CC BY
9
Труды Кольского научного центра РАН. Химия и материаловедение. Вып. 5. 2021. Т. 11, № 2. С. 188-191. Transactions Ко1а Science Centre. Chemistry and Materials. Series 5, 2021. Vol. 11, No. 2. P. 188-191.
Научная статья
УДК 546.831.4; 666.9-12
D0l:10.37614/2307-5252.2021.2.5.039
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ КЕРАМИКА СИСТЕМЫ 3Y-TZP-AhO3, СОДЕРЖАЩАЯ СПЕКАЮЩИЕ ДОБАВКИ
Татьяна Олеговна ОболкинаМаргарита Александровна Гольдберг2, Сергей Валерьевич Смирнов3, Ольга Алексеевна Антонова4
12 3 4Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, Москва, Россия
4obolkina@imetac.ru
2naiv. syper@gmail. com
3serega_smirnov92@mail.ru
4osantonova@yandex.ru
Аннотация
В работе исследовано влияние комплексных добавок на основе Na2Si205 и оксидов Ni, Zn на свойства и температуру спекания керамического материала 3Y-TZP-AI2O3 с содержанием оксида алюминия (AI2O3) — 5 мас. %. Было показано, что введение комплексных добавок способствовало росту прочности при изгибе керамических материалов. Наибольшая прочность при изгибе (445±22 МПа) достигнута на составе 3Y-TZP-AI2O3 — 5 % Na2Si205 + 0,33Zn при 1250 °С. Ключевые слова:
керамика, композит, диоксид циркония, оксид алюминия, спекание Благодарности
Отработка получения порошковых материалов выполнена при поддержке РФФИ № 18-29-11053 мк. Original article
LOW-TEMPERATURE CERAMICS OF THE 3Y-TZP-AhO3 SYSTEM, CONTAINING SINTERING ADDITIVES
Tatyana O. Obolkina1^, Margarita A. Goldberg2, Sergey V. Smirnov3, Olga A. Antonova4
12,3,4A. A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
1tobolkina@imet. ac.ru 2naiv.syper@gmail.com 3serega_smirnov92@mail.ru 4osantonova@yandex.ru
Abstract
In this work, we studied the effect of complex additives containing Na2Si2O5 and Ni, Zn oxides on the properties and sintering temperature of a ceramic material 3Y-TZP- АЮэ with an aluminum oxide (АЮэ) content of 5 wt %. It was shown that the introduction of complex additives promoted an increase in the flexural strength of ceramic materials. The greatest strength (445±22 МПа) was achieved by sintering at 1250 °C on the composition with 5 wt % Na2Si2O5 and 0.33 mol % Zn. Keywords:
сeramic material, composite, zirconium dioxide, aluminum oxide, sintering Acknowledgment
Development of powder material production was supported by RFBR № 18-29-11053 mk.
Композиционные керамические материалы на основе поликристаллического тетрагонального диоксида циркония (Y-TZP) заметно превосходят альтернативные керамические материалы по прочности на изгиб, трещиностойкости. Также было обнаружено, что введение AI2O3 может повысить прочность и трещиностойкость материалов на основе Y-TZP [1, 2], однако получить спеченные материалы возможно при высокой температуре — 1600-1750 °С. Для получения изделий из данных материалов применяется дорогостоящее и менее производительное оборудование (горячее, изостатическое прессование).
Актуальной задачей является разработка керамического материала на основе системы 3Y-TZP-AI2O3 с использованием модифицирующих добавок, способствующих понижению температуры спекания и росту механических свойств [2-4]. В настоящее время ведутся работы по исследованию влияния различных добавок на свойства керамики ZrO2-AbO3, но работ, направленных на комплексное
© Оболкина Т. О., Гольдберг М. А., Смирнов С. В., Антонова О. А., 2021
изучение спекания и свойств данной керамики при легировании мало. В наших предыдущих работах было установлено влияние добавок на основе оксидов металлов (железа, кобальта) на температуру спекания, фазообразование, микроструктуру и механические свойства [5, 6]. Также известны работы, в которых используют добавки, образующие расплав [7]. Спекание в данных системах происходит по жидкофазному механизму, что существенно влияет на спекание керамических материалов.
Данное исследование посвящено изучению влияния комплексных добавок, содержащих дисиликат натрия (Na2Si2O5) и оксиды никеля (№), цинка ^п) на фазовый состав, спекание и механический свойства керамики на основе 3Y-TZP-AhOз, содержащих 5 мас. % AhOз.
