Materiał kompozytowy w układzie Al2O3-YAG (20% obj.)

• Autorzy: Lach R. , Haberko K. , Trybalska B.

Warianty tytułu

EN

Composite material in the Al2O3-20 vol. % YAG system

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Do intensywnie mieszanej zawiesiny tlenku glinu wprowadzono azotan itru. Alkalizacja układu węglanem amonu doprowadziła do wytrącenia prekursora Y2O3 wśród ziaren Al2O3. Następnie zawiesinę tę wysuszono i wyprażono w temperaturze 600°C, uzyskując tym sposobem jednorodną mieszaninę ziaren Al2O3 i Y2O3. Cząstki tlenku itru były znacznie mniejsze od ziaren Al2O3. Opisaną mieszaninę poddano dodatkowej homogenizacji poprzez krótkie mielenie w młynie mieszadłowym w środowisku wody o wartości pH dobranej na podstawie pomiarów potencjału dzeta (ζ). Stwierdzono, że mieszanina przygotowana w kwaśnym środowisku (uzyskanym poprzez wprowadzanie do układu HNO3) charakteryzuje się po wysuszeniu obecnością twardych, wytrzymałych mechanicznie aglomeratów. Proszek taki nie pozwala uzyskać gęstych spieków. Z tego punktu widzenia proszki homogenizowane w środowisku alkalicznym wykazują wyraźnie lepsze właściwości, również pod względem zagęszczenia przygotowanych z nich spieków. W mikrostrukturze tych spieków obok itru (YAG), powstający wskutek reakcji Y2O3 z Al2O3. Homogenizacja proszków w środowisku o pH = 8, co odpowiada warunkom heterokoagulacji, prowadzi do spieków o bardziej równomiernie rozłożonych wtrąceniach cząstek YAG w osnowie Al2O3, niż ma to miejsce w przypadku homogenizacji proszku wyjściowego w warunkach pH = 10. Wtrącenia cząstek YAG w osnowie Al2O3 podnoszą twardość i odporność na pękanie materiału w porównaniu do spieków czystego tlenku glinu.

EN

YAG (Y3Al5O12) is one of three phases existing in the Al2O3-Y2O3. system. This compound contains the highest alumina content. So, it seems justified to assume that heat treatment of the alumina - yttria mixture, with alumina being dominating constituent should result in YAG inclusions within alumina matrix. Proportion of yttria in the present study corresponded to 20 vol. % YAG after this reaction. Yttrium nitrate, prepared by dissolving yttria in nitric acid was introduced into αAl2O3 suspension of 50 vol. % concentration. The vigorously stirred suspension was treated with (NH4)2CO3 until pH of the suspension reached value of 8.5. Under such conditions quantitative precipitation of yttria precursor occurs. Drying of the suspension and its calcination at 600°C resulted in the homogenous mixture of alumina and yttria particles. Size of the latter were several times smaller than the former ones. In order to remove agglomerates this mixture was subjected to short attrition milling in aqueous suspension of pH selected on the basis of zeta (ζ) potential measurements. It was found that acidic conditions, pH = 3, (realized with HNO3) resulted after drying in hard agglomerates. At elevated temperatures this powder showed emission of NO and NO2 coming most probably from the decomposition of aseotropic nitric acid solution filling the inter-particle space and playing the role of "glue" responsible for the high strength of agglomerates. That is why compacts of the powder homogenized under acidic conditions show poor sintering ability. Much better properties showed powders homogenized under basic condition, i.e. at pH = 8 and 10. At sintering temperatures of 1500 and 1600°C they give dense materials composed of YAG inclusions within alumina matrix. YAG particles resulted from the reaction of Y2O3 with Al2O3 during heat treatment. Microstructure of the material derived from the powder homogenized at pH = 8 is more uniform and shows smaller alumina and YAG grains than that prepared at pH = 10. As is indicated by the zeta (ζ) potential measurements, pH = 8 of the alumina/yttria suspension corresponds to the hetero-flocculation effect. Microscopic observations reveal that YAG inclusions limit grain-growth of alumina matrix compared to the pure alumina polycrystal. This effect is more visible in the material derived from the powder homogenized at pH = 8 than that at pH = 10. In both cases the materials are characterized by higher fracture toughness and hardness than that observed in pure alumina polycrystal sintered at the same temperature. It is worth to notice that KIc values approach those characteristic for yttria stabilized tetragonal zirconia (3Y-TZP), a material which is known from its high toughness.

