Использование метода механохимической обработки при получении порошка состава (%(мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃
Нанокристаллический порошок состава (% (мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃ получен методом механохимической обработки М-ZrO₂ водными растворами азотнокислых солей иттрия и церия. Исследовано изменение свойств синтезированного порошка при термической обработке в интервале температур 600―700 °С....
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України
2008
|
| Series: | Современные проблемы физического материаловедения |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28627 |
| 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: | Использование метода механохимической обработки при получении порошка состава (%(мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃ / И.А. Скиба, Е.В. Дудник, А.В. Шевченко, Л.М. Лопато // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 17. — С. 52-56. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-28627 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-286272025-02-09T22:59:52Z Использование метода механохимической обработки при получении порошка состава (%(мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃ Скиба, И.А. Дудник, Е.В. Шевченко, А.В. Лопато, Л.М. Нанокристаллический порошок состава (% (мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃ получен методом механохимической обработки М-ZrO₂ водными растворами азотнокислых солей иттрия и церия. Исследовано изменение свойств синтезированного порошка при термической обработке в интервале температур 600―700 °С. 2008 Article Использование метода механохимической обработки при получении порошка состава (%(мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃ / И.А. Скиба, Е.В. Дудник, А.В. Шевченко, Л.М. Лопато // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 17. — С. 52-56. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. XXXX-0073 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28627 621.762:546-31 ru Современные проблемы физического материаловедения application/pdf Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Нанокристаллический порошок состава (% (мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃ получен методом механохимической обработки М-ZrO₂ водными растворами азотнокислых солей иттрия и церия. Исследовано изменение свойств синтезированного порошка при термической обработке в интервале температур 600―700 °С. |
| format |
Article |
| author |
Скиба, И.А. Дудник, Е.В. Шевченко, А.В. Лопато, Л.М. |
| spellingShingle |
Скиба, И.А. Дудник, Е.В. Шевченко, А.В. Лопато, Л.М. Использование метода механохимической обработки при получении порошка состава (%(мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃ Современные проблемы физического материаловедения |
| author_facet |
Скиба, И.А. Дудник, Е.В. Шевченко, А.В. Лопато, Л.М. |
| author_sort |
Скиба, И.А. |
| title |
Использование метода механохимической обработки при получении порошка состава (%(мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃ |
| title_short |
Использование метода механохимической обработки при получении порошка состава (%(мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃ |
| title_full |
Использование метода механохимической обработки при получении порошка состава (%(мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃ |
| title_fullStr |
Использование метода механохимической обработки при получении порошка состава (%(мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃ |
| title_full_unstemmed |
Использование метода механохимической обработки при получении порошка состава (%(мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃ |
| title_sort |
использование метода механохимической обработки при получении порошка состава (%(мол.)) 90zro₂―8сео₂―2y₂o₃ |
| publisher |
Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України |
| publishDate |
2008 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28627 |
| citation_txt |
Использование метода механохимической обработки при получении порошка состава (%(мол.)) 90ZrO₂―8СеО₂―2Y₂O₃ / И.А. Скиба, Е.В. Дудник, А.В. Шевченко, Л.М. Лопато // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 17. — С. 52-56. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| series |
Современные проблемы физического материаловедения |
| work_keys_str_mv |
AT skibaia ispolʹzovaniemetodamehanohimičeskoiobrabotkipripolučeniiporoškasostavamol90zro28seo22y2o3 AT dudnikev ispolʹzovaniemetodamehanohimičeskoiobrabotkipripolučeniiporoškasostavamol90zro28seo22y2o3 AT ševčenkoav ispolʹzovaniemetodamehanohimičeskoiobrabotkipripolučeniiporoškasostavamol90zro28seo22y2o3 AT lopatolm ispolʹzovaniemetodamehanohimičeskoiobrabotkipripolučeniiporoškasostavamol90zro28seo22y2o3 |
| first_indexed |
2025-12-01T14:30:31Z |
| last_indexed |
2025-12-01T14:30:31Z |
| _version_ |
1850316616880881664 |
| fulltext |
52
УДК 621.762:546-31
Использование метода механохимической обработки
при получении порошка состава (% (мол.))
