The effect of plasticizers and moisture on the pressing process and the properties of ceramic products based on zirconiu.pdf Широкое применение в науке и технике керамики на основе диоксида циркония обусловлено ее уникальными свойствами, такими, как термостойкость, высокая твердость и химическая инертность. Последнее широко используется для изготовления биокерамики [1]. Циркониевая керамика (ЦК) вследствие полиморфизма не обладает высокой механической прочностью, поэтому для ее увеличения вводят стабилизирующие [2] и упрочняющие [3] добавки. Для увеличения механической прочности создают композиты, например состава 80ZrO2-20Al2O3 [4]. Новые возможности в улучшении качества ЦК дает использование нанопорошков. Мировым лидером их производства является фирма TOSOH (Япония). Из производимого ею сырья получают мелкозернистую ЦК с плотностью, близкой к теоретической [5, 6]. Рекомендуемое производителем давление прессования 70 МПа значительно ниже минимального давления, которое можно контролируемо получать с помощью большинства лабораторных прессов, поэтому на практике с их использованием получить качественную керамику затруднительно. При завышенном давлении возрастают пристеночное трение и внутренние напряжения в объеме компакта. Внутри него фиксируется большое количество газов. Все это приводит к разрушению пресс-образцов и растрескиванию керамики при спекании. Для снижения пристеночного трения может быть использовано нанесение смазки на поверхность пресс-форм, введение в исходное порошковое сырье микродобавок [7, 8] или пластификатора, например эпоксидной смолы [9]. Имеются данные о положительном влиянии влаги на характеристики оптической керамики из алюмо-иттриевого граната [10] и на получение алюмосиликатной керамики с использованием полусухого прессования пресс-порошков [11, 12]. Для нанопорошкового сырья диоксида циркония результаты исследования влияния указанных факторов на получение и свойства высокоплотной циркониевой керамики в литературе практически не представлены. В настоящей работе для нанопорошка частично стабилизированного диоксида циркония (ЧСДЦ) исследуется влияние смазки поверхностей пресс-форм и введения пластифицирующих добавок и влаги на качество керамики, полученной спеканием порошковых компактов, изготовленных методом одноосного статического прессования при давлении 120 МПа. Методика экспериментов В качестве исходного порошкового сырья использовали коммерческий нанопорошок частично стабилизированного (3% Y2О3) диоксида циркония марки TZ-3Y-E (TOSOH, Япония). Порошковые компакты в виде таблеток диаметром 9 мм и толщиной 2.5-3 мм получали с использованием лабораторного пресса ПГр-10 при давлении прессования 120 МПа. Для смазки внутренних поверхностей пресс-формы использовали полиметилсилоксановую жидкость (ПЖ) ПМС-100 и графитовую смазку марки «3ton». В качестве пластификатора применяли эпоксидную смолу ЭДП-4 без отвердителя и ПЖ ПМС-100. Влажность порошка регулировали добавлением в его объем дистиллированной воды. Спекание керамики проводили на воздухе в объеме печи СНОЛ 12/16 при температуре 1400 °С в течение 1 ч. Плотность керамики определяли методом гидростатического взвешивания на высокоточных весах Shimadzu AUW-220D. Полную пористость керамики оценивали по данным рентгено-фазового анализа и плотности, определенной экспериментально. Для измерения микротвердости керамики использовали микротвердомер фирмы «Zwick» (Германия). Микроструктура керамики исследовалась методом сканирующей электронной микроскопии с использованием микроскопа Hitachi TM-3000. Размер зерна определялся методом секущих. Экспериментальные результаты Смазка пресс-формы ПЖ «ПМС-100» приводила к уменьшению пристеночного трения, но не исключала расслаивание компактов. Наилучший результат показала смазка «3ton». Но в этом случае, несмотря на видимую целостность компактов, спекание керамики сопровождалось растрескиванием образцов. Последнее можно объяснить наличием газов в прессовке и неравномерностью