Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Stosowalność kwasu borowego do wytwarzania nanokompozytów TiB2/TiC/ZrO2 r.s. metodą in situ

Moskała N., Pyda W.

Materiały Ceramiczne

|

2018

|

T. 70, nr 4

371--389

PL

Ocenie poddano przydatność użycia kwasu ortoborowego do wytwarzanie metodą in situ nanometrycznych wtrąceń TiB2 i TiC w tetragonalnej osnowie tlenku cyrkonu. Kwas ortoborowy, żywicę fenolowo-formaldehydowę i nanoproszek cyrkoniowy stabilizowany 2,5% mol. Y2O3 i domieszkowany 18% mol. TiO2 zastosowano do syntezy wtrąceń TiB2 i TiC w cząstkach tlenku cyrkonu, którą prowadzono w zakresie 1100-1600 °C w próżni. Tak otrzymane proszki kompozytowe zawierały nanocząstki TiB2 i TiC o rozmiarach odpowiednio 60-80 nm i 25-40 nm. Proszki kompozytowe spiekano w temperaturze 1500 °C w próżni, aby uzyskać gęste materiały kompozytowe. Szczegółowej charakterystyce poddano skład fazowy proszków i kompozytów, zmierzono rozmiar cząstek TiB2 i TiC w proszkach, określono stan zagęszczenia spieków, zbadano mikrostrukturę i wybrane właściwości kompozytów. Właściwości mechaniczne kompozytów porównano z materiałem 3Y-TZP. Zbadano wpływ temperatury syntezy in situ na skład fazowy proszków i spieków oraz na właściwości mechaniczne kompozytów, wskazując rolę jaką pełni kwas ortoborowy w kształtowaniu się tych właściwości. Otrzymano gęste kompozyty z przewagą fazy tetragonalnej w osnowie cyrkoniowej, zawierające submikronowe i w części nanometryczne wtrącenia TiB2 i TiC, które charakteryzowały się podwyższoną odpornością na zużycie ścierne.

EN

The applicability of the use of orthoboric acid to production of nanometric inclusions of TiB2 and TiC in the tetragonal zirconium oxide matrix by the in situ method was evaluated. Orthoboric acid, phenol-formaldehyde resin and zirconia nanopowder stabilized with 2.5 mol% Y2O3 and doped with 18 mol% TiO2 were used for the synthesis of TiB2 and TiC inclusions in zirconia particles, which was carried out at 1100-1600 C in vacuum. The composite powders thus obtained contained TiB2 and TiC nanoparticles with sizes of 60-80 nm and 25-40 nm, respectively. Composite powders were sintered at 1500 C under vacuum to obtain dense composite materials. The phase composition of powders and composites was characterized in detail, the particle size of TiB2 and TiC in powders was measured, the state of compacting of sinters was determined, the microstructure and selected properties of composites were examined. The mechanical properties of the composites were compared with the 3Y-TZP material. The influence of the in situ synthesis temperature on the phase composition of powders and sinters as well as the mechanical properties of composites was examined, indicating the role of orthoboric acid in the formation of these properties. Dense composites with predominance of the tetragonal phase in the zirconium matrix were obtained, containing submicron and in part nanometric inclusions of TiB2 and TiC, which were characterized by increased resistance to abrasion.

2

Calcined aluminium oxide nanopowders of boehmite origin and narrow particle size distribution

Pyda W., Kędzierska A., Morgiel J., Moskała N.

Materiały Ceramiczne

|

2016

|

T. 68, nr 4

376--383

EN

The synthesis of aluminium oxide powders composed of nanocrystalline particles of high temperature polymorphs that show extremely narrow size distributions is reported. Al(NO3)3∙9H2O was used as a reagent in two bottom-up synthesis processes: i) calcination of precursor boehmite obtained through controlled dehydroxylation of aluminium hydroxide, and ii) calcination of a hydrothermally crystallized precursor boehmite. The former method is solely the solid state synthesis of the product, the latter one involves crystallization of the precursor in a liquid state. Both methods, creating different crystallization conditions for boehmite, deliver alumina particles of different mechanical strength and therefore different behaviour during comminution. The processes of alumina nanopowder preparation were accompanied by intensive attrition milling at crucial manufacturing stages. The influence of the applied ways of boehmite precursor preparation on the morphology and size distribution of alumina particle was studied. The nano-powder composed of α-Al2O3 and a mixture of θ-Al2O3 and α-Al2O3 was produced in the case of the conventional calcination and hydrothermal method, respectively. The additional attrition milling of the hydrothermal boehmite product heated for 1 h at 450 °C decreased a crystallization temperature of α-Al2O3 from 1297 °C to 1199 °C when compared to the unmilled product. A crystallization temperature of 1185 °C was determined for the solely calcined alumina powder. The hydrothermal treatment followed by pre-calcination at 450 °C and attrition milling allowed obtaining mesoporous θ-Al2O3 nano-particles of elongated shapes and sizes in the range of 60-300 nm with a median of 150 nm when crystallized for 0.5 h at 1040 °C. When the same comminution conditions applied to the finally calcined precursor, the alumina powder originated from the precursor, which has not been treated hydrothermally, was composed of particles ranging from 35 nm to 3 μm with a median of 200 nm and the presence of some amount of the fraction of 20-180 μm. Thus, a significant role of the hydrothermal treatment combined with low temperature pre-calcination and attrition milling has been proved for the manufacturing of narrow distribution Al2O3 nanopowders.