90ZrO2―8СеО2―2Y2O3
И. А. Скиба, Е. В. Дудник, А. В. Шевченко, Л. М. Лопато
Нанокристаллический порошок состава (% (мол.)) 90ZrO2―8СеО2―2Y2O3
получен методом механохимической обработки М-ZrO2 водными растворами
азотнокислых солей иттрия и церия. Исследовано изменение свойств
синтезированного порошка при термической обработке в интервале температур
600―700 °С.
Введение
Оксид циркония является одним из наиболее перспективных оксидов
для разработки материалов, которые могут найти применение не только в
машиностроении, энергетической, химической, авиакосмической,
электронной и других отраслях промышленности, но и в медицине. Для
ZrO2 характерен ряд уникальных физических, химических и других
свойств, таких как низкий коэффициент трения, сопротивление износу,
твердость, высокий модуль упругости, очень высокие температура
плавления и свободная энергия образования, уникально низкая
теплопроводность.
Болезни костей и суставов, по данным медицинских статистик,
занимают 7―8-е место в структуре всех заболеваний у взрослых. Широко
распространенным методом лечения этих заболеваний в настоящее время
стало тотальное эндопротезирование. Оно дает возможность восстановить
подвижность сустава, избавить пациента от боли, хромоты и возвратить
его к активному образу жизни. Эта область ортопедической хирургии
развивается наиболее активно. Так, ежегодно в мире проводится около
одного миллиона эндопротезирований тазобедренного сустава [1].
Для создания имплантатов необходимы керамические материалы с
высокими прочностными характеристиками, обладающие биоинертностью
по отношению к живым тканям организма. В настоящее время основным
применением керамики на основе тетрагонального ZrO2 в медицине
являются головки шейки бедра. Для разработки биоимплантатов на основе
ZrO2 необходимы мягкоагломерированные нанокристаллические порошки
с узким распределением частиц по размерам, высокой степени чистоты и
гомогенности, а также обладающие повышенной активностью при
спекании.
Разработаны различные методы синтеза нанокристаллических порош-
ков (НКП) на основе ZrO2, среди которых особое место занимают
химические методы, более доступные в технологическом плане и обеспе-
чивающие получение НКП с необходимым комплексом свойств. К таким
методам относятся и гидротермальные методы, которые проводят при
нагреве водных растворов исходных солей в герметичных сосудах под
давлением.
© И. А. Скиба, Е. В. Дудник, А. В. Шевченко, Л. М. Лопато, 2008
53
Физико-химические процессы, происходящие в гидротермальных
условиях, определяются давлением, рН, окислительно-восстановительным
потенциалом среды и активностью компонентов, зависящей от степени
диссоциации и диэлектрической проницаемости воды. Главное
преимущество гидротермальных методов синтеза порошков заключается в
том, что образование и рост зародышей по механизму
растворение―кристаллизация протекают при относительно низких и
средних температурах и давлениях, вследствие чего формируются
гомогенные первичные частицы, содержащие меньше структурных
дефектов, чем частицы, полученные традиционными методами [2].
Цель настоящего исследования ― изучение свойств нанокристалличес-
кого порошка состава (% (мол.)) 90ZrO2―8СеО2―2Y2O3, синтезированного
механохимической обработкой (МХО) нанокристаллического порошка
моноклинного диоксида циркония (М-ZrO2), полученного гидротермальным
разложением (ГТР) оксихлорида циркония ZrOCl2 в кислой среде.
Экспериментальная часть
Выбор состава исследуемого порошка произведен, исходя из ранее
изученных свойств соответствующих двойных систем ZrO2―Y2O3 [3] и
ZrO2―СеО2 [4, 5]. Учитывая особенности свойств порошков этих систем,
считаем перспективным проводить легирование водного моноклинного
диоксида циркония (М-ZrO2) оксидами иттрия и церия, используя водные
растворы солей нитратов иттрия (Y(NO3)3·6Н2О) и церия (Се(NO3)3·6Н2О).
