RU189195U1

RU189195U1 - CERAMIC COMPOSITION MATERIAL

Info

Publication number: RU189195U1
Application number: RU2018139642U
Authority: RU
Inventors: Сергей Викторович Веселов; Андрей Геннадиевич Тюрин; Харис Магсуманович Рахимянов; Владимир Владимирович Иванцивский; Олег Викторович Медведко; Руслан Изатович Кузьмин; Ирина Леонидовна Аникеева; Нина Юрьевна Черкасова; Александр Анатольевич Локтионов; Андрей Харисович Рахимянов; Владимир Андреевич Батаев; Константин Харисович Рахимянов; Александр Игоревич Смирнов
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2019-05-15

Abstract

Полезная модель относится к керамическим композиционным материалам, в частности к дисперсно-упрочненным материалам, сочетающим высокую прочность, трещиностойкость и твердость, и может быть использована в медицине при производстве имплантатов.Задача (технический результат) предлагаемой полезной модели заключается в разработке керамического композиционного материала, сочетающего высокую прочность, трещиностойкость и твердость.Поставленная задача достигается тем, что композиционный керамический материал состоит из матрицы и трех видов упрочнителей: в качестве матрицы субмикронный (диапазон размеров от 0,2 до 1 мкм) порошок оксида алюминия (AlO), в качестве первого упрочнителя - армирующие субмикронные (диапазон размеров от 0,1 до 0,8 мкм) частицы диоксида циркония (ZrO), в качестве второго упрочнителя - пластинчатая фаза, состоящая из алюмината стронция (SrAlO), имеющая длину пластин от 1 до 5 мкм и ширину от 0,2 до 1 мкм, в качестве третьего упрочнителя - диоксид циркония с размером частиц 20-60 нм, находящийся внутри пластинчатой фазы алюмината стронция (SrAlO), и имеет следующее соотношение матрицы и упрочнителей мас. %: 50:50, причем упрочнители между собой имеют следующее соотношение: SrAlOдо 20 мас. %, наноразмерный ZrOдо 20 мас. %, остальное субмикронный ZrO. Свойства материала: предел прочности при изгибе=1400-1600 МПа, вязкость разрушения K=15-17 МПа⋅м, твердость HV=15-17 ГПа.The utility model relates to ceramic composite materials, in particular, dispersion-strengthened materials combining high strength, crack resistance and hardness, and can be used in medicine in the production of implants. The task (technical result) of the proposed utility model is to develop a ceramic composite material combining high strength, crack resistance and hardness. The task is achieved by the fact that composite ceramic material consists of a matrix and three Strength enhancers: submicron matrix (size range 0.2 to 1 micron) aluminum oxide powder (AlO) as a matrix; submicron reinforcing particles (size range 0.1 to 0.8 micron) zirconium dioxide particles (ZrO ), as the second hardener - plate phase consisting of strontium aluminate (SrAlO), having a plate length of 1 to 5 microns and a width of 0.2 to 1 micron, as the third hardener - zirconium dioxide with a particle size of 20-60 nm located inside the plate phase of strontium aluminate (SrAlO), and has the following ratio e matrix and hardeners wt. %: 50:50, and reinforcers among themselves have the following relationship: SrAlO up to 20 wt. %, nanoscale ZrO to 20 wt. %, the rest is submicron ZrO. Material properties: flexural strength = 1400-1600 MPa, fracture toughness K = 15-17 MPa⋅m, hardness HV = 15-17 GPa.

Description

Полезная модель относится к керамическим композиционным материалам, в частности к дисперсно-упрочненным материалам, сочетающим высокую прочность, трещиностойкость и твердость и может быть использовано в медицине при производстве имплантатов.The invention relates to ceramic composite materials, in particular, to dispersion-strengthened materials combining high strength, crack resistance and hardness, and can be used in medicine for the production of implants.

