Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Fabrication of ZrO2-Ti Composites by Slip Casting Method

Łada P., Falkowski P., Miazga A., Konopka K., Szafran M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2016

|

Vol. 61, iss. 2B

1095--1100

EN

Slip casting is one of the most popular shaping method in ceramic technology which allows producing a large number of elements in small period of time. This shaping technique gives a possibility to fabricate ceramic or composite materials such as ZrO2-Ti. Ti with its properties (low density, high melting point, high-temperature strength, good corrosion resistance and others) combine with ZrO2 (high flexure strength, high compression resistance and very high KIC) can be considered for different applications as constructional and functional materials. For the preparation of such composite nanometric zirconium oxide powder stabilized by 3 mol% Y2O3 and micrometric titanium powder were used. Water-based slurries with 35, 40, 45 and 50 vol.% solid phase content were prepared with 3, 10 and 15 vol.% addition of titanium powder. Zeta potential and pH of prepared slurries were considered. The pH changes were tested as a function of Ti content. The viscosity of the prepared slurries was measured. The sedimentation tests for selected slurries were performed. The casting rate for slurry of 35% solid phase with 10 vol.% Ti was examined. These measurements showed good stability of slurries. With the increasing of the solid phase concentration the density of the green bodies increased. However, the increase of the content of Ti powder reduced the density of green body samples. For selected samples the SEM observations was carried out. Composites produced by slip casting were characterized by a homogenous distribution of Ti particles in the ZrO2 matrix.

2

Design, fabrication and characterization of ceramic-metal composites: an overview

Konopka K.

Mechanik

|

2015

|

R. 88, nr 2CD

137--145

EN

Composites are used for many different products in numerous industries applications. They satisfy the demand for new materials which combine dissimilar materials and represent properties which are not achievable by separate material. Among of them are ceramic matrix composites, especially with metal phase. Different systems have been developing. During the last years the composites with Al2O3, ZrO2 ceramic matrix and metals as Ni, Mo, Cu, W, Co have been intensively studied. Metallic particles embedded into ceramic matrix improved mechanical properties such as the toughness, the hardness and the wear resistance. Moreover, other properties as magnetic or electrical of ceramic-metal composites can be significantly changed. Because of that, ceramic- metal composites are considered as structural and functional materials. The final properties of ceramic-metal composites depend on their microstructure, which should be optimize by the design of metal size and distribution into ceramic matrix and selection of the fabrication method. This paper attempts to review the microstructures of ceramic-metal composites based on own experimental results. The following issues will be discussed: design the metal particles distribution into ceramic matrix, opportunities of processing in creating microstructures and fabrication of composites with complex shape and high dimensions, interactions in ceramic/metal interfaces, toughening mechanisms and properties of composites.

PL

Z kompozytów wykonywane są elementy wykorzystywane do różnych zastosowań przemysłowych. Wynika to z możliwości uzyskania w nich właściwości nie spełnianych przez pojedynczy materiał. Wśród kompozytów o osnowie ceramicznej intensywne prace prowadzone są nad kompozytami z wprowadzoną faza metaliczną. Do częściej badanych układów zalicza się ceramikę Al2O3 oraz ZrO2 w połączeniu z metalami jak Ni, Mo, Cu, W czy Co. Wprowadzenie cząstek metalu do osnowy ceramicznej zapewnia zwiększenie odporności na kruche pękanie przy zachowaniu wysokiej twardości. Jednocześnie inne właściwości, jak elektryczne czy magnetyczne, mogą być modyfikowane. Dlatego też coraz częściej kompozyty ceramika-metal są postrzegane jako materiały o możliwości zastosowania jako konstrukcyjne i funkcjonalne. Właściwości kompozytów ceramika-metal zależą od ich mikrostruktury, która powinna być optymalizowana poprzez proces projektowania rozmiaru i rozmieszczenia cząstek metalu w osnowie ceramicznej oraz dobór metody wytwarzania. W artykule przedstawiono przegląd mikrostruktury kompozytów ceramika-metal bazując na własnych pracach w tym zakresie. Analizowano sposób rozmieszczenia cząstek metalu w osnowie ceramicznej, zalety metod wytwarzania pozwalające na wykonywaniu złożonych kształtów próbek kompozytowych oraz o dużych rozmiarach. Omówiono oddziaływania na granicy międzyfazowej ceramika/metal oraz mechanizmy odpowiedzialne za wzrost odporności na kruche pękanie, jak i właściwości kompozytów.

