RU2665734C1 - Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации - Google Patents
Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации Download PDFInfo
- Publication number
- RU2665734C1 RU2665734C1 RU2017139279A RU2017139279A RU2665734C1 RU 2665734 C1 RU2665734 C1 RU 2665734C1 RU 2017139279 A RU2017139279 A RU 2017139279A RU 2017139279 A RU2017139279 A RU 2017139279A RU 2665734 C1 RU2665734 C1 RU 2665734C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ceramic material
- sintering
- zirconium dioxide
- strength
- tetragonal
- Prior art date
Links
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 22
- 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 12
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 11
- 238000005245 sintering Methods 0.000 title claims description 19
- 230000004048 modification Effects 0.000 title claims description 9
- 238000012986 modification Methods 0.000 title claims description 9
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 19
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 4
- 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 10
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract description 8
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000007943 implant Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 8
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 description 1
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 1
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 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
- 229910052744 lithium Inorganic materials 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
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 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
-
- 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
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/64—Burning or sintering processes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе тетрагонального диоксида циркония. Технический результат изобретения - увеличение прочности материалов, спекающихся до плотного состояния при низкой температуре 1300-1350°С. Керамический материал содержит добавку ниобат лития в количестве 2-5 мас.%, образующую низкотемпературный расплав. Полученный материал характеризуется нанокристаллической структурой и высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 500 МПа. Разработанные материалы могут быть использованы для получения износостойких изделий, режущего инструмента, керамических подшипников, медицинских нерезорбируемых имплантатов. 1 пр., 1 табл.
Description
Изобретения относится к области получения высокоплотной керамики на основе диоксида циркония. Плотные прочные керамические материалы на основе 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.
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].
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.
Так известен керамический материал тетрагональной модификации [М. Trunec and K. Масa Compaction and Pressureless Sintering of Zirconia Nanoparticles // J. Am. Ceram. Soc., 90 [9] 2735-2740 (2007)] с температурой спекания около 1100 0С и относительной плотностью 99,1%. Низкая температура спекания и достижение относительной плотности 99,1% является следствием использования нанодисперсных порошков с высокой с площадью удельной поверхности 123 м3 /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.
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является керамический материал тетрагональной модификации [патент №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 350 МПа при изгибе 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.
Технический результат изобретения заключается в создании материала на основе тетрагональной модификации диоксида циркония, спекающегося до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01%) при низкой температуре 1300-1350°С, и характеризующийся высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 500 МПа.
Технический результат достигается тем, что керамический материал с низкой температурой спекания на основе тетрагонального диоксида циркония, содержит добавку ниобат лития, способствующую спеканию при температуре 1300-1350°С при следующих соотношениях компоненты в материале, масс. %:
тетрагональный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3-9 мол. %) - 95-98 масс. %, и добавка ниобат лития в количестве 2-5 масс. %, полученный материал характеризуется прочностью при изгибе не менее 500 МПа, равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 50-100 нм и открытой пористостью не более 0,01%.
Керамический материал указанного состава неизвестен. При спекании добавка (ниобат лития, температура плавления около 1250-1260°С) образует низкотемпературный расплав, что способствует спеканию материала по жидкофазному механизму. В результате спекание до плотного состояния (открытая пористость не более 0,01%) становится возможным при низких температурах 1300°С, что позволяет получить высокие механические свойства (прочность при изгибе не менее 500 МПа). При температурах спекания более 1450°С происходит рост кристаллов, что приводи к снижению прочности. При температурах ниже 1150°С падение прочности происходит в следствии увеличении пористости. При использовании добавки менее 1 масс. % материал имеет высокую открытую пористость, что приводит к снижению прочности материала. При использовании добавки более 10 масс. % в материале в качестве второй фазы остается непрочные соединения ниобатов лития, содержание которых приводит к снижению прочности керамики. При содержании оксида иттрия менее 3 мол. % образуется моноклинная модификация, а при более 9 мол. % кубическая модификация, содержание которых также снижает прочность материала.
Пример. Керамику получали из нанодисперсных порошков диоксида циркония, содержащего 9 мол. % оксида иттрия, с удельной поверхностью 90 м3/г. В порошки вводили ниобат лития в количестве 5 масс. % в виде порошка. 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 1300°С. В результате получали керамический материал, состоящий из 100% тетрагональной фазы. Материал характеризовался однородной мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 80-100 нм, открытой пористостью не более 0,01%, прочностью при изгибе 500 МПа.
Были изготовлены образцы керамики, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.
