Two-step sintering and related properties of 10 vol.% ZrO2-Al2O3 composites derived from filter and cold isostatic pressing

• Autorzy: Wójtowicz B. , Pyda W.

Warianty tytułu

PL

Dwuetapowe spiekanie i odpowiednie właściwości kompozytu 10 % obj. ZrO2-Al2O3 wytworzonego drogą prasowania filtracyjnego i izostatycznego na zimno

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This work presents a preparation of 10 vol.% zirconia-alumina composites with micrometer alumina and submicrometer zirconia grains via filter pressing and cold isostatic pressing for low temperature consolidation, and constant heating rate sintering (CHR), two-step sintering (TSS) and reverse two-step sintering (RTSS) for high temperature consolidation. The powders of nano-zirconia (10 nm) and alumina (175 nm) were used. Temperatures T1 and T2 of 1600°C and 1350°C were set for TSS, respectively. A reversed sequence of these temperatures was used for RTSS. The resultant composites were characterized in terms of density, microstructural features, hardness and fracture toughness. Both the forming method and the heating schedule showed negligible effects on density of the composites that were sintered using the heating schedules involving a temperature of 1600°C. The microstructure of composites was affected mainly by the heating schedule applied. The composite containing alumina grains of ~2.2 žm and uniformly dispersed zirconia grains of ~0,25 žm was obtained in case of the TSS schedule. The reversed two-step sintering (RTSS) delivered the most coarse-grained microstructures. The temperature T1 of 1600°C generated large grain growth ratios (10.8-18.5), resulting in the composites showing densities close to 95 , but reasonably good hardness (20.8 š 0.2 GPa) and fracture toughness (7.0 š 0.2 MPa•m0.5).

PL

W pracy przedstawiono wytwarzanie kompozytów 10 % obj. ZrO2-Al2O3, zawierających mikronowe ziarna tlenku glinu i submikronowe tlenku cyrkonu, za pomocą prasowania filtracyjnego i izostatycznego na zimno, w przypadku konsolidacji niskotemperaturowej, oraz spiekania ze stałą szybkością ogrzewania (CHR), spiekania dwuetapowego (TSS) i odwróconego spiekania dwuetapowego (RTSS), w przypadku konsolidacji wysokotemperaturowej. Wykorzystano proszki nanometrycznego ZrO2 (10 nm) i Al2O3 (175 nm). Dla schematu TSS ustalono temperatury T1 i T2 wynoszące odpowiednio 1600°C and 1350°C. Odwróconą sekwencję tych temperatur wykorzystano w przypadku schematu RTSS. Otrzymane kompozyty scharakteryzowano w kategoriach gęstości, cech mikrostrukturalnych, twardości i odporności na pękanie. Zarówno metoda formowania, jak i schemat ogrzewania miały zaniedbywalny wpływ na zagęszczenie kompozytów, które spieczono wykorzystując temperaturę 1600°C w schemacie ogrzewania. Na mikrostrukturę kompozytów główny wpływ miał schemat ogrzewania. Za pomocą schematu TSS otrzymano kompozyt zawierający ziarna tlenku glinu o rozmiarze ~2,2 žm i jednorodnie rozproszone ziarna tlenku cyrkonu o rozmiarze ~0,25 žm. Mikrostruktury pochodzące z odwróconego spiekania dwuetapowego (RTSS) były najbardziej gruboziarniste. Temperatura T1 wynosząca 1600°C spowodowała pojawienie się dużych współczynników rozrostu ziaren (10,8-18,5), które były przyczyną otrzymania kompozytów o gęstości wynoszącej blisko 95 %, ale wykazujących rozsądnie dobrą twardość (20,8 š 0,2 GPa) i odporność na pękanie (7,0 š 0,2 MPa•m0.5).

Słowa kluczowe

EN

ZTA; two step sintering; microstructure final; mechanical properties; composite

PL

ZTA; spiekanie dwuetapowe; mikrostruktura; właściwości mechaniczne; kompozyt

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2011
• Tom: T. 63, nr 4
• Strony: 814--819
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Wójtowicz B.

autor

Pyda W.

• AGH-University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

Bibliografia

• [1] Chen I.W., Wang X.H.: „Sintering dense nanocrystalline ceramics without final-stage grain growth”, Nature, 404, (2000), 168-171.
• [2] Maca K., Pouchly V., Zalud P.: „Two-Step Sintering of oxide ceramics with various crystal structures”, J. Eur. Ceram. Soc., 30, (2010), 583-589.
• [3] Durán P., Capel F., Tartaj J., Moure C.: „A strategic two-stage low-temperature thermal processing leading to fully dense and fine-grained doped-ZnO varistors”, Adv. Mater., 14, 2, (2002), 137-141.
• [4] Polotai A., Breece K., Dickey E., Randall C., Ragulya A.: „A novel approach to sintering nanocrystalline barium titanate ceramics”, J. Am. Ceram. Soc., 88, 11, (2005), 3008-3012.
• [5] Wang X.H., Deng X.Y., Bai H.L., Zhou H., Qu W.G., Li L.T., Chen I.W.: „Two-step sintering of ceramics with constant grain-size. II. BaTiO3 and Ni–Cu–Zn ferrite”, J. Am. Ceram. Soc., 89, 2, (2006), 438-443.
• [6] Yu P.C., Li Q.F., Fuh J.Y.H., Li T., Lu L.: „Two-stage sintering of nanosized yttria stabilized zirconia processed by powder injection moulding”, J. Mater. Process. Tech., 192-193, (2007), 312-318.
• [7] Binner J., Annapoorani K., Paul A., Santacruz I., Vaidhyanathan B.: „Dense nanocrystructured zirconia by two stage conventional/hybrid microwave sintering”, J. Eur. Ceram. Soc., 28, 5, (2007), 973-977.
• [8] Bodišová K., Šajgalík P., Galusek D., Švancárek P.: „Twostage sintering of alumina with submicrometer grain size”, J. Am. Ceram. Soc., 90, 1, (2007), 330–332.
• [9] Lee Y.I., Kim Y.W., Mitomo M.: „Effect of processing on densification of nanostructured SiC ceramics fabricated by two-step sintering”, J. Mater. Sci., 39, (2004), 3801–3803.
• [10] Tartaj J.: „Two-Stage Sintering of Nanosize Pure Zirconia”, J. Am. Ceram. Soc., 92, S1, (2009), S103-S106.
• [11] Mazaheri M.: „Sintering of Nanocrystalline Zinc Oxide via Conventional Sintering, Two Step Sintering and Hot Pressing”, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials, 62, 4, (2010), 506- 509.
• [12] Ragulya A.V.: „Consolidation of ceramic nanopowders”, Advances in Applied Ceramics, 107, 3, (2008), 118-134.
• [13] Ye F., Liu L., Zhang J., Iwasa M., Su C.L.: „Synthesis of silicon nitride-barium aluminosilicate self-reinforced ceramic composite by a two-step pressureless sintering”, Comp. Sci. Tech., 65 (2005), 2233-2239.
• [14] Wang Ch.J., Huang Ch.Y., Wu Y.Ch.: „Two step sintering of fine alumina-zirconia ceramics, Ceram. Int., 35, 4, (2009), 1467-1472.
• [15] Niihara K.:„ A fracture mechanics analysis of indentationinduced Palmqvist cracks in ceramics”, J. Mater. Lett., 2, (1983), 221.
• [16] Hansen J.D., Rusin R.P., Teng M.H., Johnson D.L.: „Combined stage sintering model”, J. Am. Ceram. Soc., 75, 5, (1992), 1129-1135