RU2675391C1 - Ceramic material with low temperature of sintering based on zirconium dioxide of tetragonal modification - Google Patents
Ceramic material with low temperature of sintering based on zirconium dioxide of tetragonal modification Download PDFInfo
- Publication number
- RU2675391C1 RU2675391C1 RU2017138448A RU2017138448A RU2675391C1 RU 2675391 C1 RU2675391 C1 RU 2675391C1 RU 2017138448 A RU2017138448 A RU 2017138448A RU 2017138448 A RU2017138448 A RU 2017138448A RU 2675391 C1 RU2675391 C1 RU 2675391C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sodium silicate
- iron oxide
- ceramic material
- sintering
- strength
- Prior art date
Links
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 27
- RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N copper;5,10,15,20-tetraphenylporphyrin-22,24-diide Chemical compound [Cu+2].C1=CC(C(=C2C=CC([N-]2)=C(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC(N=2)=C(C=2C=CC=CC=2)C2=CC=C3[N-]2)C=2C=CC=CC=2)=NC1=C3C1=CC=CC=C1 RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 13
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 10
- 238000005245 sintering Methods 0.000 title claims description 21
- 230000004048 modification Effects 0.000 title claims description 10
- 238000012986 modification Methods 0.000 title claims description 10
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 3
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 8
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 12
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000007943 implant Substances 0.000 abstract description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 abstract 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000001272 pressureless sintering Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
- C04B35/486—Fine ceramics
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Description
Изобретения относится к области получения высокоплотной керамики на основе диоксида циркония. Плотные прочные керамические диоксида циркония тетрагональной модификации обладают высокой стойкостью к воздействию химических и биологической сред, высокими механическими свойствами, что позволяет их использовать в качестве износостойких изделий, различного режущего инструмента, в том числе, медицинских скальпелей, керамических подшипников, а также имплантатов для замещения костных дефектов.The invention relates to the field of producing high-density ceramics based on zirconium dioxide. Dense durable ceramic zirconia tetragonal modifications have high resistance to chemical and biological environments, high mechanical properties, which allows them to be used as wear-resistant products, various cutting tools, including medical scalpels, ceramic bearings, as well as implants to replace bone defects.
Основным недостатком технологии керамики на основе диоксида циркония является высокая температура спекания 1700-1750 С [Андрианов, Н.Т., Балкевич, В.Л., Беляков, А.В., Власов, А.С., Гузман, И.Я., Лукин, Е.С., … & Скидан, Б.С. Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов / Под ред. ИЯ Гузмана //М.: ООО Риф «Стройматериалы», 2012. - 496 с. - 2012].The main disadvantage of zirconia-based ceramic technology is the high sintering temperature of 1700-1750 C [Andrianov, N.T., Balkevich, V.L., Belyakov, A.V., Vlasov, A.S., Guzman, I.Ya ., Lukin, E.S., ... & Skidan, B.S. Chemical technology of ceramics: textbook. manual for universities / Ed. IY Guzman // M .: LLC Reef "Building Materials", 2012. - 496 p. - 2012].
Низкотемпературные керамические материалы с температурой спекания ниже 1400°С получают при использовании специальных дорогостоящих методов спекания (горячего и изостатического прессования) или за счет использования высокоактивных к спеканию ультрадисперсных порошков с высокой площадью удельной поверхностью и спекающих добавок, образующих расплав.Low-temperature ceramic materials with a sintering temperature below 1400 ° C are obtained using special expensive sintering methods (hot and isostatic pressing) or through the use of highly active sintering ultrafine powders with a high specific surface area and sintering additives that form a melt.
Так известен керамический материал тетрагональной модификации [М. Trunec and K. Маса Compaction and Pressureless Sintering of Zirconia Nanoparticles // J. Am. Ceram. Soc., 90 [9] 2735-2740 (2007)] с температурой спекания около 1100°С и относительной плотностью 99,1%. Низкая температура спекания и достижение относительной плотности 99,1% является следствием использования ультрадисперсных порошков с высокой с площадью удельной поверхности 123 м2/г. Недостатком данного материала является использование дорогостоящего оборудования для изостатического уплотнения при прессовании образцов, а также относительно низкая плотность материала, что приводит к снижению прочности.So is known ceramic material tetragonal modification [M. Trunec and K. Masa Compaction and Pressureless Sintering of Zirconia Nanoparticles // J. Am. Ceram. Soc., 90 [9] 2735-2740 (2007)] with a sintering temperature of about 1100 ° C. and a relative density of 99.1%. The low sintering temperature and a relative density of 99.1% is a consequence of the use of ultrafine powders with a high specific surface area of 123 m 2 / g. The disadvantage of this material is the use of expensive equipment for isostatic compaction when pressing samples, as well as the relatively low density of the material, which leads to a decrease in strength.