Claims (2)
- Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации, отличающийся тем, что содержит добавку ниобат лития, при следующих соотношениях компонентов в материале, мас.%:
- тетрагональный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3-9 мол.%) - 95-98 и добавка ниобат лития в количестве 2-5, полученный материал, спекается при температуре 1300-1350°С, характеризуется прочностью при изгибе не менее 500 МПа, равномерной однородной структурой со средним размером кристаллов 80-100 нм и отрытой пористостью не более 0,01%.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017139279A RU2665734C1 (ru) | 2017-11-13 | 2017-11-13 | Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017139279A RU2665734C1 (ru) | 2017-11-13 | 2017-11-13 | Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2665734C1 true RU2665734C1 (ru) | 2018-09-04 |
Family
ID=63459816
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017139279A RU2665734C1 (ru) | 2017-11-13 | 2017-11-13 | Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2665734C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2701765C1 (ru) * | 2018-09-27 | 2019-10-01 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Способ получения наноструктурированной композиционной керамики на основе оксидов циркония, алюминия и кремния |
| RU2735791C1 (ru) * | 2019-09-18 | 2020-11-09 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Способ получения циркониевой керамики |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6946417B2 (en) * | 2003-05-21 | 2005-09-20 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | Light-colored ESD safe ceramics |
| SU1612515A1 (ru) * | 1989-05-31 | 2006-02-10 | Московский химико-технологический институт им.Д.И.Менделеева | Шихта для получения высокоогнеупорного материала |
| US7247588B2 (en) * | 2002-11-22 | 2007-07-24 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | Zirconia toughened alumina ESD safe ceramic composition, component, and methods for making same |
| EA011907B1 (ru) * | 2005-05-30 | 2009-06-30 | Рифректори Интеллектуал Проперти Гмбх & Ко.Кг | Огнеупорный керамический продукт |
| US20120036895A1 (en) * | 2009-04-06 | 2012-02-16 | Asahi Glass Company Limited | Highly zirconia-based refractory and melting furnace |
| RU2572101C1 (ru) * | 2014-12-29 | 2015-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации |
-
2017
- 2017-11-13 RU RU2017139279A patent/RU2665734C1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1612515A1 (ru) * | 1989-05-31 | 2006-02-10 | Московский химико-технологический институт им.Д.И.Менделеева | Шихта для получения высокоогнеупорного материала |
| US7247588B2 (en) * | 2002-11-22 | 2007-07-24 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | Zirconia toughened alumina ESD safe ceramic composition, component, and methods for making same |
| US6946417B2 (en) * | 2003-05-21 | 2005-09-20 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | Light-colored ESD safe ceramics |
| EA011907B1 (ru) * | 2005-05-30 | 2009-06-30 | Рифректори Интеллектуал Проперти Гмбх & Ко.Кг | Огнеупорный керамический продукт |
| US20120036895A1 (en) * | 2009-04-06 | 2012-02-16 | Asahi Glass Company Limited | Highly zirconia-based refractory and melting furnace |
| RU2572101C1 (ru) * | 2014-12-29 | 2015-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2701765C1 (ru) * | 2018-09-27 | 2019-10-01 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Способ получения наноструктурированной композиционной керамики на основе оксидов циркония, алюминия и кремния |
| RU2735791C1 (ru) * | 2019-09-18 | 2020-11-09 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Способ получения циркониевой керамики |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Maji et al. | Microstructure and mechanical properties of alumina toughened zirconia (ATZ) | |
| Tredici et al. | Low temperature degradation resistant nanostructured yttria-stabilized zirconia for dental applications | |
| Apel et al. | Introduction to a tough, strong and stable Ce-TZP/MgAl2O4 composite for biomedical applications | |
| RU2665734C1 (ru) | Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации | |
| Vasanthavel et al. | Stabilization of at-ZrO 2 polymorph in a glassy SiO 2 matrix at elevated temperatures accomplished by ceria additions | |
| Wang et al. | Mechanical and thermal expansion studies on Ca0. 5Sr0. 5Zr4-xTixP6O24 ceramics | |
| Xu et al. | Low-temperature preparation of Al2O3-ZrO2 nanoceramics via pressureless sintering assisted by amorphous powders | |
| Zhigachev et al. | The effect of titania doping on structure and mechanical properties of calcia-stabilized zirconia ceramic | |
| Phromyoo et al. | Effects of barium zirconium titanate on the properties of β-tricalcium phosphate bioceramics | |
| Ojaimi et al. | Mechanical characterisation and hydrothermal degradation of Al2O3-15 vol% ZrO2 nanocomposites consolidated by two-step sintering | |
| Ramajo et al. | Electrical and microstructural properties of CaTiO 3-doped K 1/2 Na 1/2 NbO 3-lead free ceramics | |
| Singh et al. | Sintering of hydroxyapatite ceramic produced by wet chemical method | |
| RU2675391C1 (ru) | Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации | |
| Mohammadi et al. | Effect of substitutional strontium on mechanical properties of akermanite ceramic prepared by solid-state sintering | |
| Ponnilavan et al. | Crystallization and polymorphic phase transitions in zirconia-toughened alumina systems induced by Dy3+/Gd3+ cosubstitutions | |
| Rodaev et al. | Spherical engineering Ca-TZP ceramics made from baddeleyite: fabrication, structure and mechanical properties | |
| RU2572101C1 (ru) | Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации | |
| Rudnicki et al. | Spray pyrolysis of yttria-stabilized zirconia nanoparticles and their densification into bulk transparent windows | |
| Inthong et al. | Dielectric, mechanical, and microstructural characterization of HA–BST composites | |
| Duangsupa et al. | Structure and mechanical properties of ZrO 2 (MgO)—CaSiO 3 composites | |
| Kern | 2. 75 Yb-TZP CERAMICS WITH HIGH STRENGTH AND AGEING RESISTANCE | |
| Li et al. | Novel zirconia ceramics for dental implant materials | |
| Wang et al. | Porous Li–Na–K niobate bone-substitute ceramics: Microstructure and piezoelectric properties | |
| RU2795866C1 (ru) | Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации для аддитивного производства | |
| RU2585954C1 (ru) | Композиционный материал на основе фторгидроксиапатита и частично стабилизированного диоксида циркония для замещения костных дефектов |