RU2795518C1 - Керамический материал системы диоксида циркония-оксида алюминия-оксида кремния с пониженной температурой спекания - Google Patents
Керамический материал системы диоксида циркония-оксида алюминия-оксида кремния с пониженной температурой спекания Download PDFInfo
- Publication number
- RU2795518C1 RU2795518C1 RU2021135326A RU2021135326A RU2795518C1 RU 2795518 C1 RU2795518 C1 RU 2795518C1 RU 2021135326 A RU2021135326 A RU 2021135326A RU 2021135326 A RU2021135326 A RU 2021135326A RU 2795518 C1 RU2795518 C1 RU 2795518C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- oxide
- temperature
- sintering
- mpa
- during sintering
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относится к области получения высокопрочной керамики на основе диоксида циркония–оксида алюминия–оксида кремния для получения изделий медицинского назначения. Керамический материал получен из шихты, включающей, мас.%: тетрагональный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3 мол.%) – 90-97,4, оксид алюминия – 2-9,4, оксид кремния – 0,5-2,0 и добавку оксида марганца – 0,1-1,0. Полученный материал характеризуется мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 50-100 нм при спекании при температуре 1250°С и 50-200 нм при спекании при температуре 1300°С и высокими механическими характеристиками - прочностью при изгибе от 640 МПа до 790 МПа. 1 пр., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области получения высокоплотной керамики на основе системы диоксида циркония-оксида алюминия (ZrO2-Al2O3).
Материалы системы ZrO2-Al2O3, нашли использование в качестве материала для режущего инструмента, эндопротезирования. Однако эти материалы спекаются при высоких температурах 1600 – 1750 °С, что приводит к необходимости использования специальных дорогостоящих и энергоёмких методов. Решением данной проблемы является легирование оксидом кремния (SiO2), приводящее к интенсификации спекания за счет изменения механизм спекания. Также для снижения температуры спекания вводят спекающие добавки, позволяющие получать плотные и прочные материалы ZrO2-Al2O3 при более низкой температуре.
Наиболее близким по техническому решению является керамический материал [Rahimi S. et al. Effect of SiO2 content on Y-TZP/Al2O3 ceramic-nanocomposite properties as potential dental applications // Ceramics International. Elsevier, 2020. Vol. 46, № 8. P. 10910–10916.] следующего состава, масс.%: ZrO2 – 65, Al2O3 – 20, SiO2 – 15. Данный материал спекали при температуре 1600°С. Для такого материала получена прочность при трехточечном изгибе 366 МПа.При других соотношениях компонентов прочность снижалась. Так, после спекания прочность материалов состава ZrO2 – 70 масс.%, Al2O3 – 20 масс.%, SiO2 – 10 масс.% составляла 250 МПа, а для состава 75 масс.%, Al2O3 – 20 масс.%, SiO2 – 5 масс.% - 122 МПа. Недостатком данного материала является высокая температура спекания и низкая прочность.
Технический результат изобретения заключается в создании материала на основе системы диоксида циркония-оксида алюминия-оксида кремния–оксида марганца, спекающегося при низкой температуре 1250-1300°С, и характеризующийся высокими механическими характеристиками: прочностью при трехточечном изгибе не менее 640 МПа при спекании при температуре 1250°С и не менее 790 МПа при спекании при температуре 1300°С.
Технический результат достигается тем, что керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония-оксида алюминия-оксида кремния, содержит добавку оксид марганца, способствующую спеканию при 1250 – 1300 °С при следующих соотношениях компонентов в материале: диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3 мол. %) – 90-97,4, оксид алюминия – 2-9,4, оксид кремния – 0,5-2,0 и добавка оксида марганца – 0,1-1,0. Полученный материал характеризуется прочностью при трехточечном изгибе не менее 640 МПа при спекании при температуре 1250 ᵒС, не менее 790 МПа при спекании при температуре 1300 ᵒС с равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 50 – 100 нм при спекании при температуре 1250 ᵒС, 50 – 200 нм при спекании при температуре 1300 ᵒС.
Керамический материал указанного состава неизвестен.