3

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

Gizowska M., Miazga A., Konopka K., Szafran M.

Composites Theory and Practice

|

2012

|

R. 12, nr 1

33-38

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.

4

Projektowanie kompozytów Al2O3–Ni z wykorzystaniem pomiaru właściwości elektrokinetycznych

Gizowska M., Szafran M., Konopka K.

Materiały Ceramiczne

|

2011

|

T. 63, nr 2

273-277

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań nad projektowaniem kompozytów ceramika-metal o osnowie ceramicznej, formowanych metodą odlewania z mas lejnych z wykorzystaniem w szczególności badań elektrokinetycznych zastosowanych proszków. W doświadczeniach stosowano następujące proszki: tlenek glinu (TM-DAR, firmy Tamei, Japonia) o średniej wielkości cząstek D50 = 0,21 žm, SBET = 14,5 m2/g i gęstości d = 3,8 g/cm3 oraz proszek niklu (Sigma-Aldrich) o średniej wielkości cząstek D50 = 2,17 žm, SBET = 2,1 m2/g i gęstości d = 8,9 g/cm3. Wyznaczono krzywe zależności potencjału dzeta i rozkładu wielkości cząstek od pH zawiesiny dla poszczególnych proszków i ich mieszanin w wodzie oraz w wodzie z dodatkiem substancji upłynniających w masie lejnej. Proszki wykorzystane w badaniach charakteryzują się dużą różnicą ich właściwości elektrokinetycznych, przez co w ich mieszaninie może dochodzić do efektu heteroflokulacji związanego z elektrostatycznym przyciąganiem się cząstek różnego rodzaju. Sprzyja to równomiernemu rozmieszczeniu cząstek metalicznych w kompozycie ceramika-metal.

EN

The main advantage of ceramic-metal composites is an increase of fracture toughness of a brittle ceramic matrix. In the paper, the results concerning characterization of electrokinetic behaviour of ceramic and metallic particles used for fabrication of the ceramic matrix ceramic-metal composite via slip casting method are presented. The following materials were used: alumina powder (TM-DAR, Tamei Japan) of average particle size D50 = 0.21 žm, specific surface area of SBET = 14.5 m2/g and density of d = 3,8 g/cm3, and nickel powder (Sigma-Aldrich) of average particle size D50 = 2.17 žm, specific surface area of SBET = 2.1 m2/g and density d = 8.9 g/cm3. Zeta potential as a function of pH was measured for suspensions of pure powders and powder mixtures in both water and water solutions containing deflocculants used for the slurry preparation. Together with zeta potential, particle size distributions were determined for the investigated suspensions of the powders and their mixtures. The studied ceramic and metallic powders show great differences in the electrokinetic behaviour, which can cause the heteroflocculation effect occurring in the suspension. Furthermore, from the rheological examination of the slurries with the different nickel powder content (0-5 vol.%), an influence of the nickel particles presence on slurry properties can be observed. With increase of the nickel powder concentration, the viscosity of slurry increased, and the rheopexy behaviour appeared.

5

Kompozyt ceramiczno-metaliczny ZrO2–Al2O3–SiO2–Mo

Czechowska K., Wrona A., Jedynak L., Wala T.

Materiały Ceramiczne

|

2011

|

T. 63, nr 2

332-336

PL

Kompozyty ceramiczno–metaliczne cieszą się rosnącym zainteresowaniem, ponieważ materiały te mogą mieć właściwości nieosiągalne dla jednofazowych materiałów ceramicznych. Wprowadzenie składnika metalicznego do ceramiki wpływa na poprawę jej właściwości mechanicznych. Znane jest stosowanie molibdenu w kompozytach np. mullit/Mo, Al2O3/Mo, 3YTZP/Mo, AlN/Mo, które mogą osiągać odporność na pękanie nawet 11 MPaźm1/2 i wytrzymałość na zginanie 2100 MPa. Molibden stanowi interesujący składnik kompozytów do zastosowań wysokotemperaturowych. Charakteryzuje się bowiem wysoką temperaturą topienia, wysoką wytrzymałością na rozciąganie na gorąco oraz niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej. Oprócz tego molibden charakteryzuje się niską korozyjnością w kontakcie z niektórymi rodzajami szkieł i materiałami ceramicznymi. Wszystkie te cechy sprawiają, że molibden jest stosowany w przemyśle szklarskim. Celem pracy było zbadanie możliwości opracowania spiekanego kompozytu ogniotrwałego, ceramiczno–metalicznego z układu ZrO2-Al2O3-SiO2-Mo o dużej zwartości tekstury, jako alternatywnego tworzywa przeznaczonego do pracy w kontakcie z ciekłym szkłem sodowo-wapniowym. W wyniku przeprowadzonych prób optymalizacji składów ziarnowych mas i doboru składników fazowych z układu Al2O3-SiO2-ZrO2–Mo otrzymano tworzywo kompozytowe o zawartości ZrO2 ~84 % mas., Mo – 10 % mas. i porowatości otwartej poniżej 8 % oraz wytrzymałości na ściskanie ok. 470 MPa.

