Структура и механические свойства композиционных керамик на основе диоксида циркония тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Жигачева Дарья Геннадиевна

• Жигачева Дарья Геннадиевна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Жигачева Дарья Геннадиевна

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

ГЛАВА 1. ОБЗОР ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПОСВЯЩЕННОЙ ВЗАИМОСВЯЗИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЦИРКОНИЕВЫХ КЕРАМИК

1.1. Этапы развития технологии изготовления керамики

1.2. Классификация керамических материалов

1.3. Области применения керамических материалов

1.4. Керамика на основе диоксида циркония

1.4.1. Типы структур

1.4.2. Способы получения керамических изделий на основе 7гО2

1.4.3. Механизмы упрочнения керамики на основе диоксида циркония

1.4.4. Низкотемпературная деградация свойств материала

на основе диоксида циркония

1.5. Композиционные материалы на основе диоксида циркония

1.5.1. Композиционная керамика 7г02+А1203

1.5.2. Композиционная керамика 7г02+а1203+8ю2

1.6. Постановка цели и задачи исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Методика изготовления образцов

2.2. Методика исследования фазового состава, структуры и свойств образцов

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОЙ

КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ

3.1. Фазовый состав и механические свойства циркониевой керамики на основе диоксида циркония, стабилизированной СаО

3.2. Структура, фазовый состав и механические свойства Ca-ATZ керамики упрочненной Al2O3

3.3. Структура, фазовый состав и механические свойства ATZ керамики с примесью SiO2

ГЛАВА 4. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ДЕГРАДАЦИЯ

4.1. Низкотемпературная деградация композиционной керамики CaO-ZrO2+Al2O3

4.2. Низкотемпературная деградация композиционной керамики CaO-ZrO2+Al2O3+SiO2

ГЛАВА 5. МОДЕЛЬНЫЕ ПЕРДСТАВЛЕНИЯ ЯВЛЕНИЯ УПРОЧНЕНИЯ ЦИРКОНИЕВОЙ КЕРАМИКИ ПРИ ДОБАВЛЕНИИ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ Al2O3 И SiO2

5.1. Влияние примеси Al2O3 на механические свойства циркониевой керамики

5.2. Влияние примеси SiO2 на механические свойства ATZ керамики

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и механические свойства композиционных керамик на основе диоксида циркония»

Актуальность темы исследования.

Циркониевые керамики, упрочненные оксидом алюминия ( ATZ), обладают уникальным комплексом свойств и находят широкое применение от машиностроения до медицины. В ATZ керамике сильные стороны ZrO2 (рекордная для оксидных керамик вязкость разрушения, высокие показатели износостойкости и прочности на изгиб, а также низкий коэффициент трения) сочетаются с достоинствами Al2O3 (высокими значениями твердости, модуля Юнга и прочности на сжатие). Достижению высоких показателей механических свойств ATZ керамики способствует одновременное проявление трансформационного и дисперсионного механизмов упрочнения. Трансформационный механизм упрочнения, присущий циркониевой керамике, обусловлен переходом тетрагональной фазы t-ZrO2 (метастабильной при комнатной температуре) в термодинамически устойчивую моноклинную фазу m-ZrO2. Фазовый t^m переход сопровождается изменением удельного объема этих фаз и возникновением сжимающих механических напряжений, тормозящих распространение трещин [1]. Для стабилизации фазы t-ZrO2 при комнатной температуре традиционно используют оксиды Y2O3, реже MgO, CeO2, CaO и др. В основе дисперсионного механизма упрочнения лежит диссипация энергии распространяющейся трещины в результате ее отклонения от начального направления при «столкновении» с более твердыми включениями, например, частицами Al2O3.

К наиболее важным факторам, определяющим свойства ATZ керамики, относятся: процентное соотношение ее компонентов и характер их пространственного распределения, тип и концентрация стабилизатора, фазовый состав ZrO2, размер зерен ZrO2 и Al2O3, и пр. При этом часть факторов зависит от технологических режимов изготовления керамик (условия помола, компактирования и спекания). В работах отечественных и зарубежных ученых (Головин Ю.И., Chevalier J., Mecartney M.L. и др.) созданы предпосылки

улучшения механических характеристик циркониевой и ATZ керамик путем введения дополнительной примеси, например, диоксида кремния. Столь широкое разнообразие и вариативность перечисленных факторов с одной стороны объясняет незавершенность экспериментальных исследований и сложность сравнительного анализа данных, с другой стороны - обеспечивает перспективу разработки состава и технологических режимов изготовления ATZ керамики с улучшенными рабочими характеристиками.

Существенным недостатком циркониевой керамики и композитов на ее основе является низкотемпературная деградация - самопроизвольное t^m превращение при длительном воздействии влаги, вызывающее ухудшение механических свойств. Одним из действенных путей повышения стойкости ATZ керамики к гидротермальным воздействиям является замена «традиционного» стабилизатора Y2O3 на CeO2 или CaO.

Вышеизложенное определяет актуальность выбранного направления исследований - развитие физических основ и разработку способов получения наноструктурированных ATZ и ATZ+SiO2 керамик (стабилизированных CaO) с улучшенными механическими свойствами и повышенной стойкостью к низкотемпературной деградации.

Цель работы: установление закономерностей и физическое обоснование влияния примесей Al2O3 и SiO2 на структуру, фазовый состав, комплекс механических свойств и стойкость к низкотемпературной деградации наноструктурированной циркониевой керамики, стабилизированной оксидом кальция.

Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- теоретически обосновать и экспериментально подтвердить целесообразность использования CaO в качестве стабилизатора тетрагональной фазы диоксида циркония при изготовлении наноструктурированной керамики на

основе ZrO2 (с примесью Al2O3 и SiO2) для снижения температуры спекания (Т < 1300 °C) и повышения стойкости к низкотемпературной деградации;

- экспериментально исследовать закономерности изменений фазового состава, структуры (относительная плотность и средний размер кристаллитов) и комплекса механических характеристик (твердость, вязкость разрушения, предел прочности на изгиб) разрабатываемой наноструктурированной керамики на основе ZrO2 (стабилизированной оксидом кальция) при введении в нее примеси Al2O3 (в диапазоне концентраций от 0 до 25 вес.%);

- экспериментально исследовать закономерности влияния концентрации примеси SiO2 (в диапазоне от 0 до 10 мол.%) на фазовый состав, структуру (относительную плотность и средний размер кристаллитов) и комплекс механических характеристик (твердость, вязкость разрушения, пределы прочности на изгиб и на сжатие) разрабатываемой наноструктурированной керамики на основе ZrO2 (стабилизированной оксидом кальция), упрочненной оксидом алюминия (Ca-ATZ+SiO2);

- на основе полученных экспериментальных данных разработать физическое обоснование повышения прочностных свойств наноструктурированной керамики на основе ZrO2 (стабилизированной оксидом кальция), упрочненной оксидом алюминия, при введении в нее примеси SiO2;

- произвести экспериментальную оценку стойкости фазового состава и комплекса механических свойств (твердости и вязкости разрушения) разработанных керамик Ca-ATZ и Ca-ATZ+SiO2 к низкотемпературной деградации (гидротермальным воздействиям) и провести сравнительный анализ с известными аналогами;

- на основе полученных экспериментальных данных разработать составы наноструктурированных Ca-ATZ и Ca-ATZ+SiO2 керамик (изготавливаемых в заданных технологических режимах), обеспечивающие высокие показатели механических свойств и стойкость по отношению к воздействию влаги и гидротермальным воздействиям;

- разработать модельные представления, обосновывающие возможность комплексного улучшения механических свойств наноструктурированной циркониевой керамики путем введения в ее состав примесей А12О3 и БЮ2.

Объект исследования: наноструктурированная циркониевая керамика (стабилизированная оксидом кальция), упрочненная оксидом алюминия с добавлением диоксида кремния.

