Influence of two-step sintering on microstructure evolution and mechanical properties of alumina-nanozirconia composites

• Autorzy: Wójtowicz B. , Pyda W.

Warianty tytułu

PL

Wpływ spiekania dwuetapowego na ewolucję mikrostruktury i właściwości mechaniczne kompozytów tlenek glinu-tlenek cyrkonu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this work we present the preparation of 2 and 12 vol.% zirconia alumina composites via filter pressing and pressureless sintering at a constant heating rate (CHR), by means of two-step sintering (TSS) and reverse two-step sintering (RTSS). Nanozirconia (10 nm) and microalumina (175 nm) powders were used. The resultant composites were characterized in terms of their microstructural (density, grain size) and mechanical (hardness, fracture toughness) properties. The heating schedule showed an insignificant effect on the density of the composites. TSS produced composites of the best properties and finest microstructure, while RTSS in the case of samples containing 12 vol.% of zirconia, produced the coarsest grains. The resultant densities were close to 95%, but the fracture toughness and hardness were reasonably good: (7,0۪,2) MPa •m0,5 and (20,8۪,2) GPa for the TSS sample containing 12 vol.% zirconia, respectively.

PL

W pracy przedstawiono wytwarzanie kompozytów ZTA (Zirconia Toughened Alumina) zawierających 2 i 12 % obj. tlenku cyrkonu. Kompozyty zostały wytworzone techniką prasowania filtracyjnego i spiekania swobodnego przy zastosowaniu różnych krzywych spiekania: ze stałą szybkością grzania (CHR), w cyklach spiekania dwuetapowego (TSS) oraz odwróconego spiekania dwuetapowego (RTSS). Do wytworzenia kompozytu wykorzystano nanoproszek tlenku cyrkonu o średnim rozmiarze ziaren wynoszącym 10 nm oraz mikroproszek tlenku glinu o średnim rozmiarze ziaren wynoszącym 175 nm. Otrzymane kompozyty były charakteryzowane pod kątem parametrów mikrostruktury (gęstość, rozmiar ziaren) oraz właściwości mechanicznych (twardość, odporność na kruche pękanie). Przebieg krzywej spiekania wykazał nieznaczny wpływ na gęstość próbek. Przy zastosowaniu spiekania dwuetapowego uzyskano najlepsze właściwości i najdrobniejszą mikrostrukturę, podczas gdy zastosowanie odwróconego spiekania dwuetapowego prowadziło do otrzymania kompozytu Al2O3 - 12% obj. tlenku cyrkonu o największych ziarnach w spieku. Pomimo stosunkowo niskich gęstości spieków, wynoszących w przybliżeniu 95%, dla kompozytu zawierającego 12% obj. tlenku cyrkonu uzyskano dobre właściwości mechaniczne: twardość wynoszącą 20,8۪,2 GPa i odporność na kruche pękanie wynoszącą 7,0۪,2 MPa •m0,5.

Słowa kluczowe

EN

ZTA; two stop sintering; microstructure; mechanical properties; composite

PL

ZTA; spiekanie dwuetapowe; mikrostruktura; właściwości mechaniczne; kompozyt

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 12, nr 2
• Strony: 132--137
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wójtowicz B.

autor

Pyda W.

• AGH-University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland,

Bibliografia

• [1] Chen I.W., Wang X.H., Sintering dense nanocrystalline ceramics without final-stage grain growth, Nature 2000, 404, 168-171.
• [2] Maca K., Pouchly V., Zalud P., Two-step sintering of oxide ceramics with various crystal structures, J. Eur. Ceram. Soc. 2010, 30, 583-589.
• [3] Durán P., Capel F., Tartaj J., Moure C., A strategic two-stage low-temperature thermal processing leading to fully dense and fine-grained doped-ZnO varistors, Adv. Mater. 2002, 14, 2, 137-141.
• [4] Polotai A., Breece K., Dickey E., Randall C., Ragulya A., A novel approach to sintering nanocrystalline barium titanate ceramics, J. Am. Ceram. Soc. 2005, 88, 11, 3008-3012.
• [5] Wang X.H., Deng X.Y., Bai H.L., Zhou H., Qu W.G., Li L.T., Chen I.W., Two-step sintering of ceramics with constant grain-size. II. BaTiO3 and Ni–Cu–Zn ferrite, J. Am. Ceram. Soc. 2006, 89, 2, 438-443.
• [6] Yu P.C., Li Q.F., Fuh J.Y.H., Li T., Lu L., Two-stage sintering of nanosized yttria stabilized zirconia processed by powder injection moulding, J. Mater. Process. Tech. 2007, 192-193, 312-318.
• [7] Binner J., Annapoorani K., Paul A., Santacruz I., Vaidhyanathan B., Dense nanocrystructured zirconia by two stage conventional/hybrid microwave sintering, J. Eur. Ceram. Soc. 2007, 28, 5, 973-977.
• [8] Bodišová K., Šajgalik P., Galusek D., Švancárek P., Twostage sintering of alumina with submicrometer grain size, J. Am. Ceram. Soc. 2007, 90, 1, 330-332.
• [9] Lee Y.I., Kim Y.W., Mitomo M., Effect of processing on densification of nanostructured SiC ceramics fabricated by two-step sintering, J. Mater. Sci. 2004, 39, 3801-3803.
• [10] Tartaj J., Two-stage sintering of nanosize pure zirconia, J. Am. Ceram. Soc. 2009, 92, S1, S103-S106.
• [11] Mazaheri M., Sintering of nanocrystalline zinc oxide via conventional sintering, Two Step Sintering and Hot Pressing, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials 2010, 62, 4, 506-509.
• [12] Ragulya A.V., Consolidation of ceramic nanopowders, Advances in Applied Ceramics, 107, 3, (2008), 118-134.
• [13] Lange F.F., Hirlinger M.M., Hindrance of grain growth in Al2O3 by ZrO2 inclusions, J. Am. Ceram. Soc. 1984, 67(3), 164-168.
• [14] Raj R., Wang J., Activation energy for the sintering of two-phase alumina/ zirconia ceramics, J. Am. Ceram. Soc. 1991, 74 (8), 1959-1963.
• [15] Ye F., Liu L., Zhang J., Iwasa M., Su C.L., Synthesis of silicon nitride-barium aluminosilicate self-reinforced ceramic composite by a two-step pressureless sintering, Comp. Sci. Tech. 2005, 65, 2233-2239.
• [16] Wang Ch.J., Huang Ch.Y., Wu Y.Ch., Two step sintering of fine alumina-zirconia ceramics, Ceram. Int. 2009, 35, 4, 1467-1472.
• [17] Wójtowicz B., Pyda W., Two-step sintering and related properties of 10 vol.% ZrO2-Al2O3composites derived from filter and cold isostatic pressing, Materiały Ceramiczne 2011, 4.
• [18] Niihara K., A fracture mechanics analysis of indentation-induced Palmqvist cracks in ceramics, J. Mater. Lett. 1983, 2, 221.
• [19] Hansen J.D., Rusin R.P., Teng M.H., Johnson D.L., Combined stage sintering model, J. Am. Ceram. Soc. 1992, 75, 5, 1129-1135.