Синтез и свойства порошков в системе ZrО₂-СеО₂-Y₂О₃
Синтезированы нанокристаллические порошки составов (% (мол.)) 90ZrО₂―8СеО₂―2Y₂О₃ и 97ZrО₂―3Y₂О₃ комбинированным методом совместного осаждения и гидротермального разложения. Определены фазовый состав, пикнометрическая плотность, удельная поверхность и размер первичных частиц порошков на разных стадия...
Saved in:
| Published in: | Современные проблемы физического материаловедения |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України
2008
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28626 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Синтез и свойства порошков в системе ZrО₂-СеО₂-Y₂О₃ / В.В. Цукренко, Е.В. Дудник, А.В. Шевченко, Л.М. Лопато // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 17. — С. 46-51. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860193709472088064 |
|---|---|
| author | Цукренко, В.В. Дудник, Е.В. Шевченко, А.В. Лопато, Л.М. |
| author_facet | Цукренко, В.В. Дудник, Е.В. Шевченко, А.В. Лопато, Л.М. |
| citation_txt | Синтез и свойства порошков в системе ZrО₂-СеО₂-Y₂О₃ / В.В. Цукренко, Е.В. Дудник, А.В. Шевченко, Л.М. Лопато // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 17. — С. 46-51. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современные проблемы физического материаловедения |
| description | Синтезированы нанокристаллические порошки составов (% (мол.)) 90ZrО₂―8СеО₂―2Y₂О₃ и 97ZrО₂―3Y₂О₃ комбинированным методом совместного осаждения и гидротермального разложения. Определены фазовый состав, пикнометрическая плотность, удельная поверхность и размер первичных частиц порошков на разных стадиях синтеза.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:07:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.762.546-31
Синтез и свойства порошков в системе
ZrО2―СеО2―Y2О3
В. В. Цукренко, Е. В. Дудник, А. В. Шевченко, Л. М. Лопато
Синтезированы нанокристаллические порошки составов (% (мол.))
90ZrО2―8СеО2―2Y2О3 и 97ZrО2―3Y2О3 комбинированным методом
совместного осаждения и гидротермального разложения. Определены фазовый
состав, пикнометрическая плотность, удельная поверхность и размер первичных
частиц порошков на разных стадиях синтеза.
Введение
Диоксид циркония обладает уникальным сочетанием свойств ―
высокой прочностью, вязкостью разрушения, химической устойчивостью
и биоинертностью, что позволяет использовать его для создания
биокерамики. Отсутствие иммунных реакций с живым организмом
позволяет применять биоинертную керамику на основе ZrО2 в парах
трения искусственных суставов в основном в качестве керамических
головок эндопротезов тазобедренных и других суставов. Пара трения в
эндопротезе представляет собой сферическую поверхность головки
протеза, выполненной из металла или керамики, и сферическую чашечку,
изготовленную из полиэтилена с высокой молекулярной массой.
Использование вместо металла керамики позволило на порядок снизить
коэффициент трения и износ пары трения, тем самым значительно
увеличить срок службы протеза. Кроме того, если в паре трения с
металлической головкой продукт износа (полиэтиленовая стружка)
накапливается в области головки протеза и вызывает воспаление, то в паре
трения с керамикой продукты износа столь дисперсны, что могут
выводиться из организма через почки [1].
Для создания биоимплантатов необходимы керамические материалы с
определенным уровнем прочностных характеристик. Особенности
микроструктуры керамики, обеспечивающие ее необходимые свойства,
закладываются еще на стадии получения исходных порошков. Свойства
исходных порошков, в свою очередь, определяются методом синтеза.
Поскольку для изготовления биоимплантатов используют керамику на
основе диоксида циркония тетрагональной модификации (Т-ZrО2),
главным критерием при выборе метода синтеза является максимальное
содержание метастабильного Т-ZrО2, стабилизированного добавками иттрия
и церия. Из порошков, полученных с помощью традиционных физико-
химических методов, сложно изготовить керамику, в которой размер частиц
диоксида циркония был бы меньше критического, необходимого для
сохранения метастабильного Т-ZrО2 после спекания. Эти порошки имеют
относительно широкое распределение частиц по размерам и содержат
большое количество структурных дефектов. Синтезированные химическими
методами высокочистые гомогенные нанокристаллические порошки с
узким распределением частиц по размеру характеризуются высокой
© В. В. Цукренко, Е. В. Дудник, А. В. Шевченко, Л. М. Лопато, 2008
46
активностью при спекании. Их использование способствует сохранению
высокого содержания метастабильного Т-ZrО2 после охлаждения [2].