EN

Ceramic–metal composites enjoy a growing interest because of their unattainable properties as compared with single-phase ceramic materials. The introduction of a metallic component to the ceramic matrix influences improvement of mechanical properties. It is known that molybdenum doped composites, i.e., mullite/Mo, Al2O3/Mo, 3Y-TZP/Mo or AlN/Mo show the fracture toughness reaching 11 MPaźm1/2 and the bending strength of 2100 MPa. The molybdenum is the interesting component for high-temperature composites. It is characterized by a high melting point, a high hot flexure strength and a low thermal expansion coefficient. Moreover the molybdenum demonstrated low corrosive properties to some kinds of glasses and ceramic materials. All these characteristics cause that the molybdenum is useful material in the glass industry. The aim of the work was to verify the possibility to produce sintered ceramic-metal composites in the ZrO2-Al2O3-SiO2–Mo system, showing large compactness of the texture, and being the alternative material designed for the work in contact with liquid soda-calcium glass. As a result of the optimization of grain size distribution curves, and selection of the phase composition of the mixtures, the composite material with a content of ~84 % wt. ZrO2 and ~10% wt. Mo, an open porosity below 8 % and a compressive strength of approx. 470 MPa was obtained.

6

Alumina matrix ceramic-nickel composites wet processing

Gizowska M., Konopka K., Szafran M.

Kompozyty

|

2011

|

R. 11, nr 1

61-65

EN

The main advantage of ceramic-metal composites is the increase of 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 is crucial in the ceramic and ceramic matrix composite fabrication process as it influences the properties of the material. In the case of such complex systems as powder mixture dispersions in a liquid medium (slurry), it is indispensable to investigate the phenomena taking place at the solid-liquid interface which determines dispersion stability and governs the interaction characteristics between the particles of different types (ceramic and metallic). In the paper, the results concerning ceramic matrix ceramic-metal composite fabrication via the slip casting method are presented. The following materials were used: alumina powder (TM-DAR, Tamei Japan) of average particle size D50 = 0.21 µm, specific surface area of SBET = 14.5 m²/g and density of d = 3.8 g/cm³, and nickel powder (Sigma-Aldrich) of average particle size D50 = 2.17 µm, specific surface area of SBET = 2.1 m²/g and density d = 8.9 g/cm³. Ceramic and metallic powders show great differences in electrokinetic behavior, which can cause the heteroflocculation effect to take place in the suspension. In order to investigate the particles interaction character, the zeta potential of each powder and its mixture was measured. The zeta potential measurements were performed on diluted suspensions that contained deflocculants, as a function of pH. Additionally, the particle size distribution of the diluted slurries was conducted in order to investigate the agglomeration characteristics. Rheological measurements of the slurries were performed. Furthermore, the chosen physical and mechanical properties of sintered bodies were examined (i.e.: bending strength, hardness and fracture toughness).

