Okada, A.: Automotive and industrial applications of structural ceramics in Japan, J. Eur. Ceram. Soc., 28, 5, (2008), 1097-1104.
• [4] Danilenko, I., Konstantinova, T., Volkova, G., Burkhovetski, V., Glazunova, V.: The Role of Powder Preparation Method in Enhancing Fracture Toughness of Zirconia Ceramics with Low Alumina Amount, J. Ceram. Sci. Techn., 6, 3, (2015), 191-200.
• [5] Fabbri, P., Piconi, C., Burresi,, E., Magnani G., Mazzanti, F., Mingazzini, C.: Lifetime estimation of a zirconia-alumina composites for biomedical applications, Dental Mater., 30, 2, (2014), 138-142.
• [6] Sequeira, S., Fernandes, M. H., Neves, N., Almeida, M. M.: Development and characterization of zirconia-alumina composites for orthopedic implants, Ceram. Int., 43, 1, (2017), 693-703.
• [7] Piconi, C., Tampieri, A.: Oxide Ceramics for Biomedical Applications, Encyclopedia of Materials: Techn. Ceram. Glass., 3, (2021), 511-525.
• [8] Shekhawat, D., Singh, A., Banerjee, M. K., Singh, T., Patnaik, A.: Bioceramic composites for orthopaedic applications: A comprehensive review of mechanical, biological and microstructural properties, Ceram. Int., 47 3, (2021), 3013-3030.
• [9] Gross, C., Bergfeldt, T., Fretwurst, T., Rothweiler, R., Nelson, K., Stricker, A.: Elemental analysis of commercial zirconia dental implant, J. Mechan. Behav. Medic. Mater., 107, (2020).
• [10] Chaim, R.: Pressureless sintered ATZ and ZTA ceramic composites, J. Mater. Sci., 27, (1992), 5597-5602.
• [11] Magnani, G., Brillante, A.: Effect of the composition and sintering process on mechanical properties and residual stress in zirconia-alumina composites, J. Eur. Ceram. Soc., 25, 15, (2005), 3383-3392.
• [12] Ryś, J.: Stereologia materiałów, Fotobit-Design, Kraków 1995.
• [13] Bobrowski, P., Faryna, M., Pędzich, Z.: Microstructural Characterization of Yttria-Stabilized Zirconia Sintered at Different Temperatures Using 3D EBSD, 2D EBSD and Stereological Calculations, J. Mater. Eng. Perform., 26, 2017, 4681-4688.
• [14] Grabowy, M., Maciewicz, K., Łuszcz, M., Pędzich, Z., Bućko, M. M.: Właściwości mechaniczne kompozytów typu ATZ otrzymanych w procesie spiekania mieszaniny proszków dwutlenku cyrkonu o różnym składzie chemicznym, Mater. Ceram./Ceram. Mater., 71, 3, (2019), 286-294.
• [15] Grabowy, M., Wilk, A., Lach, R., Pędzich, Z.: Hydrothermal Aging of ATZ Composites Based on Zirconia Made of Powders with Different Yttria Content, Materials, 14, (2021), 6418.
• [16] Niihara, K., A fracture mechanics analysis of indentation-induced Palmqvist crack in ceramics, J. Mater. Sci. Lett., 2, 1983, 221-223.
• [17] ImageJ, ImageJ User Guide, 2003.