Среди различных химических методов получения исходных порошков
сложного состава рациональным, с нашей точки зрения, является
использование комбинированного метода ― высокотемпературного
гидролиза предварительно осажденной смеси гидроксидов. Метод
совместного осаждения позволяет достичь на молекулярном уровне
высокой степени гомогенности исходных смесей и снизить температуру
синтеза порошка на 300―600 ºС. А высокотемпературный гидролиз
способствует образованию мягких и рыхлых агломератов, состоящих из
первичных кристаллических частиц Т-ZrО2 [3].
Цель данной работы ― изучить свойства нанокристаллических порошков
составов (% (мол.)) 90ZrО2―8СеО2―2Y2О3 (ZrСеY) и 97ZrО2―3Y2О3 (ZrY),
синтезированных комбинированным методом совместного осаждения и
гидротермального разложения.
Экспериментальная часть
Для получения исходных порошков выбраны водные растворы
оксинитрата циркония (ZrО(NОЗ)2·2Н2О), нитратов иттрия (Y(NО3)3·6Н2O)
и церия (Се(NО3)3·6Н2О). Все реактивы марки ХЧ. Использовано обратное
осаждение: в раствор аммиачной воды при постоянном перемешивании
добавили смесь нитратов циркония, иттрия и церия. Во время процесса
постоянно контролировали pH (которое должно быть не ниже 8―9).
Полученный осадок многократно промыли дистиллированной водой.
Степень очистки осадка гидроксидов от ионов хлора контролировали по
качественной реакции
AgNO3 + Cl¯ → AgCl + NO3¯.
Отсутствие в растворе AgCl свидетельствовало о полном удалении
ионов хлора. Отфильтрованная смесь гидроксидов была высушена при
температуре 50―60 ºС в течение 24 ч. Гидротермальную обработку ―
высокотемпературный гидролиз (ВТГ) в щелочной среде провели в лабо-
раторном автоклаве при температуре 190―210 °C, 2 ч. Давление в
автоклаве (1,6 МПа) отвечало давлению насыщенного пара воды при этой
температуре. После ВТГ образовавшийся осадок отделили от маточного
раствора и высушили при 60 °C в течение 8 ч.
Термическую обработку полученных смесей осуществили при
температурах 600 и 700 ºС с выдержкой при максимальной температуре в
течение 2 ч. Для изучения свойств порошков использовали методы
электронной микроскопии (сканирующий электронный микроскоп
Cаmebax SX-50), рентгенофазового анализа (ДРОН-1,5, CuKα-излучение,
скорость сканирования ― 1―4 град/мин, 2θ = 15―90º), БЭТ.
Результаты и их обсуждение
Схема процесса получения нанокристаллического порошка
представлена на рис. 1. Для совместного осаждения использованы свеже-
приготовленные растворы солей. Это позволило минимизировать влияние
процессов комплексообразования и полимеризации, протекающих в
растворах, на гомогенность полученной смеси гидроксидов. Взаимо-
действие гидроксидов и образование твердых растворов начинается уже
на стадии процесса соосаждения. В результате образуются сложные
47
Водный раствор
ZrО(NОЗ)2
Водный раствор
Ce (NO3)3
Водный раствор
Y(NО3)3
↓ ↓ ↓
Дозирование
↓
Смешивание
↓
Совместное осаждение ← Раствор
аммиака
↓
Отделение суспензии-осадка от маточного раствора
↓
Состаривание осадка
↓
Многократная декантация в дистиллированной
воде
↓
Вакуум-фильтрация
↓
Сушка осадка, 60 °С, ч
↓
Гидротермальное разложение гидроксидов, 210 °С, 2 ч
↓
Отделение осадка от маточного раствора
↓
Многократная декантация осадка в дистиллированной
воде
↓
Сушка осадка, 60 °С, 8 ч
↓
Отжиг при 600 °С
↓
Отжиг при 700 °С
↓
Нанокристаллический порошок твердого раствора на основе ZrО2
Рис. 1. Схема процесса получения нанокристаллических порошков
составов (% (мол.)) 90ZrO2―8CeO2―2Y2O3 и 97ZrО2―3Y2О3 комбиниро-
ванным методом совместного осаждения и гидротермального разложения.
полимерные гидроксиды с равномерным распределением ионов циркония,
иттрия и церия [4, 5].
