Właściwości mechaniczne ceramiki Y₂O₃ wzmocnionej płatkami grafenowymi

• Autorzy: Boniecki M. , Librant Z. , Wesołowski W. , Gołębiewski P. , Zybała R. , Kaszyca K. , Koziński R. , Librant K. , Piątkowska A. , Romaniec M. , Ciepielewski P. , Krzyżak K. , Kurpaska Ł.

Warianty tytułu

EN

Mechanical properties of graphene flake-reinforced Y₂O₃ ceramics

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W pracy badano wpływ płatków grafenowych na właściwości mechaniczne kompozytu Y₂O₃ – grafen w funkcji sposobu przygotowania zawiesin tlenku grafenu GO oraz jego zawartości w kompozycie. Do otrzymania próbek użyto handlowy nanometryczny proszek Y₂O₃ o czystości 99,99% i GO otrzymany w ITME. Kompozyty otrzymano na bazie wodnej mieszaniny obu składników, którą spiekano po wysuszeniu w piecu Astro pod jednoosiowym ciśnieniem i metodą SPS. Wykonano kompozyty o zawartości wagowej GO 1 i 3%. Spektroskopia Ramana potwierdziła obecność zredukowanego tlenku grafenu w otrzymanych kompozytach. Poza pojedynczymi przypadkami sposób przygotowania zawiesin GO nie miał wpływu na wartości mierzonych właściwości mechanicznych. Stwierdzono, że w funkcji zawartości GO dla próbek spiekanych w piecu Astro twardość oraz moduł Younga nieznacznie maleją, wytrzymałość na zginanie rośnie maksymalnie o ok. 30% dla 3% GO. Odporność na pękanie mierzona na belkach z karbem nieznacznie maleje w funkcji zawartości GO, ale za to rośnie odporność na pękanie mierzona metodą Vickersa (o ok. 50%). Odporność na pękanie próbek spiekanych metodą SPS rośnie maksymalnie ok. 80% (dla obu metod pomiaru). Zaobserwowany na zdjęciach pęknięć Vickersa mechanizm wzmacniania przez płatki GO, polegał na skręcaniu płaszczyzny pękania i blokowaniu jego propagacji.

EN

The influence of graphene flakes on the mechanical properties of Y₂O₃ – graphene composite as a function of the preparation method of the suspensions of graphene oxide GO and its content was studied. To obtain samples, a commercial nano-sized Y₂O₃ powder with a purity of 99.99% and GO fabricated at ITME were used. The composites were based on an aqueous mixture of both components. They were sintered after drying under uniaxial pressure in an Astro furnace and an SPS machine. The GO weight content in the case of these composites was 1 and 3%. Raman spectroscopy confirmed the presence of reduced graphene oxide in the resultant composites. Besides isolated cases,the preparation of the GO suspensions did not affect the measured mechanical properties. It was found that for the samples sintered in the Astro furnace both hardness and Young's modulus as function of the GO content were slightly reduced, whereas the bending strength increased to approx. 30% for 3% GO. In addition, the fracture toughness measured at the notched beams decreased slightly as a function of the GO content but grew (about 50%) for the fracture toughness measured by the Vickers method. The fracture toughness of the samples sintered in the SPS machine increased up to about 80% for both measurement methods. The mechanism of reinforcing the material with graphene flakes observed in the pictures of the Vickers cracks was based on crack deflection and crack blocking.

Słowa kluczowe

PL

ceramika Y2O3; grafen płatkowy; odporność na pękanie; wytrzymałość na zginanie

EN

Y2O3 ceramics; graphene flakes; toughness; bending strength

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
• Czasopismo: Materiały Elektroniczne
• Rocznik: 2015
• Tom: T. 43, nr 3
• Strony: 15--24
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Boniecki M.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01 - 919 Warszawa

autor

Librant Z.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01 - 919 Warszawa

autor

Wesołowski W.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01 - 919 Warszawa

autor

Gołębiewski P.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01 - 919 Warszawa

autor

Zybała R.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01 - 919 Warszawa

autor

Kaszyca K.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01 - 919 Warszawa

autor

Koziński R.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01 - 919 Warszawa

autor

Librant K.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01 - 919 Warszawa

autor

Piątkowska A.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01 - 919 Warszawa

autor

Romaniec M.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01 - 919 Warszawa

autor

Ciepielewski P.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01 - 919 Warszawa

autor

Krzyżak K.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01 - 919 Warszawa

autor

Kurpaska Ł.

