Alpha-Alumina/Tetragonal Zirconia Composites Modified with Strontium Cations

L. I. Podzorova; Подзорова Л. И.; A. A. Il’icheva; Ильичёва А. А.; O. I. Pen’kova; Пенькова О. И.; V. P. Sirotinkin; Сиротинкин В. П.; O. S. Antonova; Антонова О. С.; M. A. Kaplan; Каплан М. А.; M. G. Frolova; Фролова М. Г.

doi:10.31857/S0002337X2306012X

Alpha-Alumina/Tetragonal Zirconia Composites Modified with Strontium Cations

Authors: Podzorova L.I.¹, Il’icheva A.A.¹, Pen’kova O.I.¹, Sirotinkin V.P.¹, Antonova O.S.¹, Kaplan M.A.¹, Frolova M.G.¹
Affiliations:
1. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences
Issue: Vol 59, No 6 (2023)
Pages: 696-704
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/140205
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X2306012X
EDN: https://elibrary.ru/EUOHQF
ID: 140205

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Composites have been prepared using nanopowders whose precursors were synthesized by a sol–gel hydrolysis process in 1 M solutions of the ZrOCl2, Al(NO3)3, Yb(NO3)3, and Sr (NO3)2 salts the amount of which corresponded to the basic composition (mol %) 50Al2O3, (50 – n)3Yb-TZP (tetragonal zirconia polycrystals stabilized with 3% Yb2O3), and n = 1, 3, or 6% SrO as a modifier. We have studied how the amount of the modifier influences the phase composition, microstructure, and mechanical properties of the composites. The addition of the modifier has been found to shift the θ-Al2O3 → α-Al2O3 transition to higher temperatures. In situ sintering of the starting nanopowders in the temperature range 1250–1400°C has been shown to result in the formation of alpha-alumina and strontium hexaaluminate. Raising the modifier concentration to above 3% increases the closed porosity of the composites, reducing their bending strength from 700 to 450 MPs.

