Получение нанокерамики на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования
Изучены возможности изготовления керамики с мелкокристаллической структурой из наноразмерного порошка на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования. Установлено, что горячее прессование порошка состава ZrO₂−3 mol.% Y₂O₃ со средним размером частиц 21−28 nm при температуре 1050°C...
Saved in:
| Published in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2008
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70404 |
| 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: | Получение нанокерамики на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования / С.Ю. Саенко, Н.Н. Белаш, Э.С. Геворкян, Т.Е. Константинова, А.Е. Сурков, В.А. Чишкала, И.А. Даниленко, Ф.В. Белкин // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 1. — С. 47-52. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70404 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Саенко, С.Ю. Белаш, Н.Н. Геворкян, Э.С. Константинова, Т.Е. Сурков, А.Е. Чишкала, В.А. Даниленко, И.А. Белкин, Ф.В. 2014-11-04T15:16:03Z 2014-11-04T15:16:03Z 2008 Получение нанокерамики на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования / С.Ю. Саенко, Н.Н. Белаш, Э.С. Геворкян, Т.Е. Константинова, А.Е. Сурков, В.А. Чишкала, И.А. Даниленко, Ф.В. Белкин // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 1. — С. 47-52. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.20.Lb https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70404 Изучены возможности изготовления керамики с мелкокристаллической структурой из наноразмерного порошка на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования. Установлено, что горячее прессование порошка состава ZrO₂−3 mol.% Y₂O₃ со средним размером частиц 21−28 nm при температуре 1050°C, давлении 45 MPa и времени выдержки 120 s позволяет получить керамику плотностью 5.9−6.0 g/cm³ с равномерным распределением зерен величиной 250−300 nm. При всех исследуемых температурах в результате горячего вакуумного прессования сформирована тетрагональная объемно-центрированная структура. Possibilities have been studied for preparing fine-grain ceramics from zirconia-based nanosize powder by using the method of hot vacuum pressing. The hot pressing of ZrO₂−3 mol.% Y₂O₃ powder, with the average particle size of 21−28 nm, at a temperature of 1050°C and a pressure of 45 MPa and holding time of 120 s makes it possible to prepare ceramics of 5.9−6.0 g/cm³ density with uniform distribution of grains 250−300 nm in size. For all the temperatures, the hot vacuum pressing has resulted in a tetragonal bcc structure. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта УНТЦ Р-154. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Получение нанокерамики на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования Отримання нанокераміки на основі діоксиду цирконію методом гарячого вакуумного пресування Zirconia-based nanoceramics produced by hot vacuum pressing Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Получение нанокерамики на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования |
| spellingShingle |
Получение нанокерамики на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования Саенко, С.Ю. Белаш, Н.Н. Геворкян, Э.С. Константинова, Т.Е. Сурков, А.Е. Чишкала, В.А. Даниленко, И.А. Белкин, Ф.В. |
| title_short |
Получение нанокерамики на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования |
| title_full |
Получение нанокерамики на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования |
| title_fullStr |
Получение нанокерамики на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования |
| title_full_unstemmed |
Получение нанокерамики на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования |
| title_sort |
получение нанокерамики на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования |
| author |
Саенко, С.Ю. Белаш, Н.Н. Геворкян, Э.С. Константинова, Т.Е. Сурков, А.Е. Чишкала, В.А. Даниленко, И.А. Белкин, Ф.В. |
| author_facet |
Саенко, С.Ю. Белаш, Н.Н. Геворкян, Э.С. Константинова, Т.Е. Сурков, А.Е. Чишкала, В.А. Даниленко, И.А. Белкин, Ф.В. |
| publishDate |
2008 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Отримання нанокераміки на основі діоксиду цирконію методом гарячого вакуумного пресування Zirconia-based nanoceramics produced by hot vacuum pressing |
| description |
Изучены возможности изготовления керамики с мелкокристаллической структурой из наноразмерного порошка на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования. Установлено, что горячее прессование порошка состава ZrO₂−3 mol.% Y₂O₃ со средним размером частиц 21−28 nm при температуре 1050°C, давлении 45 MPa и времени выдержки 120 s позволяет получить керамику плотностью 5.9−6.0 g/cm³ с равномерным распределением зерен величиной 250−300 nm. При всех исследуемых температурах в результате горячего вакуумного прессования сформирована тетрагональная объемно-центрированная структура.