Благодаря высокой твердости (~20 ГПа), химической стойкости и биоинертности оксид алюминия на протяжении длительного времени является одним из наиболее часто применяемых материалов для создания высоконагруженных пар трения в эндопротезах коленного и тазобедренного суставов. Вместе с тем низкая прочность (до 500 МПа) и трещиностойкость (3-4 МПа⋅м^1/2) оксида алюминия может приводить к внезапным отказам протезов в процессе их эксплуатации. Увеличить срок безотказной работы алюмооксидной керамики можно путем повышения прочности и трещиностойкости материала.Due to its high hardness (~ 20 GPa), chemical resistance and bioinertness, alumina for a long time is one of the most frequently used materials for creating high-loaded friction pairs in endoprostheses of the knee and hip joints. At the same time, low strength (up to 500 MPa) and crack resistance (3-4 MPa ^1/2 ) of aluminum oxide can lead to sudden failures of the prostheses during their operation. To increase the uptime of alumina ceramics by increasing the strength and crack resistance of the material.

В уровне техники известны различные методы упрочнения оксидной керамики.In the prior art, various methods of hardening oxide ceramics are known.

Известен керамический композиционный материал (патент США №4316964 А, кл. С04В 35/4885. Опубл. 23.02.1982 г.), принцип работы которого поясняется фигурой 1. Керамический композиционный материал содержит до 29% диоксида циркония (ZrO₂) с тетрагональной кристаллической решеткой - 1, остальное оксид алюминия (Al₂O₃) - 2. Добавка тетрагонального диоксида циркония 1 позволяет увеличить прочность до 1150 МПа и трещиностойкость до 7,43 МПа⋅м^1/2. Повышение прочности и трещиностойкости керамического материала связано с трансформационным упрочнением тетрагонального диоксида циркония (ZrO₂) - 1. Для получения в структуре керамического композиционного материала тетрагонального диоксида циркония в тетрагональной фазе (ZrO₂) - 1 его легируют оксидом иттрия Y₂O₃. Трансформационное упрочнение основано на полиморфном превращении кристаллической решетки тетрагонального диоксида циркония - 1 в моноклинный диоксид циркония - 3. Смена типа кристаллической решетки происходит под действием напряжений возникающих при нагружении керамического материала вокруг вершины распространяющейся трещины - 4. Изменение типа кристаллической решетки тетрагонального диоксида циркония сопровождается увеличением объема частицы ZrO₂, приводящее к возникновению благоприятных сжимающих напряжений, и к закрытию трещины - 4.A ceramic composite material is known (US Patent No. 4316964 A, class С04В 35/4885. Publ. 23.02.1982), the principle of operation of which is illustrated by figure 1. The ceramic composite material contains up to 29% zirconium dioxide (ZrO ₂ ) with tetragonal crystalline the lattice is 1, the rest aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) is 2. The addition of tetragonal zirconia 1 can increase the strength up to 1150 MPa and the crack resistance up to 7.43 MPa ^1/2 . Increasing the strength and crack resistance of a ceramic material is associated with the transformation hardening of tetragonal zirconia (ZrO ₂ ) - 1. To obtain in the structure of a ceramic composite material tetragonal zirconia in the tetragonal phase (ZrO ₂ ) - 1 it is doped with yttrium oxide Y ₂ O ₃ . Transformational hardening is based on polymorphic transformation of the crystal lattice of tetragonal zirconium dioxide - 1 into monoclinic zirconium dioxide - 3. The change in the type of crystal lattice occurs under the action of stresses arising during loading of the ceramic material around the top of a propagating crack - 4. The change in the type of crystal lattice of tetragonal zirconium dioxide is accompanied by an increase in volume ZrO ₂ particles, leading to the appearance of favorable compressive stresses and cracks in the closure - 4.

Недостатком известного керамического композиционного материала является то, что он обладает недостаточно высокими значениями прочности и трещиностойкости, что ограничивает срок службы керамического материала работающего в условиях знакопеременных нагрузок.A disadvantage of the known ceramic composite material is that it does not possess sufficiently high values of strength and crack resistance, which limits the service life of the ceramic material operating under alternating loads.