Предмет исследования: повышение соотношения прочность-пластичность (твердость-вязкость разрушения) и стойкости к низкотемпературной деградации композиционной керамики на основе диоксида циркония.

Для достижения сформулированной цели и решения поставленных задач были использованы следующие методы исследований: диагностика механических свойств методами микро- и наноиндентирования, трехточечного изгиба и одноосного сжатия; визуализация структуры с использованием оптической и сканирующей электронной микроскопии; анализ фазового состава методами рентгеновской дифрактометрии и рамановской спектроскопии.

Научная новизна результатов исследования заключается в том, что впервые:

- Установлены закономерности влияния концентрации А12О3 на фазовый состав, структуру и комплекс механических характеристик наноструктурированной циркониевой керамики, стабилизированной СаО, спеченной при температурах Т < 1300 °С. Выявлен состав Са-АТ7 керамики, обеспечивающий высокое соотношение твердости, вязкости разрушения и предела прочности на изгиб.

- Показано положительное влияние примеси БЮ2 на комплекс механических характеристик наноструктурированной Са-АТ7 керамики. Установлены соотношение концентраций компонентов и технологические режимы

изготовления Ca-ATZ+SiO2 керамики с одновременно высокими значениями твердости, вязкости разрушения и пределов прочности на изгиб и на сжатие.

- Достигнута высокая стойкость керамик на основе ZrO2 к низкотемпературной деградации. Показано, что гидротермальные воздействия (эквивалентные 100 годам эксплуатации изделий в нормальных условиях) не вызывают существенных изменений фазового состава и критической деградации механических свойств Ca-ATZ и Ca-ATZ+SiO2 керамик.

- Предложены и верифицированы модельные представления упрочняющего влияния примесей Al2O3 и SiO2 на циркониевую керамику, стабилизированную CaO.

Практическая значимость результатов работы:

1. Разработан и запатентован способ получения наноструктурированной композиционной керамики на основе оксидов циркония, алюминия и кремния, обеспечивающий одновременно высокие значения твердости (H = 10,9 ± 0,5 ГПа), вязкости разрушения (Kc = 12,43 ± 0,35 МПа м0'5), прочности на изгиб и на сжатие (of = 980 ± 70 МПа, Gc= 2,44 ± 0,15 ГПа).

2. Использование CaO в качестве стабилизатора тетрагональной фазы t-ZrO2 при изготовлении Ca-ATZ и Ca-ATZ+SiO2 керамик позволило:

- повысить стойкость фазового состава и механических свойств разработанных керамик к низкотемпературной деградации (содержание t-фазы, твердость и вязкость разрушения Ca-ATZ уменьшаются не более чем на 6 %, 8 % и 20 % соответственно при гидротермальной обработке, эквивалентной 100 годам эксплуатации в нормальных условиях).

- получить экономический эффект за счет снижения стоимости стабилизатора (CaO на 80 - 85 % дешевле чем Y2O3) и уменьшения температуры спекания от 1450 - 1600 °С (характерной для Y-ATZ) до 1200 - 1300 °C.

3. Установленные закономерности влияния состава Ca-ATZ и Ca-ATZ+SiO2 керамик на их структуру, фазовый состав, комплекс механических свойств и стойкость последних к гидротермальным воздействиям, а также предложенные

модельные представления упрочняющего влияния примесей A1203 и Si02 могут служить физической основой для разработки рекомендаций по изготовлению изделий из ATZ керамики с улучшенными служебными характеристиками и повышенным ресурсом.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Установленные закономерности влияния примеси A1203 на фазовый состав, структуру и комплекс механических характеристик наноструктурированной циркониевой керамики (стабилизированной CaO), заключающиеся в выявлении соотношения концентраций компонент Ca-ATZ керамики, комплексно обеспечивающего высокие значения относительной доли тетрагональной фазы t-Zr02, относительной плотности, твердости, вязкости разрушения и предела прочности на изгиб.

2. Установленные закономерности изменения фазового состава, структуры и комплекса механических характеристик при введении в Ca-ATZ керамику примеси Si02, согласно которым определен состав, обеспечивающий сохранение высоких значений относительной доли тетрагональной фазы t-Zr02 и относительной плотности Ca-ATZ+Si02 керамики, а также высокое соотношение ее твердости, вязкости разрушения и пределов прочности на изгиб и на сжатие.

3. Обоснование возможности повышения трансформируемости тетрагональной фазы t-Zr02 за счет снижения энергетического барьера t^m перехода при введении в наноструктурированную Ca-ATZ керамику примеси Si02, способствующего усилению роли трансформационного механизма упрочнения Ca-ATZ+Si02.

4. Экспериментальные подтверждения высокой стойкости наноструктурированных Ca-ATZ и Ca-ATZ+Si02 керамик к воздействию влаги и гидротермальным воздействиям.

5. Модельные представления упрочняющего влияния примесей A1203 и Si02 на циркониевую керамику, стабилизированную Ca0.

Достоверность представленных экспериментальных результатов определяется их хорошей воспроизводимостью, использованием современного высокотехнологичного оборудования и стандартных методик при тестировании свойств керамик, а также непротиворечивостью данных, полученных с использованием альтернативных взаимодополняющих современных методов исследования.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертация соответствует требованиям паспорта специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» по следующим пунктам: 1. Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления. 2. Теоретическое и экспериментальное исследование физических свойств неупорядоченных неорганических и органических систем, включая классические и квантовые жидкости, стекла различной природы и дисперсные системы. 3. Изучение экспериментального состояния конденсированных веществ (сильное сжатие, ударные воздействия, изменение гравитационных полей, низкие температуры), фазовых переходов в них и их фазовые диаграммы состояния.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях: 60-ой Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности» (г. Витебск 2018); X Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (г. Черноголовка, 2018); IX Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (г. Тамбов 2018); Международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии» (г. Брест 2019); ЬХ1 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (г. Тольятти 2019);

Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (г. Витебск 2020)

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 11 печатных работ (из них 4 в журналах из перечня ВАК, 4 в изданиях Web of Science, Scopus), а также получен 1 патент РФ.

Личный вклад автора в работу. Автор участвовал в формулировке целей, постановке задач исследования, проведении анализа научной литературы, создании необходимых экспериментальных условий. Самостоятельно изготавливал образцы и проводил диагностику их фазового состава и комплекса механических свойств. Принимал активное участие в анализе и интерпретации полученных результатов, написании научных статей, а также формулировке выводов и научных положений, выносимых на защиту.

Благодарности.

Работа выполнена при поддержке РНФ (проект № 16-19-10405) с использованием оснащения ЦКП научным оборудованием ТГУ имени Г.Р. Державина.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 12 6 ссылок. Диссертация изложена на 120 страницах, включает 1 таблицу и 56 рисунков.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПОСВЯЩЕННОЙ ВЗАИМОСВЯЗИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ

ЦИРКОНИЕВЫХ КЕРАМИК

1.1. Этапы развития технологии получения

керамик

К первым историческим примерам керамики можно отнести древнейшие изделия из глины и смесей на ее основе. Обычно эти изделия не подвергали обжигу, а просто высушивали. Позже стали широко применять отжиг глиняных изделий для повышения их твердости, стойкости к воздействию влаги и высоких температур. Изделия из керамики широко применяли в строительстве. Черепица, терракотовые изделия, водопроводные трубы и кирпич изготавливали как в Древней Греции, так и в Древнем Риме. Слово «керамика» имеет древнегреческие корни («керамос» - обожженная глина). Позже, в процессе развития технологии изготовления керамики и различных отраслей промышленности, выделился самостоятельный класс керамики - техническая керамика. С течением времени термин «керамика» стал приобретать все более широкое значение и, кроме традиционных глиняных материалов, в него стали включать материалы, которые получали из оксидов, карбидов, нитридов и др. Во второй половине ХХ-го века с развитием новых отраслей человеческой деятельности техническая керамика находит широкое применение в радиоэлектронике для производства конденсаторов, термисторов и варисторов, подложек для микросхем, в атомной промышленности и ракетостроении [1-4]. В конце ХХ-го века образовался класс конструкционной керамики.

