Dense and porous zirconia prepared by gelatine and agar gel-casting: microstructural and mechanical characterization

• Autorzy: Tulliani J.M. , Bartuli C. , Bemporad E. , Cavalieri A. , Tirillo J. , Pulci G. , Sebastiani M.

Warianty tytułu

PL

Gęste i porowate tworzywa cyrkoniowe wytworzone metodą odlewania żelowego żelatynowego i agarowego: charakterystyka mikrostrukturalna i mechaniczna

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Dense and cellular yttria-tetragonal zirconia polycrystal (Y-TZP) bodies were produced by using a natural gelatine and two different agars as gelling agents, while commercial polyethylene (PE) spheres were added (125 to 300 žm diameter) as a volatile pore forming agent to create 50-65 vol.% spherical macro-pores, uniformly distributed in a micro-porous matrix. The microstructure of all dense and cellular ceramics was characterized by FEG-SEM and Focused Ion Beam (FIB) techniques. The mechanical properties of both dense and porous samples were investigated at the microscale by nanoindentation testing, while the influence of microporosity was obtained by the analysis of hardness and modulus depth profiles, coupled with FIB-SEM section observations of selected indentation marks. Mechanical characterization at the macroscale consisted of uniaxial compression tests and four point bending tests.

PL

Wytworzono gęste i komórkowe polikrystaliczne materiały tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru, wykorzystując naturalną żelatynę i dwa rodzaje agarozy, jako czynniki żelujące, przy czym komercyjne kule polietylenowe (PE) o średnicach 125 do 300 žm dodano, jako lotny czynnik porotwórczy, aby wytworzyć 50-65 % obj. kulistych makroporów rozproszonych równomiernie w mikroporowatej osnowie. Mikrostrukturę otrzymanej ceramiki, zarówno gęstej jak i komórkowej, scharakteryzowano za pomocą technik FEG-SEM i zogniskowanej wiązki jonów (focused ion beam, FIB). Właściwości mechaniczne, zarówno gęstych jak i porowatych próbek, określono w mikroskali za pomocą badania nanoodcisków (nanoindentation testing), natomiast wpływ mikroporowatości uzyskano na podstawie analizy profili głębokościowych twardości i modułu w połączeniu z obserwacjami SEM wybranych odcisków na przekrojach otrzymanych za pomocą FIB. Charakterystyka mechaniczna w makroskali objęła testy jednoosiowego ściskania i czteropunktowego zginania.

Słowa kluczowe

EN

gel-casting; scanning electron microscopy; porosity; mechanical properties; ZrO2

PL

odlewanie żelowe; skaningowa mikroskopia elektronowa; porowatość; właściwości mechaniczne; ZrO2

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2011
• Tom: T. 63, nr 1
• Strony: 109--116
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Tulliani J.M.

autor

Bartuli C.

autor

Bemporad E.

autor

Cavalieri A.

autor

Tirillo J.

autor

Pulci G.

autor

Sebastiani M.

• Dip. di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica, Politecnico di Torino, Torino, Italy,

