Синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония

Разработана технология получения высокочистого нанокристаллического порошка ZrO₂ и высокопрочной керамики на его основе. Исследованы химический и фазовый составы, микроструктура и физико-технические характеристики керамики. Показано, что разработанный материал характеризуется высокой низкотемператур...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Шевченко, А.В., Лашнева, В.В., Дудник, Е.В., Рубан, А.К., Подзорова, Л.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2011
Назва видання:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75187
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония / А.В. Шевченко, В.В. Лашнева, Е.В. Дудник, А.К. Рубан, Л.И. Подзорова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 881-893. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-75187
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-751872015-01-28T03:02:21Z Синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония Шевченко, А.В. Лашнева, В.В. Дудник, Е.В. Рубан, А.К. Подзорова, Л.И. Разработана технология получения высокочистого нанокристаллического порошка ZrO₂ и высокопрочной керамики на его основе. Исследованы химический и фазовый составы, микроструктура и физико-технические характеристики керамики. Показано, что разработанный материал характеризуется высокой низкотемпературной фазовой стабильностью и по техническим характеристикам и параметрам не уступает аналогичным материалам известных фирм. Розроблено технологію одержання високочистого нанокристалічного порошку ZrO₂ і високоміцної кераміки на його основі. Досліджено хемічний та фазовий склади, мікроструктуру і фізико-технічні характеристики кераміки. Показано, що розроблений матеріял характеризується високою низькотемпературною фазовою стабільністю і за технічними характеристиками та параметрами не поступається аналогічним матеріялам відомих фірм. The techniques for fabrication of high-purity nanocrystalline-zirconia powder and high-performance ceramics are designed. Chemical and phase compositions, microstructure, and physical and technical properties of ceramics are investigated. As shown, the designed material is characterized by high lowtemperature phase stability. The ceramics compares well with similar products of well-known companies. 2011 Article Синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония / А.В. Шевченко, В.В. Лашнева, Е.В. Дудник, А.К. Рубан, Л.И. Подзорова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 881-893. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 61.46.Hk, 81.05.Je, 81.07.Bc, 81.07.Wx, 81.20.Ev, 81.20.Ka, 81.40.Pq http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75187 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Разработана технология получения высокочистого нанокристаллического порошка ZrO₂ и высокопрочной керамики на его основе. Исследованы химический и фазовый составы, микроструктура и физико-технические характеристики керамики. Показано, что разработанный материал характеризуется высокой низкотемпературной фазовой стабильностью и по техническим характеристикам и параметрам не уступает аналогичным материалам известных фирм.
format	Article
author	Шевченко, А.В. Лашнева, В.В. Дудник, Е.В. Рубан, А.К. Подзорова, Л.И.
spellingShingle	Шевченко, А.В. Лашнева, В.В. Дудник, Е.В. Рубан, А.К. Подзорова, Л.И. Синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Шевченко, А.В. Лашнева, В.В. Дудник, Е.В. Рубан, А.К. Подзорова, Л.И.
author_sort	Шевченко, А.В.