Słowa kluczowe

PL

tlenek glinu; YAG; kompozyt ziarnisty; preparatyka proszków

EN

alumina; YAG; ceramic matrix composites; CMC; powder preparation

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 10, nr 4
• Strony: 362--367
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Lach R.

autor

Haberko K.

autor

Trybalska B.

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

Bibliografia

• [1] Raj R., Fundamental research in structural ceramics for service near 2000°C, J. Am. Ceram. Soc. 1993, 76, 2147.
• [2] Hillig W.B., A methodology for estimating the mechanical properties of oxides at high temperatures, J. Am. Ceram. Soc. 1993, 76, 129.
• [3] Matson L.E., Hecht N., Microstructural stability and mechanical properties of directionally solidifield alumina/YAG eutectic monofilaments, J. Eur. Ceram. Soc. 1999, 19, 2487-2501.
• [4] Yoshida H., Nakamura A., Sakuma T., Nakagawa N., Waku Y., Anisotropy in hightemperature deformation In unidirectionally solidified eutectic Al2O3-YAG single crystals, Scripta Materialia 2001, 45, 957-963.
• [5] Isobe T., Omori M., Uchida S., Sato T., Hirai T., Consolidation of Al2O3-Y3Al5O12 (YAG) eutectic powder prepared from induction - melted solid and strength at high temperature, J. Eur. Ceram. Soc. 2002, 22, 2621-2625.
• [6] Medraj M., Hammond R., Pervez M.A., Drew R.A.L., Thompson W.T., High temperature neutron diffraction study of the Al2O3-Y2O3 system, J. Eur. Ceram. Soc. 2006, 26, 3515-3524.
• [7] Mah T., Parthasarathy T.A., Matson L.E., Processing and mechanical properties of Al2O3/Y3Al5O12 (YAG) eutectic composites, Ceram. Eng. Sci. Proc. 1990, 11, 1617.
• [8] Palmero P., Simone A., Esnout C., Fantozzi G., Montanaro L., Comparison among different sintering routes for preparing alumina-YAG nanocomposites, J. Eur. Ceram. Soc. 2006, 26, 941-947.
• [9] Li W.Q., Gao L., Prociessing, microstructure and mechanical properties of 25 vol. % YAG-Al2O3 nanocomposites, NanoStructured Materials 1999, 11, 8, 1073-1080.
• [10] Wang H., Gao L., Preparation and microstructure of polycrystalline Al2O3-YAG composites, Ceramics International 2001, 27, 721-723.
• [11] Schehl M., Diaz L.A., Torrecillas R., Alumina nanocomposites from powder - alkoxide mixtures, Acta Materialia 2002, 50, 1125-1139.
• [12] Wang S., Akatsu T., Tanabe Y., Yasuda E., Phase compositions snd microstructural characteristics of solidifield Al2O3-rich spinel solid solution/YAG composite, J. Eur. Ceram. Soc. 2000, 20, 39-43.
• [13] Niihara K., A fracture mechanics analysis if indentation indentation-induced Palmqvist crack in ceramics, J. Mat. Sci. Letters 1983, 2, 221-223.
• [14] Konsztowicz K.J., Whiteway S.G., Processing contributions to microcrack formation in ZTA composites, Ceram. Eng. Sci. Proc. 1990, 11, 1405-1422.
• [15] Zych Ł., Lach R., Haberko K., Rutkowski P., Trybalska B., Piekarczyk J., The effect of nanometric zirconia particle additives on microstructure and mechanical properties of dense alumina, Processing and Application of Ceramics 2009, 3, 131-135.
• [16] Knacke O., Kubaschewski O., Hasselman K., (Eds.), Thermomechanical properties of inorganic substances, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg 1991, vol. 1.