Наиболее близким к заявляемому материалу по своей сущности является керамический композиционный материал (патент США 20120163744 А1, кл. С04В 35/4885. Опубл. 30.06.2009 г), выступающий прототипом предлагаемого изобретения. Принцип работы прототипа поясняется фигурой 2. Керамический композиционный материал, состоящий из диоксида циркония (ZrO₂) с тетрагональной кристаллической решеткой - 1, оксида алюминия (Al₂O₃) - 2 и пластинчатого соединения на основе алюминатов металлов - 5, например алюмината стронция (SrAl₁₂O₁₉). Введение пластинчатых соединений 5 в дополнение к трансформационному упрочнению, основанному на полиморфном превращении тетрагонального диоксида циркония 1 в моноклинный диоксид циркония 3, позволяет повысить трещиностойкость материала до 15,7 МПа⋅м^1/2 при сохранении прочности на уровне 1211 МПа и твердости - 15 ГПа. Механизм повышения трещиностойкости основан на отклонении фронта 6 распространения трещины 4, увеличения площади ее поверхности, что приводит к дополнительной диссипации энергии при распространении трещины 4.The closest to the claimed material in its essence is a ceramic composite material (US Patent 20120163744 A1, CL SB 35/4885. Publ. 30.06.2009 g), acting as a prototype of the present invention. The principle of operation of the prototype is illustrated by figure 2. Ceramic composite material consisting of zirconium dioxide (ZrO ₂ ) with a tetragonal crystal lattice - 1, aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) - 2 and a plate compound based on metal aluminates - 5, for example, strontium aluminate ( SrAl ₁₂ O ₁₉ ). The introduction of lamellar compounds 5 in addition to transformational hardening, based on the polymorphic transformation of tetragonal zirconia 1 into monoclinic zirconia 3, improves the crack resistance of the material to 15.7 MPa ^1/2 while maintaining its strength at the level of 1211 MPa and hardness of 15 GPa . The mechanism of increasing crack resistance is based on the deviation of the front 6 of crack propagation 4, increasing its surface area, which leads to additional energy dissipation during crack propagation 4.

Однако этот материал, имеет недостаточно высокий уровень прочности, что ограничивает срок службы керамического материала работающего в условиях знакопеременных нагрузок.However, this material has an insufficiently high level of strength, which limits the service life of the ceramic material operating under alternating loads.

Задача (технический результат), предлагаемой полезной модели заключается в разработке керамического композиционного материала сочетающего высокую прочность, трещиностойкость и твердость.The task (technical result) of the proposed utility model is to develop a ceramic composite material combining high strength, crack resistance and hardness.

Поставленная задача достигается тем, что композиционный керамический материал, состоит из матрицы и трех видов упрочнителей: в качестве матрицы субмикронный (диапазон размеров от 0,2 до 1 мкм) порошок оксида алюминия (Al₂O₃), в качестве первого упрочнителя - армирующие субмикронные (диапазон размеров от 0,1 до 0,8 мкм) частицы диоксида циркония (ZrO₂), в качестве второго упрочнителя - пластинчатая фаза, состоящая из алюмината стронция (SrAl₁₂O₁₉), имеющая длину пластин от 1 до 5 мкм и ширину от 0,2 до 1 мкм, в качестве третьего упрочнителя - диоксид циркония с размером частиц 20-60 нм, находящийся внутри пластинчатой фазы алюмината стронция (SrAl₁₂O₁₉) и имеет следующее соотношение матрицы и упрочнителей мас. %: 50:50, причем упрочнители между собой имеют следующее соотношение: SrAl₁₂O₁₉ до 20 мас. %, наноразмерный ZrO₂ до 20 мас. %, остальное субмикронный ZrO₂.The task is achieved by the fact that composite ceramic material consists of a matrix and three types of hardeners: as a matrix, submicron (size range from 0.2 to 1 μm) aluminum oxide powder (Al ₂ O ₃ ), as the first hardener - reinforcing submicron (size range from 0.1 to 0.8 μm) particles of zirconium dioxide (ZrO ₂ ), as the second hardener - plate phase consisting of strontium aluminate (SrAl ₁₂ O ₁₉ ), having a length of plates from 1 to 5 μm and width from 0.2 to 1 micron, as the third hardener - zirconium dioxide I with a particle size of 20-60 nm, located inside the lamellar phase of strontium aluminate (SrAl ₁₂ O ₁₉ ) and has the following ratio of matrix and hardeners wt. %: 50:50, and reinforcers among themselves have the following relationship: SrAl ₁₂ O ₁₉ to 20 wt. %, nanoscale ZrO ₂ to 20 wt. %, the rest is submicron ZrO ₂ .

Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 3 схематично показан механизм упрочнения заявляемого керамического композиционного материала. Повышение прочности, трещиностойкости и твердости предлагаемого керамического композиционного материала осуществляется следующим образом.The claimed utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 3 schematically shows the hardening mechanism of the inventive ceramic composite material. Increasing the strength, crack resistance and hardness of the proposed ceramic composite material is as follows.

При распространении трещины - 4 в керамическом композиционном материале, состоящем из матрицы в виде оксида алюминия (Al₂O₃) - 2 и трех упрочнителей: субмикронных частиц тетрагонального диоксида циркония (ZrO₂) - 1 с размером от 0,1 до 0,8 мкм, пластинчатой фазы, состоящей из алюмината стронция (SrAl₁₂O₁₉) - 5, с длиной пластин от 1 до 5 мкм при ширине от 0,2 до 1 мкм, и тетрагонального диоксида циркония с размером частиц 20 - 60 нм – 7, находящегося внутри пластинчатой фазы алюмината стронция (SrAl₁₂O₁₉) - 5 последовательно действуют следующие механизмы упрочнения:With the propagation of cracks - 4 in a ceramic composite material consisting of a matrix in the form of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) - 2 and three hardeners: submicron particles of tetragonal zirconium dioxide (ZrO ₂ ) - 1 with a size from 0.1 to 0.8 micron, lamellar phase consisting of strontium aluminate (SrAl ₁₂ O ₁₉ ) - 5, with a plate length of 1 to 5 microns with a width of 0.2 to 1 micron, and tetragonal zirconium dioxide with a particle size of 20 - 60 nm - 7, hardening of the strontium aluminate (SrAl ₁₂ O ₁₉ ) - 5 located inside the plate phase, the following hardening mechanisms :

трансформационное упрочнение диоксида циркония (ZrO₂) с размером от 0,1 до 0,8 мкм, основанное на полиморфном превращении тетрагонального диоксида циркония - 1 в моноклинный диоксид циркония -3, приводящее к появлению сжимающих напряжений и частичному закрытию трещины - 4;transformational hardening of zirconium dioxide (ZrO ₂ ) with a size of 0.1 to 0.8 μm, based on the polymorphic transformation of tetragonal zirconium dioxide — 1 into monoclinic zirconia-3, leading to the appearance of compressive stresses and partial closure of the crack — 4;

отклонение фронта 6 распространения трещины 4 за счет присутствия пластинчатой фазы алюмината стронция (SrAl₁₂O₁₉) - 5, что приводит к дополнительной диссипации энергии в вершине трещины;the deviation of the front 6 of the propagation of cracks 4 due to the presence of the lamellar phase of strontium aluminate (SrAl ₁₂ O ₁₉ ) - 5, which leads to additional energy dissipation at the crack tip;

трансформационное упрочнение, основанное на полиморфном превращении тетрагонального диоксида циркония с размером от 20 до 60 нм - 7, находящегося в пластинчатой фазе алюмината стронция (SrAl₁₂O₁₉) - 5 в моноклинный диоксид циркония - 8, что приводит к появлению сжимающих напряжений - 9 в пластинчатой фазе и дополнительной диссипации энергии в вершине трещины - 4.Transformational hardening based on polymorphic transformation of tetragonal zirconia with a size of from 20 to 60 nm - 7, which is in the plate phase of strontium aluminate (SrAl ₁₂ O ₁₉ ) - 5 to monoclinic zirconium dioxide - 8, which leads to the appearance of compressive stresses - 9 in lamellar phase and additional energy dissipation at the crack tip - 4.