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является керамический материал тетрагональной модификации [патентThe closest in technical solution and the achieved effect is a ceramic material of tetragonal modification [patent
№2572101 «Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации»] с температурой спекания около 1150°С. Низкая температура спекания, достижение относительной плотности (открытая пористость не более 0,01%) и прочности до 350 МПа достигается за счет использования ультрадисперсных порошков 150 м2/г и применения добавки - силиката натрия в количестве 2-5 масс. %. Недостатком данного материала является низкая прочность материала. Это является следствием содержания в материале аморфной стеклофазы низкой прочности.No. 2572101 “Ceramic material with a low sintering temperature based on zirconia tetragonal modification”] with a sintering temperature of about 1150 ° C. Low sintering temperature, achievement of relative density (open porosity of not more than 0.01%) and strength up to 350 MPa is achieved through the use of ultrafine powders of 150 m 2 / g and the use of an additive - sodium silicate in an amount of 2-5 mass. % The disadvantage of this material is the low strength of the material. This is a consequence of the low strength amorphous glass phase in the material.
Технический результат изобретения заключается в создании материала на основе диоксида циркония тетрагональной модификации, спекающегося до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01%) при низкой температуре 1200-1250°С, и характеризующийся высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 400 МПа.The technical result of the invention is to create a material based on zirconia tetragonal modification, sintering to a dense state (open porosity of not more than 0.01%) at a low temperature of 1200-1250 ° C, and characterized by high mechanical characteristics: bending strength of at least 400 MPa .
Технический результат достигается тем, что керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации, содержит добавку оксида железа, способствующую спеканию при 1200-1250°С при следующих соотношениях компоненты в материале: добавка силикат натрия 2-5 масс. %, добавка оксид железа 0,5-2 масс. %, тетрагональный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3-9 мол. %) -остальное, полученный материал характеризуется прочностью при изгибе не менее 400 МПа, равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 50-100 нм и открытой пористостью не более 0,01%.The technical result is achieved in that the ceramic material with a low sintering temperature based on zirconia tetragonal modification contains an iron oxide additive that promotes sintering at 1200-1250 ° C with the following ratios of the components in the material: additive sodium silicate 2-5 wt. %, the addition of iron oxide 0.5-2 mass. %, tetragonal zirconia (yttrium oxide content 3-9 mol.%) - the rest, the obtained material is characterized by a bending strength of at least 400 MPa, a uniform homogeneous structure with a crystal size of about 50-100 nm and an open porosity of not more than 0.01% .
