Fracture-Resistant Zirconia-Based Composite Ceramics with Increased Surface Layer Hardness

A. A. Dmitrievskiy; Дмитриевский А. А.; D. G. Zhigacheva; Жигачева Д. Г.; N. Yu. Efremova; Ефремова Н. Ю.; V. M. Vasyukov; Васюков В. М.; G. V. Grigoriev; Григорьев Г. В.

doi:10.31857/S1028096023080071

Трещиностойкая композиционная керамика на основе диоксида циркония с повышенной твердостью приповерхностного слоя

Авторы: Дмитриевский А.А.¹, Жигачева Д.Г.¹, Ефремова Н.Ю.¹, Васюков В.М.¹, Григорьев Г.В.¹
Учреждения:
1. Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина
Выпуск: № 8 (2023)
Страницы: 107-112
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rcsi.science/1028-0960/article/view/137804
DOI: https://doi.org/10.31857/S1028096023080071
EDN: https://elibrary.ru/OAKWKU
ID: 137804

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

С использованием сравнительно экономичного метода порошковой металлургии изготовлена двухслойная композиционная керамика на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом кальция, и упрочненного оксидом алюминия (Ca-ATZ). Один из слоев содержал добавку диоксида кремния (Ca-ATZ + SiO₂). Исследованы структура, элементный и фазовый состав, а также комплекс механических свойств образцов в окрестности границы раздела слоев Ca-ATZ/Ca-ATZ + SiO₂. Показано, что наличие резкой границы раздела слоев с разным элементным составом не вызывало структурных нарушений (появления пор, трещин и других макроскопических дефектов, способствующих ухудшению прочностных свойств) или изменений фазового состава (более 90% диоксида циркония в обоих слоях находилось в тетрагональной фазе, что обеспечивало высокую роль трансформационного механизма упрочнения). Продемонстрированное сохранение структурной целостности и соотношения моноклинной, тетрагональной и кубической фаз диоксида циркония при формировании резкой границы раздела указанных слоев, обеспечивает возможность изготовления керамики на основе диоксида циркония с тонким (100–200 мкм) модифицированным слоем. С учетом различия механических свойств Ca-ATZ и Ca-ATZ + SiO₂ керамики, это обеспечивает основному материалу (содержащему SiO₂) повышенную вязкость разрушения (с коэффициентом интенсивности напряжений не менее 12 МПа · м^1/2), а приповерхностному слою (не содержащему SiO₂) – высокую нанотвердость (не ниже 14 ГПа).

Ключевые слова

двухслойная композиционная керамика, микроструктура, фазовый состав, модификация поверхности, твердость, вязкость разрушения, граница раздела составов.

Список литературы

Surface Modification of Biomaterials. Methods Analysis and Applications / Ed. Williams R. Woodhead Publishing, 2011.
Surface Modification by Solid State Processing / Ed. Miranda R. Woodhead Publishing, 2014.
Jain I.P., Agarwal G. // Surf. Sci. Rep. 2011. V. 66. P. 77. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2010.11.001
Egerton R.F // Micron. 2019. V. 119. P. 72. https://doi.org/10.1016/j.micron.2019.01.005
Ushakov I.V. // Proc. SPIE. Nanodesign Technol. Computer Simulations. 2007. V. 6597. P. 659714. https://doi.org/10.1117/12.726773
Ushakov I.V., Feodorov V.A., Permyakova I.J. // Proc. SPIE. Int. Soc. Optical Engineer. 2004. V. 5400. P. 265. https://doi.org/10.1117/12.555529
Tao F., Liu Y., Ren X., Wang J., Zhou Y., Miao Y., Ren F., Wei Sh., Ma J. // J. Energy Chem. 2022. V. 66. P. 397. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.08.022
Alagatu A., Dhapade D., Gajbhiye M., Panjrekar R., Raut A. // Mater. Today: Proc. 2022. V. 60. P. 2245. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.03.338
Koizumi M. // Ceram. Eng. Sci. Proc. 1992. V. 13. P. 333. https://doi.org/10.1002/9780470313954.ch33
Miyamoto Y., Kaisser W., Rabin B.H., Kawasaki A., Ford R.G. Functionally Graded Materials: Design, Processing, and Applications. New York: Springer Science & Business Media, 1999.
Pasha A., Rajaprakash B.M. // Mater. Today: Proc. 2022. V. 52. P. 379. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.09.066
Sun J., Ye D., Zou J., Chen X., Wang Y., Yuan J., Liang H., Qu H., Binner J., Bai J. // J. Mater. Sci. Technol. 2023. V. 138. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.06.039
Sam M., Jojith R., Radhika N. // J. Manuf. Process. 2021. V. 68. P. 1339. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.06.062
Besisa D.H.A., Ewais E.M.M. // Mater. Res. Express. 2019. V. 6. P. 075516. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab177e
Ewais E.M.M., Besisa D.H.A., Zaki Z.I., Kandil A.E.H.T. // J. Eur. Ceram. Soc. 2012. V. 32. P. 1561. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.01.016
Dmitrievskii A.A., Zhigachev A.O., Zhigacheva D.G., Rodaev V.V. // Tech. Phys. 2020. V. 65. № 12. P. 2016. https://doi.org/10.1134/S1063784220120075
Dmitrievskiy A.A., Zhigacheva D.G., Vasyukov V.M., Ovchinnikov P.N. // J. Phys. Conf. Ser. 2021. V. 2103. P. 012075. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2103/1/012075
Dmitrievskiy A.A., Zhigacheva D.G., Grigoriev G.V., Ovchinnikov P.N. // J. Surf. Invest. X-Ray. Synchrotron and Neutron Techn. 2021. V. 15. V. 1. P. S137. https://doi.org/10.1134/S1027451022020264
Anstis G.R., Chantikul P., Lawn B.R., Marshall D.B. // J. Am. Ceram. Soc. 1981. V. 64. № 9. P. 533. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1981.tb10320.x
Zhang F., Lin L.F., Wang E.Z. // Ceram. Int. 2015. V. 41. P. 2417. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.06.081
Garvie R.C., Hannink R.H.J., Pascoe R.T. // Nature. 1975. V. 258. P. 703. https://doi.org/10.1038/258703a0
Hannink R.H.J., Kelly P.M., Muddle B.C. // J. Am. Ceram. Soc. 2000. V. 83. № 3. P. 461.https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01221.x