Реализация отмеченных механизмов упрочнения позволяет увеличить прочность и трещиностойкость керамического материала при сохранении высокой твердости, что позволяет увеличить срок безотказной работы керамического материала.The implementation of the noted hardening mechanisms allows to increase the strength and crack resistance of the ceramic material while maintaining high hardness, which allows to increase the uptime of the ceramic material.

Для достижения поставленного технического результата необходимо, что бы соотношение между матрицей и упрочнителями составляло мас. %: 50:50. При содержании общего количества упрочнителей более 50 мас. % твердость композиционного материала уменьшается. При содержании общего количества упрочнителей менее 50 мас. % прочность и трещиностойкость материала снижается.To achieve the technical result, it is necessary that the ratio between the matrix and the hardeners is wt. %: 50:50. When the content of the total number of hardeners more than 50 wt. % hardness of the composite material decreases. When the content of the total number of hardeners less than 50 wt. % strength and crack resistance of the material is reduced.

Кроме того, необходимо выполнение следующих соотношений между упрочнителями:In addition, you must perform the following relationships between reinforcers:

субмикронный ZrO₂ с размером от 0,1 до 0,8 мкм не менее 60 мас. % и не более 80 мас. % от общего количества упрочнителей;submicron ZrO ₂ with a size of from 0.1 to 0.8 μm is not less than 60 wt. % and not more than 80 wt. % of the total number of reinforcers;

SrAl₁₂O₁₉ с длиной пластин от 1 до 5 мкм и ширине от 0,2 до 1 мкм до 20 мас. % от общего количества упрочнителей;SrAl ₁₂ O ₁₉ with a length of plates from 1 to 5 microns and a width of from 0.2 to 1 microns to 20 wt. % of the total number of reinforcers;

наноразмерный ZrO₂ с размером частиц 20-60 нм до 20 мас. % от общего количества упрочнителей.nanoscale ZrO ₂ with a particle size of 20-60 nm to 20 wt. % of the total number of hardeners.

Указанное соотношение между субмикронным ZrO₂ с размером от 0,1 до 0,8 мкм и остальными упрочнителями объясняется тем что, при содержании субмикронного диоксида циркония (ZrO₂) менее 60 мас. %, от общего количества упрочнителей, материал не обладает достаточным уровнем прочности, потому что основное увеличение прочности связано с добавкой диоксида циркония (ZrO₂). Увеличение содержания субмикронного диоксида циркония (ZrO₂) более 80 мас. % от общего количества упрочнителей, приводит к снижению трещиностойкости материала.The specified ratio between submicron ZrO ₂ with a size of from 0.1 to 0.8 μm and the other hardeners is explained by the fact that, when the content of submicron zirconium dioxide (ZrO ₂ ) is less than 60 wt. % of the total number of hardeners, the material does not have a sufficient level of strength, because the main increase in strength is associated with the addition of zirconium dioxide (ZrO ₂ ). The increase in the content of submicron zirconium dioxide (ZrO ₂ ) more than 80 wt. % of the total number of reinforcers, leads to a decrease in the crack resistance of the material.

Предпочтительным соотношением между SrAl₁₂O₁₉ и ZrO₂ (c размером 20-60 нм) является 5-10% SrAl₁₂O₁₉ к 15-20% ZrO₂ (с размером 20-60 нм) от общего количества упрочнителей, что объясняется следующим:The preferred ratio between SrAl ₁₂ O ₁₉ and ZrO ₂ (with a size of 20-60 nm) is 5-10% SrAl ₁₂ O ₁₉ to 15-20% ZrO ₂ (with a size of 20-60 nm) of the total number of hardeners, which is explained as follows :