PL

Opisano syntezę proszków tlenku glinu, złożonych z nanocząstek odmian wysokotemperaturowych, które charakteryzują się wąskim rozkładem wielkości. Azotan glinu Al(NO3)3∙9H2O wykorzystano jako prekursor w dwóch procesach bottom-up: i) kalcynacja prekursora bemitowego otrzymanego w drodze kontrolowanej dehydroksylacji wodorotlenku glinu, ii) kalcynacja prekursora bemitowego krystalizowanego hydrotermalnie. Pierwsza z metod jest wyłącznie syntezą w fazie stałej, druga obejmuje krystalizację prekursora w fazie ciekłej. Obydwie metody, tworząc różne warunki krystalizacji bemitu, dostarczają cząstek tlenku glinu o różnej wytrzymałości mechanicznej i dlatego różniące się zachowaniem podczas rozdrabniania. Proces przygotowania nanoproszków obejmował również intensywne mielenie ścierne zastosowane w kluczowych etapach wytwarzania. Zbadano wpływ zastosowanych sposobów otrzymywania prekursora glinowego na morfologię i rozkład wielkości cząstek w nanoproszkach tlenku glinu. Nanoproszki złożone z α-Al2O3 lub mieszaniny θ-Al2O3 i α-Al2O3 wytworzono w przypadku odpowiednio metody kalcynacji i metody hydrotermalnej. Dodatkowe mielenie ścierne hydrotermalnie otrzymanego produktu bemitowego, który ogrzano przez 1 h 450 °C wpłynęło na obniżenie temperatury krystalizacji α-Al2O3 z 1297 °C do 1199 °C w porównaniu z produktem niemielonym. Temperaturę krystalizacji wynoszącą 1185 °C stwierdzono w przypadku proszku α-Al2O3 otrzymanego wyłącznie metodą kalcynacji. Obróbka hydrotermalna z następczą prekalcynacją w 450 °C i mieleniem ściernym pozwoliło na uzyskanie mezoporowatych nanocząstek θ-Al2O3 o wydłużonych kształtach i rozmiarach w zakresie 60-300 nm i medianie wynoszącej 150 nm, wtedy gdy krystalizowano je przez 0,5 h w 1040 °C. W przypadku zastosowania takich samych warunków rozdrabniania do finalnie kalcynowanego prekursora, nieotrzymanywanego w procesie krystalizacji hydrotermalnej, proszek α-Al2O3 składał sie z cząstek o rozmiarach od 35 nm do 3 μm z medianą przy 200 nm i zawierał również pewną ilość frakcji 20-180 μm. W ten sposób wykazano znaczącą rolę połączenia obróbki hydrotermalnej i niskotemperaturowej prekacynacji z następczym mieleniem ściernym na wytwarzanie nanoproszków Al2O3 o wąskim rozkładzie cząstek.

3

Influence of the Organophilisation Process on Properties of the Bentonite Filler and Mechanical Properties of the Clay/Epoxy Nanocomposites

Rapacz-Kmita A., Moskała N., Dudek M., Gajek M., Mandecka-Kamień L.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2016

|

Vol. 61, iss. 2A

875--880

EN

In this comparative study, the influence of the organophilisation process on the properties of resulting organobentonite fillers and their capability to improve the mechanical properties of clay/polymer nanocomposites were investigated. The organobentonites were obtained by activation with the use of two organic quaternary ammonium salts (QAS) with alkyl chains of significantly different lengths. The organophilisation resulted in an increase in the interlayer space of clays, which was confirmed by XRD analysis. The obtained organofillers were used to produce nanoclay/epoxy resin composites and the effects of alkyl chain length on the resulting properties of composites were compared based on the examination of mechanical behaviour and morphology, and a composite filled with the non organophilised bentonite was used as a reference material. It was demonstrated that the organophilisation process using distearyldimethyl ammonium chloride salt with a longer alkyl chain (C18-C20) created a more superior conditions for the compatibility of nanofiller with a polymer matrix, resulting in a 25 % increase in the bending strength of the epoxy composite material filled with 3 %wt of the organophilised bentonite, comparing to neat epoxy.

4

Effects of nano-nickel and MgO addition to alumina based matrices on properties of the resultant composites

Golonka A., Moskała N., Putyra P., Pyda W.

Materiały Ceramiczne

|

2014

|

T. 66, nr 2

175--184

EN

Ni/Al2O3 composites were produced by using alumina nano- and micropowders, and 1.7 vol.% Ni nano-particles prepared by an oxalate method. Uniform mixtures of alumina and nano-nickel particles were consolidated by the SPS method for 7 min at 1400 °C in argon. Effects of second-phase nano-particles, MgO-dopant and particle size of alumina powder on the microstructure and, in turn on, the resultant density, hardness, fracture toughness and wear resistance of the composites were studied. XRD, SEM, EDS, image analysis, Vickers indenting and wear resistance testing were used to determine the microstructural and mechanical properties of the studied materials. The MgO-dopant controlled the microstructure of Al2O3 polycrystals limiting abnormal grain growth, but in case of the Ni/Al2O3 composites a pinning effect, coming from nickel nano-particles, was more pronounced in reducing alumina grain sizes than a solute drag mechanism incorporated by the MgO additive. The alumina matrix composite hardened with nickel nano-particles was produced which showed a hardness of 18.3 GPa and very high wear resistance, as a result of the Hall-Petch effect.

PL

Wytworzono kompozyty Ni/Al2O3, wykorzystując nano- i mikroproszki tlenku glinu oraz nanocząstki niklu w ilości 1.7% obj., które otrzymano metodą szczawianową. Jednorodne mieszaniny cząstek tlenku glinu nano-niklu konsolidowano metodą SPS przez 7 min w 1400 °C w argonie. Zbadano wpływ nanocząstek drugiej fazy, dodatku MgO i rozmiaru wyjściowego cząstek tlenku glinu na mikrostrukturę kompozytów i, jako skutek, na ich gęstość, twardość, odporność na pękanie i odporność na ścieranie. Wykorzystano metody XRD, SEM, EDS, analizę obrazu, metodę Vickersa i badania odporności na ścieranie, aby scharakteryzować mikrostrukturę i właściwości mechaniczne badanych materiałów. Dodatek MgO kontrolował mikrostrukturę polikryształów Al2O3, ograniczając nieciągły rozrost ziaren tlenku glinu, ale w przypadku kompozytów okazał sie mniej skuteczny niż dodatek nanocząstek niklu, które działały poprzez mechanizm kotwiczenia granic. Wytworzono kompozyt z osnową tlenku glinu utwardzony nanocząstkami niklu o twardości 18.3 GPa i bardzo dobrej odporności na ścieranie, jako wynik działania efektu Hall-Petcha.

