Mechanical properties and low temperature degradation resistance of 2.5Y-TZP – alumina composites

• Autorzy: Kern F. , Gadow R

Warianty tytułu

PL

Właściwosci mechaniczne i odporność na niskotemperaturową degradację kompozytów 2.5Y-TZP – tlenek glinu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Yttria stabilized zirconia polycrystals (Y-TZP) become increasingly important in the field of biomedical and engineering components. The commercially available standard material 3Y-TZP made from coprecipitated powders has very high strength but limited fracture toughness, resistance to subcritical crack growth and low temperature degradation resistance. In this study a 2.5Y-TZP powder was produced by coating of monoclinic zirconia with yttria via the nitrate route. Y-TZP-alumina composites with compositions ranging from 0-27.5 vol.% were produced by mixing and milling and subsequent hot-pressing at 1400 °C for 2 h. The mechanical properties and ageing resistance of the materials was tested. All materials showed attractive mechanical properties with bending strength of 1000-1250 MPa, fracture resistance declined with increasing alumina content while resistance to subcritical crack growth KI0 was maintained at a high level of 5–5.7 MPa∙√m. Alumina addition had a non-linear grain growth inhibition effect. Ageing test showed that while the pure 2.5-TZP was inherently instable a small addition of alumina increased the low temperature ageing resistance considerably. Evaluation of ageing kinetics according to the Mehl-Avrami-Johnson model showed that the TZP-alumina composites did not follow a nucleation and growth mechanism but that the transformation front rather proceeds into the bulk by a zero-order kinetics.

PL

Polikryształy dwutlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru (Y-TZP) stają się coraz ważniejsze w obszarze komponentów biomedycznych i inżynierskich. Komercyjnie dostępny, standardowy materiał 3Y-TZP wytworzony z proszków współstrąconych ma bardzo wysoką wytrzymałość ale ograniczoną odporność na pękanie, odporność na podkrytyczny wzrost pęknięcia i odporność na niskotemperaturową degradację. W niniejszej pracy, proszek 2.5Y-TZP wytworzono drogą pokrywania jednoskośnego tlenku cyrkonu tlenkiem itru metodą azotanową. Kompozyty Y-TZP-tlenek glinu o skłądach mieszczących się w przedziale 0-27.5 vol.% wytworzono drogą mieszania i mielenia z następczym prasowaniem na gorąco w 1400 °C przez 2 h. Zbadano właściwości mechaniczne i odporność na starzenie otrzymanych materiałów. Wszystkie materiały pokazały atrakcyjne właściwości mechaniczne: wytrzymałość na zginanie 1000-1250 MPa, odporność na pękanie zmniejszyła się wraz ze wzrostem zawartości tlenku glinu, podczas gdy odporność na podkrytyczny wzrost pęknięcia KI0 utrzymywał się na poziomie 5–5.7 MPa∙√m. Dodatek tlenku glinu wywołał nieliniowy efekt zahamowania rozrostu ziaren. Test starzenia wykazał, że wtedy gdy czysty 2.5-TZP był zasadniczo niestabilny to mały dodatek tlenku glinu zwiększał znacząco niskotemperaturową odporność na starzenie. Wyznaczenie kinetyki starzenie zgodnie z modelem Mehl-Avrami-Johnsona wykazało, że kompozyty TZP-tlenek glinu nie podlegają mechanizmowi zarodkowania i wzrostu zarodków, ale raczej front przemiany podąża w materiał zgodnie z kinetyką reakcji rzędu zerowego.

Słowa kluczowe

EN

degradation resistance; mechanical properties; Y-TZP; alumina; composite

PL

odporność na degradację; właściwości mechaniczne; Y-TZP; Al2O3; kompozyt

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 65, nr 3
• Strony: 258--266
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz.

Twórcy

autor

Kern F.

