Właściwości mechaniczne w podwyższonej temperaturze ceramiki Y2O3 wzmocnionej płatkami grafenowymi

• Autorzy: Boniecki, M. , Wesołowski, W. , Gołębiewski, P. , Zybała, R. , Kaszyca, K. , Koziński, R. , Piątkowska, A. , Romaniec, M. , Ciepielewski, P. , Krzyżak, K.

Warianty tytułu

EN

Mechanical properties of graphene flake-reinforced Y2O3 ceramics at elevated temperatures

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy badano wpływ płatków grafenowych oraz temperatury (w zakresie od 20 °C do 800 °C) na właściwości mechaniczne kompozytu Y2O3-grafen w funkcji zawartości tlenku grafenu (GO) w kompozycie. Do otrzymania próbek użyto handlowego nanometrycznego proszku Y2O3 o czystości 99,99% i płatków tlenku grafenu (GO) otrzymanych w ITME. Kompozyty otrzymano na bazie wodnej mieszaniny obu składników, którą po wysuszeniu spiekano pod jednoosiowym ciśnieniem (metoda HP) i metodą SPS. Wykonano kompozyty o zawartości wagowej GO 1% i 3%. Spektroskopia Ramana potwierdziła obecność zredukowanego tlenku grafenu (RGO) w otrzymanych kompozytach. Stwierdzono, że w funkcji zawartości GO wzrasta wytrzymałość na zginanie σc dla próbek spiekanych metodą HP o ok. 21% i 28% metodą SPS. Z kolei odporność na pękanie KIc malała w funkcji zawartości GO dla próbek spiekanych metodą HP, ale za to rosła dla próbek spiekanych metodą SPS o ok. 78%. W funkcji temperatury σc rosło o 15% (dla 800 °C) w przypadku Y2O3 spiekanego metodą HP i nie zmieniało się dla kompozytów z GO. Z kolei dla próbek spiekanych metodą SPS σc nie zmieniało się dla Y2O3 , wzrosło o ok. 8% dla 1% GO i o 19% dla 3% GO. KIc malało w funkcji temperatury dla Y2O3 spiekanego metodą HP, ale za to rosło dla kompozytów zawierających 1% i 3% GO odpowiednio o 39% i 73%. W przypadku tworzyw spiekanych metodą SPS KIc wzrosło w funkcji temperatury o ok. 88% dla Y2O3, o 20% dla 1% GO i o 26% dla 3% GO. Mechanizm wzmacniania przez płatki GO polegał na skręcaniu płaszczyzny pękania i blokowaniu jego propagacji.

EN

The influence of graphene flakes and temperature (in the range of 20 °C to 800 °C) on mechanical properties of Y2O3-graphene composites was studied. In order to obtain samples the commercial nano-sized Y2O3 powder with a purity of 99.99% and GO flakes obtained in ITME were used. The composites were manufactured basing on an aqueous mixture of both components, which was dried and sintered using HP and SPS methods. The composites contained 1% and 3% by weight of graphite oxide (GO). Raman spectroscopy confirmed the presence of reduced graphene oxide (RGO) in the resulting composites. It was found that as a function of the GO content the bending strength σc increased by approx. 21% and 28% for composites sintered using HP and SPS, respectively. In turn, the KIc fracture toughness decreased as a function of the GO content in the HP sintered samples, but it increased by approx. 78% for the samples sintered using SPS. In case of the HP sintered samples, σc increased by 15% at 800 °C for Y2O3, but did not change for the composites with GO. On the other hand, for the SPS sintered samples, σc did not change for Y2O3, but it increased by approx. 8% and 19% for the composites with 1% and 3% GO additive, respectively. KIC decreased as a function of temperature for the Y2O3 sintered by HP, but it increased by 39% and 73% for the composites with 1% and 3% GO additive, respectively. In case of the SPS sintered ceramics KIC increased at 800 °C by approx. 88% for Y2O3, 20% and 26% for 1% and 3% GO additive. The mechanism of toughening by RGO flakes consisted of twisting the plane of fracture and blocking of crack propagation.