• Narodowe Centrum Badań Jądrowych, ul. A. Sołtana 7, 05-400 Otwock - Świerk

Bibliografia

• [1] Micheli A. L., Dungan D. F., Mantese J. V.: High- -density yttria for practical ceramic applications, J. Am. Ceram. Soc., 1992, 75, 709 - 711
• [2] Kumar A. S., Durai A. R., Sornakumar T.: Yttria ceramics: cutting tool application, Mater. Lett., 2004, 58, 1808 - 1810
• [3] Kong J., Takaichi J. L. K, Uematsu T., Ueda K., Tang D. Y., Shen D. Y., Yagi H., Yanagitani T., Kaminskii A. A: Diode-pumped Yb: Y2O3 ceramic laser, Appl. Phys. Lett., 2003, 82, 2556 - 2558
• [4] Boniecki M.: Projekt badawczy NCN (Opus1) nr 2011/01/B/ST8/02635 pt.: Właściwości mechaniczne i odporność na szoki termiczne przeźroczystej ceramiki Y2O3 w funkcji mikrostruktury i temperatury realizowany od 13.12.2011 do 12.06.2015 r.
• [5] Boniecki M., Librant Z. i inni: Fracture mechanics of Y2O3 ceramics at high temperatures, CIMTEC 2014 13th International Ceramics Congress, June 8-13/2014 Montecatini Terme, Italy (artykuł opublikowano na stronie www.scientific.net, Advances in Science and Technology, 2014, 89, 88 - 93).
• [6] Boniecki M., Jach K., Librant Z. i inni: Mechanika kruchego pękania ceramiki Y2O3, VIII Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna, Polska Ceramika 2014, AGH, Kraków, 7 - 10.09.2014 (artykuł opublikowano w Materiałach Ceramicznych, 2015 , 67, 1, 43 - 47)
• [7] Boniecki M., Librant Z., i inni: The thermal shock resistance of Y2O3, 14th International Conference European Ceramic Society, 21 - 25 June 2015, Toledo, Spain, artykuł opublikowano w Ceramics International, 2016, 42, 10215 - 10219
• [8] Boniecki M., Librant Z., i inni: Odporność na pękanie ceramiki Y2O3, X Konferencja Polskiego Towarzystwa Ceramicznego, Zakopane, 17 - 20 września 2015 r., artykuł opublikowano w Materiałach Ceramicznych, 2015, 67, 4, 378 - 382
• [9] Boniecki M., Librant Z. i inni: Mechanika kruchego pękania ceramiki korundowej wzmocnionej płatkami grafenowymi, Materiały Elektroniczne 2013, 41, 4, 3 - 9
• [10] Ya-Fei Chen, Jian-Qiang Bi, Chong-Long Yin, Guang- Lei You: Microstructure and fracture toughness of graphene nanosheets/alumina composites, Ceramics International, 2014, 40, 13883 - 13889
• [11] Bin Lee, MinYoung Koo, Sun Hwan Jin, Kyung Tae Kim, Soon H. Hong: Simultaneous strengthening and toughening of reduced graphene oxide/alumina composites fabricated by molecular-level mixing process, Carbon, 2014, 78, 212 - 219
• [12] Porwal H., Tatarko P., Grasso S., Khalia J., Dlouhy I., Reece M.J.: Graphene reinforced alumina nano- -composites, Carbon, 2013, 64,359 - 369
• [13] Liu J., Yan H., Jiang K.: Mechanical properties of raphene platelet-reinforced alumina ceramic composites. Ceram. Int., 2013, 39, 6215 - 6221
• [14] Fett T., Munz D.: Subcritical crack growth of macrocracks in alumina with R-curve behavior, J. Am.Ceram. Soc., 1992, 75, 4, 958 - 963
• [15] Anstis G. R., Chantikul P., Lawn B. R., Marshall D. B.: A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: I. Direct crack measurements, J.Am.Ceram.Soc., 1981, 64, 9, 533 - 538
• [16] Csehova E., Andrejovska J. , Limpichaipant A., Dusza J., Todd R.: Indentation load-size effect in Al2O3 – SiC nanocomposites, J. Electical Engineering, 2010, 61, 5, 305 - 307
• [17] Andrejovska J., Dusza J.: Hardness and indentation load/size effect in silicon based materials. NANOCON 2009, Conference Proceedings, 20 - 22.10.2009 Roznov pod Radhostem, Czech Republic
• [18] Palko J. W., Kriven W. M., Sinogeikin S. V., Bass J. D., Sayir A.: Elastic constants of yttria (Y2O3) monocrystals to high temperatures, J. Appl. Phys., 2001, 89, 7791 - 7796
• [19] Tomaszewski H., Węglarz H., Wajler A., Boniecki M., Kaliński D.: Multilayer ceramic composites with high failure resistance, J. Eur. Ceram. Soc., 2007, 27, 1373 - 1377
• [20] Desmaison-Brut M., Montintin J., Valin F., Boncoeur M.: Influence of processing conditions on the microstructure and mechanical properties of sintered yttrium oxides, J. Am. Ceram. Soc., 1995, 78, 4, 716 - 722