Alumina matrix ceramic-nickel composites wet processing

• Autorzy: Gizowska M. , Konopka K. , Szafran M.

Warianty tytułu

PL

Kompozyty tlenek glinu-nikiel o osnowie ceramicznej formowane metodami opartymi na odlewaniu z gęstwy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The main advantage of ceramic-metal composites is the increase of fracture toughness of the brittle ceramic matrix. The slip casting moulding method is widely used in the ceramic industry, which gives the possibility to obtain products of complicated shapes without green machining. Good quality and homogeneity of powder consolidation is crucial in the ceramic and ceramic matrix composite fabrication process as it influences the properties of the material. In the case of such complex systems as powder mixture dispersions in a liquid medium (slurry), it is indispensable to investigate the phenomena taking place at the solid-liquid interface which determines dispersion stability and governs the interaction characteristics between the particles of different types (ceramic and metallic). In the paper, the results concerning ceramic matrix ceramic-metal composite fabrication via the slip casting method are presented. The following materials were used: alumina powder (TM-DAR, Tamei Japan) of average particle size D50 = 0.21 µm, specific surface area of SBET = 14.5 m²/g and density of d = 3.8 g/cm³, and nickel powder (Sigma-Aldrich) of average particle size D50 = 2.17 µm, specific surface area of SBET = 2.1 m²/g and density d = 8.9 g/cm³. Ceramic and metallic powders show great differences in electrokinetic behavior, which can cause the heteroflocculation effect to take place in the suspension. In order to investigate the particles interaction character, the zeta potential of each powder and its mixture was measured. The zeta potential measurements were performed on diluted suspensions that contained deflocculants, as a function of pH. Additionally, the particle size distribution of the diluted slurries was conducted in order to investigate the agglomeration characteristics. Rheological measurements of the slurries were performed. Furthermore, the chosen physical and mechanical properties of sintered bodies were examined (i.e.: bending strength, hardness and fracture toughness).

PL

Zapotrzebowanie na tworzywa ceramiczne znacznie wzrosło w ciągu ostatnich lat ze względu na niepowtarzalne właściwości ceramiki, niemożliwe do osiągnięcia przy zastosowaniu innych materiałów. Do korzystnych cech ceramiki można zaliczyć dużą twardość, sztywność, odporność na ścieranie oraz niską gęstość. Jednak kruchość tych materiałów ogranicza obszar ich zastosowania. Jedną z metod zwiększenia odporności na kruche pękanie jest realizowane poprzez wprowadzenie plastycznych cząstek metalu do osnowy ceramicznej, na których energia rozprzestrzeniającego się pęknięcia ulega rozproszeniu. Do tej pory do formowania kompozytów ceramika-metal o osnowie ceramicznej wykorzystywano głównie metody oparte na formowaniu z mas sypkich, spośród których można wyróżnić: prasowanie, prasowanie na gorąco, prasowanie izostatyczne czy metodę wtrysku. Jednak wszystkie te metody mają pewne ograniczenia. Głównym ograniczeniem wymienionych wyżej metod formowania kompozytów są olbrzymie trudności z formowaniem wyrobów o skomplikowanym kształcie i o znacznych wymiarach. W artykule przedstawiono wyniki badań nad otrzymywaniem kompozytów o osnowie z tlenku glinu z rozproszonymi cząstkami niklu metodą bezciśnieniowego odlewania z mas lejnych w porowatych formach gipsowych na bazie proszków metalicznego i ceramicznego. Zastosowano tlenek glinu (proszek α-Al2O3, TM-DAR, Tamei, Japan) o średniej wielkości ziarna 0,2 µm i gęstości 3,8 g/cm³ oraz niklu (Aldrich) o średniej wielkości ziarna 2,13 µm i gęstości 8,9 g/cm³. Wyznaczono krzywe zależności potencjału zeta i rozkładu wielkości cząstek od pH zawiesiny dla poszczególnych proszków i ich mieszanin w wodzie oraz w wodzie z dodatkiem substancji upłynniających w masie lejnej. Proszki wykorzystane w badaniach charakteryzują się dużą różnicą ich właściwości elektrokinetycznych, przez co w ich mieszaninie może dochodzić do efektu heteroflokulacji (przyciągania się elektrostatycznego cząstek różnego rodzaju i o różnym ładunku). Prowadzić to powinno do równomiernego rozmieszczenia cząstek metalicznych w kompozycie ceramika-metal. W wyniku powstawania przeciwnych ładunków podwójnej warstwy elektrycznej poszczególnych proszków dochodzi do elektrostatycznego przyciągania cząstek ceramicznych i metalu (tzw. efekt heteroflokulacji). Dzięki temu zjawisku kompozyt charakteryzuje się równomierną dystrybucją cząstek metalu w osnowie ceramicznej. W niniejszej pracy przedstawiono opis zjawisk elektrokinetycznych występujących w układzie tlenek glinu i nikiel na podstawie pomiarów potencjału zeta sprzężonych z pomiarem rozkładu wielkości cząstek dla czystych proszków oraz ich mieszanin zarówno w wodzie, jak i w roztworze upłynniaczy stosowanych w masie lejnej. Ponadto przeprowadzono badania lepkości dynamicznej i naprężeń ścinających przy zmiennej szybkości ścinania mas lejnych o różnych zawartościach proszku niklu. Przedstawiono także wybrane właściwości fizyczne i mechaniczne spieczonych kompozytów.