title	Синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония
title_short	Синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония
title_full	Синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония
title_fullStr	Синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония
title_full_unstemmed	Синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония
title_sort	синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2011
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75187
citation_txt	Синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония / А.В. Шевченко, В.В. Лашнева, Е.В. Дудник, А.К. Рубан, Л.И. Подзорова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 881-893. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT ševčenkoav sintezifizikohimičeskiesvojstvakeramikiiznanokristalličeskogoporoškadioksidacirkoniâ AT lašnevavv sintezifizikohimičeskiesvojstvakeramikiiznanokristalličeskogoporoškadioksidacirkoniâ AT dudnikev sintezifizikohimičeskiesvojstvakeramikiiznanokristalličeskogoporoškadioksidacirkoniâ AT rubanak sintezifizikohimičeskiesvojstvakeramikiiznanokristalličeskogoporoškadioksidacirkoniâ AT podzorovali sintezifizikohimičeskiesvojstvakeramikiiznanokristalličeskogoporoškadioksidacirkoniâ
first_indexed	2025-07-05T23:29:25Z
last_indexed	2025-07-05T23:29:25Z
_version_	1836851570851971072
fulltext	881 PACS numbers:61.46.Hk, 81.05.Je,81.07.Bc,81.07.Wx,81.20.Ev,81.20.Ka, 81.40.Pq Синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония А. В. Шевченко, В. В. Лашнева, Е. В. Дудник, А. К. Рубан, Л. И. Подзорова * Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, ул. Кржижановского, 3, 03680 Киев, Украина *Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, Ленинский проспект, 49, 119991 Москва, Россия Разработана технология получения высокочистого нанокристаллического порошка ZrO2 и высокопрочной керамики на его основе. Исследованы хи- мический и фазовый составы, микроструктура и физико-технические ха- рактеристики керамики. Показано, что разработанный материал характе- ризуется высокой низкотемпературной фазовой стабильностью и по техни- ческим характеристикам и параметрам не уступает аналогичным материа- лам известных фирм. Розроблено технологію одержання високочистого нанокристалічного поро- шку ZrО2 і високоміцної кераміки на його основі. Досліджено хемічний та фазовий склади, мікроструктуру і фізико-технічні характеристики керамі- ки. Показано, що розроблений матеріял характеризується високою низько- температурною фазовою стабільністю і за технічними характеристиками та параметрами не поступається аналогічним матеріялам відомих фірм. The techniques for fabrication of high-purity nanocrystalline-zirconia powder and high-performance ceramics are designed. Chemical and phase composi- tions, microstructure, and physical and technical properties of ceramics are in- vestigated. As shown, the designed material is characterized by high low- temperature phase stability. The ceramics compares well with similar products of well-known companies. Ключевые слова: диоксид циркония, нанокристаллический порошок, ке- рамика, низкотемпературная стабильность, физико-технические характе- ристики. (Получено 21 ноября 2010 г.) Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2011, т. 9, № 4, сс. 881—893 © 2011 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 882 А. В. ШЕВЧЕНКО, В. В. ЛАШНЕВА, Е. В. ДУДНИК и др. 1. ВВЕДЕНИЕ Интерес к материалам на основе диоксида циркония (ZrO2) опреде- ляется уникальным сочетанием их высокой прочности и вязкости разрушения, огнеупорности, коррозионной и износостойкости, биоинертности. В настоящее время на основе ZrO2 разработаны различные клас- сы материалов функционального, конструкционного, инструмен- тального и другого назначения. Весьма перспективным является применение диоксида циркония в медицине. В частности, с 1985 г. этот материал наряду с кобальтохромовыми сплавами (CoCr) и ке- рамикой на основе оксида алюминия (Al2O3) широко используют в травматологии и ортопедии при тотальном эндопротезировании та- зобедренного