PL

Zapotrzebowanie na tworzywa ceramiczne znacznie wzrosło w ciągu ostatnich lat ze względu na niepowtarzalne właściwości ceramiki, niemożliwe do osiągnięcia przy zastosowaniu innych materiałów. Do korzystnych cech ceramiki można zaliczyć dużą twardość, sztywność, odporność na ścieranie oraz niską gęstość. Jednak kruchość tych materiałów ogranicza obszar ich zastosowania. Jedną z metod zwiększenia odporności na kruche pękanie jest realizowane poprzez wprowadzenie plastycznych cząstek metalu do osnowy ceramicznej, na których energia rozprzestrzeniającego się pęknięcia ulega rozproszeniu. Do tej pory do formowania kompozytów ceramika-metal o osnowie ceramicznej wykorzystywano głównie metody oparte na formowaniu z mas sypkich, spośród których można wyróżnić: prasowanie, prasowanie na gorąco, prasowanie izostatyczne czy metodę wtrysku. Jednak wszystkie te metody mają pewne ograniczenia. Głównym ograniczeniem wymienionych wyżej metod formowania kompozytów są olbrzymie trudności z formowaniem wyrobów o skomplikowanym kształcie i o znacznych wymiarach. W artykule przedstawiono wyniki badań nad otrzymywaniem kompozytów o osnowie z tlenku glinu z rozproszonymi cząstkami niklu metodą bezciśnieniowego odlewania z mas lejnych w porowatych formach gipsowych na bazie proszków metalicznego i ceramicznego. Zastosowano tlenek glinu (proszek α-Al2O3, TM-DAR, Tamei, Japan) o średniej wielkości ziarna 0,2 µm i gęstości 3,8 g/cm³ oraz niklu (Aldrich) o średniej wielkości ziarna 2,13 µm i gęstości 8,9 g/cm³. Wyznaczono krzywe zależności potencjału zeta i rozkładu wielkości cząstek od pH zawiesiny dla poszczególnych proszków i ich mieszanin w wodzie oraz w wodzie z dodatkiem substancji upłynniających w masie lejnej. Proszki wykorzystane w badaniach charakteryzują się dużą różnicą ich właściwości elektrokinetycznych, przez co w ich mieszaninie może dochodzić do efektu heteroflokulacji (przyciągania się elektrostatycznego cząstek różnego rodzaju i o różnym ładunku). Prowadzić to powinno do równomiernego rozmieszczenia cząstek metalicznych w kompozycie ceramika-metal. W wyniku powstawania przeciwnych ładunków podwójnej warstwy elektrycznej poszczególnych proszków dochodzi do elektrostatycznego przyciągania cząstek ceramicznych i metalu (tzw. efekt heteroflokulacji). Dzięki temu zjawisku kompozyt charakteryzuje się równomierną dystrybucją cząstek metalu w osnowie ceramicznej. W niniejszej pracy przedstawiono opis zjawisk elektrokinetycznych występujących w układzie tlenek glinu i nikiel na podstawie pomiarów potencjału zeta sprzężonych z pomiarem rozkładu wielkości cząstek dla czystych proszków oraz ich mieszanin zarówno w wodzie, jak i w roztworze upłynniaczy stosowanych w masie lejnej. Ponadto przeprowadzono badania lepkości dynamicznej i naprężeń ścinających przy zmiennej szybkości ścinania mas lejnych o różnych zawartościach proszku niklu. Przedstawiono także wybrane właściwości fizyczne i mechaniczne spieczonych kompozytów.

7

Gęstość i moduł Younga kompozytów otrzymanych metodą odlewania z mas lejnych

Gizowska M., Szafran M., Wasilewski Ł., Konopka K.

Kompozyty

|

2009

|

R. 9, nr 4

390-395

PL

Zapotrzebowanie na tworzywa ceramiczne znacznie wzrosło w ciągu ostatnich lat ze względu na niepowtarzalne właściwości ceramiki, niemożliwe do osiągnięcia przy zastosowaniu innych materiałów. Do korzystnych właściwości ceramiki można zaliczyć dużą twardość, sztywność, odporność na ścieranie oraz niską gęstość. Jednak kruchość tych materiałów ogranicza obszar ich zastosowania. W celu wyeliminowania tej wady można wprowadzać do fazy ceramicznej plastyczną fazę metaliczną. W artykule przedstawiono wyniki badań nad otrzymywaniem kompozytów o osnowie z tlenku glinu z rozproszonymi cząstkami niklu metodą odlewania z mas lejnych w porowatych formach gipsowych. Masy lejne otrzymywano, stosując tlenek glinu (proszek [alfa]-Al2O3, Almatis A16SG; o średniej wielkości ziarna 0,4 žm i gęstości 3,926 g/cm3) oraz proszek metalicznego niklu (Aldrich; o średniej wielkości ziarna 2,13 žm i gęstości 8,9 g/cm3). Wartość pH mas lejnych dobierano tak, aby ładunki podwójnej warstwy elektrycznej poszczególnych proszków były różne, co prowadzi do elektrostatycznego przyciągania cząstek ceramicznych i metalu (tzw. efekt heteroflokulacji). Dzięki temu zjawisku kompozyt charakteryzuje się równomierną dystrybucją cząstek metalu w osnowie ceramicznej. Podstawowym warunkiem koniecznym do otrzymania dobrej jakości materiału ceramicznego jest jego dobre zagęszczenie przed procesem spiekania. Wstępnie zagęszczony proszek, czy mieszanina proszków, po procesie formowania ulega konsolidacji podczas spiekania. Badano wpływ stopnia deaglomeracji zawiesin oraz warunków spiekania na zagęszczenie i wybrane właściwości kompozytów Al2O3-Ni - moduł Younga. Z obserwacji mikrostruktury przekrojów spieczonych kształtek kompozytowych wynika, że pomimo zastosowania ultradźwięków proszek niklu nie zawsze ulega całkowitej deaglomeracji. W osnowie ceramicznej widoczne są wówczas nieliczne duże cząstki niklu powstałe w wyniku stopienia ziaren niklu w aglomeracie podczas procesu spiekania.

