RU2795866C1 - Ceramic material with low sintering temperature based on tetragonal zirconia for additive manufacturing - Google Patents
Ceramic material with low sintering temperature based on tetragonal zirconia for additive manufacturing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2795866C1 RU2795866C1 RU2022105719A RU2022105719A RU2795866C1 RU 2795866 C1 RU2795866 C1 RU 2795866C1 RU 2022105719 A RU2022105719 A RU 2022105719A RU 2022105719 A RU2022105719 A RU 2022105719A RU 2795866 C1 RU2795866 C1 RU 2795866C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- during sintering
- zirconium dioxide
- sintering
- ceramic
- mpa
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения изделий из высокоплотной керамики на основе диоксида циркония сложной формы при помощи аддитивного производства методом цифровой обработки светом (Digital Light Processing, DLP). Прочные керамические материалы на основе диоксида циркония тетрагональной модификации обладают высокой стойкостью к воздействию химических и биологических 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. Возможность получения сложных геометрических форм конечного продукта значительно расширяет область применения данных материалов.The invention relates to the field of obtaining products from high-density ceramics based on zirconium dioxide of complex shape using additive manufacturing by digital light processing (Digital Light Processing, DLP). Strong ceramic materials based on tetragonal zirconia have high resistance to chemical and biological media, high mechanical properties, which allows them to be used as wear-resistant products, various cutting tools, including medical scalpels, ceramic bearings, as well as implants for replacement of bone defects. The possibility of obtaining complex geometric shapes of the final product significantly expands the scope of these materials.
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].The main disadvantage of ceramic technology based on zirconium dioxide is the high sintering temperature of 1700-1750°C [Andrianov, N.T., Balkevich, V.L., Belyakov, A.V., Vlasov, A.S., Guzman, I. Ya., Lukin, E.S., … & Skidan, B.S. Chemical technology of ceramics: textbook. manual for universities / Ed. IYA Guzman // M.: Reef LLC "Building Materials", 2012. - 496 p. - 2012].
Получить прочные керамические материалы на основе ZrO2 при одновременном снижении температуры спекания возможно за счет использования специальных методов, например, горячего или изостатического прессования. Однако данные методы предполагают использование сложного дорогостоящего оборудования и не могут быть использованы в аддитивном производстве для получения объектов сложной формы методом цифровой обработки светом (DLP).It is possible to obtain strong ceramic materials based on ZrO 2 while simultaneously lowering the sintering temperature by using special methods, such as hot or isostatic pressing. However, these methods involve the use of complex expensive equipment and cannot be used in additive manufacturing to obtain objects of complex shape using digital light processing (DLP).
Так, известны керамические материалы тетрагональной модификации:So, ceramic materials of tetragonal modification are known:
1. [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°С и относительной плотностью 99,1%. Низкая температура спекания и достижение относительной плотности 99,1% является следствием использования нанодисперсных порошков с высокой 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.1M. Trunec and K. Maca Compaction and Pressureless Sintering of Zirconia Nanoparticles // J. Am. Ceram. Soc., 90 [9] 2735-2740 (2007)] with a sintering temperature of about 1100°C and a relative density of 99.1%. The low sintering temperature and the achievement of a relative density of 99.1% is a consequence of the use of nanodispersed powders with a high specific surface area of 123 m 3 /g. The disadvantage of this material is the use of expensive equipment for isostatic compaction when pressing samples, as well as the relatively low density of the material, which leads to a decrease in strength.
2. [Fu L. et al. Transparent single crystalline ZrO2-SiO2 glass nanoceramic sintered by SPS //Journal of the European Ceramic Society. – 2016. – Т. 36. – №. 14. – С. 3487-3494.] с температурой спекания 1050–1230°С, состоящие из 35 мол. % ZrO2 и 65 мол. % SiO2. Полученные материалы относятся к прозрачной керамике и получены искровым плазменным спеканием под давлением от 30 до 70 МПа. Конечная прочность на изгиб составляет от 227 до 268 МПа.2. [Fu L. et al. Transparent single crystalline ZrO 2 -SiO 2 glass nanoceramic sintered by SPS //Journal of the European Ceramic Society. - 2016. - T. 36. - No. 14. - P. 3487-3494.] with a sintering temperature of 1050–1230°C, consisting of 35 mol. % ZrO 2 and 65 mol. % SiO2 . The resulting materials are transparent ceramics and obtained by spark plasma sintering under pressure from 30 to 70 MPa. The final bending strength is from 227 to 268 MPa.
