Методом спекания получены композиционные керамические материалы на основе нанопорошков SiO2–Al2O3–ZrO2 и исследованы их свойства. Перед спеканием порошки были подвергнуты механоактивации на планетарной шаровой мельнице с использованием диоксидциркониевых шаров в качестве размольных тел. Активированные порошки были спрессованы под давлением прессования 50, 100, 200 и 300 МПа. Консолидирование производилось в атмосферной высокотемпературной печи при 1700 ?. Поверхность спеченных объемных образцов была исследована с помощью растрового электронного микроскопа. Элементный анализ позволил установить закономерности распределения химических элементов. Установлено, что во всех исследуемых образцах наблюдается формирование двух фаз – Al6Si2O13 и ZrSiO4. Определена пористость образцов и установлена зависимость данного параметра от прикладываемого давления прессования. Исследованы механические свойства образцов с помощью наноиндентирования: твердость индентирования и модуль упругости, а при проведении скретч-тестирования установлены пределы прочности на изгиб исследуемых образцов. Трещиностойкость образцов определяли методом индентирования с использованием зависимости Маршала–Эванса. Определено влияние соотношения исходных компонентов и прикладываемого давления прессования на физико-механические свойства полученной композитной керамики.
Егор Дмитриевич Кузьменко – студент, отделение материаловедения, Инженерная школа новых производственных технологий, Томский политехнический университет (ТПУ), Томск, Россия
Сергей Вениаминович Матренин – кандидат технических наук, доцент, отделение материаловедения, Инженерная школа новых производственных технологий, Томский политехнический университет (ТПУ), Томск, Россия
1. Rendtorff N. M., Garrido L. B., Aglietti E. F. Thermal shock resistance and fatigue of zircon–mullite composite materials // Ceramics International. 2011. V. 37, No. 4. P. 1427 – 1434.
2. Bakr I. M., Wahsh M. M. S. Fabrication and characterization of multi phase ceramic composites based on zircon–alumina–magnesia mixtures // Materials & Design. 2012. V. 35. P. 99 – 105.
3. Roy R., Das D., Rout P. K. A review of advanced mullite ceramics // Engineered Science. 2021. V. 18, No. 11. P. 20 – 30.
4. Arag?n-Duarte M. C., Nevarez-Rasc?n A., Esparza-Ponce H. E., et al. Nanomechanical properties of zirconia-yttria and alumina zirconia-yttria biomedical ceramics, subjected to low temperature aging // Ceramics International. 2017. V. 43, No. 5. P. 3931 – 3939.
5. Vorob’eva V. P., Zelenaya A. E., Lutsyk V. I., et al. State diagram of the ZrO2–SiO2–Al2O3 system with visualization by computer 3D-model and calculation using the NUCLEA database // Doklady Physical Chemistry. Moscow: Pleiades Publishing. 2023. V. 511, No. 1. P. 107 – 116.
6. Faza Y., Cahyanto A., Djustiana N., et al. Synthesis and characterization of mullite-zirconia prepared through solid sintering of 3Al2O3–2SiO2 xerogel and ZrO2 xerogel as a dental implant material // AIP Conference Proceedings. AIP Publishing. 2020. V. 2219, No. 1.
7. Liu Z., Xie N., Huang S., et al. Influence of zirconia on the sintering behaviour and mechanical properties of reaction-sintered mullite-based composite ceramics // Clay Minerals. 2022. V. 57, No. 2. P. 97 – 104.
8. Hennige V. D., Hau?elt J., Ritzhaupt-Kleissl H. J., et al. Shrinkage-free ZrSiO4-ceramics: characterisation and applications // Journal of the European Ceramic Society. 1999. V. 19, No. 16. P. 2901 – 2908.
9. Ugolkov V. L., Koval’chuk N. A., Osipov A. V., et al. Ceramic composites based on zircon and zirconium dioxide // Refractories and Industrial Ceramics. 2024. V. 64, No. 5. P. 492 – 496.