Исходные композиционные керамические порошки ZrO2-AhOз получали методом соосаждения из растворов солей оксихлорида циркония ^гОСЬ^ШО), хлорида алюминия (АЮЬ6ШО), хлорида иттрия ^СЬ6ШО) классификации «хч» в водный раствор аммиака. Хлорид иттрия ^С1з6ШО) вводили для стабилизации тетрагональной модификации 2г02 (^Ю2) из расчета 3 мол. % оксида иттрия (Y2Oз) к ZrO2. Процесс получения порошка подробно описан в наших предыдущих работах [5].
В полученный после синтеза керамический порошок вводили комплексные добавки, содержащие 5 мас. %, Na2Si2O5 и 0 мол. %, 0,33 мол. % Zn и 5 мас. %, Na2Si2O5 и 0 мол. %, 0,33 мол. % М. Обозначения составов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Состав керамических материалов 3Y-TZP-AhOз
Состав AI2O3, мас. % Na2SÍ2Ü5, мас. % Zn, мол. % Ni, мол. %
Z-5A-N 5 5 0 0
Z-5A-N-NÍ 5 5 0,33 0
Z-5A-N-Zn 5 5 0 0,33
Для исследования свойств керамики порошки формовали в металлической пресс-форме при давлении 100 МПа методом одноосного прессования в виде балочек размером 30*4*4 мм. Обжиг компактов проводили в электрических печах в воздушной атмосфере в температурном диапазоне 12501300 °С. Фазовый состав обожженных образцов исследовали методом рентгенофазового анализа (РФА) на дифрактометре «Дифрей 401» с использованием Cr-Ka-излучения. Морфологию исследовали методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе Tescan Vega II. Открытую пористость определяли в соответствии с ГОСТ 2409-2014, прочность материалов при трехточечном изгибе на разрывной машине Instron — 3382, микротвердость — на микротвердомере 401/402-MVD.
Исследование фазового состава керамики ZrO2-5 %AhO3, спеченной в диапазоне температур 1250-1300 °С, показало, что полученные материалы характеризовались формированием t-ZrO2 для всех составов, формирование фазы m-ZrO2 не детектировалось (рис.).
-1-'-Т-'-1->-1-.-1-'-1-.-1 -,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,
25 30 35 40 45 50 55 25 30 35 40 45 50 55
2 тета, град 2 тета. гоал
а б
Дифрактограммы керамических материалов 3Y-TZP-AÍ2Ü3, обожженных при 1250 °С (а) и 1300 °С (б): 1 — 5A-N; 2 — Z-5A-N-NÍ; 3 — Z-5A-N-Zn
Было показано, что материалы 2-5Л-К, характеризовались открытой пористостью 6 % при 1250 °С. Повышение температуры обжига позволило получить материалы с открытой пористостью менее 1 % (табл. 2). Введение комплексной добавки позволило значительно понизить открытую пористость, достигнув величины 0,53 % при 1250 °С (состав 2-5Л-К-№), введение 2п не приводило к плотноспеченному состоянию даже при обжиге 1300 °С.
Таблица 2
Открытая пористость и прочность при изгибе образцов керамики 3У-Т2Р-ЛЬОз
Добавка Температура 1250 °С Температура 1300 °С
П, % о, МПа П, % о, МПа
Z-5A-N 6 311±16 0,1 382±19
Z-5A-N-Ni 0,53 410±20 0,06 422±21
Z-5A-N-Zn 8,8 445±22 1,2 413±21
Исследование механических свойств керамики показало, что введение комплексной добавки оказывает влияние на прочность образцов после обжига (табл. 2). Так, материалы состава Z-5A-N, обожженные при температуре спекания 1250 °С, характеризовались прочностью при изгибе 311±16 МПа, а при температуре 1300 °С прочность возрастала до 385±19 МПа. Введение комплексных добавок на основе Na2SÍ2Ü5, содержащих 0,33 % Ni и 0,33 % Zn, обеспечивали значительный рост прочности при 1250 °С — 410±20 МПа для керамики состава Z-5A-N-NÍ и 445±22 МПа для состава Z-5A-N-Zn. Дальнейшее повышение температуры не приводило к изменению значений прочности обожженных образцов.
Согласно данным РЭМ, керамические материалы состава Z-5A-N характеризовались пористой микроструктурой с порами размером 1-2 мкм, размер зерен — менее 100 нм. Материалы состава Z-5A-N-Zn, обожженные при 1250 °С, характеризовались однородной микроструктурой и состоят из зерен округлой формы размером 200-400 нм. Для материалов состава Z-5A-N-NÍ также свойственна равномерная структура при режиме 1250 °С, средний размер зерен — 200-400 нм. Дальнейший рост температуры обжига до 1300 °С приводитк незначительному росту зерен до 300-500 нм и плотноспеченному состоянию.
