Characterization of zirconia composites with nickel particles

• Autorzy: Zygmuntowicz J. , Miazga A. , Łoś J. , Konopka K.

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka kompozytów cyrkonowych z cząstkami niklu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of this paper was to characterize the microstructure and selected properties of Ni-3YSZ composites. The composites were prepared from a powder mixture containing 90 vol.% ZrO2 and 10 vol.% nickel powder. In the experiments the following powders were used: ZrO2 powder stabilized by 3 mol% Y2O3 from TOSOH ZIRCONIA 3YSZ of an average particle size less than 100 nm and density 6.05 g/cm3 and Ni powder from Sigma-Aldrich of an average particle size 1.5 µm and density 8.9 g/cm3. The samples were formed by uniaxial pressing. Two series of samples were fabricated with different sintering temperatures: series I was sintered at 1400°C and series II was sintered at 1600°C. The sintering process was conducted in an argon atmosphere. The structure of the samples was examined by X-ray diffraction (XRD) after sintering. The microstructure of the composites was investigated by scanning electron microscopy (SEM). The chemical composition was examined by energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The selected physical properties of the prepared composites was measured by the Archimedes method. The hardness was measured using Vickers hardness testing. Based on the hardness measurements the KIC values were determined. Uniaxial pressing and the sintering method enabled the manufacture of Ni-3YSZ composites. The microstructure observation revealed homogeneous distribution of the Ni particles in the ZrO2 matrix in both series. The XRD patterns of the composites after sintering at 1400°C (series I) and 1600°C (series II) show that the composites consisted of three phases: t-ZrO2, m-ZrO2 and Ni. It was found that the temperature of 1400°C is not sufficient to obtain Ni-3YSZ composites with a high relative density.

PL

Celem pracy było określenie mikrostruktury i wybranych właściwości kompozytów Ni-3YSZ. Kompozyty wytwarzano z mieszaniny proszku zawierającej: 90% obj. ZrO2 i 10% obj. proszku Ni. W eksperymencie zastosowano następujące proszki: proszek ZrO2 stabilizowany 3% mol Y2O3, firmy TOSOH ZIRCONIA 3YSZ o średniej wielkości cząstek mniejszej niż 100 nm i gęstości 6,05 g/cm3 oraz proszek Ni firmy Sigma-Aldrich o średnim rozmiarze cząstek 1,5 μm i gęstości 8,9 g/cm3. Próbki zostały uformowane w wyniku prasowanie jednoosiowego. Przygotowano dwie serie próbek o różnych temperaturach spiekania: serię I spiekano w temperaturze 1400°C, a serię II spieczono w temperaturze 1600°C. Proces spiekania prowadzono w atmosferze ochronnej argonu. Za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) określono skład fazowy wytworzonych kompozytów. Mikrostrukturę kompozytów zbadano z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Skład chemiczny określono za pomocą spektrometru dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDS). Wybrane właściwości fizyczne przygotowanych kompozytów zostały zmierzone z użyciem metody Archimedesa. Twardości kompozytów określono metodą Vickersa. Na podstawie pomiarów twardości wyznaczono wartość odporności na kruche pękanie (KIC). Metoda prasowania jednoosiowego pozwoliła na wytwarzanie kompozytów Ni-3YSZ. Obserwacje mikrostruktury ujawniły jednorodne rozmieszczenie cząstek Ni w osnowie ZrO2 w obydwu seriach. Na podstawie analizy fazowej stwierdzono, że wytworzone kompozyty po procesie spiekania w 1400°C (seria I) oraz 1600°C (seria II) charakteryzowały się obecnością trzech faz: t-ZrO2, m-ZrO2 i Ni. Stwierdzono, iż temperatura 1400°C nie wystarcza do uzyskania kompozytów Ni-3YSZ o wysokiej gęstości względnej.

