The influence of sintering temperature on properties of Al2O3-Ni composites

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

Warianty tytułu

PL

Wpływ temperatury spiekania na właściwości kompozytów Al2O3-Ni

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The main advantage of ceramic-metal composites is the increase in 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 are crucial in the ceramic and ceramic matrix composite fabrication process as they influence the properties of the material. In the paper, the results concerning ceramic matrix ceramic-metal composite fabrication via the slip casting method are presented. Composites were formed from a slurry containing alumina and metallic nickel particles. For the studies nickel powder of average particle diameter below 1 μm was used (Aldrich; d = 8.9 g/cm3). Two types of alumina powder were applied. The materials formed from alumina powder of an average particle diameter of 0.4 μm ( α-Al2O3, A16SG, Almatis; d = 3.9 g/cm3) were sintered at a temperature of 1550 °C (above nickel melting point; TmNi = 1455 °C), whereas composites obtained from alumina powder of an average particle diameter of 0.2 μm ( α-Al2O3, TM-DAR, Tamei, Japan, d = 3.8 g/cm3) undergo densification already at 1300 °C (below nickel melting point). The mechanical properties of the composites are dependent on the processes occurring in the sintering process, during which coalescence may lead to the growth of nickel particles. Stereological analysis of the nickel particles in the alumina matrix (in composites sintered below and above nickel melting point) was performed. The description of nickel particle growth in accordance to the sintering temperature was correlated with mechanical properties of the composites.

PL

Zapotrzebowanie na tworzywa ceramiczne znacznie wzrosło w ostatnich latach ze względu na ich właściwości fizyczne i mechaniczne. Do tych właściwości zalicza się dużą twardość, sztywność, odporność na ścieranie oraz niską gęstość. Duża kruchość tych materiałów ogranicza obszar ich zastosowania. Jedną z metod zwiększenia odporności na pękanie jest wprowadzenie plastycznych cząstek metalu do osnowy ceramicznej, które powodują rozpraszanie energii rozprzestrzeniającego się pęknięcia. W pracy przedstawiono wyniki badań kompozytów Al2O3-Ni otrzymanych metodą odlewania z mas lejnych na bazie proszków metalicznego i ceramicznego. W badaniach jako proszek metaliczny wykorzystano proszek niklu o średnicy cząstek nieprzekraczającej 1 μm (Aldrich; d = 8,9 g/cm3). Natomiast fazą ceramiczną był tlenek glinu. W badaniach korzystano z dwóch rodzajów proszku tlenku glinu. Kompozyty otrzymane z proszku tlenku glinu o średniej średnicy cząstek 0,4 μm (proszek α-Al2O3, A16SG, Almatis; d = 3,9 g/cm3) zostały spieczone w temperaturze 1550 st.C (powyżej temperatury topnienia niklu; TtopNi = 1455°C). Natomiast kompozyty otrzymane z proszku tlenku glinu o średniej średnicy cząstek 0,2 μm ( α-Al2O3, TM-DAR, Tamei, Japan, d = 3,8 g/cm3) ulegają zagęszczeniu już w temperaturze 1300°C (poniżej temperatury topnienia niklu). Właściwości mechaniczne kompozytów zależą także od warunków procesów spiekania, podczas którego może dojść do znacznego rozrostu cząstek niklu w wyniku ich koalescencji. Obserwacja mikrostruktury oraz analiza cząstek niklu w kompozytach spiekanych powyżej i poniżej temperatury topnienia niklu pozwoliła na opis wpływu temperatury spiekania na rozrost cząstek niklu w osnowie ceramicznej.

Słowa kluczowe

EN

ceramic-metal composite; alumina; nickel; slip casting; stereology

PL

kompozyt ceramika-metal; tlenek glinu; nikiel; masa lejna; stereologia

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 12, nr 1
• Strony: 33--38
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Gizowska M.

autor

Miazga A.

autor

Konopka K.

autor

Szafran M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, ul. Noakowskiego 3, 00-664 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• [1] Moya J.S., Lopez-Esteban S., Pecharroman C., The challenge of ceramic/metal microcomposites and nanocomposites, Prog. Mater. Sci. 2007, 52, 1017-1090.
• [2] Tomsia A.P., Saiz E., Ishibashi H., Diaz M., Requena J., Moya J.S., Powder processing of mullite/Mo functionally graded materials, J. Eur. Ceram. Soc. 1998, 18, 1365-1371.
• [3] Hernandez N., Sanchez-Herencia A.J., Moreno R., Forming of nickel compacts by a colloidal filtration route, Acta Mater. 2005, 53, 919-925.
• [4] Szafran M., Konopka K., Bobryk E., Kurzydłowski K.J., Ceramic matrix composite with gradient concentration of metal particles, J. Eur. Ceram. Soc. 2007, 27, 651-654.
• [5] Gizowska M., Szafran M., Konopka K., Bobryk E., Wasilewski Ł., Kompozyty ceramika-metal otrzymywane z wykorzystaniem ceramicznych mas lejnych, Kompozyty (Composite) 2008, 1, 53-58.
• [6] Shetty D.K., Rosenfield A.R., McGuire P., Bansal G.K., Duckworth W.H., Biaxial flexure tests for ceramics, Ceram. Bull. 1980, 59, 551-553.
• [7] Gijsbertus de With, H.M. Wagemans, Ball-on-ring test revisited, J. Am. Ceram. Soc. 1989, 72, 1538-1541.
• [8] Niihara K., Morena R., Hasselmann D.P.H., Evaluation of KIC of brittle solids by indentation method with low crackto- indent ratios, J. Mater. Sci. Lett. 1982, 1, 13-16.
• [9] Wejrzanowski T., Special computer program for image analysis - Micrometer, MSc Thesis, Warsaw University of Technology, Warsaw 2000.
• [10] Gizowska M., Konopka K., Szafran M., Alumina matrix ceramic-nickel composites wet processing, Kompozyty (Composites) 2011, 11(1), 61-65.
• [11] Hernandez N., Moreno R., Sanchez-Herencia A.J., Fierro J.L.G., Surface behavior of nickel powders in aqueous suspensions, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 4470-4474.
• [12] Pettit F.S., Randklev E.H., Felten E.J., Formation of NiAl2O4 by solid state reaction, J. Am. Ceram. Soc. 1966, 49, 199-203.
• [13] Konopka K., Miazga A., Właszczuk J., Fracture toughness of Al2O3-Ni composites with nickel aluminate spinel phase NiAl2O4, Kompozyty (Composites) 2011, 3, 197-201.
• [14] Sekino T., Nakajima T., Ueda S., Niihara K., Reduction and sintering of a nickel-dispersed-alumina composite and its properties, J. Am. Ceram. Soc. 1997, 80, 1139-1148.
• [15] Chen R.Z., Tuan W.H., Pressureless sintering of Al2O3/Ni nanocomposites, J. Eur. Ceram. Soc. 1999, 19, 463-468.
• [16] Tuan W.H., Brook R.J., The toughening of alumina with nickel inclusions, J. Eur. Ceram. Soc. 1990, 6, 31-37.
• [17] Tuan W.H., Lin M.C., Wu H.H., Preparation of Al2O3/Ni composites by pressureless sintering in H2, Ceram. Int. 1995, 21, 221-225.
• [18] Konopka K., Maj M., Kurzydłowski K.J., Studies of the effect of metal particles on the fracture toughness of ceramic matrix composites, Mater. Charact. 2003, 51, 335-340.
• [19] Pampuch R., Kompozyty ceramiczne, Kompozyty 2003, 2, 3-15.