Для изучения свойств порошков использованы методы рентгенофазо-
вого анализа (РФА) (дифрактометр ДРОН-1,5, CuKα-излучение) и
электронной микроскопии (Сamebax SX-50). Размер первичных частиц
рассчитан по формуле Шерера. Удельная поверхность нанокристал-
лических порошков на разных стадиях их синтеза определена по методу
БЭТ, пикнометрическая плотность ― в дистиллированной воде по методу
Архимеда.
Исходными веществами выбраны оксихлорид циркония (ZrOCl2·8H2O)
и нитраты иттрия (Y(NO3)3·6Н2О) и церия (Се(NO3)3·6Н2О). Все реактивы
марки ХЧ. Нанокристаллический порошок получен в два этапа. Сначала
гидротермальным разложением ZrOCl2·8H2O в кислой среде синтезирован
нанокристаллический порошок водного М-ZrO2, а затем механохими-
ческой обработкой проведено легирование М-ZrO2 оксидами иттрия и
церия. Схема процесса гидротермального разложения в кислой среде
представлена на рис. 1. Концентрация исходного оксихлорида циркония в
пересчете на оксид ZrO2 составила 170 г/л.
По результатам РФА установлено, что после ГТР при температуре
210 °С образовался М-ZrO2 со средним размером первичных частиц 7 нм,
удельная поверхность при этом составляет 98,2 м2/г, пикнометрическая
плотность ― 4,4 г/см3. Для повышения степени кристалличности
полученного М-ZrO2 проводили термическую обработку при температуре
600 °С на воздухе. После термической обработки размер частиц
увеличился до 19 нм, пикнометрическая плотность ― до 5,06 г/см3, а
удельная поверхность уменьшилась до 73 м2/г.
На рис. 2 показана морфология исходного нанокристаллического
порошка М-ZrO2. Видно, что уже на стадии ГТР из первичных частиц
образуются рыхлые агломераты сферической формы размером до 5 мкм
54
ZrOCl2 · 8H2O
↓
Растворение
←
Дистиллированная
вода
↓
Фильтрование раствора
↓
Высокотемпературный
гидролиз, t = 210 °С
→
Лабораторный
автоклав, давление
0,6―0,8 МПа
↓
Отстаивание суспензии
↓
Отделение суспензии от
прозрачного маточного раствора
↓
Промывание суспензии
раствором HCl
от примесей
↓
Многократная декантация
полученной суспензии в
дистиллированной воде
←
Раствор аммиака
↓
Сушка суспензии
→
Сушильный шкаф,
t = 80―100 °С,
τ = 24 ч
↓
Нанокристаллический порошок
водного М-ZrO2
Рис. 1. Схема получения нанокристаллического порошка водного
М-ZrO2 гидротермальным разложением ZrOCl2 в кислой среде.
(рис. 2, а), после термической обработки (600 °С) их размер увеличивается
до 10 мкм (рис. 2, б).
Схема процесса получения твердого раствора на основе ZrO2
представлена на рис. 3. Синтезированный порошок М-ZrO2 обработан
водными растворами нитратов иттрия и церия. Концентрация этих
растворов в пересчете на оксиды (Y2O3 и CeO2) составляет для нитрата
иттрия 304 г/л и для нитрата церия 210 г/л. Количество Y(NO3)3·6Н2О и
Се(NO3)3·6Н2О рассчитывали, исходя из необходимого конечного состава
(% (мол.)) порошка 90ZrO2―8СеО2―2Y2O3. Термическую обработку
полученных смесей провели в два этапа: при 600 и 700 °С.
В процессе МХО использована промежуточная стадия ―
деагломерация ― для повышения гомогенности смеси и во избежание
образования твердых агломератов. По результатам РФА определено, что
после МХО и термических обработок в интервале температур 600―700 °С
а
б
Рис. 2. Морфология нанокристаллического порошка М-ZrO2 после ГТР (а) и
после термической обработки при температуре 600 °С (б).
Раствор Y(NO3)3
Нанокристаллический
порошок водного M-ZrO2
Раствор Ce(NO3)3
↓ ↓ ↓
Дозирование
Дозирование
Дозирование
↓ ↓ ↓
Смешивание (шаровая мельница)
↓
Отжиг, 600 ºC
↓
Деагломерация
(шаровая мельница)
↓
Отжиг, 700 ºC
↓
Нанокристаллический
порошок состава (% (мол.))