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. А также керамический материал тетрагональной модификации [патент №2665734 «Керамический материал с низкой температурой спекания на основе диоксида циркония тетрагональной модификации»] с более высокой температурой спекания 1300-1350°С, и, следовательно, менее активного к спеканию, однако обладающего более высокими механическими свойствами прочности на 3-х точечный изгиб 500 МПа.The closest technical solution and the achieved effect is a ceramic material of tetragonal modification [patent No. 2572101 "Ceramic material with a low sintering temperature based on tetragonal zirconium dioxide"] with a sintering temperature of about 1150°C. Low sintering temperature, achievement of relative density (open porosity no more than 0.01%) and strength of 350 MPa in bending is achieved through the use of ultrafine powders 150 m 2 /g and the use of additives - sodium silicate in the amount of 2-5 wt. %. The disadvantage of this material is the low strength of the material. This is a consequence of the content of low-strength amorphous glass phase in the material. As well as a ceramic material of tetragonal modification [patent No. 2665734 "Ceramic material with a low sintering temperature based on tetragonal zirconium dioxide"] with a higher sintering temperature of 1300-1350 ° C, and, therefore, less active for sintering, but having higher mechanical strength properties for 3-point bending 500 MPa.
Для получения деталей сложной геометрии, состоящих из ZrO2 керамики, необходимо учесть ряд технологических параметров. На сегодняшний день 3D-печать керамическими материалами уже активно применяется, однако требует высокотехнологичного дорогостоящего оборудования, позволяющего работать с вязкими керамическими суспензиями, что ограничивает возможность использования данной технологии. Снижение вязкости позволяет использовать данные суспензии в DLP технологии, однако недостаточное заполнение частиц порошка не обеспечивает допустимую плотность сырца, что в конечном итоге приводит к образованию трещин и деформаций у спеченного продукта. В случае использования высокоактивной керамики, наблюдается эффект припекания при низких температурах пиролиза органического связующего, что позволяет сохранить структуру без деформаций и трещин.To obtain parts of complex geometry, consisting of ZrO 2 ceramics, it is necessary to take into account a number of technological parameters. Today, 3D printing with ceramic materials is already actively used, but it requires high-tech expensive equipment that allows you to work with viscous ceramic suspensions, which limits the possibility of using this technology. A decrease in viscosity allows the use of these suspensions in DLP technology, however, insufficient filling of powder particles does not provide an acceptable green density, which ultimately leads to the formation of cracks and deformations in the sintered product. In the case of using highly active ceramics, the effect of baking at low temperatures of pyrolysis of the organic binder is observed, which makes it possible to preserve the structure without deformations and cracks.
Технический результат изобретения заключается в создании материала на основе тетрагональной модификации диоксида циркония, спекающегося при низкой температуре 1150°С и характеризующегося высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 515 МПа.The technical result of the invention is to create a material based on a tetragonal modification of zirconium dioxide, sintering at a low temperature of 1150°C and characterized by high mechanical characteristics: bending strength of at least 515 MPa.
Технический результат достигается тем, что керамический материал с низкой температурой спекания на основе тетрагонального диоксида циркония, содержит добавку оксида кремния, способствующую спеканию при температуре 1150°С, и упрочняющую добавку Al2O3 при следующих соотношениях компонентов в материале, масс. %: тетрагональный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3-9 мол. %) – 90-96 масс. %, добавка оксида алюминия 2-5 масс. % и добавка оксида кремния в количестве 2-5 масс. %. Полученный материал характеризуется прочностью при изгибе не менее 515 МПа, равномерной однородной структурой с размером кристаллов около 50-70 нм и открытой пористостью не более 4%.The technical result is achieved by the fact that the ceramic material with a low sintering temperature based on tetragonal zirconium dioxide contains an additive of silicon oxide, which promotes sintering at a temperature of 1150°C, and a strengthening additive of Al 2 O 3 at the following ratios of components in the material, wt. %: tetragonal zirconium dioxide (yttria content 3-9 mol.%) - 90-96 wt. %, addition of aluminum oxide 2-5 wt. % and the addition of silicon oxide in the amount of 2-5 wt. %. The resulting material is characterized by a bending strength of at least 515 MPa, a uniform homogeneous structure with a crystal size of about 50-70 nm and an open porosity of not more than 4%.