Керамические материалы занимают важное место в современных технологиях благодаря широкому диапазону физических и химических свойств. Керамика химически стабильна и устойчива в высокотемпературной области, где металлы теряют свои свойства. Модуль упругости керамических материалов на порядок величины выше, чем у металлов. Коэффициент термического расширения в зависимости от конкретного керамического материала может сильно варьироваться и даже быть отрицательным. Также широк спектр

керамических материалов с разнообразными электрофизическими свойствами: есть среди керамик как диэлектрики на основе щелочных алюмосиликатов [5], так и проводники (композиция 7Ю2-1и203-У203) [6], сравнимые по удельной проводимости с металлами, и сверхпроводники (керамики на основе УБа2Си307-х)

[7].

Наиболее распространенными компонентами конструкционной и инструментальной керамики являются оксиды алюминия, циркония, нитриды кремния, бора, алюминия, карбиды кремния и бора, их твердые растворы и разнообразные композиты.

Развитие керамических материалов неразрывно связано с улучшением понимания взаимосвязи между их структурой и служебными характеристиками. Контроль структуры позволяет управлять свойствами керамик, в том числе, керамик на основе диоксида циркония. На сегодняшний день, одним из наиболее перспективных направлений развития производства инструментальной керамики является разработка наноструктурированных материалов с характерным размером структурных элементов меньше 100 нм, а также исследование влияния наноструктурирования на служебные характеристики. Переход размеров отдельных составляющих материала в наношкалу обеспечивает условия для появления уникальных физических свойств у наноструктурированных керамик.

1.2. Классификация керамических материалов

Вследствие широкого разнообразия керамик существует несколько подходов к их классификации и использованию. Эти подходы основываются на химическом составе и микроструктуре керамик. С учетом основных свойств и назначения керамик, выделяют традиционную и высококачественную керамику специального назначения. В состав традиционной керамики, как правило, входят глина и кремний. Несмотря на технологическую простоту изготовления и не высокие рабочие характеристики, эта керамика до сих пор находит применение в различных узлах машин и оборудования. Высококачественная керамика, так же называемая технической или инженерной, обладает высокими физико-

механическими свойствами, устойчивостью к коррозии, разрушению, износу и/или замечательными электрическими, магнитными, оптическими характеристиками [8].

Классификация керамики по химическому составу:

1. Оксидная керамика. Данные материалы состоят из чистых оксидов Л1203, $Ю2, 7г02, М^О, СаО, ВеО, ТЮ2, ТЮ2, и02, их механических смесей (7Ю2-Л1203 и др.), твердых растворов, с оксидами редкоземельных металлов, (7г02-У203, 7г02-MgO и др.), химических соединений (муллит 3Al20зx2SЮ2 и др.) [9].

2. Безоксидная керамика. Этот класс составляют материалы на основе карбидов, нитридов, боридов, силицидов, фосфидов, арсенидов и халькогенидов (кроме оксидов) переходных металлов и неметаллов Ш-У1 групп периодической системы.

Классификация керамики по назначению:

1. Строительная керамика.

2. Тонкая керамика.

3. Химически стойкая керамика.

4. Огнеупорная керамика.

5. Инженерная керамика.

Наиболее высокие требования к совокупности свойств и их стабильности предъявляются к инженерной керамике. Разработка технологии изготовления инженерной керамики, с заданными свойствами, наиболее наукоемка, и потому вызывает наибольший интерес со стороны материаловедов.

Инженерная керамика объединяет материалы, применяемые в различных областях современной техники, которые можно разделить на следующие группы:

1. Конструкционная керамика.

2. Инструментальная керамика.

3. Электрорадиотехническая керамика.

4. Керамика с особыми свойствами.

Часто керамические материалы условно делят на «традиционные» и «новые». Традиционная керамика используется в давно сложившихся областях

применения: строительстве, металлургической и химической промышленности. Термин «новая керамика» отражает использование керамики в машиностроении, авиационной, космической промышленности в качестве конструкционного и инструментального материала, а также в электронике.

1.3. Области применения керамических материалов

Номенклатура изделий из керамики весьма разнообразна: от строительных материалов (кирпич, облицовочная плитка и пр.) до электроники (электронные и магнитные компоненты). Разнообразие практических приложений основано на широкой вариативности свойств, демонстрируемой керамикой. Некоторые из этих свойств перечислены в Таблице 1 вместе с примерами конкретной керамики и ее применений [10]. Функционал изделий из керамики в первую очередь определяется ее химическим составом и микроструктурой. Установление и использование взаимосвязи между составом, структурными особенностями и свойствами керамики является одной из ключевых задач материаловедения и инженерии.

Керамика - пример высокотемпературного материала, который используется вследствие его жаропрочности и устойчивости к коррозии или окислению при температурах выше 500 °С. Потребность в высокотемпературных материалах была реализована в различных отраслях промышленности, включая высокотемпературную механическую обработку, производство и обработку материалов, химическое машиностроение, высокотемпературные ядерные реакторы, аэрокосмическую промышленность, производство и транспортировку электроэнергии, и многое другое.

Благодаря уникальному сочетанию свойств инженерная керамика нашла применение в самых разнообразных областях от машиностроения до космонавтики: шарикоподшипники, автомобильные клапаны и режущие элементы на основе 313К4, модули твердооксидных топливных элементов и многое другое. Существует явная потребность в материалах, которые могут выдерживать температуры более 1500 °С. Такие керамики находят применение

при изготовлении входных форсунок в ракетах или гиперзвуковых космических аппаратах [11].

Таблица 1. Области применений керамик в зависимости от их свойств

Свойства Пример Применение

Электропроводящие Б^Ки207 Проводящий компонент в толстопленочных резисторах

Легированный 7Ю2 Электролит в твердооксидных топливных элементах

Элементы печи для резистивного нагрева

Электроды для электрических стекловаренных печей

Диэлектрические а-А1203 Изолятор свечи зажигания

Печной кирпич

(Ба, 8г)Т103 Динамические оперативные запоминающие устройства

PbZr0.5Ti0.5O3 (Р/Т) Микронасос

Магнитные у-Ре203 Записывающие ленты

Мдо.4/по.бБе204 Ядра трансформатора в телефонах с тональным набором

БаРе12019 Постоянные магниты в динамиках

Оптические Легированный SiO2 Оптическое волокно

Легированный ZrSi04 Керамическая краска

Легированный (/п,Сё)Б Люминесцентные экраны для электронных микроскопов

Механические ™ Износостойкие покрытия

SiC Абразивы для полировки

SiзN4 Компоненты двигателя

А1,03 Бедренные имплантаты

Существует огромная промышленная потребность в новых материалах с высокими трибологическими свойствами. Эта потребность реализуется в металлообрабатывающей промышленности, в подшипниках, шестернях, направляющих клапанов в двигателях, часто эксплуатируемых в агрессивных средах и т.д. Также благодаря своей ионной и/или ковалентной связи керамический материал имеет полезную комбинацию физико-механических свойств (модуля упругости, твердости и прочности) и коррозионной стойкости. Во многих конструкционных и трибологических приложениях керамика обладает большим потенциалом замены существующих материалов для ряда трущихся пар, таких как уплотнительные кольца, седла клапанов, экструзионные матрицы, режущие инструменты, подшипники и гильзы цилиндров.