При спекании добавка оксида марганца образует низкотемпературный расплав за счет взаимодействия с оксидом кремния (температура плавления эвтектики около 1251 °С), что способствует спеканию материала по жидкофазному механизму. В результате спекания становится возможным при низких температурах 1250 – 1300 °С получить материалы с высокими механическими свойствами. При температурах спекания более 1400 °С происходит рост кристаллов, что приводит к снижению прочности. При температурах ниже 1200 °С падение прочности происходит в следствие увеличения пористости. При использовании добавки оксида марганца менее 0,1 масс.% спеченный материал имеет высокую открытую пористость, что является причиной падения механических свойств керамики. Использование добавки оксида марганца более 1 масс.% приводит к росту кристаллов и, как следствие, к снижению прочности материала. При выходе за указанные пределы содержания оксидов: диоксид циркония 90-97,4 масс.%, оксид алюминия 2-9,4 масс.%, оксид кремния 0,5-2,0 масс.% материалы имеют прочность ниже 640 - 790 МПа при спекании ниже 1300 °С.
Пример. Керамический материал получали из нанодисперсных порошков состава 95,8 масс.% ZrO2 (диоксид циркония содержал 3 мол.% оксида иттрия) 2,5 масс.% Al2O3 – 1,0 масс.% SiO2 химическим методом соосаждения из растворов солей. Удельная поверхность порошков была не менее 30 м2/г. Для равномерного распределения добавки оксид марганца вводили через растворимую в воде соль в количестве 0,7 масс.%. Для получения экспериментальных образцов полученный порошок прессовали в виде балочек размером 30×4×4 мм. Полученные образцы спекали в термических печах с силитовыми нагревателями при температуре 1300 °С. В результате спекания получали керамический материал, состоящий из основной тетрагональной фазы диоксида циркония. Материал характеризовался однородной мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 50 – 200 нм, открытой пористостью не более 0,3%, прочностью при изгибе 790 МПа.
Были изготовлены образцы керамики, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.
Образец | Содержание, масс.% | Свойства керамики | |||||
ZrO2 | Al2O3 | SiO2 | Оксид марганца | Температура спекания, °С |
Размер кристаллов, нм | Прочность при изгибе, МПа |
|
1 | 75,3 | 18,8 | 4,7 | 1,2 | 1350 | 200-500 | 360 |
2 | 95,8 | 2,5 | 1 | 0,7 | 1300 | 50-200 | 790 |
3 | 95,8 | 2,5 | 1 | 0,7 | 1250 | 50-100 | 645 |
4 (прототип) | 65 | 20 | 15 | - | 1600 | 3-8 мкм | 366 |
5 | 94,1 | 4,9 | 0,5 | 0,5 | 1300 | 100-300 | 450 |
6 | 95 | 5 | 0 | 0 | 1500 | 1-3 мкм | 570 |
Claims (3)
- Керамический материал на основе системы диоксида циркония-оксида алюминия-оксида кремния, отличающийся тем, что содержит добавку оксида марганца при следующих соотношениях компонентов в материале, мас.%:
-
диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3 мол.%) 90-97,4 оксид алюминия 2-9,4 оксид кремния 0,5-2,0 добавка оксида марганца 0,1-1,0, - полученный материал характеризуется прочностью при трехточечном изгибе не менее 640 МПа при спекании на 1250°С, не менее 790 МПа при спекании на 1300°С с равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 50–100 нм при спекании при температуре 1250°С, 50–200 нм при спекании при температуре 1300°С.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2795518C1 true RU2795518C1 (ru) | 2023-05-04 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1227203A (zh) * | 1998-02-26 | 1999-09-01 | 旭硝子株式会社 | 熔铸氧化铝-氧化锆-二氧化硅耐火材料及采用它的玻璃熔炉 |
RU2220674C1 (ru) * | 1999-12-07 | 2004-01-10 | Породинков Олег Евгеньевич | Материал на основе диоксида циркония, хирургический режущий инструмент из материала на основе диоксида циркония, инструмент из материала на основе диоксида циркония |
US8138109B2 (en) * | 2008-01-30 | 2012-03-20 | Krosakiharima Corporation | Zirconia-mullite refractory raw material and a plate brick |