5

Ocena trwałości płytek ostrzowych ZrO2/TiB2 w trakcie skrawania na sucho stali i żeliwa

Moskała N., Pyda W., Czechowski K.

Materiały Ceramiczne

|

2013

|

T. 65, nr 2

156-162

PL

W pracy przedstawiono wyniki prób trwałościowych płytek ostrzowych z kompozytu ziarnistego Y-ZrO2/TiB2 w trakcie skrawania na sucho stali C45 o twardości 165  6 HB oraz żeliwa specjalnego stopowego EN-GJL-XNiCuCr15-6-2 o twardości 121  2 HB. Materiał kompozytowy zawierał (12–37)% obj. submikronowych wtrąceń TiB2 i został wytworzony metodą in situ, bazującą na reakcji w fazie stałej. Zastosowano płytki ostrzowe typu SNGN 120408 T 02020, co jest zgodne z normą ISO 1832.1991. Jako próbki odniesienia wykorzystano komercyjne płytki typu TA-Z (Al2O3/ZrO2) oraz TW (Al2O3/TiC), produkcji Instytutu Zaawansowanych Technologii Wytwarzania w Krakowie. Próby trwałościowe przeprowadzono na tokarce numerycznej TZC-32 N Uniwersal. Prędkość skrawania na sucho wynosiła 150 m/min. Głębokość skrawania została ustalona na 1,0 mm, zaś posuw narzędzia wynosił 0,15 mm/obr. (stal) lub 0,10 mm/obr. (żeliwo). Jako kryterium trwałości ostrza przyjmowano czas potrzebny do stępienia narzędzia o 0,30 mm. Czas pracy płytek ostrzowych korelowano ze składem fazowym kompozytów oraz ich właściwościami mechanicznymi, a w szczególności opornością na ścieranie w teście „Dry Sand”, nawiązującym w metodyce do normy ASTM G 6585. W wyniku przeprowadzonych prób nie wykryto monotonicznej korelacji pomiędzy odpornością na ścieranie danego materiału i zawartością TiB2 a czasem pracy noża w trakcie toczenia stali C45. Jednakże kompozyt o zawartości 37% obj. TiB2 wykazywał bardzo korzystne cechy użytkowe w próbach toczenia. Było to najbardziej widoczne w kontekście wyników uzyskanych podczas badań w zakresie skrawania stali C45, w których ceramika ta wykazała się o 16% dłuższym czasem pracy niż komercyjny materiał Al2O3/ZrO2 gatunku TA-Z. Podobnymi właściwościami charakteryzował się nóż tokarski oparty na tworzywie zawierającym 20% obj. TiB2. Wymienione kompozyty Y-ZrO2/TiB2 ustępowały jednak ceramice TA-Z w trakcie toczenia żeliwa EN-GJL-XNiCuCr15-6-2.

EN

This paper presents the results of tool life tests of Y-ZrO2/TiB2 composite cutting inserts during dry machining of C45 steel (165HB 6 HB) and EN-GJL-XNiCuCr15-6-2 cast iron (121HB 2 HB). The composite contained 12-37 vol.% of sub-micrometric TiB2 inclusions and it was fabricated with in situ process, based on solid state reaction. Cutting inserts type SNGN 120408 T 02020 were used, which is compatible with ISO 1832.1991 standard. Commercial cutting plates, TA-Z (Al2O3/ZrO2 composite) and TW (Al2O3/TiC composite) made by The Institute of Advanced Manufacturing Technology in Cracow, were used as the reference samples. The tool life tests were conducted with numerical turning centre type TZC-32 N Uniwersal. A dry machine cutting velocity was 150 m/min. A depth of the cut was set to 1.0 mm, while its rate of feed was 0.15 mm/rev. and 0.10 mm/rev. for the steel and the cast iron respectively. Time required to blunt the cutting tool by 0.3 mm was used as criterion of the cutting edge lifespan. The cutting plates durability was correlated with their phase composition and also with their mechanical properties, particularly with “Dry Sand” wear resistance of the materials (test according to ASTM G 6585 standard). As result of research there was no monotonic correlation found between the wear resistance, influenced by TiB2 content, and a lifespan of composite cutting plate during turning of the C45 steel. However, the composite containing 37 vol.% of TiB2 performed very well during turning. It was especially visible in case of dry machining of the steel, in which that ceramics showed 16 % longer life than the commercial Al2O3/ZrO2 material (TA-Z grade). Similar performance was observed for cutting tool made of Y-ZrO2/TiB2 composite containing 20 vol.% of TiB2. Nevertheless above mentioned TiB2 containing composites played worse than TA-Z materials during turning EN-GJL-XNiCuCr15-6-2 cast iron.

6

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

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

Materiały Ceramiczne

|

2013

|

T. 65, nr 2

227--234

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.

7

Effect of alumina nanopowder admixture on consolidation of 3Y2O3-ZrO2 micropowder in prosthodontic application context

Łabuz A., Lach R., Moskała N., Pyda W.