1.4. Керамика на основе диоксида циркония

До 1975 года чистый диоксид циркония (/Ю2) представлял незначительный интерес в качестве конструкционной или инженерной керамики, и его использование было ограничено огнеупорным применением. Это обусловлено спонтанным тетрагонально-моноклинным (/-т) фазовым превращением, которое происходит в чистом 7г02 при охлаждении и сопровождается увеличением объема. Такое изменение объема может привести к катастрофическому разрушению и, как следствие, к ненадежности конструкции изготавливаемых деталей. Ситуация изменилась после открытия эффекта трансформационного упрочнения в циркониевой керамике. Это открытие позволило использовать материалы на основе /г02 не только в качестве высокотемпературных огнеупоров и ионных проводников в твердотельных топливных элементах, но и в качестве конструкционной керамики с высокими значениями прочности (по сравнению с традиционными керамиками), вязкости разрушения, износостойкости и сопротивления термическому шоку.

Стабилизация тетрагональной фазы при комнатной температуре может привести к следующим формам диоксида циркония:

1. Частично стабилизированный диоксид циркония (PSZ) - диоксид циркония, состоящий из матрицы в виде кубической фазы с-/г02 с диспергированными частицами тетрагональной фазы ?-/г02. В этом случае частицы ?-/г02 могут образовываться либо в чистом виде, либо с добавлением Са2+ (Ca-PSZ) или Mg2+ ^-РБ/).

2. Поликристаллы тетрагонального диоксида циркония (TZP) - диоксид циркония, состоящий из матрицы, стабилизированной в тетрагональной форме с добавлением легирующих примесей, таких как Се (Ce-TZP) и Y (У-Т/Р).

3. Полностью стабилизированный диоксид циркония (FSZ) - диоксид циркония, стабилизированный в кубической фазе.

Фазовый состав циркониевой керамики, как и микроструктура, оказывает существенное влияние на ее свойства. Существует несколько методов стабилизации фазового состава керамики на основе ZrO 2, основным из которых является легирование ZrO2 оксидами гетеровалентных металлов.

Физические механизмы стабилизации неравновесных фаз ZrO2 посредством образования твердых растворов с указанными выше оксидами металлов на сегодняшний день изучены достаточно детально [12-15]. Считается, что на стабильность тетрагональной и кубической фаз диоксида циркония при комнатной температуре существенное влияние оказывает присутствие кислородных вакансий, вносимых легирующим оксидом [16, 17], а также сами легирующие ионы, различающиеся валентностью и ионным радиусом [16, 18]. При введении стабилизирующих оксидов со сравнительно большими ионными радиусами, образующиеся кислородные вакансии связаны с четырехвалентными ионами циркония. Примером таких оксидов могут являться Y203, 0ё203, Се02 и др. Легирование оксидами со сравнительно малыми ионными радиусами приводит к образованию связей кислородных вакансий с парой примесных ионов. Обе эти конфигурации оказываются выгодными для семикоординированных ионов кислорода в окресности Zr4+, что способствует стабилизации фаз ¿-/г02 и с-/г02 при комнатной температуре. Многочисленные эксперименты показывают, что для стабилизации неравновесных фаз диоксида циркония наиболее

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Жигачева Дарья Геннадиевна, 2020 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Basu, B. Advanced structural ceramics / B. Basu, K. Balani. - Wiley, 2011.

- P. 173-214.

2. Kajihara, K. Yoshizawa Y., Sakuma T. The enhancement of superplastic flow in tetragonal zirconia polycrystals with SiO2-doping / K. Kajihara, Y. Yoshizawa, T. Sakuma // Acta Metallurgica et Materialia. - 1995. - V.43. - P.1235-1242.

3. Zhigachev, A.O. The effect of silica content on microstructure and mechanical properties of calcia-stabilized tetragonal zirconia polycrystalline ceramic / A.O. Zhigachev, V.V. Rodaev, A.V. Umrikhin, Yu.I. Golovin // Ceramics International.

- 2019. - V. 45. - P. 627-633.

4. Масленникова, Г.Н. Керамические материалы / Г.Н. Масленникова, Р.А. Мамаладзе, С. Мидзута, К. Коумото. - Москва: Стройиздат, 1991. - 320 с.

5. Белинская, Г.В. Технология электровакуумной и радиотехнической керамики / Г.В. Белинская, Г.А. Выдрик. - Москва: Энергия, 1997. - 336 с.

6. Brune, A. The electrical conductivity of yttria-stabilized zirconia prepared by precipitation from inorganic aqueous solutions / A. Brune, M. Lajavardi, D. Fisler, J.B. Wagner // Solid State Ionics. - 1998. - V. 106. - №. 1. - P 89-101.

7. Шаплыгин, И.С. Сверхпроводящая керамика / И.С. Шаплыгин, В.Б. Лазарев. - Издательство: Химия, 1989. - 48 с.

8. Матренин, С.В. Техническая керамика / С.В. Матренин, А.И. Слосман. - Томск: Томский политехнический институт, 2004. - 74 с.

9. Niepce, J.C. Ceramic Materials: Processes, Properties and Applications / J.C. Niepce, P. Boch. - ISTE, 2007. - P. 29-50.

10. Carter, C.B. Ceramic Materials: Science and Engineering / C.B. Carter, M.G. Norton. - Springer, 2007. - P. 4-7.

11. Riedel, R. Ceramics Science and Technology / R. Riedel, I.W. Chen // Applcations. Wiley-VCH. - 2013. - V. 4. - P. 15-16.

12. Nettleship, I. Tetragonal Zirconia Polycrystals (TZP) — a review / I. Nettleship, R. Stevens // International Journal of High Technology. - 987. - V. 3. - P. 1-32.

13. Basu, B. Transformation behaviour of tetragonal zirconia: role of dopant content and distribution / B. Basu, J. Vleugels, O. Van der Biest // Materials Science and Engineering. - 2004. - V. A366. - P. 338-347.

14. Evans, A.G. Toughening of brittle solids by martensitic transformations / A.G. Evans, R.M. Cannon // Acta Metallurgica. - 1986. - V. 34. - № 5. - P. 761-800.

15. Deville, S. Martensitic transformation in zirconia Part I. Nanometer scale prediction and measurement of transformation induced relief / S. Deville, G. Guernin, J. Chevalier // Acta Materialia. - 2004. - V. 52. - P. 5697-5707.

16. Li, P. Effect of dopants on zirconia stabilization - an XRay absorption study: I, trivalent dopants / P. Li, I.W. Chen, J.E. Penner-Hahn // Journal of the American Ceramic Society. - 1994. - V. 77. - № 1. - P. 118-128.

17. Guo, X. Property degradation of tetragonal zirconia induced by low-temperature defect reaction with water molecules // Chemistry of Materials. - 2004. -V. 16. - № 21. - P. 3988-3994.

18. Li, P. Effect of dopants on zirconia stabilization - an XRay absorption study: II, tetravalent dopants / P. Li, I.W. Chen, J.E. Penner-Hahn // Journal of the American Ceramic Society. - 1994. - V. 77. - № 5. - P. 1281-1288.

19. Kelly, P.M. The martensitic transformation in ceramics — its role in transformation toughening / P.M. Kelly, L.R. Francis Rose // Progress in Materials Science. - 2002. - V. 47. - P. 462-557.

20. Abbas, H.A. Structural Properties of Zirconia Doped with Some Oxides / H.A. Abbas, F.F. Hamad, A.K. Mohamad, Z.M. Hanafi, M. Kilo // Diffusion Fundamentals. - 2008. - V. 8. - P. 7.1-7.8.

21. Pouchly, V. Sintering kinetic window for yttria-stabilized cubic zirconia / V. Pouchly, K. Maca // Journal of the European Ceramic Society. - 2016. - V. 36. - № 12. - P. 2931-2936

22. Cutler, R.A. Sintering and characterization of polycrystalline monoclinic, tetragonal, and cubic zirconia / R.A. Cutler, J.R. Reynolds, A. Jones // Journal of the American Ceramic Society. - 1992. - V. 75. - №8. - P. 2173-2183.

23. Koehler, E.K. The structure and properties of refractory zirconia ceramics I. Fundamental investigations: an annotated bibliography of research works carried out in the USSR // Ceramics International. - 1984. - V. 10. - № 1. - P. 3-13.