Керамический материал указанного состава неизвестен. В результате воздействия добавки SiO2 в решетке кристаллического материала ZrO2 появляются многочисленные дефекты, способствующие интенсификации спекания за счет внедрения катиона Si4+ (ионный радиус 42 пм). Высокая прочность в 515 МПа достигается мелким размером зерна 50-70 нм. При увеличении температуры происходит рост зерна и уплотнение структуры, эти два процесса компенсируют друг друга, таким образом, показания прочности на изгиб не меняются до 1450°С. При достижении 1450°С открытая пористость составляла не более 0,01%, а прочность керамики на изгиб выросла до 800-930 МПа. При температурах спекания более 1450°С происходит дальнейший рост кристаллов, без увеличения плотности, что приводит к снижению прочности. При температуре 1100°С падение прочности происходит вследствие увеличения пористости (открытая пористость 26%), однако материал по-прежнему имеет высокую прочность на изгиб 251 МПа. При содержании оксида иттрия менее 2 мол. % образуется моноклинная модификация, а при более 9 мол. % кубическая модификация, содержание которых также снижает прочность материала. За счет высокой активности к спеканию данный керамический порошок не требует высокого заполнения при 3D-печати, что дает возможность его использования с применением бюджетного DLP метода печати.The ceramic material of this composition is unknown. As a result of the action of the SiO 2 additive, numerous defects appear in the lattice of the ZrO 2 crystalline material, which contribute to the intensification of sintering due to the introduction of the Si 4+ cation (ionic radius 42 pm). High strength of 515 MPa is achieved by a fine grain size of 50-70 nm. As the temperature increases, grain growth and structure compaction occur, these two processes cancel each other, so the bending strength readings do not change up to 1450°C. Upon reaching 1450°C, the open porosity was no more than 0.01%, and the bending strength of the ceramic increased to 800–930 MPa. At sintering temperatures above 1450°C, further crystal growth occurs, without an increase in density, which leads to a decrease in strength. At a temperature of 1100°C, the drop in strength occurs due to an increase in porosity (open porosity 26%), however, the material still has a high bending strength of 251 MPa. When the content of yttrium oxide is less than 2 mol. %, a monoclinic modification is formed, and at more than 9 mol. % cubic modification, the content of which also reduces the strength of the material. Due to its high sintering activity, this ceramic powder does not require high filling in 3D printing, which makes it possible to use it using a budget DLP printing method.
Пример. Керамику получали из нанодисперсных порошков состава 93 масс.% ZrO2 (диоксид циркония содержал 9 мол.% оксида иттрия) 2 масс.% Al2O3 – 5 масс.% SiO2, удельная поверхность порошков была не менее 55 м2/г. Для получения образцов, порошок прессовали образцы в виде балочек размером 30×3×3 мм. Полученные образцы спекали при температуре 1150°С. В результате получали керамический материал, состоящий из 100% тетрагональной фазы. Материал характеризовался однородной мелкокристаллической структурой с размером кристаллов 50–70 нм, открытой пористостью не более 4%, прочностью при изгибе 515 МПа.Example. Ceramics were obtained from nanodispersed powders of the composition 93 wt.% ZrO 2 (zirconium dioxide contained 9 mol.% yttrium oxide) 2 wt.% Al 2 O 3 - 5 wt.% SiO 2 , the specific surface of the powders was not less than 55 m 2 /g . To obtain samples, powder samples were pressed in the form of beams 30 × 3 × 3 mm in size. The resulting samples were sintered at a temperature of 1150°C. The result was a ceramic material consisting of 100% tetragonal phase. The material was characterized by a homogeneous fine-grained structure with a crystal size of 50–70 nm, an open porosity of no more than 4%, and a bending strength of 515 MPa.
Были изготовлены образцы керамики, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Were made samples of ceramics with compositions within the declared, and determined their properties in comparison with the prototype.
Полученные результаты сведены в таблицу.The results obtained are summarized in the table.
