Влияние нановолокон Al₂O₃ на уплотнение, фазовый состав и физико-механические свойства композитов на основе ZrO₂, полученных свободным вакуумным спеканием

Исследовано влияние относительного содержания нановолокон Al₂O₃ на уплотнение, фазовый состав и физико-механические свойства композитов на основе ZrO₂, полученных свободным вакуумным спеканием. Обнаружено, что в процессе изготовления композитов нановолокна спекаются в зерна Al₂O₃ сложной вытянутой формы, которые образуют твердую каркасно-армирующую структуру. В композитах с 5 и 10 мас. % нановолокон наблюдается снижение относительной плотности вплоть до 95%. Показано, что во всех спеченных образцах в качестве основной фазы выступает тетрагональная модификация ZrO₂, а различное содержание нановолокон в композитах сказывается на количестве кубической и моноклинной модификаций ZrO₂. Установлено, что добавки 5 и 10 мас. % нановолокон Al₂O₃ приводят к повышению микротвердости композита на 11% и трещиностойкости на 46%.

1. Жигачев А. О., Головин Ю. И., Умрихин А. В., Коренков В. В., Тюрин А. И ., Родаев В. В., Дьячек Т. А. Керамические материалы на основе диоксида циркония. - М.: Техносфера, 2018. - 358 с.

2. Подзорова Л. И., Ильичева А. А., Пенькова О. И., Аладьев Н. А., Баикин А. С., Коновалов А. А., Мороков Е. С. Дисперсное упрочнение композитов системы оксида алюминия и тетрагонального диоксида циркония, стабилизированного катионами церия // Стекло и керамика. -2017. - № 6. - С. 16-20.

3. Seo J., Oh D., Kim D., Kim K., Kwon J. Enhanced mechanical properties of ZrO2-Al2O3 dental ceramic composites by altering Al2O3 form // Dental Materials. - 2020. - V. 36. - P. 117-125.

4. Hussainova I., Drozdova M., Perez-Coll D., Rubio-Marcos F., Jasiuk I., Soares J. A. N. T., RodHguez M.A. Electroconductive composite of zirconia and hybrid graphene/alumina nanofibers // Journal of the European Ceramic Society. - 2017. - V. 37. - P. 3713-3719.

5. Abdullah M., Ahmad J., Mehmood M. Effect of sintering temperature on properties of Al2O3 whisker reinforced 3 mol% Y2O3 stabilized tetragonal ZrO2 (TZ-3Y) nanocomposites // Composites Part B: Engineering. - 2012. - V. 43. - P. 1785-1790.

6. Leonov A. A., Abdulmenova E. V. Alumina-based composites reinforced with single-walled carbon nanotubes // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2019. - V. 511. - P. 012001.

7. Leonov A. Effect of alumina nanofibers content on the microstructure and properties of ATZ composites fabricated by spark plasma sintering // Materials Today: Proceedings. - 2019. - V. 11. - P. 66-71.

8. Anstis G. R., Chantikul P., Lawn B. N., Marshall D. B. A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness. I: direct crack measurements // Journal of the American Ceramic Society. - 1981. - V. 64. - P. 533-538.

9. Леонов А. А., Пайгин В. Д., Толкачёв О. С., Алишин Т. Р. Структурно-фазовые превращения нановолокон оксида алюминия // Перспективные материалы конструкционного и медицинского назначения: сборник трудов Международной научно-технической молодежной конференции, Томск, 26-30 ноября 2018. - Томск: ТПУ. - 2018. - C. 64-66.

10. Савченко Н. Л., Королёв П. В., Мельников А. Г., Саблина Т. Ю., Кульков С. Н. Структура и механические характеристики спеченных композитов на основе ZrO2-Y2O3-Al2O3 // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2008. - Т. 5, № 1. - С. 94-99.

11. Подзорова Л. И., Шворнева Л. И ., Ильичева А. А., Аладьев Н. А., Пенькова О. И. Микроструктура и фазовый состав образцов системы ZrO2-CeO2-Al2O3 модифицированных MgO и Y2O3 // Неорганические материалы. - 2013. - Т. 49, № 4. - С. 389-394.

12. Подзорова Л. И., Ильичева А. А., Пенькова О. И. Аладьев Н. А., Волченкова В. А., Шворнева Л. И. Модифицированные композиты системы Al2O3-(Ce-TZP) как материалы медицинского назначения // Перспективные материалы. - 2016. - № 1. - С. 32-39.