24. Badwal, S.P.S. Zirconia-based solid electrolytes: microstructure, stability and ionic conductivity // Solid State Ionics. - 1992. - V. 52. - № 1-3. - P. 23-32.

25. Scott, H.G. Phase relationships in the zirconia-yttria system // Journal of Materials Science. - 1975. - V. 10. - № 9. - P. 1527-1535.

26. Grain, C.F. Relations in the ZrO2-MgO System // Journal of the American Ceramic Society. - 1967. - V. 50. - № 6. - P. 288-290.

27. Stubican, V.S. Phase equilibria and ordering in the system ZrO2-CaO / V.S. Stubican, S.P. Ray // Journal of the American Ceramic Society. - 1977. -V. 60. -№ 11-12. - P. 534-537.

28. Bocanegra-Bernal, M.H. Phase transitions in zirconium dioxide and related materials for high performance engineering ceramics / M.H. Bocanegra-Bernal, S.D.D.L. Torre // Journal of Materials Science. - 2002. - V. 37. - № 3. - P. 4947-4971.

29. Cao, X.Q. Ceramic materials for thermal barrier coatings / X.Q. Cao, R. Vassen, D. Stoever // Journal of the European Ceramic Society. - 2004. - V. 24. - № 1. - P. 1-10.

30. Porter, D.L. Transfomration-toughening in partially-stabilized zirconia (PSZ) / D.L. Porter, A.G. Evans, A.H. Heuer // Acta Metallurgica. - 1979. - V. 27. - № 10. - P. 1659-1654.

31. Garvie, R.C. The occurrence of metastable tetragonal zirconia as a crystallite size effect // The Journal of Physical Chemistry. - 1965. - V. 69. - № 4. - P. 1238-1248.

32. Steffen, A.A. Cyclic fatigue life and crack-growth behavior of microstructurally small cracks in magnesia-partially stabilized zirconia ceramics / A.A. Steffen, R.H. Dauskardt, R.O. Ritchie // Journal of the American Ceramic Society. -1991. - V. 74. - № 6. - P. 1259-1268.

33. Gupta, T.K. Stabilization of tetragonal phase in polycrystalline zirconia / T.K. Gupta, J.H. Bechtold, R.C. Kuznicki, et al. // Journal of Materials Science. - 1977. - V. 12. - № 12. - P. 2421-2426.

34. Song, J.Y. Fracture strength and microstructure of Y-TZP zirconia after different surface treatments / J.Y. Song, S.W. Park, K. Lee et al. // The Journal of prosthetic dentistry. - 2013. - V. 110. - № 4. - P. 274-280.

35. Attaoui, El.H. Static and cyclic crack propagation in Ce-TZP ceramics with different amounts of transformation toughening / H.El. Attaoui, M. Saadaoui, J. Chevalier et al. // Journal of the European Ceramic Society. - 2 007. - V. 27. - № 2-3. -P. 483-486.

36. Labuz, A. Processing and characterization of Ca-TZP nanoceramics / A. Labuz, R. Lach, M. Raczka et al. // Journal of the European Ceramic Society. - 2015. -V. 34. - № 14. - P. 3943-3947.

37. Boulc'h, F. Dopant size effect on structural and transport properties of nanometric and single-phased TZP / F. Boulc'h, L. Dessemond, E. Djurado // Solid State Ionic. - 2002. - V. 154-155. - P. 143-150.

38. Becher, P.F. Grain-size-dependent transformation behavior in polycrystalline tetragonal zirconia / P.F. Becher, M.V. Swain // Journal of the American Ceramic Society. - 1992. - V. 75. - № 3. - P. 493-502.

39. Kim, D.J. Effect of Ta2O5, Nb2O5 and HfO2 alloying on the transformability of Y2O3-stabilized tetragonal ZrO2 // Journal of the American Ceramic Society. - 1990. - V. 73. - № 1. - P. 115-120.

40. Bravo-Leon, A. Fracture toughness of nanocrystalline tetragonal zirconia with low yttria content / A. Bravo-Leon, Y. Morikawa, M. Kawahara et al. // Acta Materialia. - 2002. - V. 50. - P. 4555-4562.

41. Carter, C.B. Ceramic materials, 2nd ed. / C.B. Carter, M.G. Norton. -Springer, 2013. - 775 pp.

42. Rice, R.W. Ceramic fabrication technology / R.W. Rice. - Marcel Dekker, 2003. - 376 pp.

43. Kang, S.J.L. Sintering / S.J.L. Kang. - Elsevier Butterworth-Heinemann,

2005. - 280 pp.

44. Rahaman, M.N. Ceramic processing and sintering. // CRC Press, 2003. -770 pp.

45. Borrell, A. Microwave sintering of zirconia materials: mechanical and microstructural properties / A. Borrell, M.D. Salvador, F.L. Penaranda-Foix et al. // International Journal of Applied Ceramic Technology. - 2013. - V. 10. - № 2. - P. 313320.

46. Wang, J. Evidence for the microwave effect during hybrid sintering / J. Wang, J. Binner, B. Vaidhyanathan et al. // Journal of the American Ceramic Society. -

2006. - V. 89. - № 6. - P. 1977-1984.

47. Nightingale, S.A. Sintering and grain growth of 3 mol% yttria zirconia in a microwave field / S.A. Nightingale, D.P. Dunne, H.K. Worner // Journal of Materials Science. - 1996. - V. 31. - № 19. - P. 5039-5043.

48. Жигачев, А.О. Керамические материалы на основе диоксида циркония / А.О. Жигачев, Ю.И. Головин, А.В. Умрихин, В.В. Коренков, А.И. Тюрин, В.В. Родаев, Т.А. Дьячек. - Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2018. - 358 с.

49. Nygren, M. On the preparation of bio-, nano- and structural ceramics and composites by spark plasma sintering / M. Nygren, Z. Shen // Solid State Sciences. -2003. - V. 5. - № 1. - P. 125-131.

50. Bernard-Granger, G. Spark plasma sintering of a commercially available granulated zirconia powder: I. Sintering path and hypotheses about the mechanism(s) controlling densification / G. Bernard-Granger, A. Addad, G. Fantozzi et al. // Acta Materialia. - 2010. - V. 58. - № 9. - P. 3390-339.

51. Chen, I.W. Sintering dense nanocrystalline ceramics without finalstage grain growth / I.W. Chen, X.H. Wang // Nature. - 2000. - № 404. - P. 168-171.

52. Wang, X.H. Two-step sintering of ceramics with constant grain-size II: BaTiO3 and Ni-Cu-Zn ferrite / X.H. Wang, X.Y. Deng, H.L. Bai, Z. Zhou, W.G. Qu, L.T. Li, IW. Chen // Journal of the American Ceramic Society. - 2006. - № 89. - P. 438-443.

53. Binner, J. Dense nanostructured zirconia by two stage conventional/hybrid microwave sintering / J. Binner, K. Annapoorani, A. Paul, I. Santacruz, B. Vaidhyanathan // Journal of the European Ceramic Society. - 2008. - № 28. - P. 973977.

54. Mazaheri, M. Two -step sintering of nanocrystalline ZnO compacts: effect of temperature on densification and grain growth / M. Mazaheri, A.M. Zahedi, S.K. Sadrnezhaad // Journal of the American Ceramic Society. - 2008. - № 91. - P. 56-63.

55. Huang, Y.H. Fabrication of transparent lanthanum-doped yttria ceramics by combination of two-step sintering and vacuum sintering / Y.H. Huang, D.L. Jiang, J.X. Zhang, Q.L. Linz // Journal of the American Ceramic Society. - 2009. - № 92. - P. 2883-2887.

56. Li, D. Preparation of dense nanostructured titania ceramic using two step sintering / D. Li, S.O. Chen, W.Q. Shao, et al. // Materials Technology. - 2010. - № 25.