EN

In the article preliminary results concerning fabrication technology and properties of Al2O3-Ni composite obtained by slip casting method are presented. Beside the mixture of ceramic ([alpha]-Al2O3 powder of average particle diameter 0.4 žm and density of 3.926 g/cm3) and metallic m and density of 8.9?(nickel powder of average particle diameter 2.13 g/cm3) powders slurry included binder (poly(vinyl alcohol) introduced into slurry as water-based solution), solvent (distilled water; liquid medium within particles were dispersed) and a composition of deflocculants (citric acid and diammonium citrate). The pH value of slurry was controlled so that double layer of ceramic and metallic powders were of different charge and heteroflocculation takes place (there is an electrostatic attraction of particles of different charge). This effect can guarantee homogeneous distribution in Al2O3-Ni composites obtained via slip casting method. Good powder consolidation is crucial in ceramic and ceramic matrix composites fabrication rout. Preliminarily consolidated powder or powder mixture is subsequently consolidated in sintering process. Influence of deagglomeration of slurry and sintering procedure on powder consolidation and Young modulus was investigated. Subjecting slurries based on alumina and nickel powder mixture to ultrasound deagglomeration process contributed to higher green density and reduced linear sintering shrinkage, whereas it didn't destroy nickel agglomerates. Observations carried out by means of scanning electron microscope proved that composite show closed porosity. Large pores are placed by nickel agglomerates (melt during sintering process).Young modulus parameter was measured for Al2O3-Ni composite (that exhibited the highest density) and Al2O3 material (fabricated in the same conditions) which are as follows: 370 GPa for composite and 390 GPa for ceramic material. Materials show minor difference in Young modulus parameter value.

8

Kompozyty ceramika-metal otrzymywane z wykorzystaniem ceramicznych mas lejnych

Gizowska M., Szafran M., Bobryk E., Wasilewski Ł., Konopka K.

Kompozyty

|

2008

|

R. 8, nr 1

53-58

PL

Przedstawiono wyniki badań nad otrzymywaniem kompozytów ceramika-metal metodą odlewania mas lejnych na bazie proszków metalicznego i ceramicznego w formach gipsowych. Otrzymano kompozyty o osnowie z tlenku glinu z dwoma rodzajami fazy rozproszonej: z proszkiem żelaza oraz proszkiem niklu, dodawane w ilości 3% obj. w stosunku do fazy stałej. W roli rozpuszczalnika stosowano wodę destylowaną. W skład masy wchodziła także kompozycja upłynniaczy, nadająca masie lejnej odpowiednie właściwości reologiczne, związki powierzchniowo czynne oraz spoiwo. Środowisko masy lejnej i zjawiska zachodzące w obszarze podwójnej warstwy elektrycznej otaczające cząstki wpływają na mikrostrukturę kompozytów. Stosując proszek żelaza, można otrzymać kompozyty z gradientem stężenia cząstek żelaza poprzez dobór warunków (stężenie fazy stałej w masie lejnej, sił powodujących ruch cząstek żelaza). W przypadku proszku niklu w stosowanym środowisku występuje efekt heteroflokulacji (związany z przyciąganiem elektrostatycznym cząstek Al2O3 i Ni o przeciwnym wypadkowym ładunku warstwy podwójnej), sprzyjający równomiernej dystrybucji cząstek metalu w objętości próbki.