Composites Theory and Practice

|

2012

|

R. 12, nr 2

98-104

EN

Zirconia micropowder stabilized with 3 mol% yttrium oxide is used to produce bisques, being the pre-sintered blanks intended for the manufacturing of all-ceramic dental restorations. The bisques should be characterized by mechanical strength and fracture toughness suitable for the precise milling of thin-walled items afterwards sintered to full density, ensuring good performance. The aim of this research was to study the effect of a 0.2 mass% nano-Al2O3 addition to the TZ-3Y Tosoh powder on its behaviour during low and high-temperature consolidation, and on the properties of green compacts, bisque-sintered and fully-sintered TZP materials. The bisque-sintered materials were manufactured at 500÷900°C, and characterized in terms of their densification, mechanical strength, hardness and fracture toughness, and compared to the Cercon and ICE Zirconia green materials. The materials sintered at 1200÷1550°C were analysed to show the influence of the alumina addition and presintering temperature on the densification and microstructure. Comparison was also made to sintered bodies derived from the Cercon and ICE Zirconia materials. Both unmodified and Al2O3 modified TZ-3Y powder can be used for the fabrication of bisques for dental applications. An increase in strength and hardness of the bisques with a pre-treatment temperature was observed, and it significantly affected their behaviour during milling; the bisques pre-sintered at 700 and 900°C showed the best machining properties. The addition of 0.2 mass% nano-Al2O3 to the TZ-3Y powder contributed to lowering the final sintering temperature, and to obtaining a microstructure analogous to the Cercon derived one.

PL

Proszek dwutlenku cyrkonu, stabilizowanego dodatkiem 3% mol. tlenku itru, znalazł zastosowanie do produkcji biskwitów przeznaczonych do wytwarzania podbudów pełnoceramicznych uzupełnień protetycznych. Biskwity poddawane są obróbce mechanicznej, dlatego powinny cechować się odpowiednią wytrzymałością mechaniczną i odpornością na kruche pękanie, aby mo?liwe było frezowanie precyzyjnych cienkościennych elementów. Etapem końcowym jest spiekanie wyfrezowanych podbudów do pełnego zagęszczenia w celu nadania odpowiednich właściwości użytkowych. W pracy przedstawiono wpływ dodatku 0.2% mas. nanometrycznego Al2O3 na konsolidację do postaci biskwitów i gęstych spieków komercyjnego mikroproszku cyrkoniowego TZ-3Y (Tosoh), a otrzymane wyniki porównano z prezentowanymi przez polikryształy tetragonalnego dwutlenku cyrkonu (TZP) pochodzące z proszku niemodyfikowanego dodatkiem tlenku glinu oraz przez materiały handlowe - Cercon i ICE Zirconia, stosowane w technice dentystycznej. Biskwity materiałów TZP modyfikowanych i niemodyfikowanych dodatkiem nano-Al2O3 otrzymywano na drodze prasowania i wstępnego spiekania w temperaturach 500, 700 i 900°C przy czasie wytrzymania 0,5 h. Aby ocenić przydatność do obróbki mechanicznej, biskwity charakteryzowano pod względem stopnia zagęszczenia oraz wytrzymałości mechanicznej, twardości i odporności na kruche pękanie. Spiekanie do pełnego zagęszczenia prowadzono w temperaturach 1200÷1550°C, stosując dwugodzinny czas wytrzymania. Charakterystyka spieczonych tworzyw obejmowała badania nad wpływem dodatku Al2O3 i temperatury wstępnego spiekania biskwitów na ostateczne zagęszczenie spieków. W pracy wykazano, że komercyjny proszek TZ-3Y Tosoh, nie modyfikowany i modyfikowany dodatkiem Al2O3, może być zastosowany do produkcji biskwitów przeznaczonych do wytwarzania pełnoceramicznych uzupełnień protetycznych. Wzrost wytrzymałości i twardości biskwitów w wyniku podnoszenia temperatury obróbki wstępnej wpływa znacząco na obróbkę mechaniczną, dlatego najlepsze warunki obróbki mechanicznej obserwowano w przypadku biskwitów wytwarzanych w temperaturach 700 i 900°C. Zastosowany dodatek 0,2% mas. Al2O3 do tworzyw 3Y-TZP nie wpłynął znacząco na obróbkę mechaniczną biskwitów, ale przyczynił się do obniżenia temperatury spiekania końcowego. Przyczynił się też do uzyskania mikrostruktury gęstych tworzyw TZP analogicznej do prezentowanej przez spieki uzyskane z tworzywa Cercon.

8

Modyfikowane kompozyty polimerowe do zastosowań energetycznych

Rapacz-Kmita A., Dudek M., Sekuła R., Kmita G., Moskała N., Mandecka-Kamień L.

Materiały Ceramiczne

|

2011

|

T. 63, nr 4

715-719

PL

W pracy zbadano dwa rodzaje materiałów kompozytowych pod kątem wykorzystania ich jako materiały izolacyjne dla zastosowań energetycznych. Kompozyty o składach: 40 % mas. żywicy epoksydowej i 60 % mas. SiO2 oraz 40 % mas. żywicy epoksydowej, 57 % mas. SiO2 i 3 % mas. bentonitu otrzymano metodą odlewania próżniowego. Na podstawie wykonanych obserwacji mikrostrukturalnych stwierdzono, że otrzymane tworzywa charakteryzują się jednorodną mikrostrukturą i nie posiadają wad w postaci porów i pęknięć. Pomiary gęstości pozornej oraz modułu Younga wykazały, że częściowe podstawienie wypełniacza krzemionkowego cząstkami bentonitu w tworzywie kompozytowym nie prowadzi do zmian gęstości pozornej oraz modułu Younga w stosunku do wyjściowego tworzywa. Niewielki dodatek bentonitu do tworzywa kompozytowego prowadzi jednak do podwyższenia wartości wytrzymałości mechanicznej oraz wpływa na poprawę stabilności termicznej tworzywa w zakresie temperatur 40-70°C poprzez obniżenie wartości współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej CTE. Zaobserwowano także poprawę właściwości izolacyjnych kompozytów z dodatkiem 3 % mas. bentonitu. Na podstawie wstępnych badań można stwierdzić, że opracowane kompozyty mogą być interesującymi tworzywami do produkcji izolacji elektrycznych dla urządzeń energetycznych.