Słowa kluczowe

PL

ceramika Y2O3; grafen płatkowy; odporność na pękanie; wytrzymałość na zginanie

EN

Y2O3 ceramics; graphene flakes; fracture toughness; bending strength

• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2016
• Tom: T. 68, nr 4
• Strony: 324--328
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Boniecki, M.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa,

autor

Wesołowski, W.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Gołębiewski, P.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Zybała, R.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Kaszyca, K.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Koziński, R.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Piątkowska, A.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Romaniec, M.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Ciepielewski, P.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Krzyżak, K.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

Bibliografia

• [1] Tang, D. X., Lim, H. B., Lee, K. J., Lee, C. H., Cho, W. S.: Evaluation of mechanical reliability of zirconia-toughened alumina composites for dental implants, Ceram.Int., 38, 3, (2012), 2429-2436.
• [2] Ostertag, C. P: Influence of fiber and grain bridging on crack profiles in SiC fiber-reinforced alumina-matrix composites, Mater. Sci. Eng. A, 260, 1-2, (1999), 124-131.
• [3] Bocanegra-Bernal, M. H., Echeberria, J., Ollo J., Garcia-Reyes A., Dominguez-Rios C., Reyes-Rojas, A., Aguilar-Elguezabal, A.: A comparison of the effects of multi-wall and single-wall carbon nanotube additions on the properties of zirconia toughened alumina composites, Carbon, 49, 5, (2011), 1599-1607.
• [4] Porwal, H., Tatarko, P., Grasso, S., Khalia, J., Dlouhy, I., Reece, M. J.: Graphene reinforced alumina nano-composites, Carbon, 64, (2013), 359-369.
• [5] Liu, J., Yan, H., Jiang, K.: Mechanical properties of graphene platelet-reinforced alumina ceramic composites, Ceram. Int., 39, (2013), 6215-6221.
• [6] Micheli, A. L., Dungan, D. F., Mantese, J. V.: High-density yttria for practical ceramic applications, J. Am. Ceram. Soc., 75, (1992), 709-711.
• [7] Kumar, A. S., Durai, A. R., Sornakumar, T.: Yttria ceramics: cutting tool application, Mater. Lett., 58, (2004), 1808-1810.
• [8] Desmaison-Brut, M., Montintin, J., Valin, F., Boncoeur, M.: Influence of processing conditions on the microstructure and mechanical properties of sintered yttrium oxides, J. Am. Ceram. Soc., 78, 4, (1995), 716-722.
• [9] Boniecki, M., Librant, Z., Wesołowski, W., Gizowska, M., Osuchowski M., Perkowski K., Witek, A., Witosławska, I., Karczmarz M.: Odporność na pękanie ceramiki Y2O3, Mater. Ceram./Ceram. Mater., 67, 4, (2015), 378-382.
• [10] Munro, R.G.: Evaluated material properties for a sintered α-alumina, J. Am. Ceram. Soc., 80, 8, (1997), 1919-1928.
• [11] Boniecki, M., Librant, Z., Wesołowski, W., Gizowska, M., Osuchowski, M., Perkowski, K., Witosławska, I., Witek, A.: Fracture mechanics of Y2O3 ceramics at high temperatures, Adv. Sci. Techn., 89, (2014), 88-93.
• [12] ] Boniecki, M., Jach, K., Librant, Z., Wesołowski, Węglarz, W., Gizowska, M., Osuchowski, M., Perkowski, K., Witosławska, I., Witek, A.: Mechanika kruchego pękania ceramiki Y2O3, Mater. Ceram./Ceram. Mater., 67, 1, (2015), 43-47.
• [13] Boniecki, M., Librant, Z., Wesołowski, W., Gołębiewski, P., Zybała, R., Kaszyca, K., Koziński, R., Librant, K., Piątkowska, A., Romaniec, M., Ciepielewski P., Krzyżak, K., Kurpaska Ł.: Właściwości mechaniczne ceramiki Y2O3 wzmocnionej płatkami grafenowymi, Materiały Elektroniczne/Electronic Materials, 43, 3, (2015), 15-24.
• [14] Hummers, W. S., Offeman, R. E.: Preparation of graphitic oxide, J. Am. Chem. Soc., 80, 6, (1958), 1339.
• [15] Fett, T., Munz, D.: Subcritical crack growth of macrocracks in alumina with R-curve behavior, J. Am. Ceram. Soc., 75,4 (1992), 958-963.
• [16] Boniecki, M., Librant, Z., Wajler, A., Wesołowski, W., Węglarz, H.: Fracture toughness, strength and creep of transparent ceramics at high temperature, Ceram. Int., 38, (2012), 4517-4524.
• [17] Ovid’ko, I. A.: Micromechanics of fracturing in nanoceramics, Phil. Trans. R. Soc. A, 373, (2015), 20140129.
• [18] Ovid’ko, I. A., Sheinerman, A. G., Aifantis, E. C.: Effect of cooperative grain boundary sliding and migration on crack growth in nanocrystalline solids. Acta Mater. 59, (2011).

Uwagi

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