Identyfikatory
Warianty tytułu
Właściwości mechaniczne i mikrostruktura nanokompozytów 1y2nd-tzp/20% obj. korund
Języki publikacji
Abstrakty
Kompozyty bazujące na dwutlenku cyrkonu stosowane są często do wykonywania elementów mechanicznych i biomedycznych wymagających wysokiej wytrzymałości i odporności na pękanie. W ramach prezentowanej pracy wytworzono ceramikę cyrkoniową wzmocnioną korundem, wykorzystując TZP stabilizowane dodatkami 1% mol. tlenku itru i 2% mol. tlenku neodymu, które zmieszano z korundem w ilości 20% obj. i konsolidowano drogą prasowania na gorąco w 1250-1450°C przez 1 h pod ciśnieniem 60 MPa. Zbadano właściwości mechaniczne, skład fazowy i mikrostrukturę. Współstabilizowany materiał ATZ pokazał kombinację wysokiej 4-punktowej wytrzymałości wynoszącej 1300 MPa i bardzo wysokiej odporności na pękanie - 11 MPa Vm. Progowa intensywność naprężeń wynosząca 5 MPa Vm wskazuje na wysoką odporność na podkrytyczny wzrost pęknięć. Mikrostruktura pokazuje jednorodne rozproszenie ziaren korundu w dwumodalnej osnowie cyrkoniowej składającej się z przemienialnych drobnych ziaren i nieprzemienialnych, dużych, ziaren o strukturze regularnej. Najlepsze właściwości uzyskuje się w temperaturach spiekania z przedziału 1350-1400°C; przy wyższych temperaturach materiał rozkłada się na fazy jednoskośną i regularną tracąc swoją wysoką wytrzymałość i odporność na pękanie.
Zirconia based composites are frequently used in mechanical and biomedical components demanding high strength and toughness. In the present study, alumina toughened zirconia ceramics were manufactured from 1 mol.% yttria 2 mol.% neodymia stabilized TZP blended with 20 vol.% alumina by hot pressing at 1250-1450°C/1 h/60 MPa. Mechanical properties, phase composition and microstructure were investigated. The co-stabilized ATZ material exhibits a combination of high 4-pt bending strength of 1300 MPa and very high fracture resistance of 11 MPa Vm. The threshold stress intensity of 5 MPa Vm indicates a high resistance to subcritical crack growth. The microstructure shows a homogeneous dispersion of alumina grains in a bimodal zirconia matrix consisting of transformable fi ne grains and untransformable large cubic grains. Most favourable properties are developed at sintering temperatures of 1350-1400°C, at higher temperature the material decomposes to monoclinic and cubic losing its high strength and toughness.
Wydawca
Czasopismo
Rocznik
Tom
Strony
168--171
Opis fizyczny
Bibliogr. 21 poz.
Twórcy
autor
- University of Stuttgart, Institute for manufacturing Technology of Ceramic Components and Composites IFKB, Allmandring 7B, D-70569 Stuttgart, Germany, frank.kern@ifkb.uni-stuttgart.de
Bibliografia
- [1] Begand, S., Oberbach, T., Glien, W.: „ATZ – A New Material with a High Potential in Joint Replacement”, Key Eng. Mat., 284-286, (2005), 983-986.
- [2] Tsukuma, K., Ueda, K., Shimada ,M.: „Strength and Fracture Toughness of Isostatically Hot-Pressed Composites of Al2O3 and Y2O3-Partially-Stabilized ZrO2”, J. Am. Ceram. Soc., 68, 1, (1985), C4-5.
- [3] Cutler, R.A., Mayhew, R.J., Prettyman, K.M., Virkar, A.V.: „High-Toughness Ce-TZP/Al2O3 Ceramics with Improved Hardness and Strength”, J. Am. Ceram. Soc., 74, 1, (1991), 179-186.
- [4] Kern, F., Gadow, R.: „Properties of Injection Moulded Alumina-Toughened Zirconia”, J. Ceram. Sci. Techn., 2, 1, (2011), 47-54.
- [5] Kern, F., Gadow, R.: „Alumina toughened zirconia from yttria coated powders”, J. Eur. Ceram. Soc., (2012), http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.03.014.
