Mikrostrukturalne aspekty odporności na kruche pękanie kompozytów ziarnistych regularny dwutlenek cyrkonu-tlenek glinu

• Autorzy: Bućko, M. , Pyda, W.

Warianty tytułu

EN

Microstructural aspects of toughening of cubic zirconia-alumina composites

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Kompozyty ziarniste regularny dwutlenek cyrkonu-tlenek glinu, różniące się rozmiarem i udziałem wtrąceń rozproszonych w osnowie o porównywalnym rozmiarze ziarna, otrzymano drogą spiekania swobodnego w 15OO°C przez 2 h wyprasek przygotowanych z fizycznych mieszanin proszków odpowiednich tlenków. Proszek roztworu stałego 8% mol. Y2O3-ZrO2 o symetrii regularnej otrzymano metodą hydrotermalnej obróbki wspólstrąconego osadu uwodnionych tlenków cyrkonu i itru. W preparatyce zastosowano dwa rodzaje proszków tlenku glinu: drobnoziarnisty y-AI2O3, będący prekursorem małych wtrąceń w kompozytach, oraz otrzymany z niego drogą prażenia gruboziarnisty a-Al2O3, będący prekursorem wtrąceń o dużych rozmiarach. Kompozyty poddano badaniom mikrostrukturalnym oraz mechanicznym. Ilościowego określenia parametrów mikrostrukturalnych dokonano na podstawie analizy numerycznej obrazów SEM, wykonanych na trawionych termicznie zgładach. Wartości twardości oraz współczynnika krytycznej intensywności naprężeń określano za pomocą metody Vickersa. Badania twardości i odporności na pękanie wykazały, że charakter zmian tych wielkości wraz ze wzrostem zawartości tlenku glinu w kompozytach nie zależy od rozmiaru wtrąceń. Stwierdzono wpływ zagęszczenia kompozytów zarówno na twardość, jak i KIc. Dodatek tlenku glinu powodował wzrost wartości KIc aż do osiągnięcia maksimum przy udziale zależnym od rozmiaru wtrąceń (5 lub 10%), po czym obserwowano spadek odporności na pękanie kompozytów. Wykazano, że mikrostruktura kompozytów ziarnistych złożonych z osnowy całkowicie stabilizowanego dwutlenku cyrkonu oraz z wtrąceń tlenku glinu istotnie oddziałuje na odporność na kruche pękanie tych tworzyw. Stwierdzono, iż zmniejszanie rozmiaru wtrąceń przydanym ich udziale znacznie poniżej rozmiaru ziaren osnowy (więcej niż 3-krotne) nie prowadzi do wzrostu odporności na pękanie. Największy przyrost odporności na kruche pękanie kompozytów zaobserwowano przy rozmiarach wtrąceń porównywalnych z rozmiarem ziaren osnowy.

EN

The cubic zirconia-alumina particulate composites were prepared by means of pressureless sintering for 2 hrs at 1500oC of green bodies obtained from a physical mixture of the constituent powders. The composites differed from each other in a size and a content of inclusions but showed a comparable grain size of the matrix. A co-precipitation method followed by hydrothermal crystallization of the yttria-zirconia hydrogel was used to prepare the powder of 8 mol% Y2O3-ZrO2 zirconia solid solution of cubic symmetry. Two different alumina powders were used in the study. The fine-grained y-Al2O3 powder was a precursor of small alumina inclusions in the composites. The coarse-grained a-Al2O3 powder obtained via calcination of the y-Al2O3 powder was a precursor of those of a large size. Microstructure and mechanical properties of the composites were investigated. A numerical analysis of SEM micrographs, taken from the polished and thermally etched surfaces, was applied to measure microstructural parameters quantitatively. The values of hardness, HV, and critical stress intensity coefficient KIc, were assessed in the Vickers indentation test. The nature of changes of HV and KIc with alumina content in the composites was independent on the inclusion size. Both HV and KIc were strongly affected by density of the composites. The gradual additive of alumina increased fracture toughness as far as it reached a maximum at the content (5 or 10%), which depended on the alumina inclusion size. A further increase of the alumina content caused the deterioration of fracture toughness. It was proved that the microstructure of the cubic zirconia-alumina particulate composites strongly influenced the fracture toughness. It was found that at the constant content of the inclusions, decreasing their sizes significantly below the grain size of the matrix (more than 3 times) did not lead to the increased values of fracture toughness. The highest increase in fracture toughness was found when the inclusion size was comparable to the matrix grain size.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty zianiste; dwutlenek cyrkonu; tlenek glinu; pękanie; mikrostruktura

EN

particulate composite; zirconia; alumina; fracture toughness; microstructure

• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2003
• Tom: R. 3, nr 6
• Strony: 39-46
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., tab., wykr., rys.