Słowa kluczowe

EN

ceramic-metal composite; alumina; nickel; zeta potential; slip casting

PL

kompozyt ceramika-metal; tlenek glinu; nikiel; potencjał zeta; masa lejna

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 1
• Strony: 61--65
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Gizowska M.

autor

Konopka K.

autor

Szafran M.

• Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny, ul. Noakowskiego 3, 00-664 Warszawa, Poland,

Bibliografia

• [1] Aldridge M., Yeomans J.A., The thermal shock behavior of ductile particle toughened alumina composites, Journal of European Ceramic Society 1998, 19, 1769-1775.
• [2] Konopka K., Oziębło A., Microstructure and the fracture toughness of the Al2O3-Fe composites, Materials Characterization 2001, 46, 125-129.
• [3] Moya J.S., Lopez-Esteban S., Pecharroman C., The challenge of ceramic/metal microcomposites and nanocomposites, Progress in Materials Science 2007, 52, 1017-1090.
• [4] Tomsia A.P., Saiz E., Ishibashi H., Diaz M., Requena J., Moya J.S., Powder processing of mullite/mo functionally graded materials, Journal of European Ceramic Society 1998, 18, 1365-1371.
• [5] Hernandez N., Sanchez-Herencia A.J., Moreno R., Forming of nickel compacts by a colloidal filtration route, Acta Materialia 2005, 53, 919-925.
• [6] Szafran M., Konopka K., Bobryk E., Kurzydłowski K.J., Ceramic matrix composite with gradient concentration of metal particles, Journal of European Ceramic Society 2007, 27, 651-654.
• [7] Gizowska M., Szafran M., Konopka K., Bobryk E., Wasilewski Ł., Kompozyty ceramika-metal otrzymywane z wykorzystaniem ceramicznych mas lejnych, Kompozyty (Composites) 2008, 1, 53-58.
• [8] Konsztowicz K.J., Wpływ heteroflokulacji zawiesin koloidalnych Al2O3-ZrO2 na mikrostruktury i właściwości mechaniczne ich kompozytów, Polskie Towarzystwo Ceramiczne, Kraków 2004.
• [9] De Faria L.A., Trasatti S., Physical versus chemical mixtures of oxides: the point of zero charge of Ni-Co mixed oxides, Journal of Electroanalitycal Chemistry 2003, 355-359.
• [10] Shetty D.K., Rosenfield A.R., McGuire P., Bansal G.K., Duckworth W.H., Biaxial flexure tests for ceramics, Ceramic Bulletin 1980, 59(12).
• [11] Gijsbertus de With, H.M. Wagemans, Ball-on-ring test revisited, Journal of American Ceramic Society 1989, 72(8).
• [12] Niihara K., Morena R., Hasselmann D.P.H., Evaluation of KIC Bof brittle solids by indentation method with low crackto-indent ratios, Journal of Materials Science Letters 1982, 1, 13-16.
• [13] Hidber P.C., Graule T.J., Gauckler L.J., Citric acid: A dispersant for aqueous alumina suspensions, Journal of American Ceramic Society 1996, 79, 1857-1867.
• [14] Konopka K., Maj M., Kurzydłowski K.J., Studies of the effect of metal particles on the fracture toughness of ceramic matrix composites, Materials Characterisation 2003, 51, 335-340.
• [15] Pampuch R., Kompozyty ceramiczne, Kompozyty (Composite) 2003, 2, 3-15.