10. Reinders L., Pfeifer S., Kr?ner S., et al. Development of mullite fibers and novel zirconia-toughened mullite fibers for high temperature applications // Journal of the European Ceramic Society. 2021. V. 41, No. 6. P. 3570 – 3580.
11. Дмитриевский А. А., Жигачев А. О., Жигачева Д. Г. и др. Влияние диоксида кремния на стабильность фазового состава и механические свойства керамики на основе диоксида циркония, упрочненной оксидом алюминия // Журнал технической физики. 2020. Т. 90, № 12. С. 2108 – 2117.
12. Zhigachev A. O., Rodaev V. V., Umrikhin A. V., et al. The effect of silica content on microstructure and mechanical properties of calcia-stabilized tetragonal zirconia polycrystalline ceramic // Ceramics International. 2019. V. 45, No. 1. P. 627 – 633.
13. del Monte F., Larsen W., Mackenzie J. D. Stabilization of tetragonal ZrO2 in ZrO2–SiO2 binary oxides // Journal of the American Ceramic Society. 2000. V. 83, No. 3. P. 628 – 634.
14. Gremillard L., Chevalier J., Epicier T., et al. Improving the durability of a biomedical?grade zirconia ceramic by the addition of silica // Journal of the American Ceramic Society. 2002. V. 85, No. 2. P. 401 – 407.
15. Матренин С. В., Мостовщиков А. В., Мировой Ю. А. и др. Исследование структуры и физико-механических свойств керамики на основе оксинитридов алюминия и циркония // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2022. Т. 333, № 2. С. 184 – 192.
16. Moradkhani A., Panahizadeh V., Hoseinpour M. Indentation fracture resistance of brittle materials using irregular cracks: A review // Heliyon. 2023. V. 9, No. 9.
17. Дмитриевский А. А., Жигачева Д. Г., Ефремова Н. Ю. и др. Влияние примеси SiO2 на трансформируемость тетрагональной фазы циркониевой керамики, армированной частицами Al2O3 // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 11, № 1. С. 49 – 62.
18. Kuzmenko E. D., Matrenin S. V., Nassyrbayev A. R. Physical and mechanical properties of ceramics based on ZrN–ZrO2 obtained by spark plasma sintering method // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2024. V. 335, No. 7. P. 166 – 173.
19. Liu Y., Yang, D., Riekehr, L., et al. Combining good mechanical properties and high translucency in yttrium-doped ZrO2–SiO2 nanocrystalline glass-ceramics // Journal of the European Ceramic Society. 2022. V. 42, No. 1. P. 274 – 285.
20. Guo L., Naghavi S. A., Wang Z., et al. On the design evolution of hip implants: A review // Materials & Design. 2022. V. 216. P. 18.
21. Веселов С. В., Стукачева Н. С., Кузьмин Р. И. и др. Структура и механические свойства керамических материалов системы Al2O3–ZrO2 // Системы анализа и обработки данных. 2016. Т. 4, № 65. С. 207 – 217.
22. Дмитриевский А. А., Жигачева Д. Г., Жигачев А. О. и др. Прочностные свойства циркониевой керамики, упрочненной оксидом алюминия, с добавлением диоксида кремния // Физика твердого тела. 2021. Т. 63, № 2. С. 259 – 263.
23. Shearer A., Montazerian M., Deng B., et al. Zirconia?containing glass?ceramics: From nucleating agent to primary crystalline phase // International Journal of Ceramic Engineering & Science. 2024. V. 6, No. 2. P. 32.
24. Moratal S., Rosado E., Benavente R., et al. Fast-low temperature microwave sintering of ZrSiO4–ZrO2 composites // Ceramics International. 2023. V. 49, No. 13. P. 21652 – 21657.
25. Rendtorff N. M., Grasso S., Hu C., et al. Zircon–zirconia (ZrSiO4–ZrO2) dense ceramic composites by spark plasma sintering // Journal of the European Ceramic Society. 2012. V. 32, No. 4. P. 787 – 793.
Статью можно приобрести
в электронном виде!
PDF формат
700 руб
DOI: 10.14489/glc.2025.08.pp.018-025
Тип статьи:
Научная статья
Оформить заявку