Twórcy

autor

Bućko, M.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Pyda, W.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Minh B.Q., Ceramic Fuel Cells, J. Am. Ceram. Soc. 1993, 76, 563.
• [2] Rajendran S., Drennan J., Badwal S.P.S., Effect of Alumina Additions on the Grain Boundary and Volume Resistivity of Tetragonal Zirconia Polycrystals, J. Mat. Sci. Lett. 1987, 6, 1431-1434.
• [3] Guo X., Tang C-Q., Yuan R-Z., Grain Boundary Ionic Conduction in Zirconia-Based Solid Electrolyte with Alumina Addition, J. Europ. Ceram. Soc. 1995, 15, 25-32.
• [4] Butler E.P., Drennan J., Microstructural Analysis of Sintered High-Conductivity Zirconia with Al2O3 Additions, J. Amer. Ceram. Soc. 1982, 65, 474-478.
• [5] Mori M., Abe T., Itoh H., Yammamoto O., Takeda Y., Kawahara T., Cubic-Stabilized Zirconia and Alumina Composites as Electrolytes in Planar Type Solid Oxide Fuel Cell, Solid State Ionics 1994, 74, 157-164.
• [6] Miyayama M., Yanagida H., Asada A., Effect of Al2O3 Addition on Resistivity and Microstructure of YttriaStabilized Zirconia, Am. Ceram. Soc. Bull. 1986, 64, 660- 664.
• [7] Choi S.R., Bansal N.P., Strength and Fracture Toughness of YSZ/Alumina Composites for Solid Oxide Fuell Cells, Ceram. Eng. & Sci. Proc. 2002, 23, 741-750.
• [8] Bhargava P., Patterson B.R., Quantitative Characterization of Indentation Crack Path in a Cubic Zirconia-10 vol% Alumina Composite, J. Am. Ceram. Soc. 1997, 80, 1863-67.
• [9] Tsukuma K., Ueda K., Shimada M., Strength and Fracture Toughness of Isostatically Hot-Pressed Composites of Al2O3 and Y2O3-Partially-Stabilized ZrO2, J. Am. Ceram. Soc. 1985, 68, C4-C5.
• [10] Fukuhara M., Properties of (Y)ZrO2-Al2O3 and (Y)ZrO2- Al2O3-(Ti or Si)C Composites, J. Am. Ceram. Soc. 1989, 72, 236-242.
• [11] Duran P., Navarro L.M., Recio P., Jurado J.R., Processing and Properties of Zirconia-Based/Al2O3 Nanoscale-Composites as Electrolytes for Solid Oxide Fuel Cells, Eur. J. Solid State Inorg. Chem. 1995, 32, 963-975.
• [12] Pyda W., Haberko K., Bućko M., Hydrothermal Crystallization of Zirconia and Zirconia Solid Solutions, J. Am. Ceram. Soc. 1991, 74, 2622-2629.
• [13] Niihara K., A Fracture Mechanics Analysis of Indentation Induced Palmqvist Crack in Ceramics, J. Mat. Sci. Lett. 1983, 2, 221.
• [14] Kellett B.J., Lange F.F., Thermodynamics of Densification: Part I, Sintering of Simple Particle Arrays, Equilibrium Con- figurations, Pore Stability, and Shrinkage, J. Am. Ceram. Soc. 1989, 72, 725-734.
• [15] Lange F.F., Kellett B.J., Thermodynamics of Densification: Part II, Grain Growth in Porous Compacts and Relation to Densification, J. Am. Ceram. Soc. 1989, 72, 735-41.