57. Yang, D.Y. Suppression of abnormal grain growth in WC-Co via two-step liquid phase sintering / D.Y. Yang, D.Y. Yoon, S.J.L. Kang // Journal of the American Ceramic Society. - 2011. - № 94. - P. 1019-1024.

58. Basu, B. Advanced structural ceramics / B. Basu, K. Balani. - Wiley, 2011. - P. 173-214.

59. Hazar, S. Modeling of steady-state crack growth in shape memory alloys using a stationary method / S. Hazar, W. Zaki, Z. Moumni, G. Anlas // International Journal of Plasticity. - 2015. - V. 67. - P. 26-38.

60. Wang, Q.J. Encyclopedia of Tribology / Q.J. Wang, Y.W. Chung. -Springer, 2013. - PP. 596-605.

61. Stawarczyk, B. The effect of zirconia sintering temperature on flexural strength, grain size, and contrast ratio / B. Stawarczyk, M. Ozcan, L. Hallman, A. Ender, A. Mehl, C.H.F. Hammerlet // Clinical Oral Investigations. - 2013. - V. 17. - № 1. - P. 269-274.

62. Chevalier, J. The tetragonal-monoclinic transformation in zirconia: lessons learned and future trends / J. Chevalier, L. Gremmilard, A.V. Virkar, D.R. Clarke // Journal of the American Ceramic Society. - 2009. - V. 92. - № 9. - P. 1901-1920.

63. Heuer, A.H. Transformation toughening in zirconia-containing ceramics // Journal of the American Ceramic Society. - 1987. - V. 70. - № 10. - P. 689-698.

64. Ang, S.F. Sub-10-micrometer toughening and crack tip toughness of dental enamel / S.F. Ang, A. Schulz, R.P. Fernandes, G.A. Schneider // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2011. - V. 4. - № 3. - P. 423-432.

65. Zhang, F. Effect of micro-alumina content on mechanical properties of Al2O3/3Y-TZP composites / F. Zhang, L.-F. Li, E.-Z. Wang // Ceramics International.

- 2015. - V. 41. - P. 12417-12425.

66. Lee, J.-K. Influence of dispersed-alumina particle size on the fracture toughness of 3 mol% yttria-stabilized zirconia polycrystals (3Y-TZP) / J.-K. Lee, M.-J. Kim, E.-G. Lee // Journal of Materials Science Letters. - 2002. - V. 21. - № 3. - P. 259261.

67. Kan, Y.M. The intrinsic toughening mechanisms in ceramic composites and their effecting factors / Y.M. Kan, X.H. Jin // Journal of Ceramics. - 1998. - № 19.

- P. 221-224.

68. Roya, S. Internal load transfer in an interpenetrating metal/ceramic composite material studied using energy dispersive synchrotron X-ray diffraction / S. Roya, J. Gibmeiera, K.G. Schellc, E.C. Bucharskyc, K.A. Weidenmanna, A. Wannera, M.J. Hoffmann // Materials Science and Engineering. - 2019. - V. 753. - P. 247-252.

69. Ghaemi, M.H. Zirconia ceramics with additions of alumina for advanced tribological and biomedical applications / M.H. Ghaemi, S. Reichert, A. Krupa, et al. // Ceramics International. - 2017. - V. 43. - № 13. - P. 9746-9752.

70. Abdullah, M. Effect of sintering temperature on properties of Al2O3 whisker reinforced 3 mol% Y2O3 stabilized tetragonal ZrO2 (TZ-3Y) nanocomposites / M. Abdullah, J. Ahmad, M. Mehmood // Composites Part B: Engineering. - 2012. - V. 43. - № 4. - P. 1785-1790.

71. Lin, G.Y. Microstructure and mechanical properties of SiC whisker reinforced ZrO2 (2 mol% Y2O3) based composites / G.Y. Lin, T.C. Lei, S.X. Wang, Y. Zhou // Ceramics International. - 1996. - V. 22. - №3. - P. 199-205.

72. Akimune, Y. Mechanical-properties and microstructure of an air-annealed SiC-whisker/Y-TZP composite / Y. Akimune, Y. Katano, Y. Shichi // Advanced Ceramic Materials. - 1988. - V.3. - № 2. - P. 42-138.

73. Abdullah, M. Influence ofAl2O3 whisker concentration on flexural strength of Al2O3(w)-ZrO2 (TZ-3Y) composite / M. Abdullah, J. Ahmad, M. Mehmood // Ceramics International. - 2012. - V. 38. - P. 6517-6523.

74. Dianguang, L. SiC whisker reinforced ZrO2 composites prepared by flash-sintering / L. Dianguang, G. Yan, L. Jinling, L. Kai, L. Fangzhou, W. Yiguang, A. Linan // Journal of the European Ceramic Society. - 2016. - V. 36. - P. 2051-2055.

75. Zuo, F. Influence of whisker-aspect-ratio on densification, microstructure and mechanical properties of Al2O3 whiskers-reinforced CeO2-stabilized ZrO2 composites / F. Zuo, F. Meng, D.-T. Lin, J.-J. Yu, H.-J. Wang, et al. // Journal of the European Ceramic Society. - 2018. - V 38. - P. 1796-1801.

76. Valérie, L. Elastic and Creep Properties of Alumina-Based Single Fibers / L.Valérie, B. Jacques, B. Marie-Hélène, R.B. Anthony // Journal of the American Ceramic Society. - 1995. - V. 78. - P. 3081-3087.

77. Lughi, V. Low-temperature transformation kinetics of electron-beam deposited 5 wt. % yttria-stabilized zirconia / V. Lughi, D.R. Clarke // Acta Materialia. -2007. - V. 55. - № 6. - P. 2049-2055.

78. Hadjipanayis, G.C. Science and Technology of Nanostructured Magnetic Materials / G.C. Hadjipanayis, G.A. Prinz. - Springer, 2013. - PP. 477-582.

79. Han, B.Q. Mechanical properties of nanostructured materials / B.Q. Han, E.J. Lavernia, F.A. Mohamed // Reviews on advanced materials science. - 2005. - V. 9. - № 1. - P. 1-16.

80. Khalaf, M.M. Nanostructured materials: importance, synthesis and characterization - a review / M.M. Khalaf, H.G. Ibrahimov, E.H. Ismailov // Journal of Chemistry. - 2012. - V. 2. - № 3. - P. 118-125.

81. Depprich, R. Current findings regarding zirconia implants / R. Depprich, C. Naujoks, M. Ommerborn et al. // Clinical Implant Dentistry and Related Research. -2014. - V. 16. - № 1. - P. 124-137.

82. Chevalier, J. Low-temperature degradation of zirconia and implications for biomedical implants / J. Chevalier, L. Gremmilard, S. Deville // Annual Review of Materials Research. - 2007. - V. 37. - P. 1-32.

83. Pereira, G.K.R. Mechanical behavior of a Y-TZP ceramic for monolithic restorations: effect of grinding and low-temperature aging / G.K.R. Pereira, T. Silvestri, R. Camargo, M.P. Rippe et al. // Materials Science and Engineering C. - 2016. - V. 63. - № 1. - P. 70-77.

84. Lughi, V. High temperature aging of YSZ coatings and subsequent transformation at low temperature / V. Lughi, D.R. Clarke // Surface and Coatings Technology. - 2005. - V. 200. - № 5-6. - P. 1287-1291.

85. Schubert, H. Stability of Y-TZP during hydrothermal treatment: neutron experiments and stability considerations / H. Schubert, F. Frey // Journal of the European Ceramic Society. - 2005. - V. 25. - № 9. - P. 1597-1602.

86. Gaillard, Y. Quantification of hydrothermal degradation in zirconia by nanoindentation / Y. Gaillard, E. Jimenez-Pique, F. Soldera, F. Mucklich, M. Anglada // Acta Materialia. - 2008. - V. 56. - № 16. - P. 4206-4216.