EN

In the study the results of researches considering the use of slip casting method in fabrication ceramic-metallic composites are presented. Slurry consisted of ceramic ([alpha]-Al2O3) and metallic powder suspended in water with addition of a liquidizers' composition (citric acid and diammonium citrate), surface-active agents and binders. Nickel (of average particle diameter 2.13 žm and density of 8.9 g/cm3) and iron (of average particle diameter 4 žm and density of 7.81 g/cm3) powders were used as a metallic phase. Both were added in amount of 3% by volume (in reference with total solid state amount). In the proposed environment (e.i. water as liquid medium, deflocculants) it is possible to control the distribution of iron particles in alumina matrix by means of solid state content in slurry, the forces causing the metal particles movement etc. Ceramic-metallic composites Al2O3-Fe with graded concentration of Fe particles were obtained by gravity sedimentation of heavier iron particles and by additional forcing the movement of iron particles in magnetic field. In the latter case higher concentration of solid state in the slurry could be used. The double layer surrounding the suspended iron and alumina particles has in both cases positive charge and there is so electrostatic attraction between them. The gradient of metallic particles concentration can be obtained when distance between the suspended particles in the slurry is bigger then the average metal particle diameter. Nickel particles in water show very low pH value of isoelectric point and in the produced slurry heterofloculation was observed. This effect can guarantee homogeneous distribution in Al2O3-Ni composites obtained via slip casting method.

9

Zastosowanie mas lejnych do otrzymywania kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu

Szafran M., Bobryk E., Gizowska M., Rosłoniec G., Konopka K.

Kompozyty

|

2007

|

R. 7, nr 3

126-129

PL

Przedstawiono badania nad zastosowaniem mas lejnych do otrzymywania kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu. Masy lejne przygotowano z mieszaniny proszku Al2O3 i Fe, gdzie żelazo stanowiło 3% objętości mieszaniny. Zastosowanym rozpuszczalnikiem była woda destylowana. Ponadto w skład masy wchodziły spoiwo i taki układ upłynniaczy, który nadaje masie lejnej odpowiednie właściwości reologiczne. Masy lejne odlewano do form gipsowych, otrzymując kształtki o średnicy ok. 10 mm i wysokości 20 mm. Gradient stężenia cząstek metalu realizowano na dwa sposoby. Pierwszy z nich polegał na swobodnej sedymentacji cięższych cząstek żelaza pod wpływem siły ciężkości. Takie zjawisko może zajść jedynie wtedy, kiedy średnia odległość między cząstkami proszku ceramicznego w masie lejnej jest większa od średnicy cząstek metalu. Należy przy tym pamiętać, że odległości te są tym mniejsze, im mniejsza jest średnica zdyspergowanego proszku oraz im większe jest stężenie fazy stałej w zawiesinie. Przy zastosowaniu tej metody gradient stężenia cząstek metalu na wysokości kształtki otrzymano, wychodząc z masy lejnej o stężeniu fazy stałej 39,5% obj. W przypadku wymuszenia ruchu cząstek żelaza w polu magnetycznym w kierunku silnego magnesu możliwe jest uzyskanie gradientu stężenia cząstek metalu, stosując wyjściową masę lejną o stężeniu fazy stałej równej 42,6-50% obj.

EN

The main advantage of ceramic-metal composites is an increase of the fracture toughness of the brittle ceramic matrix. Functionally graded materials (FGM) in the mentioned system provides possibility to obtain material which properties such as fracture toughness, thermal, electrical conductivity etc. change as a function of distance from the surface of material. In the paper the method of ceramic-metal composites with gradient concentration of metal particles is presented. Slip casting was chosen as a composite forming method. The gradient was obtained by means of iron particles sedimentation under gravitation force. In the samples produced from more concentrated slurries magnetic field had to be used in order to obtain a FGM. The slurry consisted of a mixture of iron and alumina powders, liquidizers, surface-active agents and binders and water as a solvent. The composites Al2O3-Fe were fabricated from the slip casting slurry containing 39.5, 42.6, 50% (by volume) solid state. Obtaining FGM by the sedimentation in the gravity force field is possible only when the distance between the dispersed particles/agglomerates is bigger then the diameter of metal particle. Otherwise magnetic field applying is indispensable. Using magnetic field leads to graded character of iron particles distribution in samples produced from more concentrated slurries. Moreover metal particles agglomerates are situated along the magnetic field lines. A fluctuation of iron particles surface in a sample produced from slurry with high solid state concentration of 50% by volume, which is desirable in ceramic technological processes, proving graded distribution of iron along the axis of the composite sample.