увеличение содержание алюмината стронция SrAl₁₂O₁₉ более чем в 3 раза относительно количества диоксида циркония с размером 20-60 нм, приводит к снижению трещиностойкости материала, поскольку при этом механизм упрочнения за счет трансформационного упрочнения диоксида циркония с размером 20-60 нм, находящегося внутри пластинчатой фазы не реализован в полной мере;the increase in the content of strontium aluminate SrAl ₁₂ O ₁₉ more than 3 times relative to the amount of zirconium dioxide with a size of 20-60 nm, leads to a decrease in the crack resistance of the material, since the hardening mechanism is due to transformational hardening of zirconium dioxide with a size of 20-60 nm lamellar phase is not fully implemented;

увеличение количества ZrO₂ (с размером 20-60 нм) от общей массы упрочнителей более чем в 3 раза относительно количества SrAl₁₂O₁₉ приводит к недостаточному отклонению фронта распространения трещины.an increase in the amount of ZrO ₂ (with a size of 20-60 nm) of the total mass of the hardeners by more than 3 times relative to the amount of SrAl ₁₂ O ₁₉ leads to insufficient deflection of the crack propagation front.

Кроме того, для реализации трансформационного упрочнения, основанного на полиморфном превращении тетрагонального ZrO₂ в моноклинный ZrO₂, необходимо что бы субмикронный ZrO₂ с размером от 0,1 до 0,8 мкм и наноразмерный ZrO₂ с размером от 20 до 60 нм находились по меньшей мере на 80% в тетрагональной фазе в спеченной керамике, что обеспечивается следующим:In addition, for the implementation of transformational hardening, based on the polymorphic transformation of tetragonal ZrO ₂ to monoclinic ZrO ₂ , it is necessary that submicron ZrO ₂ with a size from 0.1 to 0.8 μm and nanoscale ZrO ₂ with a size from 20 to 60 nm at least 80% in the tetragonal phase in sintered ceramics, which is ensured by the following:

стабилизация тетрагональной фазы субмикронного ZrO₂ с размером от 0,1 до 0,8 мкм обеспечивается легированием оксидом иттрия (Y₂O₃) в количестве от 1,5 до 3 мол. % (от общего количества субмикронного ZrO₂);The stabilization of the tetragonal phase of the submicron ZrO ₂ with a size of from 0.1 to 0.8 μm is ensured by doping with yttrium oxide (Y ₂ O ₃ ) in an amount of from 1.5 to 3 mol. % (of the total amount of submicron ZrO ₂ );

диоксид циркония используемый в качестве включений в пластинчатую фазу должен, по меньшей мере на 80% иметь тетрагональную кристаллическую решетку без применения легирующих элементов, что обеспечивается получением исходных частиц в диапазоне размеров от 20 до 60 нм. Если размер частиц будет менее 20 нм, то преимущественно стабилизируется кубическая фаза ZrO₂, если размер частиц будет более 60 нм то стабилизируется менее 80% тетрагональной фазы.Zirconium dioxide used as inclusions in the lamellar phase should, at least 80%, have a tetragonal crystal lattice without the use of alloying elements, which is ensured by obtaining initial particles in the size range from 20 to 60 nm. If the particle size is less than 20 nm, the cubic ZrO ₂ phase is preferably stabilized; if the particle size is more than 60 nm, then less than 80% of the tetragonal phase is stabilized.

