Bonding of porous alumina structures with zirconia nanoparticles

• Autorzy: Adam J. , Dietz J. , Koch M. , Veith M.

Warianty tytułu

PL

Spajanie porowatych struktur tlenku glinu za pomocą nanocząstek dwutlenku cyrkonu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Porous alumina coatings with a final thickness in the order of 0.1 mm were produced by spraying ethanolic dispersions of particle mixtures onto steel substrates, followed by drying and heating at 500°C for 60 min. The coatings consisting only of a mixture of coarse and sub-žm sized alumina particles are generally poor in adherence and in abrasion resistance. By including a colloid of nanoscaled zirconia (d ∼ 7 nm, calculated from the specific surface area) to the dispersion, coatings with clearly improved mechanical properties can be obtained. The zirconia fraction of 8 vol.% (related to the ceramic content) causes strong bonding between the alumina particles and the substrate. This bonding effect is quantified by bending tests, which have been performed after spray drying the dispersions, pressing the powders to form mechanical testing beams and applying a heat treatment at 500°C. The bending tests reveal that strengths are improved at least by a factor of 5 when the nanoparticles are present in the mixture. The described method to establish ceramic bonds in ceramic structures at temperatures, which are far below usual sintering temperatures, is a typical effect which arises in the nano size range, as the nanoparticles’ high reactivity based on their large specific surface area is deployed.

PL

Porowate powłoki z tlenku glinu o końcowej grubości rzędu 0.1 mm wytworzono rozpylając zawiesiny etanolowe mieszanin proszków na stalowe podłoża, poddane następnie suszeniu i wygrzewaniu w 500°C przez 60 min. Powłoki składające się jedynie z mieszaniny gruboziarnistych i submikronowych cząstek tlenku glinu mają generalnie słabą przyczepność i odporność na ścieranie. Poprzez wprowadzenie do zawiesiny koloidu nanometrycznego dwutlenku cyrkonu (d ∼ 7 nm, obliczone z powierzchni właściwej) można uzyskać powłoki o wyraźnie polepszonych właściwościach mechanicznych. Udział dwutlenku cyrkonu wynoszący 8 % obj. (w stosunku do zawartości części ceramicznej) powoduje mocne połączenie pomiędzy cząstkami tlenku glinu i podłożem. Efekt wzmocnienia połączenia znajduje ilościowy wymiar w badaniach zginania, które przeprowadzono po wysuszeniu rozpyłowym zawiesin, prasowaniu otrzymanych proszków w postać belek do badań mechanicznych i zastosowaniu obróbki cieplnej w 500°C. Badania zginania ujawniają, że wytrzymałość poprawia się przynajmniej pięciokrotnie wtedy, gdy w zawiesinie występują nanocząstki. Opisana metoda wytworzenia ceramicznego połączenia w strukturach ceramicznych w temperaturach, które mieszczą się daleko poniżej zazwyczaj stosowanych temperatur spiekania prowadzi do typowego efektu, który powstaje w zakresie rozmiaru nano, ponieważ wprowadzana jest wysoka reaktywność nanocząstek związana z ich dużą powierzchnią właściwą.

Słowa kluczowe

EN

Al2O3; ZrO2; nanoparticles; bonding; colloidal processing; particulate structure

PL

Al2O3; ZrO2; nanocząstka; spajanie; przetwarzania koloidalne; struktura drobnocząstkowa

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 62, nr 4
• Strony: 510--515
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Adam J.

autor

Dietz J.

autor

Koch M.

autor

Veith M.

• INM - Leibniz Institute for New Materials, 66123 Saarbrucken, Germany,

Bibliografia

• 1. Aslan M., Adam J., Reinhard B., Veith M.: „Preparation of thick zirconia coatings by spraying of colloidal suspensions”, Proc. 10th ECerS Conf., (2007), Göller Verlag, Baden-Baden, 322-327.
• 2. Adam J., Aslan M., Drumm R., Veith M.: „Mechanisms of bonding effected by nanoparticles in zirconia coatings applied by spraying of suspensions”, Proc. 10th ECerS Conf. (2007), Göller Verlag, Baden-Baden, 307-311.
• 3. Lan W., Xiao P.: „Drying stress of yttria-stabilized-zirconia slurry on a metal substrate”, J. Eur. Ceram. Soc., 27, (2007), 3117-3125.
• 4. Wang X., Lan W.H., Xiao P.: „Fabrication of yttria stabilized zirconia coatings by a novel slurry method”, Thin Solid Films, 494, (2006), 263-267.
• 5. Hellmig R.J., Ferkel H.: „Using alumina nanopowder as cement in bonding of alumina ceramics”, Physica Status Solidi (A) Applied Research, 175, (1999), 549-553.
• 6. Schmidt H., Schmitt K.-P., Schmitt K., Tabellion F.: „Method for production of nanoparticles with custom surface chemistry and corresponding colloids”, Patent application WO 2006037591 A3 (priority: 2004).
• 7. DIN 51045, Teil 1, Bestimmung der thermischen Längenänderung fester Körper – Grundlagen, (1989).
• 8. Kriegesmann J. (ed.), Technische Keramische Werkstoffe. (Collected edition, continuously updated), HvB-Verlag, Ellerau.
• 9. Zainuddin M.I., Tanaka S., Uematsu K.: „Effect of Segregation of a Polyacrylic Acid (PAA) Binder on the green strength of dry-pressed alumina compacts”, J. Am. Ceram. Soc., 91, (2008), 3896-3902.
• 10. Hardy D., Green D.J.: „Mechanical properties of a partially sintered alumina”, J. Eur. Ceram. Soc., 15, (1995), 769-775.
• 11. Adam J., Drumm R., Klein G., Veith M.: „Milling of zirconia nanoparticles in a stirred media mill”, J. Am. Ceram. Soc., 91, (2008), 2836-2843.