Possibilities have been studied for preparing fine-grain ceramics from zirconia-based nanosize powder by using the method of hot vacuum pressing. The hot pressing of ZrO₂−3 mol.% Y₂O₃ powder, with the average particle size of 21−28 nm, at a temperature of 1050°C and a pressure of 45 MPa and holding time of 120 s makes it possible to prepare ceramics of 5.9−6.0 g/cm³ density with uniform distribution of grains 250−300 nm in size. For all the temperatures, the hot vacuum pressing has resulted in a tetragonal bcc structure.
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70404 |
| citation_txt |
Получение нанокерамики на основе диоксида циркония методом горячего вакуумного прессования / С.Ю. Саенко, Н.Н. Белаш, Э.С. Геворкян, Т.Е. Константинова, А.Е. Сурков, В.А. Чишкала, И.А. Даниленко, Ф.В. Белкин // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 1. — С. 47-52. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT saenkosû polučenienanokeramikinaosnovedioksidacirkoniâmetodomgorâčegovakuumnogopressovaniâ AT belašnn polučenienanokeramikinaosnovedioksidacirkoniâmetodomgorâčegovakuumnogopressovaniâ AT gevorkânés polučenienanokeramikinaosnovedioksidacirkoniâmetodomgorâčegovakuumnogopressovaniâ AT konstantinovate polučenienanokeramikinaosnovedioksidacirkoniâmetodomgorâčegovakuumnogopressovaniâ AT surkovae polučenienanokeramikinaosnovedioksidacirkoniâmetodomgorâčegovakuumnogopressovaniâ AT čiškalava polučenienanokeramikinaosnovedioksidacirkoniâmetodomgorâčegovakuumnogopressovaniâ AT danilenkoia polučenienanokeramikinaosnovedioksidacirkoniâmetodomgorâčegovakuumnogopressovaniâ AT belkinfv polučenienanokeramikinaosnovedioksidacirkoniâmetodomgorâčegovakuumnogopressovaniâ AT saenkosû otrimannânanokeramíkinaosnovídíoksiducirkoníûmetodomgarâčogovakuumnogopresuvannâ AT belašnn otrimannânanokeramíkinaosnovídíoksiducirkoníûmetodomgarâčogovakuumnogopresuvannâ AT gevorkânés otrimannânanokeramíkinaosnovídíoksiducirkoníûmetodomgarâčogovakuumnogopresuvannâ AT konstantinovate otrimannânanokeramíkinaosnovídíoksiducirkoníûmetodomgarâčogovakuumnogopresuvannâ AT surkovae otrimannânanokeramíkinaosnovídíoksiducirkoníûmetodomgarâčogovakuumnogopresuvannâ AT čiškalava otrimannânanokeramíkinaosnovídíoksiducirkoníûmetodomgarâčogovakuumnogopresuvannâ AT danilenkoia otrimannânanokeramíkinaosnovídíoksiducirkoníûmetodomgarâčogovakuumnogopresuvannâ AT belkinfv otrimannânanokeramíkinaosnovídíoksiducirkoníûmetodomgarâčogovakuumnogopresuvannâ AT saenkosû zirconiabasednanoceramicsproducedbyhotvacuumpressing AT belašnn zirconiabasednanoceramicsproducedbyhotvacuumpressing AT gevorkânés zirconiabasednanoceramicsproducedbyhotvacuumpressing AT konstantinovate zirconiabasednanoceramicsproducedbyhotvacuumpressing AT surkovae zirconiabasednanoceramicsproducedbyhotvacuumpressing AT čiškalava zirconiabasednanoceramicsproducedbyhotvacuumpressing AT danilenkoia zirconiabasednanoceramicsproducedbyhotvacuumpressing AT belkinfv zirconiabasednanoceramicsproducedbyhotvacuumpressing |
| first_indexed |
2025-11-25T21:07:09Z |
| last_indexed |
2025-11-25T21:07:09Z |
| _version_ |
1850545022280138752 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
47
PACS: 81.20.Lb
С.Ю. Саенко1, Н.Н. Белаш1, Э.С. Геворкян2, Т.Е. Константинова3,
А.Е. Сурков1, В.А. Чишкала2, И.А. Даниленко3, Ф.В. Белкин1
ПОЛУЧЕНИЕ НАНОКЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ
МЕТОДОМ ГОРЯЧЕГО ВАКУУМНОГО ПРЕССОВАНИЯ
1
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
ул. Академическая, 1, г. Харьков, 61108, Украина
2
ООО «Кермет-Украина»,
наб. Нетеченская, 15, г. Харьков, 61125, Украина
3
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
Статья поступила в редакцию 1 августа 2007 года
Изучены возможности изготовления керамики с мелкокристаллической структу-
рой из наноразмерного порошка на основе диоксида циркония методом горячего
вакуумного прессования. Установлено, что горячее прессование порошка состава
ZrO2−3 mol.% Y2O3 со средним размером частиц 21−28 nm при температуре
1050°C, давлении 45 MPa и времени выдержки 120 s позволяет получить керамику
плотностью 5.9−6.0 g/cm3 с равномерным распределением зерен величиной 250−300 nm.