• University of Stuttgart, IFKB, D-70569 Stuttgart, Allmandring 7B

autor

Gadow R

• University of Stuttgart, IFKB, D-70569 Stuttgart, Allmandring 7B

Bibliografia

• [1] Kelly, P.M., Rose, L.R.F.: The martensitic transformation of ceramics- its role in transformation toughening, Prog. Mater. Sci., 47, (2002), 463-557.
• [2] Swain, M.J., Rose, L.R.F.: Strength limitations of transformation toughened alloys, J. Am. Ceram. Soc., 69, 7, (1986), 511-518.
• [3] Chevalier, J., Cales, B., Drouin, J.M.: Low temperature ageing of Y-TZP ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 82, 8, (1999), 2150-54.
• [4] Chevalier, J., Gremillard, L.: Low-Temperature Degradation of Zirconia and Implications for Biomedical Implants, Annu. Rev. Mater. Res., 37, (2007),1–32.
• [5] Özkurt, Z., Kazazoglu, E.: Zirconia dental implants: a literature review, J. Oral Implantol., 37, 3, (2011), 367-76.
• [6] Wroe, S., Ferrara, T.L., McHenry, C.R., Curnoe, D., Chamoli, U.: The craniomandibular mechanics of being human, Proc. R. Soc. B, 277, (2010), 3579–3586.
• [7] Benzaid, R., Chevalier, J., Saadaoui, M., Fantozzi, G., Nawa, M., Diaz, L.D., Torrecillas, R.: Fracture toughness, strength and slow crack growth in a ceria stabilized zirconia–alumina nanocomposite for medical applications, Biomaterials, 29, (2008), 3636–41.
• [8] Binner, J., Vaidhyanathan, B., Paul, A., Annaporani, K., Raghupathy, B.: Compositional Effects in Nanostructured Yttria Partially Stabilized Zirconia, Appl. Ceram. Techn., 8, 4, (2011), 766-782.
• [9] Apel, E., Ritzberger, C., Courtois, N., Reveron, H., Chevalier, J., Schweiger, M.,
• Rothbrust, F., Rheinberger, V.M., Höland, W.: Introduction to a tough, strong and stable Ce-TZP/MgAl2O4 composite for biomedical applications, J. Eur. Ceram. Soc., 32, 11, (2012), 2697-703.
• [10] Singh, R., Gill, C., Lawson, S., Dransfield, G.P.: Sintering, microstructure and mechanical properties of commercial Y-TZPs, J. Mat. Sci., 31, (1996), 6055-62.
• [11] Ohnishi, H., Naka, H., Sekino, T., Ikuhara, Y., Niihara, K.: Mechanical properties of 2.0-3.5 mol% Y2O3-stabilized zirconia polycrystals fabricated by the solid phase mixing and sintering method, J. Ceram. Soc. Jap.,116, (2008), 1270-1277.
• [12] Picconi, C., Burger, W., Richter, H.G., Cittadini, A., Maccauro, G., Covacci, V., Bruzzese, N., Ricci, G.A., Marmo, E.: Y-TZP ceramics for artificial joint replacements, Biomaterials, 19, (1998), 1489-1494.
• [13] Kern, F: Alumina doped 2.5Y-TZP from yttria coated pyrogenic nanopowder, J. Ceram. Sci. Techn., 2, (2011), 89-96.
• [14] Ross, I.M., Rainforth, W.M., McComb, D.W., Scott, A.J., Brydson, R.: The role of trace additions to yttria-tetragonal zirconia polycrystals (Y-TZP), Scripta Materialia, 45, (2001), 653-60.
• [15] Tsukuma, K., Ueda, K.: Strength and fracture toughness of isostatically hotpressed composites of Al2O3 and Y2O3 partially stabilized ZrO2, J. Am. Ceram. Soc., 68, 1, (1985), C4–5.
• [16] Tsubakino, H., Sonoda, K., Nozato, R.: Martensite transformation behaviour during isothermal ageing in partially stabilized zirconia with and without alumina addition, J. Mater. Sci. Lett., 12, (1993), 196–8.
• [17] Kern, F., Gadow, R.: Alumina toughened zirconia from yttria coated powders, J. Eur. Ceram. Soc., 32, 15, (2012), 3911-18.
• [18] Yuan, Z.X., Vleugels, J., Van der Biest, O.: Preparation of Y2O3-coated ZrO2 powder by suspension drying, J. Mater. Sci. Lett., 19, (2000), 359–61.
• [19] Chantikul, P., Anstis, G.R., Lawn, B.R., Marshall, D.B.: A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: II, strength method, J. Am. Ceram. Soc., 64, 9, (1981), 539-543.
• [20] Dransmann, G.W., Steinbrech, R.W., Pajares, A., Guiberteau, F., Dominguez-Rodriguez, A., Heuer, A.H.: Indentation Studies on Y2O3-Stabilized ZrO2: II, Toughness Determination from Stable Growth of Indentation-Induced Cracks, J. Am. Ceram. Soc., 77, 5, (1994), 1194-201.
• [21] Toraya, H., Yoshimura, M., Somiya, S.: Calibration curve for quantitative analysis of the monoclinic-tetragonal ZrO2 system by X-ray diffraction”, J. Am. Ceram. Soc., 67, 6, (1984), C119–21.
• [22] Kosmac, T., Wagner, R., Claussen, N.: X-Ray Determination of Transformation Depths in Ceramics Containing Tetragonal ZrO2, J. Am. Ceram. Soc., 64, 4, (1981), C72–3.
• [23] McMeeking, R.M., Evans, A.G.: Mechanics of Transformation-Toughening in Brittle Materials, J. Am. Ceram. Soc., 65, 5, (1982), 242-6.
• [24] Mendelson, M.I.: Average grain size in polycrystalline ceramics, J. Am. Ceram. Soc., 52, 8, (1969), 443-6.
• [25] Keuper, M., Eder, K., Berthold, C., Nickel, K.G.: Direct evidence for continuous linear kinetics in the low-temperature degradation of Y-TZP, Acta Biomaterialia, 9, 1, (2013), 4826-35.
• [26] Swain, M.V.: Grain-size dependence of toughness and transformability of 2 vol.% Y-TZP ceramics, J. Mat. Sci. Let., 5, (1986), 1159-62.