Manufacturing and properties of ceramics originated from zirconia-ceria nanopowders doped with yttria

• Autorzy: Pyda W. , Marchlewska A. , Bućko M. M. , Pyda A.

Warianty tytułu

PL

Wytwarzanie i właściwości ceramiki otrzymanej z nanoproszków cyrkoniowo-ceriowych domieszkowanych tlenkiem itru(III)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Ceria-zirconia nanopowders doped with yttrium(III) oxide were prepared by a soft chemistry route. A concentration of ceria in the 8 mol% yttria-zirconia nanopowder changed from 0 to 100 %. In the route, a water solution of zirconium(IV) oxychloride, yttrium(III) chloride and cerium(III) nitrate was treated with ammonia to co-precipitate a deposit, which was calcined for 2 h at 900 °C in air to obtain crystalline nanopowder. Consolidation of the nanopowders was performed by means of cold isostatic pressing under 220 MPa and natural sintering for 2 h at 1550 °C in air. The effects of the ceria concentration on properties of both yttria-zirconia-ceria nanopowders and bulk materials were investigated by TG-DTA, XRD, BET, SEM and Vickers’ indentation. The thermal behaviour of co-precipitated materials, crystal structure and crystallite size of the nanopowders, evolution of the microstructure and mechanical properties of the bulk materials were found to depend on ceria concentration.

PL

Nanoproszki cero-cyrkoniowe domieszkowane tlenkiem itru(III) wytworzono za pomocą metody chemii miękkiej. Stężenie CeO2 w nanoproszku 8 % mol. Y2O3-ZrO2 zmieniało się od 0 do 100 %. W zastosowanej metodzie preparatyki, wodny roztwór tlenochlorku cyrkonu(IV), chlorku itru(III) i azotanu ceru(III) zadawano wodnym roztworem amoniaku, aby współstrącić osad, który kalcynowano przez 2 h w 900 stopni C w powietrzu, w celu uzyskania krystalicznego nanoproszku. Konsolidację nanoproszków przeprowadzono drogą prasowania izostatycznego na zimno przy ciśnieniu 220 MPa i następczego spiekania swobodnego przez 2 h w 1550 stopni C w powietrzu. Wpływy stężenia CeO2 na właściwości zarówno nanoproszków w badanym układzie Y2O3-ZrO2-CeO2, jak i spieczonych materiałów zbadano za pomocą metod TG-DTA, XRD, BET, SEM oraz nakłuwania wgłębnikiem Vickersa.’ Stwierdzono, że zachowanie podczas obróbki cieplnej współstrąconych osadów, struktura krystaliczna i rozmiar krystalitów nanoproszków, ewolucja mikrostruktury i właściwości mechanicznych spieczonych materiałów zależą od stężenia tlenku ceru(III).

Słowa kluczowe

EN

CeO2; ZrO2; microstructure final; mechanical properties; nanopowder

PL

CeO2; ZrO2; mikrostruktura finalna; właściwości mechaniczne; nanoproszek

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 62, nr 3
• Strony: 328--334
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Pyda W.

autor

Marchlewska A.

autor

Bućko M. M.

autor

Pyda A.

• AGH - University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Kraków, Poland,

