Аннотация
В статье приведены результаты исследования алюмоциркониевой керамики с различным соотношением оксидов Al2O3 и 3Y-TZP (тетрагональный поликристаллический ZrO2, стабилизированный 3 мол. % Y2O3), сформированной по технологии изостатического формования с последующим свободным спеканием. На основании данных микроструктурных исследований керамических материалов показано, что повышение содержания 3Y-TZP от 0 до 85 вес. % приводит к снижению размеров зерен оксида алюминия c 2,5 мкм до 0,4 мкм. В то же время установлено, что при увеличении концентрации диоксида циркония в спеченной керамике наблюдается рост объемной доли дефектов в виде сохранившихся после спекания стыков и границ гранул пресс-порошка. Показано, что введение и увеличение содержания диоксида циркония в алюмооксидной матрице приводит к снижению относительной плотности керамики с 98,8 % до 93,7 %. Отмеченные изменения состава и микроструктуры рассматриваемой керамики оказывают влияние на механические свойства материала. Установлено, что зависимость твердости материала от концентрации второй фазы носит линейный характер. При увеличении концентрации диоксида циркония от нуля до 100 % твердость материала уменьшается с 20,0 ± 1,5 ГПа
до 12,9 ± 0,6 ГПа. Влияния микроструктурных особенностей на твердость керамики не обнаружено. В то же время отмеченные характеристики строения материала оказывают существенный эффект на прочность. Ввиду противоположного эффекта от уменьшения размера зерна и повышения пористости материала на прочность керамики при изгибе полученная зависимость прочности материала от состава имеет явно выраженный максимум. Выполненный в работе анализ результатов измерения механических характеристик позволил установить оптимальное соотношение компонентов в керамике. Выявлено, что максимальной прочностью при изгибе (950 ± 50 МПа) обладает керамика с равным весовым соотношением компонентов. Кроме того, наличие в керамике данного количества диоксида циркония приводит к небольшому снижению твердости материала с 20,0 ГПа до 18,2 ГПа.
Ключевые слова: биокерамика, конструкционная керамика, оксид алюминия, частично стабилизированная диоксид-циркониевая керамика, свободное спекание, холодное изостатическое прессование, алюмоциркониевая керамика, прочность на трехточечный изгиб, твердость
Список литературы
1. Mechanical properties of 12Ce-ZrO2/3Y-ZrO2 composites / M. Turon-Vinas, J.J. Roa, F.G. Marro, M. Anglada // Ceramics International. – 2015. – Vol. 41. – P. 14988–14997.
2. Thakare V. Progress in synthesis and applications of zirconia // International Journal of Engineering Research and Development. – 2012. – Vol. 5, iss 1. – P. 25–28.
3. Carter C.B., Norton M.G. Ceramic materials: science and engineering. – New York: Springer Science+Business Media, 2007. – 716 p.
4. Zirconia-based composites for biomedical applications: role of second phases on composition, microstructure and zirconia transformability / M. Fornabaio, P. Palmero, R. Traverso, C. Esnouf, H. Reveron, J. Chevalier, L. Montanaro // Journal of the European Ceramic Society. – 2015. – Vol. 35, iss 14. – P. 4039–4049.
5. Degradation of alumina and zirconia toughened alumina (ZTA) hip prostheses tested under microseparation conditions in a shock device / J. Uribe, J. Geringer, L. Gremillard, B. Reynard // Tribology International. – 2013. – Vol. 63. – P. 151–157.
6. Begand S., Oberbach T., Glien W. ATZ – a new material with a high potential in joint replacement // Key Engineering Materials. – 2005. – Vol. 284. – P. 983–986.
7. Surface coating of oxide powders: a new synthesis method to process biomedical grade nano-composites / P. Palmero, L. Montanaro, H. Reveron, J. Chevalier // Materials. – 2014. – Vol. 7. – P. 5012–5037.
8. Горяйнова О.А., Мельникова Е.В., Кузьмин К.А. Эффективность диспергирования порошка Al2O3 в бисерной мельнице // Современные техника и технологии: сборник докладов XX Международной юбилейной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Томск, 2014. – Т. 2. – C. 21–22.
9. Горяйнова О.А., Мельникова Е.В., Черкасова Н.Ю. Влияние количества дефлокулянта на гранулометрический состав суспезии Al2O3 при диспергировании на бисерной мельнице // Современное материаловедение: материалы и технологии новых поколений: сборник трудов Всероссийской школы-семинара с международным участием. – Томск, 2014. – C. 206–208.
10. Evaluating the effectiveness axial and isostatic pressing methods of ceramic granular powder / N. Belousova, S. Veselov, D. Anufrienko, O. Goryainova // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 698. – P. 472–477.
11. Влияние времени выдержки при спекании на структуру и свойства плотной керамики / С.В. Веселов, Н.Ю. Черкасова, М.Ю. Перепелкин, А.О. Лазарев // Материалы и технологии новых поколений в современном материаловедении: сборник трудов Международной конференции с элементами научной школы для молодежи. – Томск, 2015. – C. 183–185.
12. Chen I-W. Mobility control of ceramic grain boundaries and interfaces // Materials Science and Engineering. – 1993. – Vol. 166. – P. 51–58.
13. Cahn J.W. The impurity-drag effect in grain boundary motion // Acta Metallurgica. – 1962. – Vol. 10. – P. 789–798.
14. Hwang S-L., Chen I-W. Grain size control of tetragonal zirconia polycrystals using the space charge concept // Journal of the American Ceramic Society. – 1990. – Vol. 73, iss. 11. – P. 3269–3277.
15. Critical effect of cubic phase on aging in 3 mol% yttria-stabilized zirconia ceramics for hip replacement prosthesis / J. Chevalier, S. Deville, E. Munch, R. Jullian, F. Lair // Biomaterials. – 2004. – Vol. 25. – P. 5539–5545.
16. Cubic-formation and grain-growth mechanisms in tetragonal zirconia polycrystal / K. Matsui, H. Horikoshi, N. Ohmichi, M. Ohgai // Journal of the American Ceramic Society. – 2003. – Vol. 86, iss. 8. – P. 1401–1408.
