Alumina-YAG micro-nanocomposites: elaboration and mechanical characterization

• Autorzy: Palmero, P. , Lomello, F. , Fantozzi, G. , Bonnefont, G.

Warianty tytułu

PL

Mikro-nanokompozyty tlenek glinu – YAG: wytwarzanie i charakterystyka mechaniczna

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A surface doping of commercial alpha alumina powders was performed to develop Al2O3 - 5 vol.% YAG (Y3Al5O12) composites made by micronic or highly sub-micronic alumina particles and very fine YAG grains, yielded on the alumina surface by in-situ reaction. In fact, the alumina powders were firstly dispersed in the aqueous suspension by ball-milling for different times as a function of the starting raw material and then an yttrium chloride solution was added as a precursor. After a controlled drying carried out by atomization, the modified powders were treated up to 1500oC, following the phase development by XRD. Using these results, a suitable powder pre-treatment was selected; in particular, a flash heating by soaking the powders in a furnace kept in the range 1050-1150oC was set up to control yttrium-aluminates crystallization and crystallite growth. After that, green bodies were prepared by uniaxial pressing of dried powders as well as by slip-casting of slurries having a proper solid content. Pressureless sintering was optimized by the dilatometric study up to 1500oC for 3 h. Less-conventional sintering routes, such as hot-pressing and spark plasma sintering, were also employed. The fired microstructures obtained by conventional or non-conventional densification routes were compared by SEM characterization. Finally, the sintered materials were submitted to a standard mechanical characterization (hardness and fracture toughness) in order to define the relationship between micro-nanostructural features and mechanical behaviour.

PL

Przeprowadzono domieszkowanie powierzchniowe handlowych proszków tlenku glinu odmiany alfa w celu opracowania kompozytów Al2O3 – 5 % obj. YAG (Y3Al5O12) wytworzonych z mikronowych i mocno submikronowych cząstek tlenku glinu i bardzo drobnych ziaren YAG, osadzonych na powierzchni tlenku glinu drogą reakcji in-situ. I tak, proszki tlenku glinu najpierw rozpraszano w zawiesinie wodnej drogą mielenia w młynie kulowym z zastosowaniem różnych czasów w zależności od wyjściowego materiału, a następnie dodawano w roli prekursora roztwór chlorku itru(III). Po kontrolowanym suszeniu, przeprowadzonym drogą rozpylania, zmodyfikowane proszki ogrzewano aż do 1500oC i określano skład fazowy za pomocą metody XRD. Wykorzystując te wyniki wybrano odpowiednie warunku obróbki wstępnej proszku, a w szczególności ustalono sposób błyskawicznego ogrzewania polegającego na przetrzymaniu proszków w piecu o temperaturze z zakresu 1050-1150oC, aby kontrolować krystalizację glinianów itru i wzrost krystalitów. Potem, przygotowano surowe próbki drogą prasowania jednoosiowego proszków wysuszonych, a także drogą odlewania gęstw o odpowiedniej zawartości cząstek stałych. Wykorzystując badania dylatometryczne zoptymalizowano warunki spiekania swobodnego aż na 1500oC przez 3 h. Zastosowano również mniej konwencjonalne drogi spiekania, takie jak prasowanie na gorąco i spiekanie plazmowe iskrą elektryczną. Mikrostruktury wypalonych tworzyw uzyskanych konwencjonalnym i niekonwencjonalnymi sposobami zagęszczania porównano za pomocą badań SEM. Na koniec, spieczone materiały poddano standardowej charakterystyce mechanicznej (twardość i odporność na pękanie), aby określić zależność pomiędzy cechami mikro-nanostrukturalnymi i zachowaniem mechanicznym.

Słowa kluczowe

PL

Al2O3; YAG; nanokompozyt

EN

Al2O3; YAG; nanocomposite

• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 62, nr 4
• Strony: 533-539
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Palmero, P.

autor

Lomello, F.

autor

Fantozzi, G.

autor

Bonnefont, G.

• Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica, Politecnico di Torino, INSTM, R. U. PoliTO, LINCE Lab., C so Duca degli Abruzzi 24, 10129 Torino, Italy,