- [6] Benzaid, R., Chevalier, J., Saâdaoui, M., Fantozzi, G., Nawa, M., Diaz, L.M., Torrecillas, R.: „Fracture toughness, strength and slow crack growth in a ceria stabilized zirconia–alumina nanocomposite for medical applications”, 29, Biomaterials, (2008), 3636-41.
- [7] Apel, E., Ritzberger, C., Courtois, N., Reveron, H., Chevalier, J., Schweiger, M., Rothbrust, F., Rheinberger, V.M., Höland, W.: „Introduction to a tough, strong and stable Ce-TZP/MgAl2O4 composite for biomedical applications”, J. Eur. Ceram. Soc., (2012), http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.02.002.
- [8] Vleugels, J., Xu, T., Huang, S., Kan, Y., Wang, P., Li, L., Van der Biest, O.: „Characterization of (Nd,Y)-TZP ceramics prepared by a colloidal suspension coating technique”, J. Eur. Ceram. Soc., 27, (2007), 1339-43.
- [9] Salehi, S., Van der Biest, O., Vleugels, J.: „Y2O3 and Nd2O3 co-stabilized ZrO2-WC composites”, J. Mater. Sci., 43, (2008), 5784-89.
- [10] Gadow, R., Kern, F.: „Novel Zirconia–Alumina Nanocomposites Combining High Strength and Toughness”, Adv. Eng. Mat., 12, (2010), 1220-23.
- [11] Kern, F.: „High toughness and strength in yttria-neodymia costabilized zirconia ceramics, Scr. Mat. (2012), http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.05.009.
- [12] Kern, F.: „2.75Yb-TZP Ceramics with High Strength and Aging Resistance”, J. Ceram. Sci. Techn., 2, 3, (2011), 147-54.
- [13] Toraya, H., Yoshimura, M., Somiya, S.: „Calibration Curve for Quantitative Analysis of the Monoclinic-Tetragonal ZrO2 System by X-Ray Diffraction”, J. Am. Ceram. Soc., 67, 6, (1984), C119-21.
- [14] Braun, L.M., Benninson, S.J., Lawn, B.R.: „Objective Evaluation of Short-Crack Toughness Curves Using Indentation Flaws: Case Study on Alumina-Based Ceramics”, J. Am. Ceram. Soc., 75, 11, (1992), 3049-57.
- [15] Dransmann, G.W., Steinbrech, R.W., Pajares, A., Guiberteau, F., Dominguez-Rodriguez, F., Heuer, A.H.: „Toughness Determination from Stable Growth of Indentation-Induced Cracks”, J. Am. Ceram. Soc., 77, 5, (1994), 1194-1201.
- [16] Lube, T., Fett, T.: „A threshold stress intensity factor at the onset of stable crack extension of Knoop indentation cracks”, Eng. Fract. Mech., 71, (2004), 2263-2269.
- [17] Liu, Z.G., Ouyang, J.H., Zhu, Y., Li, J.: „Effect of alumina addition on the phase evolution and thermal conductivity of ZrO2–NdO1.5 ceramics”, J. Alloys Comp., 468, 1-2, (2009), 350-355.
- [18] Matsui, K., Yoshida, H., Ikuhara, Y.: „Isothermal Sintering Effects on Phase Separation and Grain Growth in Yttria-Stabilized Tetragonal Zirconia Polycrystal”, J. Am. Ceram. Soc., 92, 2, (2009), 467-475.
- [19] Swain, M.V., Rose, L.R.F.: „Strength Limitations of Zirconia Toughened Alloys”, J. Am. Ceram. Soc., 69, 7, (1986), 511-518.
- [20] Chen, M., Hallstedt, B., Gauckler, L.J.: „Thermodynamic modeling of the ZrO2–YO1.5 system”, Solid State Ionics, 170, (2004), 255-274.
- [21] Wang, C., Zinkevich, M., Aldinger, F.: „Phase diagrams and thermodynamics of rare-earth-doped zirconia ceramics”, Pure Appl. Chem., 79, 10, (2007), 1731-53
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-article-AGH1-0032-0067