Керамический материал указанного состава неизвестен. При спекании добавка -силикат натрия (температура плавления около 1080-1100°С) образует низкотемпературный расплав, что способствует спеканию материала по жидкофазному механизму. Добавка - оксид железа, в результате создания в решетке диоксида циркония дефектов, интенсифицируюет спекание и способствует плотному срастанию кристаллов. В результате спекание до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01%) становится возможным при низких температурах 1250°С, что позволяет получить высокие механические свойства (прочность при изгибе не менее 400 МПа). При температурах спекания более 1400°С происходит рост кристаллов, что приводи к снижению прочности. При температурах ниже 1100°С падение прочности происходит в следствии увеличении пористости. При использовании добавки менее 2 масс. % силиката натрия и менее 0,5 масс. % оксида железа материал имеет высокую открытую пористость, что приводит к снижению прочности материала. При использовании добавки более 5 масс. % силиката натрия в материале в качестве второй фазы остается непрочные соединения силиката натрия, содержание которых приводит к снижению прочности керамики. При содержании оксида железа более 5 масс. % происходит рост кристаллов керамики и как следствие прочность снижается. При содержании оксида иттрия менее 3 мол. % образуется моноклинная модификация, а при более 9 мол. % кубическая модификация, содержание которых также снижает прочность материала.Ceramic material of this composition is unknown. During sintering, the addition of sodium silicate (melting point about 1080-1100 ° C) forms a low-temperature melt, which contributes to the sintering of the material by a liquid-phase mechanism. The additive - iron oxide, as a result of the creation of defects in the zirconium dioxide lattice, intensifies sintering and promotes dense crystal intergrowth. As a result, sintering to a dense state (open porosity of not more than 0.01%) becomes possible at low temperatures of 1250 ° C, which allows to obtain high mechanical properties (bending strength of at least 400 MPa). At sintering temperatures of more than 1400 ° C, crystals grow, which leads to a decrease in strength. At temperatures below 1100 ° C, a drop in strength occurs as a result of an increase in porosity. When using additives less than 2 mass. % sodium silicate and less than 0.5 wt. % iron oxide material has a high open porosity, which leads to a decrease in the strength of the material. When using additives more than 5 mass. % of sodium silicate in the material as the second phase remains weak compounds of sodium silicate, the content of which leads to a decrease in the strength of ceramics. When the content of iron oxide is more than 5 mass. %, ceramic crystals grow and as a result, the strength decreases. When the content of yttrium oxide is less than 3 mol. % monoclinic modification is formed, and at more than 9 mol. % cubic modification, the content of which also reduces the strength of the material.
Пример. Керамику получали из нанодисперсных порошков диоксида циркония, содержащего 9 мол. % оксида иттрия, с удельной поверхностью 100 м2/г. В порошки вводили силикат натрия в количестве 5 масс. % в виде порошка и оксид железа 2 масс. %. Смешение проводили на планетарной мельнице в течение 30 минут до получения порошка с равномерным распределением добавки. Для получения образцов, порошок прессовали в виде балочек размером 30*3*3 мм. Полученные образцы спекали при температуре 1200°С. В результате получали керамический материал, состоящий из 100% тетрагональной фазы. Материал характеризовался однородной мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 50-100 нм, открытой пористостью не более 0,01%, прочностью при изгибе 400 МПа.Example. Ceramics was obtained from nanodispersed zirconia powders containing 9 mol. % yttrium oxide, with a specific surface area of 100 m 2 / g. Sodium silicate in the amount of 5 wt. % in the form of powder and iron oxide 2 wt. % Mixing was carried out on a planetary mill for 30 minutes to obtain a powder with a uniform distribution of additives. To obtain samples, the powder was pressed in the form of rolls measuring 30 * 3 * 3 mm. The obtained samples were sintered at a temperature of 1200 ° C. The result was a ceramic material consisting of 100% tetragonal phase. The material was characterized by a homogeneous fine-crystalline structure with a crystal size of 50-100 nm, an open porosity of not more than 0.01%, and a bending strength of 400 MPa.
Были изготовлены образцы керамики, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.Were made samples of ceramics having compositions within the claimed, and determined their properties in comparison with the prototype. The results are summarized in table.