Y2O3 по отношению к ZrO2,
мол.%Content
Y 2 O 3 in relation to ZrO 2 ,
mol.%
ние
диоксида циркония,
масс.%Contents
nie
zirconia,
wt.%
ние
оксида алюминия,
масс.%Contents
nie
alumina,
wt.%
оксида кремния,
масс.%Content
silicon oxide,
wt.%
°СSintering temperature,
°С
при изгибе,
МПаStrength
when bending
MPa
%open porosity,
%
Claims (3)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2795866C1 true RU2795866C1 (en) | 2023-05-12 |
Family
ID=
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2021229C1 (en) * | 1991-02-21 | 1994-10-15 | Александр Аксентьевич Дабижа | Charge for making of ceramic articles with complex configuration |
US20040162214A1 (en) * | 2001-10-18 | 2004-08-19 | Miyuki Sakuta | Zirconia based sintered body excellent in durability and wear resistant parts using the same |
RU2513973C1 (en) * | 2012-09-10 | 2014-04-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Method of producing zirconium dioxide-based ceramic material |
RU2536593C1 (en) * | 2013-09-10 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Method of producing zirconium dioxide-based ceramic for restoration dentistry |
RU2572101C1 (en) * | 2014-12-29 | 2015-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Ceramic material with low sintering temperature based on zirconium dioxide of tetragonal modification |
RU2701765C1 (en) * | 2018-09-27 | 2019-10-01 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Method of producing nanostructured composite ceramics based on zirconium, aluminum and silicon oxides |
RU2744546C1 (en) * | 2020-08-06 | 2021-03-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Ceramic material and method for manufacturing it |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2021229C1 (en) * | 1991-02-21 | 1994-10-15 | Александр Аксентьевич Дабижа | Charge for making of ceramic articles with complex configuration |
US20040162214A1 (en) * | 2001-10-18 | 2004-08-19 | Miyuki Sakuta | Zirconia based sintered body excellent in durability and wear resistant parts using the same |
RU2513973C1 (en) * | 2012-09-10 | 2014-04-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Method of producing zirconium dioxide-based ceramic material |
RU2536593C1 (en) * | 2013-09-10 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Method of producing zirconium dioxide-based ceramic for restoration dentistry |
RU2572101C1 (en) * | 2014-12-29 | 2015-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Ceramic material with low sintering temperature based on zirconium dioxide of tetragonal modification |
RU2701765C1 (en) * | 2018-09-27 | 2019-10-01 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Method of producing nanostructured composite ceramics based on zirconium, aluminum and silicon oxides |
RU2744546C1 (en) * | 2020-08-06 | 2021-03-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Ceramic material and method for manufacturing it |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Maji et al. | Microstructure and mechanical properties of alumina toughened zirconia (ATZ) | |
CA2269511C (en) | Novel sintered materials produced from zircon and zirconia | |
JP5718599B2 (en) | Zirconia sintered body, and composition for sintering and calcined body | |
Samodurova et al. | The combined effect of alumina and silica co-doping on the ageing resistance of 3Y-TZP bioceramics | |
US11839665B2 (en) | High strength and translucency dental ceramic materials, devices, and methods | |
US7056851B2 (en) | ZrO2-Al2O3 composite ceramic material | |
KR101425695B1 (en) | Refractory ceramic composite and method of making | |
KR101729650B1 (en) | Mullite ceramic and method for producing same | |
KR20150034177A (en) | CeO2-STABILIZED ZrO2 CERAMICS FOR DENTAL APPLICATIONS | |
US20090137380A1 (en) | Sintered alumina product transparent to infrared radiation and in the visible region | |
de Camargo et al. | Digital light processing additive manufacturing of in situ mullite-zirconia composites | |
Mosquim et al. | Structural, chemical and optical characterizations of an experimental SiO2–Y-TZP ceramic produced by the uniaxial/isostatic pressing technique | |
RU2795866C1 (en) | Ceramic material with low sintering temperature based on tetragonal zirconia for additive manufacturing | |
Lévaro et al. | Direct ink writing of ATZ composites based on inks prepared by colloidal or hydrogel route: Linking inks rheology with mechanical properties | |
RU2665734C1 (en) | Ceramic material with low temperature of sintering based on zirconium dioxide of tetragonal modification | |
Volceanov et al. | Assessment on mechanical properties controlling of alumina ceramics for harsh service conditions | |
Yildirim et al. | Mechanical properties and ageing resistance of slip cast and pressurelessly sintered ZTA-the influence of composition and heat treatment conditions | |
Abden et al. | Microstructure and mechanical properties of ZrO2–40 wt% Al2O3 composite ceramics | |
JP2004115343A (en) | Method of producing partially stabilized zirconia sintered compact | |
RU2675391C1 (en) | Ceramic material with low temperature of sintering based on zirconium dioxide of tetragonal modification | |
JP2517253B2 (en) | Manufacturing method of high strength zirconia sintered body | |
KR101925215B1 (en) | Polycrystal zirconia compounds and preparing method of the same | |
WO2024029228A1 (en) | Sintered zirconia object | |
JP2005008435A (en) | Composite ceramic and method for preparing the same | |
KR101442634B1 (en) | Manufacturing method of aluminum titanate having high-temperature strength and manufacturing method of the same |