87. Sequeira, S. Development and characterization of zirconia-alumina composites for orthopedic implants / S. Sequeira, M.H. Fernandes, N. Neves, M.M. Almeida // Ceramics International. - 2017. - V. 43. - № 1. - P. 693-703.

88. Santos, C. Mechanical properties and cytotoxicity of 3Y-TZP bioceramics reinforced with Al2O3 particles / C. Santos, L.H.P. Teixeira, J.K.M.F. Daguano, S.O. Rogero et al. // Ceramics International. - 2009. - V. 35. - № 2. - P. 709-718.

89. Lucas, T.J. Effect of grain size on the monoclinic transformation, hardness, roughness, and modulus of aged partially stabilized zirconia / T.J. Lucas, N.C. Lawson, G.M. Janowski, J.O. Burgess // Dental Materials Journal. - 2015. - V. 31. - № 12. - P. 1487-1492.

90. Jiang, L. Effect of sintering temperature on mechanical properties of magnesia partially stabilized zirconia refractory / L. Jiang, S. Guo, Y. Bian, M. Zhang, W. Ding // Ceramics International. - 2016. - V. 42. - № 9. - P. 10593-10598.

91. Zhai, H.Z. Preparation of tetragonal zirconia containing titanium nitride powder by in-situ selective nitridation / H.Z. Zhai, J.B. Li, S.X. Zhang, Y.J. Chen, B. Zhang // Journal of the European Ceramic Society. - 2001. - V. 11. - № 4. - P. 10921095.

92. Shi, J.L. Boundary stress and its effect on toughness in thin boundary layered and particulate composites: model analysis and experimental tests on Y-TZP-based ceramic composites / J.L. Shi, L. Li, J.K. Guo // Journal of the European Ceramic Society. - 1998. - V. 18. - № 14. - P. 2035-2043.

93. Basu, B. ZrO2-Al2O3 composites with tailored toughness / B. Basu, J. Vleugels, O.V. der Biest // Journal of Alloys and Compounds. - 2004. - V. 372. - № 12. - P. 278-284.

94. Chen, T. Threshold stress superplastic behavior and dislocation activity in a three-phase alumina-zirconia-mullite composite / T. Chen, F.A. Mohamed, M.L. Mecartney // Acta Materialia. - 2006. - V. 54. - P. 4415.

95. Qiang, Q. Reactive hot pressing and sintering characterization of ZrB2-SiC-ZrC composites / Q. Qiang, Z. Xinghong, M. Songhe, H. Wenbo et al. // Materials Science and Engineering. - 2008. - V. 491. - P. 117.

96. Zanelli, C. Phase composition of alumina-mullite-zirconia refractory materials / C. Zanelli, M. Dondi, M. Raimondo, G. Guarini // Journal of the European Ceramic Society. - 2010. - V.30. - P. 29-35.

97. Asmelash, G.M. Processing and characterisation of Al2O3SiO2ZrO2 composite material / G.M. Asmelash, O. Mamat // International Journal Microstructure and Materials Properties. - 2012. - V. 7.

98. Gremillard, L. Microstructural study of silica-doped zirconia ceramics / L. Gremillard, T. Epicier, J. Chevalier, G. Fantozzi // Acta Materialia. - 2000. - V.48. - P. 4647-4652.

99. Kwon, S. Thermodynamic modeling of the CaO-SiO2-ZrO2 system coupled with key phase diagram experiments / S. Kwon, W.Y. Kim, P. Hudon, I.-H. Jung // Journal of the European Ceramic Society. - 2017. - V. 37. - P. 1095-1104.

100. Chevalier, J. Critical effect of cubic phase on aging in 3 mol% yttria-stabilized zirconia ceramics for hip replacement prosthesis / J. Chevalier, S. Deville, E. Münch, R. Jullian, F. Lair // Biomaterials. - 2004. - V. 25. - P. 5539-5545.

101. Will, G. Powder Diffraction: The Rietveld Method and the Two-Stage Method / G. Will. - Springer, 2006. - PP. 41-72.

102. Cheary, R.W. Fundamental parameters line profile fitting in laboratory diffractometers / R.W. Cheary, A.A. Coelho, J.P. Cline // Journal of research of the National Institute of Standards and Technology. - 2004. - V. 109. - № 1. - P. 1-25.

103. Hammond, C. The Basics of Crystallography and Diffraction. 3rd edition / C. Hammond. - Oxford University Press. - 2001. - PP. 210-214.

104. Anstis, G.R. A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: I, direct crack measurements / G.R. Anstis, P. Chantikul, B.R. Lawn, D.B. Marshall // Journal of the American Ceramic Society. - 1981. - V. 64. -№ 9. - P. 533-538.

105. Дмитриевский, А.А. Влияние содержания корунда и температуры спекания на механические свойства керамических композитов CaO-ZrO 2-Al2O3 / А.А. Дмитриевский, А.И. Тюрин, А.О. Жигачев, Д.Г. Гусева, П.Н. Овчинников // Письма в журнал технической физики. - 2018. - Т. 44. - № 4. - С. 25-33.

106. Sibil, A. Microcracking of high zirconia refractories after Wm phase transition during cooling: An EBSD study / A. Sibil, T. Douillard, C. Cayron, N. Godin, M. R'mili, G. Fantozzi // Journal of the European Ceramic Society. - 2001. - V. 31. -№ 9. - P. 1525-1531.

107. Жигачева, Д.Г. Влияние соотношения концентраций диоксида циркония и оксида алюминия на структуру, фазовый состав и пористость композиционной керамики ZrO2(CaO) - Al2O3 / Д.Г. Жигачева, А.А. Дмитриевский, А.И. Тюрин, А.О. Жигачев, Н.Ю. Ефремова, Т.А. Лапшева, А.А. Столяров // Вестник ТГУ (серия естественные и технические науки). - 2018. - Т. 23. - №.122. - С.95 - 98.

108. Дмитриевский, А.А. Влияние содержания корунда на механические свойства композиционной керамики ZrO2(CaO) - Al2O3 / А.А. Дмитриевский, Д.Г.

Жигачева, А.О. Жигачев, А.И. Тюрин, А.Д. Вишняков, П.Н. Овчинников // Вестник ТГУ (серия естественные и технические науки). - 2018. - Т. 23. - №.122. - С. 81-84.

109. Дмитриевский, А.А. Структура и механические свойства композиционной керамики CaO-ZrO2-Al2O3 при малых концентрациях корунда / А.А. Дмитриевский, А.О. Жигачев, Д.Г. Жигачева, А.И. Тюрин // Журнал технической физики. - 2019. - Т. 89. - № 1. - С. 107-111.

110. Пат. 2701765 Российская Федерация, МПК C04B 35/486, B82Y 40/00. Способ получения наноструктурированной композиционной керамики на основе оксидов циркония, алюминия и кремния/ А.А. Дмитриевский, Д.Г. Жигачева, А.О. Жигачев, А.И. Тюрин, В.М. Васюков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО ТГУ имени Г.Р. Державина. - №2018134249; заявл. 27.09.2018; опубл. 01.10.2019, Бюл. №28

111. Дмитриевский, А.А. Механические свойства композиционной керамики ZrO2(CaO) - Al2O3 с различным содержанием корунда / А.А. Дмитриевский, Д.Г. Жигачева, А.О. Жигачев, А.И. Тюрин, А.Д. Вишняков, А.А. Топчий // Актуальные проблемы прочности - 2018: материалы 60-ой Международной научной конференции. - г. Витебск, Белоруссия, 2018.

112. Дмитриевский, А.А. Влияние примеси SiO2 на комплекс механических свойств композиционной керамики CaO-ZrO2+Al2O3 / А.А. Дмитриевский, Д.Г. Жигачева, А.И. Тюрин, Н.Ю. Ефремова, Г.В. Григорьев, В.М. Васюков // Международный симпозиум «Перспективные материалы и технологии» - Брест, Белоруссия, 2019.