сустава в качестве головки (шарового элемента) эндо- протеза в паре трения с высокоплотными полиэтиленовыми мате- риалами типа «Chirulen» [1]. По сравнению с оксидноалюминиевой керамикой, керамика на основе ZrO2 отличается более высокими значениями прочности и трещиностойкости, что особенно важно для керамических головок эндопротезов, которые в большинстве случаев фиксируются на ножке эндопротеза за счет тугой конусной посадки, вследствие чего в головке создаются значительные растя- гивающие напряжения [2]. Кроме того, керамика на основе ZrO2 характеризуется более тон- кой микроструктурой и более гладкой поверхностью, чем керамика на основе Al2O3. Это гарантирует существенное снижение трения и уменьшение количества продуктов износа и размера частичек изно- са, что повышает надежность и эффективность операции эндопро- тезирования в целом. Отметим, что применение головок из сплава CoCr также обеспечивает уменьшение трения в узле подвижности эндопротезов, но поскольку при имплантации кобальтохромовая головка насаживается на ножку из сплава титана, в эндопротезе совмещаются два разнородных металла, поэтому из-за образования гальванической пары возможно поражение окружающих тканей вследствие гальваноза. Вызывают также опасения медиков послед- ствия повышенного содержания кобальта и хрома в отдельных ор- ганах у человека с эндопротезом из кобальтохромового сплава [3]. Особенностью диоксида циркония является то, что он имеет три обратимые полиморфные модификации: моноклинную (М-ZrО2), тетрагональную (Т-ZrО2) и кубическую (К-ZrО2); при этом наиболее высокой прочностью характеризуется метастабильный диоксид циркония, частично стабилизированный в тетрагональной фазе. Поэтому, несмотря на высокую химическую стойкость и инерт- ность, срок эксплуатации изделий из данного материала обуслов- лен их устойчивостью к медленному росту трещин и эффекту «ста- СИНТЕЗ И СВОЙСТВА КЕРАМИКИ ИЗ НАНОПОРОШКА ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ 883 рения» во влажной атмосфере. «Старение» является следствием фа- зового перехода Т-ZrO2 → М-ZrO2, локализованного, как правило, на поверхности изделия. Это явление сопровождается увеличением объема материала и возникновением микротрещин на его поверх- ности, что, в свою очередь, приводит к снижению механических свойств и, в конечном итоге, к разрушению изделия [4—6]. Кинетика фазового перехода зависит от химического состава ке- рамики, характеристик исходных порошков, режимов термообра- ботки, пористости, размера зерен. Поэтому каждый новый вариант технологии и химического состава керамики из ZrО2 требует иссле- дования влияния «старения» на его свойства, поскольку для прак- тического применения керамических материалов из ZrO2 важней- шее значение имеет их фазовая стабильность. Это особенно важно для керамических имплантатов, предназначенных для длительного пребывания в организме человека, являющегося многофакторной агрессивной средой. Закономерен интерес к разработке материалов в системе ZrO2— Y2O3—CeO2, так как комплексное легирование ZrO2 оксидами иттрия (Y2O3) и церия (CeO2) может привести к повышению вязкости раз- рушения материала и одновременно уменьшить отрицательное воз- действие влажной среды на его прочностные характеристики [7]. Известно, что фактором, определяющим основные характери- стики керамического материала, является его микроструктура, ко- торая, в свою очередь, зависит от свойств исходных нанокристал- лических порошков и методов их консолидации. Поэтому при раз- работке материалов в системе ZrO2—Y2O3—CeO2 использовали ком- плексный подход ко всему процессу производства материала: от по- лучения исходного нанокристаллического порошка сложного со- става до формирования заготовки и термической обработки изде- лия. Это открывает перспективы достижения высокого уровня фи- зико-механических характеристик материалов вследствие форми- рования их высокоплотной и однородной микроструктуры при по- ниженных температурах спекания. Цель работы – разработать керамический материал на основе ZrO2 с повышенной механической прочностью и низкотемператур- ной фазовой стабильностью. 