Bibliografia

• [1] Studart A.R., Gonzenbach U.T., Tervoort E., Gauckler L.J.: „Processing Routes to Macroporous Ceramics: A Review”, J. Am. Ceram. Soc., 89, (6), (2006), 1771-89.
• [2] Colombo P.: „Conventional and novel processing methods for cellular ceramics”, Phil. Trans. R. Soc. A, 364, (2006), 109–24.
• [3] Omatete O.O., Janney M.A., Strehlow R.A.: “A new ceramic forming process”, Am. Ceram. Soc. Bull., 70, 10, (1991), 1641-49.
• [4] Young A.C., Omatete O.O., Janney, M.A., Menchhofer P.A.,: „Gelcasting of alumina”, J. Am. Ceram. Soc., 74, (1991), 612-8.
• [5] Xie Z.P., Yang J.L., Huang D., Chen Y.L., Huang Y.: „Gelation forming of ceramic compacts using agarose” Brit. Ceram. Trans., 98, 2, (1999), 58-61.
• [6] Santacruz I., Nieto M.I., Moreno R.: „Alumina bodies with near-to-theoretical density by aqueous gelcasting using concentrated agarose solutions”, Ceram. Int., 31, (2005), 439-445.
• [7] Millán A.J., Nieto M.I., Moreno R.: „Aqueous injection moulding of silicon nitride”, J. Eur.Ceram. Soc., 20, (2000), 2661-2666.
• [8] Varma H.K., Sivamukar R.: „Dense hydroxy apatite ceramics through gel-casting technique”, Mat. Lett., 29, (1996), 57-61.
• [9] Zhang W., Wang H., Jin Z.: „Gel-casting and properties of porous silicon carbide/silicon nitride composite ceramics”, Mat. Lett., 59, (2005), 250-256.
• [10] Adolfsson E.: „Gelcasting of zirconia using agarose”, J. Am. Ceram. Soc., 89, 6, (2006), 1897-1902.
• [11] Kong D., Yang H., Wei S., Li D., Wang J.: „Gel-casting without de-airing process using silica sol as a binder”, Ceram. Int., 33, (2007) ,133-139.
• [12] Sun J., Gao L.: „Influence of forming methods on the microstructure of 3Y-TZP specimens”, Ceram. Int., 29, (2003), 971-974.
• [13] Millán A.J., Moreno R., Nieto M.I.: „Thermogelling polysaccharides for aqueous gelcasting – part I: a comparative study of gelling additives”, J. Eur. Ceram. Soc., 22, (2002), 2223–30.
• [14] Dhara S., Bhargava P.: „Egg white as environmentally friendly low – cost binder for gelcasting of ceramics”, J. Am. Ceram. Soc., 84, 12, (2001), 3048-50.
• [15] Chen Y., Xie Z., Yang J., Huang,Y.: „Alumina casting based on gelation of gelatine”, J. Eur. Ceram. Soc., 19, (1999), 271–5.
• [16] Vandeperre L.J., De Wilde A.M., Luyten J.: „Gelatin gelcasting of ceramic components”, J. Mat. Proc. Tech., 135, (2003), 312-6.
• [17] Ortega F.S., Valenzuela F.A.O., Scaracchio C.H., Pandolfelli V.C.: „Alternative gelling agents for the gelcasting of ceramic foams”, J. Eur. Ceram. Soc., 23, (2003), 75–80.
• [18] Jia Y., Kanno Y., Xie Z.P.: „New gel-casting process for alumina ceramics based on gelation of alginate”, J. Eur. Ceram. Soc., 22, (2002), 1911-1916.
• [19] Fanelli A.J., Silvers R.D., Frei W.S., Burlew J.V., Marsh G.B.: „New aqueous injection molding process for ceramic powders”, J. Am. Ceram. Soc., 72, 10, (1989), 1833-1836.
• [20] Sepulveda P.: „Gelcasting foams for porous ceramics”, Am. Ceram. Soc. Bull., 76, 10, (1997), 61-65.
• [21] Lombardi M., Montanaro L., Grémillard L., Chevalier J.: „New Gelcasting Procedure to Prepare Alumina Porous Components: Process Optimization and Preliminary Mechanical Tests”, Proc. 32nd Int. Conf. & Expo. on Advanced Ceramics and Composites, Daytona Beach (FL), USA, (2008).
• [22] Tulliani J.M., Naglieri V., Lombardi M., Montanaro L.: „Porous alumina and zirconia bodies obtained by a novel gel-casting process”, Proc. 32nd Int. Conf. & Expo. on Advanced Ceramics and Composites, Daytona Beach (FL), USA, (2008).
• [23] Lombardi M., Naglieri V., Tulliani J.M., Montanaro L.: „Gelcasting of dense and porous ceramics by using a natural gelatine”, J. Porous Mat., 16, 4, (2009), 393-400.
• [24] Tulliani J.M., Bartuli C., Bemporad E., Naglieri V., Sebastiani M.: „Preparation and mechanical characterization of dense and porous zirconia produced by gel-casting with gelatin as a gelling agent”, Ceram. Int., 35, (2009), 2481-2491.
• [25] Oliver W.C., Pharr G.M.: „Review: Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology”, J. Mat. Res., 19, 1, (2004), 3-20.
• [26] Oliver W.C., Pharr G.M.: „Improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments”, J. Mat. Res., 7, 6, (1992), 1564-1580.
• [27] King R.B.: „Elastic analysis of some punch problems for a layered medium”, Int. J. Sol. Struct., 23, 12, (1987), 1657-1664.
• [28] Bartuli C., Tulliani J.M., Bemporad E., Tirillò J., Pulci G., Sebastiani M.,: „Mechanical properties of cellular ceramics obtained by gel casting: characterization and modelling”, J. Eur. Ceram. Soc., 29, (2009), 2979-2989.
• [29] Luo J., Stevens R.: „Porosity-dependence of elastic moduli and hardness of 3Y-TZP ceramics”, Ceram. Int., 25, (1999), 281-286.
• [30] Gain A.K., Song H.Y., Lee B.T.: „Microstructure and mechanical properties of porous yttria stabilised zirconia ceramic using poly methyl methacrylate powder”, Scripta Mat., 54,(2006), 2081-2085.