Effects of the nickel oxalate precursor and SPS consolidation process on properties of Ni/Al2O3 composites

• Autorzy: Golonka A. , Drożdż-Cieśla E. , Moskała N. , Pyda W.

Warianty tytułu

PL

Wpływ szczawianowego prekursora niklu i procesu konsolidacji SPS na właściwości kompozytów Ni/Al2o3

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A precipitation-calcination method based on nickel oxalate reduction was used to obtain nickel nanoparticles dispersed within alumina powder. The powder was SPS consolidated to manufacture Ni/Al2O3 composites, containing a nickel additive of 1.7 vol.% and 10 vol.%. Two ways of incorporation of the nickel oxalate particles into the alumina powder were applied: (i) attrition milling assisted dispersion of a mixture of the dried powder of precipitation derived nickel oxalate and the alumina one in ethanol, (ii) direct precipitation of nickel oxalate on alumina particles. The SPS sintering of the studied powders was carried out for 7 min at 1400 °C under a pressure of 20 MPa in an argon atmosphere with purity 5.0 (99.999%). XRD and TEM measurements were performed to characterize the phase composition and morphology of the powders, respectively. XRD, microstructural (SEM/EDS) and mechanical tests were carried out for sintered bodies. It has been stated that agglomerated nanoparticles of nickel oxalate were the precursor of nano-nickel in the studied Ni-alumina powders. The way of incorporation of the nickel oxalate precursor and SPS sintering influenced the microstructure and properties of the Ni/Al2O3 composites. The segregation of nickel enhanced with the SPS sintering has been detected in the composite microstructure. The Ni/Al2O3 composites showed increased hardness, fracture toughness and abrasive resistance when compared to alumina with no nickelic particles.

PL

Metoda strącania szczawianu niklu i jego prażenia w warunkach redukcyjnych została wykorzystana do otrzymania nanocząstek niklu rozproszonych w proszku tlenku glinu. Proszek ten konsolidowano za pomocą metody SPS, aby wytworzyć kompozyty Ni/Al2O3, zawierające 1,7% obj. i 10% obj. niklu. Zastosowano dwa sposoby wprowadzania cząstek szczawianu nikli: (1) rozpraszanie mieszaniny strąconego i wysuszonego proszku szczawianu niklu w proszku Al2O3, wspomagane mieleniem atrycyjnym w etanolu, (2) bezpośrednie strącanie szczawianu niklu na cząstkach tlenku glinu. Spiekanie SPS badanych proszków przeprowadzono w 1400 °C przez 7 min, stosując ciśnienie 20 MPa i atmosferę argonu o czystości 99,999%. Rentgenowską analizę fazową i mikroskopię transmisyjną wykorzystano do określenia odpowiednio składu fazowego i morfologii proszków. Rentgenowską analizę fazową, badania mikrostrukturalne metodą mikroskopii skaningowej połączonej z EDS i badania właściwości mechanicznych przeprowadzono w przypadku spieczonych materiałów. Stwierdzono, że zaglomerowane nanocząstki szczawianu niklu stanowiły prekursor nanocząstek niklu w badanych proszkach tlenku glinu. Mikrostruktura i właściwości kompozytów Ni/Al2O3 były zależne od sposobu wprowadzania prekursora szczawianowego i zastosowanej metody spiekania (SPS). Zaobserwowano segregację niklu w mikrostrukturze kompozytów, wzmocnioną spiekaniem w warunkach SPS. Kompozyty Ni/Al2O3 pokazały zwiększoną twardość, odporność na pękanie i odporność na zużycie ścierne w porównaniu z tlenkiem glinu bez wtrąceń niklowych.

Słowa kluczowe

EN

Al2O3; Ni; nickel oxalate; microstructure final; SPS

PL

Al2O3; Ni; szczawian niklu; mikrostruktura finalna; SPS

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 65, nr 2
• Strony: 227--234
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz.

