Wpływ kształtu wtrąceń na naprężenia cieplne w kompozycie regularny ZrO2-Al2O3

• Autorzy: Bućko M.M. , Pyda W. , Grabowski G. , Pędzich Z.

Warianty tytułu

EN

Influence of the inclusion shape on thermal stresses in a cubic ZrO2-Al2O3 composite

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Posługując się kryterium kształtu, dokonano klasyfikacji wtrąceń w kompozytach regularny ZrO2-Al2O3 na wypukłe i o zmiennej krzywiźnie zarówno dodatniej, jak i ujemnej (rys. 1). Wskazano prawdopodobne mechanizmy odpowiedzialne za powstawanie wtrąceń o sklasyfikowanym kształcie, m.in. związany z kształtem cząstek wyjściowego proszku Al2O3 (rys. 2). Do oceny wpływu kształtu wtrąceń na rozwój pęknięcia określono stan naprężeń cieplnych wywołanych niedopasowaniem współczynników rozszerzalności cieplnej osnowy cyrkoniowej i wtrącenia korundu, stosując metodę elementów skończonych (MES). Analizę stanu naprężeń prowadzono dla układu izolowane wtrącenie Al2O3 - osnowa regularnego ZrO2 (rys. 3). Stwierdzono, że wartość naprężenia rozciągającego w osnowie i naprężenia ściskającego we wtrąceniu zależy od krzywizny granicy międzyfazowej (rys. rys. 4 i 5). Krzywizny dodatnie (granice wypukłe) prowadzą do zwiększenia naprężeń rozciągających w osnowie, krzywizny ujemne (granice wklęsłe) prowadzą natomiast do zmniejszenia naprężeń ściskających we wtrąceniu w obszarach przewężeń. Stwierdzono zależność pomiędzy kierunkiem propagacji pęknięcia (rys. 6) a wartością naprężeń ściskających we wtrąceniu. Uwzględniono wpływ kształtu wtrąceń korundu na odporność na pękanie kompozytów regularny ZrO2-Al2O3.

EN

Classification of inclusions for cubic zirconia-alumina composites was made using the shape criterion (Fig. 1). Two classes were selected: (i) convex inclusions, (ii) inclusions with variable positive or negative curvature. Mechanisms responsible for the inclusion formation with the classified shape were indicated. Among other things it was the mechanism related to the particle shape of initial alumina powder (Fig. 2). Influence of the inclusion shape on crack propagation was assessed by determination of thermal stress distribution caused by thermal expansion coefficient mismatch between zirconia matrix and alumina mclusion. The finite element method was used. The stress distribution in the system isolated inclusion - cubic zirconia matrix was analysed (Fig. 3). It was found that the value of tensile stress in the matrix as well as of compressive stress in the inclusion were affected by an interface curvature (Figs. 4 and 5). The positive curvatures (convex interfaces) led to an increase of the tensile stress in the matrix whereas the negative curvatures (concave interfaces) led to a decrease of the compressive stress in the inclusion. The relationship between crack propagation (Fig. 6) and the decrease of the compressive stress in the inclusion was stated. Influence of the alumina inclusion shape on fracture toughness of the cubic zirconia--alumina composites was considered.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt ziarnisty; regularny dwutlenek cyrkonu; tlenek glinu; naprężenie cieplne; wzmocnienie

EN

particulate composite; cubic zirconia; alumina; thermal stress; reinforcement

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2006
• Tom: R. 6, nr 3
• Strony: 59--64
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bućko M.M.

autor

Pyda W.

autor

Grabowski G.

autor

Pędzich Z.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

Bibliografia

• [1] Zhang T., Zeng, Z., Huang H., Hing P., Kilner J., Effect of alumina addition on the electrical and mechanical properties of Ce0.8Gd0.2CvfS ceramics, Mater. Lett. 2002, 57, 124-129.
• [2] Minh B.Q., Ceramic fuel cells, J. Am. Ceram. Soc. 1993, 76, 563-588.
• [3] Kwon N.-H., Kim G.-H., Song H.-S., Lee H.-L., Synthesis and properties of cubic zirconia-alumina composite by mechanical alloying, Mater. Sci. Eng. 2001, A 299, 185-194.
• [4] Esper F.J., Friese K.H., Geier H., (w:) Science and Technology of Zirconia, Eds. N. Claussen, M. Ruble, A.H. Heuer, American Ceramic Society, Columbus 1984, 528.
• [5] Miyayama M., Yanagida H., Asada A., Effect of Al2O3 addition on resistivity and microstructure of yttria-stabilized zirconia, Am. Ceram. Soc. Bull. 1986, 64, 660-664.
• [6] Mori M., Abe T., Itoh H., Yammamoto O., Takeda Y., Kawahara T., Cubic-stabilized zirconia and alumina composites as electrolytes in planar type solid oxide fuel cells, Solid State Ionics 1994, 74, 157-164.
• [7] Duran P., Navarro L.M., Recio P., Jurado J.R., Processing and properties of zirconia-based/Al2O3 nanoscale-composites as electrolytes for solid oxide fuel cells, Eur. J. Solid State Inorg. Chem. 1995, 32, 963-975.
• [8] Oe K., Kikkawa K., Kishimoto A., Nakamura Y., Yanagida H., Toughening of ionic conductive zirconia ceramics utilizing a non-linear effect, Solid State Ionics 1996, 91, 131--136.
• [9] Bhargava P., Patterson B.R., Quantitative characterization of indentation crack path in a cubic zirconia- 10 vol.% alumina composite, J. Am. Ceram. Soc. 1997, 80, 1863-1867.
• [10] Choi S.R., Bansal N.P., Strength and fracture toughness of zirconia/alumina composites for solid oxide fuell cells, Ceram. Eng. & Sci. Proc. 2002, 23, 741-750.
• [11] Tekeli S., Influence of alumina addition on grain growth and room temperature mechanical properties of 8YSCZ/Al2O3 composites, Comp. Sci. & Tech. 2005, 65, 967-972.
• [12] Bućko M., Pyda W., Mikrostrukturalne aspekty odporności na kruche pękanie kompozytów ziarnistych w układzie: regularny dwutlenek cyrkonu - tlenek glinu, Kompozyty (Composites) 2003, 3, 39-46.
• [13] Bućko M., Pyda W., Effect of inclusion size on mechanical properties of alumina toughened cubic zirconia, J. Mat. Sci. 2005,40,5191-5198.
• [14] Pyda W., Haberko K., Bucko M., Hydrothermal crystallization of zirconia and zirconia solid solutions, J. Am. Ceram. Soc. 1991,74, 2622-2629.
• [15] Product Development Company PTC, www.ptc.com
• [16] Celli A., Tucci A., Esposito L., Palmonari C., Fractal analysis of cracks in alumina-zirconia composites, J. Eur. Ceram. Soc. 2003, 23, 469-479.