Keywords

phase formation, microstructure, strength, fracture toughness

References

Chevalier J., Liens A., Revero H. et al. Fourty Years after the Promise of “Ceramic steel?”: Zirconia Based Composites with a Metal Like Mechanical Behavior // Am. Ceram. Soc. 2019. V. 103. № 3. P. 1482–1513. https://doi.org/10.1111/jace.16903
Гаршин А.П., Гропянов В.М., Зайцев Г.П., Семенов С.С. Керамика для машиностроения. М.: Научтехлиттздат, 2003. 380 с.
Ахунова Д.Р., Попова Н.А., Лукин Е.С., Пашков О.Д., Кучеряев К.А. Композиционная керамика на основе диоксида циркония для твердотопливных элементов (Обзор) // Успехи в химии и хим. технологии. 2022. Т. 36. № 3. (252). С. 13–15.
Константинова Т.Е., Даниленко И.А., Брюханова И.И., Лоладзе Л.В. Новое поколение композитов на основе оксидных порошков // Перспективные материалы и технологии. Сб. материалов международного симпозиума / Под общ. ред. Рубаника В.В. 2019. С. 452–454.
Piconi C., Maccauro G., Muratori F. Alumina Matrix Composites in Arthroplasty // Key Eng. Mater. 2005. V. 284–286. P. 979–982. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.284-286.979
Морозова Л.В., Калинина М.В., Арсентьев М.Ю., Шилова О.А. Влияние криохимической и ультразвуковой обработки на текстуру, термическое разложение ксерогелей и свойства нанокерамики в системе ZrO2〈Y2O3〉–Al2O3 // Неорган. материалы. 2017. Т. 53. № 6. С. 654–661. https://doi.org/10.7868/S0002337X17060112
Оболкина Т.О., Гольдберг М.А., Антонова О.С., Смирнов С.В., Тютькова Ю.Б., Егоров А.А., Смирнов И.В., Коновалов А.А., Баринов С.М., Комлев В.С. Влияние комплексных добавок на основе оксидов железа, кобальта, марганца и силиката натрия на спекание и свойства низкотемпературной керамики 3Y–TZP–Al2O3 // Журн. неорган. химии. 2021. Т. 66. № 8. С. 1120–1125.
Chevalier J., Taddei P., Gremillard L. et al. Realiability Assessment in Advanced Nanocomposite Materials for Orthopedic Applications // J. Mater. Behavior of Biomed. Mater. 2011. V. 4 (9I.3). P. 303–314. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2010.10.010
Дудкин Б.Н., Бугаева А.Ю., Зайнуллин Г.Г., Филиппов В.Н. Композиционная керамика корунд/гексаалюминат лантана/алюмооксидное нановолокно // Неорган. материалы. 2010. Т. 46. № 4. С. 508–512.
Антонов Д.А., Тарасенко М.А., Павлов С.С., Макаров Н.А. Композиционная корундовая керамика с армирующими углеродными нанотрубками, модифицированная добавками эвтектического состава // Стекло и керамика. 2021. № 6. С. 16–21.
Naga S.M., Elshaer M., Awaad M., Amer A.A. Strontium Hexaaluminate ZTA Composites: Preparation and Characterization // Mater. Chem. Phys. 2019. V. 232. P. 23–27. https://doi.org/0.1016/j.matchemphys.2019.04.055
Черкасова Н.Ю., Батаев А.А., Веселов С.В., Кузьмин Р.И., Стукачева Н.С., Зимоглядова Т.А. Структура и трещиностойкость керамики на основе Al2O3 и ZrO2 с добавкой SrAl12O19 // Письма о материалах. 2019. Т. 9. № 2. С. 179–184. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2019-2-179-184
Kern F., Gadow R. Influence of In Situ Platelet Reinforcement on the Properties of Injection Moulded Alumina-Toughened Zirconia // J. Ceram. Sci. Technol. 2011. V. 02 [01]. P. 47–54. https://doi.org/10.4416/JCST2010-00019
Podzorova L.I., Il’icheva A.A., Pen’kova O.I., Alad’ev N.A., Baikin A.S., Konovalov A.A., Morokov E.S. Dispersion Hardening of Composites in the System Aluminum Oxide and Cerium Cation Stabilized Tetragonal Zirconium Dioxide // Glass Ceram. 2017. V. 74. № 5–6. P. 204–208. https://doi.org/10.1007/s10717-017-9962-8
Подзорова Л.И., Ильичева А.А., Сиротинкин В.П., Антонова О.С., Баикин А.С., Пенькова О.И. Высокопрочные керамические композиты тетрагональный диоксид циркония/корунд, содержащие гексаалюминат стронция // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 2 С. 203–207. https://doi.org/10.31857/S0002337X2102010X
Ильичёва А.А., Подзорова Л.И., Сиротинкин В.П., Антонова О.С., Коновалов А.А., Кутузова В.Е., Пенькова О.И. Формирование гексаалюмината стронция в системах оксида алюминия и тетрагонального диоксида циркония, модифицированных катионами стронция // Журн. неорган. химии. 2020. Т. 55. № 2. С. 154–161. https://doi.org/10.31857/s0044457x20020063
Вольхин В.В., Жарныльская А.Л., Казаков Д.А., Леонтьева Г.В. Синтез и стабилизация наноразмерной тетрагональной модификации диоксида циркония в алюмооксидной матрице // Изв. вузов. Сер. Химия и хим. технология. 2010. Т. 53. № 7. С. 3–7.
Малецкий А.В., Константинова Т.Е., Беличко Д.Р., Волкова Г.К., Бурховецкий В.В., Брюханова И.И., Головань Г.Н. Влияние легирования диоксидом циркония, стабилизированным иттрием, на структуру и свойства керамики на основе θ-оксида алюминия // Физика и техника высоких давлений. 2021. Т. 31. № 1. С. 63–74.
Yoshimura M., Sung-Tag Oh, Sando M., Niihara K. Crystallization and Microstructural Characterization of ZrO2(3 mol % Y2O3)Nano-Sized Powder with Al2O3 Contents // J. Alloys Compd. 1999. V. 290. P. 284–289. https://doi.org/10.1016/ S0925-8388(99)00213-3
Подзорова Л.И., Ильичева А.А., Шворнева Л.И. Влияние последовательности осаждения компонентов на фазообразование в системе ZrO2–CeO2–Al2O3 // Неорган. материалы. 2007. Т. 43. № 9. С. 1086–1089.
Sirotinkin V.P., Podzorova L.I., Il’icheva A.A. Comparative X-Ray Diffraction Study of the Yb2O3 Stabilized Zirconia Ceramics Doped with SrO and CaO // Mater. Chem. Phys. 2022. V. 277. P. 125496.
Sirotinkin V.P., Shamrai V.F., Samokhin A.V., Alekseev N.V., Sinaiskii M.A. Phase Composition of Al2O3 Nanopowders Prepared by Plasma Synthesis and Heat-Treated // Inorg. Mater. 2012.V. 48. № 4. P. 342–349. https://doi.org/10.1134/S0020168512040152
Yen F.S., Lo Y.S., Wen H.L., Yang R.J. θ- to α-Phase Transformation Subsystem Induced by α-Al2O3 in Boehmite-Derived Nano-Sized Alumina Powders // J. Cryst. Growth. 2003. № 249. P. 283–293.
Sarath K.C., Monali M., Chowdary V.A., Ghosh G., Sarka D. Microstructure and Mechanical Behaviour of SrO Doped Al2O3 Ceramics // Mater. Sci. Eng. A, 2019. V. 739. P. 186–192. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.10.038
Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. М.: Госизд. физ. мат. лит., 1961. 782 с.
Егоров-Тисменко Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия. М.: Университет (КДУ), 2005. 589 с.