При всех исследуемых температурах в результате горячего вакуумного прессова-
ния сформирована тетрагональная объемно-центрированная структура.
Введение
Свойства керамических материалов в значительной степени зависят от
морфологии и химического состава исходных порошковых композиций.
Особый интерес представляют монодисперсные нанопорошки. Они являются
важнейшим исходным материалом для изготовления керамики с улучшен-
ными механическими, электрическими, термическими, оптическими, ката-
литическими свойствами, радиационной и коррозионной стойкостью [1−7].
К специфическим преимуществам нанопорошков можно отнести их фа-
зовую однородность и возможность низкотемпературной спекаемости [1−5].
В последнее время все большее распространение получают изделия из тет-
рагональной поликристаллической диоксид-циркониевой керамики благодаря
их высоким механическим свойствам. Частично или полностью стабилизиро-
ванная керамика на основе диоксида циркония должна соответствовать кон-
кретным требованиям: обладать высокой химической стойкостью к воздейст-
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
48
вию агрессивных сред, иметь механические свойства и ударную вязкость, дос-
таточные для предотвращения разрушения изделий в процессе эксплуатации.
Керамика с малым размером зерна может быть интересна с точки зрения
повышенной пластичности и устойчивости к ударным нагрузкам.
Обычные широко распространенные процессы прессования и спекания
веществ практически не применимы к нанопорошкам. Даже формование (прес-
сование при комнатной температуре) нанопорошков под высоким (> 1 GPa)
давлением не приводит к их значительному уплотнению, поскольку прес-
суемость существенно уменьшается вследствие развитой поверхности и на-
личия больших сил межчастичного трения [8,9]. Дальнейшее спекание
обычно сопровождается интенсивным ростом зерен в силу протекающей при
высоких температурах рекристаллизации, что приводит к исчезновению на-
ноструктуры и, следовательно, к потере преимуществ по физико-
химическим и механическим характеристикам. Использование высоких гид-
ростатических давлений при комнатных температурах в сочетании с опти-
мальной температурой спекания дает достаточно хорошие результаты по
плотности и механическим свойствам при незначительном росте зерна [7].
К настоящему времени разработано несколько способов консолидации
порошковых нанообъектов при повышенных температурах, которые обеспе-
чивают получение материалов с требуемой наноструктурой: спекание под
давлением в сочетании с относительно невысокими температурами; неизо-
термическое спекание; реакционное горячее прессование; электроразрядное
спекание; кратковременное жидкофазное спекание; спекание, активируемое
фазовыми превращениями. В приведенных методах рекристаллизация при
спекании и соответственно рост зерен предотвращаются за счет либо сни-
жения температуры и длительности спекания в результате приложения вы-
соких (до 2 GPa) давлений, либо оптимизации процессов усадки и рекри-
сталлизации в разных температурных интервалах.
Представляет интерес опыт зарубежных специалистов, которые для полу-
чения образцов состава ZrO2−3 mol.% Y2O3 с высокими механическими ха-
рактеристиками применили трехступенчатый процесс: предварительное
прессование нанопорошков при комнатной температуре, спекание приго-
товленных компактов на воздухе при температурах 1100−1300°C в течение
2−6 h и на завершающей стадии − горячее изостатическое прессование при
температурах 1150−1350°С в течение 2−3 h в атмосфере аргона [10]. В на-
стоящее время многие исследователи работают над созданием более про-
стых и менее энергоемких технологических схем и методов получения нано-
структурной керамики на основе ZrO2. Одним из таких методов является
процесс электроконсолидации, пилотная установка для реализации которого
разработана и изготовлена в ННЦ ХФТИ. Данный метод дает возможность
проводить квазиизостатическое горячее вакуумное прессование исследуе-
мых порошковых композиций за минимально короткое время изотермиче-
ской выдержки, позволяя тем самым получать материалы с высокими физи-
ко-механическими характеристиками [11,12].