EN

Two different composite materials: (i) 40 wt% epoxy resin and 60 wt% silica powder, (ii) 40 wt% epoxy resin, 57 wt% silica powder and 3 wt% bentonite were investigated as insulating materials for the electric power industry. The materials were obtained by vacuum casting. Based on c it can be stated that the materials are characterized by homogenous microstructure and they do not posses any defects (voids or pores). The measurements of apparent density and Young’s modulus indicated that partial substitution of silica filers by bentonite powder in the composite material does not lead to the significant changes of densification and elastic properties in reference to the composite filled only with 60 wt% of silica. However, a small addition of bentonite increases mechanical strength and also stabilizes its thermal performance through the decrease of thermal linear expansion coefficient. Improvement of insulating properties of the composite modified with 3 wt% addition of bentonite was also observed. It can be concluded, based on the preliminary study, that the tested composites may be promising materials in the case of production of insulating components for power applications.

9

Biskwity 3Y-TZP do zastosowań na pełnoceramiczne uzupełnienia protetyczne

Łabuz A., Moskała N., Pyda W.

Materiały Ceramiczne

|

2011

|

T. 63, nr 3

562-569

PL

Innowacyjną technologią w protetyce stomatologicznej jest wykonawstwo pełnoceramicznych uzupełnień protetycznych z zastosowaniem ceramiki cyrkoniowej. Ta zaawansowana ceramika tlenkowa jest biomateriałem, dającym nowe możliwości w zakresie wytrzymałości mechanicznej, estetyki i funkcjonalności uzupełnień protetycznych. W pracy przeprowadzono konsolidację do postaci biskwitów i gęstych spieków handlowego mikroproszku cyrkoniowego, stabilizowanego dodatkiem 3 % mol. tlenku itru, niemodyfikowanego i z modyfikującym dodatkiem 0,2 % mas. Al2O3. Scharakteryzowano wybrane właściwości otrzymanych tworzyw oraz porównano je z komercyjnymi materiałami 3Y-TZP stosowanymi w technice dentystycznej. Na koniec sprawdzono możliwości obróbki mechanicznej i aplikacji przygotowanych biskwitów na podbudowy pod pełnoceramiczne uzupełnienia protetyczne.

EN

The manufacturing all-ceramic dental restorations from zirconia ceramics is one of the newest and the most advanced technology in prosthodontics. The zirconia ceramics being a biomaterial gives new perspectives in a fi eld of mechanical strength, esthetics and functionality of dental restorations. Consolidation of zirconia micropowders to a form of biscuit-sintered and dense materials was performed during the present study. A commercially available zironia micropowder stabilised with 3 mol.% yttria was used with no addition and added with 0.2 wt% Al2O3. Selected properties of the bisque materials were measured and compared with the commercial 3Y-TZP materials used in dental technology. Finally, mechanical processing and application of the biscuit-sintered zirconia materials for fabrication of the all-ceramic dental restorations were examined.

10

Wpływ udziału cząstek TiB2 syntezowanych in situ na mechaniczne rozdrabnianie cyrkoniowych proszków kompozytowych

Moskała N., Tylek N., Pyda W.

Materiały Ceramiczne

|

2010

|

T. 62, nr 2

203-206

PL

W pracy przedstawiono badania nad wpływem udziału objętościowego cząstek dwuborku tytanu w proszkach kompozytowych ZrO2/TiB2 na ich podatność na rozdrabnianie oraz na domiał materiału mielników (3Y-TZP) w trakcie rozdrabniania w mieszadłowym młynie kulowym na mokro. Proszki kompozytowe ZrO2/TiB2 otrzymano metodą in situ wykorzystującą wysokotemperaturową reakcję w fazie stałej z udziałem TiO2 rozpuszczonego w roztworze stałym z ZrO2, amorficznego boru i węgla, przeprowadzoną w temperaturze 1300°C. Skład fazowy proszków i rozmiar krystalitów TiB2 oznaczono ilościowo metodami dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego. Badania podatności na mielenie oparto na analizie wielkości rozwinięcia powierzchni właściwej, wyznaczonej metodą adsorpcyjną (BET) przed i po procesie rozdrabniania. Domiał mielników wyznaczono metodą wagową. Stwierdzono hamujący wpływ udziału cząstek dwuborku tytanu syntezowanych in situ na wzrost powierzchni właściwej cyrkoniowych proszków kompozytowych, a zatem na obniżenie podatności na rozdrabnianie, po przekroczeniu wartości ∼29% obj. TiB2. Zaobserwowano znaczny domiał mielników cyrkoniowych, niezależny od udziału wtrąceń TiB2 w zakresie 21-38% obj. Sugeruje się, że takie zachowanie ma związek z rozmiarem wtrąceń TiB2 i morfologią cząstek kompozytowych proszków cyrkoniowych otrzymywanych w procesie in situ.

EN

In the work, an effect of volume content of titanium diboride particles in the ZrO2/TiB2 composite powders on comminution susceptibility and admixture of the grinding media material (3Y-TZP) during wet attrition grinding was studied. The composite ZrO2/TiB2 powders were manufactured by the in situ method, using the high temperature reaction, which proceeded in solid state among TiO2 dissolved in the zirconia solid solution, amorphous boron and carbon at 1300°C. The phase composition of the powders and TiB2 crystallite sizes were determined qualitatively by X-ray diffractometry. The study was based on an analysis of the specific surface area determined by the BET adsorption method before and after comminution. The admixture of grinding media was measured with the gravimetric method. It was observed that titanium diboride particles synthesized in situ inhibit an increase of the specific surface area of the zirconia composite powders above a content of ∼29 vol.%, decreasing the comminution susceptibility. The significant admixture of zirconia grinding media was found independently on the TiB2 content in a range of 21-38 vol.%. This behaviour is suggested to be related to the TiB2 particle size and the morphology of composite particles of the zirconia powders, manufactured in the in situ process.