10

Projektowanie kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu

Szafran M., Bobryk E., Konopka K.

Kompozyty

|

2005

|

R. 5, nr 3

10-15

PL

Przedstawiono metodę projektowania kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu z wykorzystaniem sedymentacji cząstek metalu w ceramicznej masie lejnej otrzymanej z proszku ceramicznego i proszku metalu o różnej gęstości. Metoda ta polega na odpowiednim przygotowaniu ceramicznej masy lejnej składającej się z rozpuszczalnika, upłynniacza, spoiwa oraz proszku ceramicznego i proszku metalu. Sedymentacja cząstek metalu o gęstości znacznie wyższej od gęstości proszku ceramicznego pod wpływem siły ciężkości może zachodzić tylko wówczas, gdy odległości pomiędzy cząstkami proszku ceramicznego w ceramicznej masie lejnej są większe od średnicy cząstek metalu (rys. 2). W pracy przedstawiono metodę oraz wyniki obliczeń odległości pomiędzy cząstkami proszku ceramicznego w zależności od stężenia fazy stałej oraz średniej wielkości cząstki proszku ceramicznego. Obliczenia te wykonano przy założeniu luźnego, regularnego ułożenia cząstek. Wyniki przedstawione w tabeli l i na rysunku 3 wskazują, że odległość pomiędzy cząstkami proszku ceramicznego maleje wraz ze zmniejszeniem średniej średnicy cząstek oraz ze wzrostem stężenia fazy stałej w ceramicznej masie lejnej. Wyniki tych obliczeń potwierdzono, przygotowując ceramiczną masę lejną z tlenku glinu oraz proszku żelazowego. Zastosowano tlenek glinu o średniej średnicy cząstek 0,5 um i o gęstości 3,926 g/cm3 oraz proszek żelaza o średnicy cząstek równej 4 um i gęstości 7,81 g/cm3. W przypadku mas lejnych o stężeniu tlenku glinu powyżej 40% obj. nie obserwowano gradientu stężenia cząstek żelaza na wysokości kształtki otrzymanej metodą odlewania w formie gipsowej. Gradient stężenia cząstek żelaza spowodowany sedymentacją obserwuje się wówczas, gdy rozmiar cząstek żelaza w masie lejnej jest mniejszy niż odległość pomiędzy cząstkami tlenku glinu w ceramicznej masie lejnej. Metodą tą można uzyskać kształtki z gradientem nie tylko stężenia cząstek metalu, ale także z gradientem wielkości tych cząstek na wysokości kształtki. Gradient stężenia cząstek metalu może być wymuszony, gdy zastosuje się odlewanie w obecności silnego magnesu umieszczonego bezpośrednio pod formą gipsową. Pole magnetyczne powoduje ruch cząstek żelaza w kierunku magnesu.

EN

In the paper the design of ceramic-metal composites with gradient concentration of metal particles is presented. As a method of composites fabrication the slip casting method was chosen. The process of metal particles sedimentation under gravitation force and magnetic field was used to achieve the gradient concentration of metal particles. In slip casting method the mixture of powders with addition of liquidizers, surface active agents and binders is prepared. Process of metal particles with higher density than the density of ceramic powder sedimentation under gravity force is possible when the distance between the ceramic powder particles are bigger than the size of metal particles (Fig. 2). In the paper the calculations of the distances between the particles are presented. Moreover, the correlation between the size of metal particles and the distance between ceramic particles is described. In calculations the assumption was made that there is regular distribution of free particles. Results showed that the distance between the particles decreases together with the decrease of average size of particles and with increase of concentration of solid phase in slip casting (Tab. 1, Fig. 3). Experimental results confirmed the calculations. The composites Al2O3-Fe were prepared. The Al2O3 powder with average diameter equal to 0.5 um and density equal to 3.926 g/cm3 was used. The average size of Fe powder was equal to 4 um, and its density was equal to 7.81 g/cm3. In case of slip casting with 40 volume % of alumina powder no gradient concentration in composites was noticed. Gradient concentration of iron particles is possible when the size of Fe particles in slip casting is lower than the distance between the Al2O3 particles. In such a situation when gradient concentration of metal particles can not be obtained by sedimentation method i.e. when the size of metal particles is equal or bigger than the distance between the particles, the magnetic force might be used. Magnetic force leads to gradient concentration of metal particles, moreover the metal particles are situated along the line of magnetic field.