Использование алюмината стронция (SrAl₁₂O₁₉) в качестве пластинчатой фазы в заявляемой полезной модели объясняется тем что, упрочнение за счет полиморфного превращения диоксида циркония захваченного внутри пластинчатых зерен возможно при условии наличия у пластинчатой фазы большего модуля Юнга, чем у ZrO₂. Кроме того, для получения высокого уровня прочности, пластинчатая фаза должна обладать коэффициентом температурного расширения (КТР для SrAl₁₂O₁₉=10,75*10^-6 °С^-1) близким к КТР ZrO₂ (10*10^-6 °С^-1) для предотвращения образования микротрещин внутри пластинчатой фазы в процессе термической обработки.The use of strontium aluminate (SrAl ₁₂ O ₁₉ ) as a lamellar phase in the claimed utility model is explained by the fact that hardening due to the polymorphic transformation of zirconium dioxide trapped inside the lamellar grains is possible provided that the lamellar phase has a larger Young's modulus than ZrO ₂ . Furthermore, to obtain a high level of strength, lamellar phase should have a coefficient of thermal expansion (CTE for SrAl ₁₂ O ₁₉ = 10.75 × 10 ^-6 ° C ^-1) close to the CTE of ZrO ₂ (10 * 10 ^-6 ° C ^{- 1} ) to prevent the formation of microcracks inside the plate phase in the heat treatment process.

Пример получения предлагаемого керамического композиционного материала заявляемой полезной модели приведен ниже.An example of obtaining the proposed ceramic composite material of the claimed utility model is given below.

Производят синтез наноразмерного диоксида циркония (преимущественно находящегося в тетрагональной фазе) путем прямого осаждения прекурсора из 1-2,5 М водного раствора кристаллогидрата оксихлорида циркония раствором аммиака без применения химических стабилизаторов. Полученный осадок фильтруют, сушат и прокаливают. Синтезированный порошок наноразмерного диоксида циркония смешивают с водой в пропорции 1:1 по массе. Проводят диспергирование суспензии под ультразвуковым воздействием или в шаровой мельнице в присутствии полиэлектролитов. Полученную суспензию смешивают с водной суспензией оксида алюминия в требуемом соотношении при поддержании рН на уровне 8-9. В двухкомпонентную суспензию вводят стронций содержащую добавку в виде оксида стронция или карбоната стронция или нитрата стронция или Sr₃Al₂O₆. Затем к суспензии, содержащей оксид алюминия, наноразмерный диоксид циркония и стронций, содержащий компонент добавляют водную суспензию предварительно стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония и смешивают в шаровой мельнице. В многокомпонентную суспензию добавляют органические добавки, гранулируют распылительной сушкой или сушкой заморозкой, первоначально задают форму осевым прессованием при давлении до 50 МПа, допрессовывают холодным изостатическим прессованием при давлении от 200 до 300 МПа, производят механическую обработку для придания требуемой формы изделия, предварительно спекают до достижения относительной плотности по меньшей мере 97% при температуре от 1400 до 1500°С в воздушной атмосфере с выдержкой в течение 1 часа, проводят горячее изостатическое прессование при температуре от 1400 до 1500°С в среде аргона при давлении от 100 до 200 МПа с выдержкой в течении 30-60 минут, проводят осветляющий отжиг при температуре от 1200 до 1400°С с целью снижения количества кислородных вакансий и проводят финишную механическую обработку.The nanosized zirconium dioxide (mainly in the tetragonal phase) is synthesized by direct precipitation of the precursor from a 1-2.5 M aqueous solution of the crystalline hydrate of zirconium oxychloride with ammonia solution without the use of chemical stabilizers. The precipitate obtained is filtered, dried and calcined. Synthesized nanosized zirconia powder is mixed with water in a 1: 1 ratio by weight. The suspension is dispersed under ultrasonic action or in a ball mill in the presence of polyelectrolytes. The resulting suspension is mixed with an aqueous suspension of alumina in the desired ratio while maintaining the pH at 8-9. Strontium containing the additive in the form of strontium oxide or strontium carbonate or strontium nitrate or Sr ₃ Al ₂ O ₆ is introduced into the two-component suspension. Then, an aqueous suspension previously stabilized with yttria and zirconium dioxide is added to a suspension containing aluminum oxide, nano-sized zirconia and strontium containing the component and mixed in a ball mill. Organic additives are added to the multicomponent suspension, granulated by spray drying or freezing drying, initially set the shape by axial pressing at a pressure of up to 50 MPa, dopressed with cold isostatic pressing at a pressure of 200 to 300 MPa, mechanically processed to give the desired shape of the product, pre-sintered to achieve relative density of at least 97% at a temperature of from 1400 to 1500 ° C in an air atmosphere with a holding time of 1 hour; hot isostatic pressure is carried out Allowing at a temperature of from 1400 to 1500 ° C in argon medium at a pressure of from 100 to 200 MPa with an exposure for 30-60 minutes, lightening annealing is carried out at a temperature of from 1200 to 1400 ° C in order to reduce the number of oxygen vacancies and carry out finishing machining .