11

Aspekt mechanicznego rozdrabniania proszków kompozytowych ZrO2/TiB2/TiC/Zr(C,B) otrzymanych drogą wysokotemperaturowej syntezy w fazie stałej

Moskała N., Pyda W.

Materiały Ceramiczne

|

2009

|

T. 61, nr 3

212-216

PL

W poniższym tekście przedstawiono badania nad wpfywem warunków preparatyki i składu chemicznego prekursorów proszków kompozytowych ZrO2/TiB2/TiC/Zr(C,B) na ich podatność na rozdrabnianie w procesie 12-godzinnego mielenia w młynie obrotowo-wibracyjnym. Zbadano również wpływ wyżej wymienionych parametrów technologicznych na ścierność tychże proszków w stosunku do materiału medium mielącego (3Y-TZP). Prekursory w postaci kwasu ortoborowego lub boru amorficznego wykorzystano do otrzymania badanych proszków kompozytowych metodą wysokotemperaturowych reakcji w fazie stałej w temperaturach z przedziału 1100-1600 °C. Badania oparto na analizie wielkości rozwinięcia powierzchni właściwej BET, wyznaczonej metodą adsorpcyjną, przed i po procesie rozdrabniania proszków kompozytowych. Domiał mielników, jako miarę ścierności proszków, wyznaczono metodą wagową. Przeprowadzono analizę wpływu składu fazowego i wielkości krystalitów proszków kompozytowych na ich ścierność. Skład fazowy scharakteryzowano ilościowo metodami dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego, a wielkość krystalitów wtrąceń wyliczono z poszerzenia pików dyfrakcyjnych. Stwierdzono, że proszki kompozytowe otrzymane z użyciem boru amorficznego charakteryzowały się większą ściernością niż proszki pochodzące z użycia H3BO3. Ścierność obydwu rodzajów proszków kompozytowych zwiększała się wraz ze wzrostem temperatury syntezy, jako skutek wzrostu zarówno sumarycznego udziału twardych cząstek, jak i ich rozmiaru.

EN

Presented paper describes an influence of preparation conditions and chemical composition of precursors of the ZrO2/TiB2/TiC/Zr(C,B) composite powders on their grinding abilities during 12 hours grinding with a rotary-vibratory mill. Abrasive action between 3Y-TZP grinding balls and the powders was also investigated as a function of the above mentioned technological parameters. Orthoboric acid and amorphous boron were used as the boron precursors to manufacture the composite powders by means of high temperature solid state synthesis at 1100-1600 °C. Research was ground on the specific surface area measurements conducted for the non-grinded and grinded composite powders by using the BET nitrogen adsorption method. Abrasive wear of the 3Y-TZP grinding media was determined by the gravimetric method. An influence of the phase composition and the TiB2 crystallite size on abrasive action of the powders on the grinding balls was discussed. Phase composition of the powders was measured qualitatively and quantitatively by means of the XRD method and Rietveld refinements of the diffraction patterns. The crystallite size was obtained from X-ray line broadening, applying the Scherrer's formula. It has been stated that the composite powders derived from the amorphous boron had stronger abrasiveness than the powders of H3BO3 origin. Abrasiveness of both types of the composite powders increased with the temperature of synthesis as a result of both the increased amount of hard inclusions and their sizes.

12

Nanometric Y2O3-TiO2-ZrO2 solid solution powders and their utilization in the synthesis of composite powders with TiB2 and TiC inclusions

Moskała N., Morgiel J., Pyda W.

Materials Science Poland

|

2008

|

Vol. 26, No. 2

331--339

EN

Carbothermal reduction of TiO2 dissolved in ZrO2 and B2O3 is a method of fabrication of fine composite powders in the ZrO2-TiB2-TiC system. The method requires nanopowders of the zirconia -titania solid solution with a high TiO2 concentration. A technique of fabrication of zirconia nanopowders doped with 18 mol % titania and 2-3 mol % yttria is described in the paper. The nanopowders were obtained in a co-precipitation process followed by hydrothermal crystallization at 240 °C. The phase composition (XRD) and EDS measurements proved formation of a solid solution as the only phase. DTA and TG analyses showed that there are no amorphous phases. A nanometric morphology was proved by the TEM observations and the specific surface area measurements (BET). Dynamic light scattering was used to measure the agglomerate size distribution. A usefulness of the zirconia-titania-yttria nanopowders to the in-situ syntheses of composite powders in the ZrO2-TiB2-TiC system was described. The composite powders were fabricated in the reaction of titanium oxide dissolved in the TiO2-Y2O3-ZrO2 solid solution with boron oxide and carbon. A mixture of zirconia solid solution nanopowder containing 2-3 mol % of Y2O3, 18 mol % of TiO2 and 79-80 mol % of ZrO2, boric acid and 20 wt. % alcohol solution of phenolformaldehyde resin was used for the synthesis. The phase compositions of the composite powders were characterized by X-ray diffractometry.

13

Wpływ prekursorów TiB2 na właściwości kompozytowych proszków cyrkoniowych syntezowanych metodą " in situ "

Pyda W., Moskała N., Bućko M. M.