Twórcy

autor

Golonka A.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Material Science and Ceramics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Drożdż-Cieśla E.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Material Science and Ceramics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Moskała N.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Material Science and Ceramics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Pyda W.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Material Science and Ceramics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Tuan, W.H., Brook, R.J.: The toughening of alumina with nickel inclusions, J. Eur. Ceram. Soc., 6, (1990), 31–37.
• [2] Breval, E., Deng, Z., Chiou, S., Pantano, C.G.: Sol-gel prepared Ni-alumina composite materials, J. Mater. Sci., 27, (1992), 1464–1468.
• [3] Tuan, W.H., Wu, H.H., Yang, T.J.: The preparation of AI2O3/Ni composites by a powder coating technique, J. Mater. Sci., 30, (1995), 855–859.
• [4] Sun, X.D., Yeomans, J.A.: Influence of Particle Size Distribution on Ductile-Phase Toughening in Brittle Materials, J. Am. Ceram. Soc., 79, (1996), 562–564.
• [5] Fahrenholtz, W.G., Ellerby, D.T., Loehman, R.E.: Al2O3–Ni Composites with High Strength and Fracture Toughness, J. Am. Ceram. Soc., 83, (2000), 1279–80.
• [6] Zhu, J.C., Lee, S.Y., Yin, Z.D., Lai, Z.H.: In: Shiota, I., Miyamoto, M.Y. (Eds), Functionally graded materials, 1996, Amsterdam: Elsevier Science, 1997, p. 203–208.
• [7] Sanchez-Herencia, A.J., Hernandez, N., Moreno, R.: Rheological Behavior and Slip Casting of Al2O3–Ni Aqueous Suspensions, J. Am. Ceram. Soc., 89, (2006), 1890–1896.
• [8] Konopka, K., Miazga, A., Właszczuk, J.: Fracture toughness of Al2O3-Ni composites with nickel aluminate spinel phase NiAl2O4, Composites, 11:3, (2011), 197-201.
• [9] Konopka, K., Kuczyński, P., Miazga, A., Riegert, D.: Effect of Sintering Atmosphere on Microstructure and Properties Al2O3-Ni Composites, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials, 64, 1, (2012), 89-93.
• [10] Moya, J.S., Lopez-Esteban, S., Pecharromán, C.: The challenge of ceramic/metal microcomposites and nanocomposites, Prog. Mater. Sci., 52, 7, (2007), 1017–1090.
• [11] Ji, Y., Yeomans, J.A.: Microstructure and Mechanical Properties of Chromium and Chromium/Nickel Particulate Reinforced Alumina Ceramics, J. Mater. Sci., 37, 24, (2002), 5229–5236.
• [12] Michalski, J., Konopka K., Kurzydłowski K.J., Trzaska, M., Gierlotka, S.: A Possibility to Obtain an Al2O3/Ni-P Nanocomposite through Hot Pressing (HP) of Al2O3 Powders Covered by Electroless Nickel, Kompozyty (Composites), 3, (2003), 7.
• [13] Tuan, W.H., Wu, H.H., Chen, R.Z.: Effect of Sintering Atmosphere on the Mechanical Properties of Ni/Al2O3 Composites, J. Eur. Ceram. Soc., 17, 5, (1997), 735–41.
• [14] Vekinis, G., Sofianopoulos, E., Tomlinson, W.J.: Alumina Toughened with Short Nickel Fibres, Acta Mater., 45, 11, (1997), 4651–4661.