Таким образом, введение комплексных добавок на основе Na2SÍ2Ü5 и оксидов Ni, Zn способствует стабилизации высокопрочной фазы t-ZrÜ2 при 1250 °С и приводит к росту прочности керамических материалов системы 3Y-TZP-AI2O3.
Список источников
1. Wu Z., Li N., Wen Y. Effect of a small amount of AI2O3 addition on the hydrothermal degradation of 3Y-TZP // J. Materials Sci. 2013. Уо1. 48, №. 3. Р. 1256-1261.
2. Effect of Air Sintering on Microstructural and Mechanical Properties of Aluminum Oxide/Manganese Oxide Doped Y-TZP / D. Ragurajan [et al.] // J. Australian Ceramic Society. 2016. Уо1. 52, №. 2. Р. 128-133.
3. Park J., Lee Y. Effect of Transition Metal Oxides Addition on Yttria-stabilized Zirconia for improving Physical and Mechanical Properties // J. Korea Society of Digital Industry and Information Management. 2016. Уо1. 12, №. 3. Р. 25-31.
4. Cubic yttria stabilized zirconia sintering additive impacts: A comparative study / A. J. Flegler [et al.] // Ceramics International. 2014. Уо1. 40, № 10. Р. 16323-16335.
5. The Influence of Co Additive on the Sintering, Mechanical Properties, Cytocompatibility, and Digital Light Processing Based Stereolithography of 3Y-TZP-5AhO3 Ceramics / M. Goldberg [et al.] // Materials. 2020. Уо1. 13, № 12. Р. 2789.
6. Increasing the sintering rate and strength of ZrO2-Al2O3 ceramic materials by iron oxide additions / T. O. Obolkina [et al.] // Inorganic Materials. 2020. Уо1. 56, № 2. Р. 182-189.
7. The Effect of a Small Amount SiO2 on Sintering Kinetics of Tetragonal Zirconia Nanopowders / M. Lakusta [et al.] // Nanoscale Research Letters. 2017. Уо1. 12, № 1. Р. 1-9.
References
1. Wu Z., Li N., Wen Y. Effect of a small amount of A12O3 addition on the hydrothermal degradation of 3Y-TZP. Journal of Materials Science, 2013, Уо1. 48, № 3, рр. 1256-1261.
2. Ragurajan D. et al. Effect of Air Sintering on Microstructural and Mechanical Properties of Aluminum Oxide/Manganese Oxide Doped Y-TZP. Journal of the Australian Ceramic Society, 2016, Vol. 52, No. 2, рр.128-133.
3. Park J., Lee Y. Effect of Transition Metal Oxides Addition on Yttria-stabilized Zirconia for improving Physical and Mechanical Properties. Journal of the Korea Society of Digital Industry and Information Management, 2016, Vol. 12, No. 3, рр. 25-31.
4. Flegler A. J. Burye T. E., Yang Q., Nicholas J. D. Cubic yttria stabilized zirconia sintering additive impacts: A comparative study. Ceramics International, 2014, Vol. 40, No. 10, рр. 16323-16335.
5. Goldberg M., Obolkina T., Smirnov S., Protsenko P., Titov D., Antonova O., Konovalov A., Kudryavtsev E., Sviridova I., Kirsanova V., Sergeeva N., Komlev V., Barinov S. The Influence of Co Additive on the Sintering, Mechanical Properties, Cytocompatibility, and Digital Light Processing Based Stereolithography of 3Y-TZP-5AhO3 Ceramics // Materials, 2020, Vol. 13, No. 12, рр. 2789.
6. Obolkina T. O. et al. Increasing the sintering rate and strength of ZrO2-AhO3 ceramic materials by iron oxide additions. Inorganic Materials, 2020, Vol. 56, No. 2, рр. 182-189.
7. Lakusta M., Danilenko I., Konstantinova T., Volkova G., Nosolev I., Gorban O., Burkhovetskiy V. The Effect of a Small Amount SiO2 on Sintering Kinetics of Tetragonal Zirconia Nanopowders. Nanoscale Research Letters, 2017, Vol. 12, No. 1, рр. 1-9.
Сведения об авторах
Т. О. Оболкина — младший научный штрудник;
М. А. Гольдберг — кандидат технических наук;
С. В. Смирнов — кандидат технических наук;
О. А. Антонова — младший научный тотрудник.
Information about the authors
T. O. Obolkina — Junior Researcher;
M. A. Goldberg — PhD (Engineering);
S. V. Smirnov — PhD (Engineering);
O. A. Antonova — Junior Researcher.
Статья шступила в редакцию 24.03.2021; oдoбрена шсле рецензирoвания 01.04.2021; принята к публикации 05.04.2021.
The article was submitted 24.03.2021; approved after reviewing 01.04.2021; accepted for publication 05.04.2021.