Kompozyty

|

2008

|

R. 8, nr 4

354-359

PL

Cyrkoniowe proszki kompozytowe zawierające wtrącenia nietlenkowe wytworzono metodą in situ polegającą na reakcji TiO2 rozpuszczonego w ZrO2 z borem pierwiastkowym lub tlenkiem boru w obecności węgla. Tlenek boru pochodził z dehydratacji H3BO3, natomiast węgiel z pirolizy żywicy fenolowo-formaldehydowej. Wykorzystano nanoproszek cyrkoniowy otrzymany metodą hydrotermalną o składzie 2,5% mol. Y2O3 - 18% mol. TiO2 - 79,5% mol. ZrO2. Jednorodne mieszaniny substratów ogrzewano w próżni w temperaturach 1100+1600°C przez 4 h. Określono wpływ rodzaju prekursora boru i temperatury syntezy na skład fazowy proszków (XRD), strukturę wybranych faz (XRD), wielkość krystalitów (XRD) i powierzchnię właściwą (BET). Proszki syntezowane z udziałem kwasu ortoborowego zawierały znaczną ilość TiC oraz innych faz nietlenkowych, będących roztworami stałymi o składzie zależnym od warunków krystalizacji i składu chemicznego użytej mieszaniny substratów. Jedynie w przypadku użycia boru pierwiastkowego i temperatury 1300°C otrzymano proszki cyrkoniowe zawierające wyłącznie cząstki TiB2. Zastosowanie kwasu ortoborowego sprzyjało otrzymaniu proszków kompozytowych o rozmiarze wtrąceń TiB2 wynoszącym 60+80 nm, natomiast użycie boru amorficznego dawało nanokrystality TiB2 o rozmiarach 60+145 nm.

EN

An in situ method was used to prepare zirconia powders containing nonoxide particles. The method involved a reaction among TiO2 dissolved in the zirconia solid solution, elementary boron or boron oxide originated from H3BO3 dehydration and carbon originated from pyrolysis of phenol-formaldehyde resin. The zirconia nanopowder stabilized with 2.5 mol. % Y2O3 and doped with 18 mol. % TiO2 was used. The nanopowder was prepared by using a co-precipitation method followed by hydrothermal crystallization of a zirconia hydrogel for 4 h at 240°C under 3.4 MPa. Uniform mixtures of zirconia nanopowder, phenol-formaldehyde resin and boric acids or elementary boron were preheated for 0.5 h at 800°C in flow of argon and then heat treated for 4 hrs at the temperatures ranging from 1100°C to 1600°C under 2ź10-4 mbar. The effect of TiB2 precursors on properties of the resultant zirconia composite powders was studied. The phase composition of the powders and a structure of the selected nonoxide phase were determined by\X-ray diffractometry. Crystallite sizes of TiB2 and TiC particles were determined from (011) and (002) X-ray line broadening. Specific surface area was measured by the BET method. The following phases were detected in the studied powders: monoclinic, tetragonal and cubic zirconia polymorphs, TiB2, TiC, ZrB2, ZrSi, YBO3 i Y2O3, Zr(C,B)-I, Zr(C,B)-II, Zr(C,B)-III. The last three phases are isostructural between each other and with ZrC and TiC. They are most probably solid solutions of carbon in ZrB or boron in TiC. TiB2 and TiC were main inclusion phases observed. The powders originated from boric acid contained TiB2 beside a significant amount of TiC. The powders originated from elementary boron showed mainly TiB2 embedded in the zirconia phases. In case of the powder synthesized at 1300°C there were only TiB2 inclusions present. The amount of secondary phases such as ZrB2, Zr(C,B)-I, Zr(C,B)-II and Zr(C,B)-III increased with temperature reaching maximums at 1600°C. The monoclinic phase content decreased with temperature from a value of ~80 vol. % to < 30 vol. % independently on the TiB2 precursor used. Simultaneously, the sum of tetragonal and cubic zirconia increased. The elementary cell volume measurements indicated an increase of the TiB2 and TiC cell volume with temperature when the boric acid was used. The TiB2 cell volume remained practically unchanged when the elementary boron was used. This confirms that the studied secondary phases were the solid solutions or nonstoichiometric phases of composition depended on the crystallization conditions and boron precursor used. TiB2 crystallites increased the size by 3 times with synthesis temperature when elementary boron was used. In case of the zirconia powders of boron acid origin, the TiB2 crystallites increased only by 50% in size. It can be concluded that boron acid favours crystallization of the TiB2 and TiC nanocrystallites of 60+80 nm and 25+40 nm in size, respectively and elementary boron favours only TiB2 nanocrystallites of 60+145 nm in size.

14

Synteza kompozytowych proszków TiO2-Y2O3-ZrO2/TiB2 metodą in situ

Moskała N., Pyda W.

Kompozyty

|

2005

|

R. 5, nr 1

56-62

PL

Proszek kompozytowy w układzie TiO2-Y2O3-ZrO2/TiB2 otrzymano metodą in situ, wykorzystującą reakcję pomiędzy TiO2 zawartym w roztworze stałym Y2O3-ZrO2, B2O3 i C. Materiałem wyjściowym do syntezy była mieszanina nanometrycznego proszku roztworu stałego 1,5% mol. Y2O3 i 18% mol. TiO2 w ZrO2 oraz H3BO3 i węgla, wprowadzonego w formie 20% roztworu alkoholowego żywicy fenolowo-formaldehydowej. Jednorodną mieszaninę ogrzewano wstępnie w przepływie argonu, w celu rozkładu H3BO3 oraz żywicy, a następnie w próżni w temperaturze 1500°C przez 4 godz. Końcowym etapem preparatyki było mielenie proszku w młynie mieszadiowym w środowisku alkoholu izopropylowego. Sprawdzono przydatność proszku do otrzymywania kompozytów metodą prasowania na gorąco. Charakterystyka proszku objęła określenie składu fazowego metodą rentgenowską, pomiar powierzchni właściwej metodą BET, oględziny morfologii metodą TEM sprzężoną z EDS oraz analizę TG i DTA. Gęsty materiał kompozytowy przebadano pod kątem: składu fazowego (dyfraktometria rentgenowska), wytrzymałości mechanicznej (trójpunktowe zginanie) i odporności na pękanie (nakłuwanie wgłębnikiem Vickersa). Wykonano też obserwacje jego mikrostruktury (SEM). Rentgenowska analiza fazowa ujawniła obecność TiB2 jako głównej fazy wtrąceń, zarówno w proszku dwutlenku cyrkonu, jak i w spieczonym kompozycie. Ponadto stwierdzono obecność TiC, a w przypadku proszku również ZrB i ZrC. Potwierdzono przydatność proszku kompozytowego z wtrąceniami borkowymi i węglikowymi syntezowanymi in situ do otrzymywania materiałów kompozytowych o wysokich właściwościach mechanicznych. Materiał spiekany w temperaturze 1500°C pokazał obiecującą wartość wytrzymałości na zginanie wynoszącą 912 š72 MPa.