уплотнения. С целью минимизации влияния этих факторов раздельно в пресс-порошок добавляли пластификатор ЭДП-4 и ПМС-100. Как альтернатива введению пластификаторов была использована техника полусухого прессования. В таблице представлены плотность прессовки, относительная плотность и полная пористость керамики в зависимости от содержания в пресс-порошке влаги, ЭДП-4 и ПМС-100. Характеристики прессовок и циркониевой керамики в зависимости от содержания в пресс-порошке влаги, ЭДП-4 и ПМС-100 Добавка Содержание добавки в пресс-порошке, мас. % 0 7.6 9 11.1 Плотность прессовки, г/см3 Дист. вода 2.94±0.05 3.21±0.03 3.22±0.08 3.25±0.03 ЭДП-4 3.26±0.02 3.25±0.01 3.38±0.04 ПМС-100 3.22±0.04 3.24±0.09 3.26±0.11 Относительная плотность спеченной керамики, % Дист. вода 98.3±0.05 98.39±0.06 98.61±0.08 97.59±0.06 ЭДП-4 97.92±0.07 97.53±0.05 98.02±0.06 ПМС-100 93.13±0.09 93.53±0.1 91.07±0.08 Полная пористость, % Дист. вода 1.71±0.11 1.57±0.09 1.34±0.10 3.38±0.08 ЭДП-4 2.07±0.10 2.99±0.11 2.02±0.08 ПМС-100 6.85±0.31 6.43±0.25 8.93±0.28 Как видно из таблицы, увеличение содержания пластификатора или влаги в пресс-порошке ведет к росту плотности прессовки. При этом прямой зависимости плотности готовой керамики от плотности прессовки не наблюдается. На рис. 1 представлены зависимости микротвёрдости Hv керамики от содержания в нанопорошке TZ-3Y-E пластификатора и влаги. Рис. 1. Зависимости микротвердости циркониевой керамики от содержания ω пластификатора и влаги в нанопорошке TZ-3Y-E: 1 - дистиллированная вода; 2 - эпоксидная смола ЭДП-4; 3 - полиметилсилоксановая жидкость ПМС-100 Как видно из таблицы и рис. 1, наилучшее сочетание плотности и микротвердости керамики наблюдается при добавке 9 мас. % влаги, в то время как для ЭДП-4 это имеет место при 11.1 мас. %. Применение полусухого прессования и введение ЭДП-4 не уменьшает плотности керамики и приводит к увеличению микротвердости. Использование ПМС-100 привело, по сравнению с керамикой, изготовленной из исходного нанопорошка, к уменьшению относительной плотности на 5 % при одновременном уменьшении микротвердости на 10 %. Мы связываем данный эффект с тем, что в состав ПМС входит порядка 33 % кремния, который при спекании окисляется до SiO2, что, согласно литературным данным [13], приводит к уменьшению плотности и микротвердости циркониевой керамики. Проведенные электронно-микроскопические исследования и обработка полученных СЭМ-изображений методом секущих показали, что наименьшим размером зерна ((290±20) нм) обладает керамика, спеченная из пресс-порошка с долей дистиллированной воды 9 мас. %. Добавка ЭДП-4 (11 мас. %) практически не оказала влияния на размер зерна ((322±22) нм) по сравнению с керамикой без добавок ((329±21) нм). Керамика, полученная из исходного нанопорошка, и керамика, полученная методом полусухого прессования, имеют однородную поверхность, в то время как у керамики с добавкой ЭДП-4 присутствует отчетливая система микротрещин. Выводы Для нанопорошка ЧСДЦ TZ-3Y-E («TOSOH», Япония) исследовано влияние смазки поверхностей пресс-форм, пластифицирующих добавок и влаги на качество керамики, полученной спеканием порошковых компактов, изготовленных методом одноосного статического прессования при давлении 120 МПа. При этом установлено следующее: 1. Использование полусухого прессования и пластификатора ЭДП-4 в комплексе со смазкой стенок пресс-формы позволяет избежать расслаивания образцов на этапе компактирования и растрескивания керамики в процессе спекания. 2. При реализации техники полусухого прессования при содержании влаги в пресс-порошке в количестве 9 мас. % достигаются плотность и пористость керамики, близкие к теоретическим. 3. Использование пластификатора ЭДП-4 для реализации 3Д-технологий позволяет получать керамику с хорошими механическими характеристиками, но в этом случае в ней высока вероятность образования дефектов в виде микротрещин. Пути их устранения будут предметом наших дальнейших исследований.

Скачать электронную версию публикации