RU2494077C1 (ru) * | 2012-02-22 | 2013-09-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт-Тантал" (ОАО "НИИ-Тантал") | Способ изготовления керамических изделий на основе диоксида циркония |
RU2684793C2 (ru) * | 2014-02-21 | 2019-04-15 | Политекнико Ди Торино | Способ получения многофазных керамических композитов на основе диоксида циркония |
RU2710341C1 (ru) * | 2019-03-18 | 2019-12-25 | 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 системы диоксида циркония - оксида алюминия - оксида кремния |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1227203A (zh) * | 1998-02-26 | 1999-09-01 | 旭硝子株式会社 | 熔铸氧化铝-氧化锆-二氧化硅耐火材料及采用它的玻璃熔炉 |
RU2220674C1 (ru) * | 1999-12-07 | 2004-01-10 | Породинков Олег Евгеньевич | Материал на основе диоксида циркония, хирургический режущий инструмент из материала на основе диоксида циркония, инструмент из материала на основе диоксида циркония |
US8138109B2 (en) * | 2008-01-30 | 2012-03-20 | Krosakiharima Corporation | Zirconia-mullite refractory raw material and a plate brick |
RU2494077C1 (ru) * | 2012-02-22 | 2013-09-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт-Тантал" (ОАО "НИИ-Тантал") | Способ изготовления керамических изделий на основе диоксида циркония |
RU2684793C2 (ru) * | 2014-02-21 | 2019-04-15 | Политекнико Ди Торино | Способ получения многофазных керамических композитов на основе диоксида циркония |
RU2710341C1 (ru) * | 2019-03-18 | 2019-12-25 | 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 системы диоксида циркония - оксида алюминия - оксида кремния |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
RAHIMI S. et al, "Effect of SiO2 content on Y-TZP/Al2O3 ceramic nanocomposite properties as potential dental applications", Ceramic International. Elsevier, 2020, vol.46, N8, Part A, p.10910-10916. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA1280448C (en) | Transformation toughened zirconia-titania-yttria ceramic alloys | |
US5153153A (en) | Sintered ceramic materials based on aluminium titanate, a process for their production and their use | |
EP1845072B1 (en) | Composite ceramic and method for producing same | |
US7399722B2 (en) | Alumina/zirconia ceramics and method of producing the same | |
EP0466836B1 (en) | Ceramics with high toughness, strength and hardness | |
JPH0352425B2 (ru) | ||
JP5931542B2 (ja) | ジルコニア質焼結体からなる焼成用部材 | |
RU2795518C1 (ru) | Керамический материал системы диоксида циркония-оксида алюминия-оксида кремния с пониженной температурой спекания | |
JPH01503622A (ja) | アルミナ‐ジルコニアセラミック | |
KR970001064B1 (ko) | 고인성·내저온열화 정방정 지르코니아 복합체의 제조방법 | |
Das et al. | Effect of yttria on mechanical and microstructural properties of reaction sintered mullite-zirconia composites | |
JPH0553751B2 (ru) | ||
JPH0535103B2 (ru) | ||
Binner et al. | Improvement in the mechanical properties of polycrystalline beta-alumina via the use of zirconia particles containing stabilizing oxide additions | |
RU2710341C1 (ru) | Керамический материал с низкой температурой спекания на основе системы диоксида циркония - оксида алюминия - оксида кремния | |
Fisher et al. | Low-temperature sintering of barium calcium zirconium titanate lead-free piezoelectric ceramics | |
Nikonov et al. | Microhardness and fracture toughness of ZrO 2–Sc 2 O 3 solid electrolyte, doped with rare-earth and transition metals | |
JP4831945B2 (ja) | ジルコニア−アルミナ系セラミックスおよびその製法 | |
KR20200133119A (ko) | 지르코니아계 세라믹 비드 및 그 제조 방법 | |
GB2413127A (en) | Microwave dielectric ceramic | |
RU2795866C1 (ru) | Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации для аддитивного производства | |
JP2001294480A (ja) | セラミックス複合材料 | |
JPH0811707B2 (ja) | アルミナ−ジルコニア質焼結体およびその製造法 | |
JP4612358B2 (ja) | アルミナ・ジルコニアセラミックスおよびその製法 | |
JPH01208366A (ja) | ジルコニア強化ムライトセラミックスの製造法 |