• [15] Sekino, T., Nakajima, T., Ueda, S., Niihara, K.: Reduction and sintering of a nickel-dispersed-alumina composite and its properties, J. Am. Ceram. Soc., 80, (1997), 1139–1148.
• [16] Nishimura, Y., Aikawa, K., Choi S.-M., Hashimoto, S., Iwamoto, Y.: Relation between functional properties of alumina-based nanocomposites and locations of dispersed particles, J. Ceram. Soc. Jpn, 117, 7, (2009), 836-841.
• [17] Zhang, X., Lu, G., Hoffmann, M. J. & Metselaar, R., Properties and interface structures of Ni and Ni-Ti alloy toughened Al2O3 ceramic composites. J. Eur. Ceram. Soc., 15 (1995) 225-232.
• [18] X. Yao, Z. Huang, L. Chen, D. Jiang, S. Tan, D. Michel, G. Wang, L. Mazerolles, J.-L. Pastol: Alumina–nickel composites densified by spark plasma sintering, Materials Lett., 59, 18, (2005), 2314-2318.
• [19] Moya, J. S., Rodriguez-Suarez, T., Lopez-Esteban, S., Pecharromán, C., Díaz, L. A.,Torrecillas, R., Nygren, M.: Diamond-like Hardening of Alumina/Ni Nanocomposites, Adv. Eng. Mater., 9, 10, (2007), 898–901.
• [20] Rodeghiero, E.D., Tse, O.K., Chisake, J., Giannelis, E.P.: Synthesis and Properties of Ni–α-Al2O3 Composites via Sol–Gel, Mater. Sci. Eng. A, 195, (1995),151–61.
• [21] Rodeghiero, E.D, Moore, B.C, Wolkenberg, B.S, Wuthenow, M, Tse, O.K., Giannelis, E.P.: Sol–gel synthesis of ceramic matrix composites, Mater. Sci. Eng. A, 244, 1, (1998), 11-21.
• [22] Ik-Hyun Oh, Jae-Young Lee, Jae-Kil Han, Hee-Jung Lee, Byong-Taek Lee Microstructural characterization of Al2O3–Ni composites prepared by electroless deposition Surface & Coatings Technology 192 (2005) 39–42.
• [23] Üstündag, E., Ret, P., Subramanian, R., Dieckmann, R., Sass, S.L.: In Situ Metal–Ceramic Microstructures by Partial Reduction Reactions in the Ni–Al–O System and the Role of ZrO2, Mater. Sci. Eng. A, 195, (1995), 39–50.
• [24] Gizowska, M., Konopka, K., Szafran, M.: Alumina Matrix Ceramic-Nickel Composites Wet Processing, Kompozyty, 11:1, (2011), 61-65.
• [25] ICSD collection code: 41508.
• [26] Xiao, C., Mirshams, R.A., Whang, S.H., Yin, W.M.: Tensile behavior and fracture in nickel and carbon doped nanocrystalline nickel, Mat. Sci. Eng., A301, (2001), 35–43.
• [27] Rahaman M.N.: Sintering of Ceramics, CRC Press, Taylor &Francis Group, Boca Raton, 2008.
• [28] Lopez-Esteban, S., Rodriguez-Suarez, T., Esteban-Betegón, F., Pecharromán C., Moya J. S.: Mechanical properties and interfaces of zirconia/nickel in micro- and nanocomposites, J. Mater. Sci., 41, 16, (2006), 5194-5199.
• [29] Esteban-Betegón, F., Lopez-Esteban, S., Requena, J., Pecharromán, C., Moya, J. S.: Obtaining Ni Nanoparticles on 3Y-TZP Powder from Nickel Salts, J. Am. Ceram. Soc., 89, 1, (2006), 144–150.
• [30] Rodriguez-Suarez, T., Díaz, L. A., Torrecillas, R., Lopez-Esteban, S., Tuan, W. H., Nygren, M., Moya, J. S.: Alumina/tungsten nanocomposites obtained by Spark Plasma Sintering, Comp. Sci. Tech., 69, (2009), 2467–2473.
• [31] Pecharromán, C., Esteban-Betegón, F., Bartolomé, J. F., Richter, G., Moya, J. S.: Theoretical Model of Hardening in Zirconia-Nickel Nanoparticle Composites, Nano Letters, 4, (2004), 747-751.