Słowa kluczowe

EN

Ni-3YSZ system; ceramic-metal composites; uniaxial pressing

PL

Ni-3YSZ; kompozyty ceramika-metal; prasowanie jednoosiowe

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 2
• Strony: 109--113
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Zygmuntowicz J.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, ul. Wołoska 141, 02-507 Warsaw, Poland

autor

Miazga A.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, ul. Wołoska 141, 02-507 Warsaw, Poland

autor

Łoś J.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, ul. Wołoska 141, 02-507 Warsaw, Poland

autor

Konopka K.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, ul. Wołoska 141, 02-507 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Kelly J.R., Denry I., Stabilized zirconia as a structural ceramic: An overview, Dental Materials 2008, 24, 3, 289-298.
• [2] Chevalier J. et al., The tetragonal-monoclinic transformation in zirconia: Lessons learned and future trends, Journal of the American Ceramic Society 2009, 92, 9, 1901-1920.
• [3] Sigl L.S. et al. On the toughness of brittle materials reinforced with a ductile phase, Acta Metallurgica 1988, 36:4, 945-953.
• [4] Konopka K., Maj M., Kurzydłowski K.J., Studies of the effect of metal particles on the fracture toughness of ceramic matrix composites, Materials Characterization 2003, 51, 5, 335-340.
• [5] Bartolomé J.F., Gutiérrez-González C.F., Pecharromán C., Moya J.S., Synergisitc toughening mechanism in 3Y-TZP/Nb composites, Acta Mater. 2007, 55:17, 5924-5933.
• [6] Bartolomé J.F., Beltrán J.I., Gutiérrez-González C.F., Pecharromán C., Muñoz M.C., Moya J.S., Influence of ceramic/metal interface adhesion on crack growth resistance of zirconia/Nb ceramic matrix composites, Acta Mater. 2008, 56, 3358-3366.
• [7] Smirnov A., Bartolome J.F., Mechanical properties and fatigue life of ZrO2-Ta composites prepared by hot pressing, Journal of the European Ceramic Society 2012, 32, 15, 3899-3904.
• [8] Jung Y.G., Paik U., Choi S.C., Influence of the particle size and phase type of zirconia on the fabrication and residual stress of zirconia/stainless steel 304, J. Mater. Sci. 1999, 34, 5407-5416.
• [9] Takagia K., Lia J.F., Yokoyamaa S., Watanabea R., Fabrication and evaluation of PZT/Pt piezoelectric composites and functionally graded actuators, Journal of the European Ceramic Society 2003, 23, 10, 1577-1583.
• [10] Pecharroma C., Lopez-Esteban S., Bartolome J.F., Moya J.S., Evidence of nearest-neighbor ordering in wet-processed zirconia-nickel composites, J. Am. Ceram. Soc. 2001, 84, 10, 2439-2441.
• [11] Lopez-Esteban S., Diaz M., Moya J.S., Rheology of zirconia/nickel particulate system and microstructure of composites, Composite Science and Technology 2007, 62, 2303-2310.
• [12] Morales-Rodriguez A. et al., High-temperature mechanical properties of zirconia/nickel composites, Journal of the European Ceramic Society 2003, 23, 2849-2856.
• [13] Koide H., Properties of Ni/YSZ cermet as anode for SOFC, Solid State Journal 2000, 132, 253-260.
• [14] Brown M., Primdahl S., Mogensen M. Structure/Performance relations for Ni/Yttria-stabilized zirconia anodes for solid oxide fuel cells, Journal of Electrochemical Society 2000, 147, 2, 475-485.
• [15] Abbas M.R. et al., Microstructural evaluation of a slurry based Ni/YSZ thermal barrier coating for automotive turbocharger turbine application, Materials and Design 2016, 109, 47-56.
• [16] Melendo-Jimenez M., Huaman-Mamani F.A., Creep strength of nickel oxide/zirconia composites under different environmental atmospheres, Solid State Ionics 2012, 225, 4, 471-475.
• [17] Niihara K., A fracture mechanics analysis of indentation, Journal of Materials Science Letters 1983, 2, 221-223.
• [18] Shetty D.K., Rosenfield A.R., McGuire P., Bansal G.K., Duckworth W.H., Biaxial flexure tests for ceramics, American Ceramic Society Bulletin 1980, 59, 551-553.
• [19] Gijsbertus de With, Wagemans H.M., Ball-on-ring test revisited, Journal of the American Ceramic Society 1989, 72, 1538-1541.
• [20] Jingchuan Z., Zhonghong L., Zhongda Y., Jaeho J., Sooyoung L., Fabrication of ZrO2-NiCr functionally graded material by powder metallurgy, Materials Chemistry and Physics 2001, 68, 130-135.
• [21] Teng L.D., Wang F.M., Li W.C., Thermodynamics and microstructure of Ti-ZrO2 metal-ceramic functionally graded materials, Materials Science and Engineering 2000, A293, 130-136.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).