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
49
Одним из способов имитации процесса электроконсолидации является
метод горячего вакуумного прессования. Целью данной работы было изуче-
ние возможности получения керамики с мелкокристаллической структурой
из наноразмерного порошка на основе частично стабилизированного диок-
сида циркония методом горячего вакуумного прессования за минимально
короткое время изотермической выдержки.
Описание экспериментов и результаты
В качестве материала для экспериментов использовали нанопорошок со-
става ZrO2−3 mol.% Y2O3, изготовленный по технологии, разработанной в
ДонФТИ НАН Украины. Данная технология основана на химическом мето-
де совместного осаждения и дополнена физическими методами воздействия
на порошковую систему. В качестве исходных продуктов использовали вод-
ные растворы солей ZrO(NO3)2 и Y2(NO3)3. Для осаждения применяли рас-
твор аммиака. После промывки и фильтрации порошки гидроксидов подвер-
гали обработке ультразвуком и импульсным магнитным полем, после чего
проводили СВЧ-нагрев с последующим прокаливанием. Технология обеспе-
чивала существенное уменьшение степени агломерации и заданный размер
наночастиц [13,14]. Исследования, выполненные с помощью электронной
микроскопии, показали, что полученный по данной технологии нанопоро-
шок состоит из частиц, имеющих средний размер 21−28 nm (рис. 1).
Отработку режимов изготовления изделий из нанопорошка ZrO2−
3 mol.% Y2O3 проводили на лабораторной установке горячего вакуумного
прессования при прямом пропускании тока через графитовую пресс-
форму. Исследования выполняли в интервале температур 1600−1050°C при
усилии прессования 45 MPa. Время выдержки при температуре прессова-
ния составляло 120 s.
Рис. 1. Форма и размер частиц наноразмерного порошка ZrO2−3 mol.% Y2O3, ×140000
Рис. 2. Микроструктура образцов, изготовленных горячим вакуумным прессовани-
ем при температуре 1600°С из нанопорошка ZrO2−3 mol.% Y2O3, ×600
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
50
По результатам электронно-микроскопических исследований структуры
полученных образцов было установлено следующее. Снижение температуры
горячего вакуумного прессования с 1600 до 1270°С при указанных значени-
ях давления и времени выдержки обеспечивает получение плотного и проч-
ного керамического материала, структура которого состоит из зерен кри-
сталлической огранки размером 6−25 μm (рис. 2).
Плотность материала экспериментальных образцов составляла 5.67−5.74 g/cm3.
Заметного уменьшения размера зерна при снижении температуры в указан-
ном диапазоне не наблюдали.
Дальнейшее снижение температуры горячего прессования с 1270 до
1050°С приводило к уменьшению размера зерна от 6−25 μm (рис. 3,а) до
250−300 nm (рис. 3,б). Плотность материала образцов увеличивалась при
этом до 5.92−6.08 g/cm3 (пористость 3.1−0.2%).
Рентгенодифрактометрические исследования показали, что при всех тем-
пературах в результате горячего прессования формируется тетрагональная
объемно-центрированная структура с параметрами элементарной ячейки:
а = 0.3608 nm, с = 0.5172 nm (рис. 4).
а б
Рис 3. Структура керамических материалов состава ZrO2−3 mol.% Y2O3, изготов-
ленных горячим вакуумным прессованием при давлении 45 МPа и времени вы-
держки 120 s при температурах 1270°С, ×600 (а) и 1050°С, ×6000 (б)
Рис. 4. Дифрактограмма образца ке-
рамики состава ZrO2−3 mol.% Y2O3,
изготовленного горячим вакуумным
прессованием при температуре 1050°С.
