Preview

Российские нанотехнологии

Расширенный поиск

НАНОСТРУКТУРНАЯ ЦИРКОНИЕВАЯ КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ ОТЕЧЕСТВЕННОГО СЫРЬЯ — БАДДЕЛЕИТА

Полный текст:

Аннотация

В работе исследованы взаимосвязи между условиями синтеза, структурой и механическими свойствами наноструктурированной циркониевой стабилизированной оксидом кальция инженерной керамики на основе природного минерала бадделеита. Бадделеит, добываемый на Ковдорском горно-обогатительном комбинате (Мурманская область), в несколько раз более дешевое отечественное сырье, чем обычно используемый для производства циркониевой керамики синтетический диоксид циркония. Получена инженерная циркониевая керамика с размером зерен 100–150 нм и относительной плотностью выше 99 %, сочетающая твердость 13.3 ГПа c вязкостью разрушения 13.2 МПа м0.5. Установлены зависимости фазового состава, твердости и трещиностойкости керамики на основе бадделеита от молярного содержания стабилизатора — оксида кальция. На основании термодинамических расчетов показано, что снижение размеров кристаллитов до наноуровня приводит к расширению концентрационного и температурного диапазонов стабильности тетрагональной фазы ZrO2 . Рассчитан фазовый состав керамики после спекания с учетом влияния примесей SiO2 и размера зерен. Экспериментально показано, что скорость фазовой деградации керамики на основе бадделеита в гидротермальных условиях в три раза ниже, чем в несколько раз более дорогой коммерческой иттрий-стабилизированной керамике. Разработана оригинальная аналитическая модель, описывающая кинетику деградации стабилизированной циркониевой керамики. Эта модель дополняет рассмотрение деградации в рамках закона Меля — Аврами — Джонсона и позволяет оценить физические параметры процесса деградации: скорость нуклеации моноклинной фазы ZrO2 , размеры трансформированных областей и скорости их роста.

Об авторах

А. О. Жигачев
Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина
Россия


Ю. И. Головин
Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Россия


Список литературы

1. Hannink R.H.J., Kelly P.M., Muddle B.C. Transformation toughening in zirconia‐containing ceramics // J. of the American Ceramic Society. 2000. V. 83. P. 461–487.

2. Kelly J.R., Denry I. State of the art of zirconia for dental applications // Dental Materials. 2008. V. 24. P. 289–298.

3. Leib E.W., Pasquarelli R.M., Rosário J.J., Dyachenko P.N., Döring S., Puchert A., Petrov A.Yu., Eich M., Schneider G.A., Janssen R., Weller H., Vossmeyer T. Yttria-stabilized zirconia microspheres: novel building blocks for high-temperature photonics // J. of Materials Chemistry C. 2016. V. 4. P. 62–74.

4. Pezzotti G., Yamamoto K. Artificial hip joints: The biomaterials challenge // J. Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2014. V. 31. P. 3–20.

5. Chevalier J., Gremillard L. The tetragonal‐monoclinic transformation in zirconia: lessons learned and future trends // J. European Ceramic Society. 2009. V. 29. P. 1245–1255.

6. El Attaoui H., Saadaoui M., Chevalier J., Fantozzi G. Static and cyclic crack propagation in Ce-TZP ceramics with different amounts of transformation toughening // J. of European Ceramic Society. 2007. V. 27. P. 483–486.

7. Basu B. Toughening of yttria-stabilised tetragonal zirconia ceramics // International Materials Reviews. 2005. V. 50. P. 239–256.

8. Basu B., Balani K. Advanced Structural Ceramics. Wiley. 2011. 512 P.

9. Garvie R.C., Hannink R.H.J., Pascoe R.T. Ceramic steel // Nature. 1975. V. 258. P. 703–704.

10. Nettleship I., Stevens R. Tetragonal zirconia polycrystal (TZP) — a review // International J. of High Technology Ceramics. 1987. V. 3. P. 1–32.

11. Li P., Chen I.W., Penner-Hahn J.E. Effect of dopants on zirconia stabilization — an X-ray absorption study: I, trivalent dopants // J. of the American Ceramic Society. 1994. V. 77. P. 118–128.