После совместного осаждения исходных солей формируется система, в
которой свойства отдельных компонентов индивидуально не проявляются,
48
а
б
Рис. 2. Морфология нанокристаллических порошков составов (% (мол.))
90ZrО2―8СеО2―2Y2О3 (а) и 97ZrО2―3Y2О3 (б) после совместного осаждения
и гидротермального разложения (Т = 210 ºС).
так как смешивание растворов происходит на молекулярном уровне и
образуется гомогенный состав смеси. Кипячение гидроксидов после
совместного осаждения использовали для состаривания и уплотнения
осадка, поскольку это улучшает условия декантации.
По результатам рентгенофазового анализа установлено, что после
гидротермальной обработки в нанокристаллических порошках обоих
составов образовался низкотемпературный метастабильный кубический
твердый раствор диоксида циркония (F-ZrО2). Удельная поверхность и
пикнометрическая плотность (87 м²/г и 4,75 г/см³ соответственно)
порошка ZrY несколько выше, чем порошка ZrСеY (84 м²/г и 4,53 г/см³).
На рис. 2 представлена морфология нанокристаллических порошков после
ВТГ. Видно, что в обоих порошках после гидролиза образовались мягкие
рыхлые агломераты, средний размер которых изменяется от 3 до 7 мкм
(размер первичных частиц ― 12 нм).
После термообработки образцов при температуре 600 ºС фазовый
состав порошка ZrСеY не изменился (F-ZrО2), а в порошке ZrY, наряду с
F-ZrО2, отмечены следы М-ZrО2 (моноклинного твердого раствора на
основе ZrО2). В порошке ZrСеY образовались агломераты по форме,
близкой к овальной, размер которых не изменился (размер первичных
частиц ― 18 нм), а порошок ZrY состоит из агломератов размером менее
5 мкм (размер первичных частиц ― 15 нм), преимущественно сферической
формы, с высокой степенью гомогенности. После термообработки при
температуре 600 ºС удельная поверхность порошков уменьшается (59 м²/г
для ZrY и 70 м²/г для ZrСеY) по сравнению с удельной поверхностью
порошка, измеренной непосредственно после гидротермального
разложения. Но при этом увеличивается степень кристалличности
порошков, что приводит к повышению их пикнометрической плотности
(5,58 г/см³ для порошка ZrY и 5,81 г/см³ для порошка ZrСеY). Рост
удельной поверхности нанокристаллических порошков, по-видимому,
вызван разветвленной пористой микроструктурой агломератов.
Термообработка при температуре 700 ºС приводит к более заметному
уменьшению удельной поверхности (40 м²/г для порошка ZrY и 51,53 м²/г
для порошка ZrСеY) и к незначительному увеличению пикнометрической
плотности (5,6 г/см³ для порошка ZrY и 5,58 г/см³ для порошка ZrСеY).
Фазовый состав порошков не изменяется. На рис. 3 представлена мор-
фология нанокристаллических порошков после термообработки. Видно,
49
а
б
в г
Рис. 3. Морфология нанокристаллических порошков составов (% (мол.))
90ZrО2―8СеО2―2Y2О3 (а, в) и 97ZrО2―3Y2О3 (б, г) после термо-
обработки при 600 (а, б) и 700 ºС (в, г).
Свойства нанокристаллических порошков (% (мол.)) на основе
диоксида циркония, стабилизированного диоксидами иттрия и церия
Условия получения
Размер
первичных
частиц,
нм
Удельная
поверхность,
м²/г
Пикнометри-
ческая
плотность,
г/см³
90ZrO2―8CeO2―2Y2O3
ВТГ, 200 ºС, 3 ч 12 83 4,53
Отжиг, 600 ºС, 2 ч 15 70 5,81
Отжиг, 700 ºС, 2 ч 20 52 5,58
97ZrO2―3Y2O3
ВТГ, 200 ºС, 3 ч 12 87 4,75
Отжиг, 600 ºС, 2 ч 18 59 5,58
Отжиг, 700 ºС, 2 ч 26 40 5,6
что отжиг этих порошков при температуре 700 ºС приводит к заметному
увеличению доли агломератов размером менее 5 мкм.
Свойства нанокристаллических порошков на основе диоксида
циркония, стабилизированного диоксидами иттрия и церия на различных
этапах получения представлены в таблице.
50
Выводы
Нанокристаллические мягкоагломерированные порошки составов (% (мол.))
