Влияние примеси SiO₂ на трансформируемость тетрагональной фазы циркониевой керамики, армированной частицами Al₂O₃

Целью работы являлось исследование влияния концентрации добавки диоксида кремния на трансформируемость при сосредоточенных нагрузках тетрагональной фазы диоксида циркония, стабилизированного оксидом кальция, упрочненного оксидом алюминия. 

Методы. Для исследования фазовых превращений в области локальной деформации использовали метод пятициклового индентирования с нарастающей нагрузкой. Об эффективности тетрагонально-моноклинных превращений судили по количественной оценке отношений энергии гистерезисных потерь к энергии пластической деформации δ, рассчитываемых из данных P-h-диаграмм. 

Результаты. Установлено, что повышение концентрации от 0 до 5 мол.% примеси SiO₂ в циркониевой керамике (стабилизированной CaO и содержащей 5 вес.% Al₂O₃) вызывает увеличение значений δ, то есть рост гистерезисных потерь, регистрируемых при повторном внедрении индентора в сформированный отпечаток. Причиной наблюдаемых гистерезисных потерь являются тетрагонально-моноклинные превращения t-ZrO₂ → m-ZrO₂. Следовательно, введение примеси SiO₂ способствует повышению трансформируемости тетрагональной фазы диоксида циркония. Причиной этому может являться взаимодействие SiO₂ и CaO с образованием силикатов кальция и, как следствие, нарушение баланса в концентрациях ZrO₂ и его стабилизатора CaO. 

Заключение. Повышение трансформируемости тетрагональной фазы t-ZrO₂ при введении примеси SiO₂ способствует усилению роли трансформационного механизма упрочнения циркониевой керамики, армированной частицами Al₂O₃, что обеспечивает значительное увеличение (более чем на 70%) ее вязкости разрушения. Однако превышение критического значения концентрации примеси SiO₂ вызывает самопроизвольное (в отсутствие механических нагрузок) t-ZrO₂ → m-ZrO₂ превращение, резко снижающее роль трансформационного механизма упрочнения и ухудшающее прочностные свойства исследуемой керамики.

1. Lee J.-K., Kim M.-J., Lee E.-G. Influence of dispersed-alumina particle size on the fracture toughness of 3 mol% yttria-stabilized zirconia polycrystals (3Y-TZP) // Journal of Materials Science Letters. 2002. Vol. 21, No. 3. P. 259–261.

2. Zhang F., Lin L.-F., Wang E.-Z. Effect of micro-alumina content on mechanical properties of Al2O3/3Y-TZP composites // Ceramics International. 2015. Vol. 41. P. 12417–12425.

3. Kan Y. M., Kan Y. M., Jin X. H. The intrinsic toughening mechanisms in ceramic composites and their effecting factors // Journal of Ceramics. 1998. No. 19. P. 221–224.

4. Garvie R. C., Hannink R. H. J., Pascoe R. T. Ceramic Steel? // Nature. 1975. Vol. 258. P. 703–704.

5. Hannink R. H. J., Kelly P. M., Muddle B. C. Transformation toughening in zirconiaContaining Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2000. Vol. 83, No. 3. P. 461–874.

6. Modeling of steady-state crack growth in shape memory alloys using a stationary method / S. Hazar, W. Zaki, Z. Moumni, G. Anlas // International Journal of Plasticity. 2015. Vol. 67. P. 26–38.

7. The effect of zirconia sintering temperature on flexural strength, grain size, and contrast ratio / B. Stawarczyk, M. Ozcan, L. Hallman, A. Ender, A. Mehl, C. H. F. Hammerlet // Clinical Oral Investigations. 2013. Vol. 17, No. 1. P. 269–274.

8. Basu B., Balani K. Advanced structural ceramics. Wiley, 2011. P. 173–214.

9. Heuer A. H. Transformation toughening in zirconia-containing ceramics // Journal of the American Ceramic Society. 1987. Vol. 70, No. 10. P. 689–698.

10. Mecartney M. L. Influence of an amorphous second phase on the properties of yttriastabilized tetragonal zirconia polycrystals (Y-TZP) // J. Am. Ceram. Soc. 1987. Vol. 70. P. 54–58.

11. Improving the durability of a biomedical-grade zirconia ceramic by the addition of silica / L. Gremillard, J. Chevalier, T. Epicier, G. Fantozzi // J. Am. Ceram. Soc. 2002. Vol. 85. P. 401–407.

12. Влияние диоксида кремния на стабильность фазового состава и механические свойства керамики на основе диоксида циркония, упрочненной оксидом алюминия / А. А. Дмитриевский, А. О. Жигачев, Д. Г. Жигачева, В. В. Родаев // Журнал технической физики. 2020. Т. 90, № 12. С. 2108–2117.

13. Структура и механические свойства композиционной керамики CaO−ZrO2−Al2O3 при малых концентрациях корунда / А. А. Дмитриевский, А. О. Жигачев, Д. Г. Жигачева, А. И. Тюрин // Журнал технической физики. 2019. Т. 89, № 1. С. 107–111.

14. Головин Ю. И., Дмитриевский А. А. Эффекты влияния малых доз и интенсивностей радиационных и электромагнитных воздействий на свойства реальных кристаллов // Журнал функциональных материалов. 2007. Т. 1, № 1. С. 11–20.

15. Влияние содержания корунда и температуры спекания на механические свойства керамических композитов CaO−ZrO2−Al2O3 / А. А. Дмитриевский, А. И. Тюрин, А. О. Жигачев, Д. Г. Гусева, П. Н. Овчинников // Письма в журнал технической физики. 2018. Т. 44, № 4. С. 25–33.

16. Головин Ю. И. Наноиндентирование и механические свойства твердых тел в субмикрообъемах, тонких приповерхностных слоях и пленках // Физика твердого тела. 2008. Т. 50. С. 2113–2142.

17. A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: I, direct crack measurements / G. R. Anstis, P. Chantikul, B. R. Lawn, D. B. Marshall // J. Am. Ceram. Soc. 1981. Vol. 64, No. 9. P. 533–538.

18. Maiti P., Ghosh J., Mukhopadhyay A.K. New observations and critical assessments of incipient plasticity events and indentation size effect in nanoindentation of ceramic nanocomposites // Ceramics International. 2020. Vol. 46, No. 3. P. 3144–3165.

19. Стойкость фазового состава и механических свойств наноструктурированных композиционных керамик на основе CaO-ZrO2 к гидротермальным воздействиям / А. А. Дмитриевский, Д. Г. Жигачева, Н. Ю. Ефремова, А. В. Умрихин // Российские нанотехнологии. 2019. Т. 14, № 3–4. С. 39–45.

20. Механические свойства структур AlN/Si в условиях низкоинтенсивного бетаоблучения / А. А. Дмитриевский, Н. Ю. Ефремова, Е. М. Вихляева, В. В. Коренков, А. В. Шуклинов, M. В. Бадылевич, Ю. Г. Федоренко // Известия РАН. Серия Физическая. 2010. Т. 74, № 2. C. 229–232.