90ZrО2―8CeО2―2Y2O3
Рис. 3. Схема получения нанокристаллического порошка состава (% (мол.))
90ZrО2―8СеО2―2Y2O3 механохимической обработкой.
образовалась смесь твердых растворов, состоящая из тетрагональной
(Т-ZrО2) и кубической (F-ZrО2) фаз, и зафиксированы следы моноклин-
ной (М-ZrO2) модификации диоксида циркония.
По данным электронно-микроскопических исследований установлено,
что после обработки нанокристаллического М-ZrO2 водными растворами
нитратов иттрия и церия и термической обработки при температуре 600 °С
(рис. 4, а) агломераты становятся более объемными и рыхлыми. Хорошо
видно, что они состоят из более мелких агломератов первичных частиц
(рис. 4, а). Это свидетельствует о повышении пористости, вследствие чего
увеличивается удельная поверхность до 94,52 м2/г. При этом размер
агломератов первичных частиц достигает 10―12 мкм и наблюдается
образование фракции более мелких агломератов размером 1―5 мкм.
После термической обработки при 700 °С (рис. 4, б) мелких агломератов
55
а б
Рис. 4. Морфология нанокристаллического порошка состава (% (мол.))
90ZrO2―8СеО2―2Y2O3 после термической обработки при темпера-
турах 600 (а) и 700 °С (б).
размером 1―5 мкм становится меньше, а увеличивается количество
агломератов размером до 10 мкм.
Исследования свойств порошков в интервале температур 600―700 °С
показали, что удельная поверхность уменьшилась от 94,52 до 88,48 м2/г,
пикнометрическая плотность увеличилась от 5,5 до 5,8 г/см3, размер
первичных частиц практически не изменился ― 19―20 нм. Анализируя
полученные данные по свойствам синтезированного нанокристалли-
ческого порошка состава (% (мол.)) 90ZrO2―8СеО2―2Y2O3 и учитывая
достаточно высокое значение удельной поверхности (88,48 м2/г), можно
предположить повышенную активность данного порошка при спекании.
Выводы
Гидротермальным разложением ZrOCl2 в кислой среде получен
нанокристаллический порошок водного М-ZrO2. Определено, что в процессе
механохимической обработки моноклинного диоксида циркония и оксидов
иттрия и церия образовалась смесь трех твердых растворов (Т-ZrO2, F-ZrO2 и
следы М-ZrO2). Эффективность МХО определяется высокой степенью крис-
талличности полученного нанокристаллического мягкоагломерированного
порошка состава (% (мол.)) 90ZrO2―8СеО2―2Y2O3. Есть основания предполагать,
что синтезированный порошок будет обладать повышенной активностью
при спекании, необходимой для разработки керамических биоимплантатов.
Приведенные результаты исследования демонстрируют широкие
потенциальные возможности механохимической обработки для получения
нанокристаллических порошков сложных химических составов.
1. Шевченко А. В., Дудник Е. В., Дубок В. А. и др. Биоинертные имплантаты на
основе нанокристаллических порошков ZrO2 // Техника машиностроения. ―
2006. ― № 2. ― С. 32―35.
2. Шевченко А. В. Диаграммы состояния систем оксидов циркония и гафния с
оксидами редкоземельных элементов как физико-химическая основа создания
новых материалов: Автореф. дис. … д-ра хим. наук. ― К.: Ин-т пробл.
материаловедения НАН Украины, 2007. ― 41 с.
3. Шевченко А. В., Дудник Е. В., Рубан А. К. и др. Диффузионное взаимодействие
при получении нанокристаллических порошков в системе ZrO2―Y2O3 //
Порошковая металлургия. ― 2005. ― № 3/4. ― С. 3―11.
4. Симада Тасахико. Высокопрочные керамические материалы с высокой
трещиностойкостью // Сэккото сэккай. ― 1987. ― № 209. ― С. 197―198.
56
5. Андриевская Е. Р., Самелюк А. В., Лопато Л. М. Взаимодействие оксида церия с
оксидами циркония и иттрия при 1250 °С // Порошковая металлургия. ― 2002. ―
№ 1/2. ― С. 71―80.
|