12. Li P., Chen I.W., Penner-Hahn J.E. Effect of dopants on zirconia stabilization — an X-ray absorption study: II, tetravalent dopants // J. of the American Ceramic Society. 1994. V. 77. P. 1281–1288.

13. Benzaid J., Chevalier J., Saadaoui M., Fantozzi G., Nawa M., Diaz L.A., Torrecillas R. Fracture toughness, strength and slow crack growth in a ceria stabilized zirconia–alumina nanocomposite for medical applications // Biomaterials. 2008. V. 29. P. 3636–3641.

14. Sharma S.C., Gokhale N.M., Dayal R., Lal R. Synthesis, microstructure and mechanical properties of ceria stabilized tetragonal zirconia prepared by spray drying technique // Bulletin of Materials Science. 2002. V. 25. P. 15–20.

15. Denry I, Kelly J.R. State of the art of zirconia for dental applications // Dental Materials. 2008. V. 24. P. 299–307.

16. Guazzato M., Albakry M., Ringer S.P., Swain M.V. Strength, fracture toughness and microstructure of a selection of all-ceramic materials. Part 1. Pressable and alumina glass-infiltrated ceramics // Dental Materials. 2004. V. 20. P. 449–456.

17. Dauskarat R.H., Marshall D.B., Ritchie R.O. Cyclic fatigue‐crack propagation in magnesia‐partially‐stabilized zirconia ceramics // J. of the American Ceramic Society. 1990. V. 73. P. 893–903.

18. Marshall D.B., Swain M.V. Crack resistance curves in magnesia‐partially‐stabilized zirconia // J. of the American Ceramic Society. 1988. V. 71. P. 399–407.

19. Pyda W., Haberko K. CaO-containing tetragonal ZrO2 polycrystals (Ca-TZP) // Ceramics International. 1987. V. 13. P. 113–118.

20. Łabuz A., Lach R., Raczka M., Wójtowicz B., Pyda W. Processing and characterization of Ca-TZP nanoceramics // J. of the European Ceramic Society. 2015. V. 35. № 14. P. 3943–3947.

21. Hu M.Z.C., Hunt R.D., Payzant E.A., Hubbard C.R. Nanocrystallization and phase transformation in monodispersed ultrafine zirconia particles from various homogeneous precipitation methods // J. of the American Ceramic Society. 1999. V. 82. P. 2313–2320.

22. Manivasakan P., Rajendran V., Rauta P.R., Sahu B.B. Synthesis of monoclinic and cubic ZrO2 nanoparticles from zircon // J. of the American Ceramic Society. 2011. V. 94. P. 1410–1420.

23. Ikuhara Y. High-temperature behavior of SiO2 at grain boundaries in TZP // Interface Science. 1999. V. 7. P. 77–84.

24. Zhigachev A.O., Umrikhin A.V., Golovin Yu.I. The effect of calcia content on phase composition and mechanical properties of Ca-TZP prepared by high-energy milling of baddeleyite // Ceramics International. 2015. V. 41. P. 13804–13809.

25. Sepelak V., Duvel A., Wilkening M., Becker K.D., Heitjans P. Mechanochemical reactions and syntheses of oxides // Chemical Society Reviews. 2013. V. 42. P. 7507–7520.

26. Suryanarayana C. Mechanical alloying and milling // Progress in Materials Science. 2001. V. 46. P. 1–184.

27. Zhigachev A.O., Umrikhin A.V., Golovin Yu.I., Farber B.Ya. Preparation of nanocrystalline calcia‐stabilized tetragonal zirconia by high‐energy milling of baddeleyite // International J. of Applied Ceramic Technology. 2015. V. 12. P. E82–E89.

28. Afrasiabi A., Saremi M., Kobayashi A. A comparative study on hot corrosion resistance of three types of thermal barrier coatings: YSZ, YSZ + Al2O3 and YSZ/Al2O3 // Matererial Science and Engineering A. 2008. V. 478. P. 264–269.

29. Bodisova K., Sajgalik P., Galusek D., Svancarek P. Two‐stage sintering of alumina with submicrometer grain size // J. of the American Ceramic Society. 2006. V. 90. P. 330–332.