EN

Composite powder in the TiO2-Y2O3-ZrO2/TiB2 system was prepared by using an in situ rout in which the reaction among titanium oxide dissolved in the Y2O3-ZrO2 solid solution, boron oxide and carbon was utilized. A mixture of the zirconia nanopowder containing 1.5 mol % Y2O3, 18 mol % TiO2 and 80.5 mol % ZrO2 in solid solution, boric acid and carbon was used for the synthesis. Carbon was incorporated into the mixture as the 20 wt.% alcohol solution of fenol-formaldehyde resin. The uniform mixture was first dried in the argon flow to decompose H3BO3 and the resin. Then it was heat treated for 4 h at 1500°C in vacuum to synthesize composite powder containing TiB2 grains. Finally, the heat-treated powder was milled by wet attrition in isopropyl alcohol. Usefulness of the composite powder for production of the zirconia-based composites by means of hot pressing was checked. Phase composition and morphology of the composite powder was characterized by means of X-ray diffractometry and transmission electron microscopy (TEM), respectively. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was used to analyze chemical composition of the powder particles. Specific surface area of the powder was measured by the BET method. The differential thermal analysis (DTA) combined with thermogravimetry (TG) was also carried out for the powder. X-ray diffractometry, three point bending and Vickers' indentation was used to determine phase composition, bending strength and fracture toughness of the dense composite, respectively. Its microstructure was also observed by using scanning electron microscopy. The composite zirconia powder contained in situ synthesised TiB2 inclusions (Fig. 1). Small amounts of TiC, ZrC and ZrB were also detected. The composite derived from the powder contained TiB2 as the main inclusion and small amount of TiC (Fig. 5). A bending strength of 912 š72 MPa and a fracture toughness of 8.8 š0.5 MPa x m(1/2) were measured for the composite hot pressed at 1500°C.

15

Rola TiO2 w kształtowaniu mikrostruktury, składu fazowego i właściwości mechanicznych kompozytów Ca-TZP/WC

Pyda W., Moskała N., Pyda A.

Kompozyty

|

2005

|

R. 5, nr 1

63-68

PL

Kompozyty z osnową ceramiczną (CMC) w układzie składającym się z polikrystalicznego dwutlenku cyrkonu w odmianie tetragonalnej stabilizowanej tlenkiem wapnia i z cząstek węglika wolframu (Ca-TZP/WC) przygotowano tradycyjnym sposobem, polegającym na mieszaniu składowych proszków i ich konsolidacji drogą prasowania na gorąco. Wykorzystano nanometryczny proszek zawierający 7% mol. CaO w roztworze stałym z ZrO2, krystalizowany w warunkach hydrotermalnych, oraz submikronowy, handlowy proszek WC. Nanoproszek dwutlenku cyrkonu domieszkowano dwutlenkiem tytanu w ilości nieprzekraczającej 1,5% mol., wykorzystując do tego celu metodę współstrącania. Kompozyty zawierały 10% obj. cząstek WC. Zbadano wpływ dodatku TiO2 oraz temperatury prasowania na gorąco na skład fazowy, mikrostrukturę i właściwości mechaniczne kompozytów Ca-TZP/WC. Dodatek TiO2 eliminował niejednorodności mikrostrukturalne osnowy cyrkoniowej. Stwierdzono zmniejszenie się krytycznego rozmiaru ziaren tetragonalnego ZrO2 wraz ze wzrostem zawartości TiO2 w roztworze stałym. Fakt ten sprzyjał przemianie tetragonalnej odmiany ZrO2 w jednoskośną. Zarówno wtrącenia WC, jak i dodatek TiO2 w badanym zakresie stężeń powodowały zmniejszenie rozmiaru ziaren osnowy cyrkoniowej, co przeciwnie, sprzyjało zachowaniu fazy tetragonalnej ZrO2 w mikrostrukturze tworzyw. Przyczyny redukcji rozmiaru ziaren ZrO2 poddano dyskusji. Stwierdzono wzrost wytrzymałości na zginanie kompozytów (do wartości 1,3 š0,1 GPa) w porównaniu z materiałem osnowy.

EN

Ceramic matrix composites (CMC) in the system composed of tetragonal polycrystalline zirconia stabilized with calcia and WC particulates (Ca-TZP/WC) have been prepared by using a conventional way which involved mixing component powders and their consolidation by hot pressing. The hydrothermally crystallized nanometric zirconia powder containing 7 mol % CaO in solid solution with ZrO2 and the commercial WC one were used. TiO2 was introduced to the zirconia nanopowder in amount not exceeded 1.5 mol % by means of a co-precipitation method. The composites contained 10% of the WC particulates by volume. An effect of the TiO2 content and hot pressing temperature on phase composition, microstructure and mechanical properties of the Ca-TZP/WC composites was studied. The TiO2 additive eliminated microstructural inhomogeneities of the zirconia matrix. Reduction of a critical size of the tetragonal grains with TiO2 content has been found. This favoured transformation of the tetragonal ZrO2 polymorph to monoclinic. Both the WC inclusions and TiO2 additive caused a decrease of the zirconia matrix grain size. In reverse, this favoured retention of the tetragonal phase in the material microstructures. Reasons for the zirconia grain size reduction are discussed. The improved strength (up to 1.3 š0.1 GPa) nas been found in the composites when compared with the matrix material.