90ZrО2―8СеО2―2Y2О3 и 97ZrО2―3Y2О3 получены комбинированным
методом совместного осаждения и гидротермального разложения.
Определено, что в порошках образовался метастабильный F-ZrО2, размер
первичных частиц увеличился от 12 нм после высокотемпературного
гидролиза до 15―18 нм после термообработки при температуре 600 °С и
до 20―26 нм при дальнейшем увеличении температуры до 700 °С.
Удельная поверхность порошков уменьшилась от 90 до 40 м²/г.
Полученные нанокристаллические порошки использованы при изготов-
лении головки шейки бедра тазобедренного сустава.
1. Дубок В. А. Биокерамика ― вчера, сегодня, завтра // Порошковая
металлургия. ― 2000. ― № 7/8. ― С. 69―87.
2. Дудник Е. В., Зайцева З. А., Шевченко А. В., Лопато Л. М. Методы получения
дисперсных порошков на основе диоксида циркония // Там же. ― 1993. ―
№ 7. ― С. 24―28.
3. Шевченко А. В., Дудник Е. В., Рубан А. К. и др. Гидротермальный синтез
нанокристаллических порошков в системе ZrО2―СеО2―Y2О3 // Там же. ―
2007. ― № 1/2. ― С. 23―30.
4. Чалый В. П. Гидроокиси металлов. ― К.: Наук. думка, 1972. ― 154 с.
5. Стрекаловский В. Н., Полежаев Ю. М., Пальгуев С. Ф. Оксиды с примесной
разупорядоченностью: состав, структура, фазовые превращения. ― М.:
Наука, 1987. ― 160 с.
6. Петрунин В. Ф., Попов В. В., Чжу Хунчжи, Тимофеев А. А. Синтез
нанокристаллических высокотемпературных фаз диоксида циркония //
Неорган. материалы. ― 2004. ― 40, № 3. ― С. 303―311.
7. Пентин И. В., Олейников Н. Н., Муравьева Г. П. и др. Стабильность
тетрагонального ZrО2 при внешних воздействиях // Там же. ― 2002. ― 38,
№ 10. ― С. 1203―1206.
51
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-28626 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0073 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:07:23Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Цукренко, В.В. Дудник, Е.В. Шевченко, А.В. Лопато, Л.М. 2011-11-15T16:07:59Z 2011-11-15T16:07:59Z 2008 Синтез и свойства порошков в системе ZrО₂-СеО₂-Y₂О₃ / В.В. Цукренко, Е.В. Дудник, А.В. Шевченко, Л.М. Лопато // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 17. — С. 46-51. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. XXXX-0073 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28626 621.762.546-31 Синтезированы нанокристаллические порошки составов (% (мол.)) 90ZrО₂―8СеО₂―2Y₂О₃ и 97ZrО₂―3Y₂О₃ комбинированным методом совместного осаждения и гидротермального разложения. Определены фазовый состав, пикнометрическая плотность, удельная поверхность и размер первичных частиц порошков на разных стадиях синтеза. ru Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України Современные проблемы физического материаловедения Синтез и свойства порошков в системе ZrО₂-СеО₂-Y₂О₃ Article published earlier |
| spellingShingle | Синтез и свойства порошков в системе ZrО₂-СеО₂-Y₂О₃ Цукренко, В.В. Дудник, Е.В. Шевченко, А.В. Лопато, Л.М. |
| title | Синтез и свойства порошков в системе ZrО₂-СеО₂-Y₂О₃ |
| title_full | Синтез и свойства порошков в системе ZrО₂-СеО₂-Y₂О₃ |
| title_fullStr | Синтез и свойства порошков в системе ZrО₂-СеО₂-Y₂О₃ |
| title_full_unstemmed | Синтез и свойства порошков в системе ZrО₂-СеО₂-Y₂О₃ |
| title_short | Синтез и свойства порошков в системе ZrО₂-СеО₂-Y₂О₃ |
| title_sort | синтез и свойства порошков в системе zrо₂-сео₂-y₂о₃ |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28626 |
| work_keys_str_mv | AT cukrenkovv sintezisvoistvaporoškovvsistemezro2seo2y2o3 AT dudnikev sintezisvoistvaporoškovvsistemezro2seo2y2o3 AT ševčenkoav sintezisvoistvaporoškovvsistemezro2seo2y2o3 AT lopatolm sintezisvoistvaporoškovvsistemezro2seo2y2o3 |