Bibliografia

• 1. Ozawa M., Kimura M., Isogai A.: „The application of Ce–Zr oxide solid solution to oxygen storage promoters in automotive catalysts”, J. Alloys Comp., 193, (1993),73-75.
• 2. Sakai N., Xiong Y.P., Yamaji K., Kishimoto H., Horita T., Brito M.E., Yokokawa H.: „Transport properties of ceria–zirconia–yttria solid solutions {(CeO2)x(ZrO2)1−x}1−y(YO1.5)y (x = 0–1, y = 0.2, 0.35)”, J. Alloys Comp., 408-412, (2006), 503-506.
• 3. Calès B., Baumard J.F.: „Mixed conduction and defect structure of ZrO2-CeO2-Y2O3 solid solutions”, J. Electrochem. Soc., 131, (1984), 2407-2413.
• 4. Arashi H., Naito H., Nakata M.: „Electrical-Properties in the ZrO2–CeO2–Y2O3 system”, Solid State Ionics, 76, (1995) 315-319.
• 5. Ananthapadmanabhan P.V., Venkatramani N., Rohatgi V.K., Momin A.C., Venkateswarlu K.S.: „Structure and ionic conductivity of solid solutions in the system 0.9{(ZrO2)1−x-(CeO2)x}-0.1(Y2O3)”, J. Eur. Ceram. Soc., 6, (1990), 111-117.
• 6. Bukaemskiy A.A., Barrier D., Modolo G.: „Thermal and crystallization behaviour of 8YSZ-CeO2 system”, J. Alloys Comp., 472, (2009), 286-293.
• 7. Oliveira A.P., Torem M.L.: „The influence of precipitation variables on zirconia powder synthesis”, Powder Technol., 119, (2001), 181-193.
• 8. Quinelato A.L., Longo E., Perazolli L.A., Varela J.A.: „Effect of ceria content on the sintering of ZrO2 based ceramics synthesized from a polymeric precursor”, J. Eur. Ceram. Soc., 20, (2000), 1077-1084.
• 9. Aruna S.T., Patil K.C.: „Combustion synthesis and properties of nanostructured ceria-zirconia solid solutions”, Nanostructured Mater., 10, (1998), 955-964.
• 10. Dudek M., Mróz M., Zych Ł., Drożdż-Cieśla E.: „Synthesis of ceria-based nanopowders suitable for manufacturing solid oxide electrolytes”, Mater. Sci. Poland, 26, (2008), 319-329.
• 11. Shuk P., Greemblatt M.: „Hydrothermal synthesis and properties of mixed conductors based on Ce1−xPrxO2−δ solid solutions”, Solid State Ionics, 116, (1999), 217-223.
• 12. Li G., Smith R.L., Inomata H.: „Synthesis of nanoscale Ce1-xFexO2 solid solutions via a low-temperature approach”, J. Am. Chem. Soc., 123, (2001), 11091-11092.
• 13. Singh P., Hegde M.S.: “Controlled synthesis of nanocrystalline CeO2 and Ce1-xMxO2-2 (M = Zr, Y, Ti, Pr and Fe) solid solutions by the hydrothermal method: Structure and oxygen storage capacity”, J. Solid State Chem., 181, (2008), 3248-3256.
• 14. Rietveld H.M.: „Line profiles of neutron powder-diffraction peaks for structure refinement”, Acta Cryst., 22, (1967), 151-152.
• 15. Scherrer P.: Göttinger Nachrichten Gesell., 2, (1918), 98-100.
• 16. Niihara, K.A.: „A fracture mechanics analysis of indentation-induced Palmqvist crack in ceramics”, J. Mater. Sci. Lett., 2, (1983), 221-223.
• 17. Aronne A., Marotta A., Pernice P., Catauro M.: „Sol-gel processing and crystallization of yttria-doped zirconia, Therm. Acta, 275, (1996), 75-82.
• 18. Guo G.Y., Chen Y.L., Ying W.J.: „Thermal, spectroscopic and X-ray diffractional analyses of zirconium hydroxides precipitated at low pH values”, Mater. Chem. Phys., 84, (2004), 308-314.
• 19. Caracoche M.C., Rivas P.C., Cervera M.M., Caruso R., Benavidez E., Sanctis O., Escobar M.E.: „Zirconium oxide structure prepared by the sol-gel route: I, The role of the alcoholic solvent”, J. Am. Ceram. Soc., 83, (2000), 377-384.
• 20. Haberko K.: „Characteristics and sintering behaviour of zirconia ultrafine powders”, Ceramurgia Int., 5, (1979), 145-148.
• 21. Powder Diffraction File No. 01-089-6687, International Centre for Diffraction Data, Newtown Square, PA.
• 22. Powder Diffraction File No. 01-089-8436, International Centre for Diffraction Data. Newtown Square, PA.