Bibliografia

• 1. Harmer M.P., Chan H.M., Miller G.A.: „Unique opportunities for microstructural engineering with duplex and laminar ceramic composites”, J. Am. Ceram. Soc., 75, (1992), 1715-1728.
• 2. Evans A.G.: „Perspective on the development of high-toughness ceramics”, J. Am. Ceram. Soc., 73, (1990), 187-206.
• 3. Jang B.K., Enoki M., Kishi T., Oh H.K.: „Effect of second phase on mechanical properties and toughening of Al2O3 based ceramic composite”, Comp. Eng., 5, (1995), 1275-1286.
• 4. Sternitzke M.: „Review: Structural ceramic nanocomposites”, J. Eur. Ceram. Soc., 17, (1997), 1061-1082.
• 5. Lange F.F., Hirlinger M.M.: „Hindrance of grain growth in Al2O3 by ZrO2 inclusions”, J. Am. Ceram. Soc., 67, (1984), 164-168.
• 6. French J.D., Harmer M.P., Chan H.M., Miller G.A.: „Coarsening-resistant dual-phase interpenetrating microstructure”, J. Am. Ceram. Soc., 73, (1990), 2508-2510.
• 7. Lartigue S. and Prister L.: „Dislocation activity and differences between tensile and compressive creep of yttria doped alumina”, Mater. Sci. Eng. A, 164, (1993), 211-215.
• 8. French J.D., Zhao J., Harmer M.P., Chan H.M., Milller G.A.: ‘Creep of duplex microstructures”, J. Am. Ceram. Soc., 77, (1994), 2857-2865.
• 9. Tai Q., Mocellin A.: „Review: High temperature deformation of Al2O3-based ceramic particle or whisker composites”, Ceram. Int., 25, (1999), 395-408.
• 10. Ohji T.: „Creep inhibition of ceramic/ceramic nanocomposites”, Scripta Mater., 44, (2001), 2083-2086.
• 11. M. Schehl, L.A. Díaz, R. Torrecillas: „Alumina nanocomposites from powder–alkoxide mixtures”, Acta Mater., 50, (2002) 1125-1139.
• 12. Sataptyh L.N., Chokshi A.H.: „Microstructural development and creep deformation in an alumina – 5 % yttrium aluminium garnet composite”, J. Am. Ceram. Soc., 88, (2005), 2848-2854.
• 13. Duong H., Wolfestine J.: „Creep behaviour of fine-grained two-phase Al2O3-Y3Al5O12 materials”, Mater. Sci. Eng. A, 172, (1993), 173-179.
• 14. Choi S.M., Awaji H.: „Nanocomposites – a new material design concept”, Sci. Tech. Adv. Mater., 6, (2005), 2-10.
• 15. Jeang Y.K., Niihara K.: „Microstructure and mechanical properties of pressureless sintered Al2O3/SiC nanocomposites”, Nanostruct. Mater., 9, (1997), 193-196.
• 16. Derby B.: „Ceramic nanocomposites: mechanical properties”, Curr. Op. Solid Sate Mater. Sci., 3, (1998), 490-495.
• 17. Marshall D.B., Ritter J.E.: „Reliability of advanced structural ceramics and ceramic matrix composites - a review”, Ceram. Bull., 66, (1987), 309-317.
• 18. Kuntz J.D., Zhan G.D., Mukherjee A.K.: „Nanocrystalline-matrix ceramic composites for improved fracture toughness”, MRS Bulletin, (2004), 22-27.
• 19. French J.D., Chan H.M., Harmer M.P., Miller G.A.: „High-temperature fracture toughness of duplex microstructures”, J. Am. Ceram. Soc., 79, (1996), 58-64.
• 20. Wang H., Gao L., Shen Z., Nygren M.: „Mechanical properties of Al2O3-5 vol.% YAG composites”, J. Eur. Ceram. Soc., 21, (2001), 779-783.
• 21. Towata A., Hwang H.J., Yasuoka M., Sando M., Niihara K.: „Preparation of polycrystalline YAG/alumina composite fibers and YAG fiber by sol-gel metod”, Composites A, 32, (2001), 1127-1131.
• 22. Okada K., Motohashi T., Kameshima, Y. Yasumori A.: “Sol-gel synthesis of YAG/Al2O3 long fibres from water solvent system”, J. Eur. Cer. Soc., 20, (2000), 561-567.
• 23. Li W.Q., Gao L.: „Processing, microstructure and mechanical properties of 25 vol.% YAG-Al2O3 nanocomposites”, Nanostruct. Mater., 11, (1999), 1073-1080.
• 24. Wang H., Gao L.: „Preparation and microstructure of polycrystalline Al2O3-YAG composites”, Ceram. Int., 27, (2001), 721-723.
• 25. Palmero P., Simone A., Esnouf C., Fantozzi G., Montanaro L.: „Comparison Among Different Sintering Routes for Preparing Alumina-YAG Nanocomposites”, J. Eur. Cer. Soc., 26, (2006), 941-947.
• 26. Palmero P., Naglieri V., Chevalier J., Fantozzi G., Montanaro L.: „Alumina-based nanocomposites obtained by doping with inorganic salt solutions: Application to immiscible and reactive systems”, J. Eur. Cer. Soc., 29, (2009), 59-66.
• 27. http://www.taimei-chem.co.jp
• 28. http://www.baikowski.com
• 29. Anstis, G.R., Chantikul, P., Lawn, B.R., Marshall, D.B.: „A critical evaluation of indentation techniques for measuring techniques for measuring fracture toughness: I, direct crack measurements”, J. Am. Ceram. Soc., 64, (1981), 533-538.
• 30. Gao L., Shen Z., Miyamoto H., Nygren M.: „Superfast densification of axide-oxide ceramic composites”, J. Am. Ceram. Soc., 82 (1999), 1061-1063.
• 31. Hall E.O.: „The deformation and ageing of mild steel: III. Discussion of results”, Proc. Phys. Soc., 64, (1951), 747-753.