30. Anstis G.R., Chantikul P., Lawn B.R., Marshall D.B. A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: I, direct crack measurements // J. of the American Ceramic Society. 1981. V. 64. P. 533–538.

31. Lughi V., Sergo V. Low temperature degradation-aging-of zirconia: A critical review of the relevant aspects in dentistry // Dental Materials. 2010. V. 26. P. 807–820.

32. Guo X. Property degradation of tetragonal zirconia induced by low-temperature defect reaction with water molecules // Chemistry of Materials. 2004. V. 16. P. 3988–3994.

33. Pereira G.K.R., Silvestri T., Camargo R., Rippe M.P., Amaral M., Kleverlaan C.J., Valandro L.F. Mechanical behavior of a Y-TZP ceramic for monolithic restorations: effect of grinding and low-temperature aging // Materials Science and Engineering. C. 2016. V. 63. P. 70–77.

34. Lu K. Sintering of nanoceramics // International Materials Reviews. 2008. V. 53. P. 21–38.

35. Trunec M., Castkova K., Roupcova P. Effect of phase structure on sintering behavior of zirconia nanopowders // J. of the American Ceramic Society. 2013. V. 96. P. 3720–3727.

36. Xue W., Xie Z., Yi J., Chen J. Critical grain size and fracture toughness of 2 mol. % yttria-stabilized zirconia at ambient and cryogenic temperatures // Scripta Materialia. 2012. V. 67. P. 963–966.

37. Suresh A., Mayo M.J., Porter W.D., Rawn C.J. Crystallite and grain‐ size-dependent phase transformations in yttria‐doped zirconia // J. of the American Ceramic Society. 2003. V. 86. P. 360–362.

38. Becher P.F., Swain M.V. Grain‐size‐dependent transformation behavior in polycrystalline tetragonal zirconia // J. of the American Ceramic Society. 1992. V. 75. P. 493–502.

39. Wang K., Li C.H., Gao Y.H., Lu X.G., Ding W.Z. Thermodynamic reassessment of ZrO2–CaO system // J. of the American Ceramic Society. 2009. V. 92. P. 1098–1104.

40. Yin Y., Argent B. The phase diagrams and thermodynamics of the ZrO2–CaO–MgO and MgO–CaO systems // J. of Phase Equilibria. 1993. V. 14. P. 439–450.

41. Pitcher M.W., Ushakov S.V., Navrotsky A., Woodfield B.F., Li G., Boerio-Goates J., Tissue B.M. Energy crossovers in nanocrystalline zirconia // J. of the American Ceramic Society. 2005. V. 88. P. 160–167.

42. Serena S. Sainz M.A., de Aza S., Caballero A. Thermodynamic assessment of the system ZrO2–CaO–MgO using new experimental results: Calculation of the isoplethal section MgO·CaO–ZrO2 // J. of the European Ceramic Society. 2005. V. 25. P. 681–694.

43. Taylor J.R., Dinsdale A.T. Thermodynamic and phase diagram data for the CaO–SiO2 system // Calphad. 1990. V. 14. P. 71–88.

44. Kaiser A., Lobert M., Telle R. Thermal stability of zircon (ZrSiO4) // J. of the European Ceramic Society. 2008. V. 28. P. 2199–2211.

45. Zhou Y., Erb. U., Aust K.T., Palumbo G. The effects of triple junctions and grain boundaries on hardness and Young’s modulus in nanostructured Ni–P // Scripta Materialia. 2003. V. 48. P. 825–830.

46. Palumbo G., Thorpe S.J., Aust K.T. On the contribution of triple junctions to the structure and properties of nanocrystalline materials // Scripta Metallurgica et Materialia. 1990. V. 24. P. 1347–1350.

47. Chevalier J., Gremillard L., Virkar A.V., Clarke D.R. The tetragonal‐monoclinic transformation in zirconia: lessons learned and future trends // J. of the American Ceramic Society. 2009. V. 92. P. 1901–1920.

48. Gremillard L., Chevalier J., Epicier T., Deville S., Fantozzi G. Modeling the aging kinetics of zirconia ceramics // J. of the European Ceramic Society. 2004. V. 24. № 13. P. 3483–3489.


Просмотров: 102


ISSN 1992-7223 (Print)