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Для получения оксидных нанодисперсных порошков в последнее время наиболее широко используются так называемые методы «мягкой химии», основанные на синтезе наночастиц из водных растворов солей соответствующих металлов при относительно низ- ких (до 200—300°С) температурах. Механизм формирования нано- частиц в указанных условиях является достаточно сложным физи- 884 А. В. ШЕВЧЕНКО, В. В. ЛАШНЕВА, Е. В. ДУДНИК и др. ко-химическим процессом и включает как минимум несколько по- следовательных стадий, в том числе стадию образования аморфных гидроксидов металлов, впоследствии отщепляющих воду с образо- ванием оксидных продуктов. Структура получаемых таким обра- зом порошков в существенной степени предопределяется промежу- точным аморфным состоянием материалов [8]. В настоящем исследовании исходный нанокристаллический по- рошок в системе ZrO2—Y2O3—CeO2 получен методом механохимиче- ской обработки. Этот метод включает два последовательных про- цесса: 1) гидротермальный синтез в кислой среде (рН < 2) нанокри- сталлического порошка М-ZrO2; 2) стабилизацию полученного по- рошка оксидами иттрия и церия. В качестве исходных веществ выбраны оксихлорид циркония (ZrOCl2⋅8H2O), нитраты иттрия (Y(NO3)3⋅6H2O) и церия (Ce(NO3)3⋅6Н2О). Класс реагентов – «химически чистые». Гидротермальные методы синтеза порошков, в силу присущей этой технологии гибкости, позволяют получать целый спектр высо- кокачественных, чистых порошков различного состава с регулиру- емой дисперсностью, спекающихся при более низких температурах, чем обычные порошки [9, 10]. Для получения исходного нанокри- сталлического порошка М-ZrO2 оксихлорид циркония растворяли в кипящей дистиллированной воде при постоянном перемешивании до полного растворения соли. Полученный раствор охлаждали до комнатной температуры, фильтровали и помещали в автоклав, ко- торый выдерживали в сушильном шкафу в течение 6 ч при темпера- туре 160—200°С. После охлаждения образовавшуюся суспензию длительно отстаивали до образования осадка, который осторожно отделяли от маточного раствора и промывали сначала соляной кис- лотой, а потом дистиллированной водой и сушили при комнатной температуре в азеотропной смеси с изопропиловым спиртом. Кислая среда способствовала коагуляции первичных частичек ZrO2 во вто- ричные – сфероидные агломераты. Влияние концентрации исход- ного раствора на характеристики порошков было изучено путем приготовления 4 растворов оксихлорида циркония с концентрацией в пересчете на ZrO2: 50 г/л, 85 г/л, 120 г/л, 160 г/л. Для введения стабилизирующих добавок порошок М-ZrO2 после сушки пропитывали водными растворами нитратов иттрия и церия, взятыми в необходимом количестве. Полученную смесь измельчали и гомогенизировали в планетарной мельнице в течение 2 ч, после чего обжигали 2 ч на воздухе при температуре 600°С. Для исключе- ния интенсивного выделения паров воды и оксидов азота, а также потери частиц порошка в интервале температур от 20 до 200°С тем- пературу в печи повышали со скоростью не более 1°С/мин, после че- го нагревали произвольно, охлаждали вместе с печью. Заготовки образцов сформировали методом холодного изостати- СИНТЕЗ И СВОЙСТВА КЕРАМИКИ ИЗ НАНОПОРОШКА ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ 885 ческого прессования при давлении 200 МПа в резиновых оболочках в металлической пресс-форме и спекли при температуре 1280— 1350°С на воздухе в течение 2 ч. Свойства синтезированных порошков и полученных керамиче- ских материалов исследованы методами рентгенофазового, хими- ческого, спектрального и электронно-микроскопического анализов. Рентгеновские исследования (РФА) выполнены на дифрактометре ДРОН-1,5 (CuKα-излучение, скорость сканирования 1—4°/мин.). Интенсивность линий оценивали визуально по десятибалльной шкале или в процентах по относительной высоте пиков на дифрак- тограмме. Электронно-микроскопические исследования выполне- ны на приборе Cаmebax SX-50. Для исследования гомогенности синтезированных нанокристаллических порошков использовали методику