Дифрактограмма получена в Cu K
α
-
излучении с применением Ni-фильтра
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
51
Выводы
Методом горячего вакуумного прессования при нагреве с помощью пря-
мого пропускания тока через графитовую пресс-форму был получен плот-
ный (плотность ~ 5.92−6.08 g/cm3, пористость ~ 3.1−0.2%) керамический ма-
териал из нанопорошков состава ZrO2−3 mol.% Y2O3 при температуре
1050°С, давлении 45 МPа и времени выдержки 120 s с равномерным распре-
делением зерен величиной 250−300 nm.
Результаты проведенных исследований показали возможность использо-
вания процесса электроконсолидации для получения керамического мате-
риала на основе частично стабилизированного диоксида циркония, который
может найти применение, например, в медицине для изготовления имплан-
тантов и других областях техники.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта УНТЦ Р-154.
1. F.F. Lange, J. Amer. Ceram. Soc. 72, 3 (1989).
2. A.H. Heuer, N. Claussen, W.M. Kriven, M.J. Ruhle, J. Amer. Ceram. Soc. 65, 642 (1982).
3. W.H. Rhodes, J. Amer. Ceram. Soc. 64, 19 (1981).
4. M. Van de Graaf, J. Ter Maat, A. Burggraaf, J. Mater. Sci. 20, 1407 (1985).
5. P. Duran, M. Villegas, F. Capel, C. Moure, J. Mater. Sci. 15, 741 (1996).
6. S. Lawson, J. Eur. Ceram. Soc. 15, 485 (1995).
7. И.А. Даниленко, В.А. Фомченко, Т.Е. Константинова, Функциональные мате-
риалы №1, 14 (2007).
8. Р.А. Андриевский, А.Н. Вихрев, В.В. Иванов, ФММ 81, 137 (1996).
9. Р.А. Андриевский, Порошковое материаловедение, Металлургия, Москва (1991).
10. R. Chaim, M. Hefet, J. Mater. Res. 13, 1875 (1998).
11. E.S. Gevorkyan, V.Yu. Kodash, in: Cutting and Instrument in technological systems Col-
lection of International scientific works, NTU «KhPI», Kharkov (2005), 68, p. 123−128.
12. W.M. Goldberger, B.D. Merkle, D. Boss, Advanced Processing Techniques − Particu-
late Materials, Vol. 6, Metal Powder Industries Federation, Princeton, NJ (1994), p. 91.
13. T. Konstantinova, I. Danilenko, N. Pilipenko, A. Dobricov, Advances in science and
technology, 16 Ceramics: Getting into the 2000’S Proceeding of Word Ceramic Con-
gress 9th CIMTEK Faenza, Nechna, Part A, 305 (1999).
14. Т.Е. Константинова, И.А. Даниленко, В.В. Токий, Наносистемы, наноматериа-
лы, нанотехнологии, Академпериодика, Киев, т. 2, вып. 2, 609 (2004).
S.Yu. Sayenko, N.N. Byelash, E.S. Gevorkyan, T.E. Konstantinova, A.E. Surkov,
V.A. Chishkala, I.A. Danylenko, F.V. Belkin
ZIRCONIA-BASED NANOCERAMICS PRODUCED BY HOT VACUUM
PRESSING
Possibilities have been studied for preparing fine-grain ceramics from zirconia-based
nanosize powder by using the method of hot vacuum pressing. The hot pressing of
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1
52
ZrO2−3 mol.% Y2O3 powder, with the average particle size of 21−28 nm, at a tempera-
ture of 1050°C and a pressure of 45 MPa and holding time of 120 s makes it possible to
prepare ceramics of 5.9−6.0 g/cm3 density with uniform distribution of grains 250−300
nm in size. For all the temperatures, the hot vacuum pressing has resulted in a tetragonal
bcc structure.
Fig. 1. Particle shape and size for nanodimensional ZrO2−3 mol.% Y2O3 powder, ×140000
Fig. 2. Microstructure of samples prepared by hot vacuum pressing (T = 1600°С) from
ZrO2−3 mol.% Y2O3 nanopowder, ×600
Fig. 3. Structure of ceramic materials of ZrO2−3 mol.% Y2O3 composition produced by
hot vacuum pressing at a pressure of 45 MPa and holding time of 120 s at temperatures of
1270°С, ×600 (а) and 1050°С, ×6000 (б)
Fig. 4. Diffraction pattern for ceramic sample of ZrO2−3 mol.% Y2O3 composition pre-
pared by hot vacuum pressing at 1050°С. The diffraction pattern was obtained in the Cu
K
α
-radiation by using a Ni-filter
|