113. Дмитриевский, А.А. Влияние диоксида кремния на стабильность фазового состава и механические свойства циркониевой керамики, упрочненной оксидом алюминия / А.А. Дмитриевский, Д.Г. Жигачева, В.В. Родаев // Журнал технической физики. - 2020. - Т. 90. - № 12. - С. 2108-2117.

114. Головин, Ю.И. Наноиндентирование и механические свойства твердых тел в субмикрообъемах, тонких приповерхностных слоях и пленках // Физика твердого тела. - 2008. - Т. 50. - С. 2113-2142.

115. Arciniegas, M. Thermoelastic phase transformation in TiNi alloys under cyclic instrumented indentation / M. Arciniegas, Y. Gaillard, J. Pen~a, J.M. Manero, F.J. Gil // Intermetallics. - 2009. - V. 17. - P. 784-791.

116. Kurpaska, L. Influence of Ar-ion implantation on the structural and mechanical properties of zirconia as studied by Raman spectroscopy and nanoindentation techniques / L. Kurpaska, J. Jasinski, E. Wyszkowska, K. Nowakowska-Langier, M. Sitarz // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. - 2018. - V. 195. - P. 184-190.

117. Дмитриевский, А.А. Стойкость фазового состава и механических свойств наноструктурированных композиционных керамик на основе CaO-ZrO2 к гидротермальным воздействиям / А.А. Дмитриевский, Д.Г. Жигачева, Н.Ю. Ефремова, А.В. Умрихин // Российские нанотехнологии. - 2019. - Т. 14. - № 3-4. -С. 39-45.

118. Дмитриевский, А.А. Фазовый состав и механические свойства циркониевой керамики, упрочненной корундом, и их стойкость к гидротермальным воздействиям / А.А. Дмитриевский, Д.Г. Жигачева, А.О. Жигачев, Н.Ю. Ефремова, А.В. Умрихин, Г.В. Григорьев // Актуальные проблемы прочности: материалы LXI Международной конференции. - Тольятти, 2019.

119. Дмитриевский, А.А. Механические свойства и стойкость композиционной керамики ZrO2(CaO)-Al2O3 к гидротермальным воздействиям / А.А. Дмитриевский, Д.Г. Жигачева, А.И. Тюрин, А.В. Умрихин, П.Н. Овчинников // Фазовые превращения и прочность кристаллов: материалы X Международной конференции. - Черноголовка, 2018.

120. Kosma^c, T. Ageing of dental zirconia ceramics / T. Kosma^c, A. Kocjan // Journal of the European Ceramic Society. - 2012. - V. 32 - P. 2613-2622.

121. Aksay, I.A. Stable and metastable equilibria In The SiO2 -Al2O3 system / I.A. Aksay, J.A. Pask // Journal of the American Ceramic Society. - 1974. - V. 11. - P. 69-71.

122. Zhigachev, A.O. The effect of silica content on microstructure and mechanical properties calcia-stabilized tetragonal zirconia polycrystalline ceramic /

A.O. Zhigachev, V.V. Rodaev, A.V. Umrikhin, Yu.I. Golovin // Ceramics International. - 2019. - V. 45. - P. 627-633.

123. Gremillard, L. Improving the Durability of a Biomedical-Grade Zirconia Ceramic by the Addition of Silica / L. Gremillard, J. Chevalier, T. Epicier, G. Fantozzi // Journal of the American Ceramic Society. - 2002. - V. 85. - P. 401-407.

124. Payel, M. A critical note on nanoscale plasticity in 20 ZTA ceramics / M. Payel, B. Manjima, S.D. Pradip, G. Jiten, K.M. Anoop // Ceramics International. -2019. - V. 45. - P. 25034-25043.

125. Payel, M. New observations and critical assessments of incipient plasticity events and indentation size effect in nanoindentation of ceramic nanocomposites / M. Payel, G. Jiten, K.M. Anoop // Ceramics International. - 2020. - V. 46. - P. 3144-3165.

126. Дмитриевский, А.А. Структура и механические свойства циркониевой керамики с добавлением Al2O3 и SiO2 / А.А. Дмитриевский, Д.Г. Жигачева, В.В. Родаев, П.Н. Овчинников, Д.Б. Дмитриевская, Д.А. Кабанов // Актуальные проблемы прочности: материалы международной научной конференции. -Витебск, Белоруссия, 2020.

"Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" (IIV)

Авторы: Дмитриевский Александр Александрович (Я11),

Михайлович (IIV)

РТСОТШКШАЖ Ф1Д11РА1ЩШШ

ш тШтШт

шшшшшш

НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

№ 2701765

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОИ

КОМПОЗИЦИОННОМ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ

ОКСИДОВ ЦИРКОНИЯ, АЛЮМИНИЯ И КРЕМНИЯ

Патентообладатель: Федеральное государственное оюджетное

образовательное учреждение высшего ооразования

ЖигачеваДарья Геннадиевна (7?¿7), Жигачев Андреи Олегови

(RV), Тюрин Александр Иванович (шШ), Васюков Владимир

Заявка № 2018134249

Приоритет изобретения 27 сентября 2018 г.

Дата государственной регистрации в

Государственном реестре изобретений

Российской Федерации 01 октября 2019 г.

Срок действия исключительного права

на изобретение истекает 27 сентября 2038 г.

Руководитель Федеральной служоы

по интеллектуальной собс

ГЛ. Ивлиев

шшшшшшшшшшшшшшшшшшшшшштшшш

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

ни

(11)

2 701 76513 С1

(51) МПК

С04В 35/486 (2006.01) В82У 40/00 (2011.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

О

ю со го см

а:

(12) ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

(52) СПК

С04В 35/486 (2019.05); С04В 35/4885 (2019.05); С04В 35/64 (2019.05): В82У 40/00 (2019.05); С04В 2235/3246(2019.05); С04В 2235/5454 (2019.05)

(21X22) Заявка: 2018134249, 27.09.2018

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

27.09.2018

Дата регистрации:

01.10.2019

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 27.09.2018

(45) Опубликовано: 01.10.2019 Бюл. № 28

Адрес для переписки:

392000, г. Тамбов, ул. Интернациональная, 33, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина"

(72) Автор(ы):

Дмитриевский Александр Александрович (КЩ

Жигачева Дарья Геннадиевна (1Ш), Жигачев Андрей Олегович (1Ш), Тюрин Александр Иванович (1Ш), Васюков Владимир Михайлович (1Ш)

(73) Патентообладатель(и): Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" (1Ш)

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: ¿и 2636336 С2, 22.11.2017.1Ш 2665734 С1, 04.09.2018.1Ш 2549945 С2, 10.05.2015. Яи 2021229 С1, 15.10.1994. ив 9682891 В2, 20.06.2017. Ш 2010/0292522 А1, 18.11.2010. Ш 6749653 В2, 15.06.2004.

73 С

го

о

О) сл

О

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОИ КОМПОЗИЦИОННОМ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ЦИРКОНИЯ, АЛЮМИНИЯ И КРЕМНИЯ

(57) Формула изобретения Способ получения наноструктурированной композиционной керамики, отличающийся тем, что смесь из нанодисперсных порошков синтетического диоксида циркония (89,6890,17 вес. %), оксида кальция (2,84-2,85 вес. %), корунда (4,87-4,9 вес. %) и диоксида кремния (2,08-2,61 вес. %) подвергают влажному помолу в планетарной мельнице (соотношение смеси и дистиллированной воды 1:3) и усушке в печи (в воздушной атмосфере) при температуре То=80°С в течение 24 ч: формовку образцов осуществляют путем одноосного сухого прессования при давлении 500 МПа в течение 30 с; спекание проводят на воздухе в двухстадийном режиме: сначала образцы нагревают до температуры Т1=1300°С, затем температуру снижают до Т2=1200°С и выдерживают в течение 4 ч.

Стр.: 1