13. Azar M., Palmero P., Lombardi M., Garnier V., Montanaro L., Fantozzi G., Chevalier J. Effect of initial particle packing on the sintering of nanostructured transition alumina // Journal of the European Ceramic Society. - 2008. - V. 28. - P. 1121-1128.

14. Перевислов С. Н., Чупов В. Д., Томкович М. В. Влияние активирующих добавок алюмоиттриевого граната и магнезиальной шпинели на уплотняемость и механические свойства SiC-керамики // Вопросы материаловедения. - 2011. - № 1 (65). - С. 123-129.

15. Yuan L., Zhang P., Zuo F., Luo R., Guo Z., Plucknett K., Jiang B., Nie G., Meng F., Valcarcel-Juarez V., Maitre A., Lin H. Comparison of sintering behavior and reinforcing mechanisms between 3Y-TZP/Al2O3(w) and 12Ce-TZP/Al2O3(w) composites: Combined effects of lanthanide stabilizer and Al2O3 whisker length // Journal of the European Ceramic Society. - 2021. - V. 41. - P. 706-718.

16. Зиганьшин И. Р., Порозова С. Е., Трапезников Ю. Ф. Получение пористого материала на основе нанодисперсного порошка ZrO2-15 мол.%СeО2 // Вопросы материаловедения. - 2010. -№ 4 (64). - С. 79-84.

17. Порозова С. Е., Кульметьева В. Б., Зиганьшин И. Р., Торсунов М. Ф. Сравнительная характеристика результатов определения содержания моноклинной фазы в диоксиде циркония // Вопросы материаловедения. - 2010. - № 1 (61). - С. 46-52.

18. Оболкина Т. О., Гольдберг М. А., Смирнов В. В., Смирнов С. В., Титов Д. Д., Коновалов А. А., Кудрявцев Е. А., Антонова О. С., Баринов С. М., Комлев В. С. Интенсификация спекания и упрочнение керамических материалов ZrO2-Al2O3 введением оксида Fe // Неорганические материалы. - 2020. - Т. 56, № 2. - С. 192-199.

19. Леонов А. А., Двилис Э. С., Хасанов О. Л., Пайгин В. Д., Калашников М. П., Пе-тюкевич М. С., Панина А. А. Керамический композит на основе диоксида циркония, армированный одностенными углеродными нанотрубками // Российские нанотехнологии. - 2019. - Т. 14, № 3-4. -С. 32-38.

20. Леонов А. А., Абдульменова Е. В., Калашников М.П. Структура, фазовый состав и физико-механические свойства композитов на основе ZrO2 и многостенных углеродных нанотрубок // Перспективные материалы. - 2020. - № 10. - С. 56-68.

21. Leonov A. A., Ivanov Yu. F., Kalashnikov M. P., Abdulmenova E. V., Paygin V. D., Teresov A. D. Effect of electron beam irradiation on structural phase transformations of zirconia-based composite reinforced by alumina nanofibers and carbon nanotubes // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - V. 1393. - P. 012106.

22. Ivanov Yu., Shugurov V., Kalashnikov M., Leonov A., Teresov A., Petukevich M., Polisadova V. Multilevel hierarchical structure formed in the film (Ti)/substrate (SiC-ceramics) system under irradiation by an intense pulsed electron beam // AIP Conference Proceedings. - 2018. - V. 2051. -P. 020110.

23. Иванов В. В., Кайгородов А. С., Хрустов В. Р., Паранин С. Н., Спирин А. В. Прочная керамика на основе оксида алюминия, получаемая с использованием магнитно-импульсного прессования композитных нанопорошков // Российские нанотехнологии. - 2006. - Т. 1, № 1-2. - С. 201-207.

24. Leonov A. A., Khasanov A. O., Danchenko V. A., Khasanov O. L. Spark plasma sintering of ceramic matrix composite based on alumina, reinforced by carbon nanotubes // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2017. - V. 286. - P. 012034.

25. Кульметьева В. Б., Каченюк М. Н., Поносова А. А. Получение композиционного керамического материала на основе ZrO2-Y2O3, модифицированного многослойным графеном // Материаловедение. - 2017. - № 2. - С. 41-48.

26. Подзорова Л. И., Ильичёва А. А., Пенькова О. И., Антонова О. С., Баикин А. С., Коновалов А. А. Керамические композиты на основе Al2O3 с высокой устойчивостью к хрупкому разрушению // Неорганические материалы. - 2019. - Т. 55, № 6. - С. 671-677.