зs
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017138448A RU2675391C1 (en) | 2017-11-03 | 2017-11-03 | Ceramic material with low temperature of sintering based on zirconium dioxide of tetragonal modification |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017138448A RU2675391C1 (en) | 2017-11-03 | 2017-11-03 | Ceramic material with low temperature of sintering based on zirconium dioxide of tetragonal modification |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2675391C1 true RU2675391C1 (en) | 2018-12-19 |
Family
ID=64753417
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017138448A RU2675391C1 (en) | 2017-11-03 | 2017-11-03 | Ceramic material with low temperature of sintering based on zirconium dioxide of tetragonal modification |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2675391C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2735791C1 (en) * | 2019-09-18 | 2020-11-09 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Method of producing zirconium ceramics |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU997393A1 (en) * | 1981-04-28 | 1991-08-23 | Восточный научно-исследовательский и проектный институт огнеупорной промышленности | Charge for producing solid electrolytes |
| US20040079927A1 (en) * | 2000-11-21 | 2004-04-29 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | ESD dissipative ceramics |
| RU2532818C2 (en) * | 2009-03-10 | 2014-11-10 | Сен-Гобен Сантр Де Решерш Э Д'Этюд Эропен | Zirconium dioxide powder |
| US20150203650A1 (en) * | 2011-10-10 | 2015-07-23 | 3M Innovative Properties Company | Aerogels, calcined and crystalline articles and methods of making the same |
| RU2572101C1 (en) * | 2014-12-29 | 2015-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Ceramic material with low sintering temperature based on zirconium dioxide of tetragonal modification |
-
2017
- 2017-11-03 RU RU2017138448A patent/RU2675391C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU997393A1 (en) * | 1981-04-28 | 1991-08-23 | Восточный научно-исследовательский и проектный институт огнеупорной промышленности | Charge for producing solid electrolytes |
| US20040079927A1 (en) * | 2000-11-21 | 2004-04-29 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | ESD dissipative ceramics |
| RU2532818C2 (en) * | 2009-03-10 | 2014-11-10 | Сен-Гобен Сантр Де Решерш Э Д'Этюд Эропен | Zirconium dioxide powder |
| US20150203650A1 (en) * | 2011-10-10 | 2015-07-23 | 3M Innovative Properties Company | Aerogels, calcined and crystalline articles and methods of making the same |
| RU2572101C1 (en) * | 2014-12-29 | 2015-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Ceramic material with low sintering temperature based on zirconium dioxide of tetragonal modification |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2735791C1 (en) * | 2019-09-18 | 2020-11-09 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Method of producing zirconium ceramics |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5366398B2 (en) | Composite ceramics and manufacturing method thereof | |
| JP4465173B2 (en) | Composite ceramics and manufacturing method thereof | |
| Vasanthavel et al. | Stabilization of at-ZrO 2 polymorph in a glassy SiO 2 matrix at elevated temperatures accomplished by ceria additions | |
| Khaskhoussi et al. | Properties and microstructural aspects of TiO2‐doped sintered Alumina‐Zirconia composite ceramics | |
| Wang et al. | Mechanical and thermal expansion studies on Ca0. 5Sr0. 5Zr4-xTixP6O24 ceramics | |
| Ponnilavan et al. | Gadolinium doping in zirconia-toughened alumina systems and their structural, mechanical, and aging behavior repercussions | |
| Zhigachev et al. | The effect of titania doping on structure and mechanical properties of calcia-stabilized zirconia ceramic | |
| Li et al. | Novel zirconia ceramics for dental implant materials | |
| RU2665734C1 (en) | Ceramic material with low temperature of sintering based on zirconium dioxide of tetragonal modification | |
| Rodaev et al. | Spherical engineering Ca-TZP ceramics made from baddeleyite: fabrication, structure and mechanical properties | |
| RU2675391C1 (en) | Ceramic material with low temperature of sintering based on zirconium dioxide of tetragonal modification | |
| JPH11116328A (en) | Zirconia-based sintered compact | |
| Bongkarn et al. | Effect of excess PbO on phase formation and properties of (Pb0. 90Ba0. 10) ZrO3 ceramics | |
| Rudnicki et al. | Spray pyrolysis of yttria-stabilized zirconia nanoparticles and their densification into bulk transparent windows | |
| Moskovits et al. | Sintering of bimodal Y2O3-stabilized zirconia powder mixtures with a nanocrystalline component | |
| RU2572101C1 (en) | Ceramic material with low sintering temperature based on zirconium dioxide of tetragonal modification | |
| Duangsupa et al. | Structure and mechanical properties of ZrO 2 (MgO)—CaSiO 3 composites | |
| Ponnilavan et al. | Structural, mechanical, morphological and optical imaging characteristics of Yb3+ substituted zirconia toughened alumina | |
| RU2585954C1 (en) | Composite material based on fluorohydroxyapatite and partially stabilised zirconium dioxide for bone defect replacement | |
| JP2005008435A (en) | Composite ceramic and method for preparing the same | |
| Ahmed et al. | SEM-assisted thermophysical and mechanical properties of sintered MgO-ZrO2 composite | |
| JP4831945B2 (en) | Zirconia-alumina ceramics and process for producing the same | |
| RU2795866C1 (en) | Ceramic material with low sintering temperature based on tetragonal zirconia for additive manufacturing | |
| JP4514563B2 (en) | Alumina / zirconia ceramics and process for producing the same | |
| Enoiu et al. | Nanostructured zirconia composites stabilized with CeO2 for biomedical applications |