В совокупности, заявляемая полезная модель позволит в процессе спекания формирующимся зернам алюмината стронция захватить наноразмерные включения диоксида циркония. Высокая прочность обеспечивается низким содержанием макродефектов и снижением размера зерна оксида алюминия и основного стабилизированного диоксида циркония, повышение трещиностойкости обеспечивается отклонением фронта трещины зернами пластинчатой формы и диссипацией упругой энергии при трансформации наноразмерного диоксида циркония находящегося внутри зерен пластинчатой формы, уровень твердости обеспечивается оксидом алюминия.In the aggregate, the claimed utility model will allow in the sintering process of the emerging strontium aluminate grains to capture nanoscale inclusions of zirconium dioxide. High strength is provided by a low content of macroscopic defects and a decrease in the grain size of aluminum oxide and the main stabilized zirconia, the increase in crack resistance is ensured by the deviation of the crack front by lamellar grains and dissipation of elastic energy during the transformation of nano-sized zirconium inside the lamellar grains, the level of hardness is provided by aluminum oxide.

Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью, заключается в повышении уровня прочности и трещиностойкости керамического материала, за счет введения в алюмоциркониевую керамику частиц диоксида циркония (ZrO₂) размером от 0,1 до 0,8 мкм, пластинчатого соединения на основе алюмината стронция (SrAl₁₂O₁₉), имеющей длину пластин от 1 до 5 мкм и ширину от 0,2 до 1 мкм, содержащего в себе включения частиц из диоксида циркония (ZrO₂) размером 20-60 нм. Предложенный способ упрочнения позволяет достигнуть высокого сопротивления материала изгибающим нагрузкам при сохранении уровня твердости, достаточного для длительной работы материала в условиях трения и изнашивания. Свойства материала: предел прочности при изгибе=1400-1600 МПа; трещиностойкость (K_1c)=15-17 МПа⋅м^1/2; твердость HV=14-16 ГПа.The technical result achieved by the claimed utility model is to increase the level of strength and crack resistance of the ceramic material, due to the introduction of zirconium dioxide particles (ZrO ₂ ) in size from 0.1 to 0.8 μm in the alumina zirconia ceramic of the strontium aluminate-based plate (SrAl ₁₂ O ₁₉ ), having a plate length of 1 to 5 microns and a width of 0.2 to 1 micron, containing inclusions of zirconia particles (ZrO ₂ ) with a size of 20-60 nm. The proposed method of hardening allows you to achieve high material resistance to bending loads while maintaining a level of hardness sufficient for long-term operation of the material under conditions of friction and wear. Material properties: flexural strength = 1400-1600 MPa; crack resistance (K _1c ) = 15-17 MPa⋅m ^1/2 ; hardness HV = 14-16 GPa.

Claims

Composite ceramic material comprising a matrix in the form of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), hardeners in the form of zirconium dioxide (ZrO ₂ ) with a size of 0.1 to 0.8 μm and a plate phase in the form of strontium aluminate (SrAl ₁₂ O ₁₉ ) _having a length of plates 1 to 5 microns and a width of 0.2 to 1 micron, characterized in that the strontium aluminate lamellar phase contains particles of zirconia (ZrO ₂₎ with a size of 20 to 60 nm, the composite material has the following relationship matrix and hardener, wt. % 50:50, reinforcers among themselves have the following relationship: the lamellar phase of SrAl ₁₂ O ₁₉ to 20 wt. %, ZrO ₂ with a size of from 20 to 60 nm to 20 wt. %, the rest is submicron ZrO ₂ .