концентрационных профилей, благодаря которой можно определить изменение концентрации данного химического элемен- та в образце вдоль определенной линии (размер зонда при сканиро- вании – 1 мкм). Удельная поверхность нанокристаллических по- рошков определена по методу тепловой адсорбции азота (БЭТ). Плотность материалов установлена методом гидростатического взвешивания. Прочность определена по методу трехточечного изги- ба на полированных образцах в виде прямоугольных балочек раз- мерами 3,5×5,0×50,0 мм с притупленными острыми углами. Испытания на износ выполнены по методике «неподвижный стержень—вращающийся диск» [11] на лабораторной машине тре- ния торцевого типа. Неподвижный стержень – высокоплотный по- лиэтилен ‘Chirulen’; вращающийся диск (контртело) – материал, в паре с которым исследуется износ полиэтилена. Условия испыта- ний: постоянная нагрузка – 5 МПа; скорость скольжения – 0,1 м/с; температура – 37°С; среда – раствор Рингера, содержащий 9 г/л NaCl (физиологический раствор). Коэффициент перекрытия (соотношение площадей трения) – 0,5. Продолжительность испытаний – 20 ч с регистрацией резуль- татов через каждые 5 ч. Такая схема трения при однонаправленном вращательном движении позволяет реализовать знакопеременные деформации поверхностного слоя диска за счет разницы размеров контактирующих поверхностей. Износ полиэтилена рассчитан по уменьшению объема полиэтиленового штифта (ΔV, см 3) при трении. Для этого с точностью до 1 мкм были измерены размеры штифта до и после испытаний на вертикальном оптиметре типа ИК-6. Опреде- лен также весовой износ дисков. Для сравнения изучены также из- нос полиэтилена в парах трения с кобальтохромовым сплавом и с керамикой на основе оксида алюминия. Необходимо отметить, что данное исследование на износостойкость не имитирует процессы, которые имеют место в протезированном суставе во время движе- ния, а использовано только для сравнительной оценки износа поли- 886 А. В. ШЕВЧЕНКО, В. В. ЛАШНЕВА, Е. В. ДУДНИК и др. этилена в контакте с разными материалами. Режимы испытаний учитывали относительно небольшие скорости перемещения эле- ментов конструкции, а также нагрузки, которые возникают в су- ставе в процессе ходьбы. Эксперименты выполнены в физиологиче- ском растворе, что в определенной степени моделирует воздействие тканей живого организма. Кобальтохромовые образцы для исследований вырезали из ли- тых заготовок [12], керамические образцы из оксида алюминия из- готавливали по технологии получения высокопрочной биоинертной керамики на основе Al2O3 [13]. Необходимую форму и геометриче- ские размеры металлических и керамических образцов, а также качество их рабочей поверхности достигали механической обработ- кой с помощью алмазного инструмента, алмазных паст и порошков. Размеры образцов: диаметр 21 мм, высота 3—4 мм. Исходный пара- метр шероховатости поверхности трения Ra составлял 0,05 мкм. Образец из полиэтилена имел форму втулки с внешним диамет- ром 16 мм, внутренним – 8 мм, высотою 15 мм. Поверхность тре- ния втулки представляла собой торец с тремя выступающими сек- торами, которую подготавливали притиркой сначала шлифоваль- ной шкуркой, а потом чистой бумагой. Исходный параметр шеро- ховатости поверхности трения втулки Ra составлял 2,0 мкм. Низкотемпературная фазовая стабильность материала («старе- ние») изучена по методу ускоренного старения керамики – гидро- термальной обработки образцов при температуре 140°С в течение до 20 ч. Выдержка образцов в данных условиях в течение 7 ч эквива- лентна 20 годам нахождения керамического имплантата в живом организме [14]. Изучение физико-химических характеристик об- разцов после такой экспозиции позволяет получить надежные дан- ные о прогнозируемом изменении механических характеристик материала при пребывании в организме. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ В результате исследований установлено, что после гидротермаль- ной обработки «мягким» является только порошок, синтезирован- ный из раствора концентрацией 85 г/л в пересчете на ZrO2. При концентрации раствора 50 г/л ZrO2 порошок – объемно-рыхлый, а при концентрациях 120 и 160 г/л ZrO2 состоит из жестких, проч- ных агломератов. Это связано с тем, что при концентрациях раство- ров 120 и 160 г/л ZrO2 в условиях гидротермальной кристаллиза- ции значительную роль начинают играть процессы полимеризации, что приводит к увеличению массы частичек, присутствующих в растворе. Это способствует образованию прочных связей между первичными частичками и осаждению плотных агломератов, сни- жающих активность порошков. СИНТЕЗ И Свойс оксихлор при разл ротермал М-ZrO2. рошке, н вичных округлой ся незна температ сле обра Уплотне сти полу сопостав 200°С. М стостью Рентге ZrO2 по представ Морфо раствора ТАБЛИЦ зависимо ZrOCl2⋅8H № п/п Темпе 1 1 2 1 3 1 4 2 Рис. 1. Ре после гид И СВОЙСТВА К тва порош рида цирк личных тем льной обра При темп наряду с М частиц н й формы п ачительно. турах 160° аботки пр ение аглом ученных п вимы меж Можно пред сформиров енограмма сле гидро влены на р ология по а ZrOCl2⋅8H ЦА 1. Измен ости от те H2O (концен ература, °С Фаз сос 160 М 170 М 190 М 200 М ентгенограм дротермальн КЕРАМИКИ И шков после кония (кон мпература аботки при ературе ги М-ZrO2, отм нанокриста ри повыше Вместе с т °С и 170°С о ри темпера ератов отр орошков. ду собой в дположить вавшихся а а и характ термально ис. 1. рошков по H2O при 1 нение свойс емпературы нтрация 85 г зовый став Удель поверх м2/ М+А 47, М 43, М 36, М 31, а мма и харак ной обработ ИЗ НАНОПОР е гидротер нцентрация ах приведен и указанны идротермал мечена амо аллически ении темпе тем отмече образуютс атурах 19 ражает и из Из таблиц в двух ин ь, что это с агломерато терная эл ой обработ осле высок 70°С и пос ств нанокри ы гидротер г/л в пересч ьная хность, /г Пикно пл 65 45 28 30 ктерная эле тки при темп РОШКА ДИОК мальной о я 85 г/л в ны в табл. ых темпера льной обра орфная (А) х порошк ературы об ено, что по я «мягкие 0°С и 200 зменение у цы 1 следу нтервалах связано с бо ов первичн ектроногр тки при т котемпера сле механо исталлическ рмальной чете на ZrO2) ометрическа лотность, г/см3 3,64 3,75 3,81 3,85 ектронограм пературе 17 КСИДА ЦИРК обработки пересчете 1. В проц атурах обр аботки 160 ) фаза. Раз ков и агло бработки и осле обрабо » агломера 0°С – «т удельной п ет, что эти 160—170°С олее высок ных частиц амма поро температур турного ги охимическ ких порошк обработки ). я Размер агломерато мкм 11 11 14 17 б мма порошк 70°С. КОНИЯ 887 раствора на ZrO2) цессе гид- разовался 0°С в по- змер пер- омератов изменяет- отки при аты, а по- твердые». поверхно- и данные С и 190— кой пори- ц М-ZrO2. ошка М- ре 170°С идролиза кой обра- ков ZrO2 в раствора ов, Размер частиц, нм 10 12 13 15 ка М-ZrO2 888 ботки и о но, что п среде пр дельных хотя еди механох форма аг ется до мкм (рис Изуче показало Y2O3, CeO – от 4,5 месь – A нальный жание м Микро при спе ность – Рис. 2. М мальной Рис. 3. М течение 2 А. В. ШЕВ обжига в т после гидр ри 170°С на х округлых иничные а химической гломерато 1 мкм, пр с. 2, б). ение химич о, что осно O2 и HfO2 (е 5 до 5,4%, C Al2O3 (не б й твердый моноклинно оструктура екании сф не менее а Морфология (а) и механо икрострукт 2 ч. ВЧЕНКО, В. В ечение 2 ч отермальн анокристал х агломера гломераты й обработк в сохраняе и этом вст ческого и ову матери естественн CeO2 – 3,0 более 0,5% раствор на ой фазы – а керамик ормировал 6,02 г/см 3 а нанокриста охимическо тура керами В. ЛАШНЕВА при 600°С ного разлож ллический атов со сре ы достигаю ки и обжи ется, но их тречаются фазового иала (не м ная примес 0%, HfO2 – %), по фазо а основе Zr – не более 3 ки предста лась высок 3) с высоко аллических ой (б) обрабо ики после сп А, Е. В. ДУДН С представл жения в те й порошок едним раз ют 1—2 мкм ига в течен х средний единичны состава сп менее 99% сь), при это – не более овому сост rO2 (Т-ZrO2 3%. авлена на коплотная ой степенью х порошков отки. пекания при НИК и др. лена на рис ечение 6 ч ZrO2 состо мером до м (рис. 2, а ние 2 ч пр размер ув ые агломер печенной к ) составля ом содержа 2%; основ аву – это 2), в которо рис. 3. Ви я структур ю гомогенн б ZrO2 после и 1300°С на с. 2. Вид- в кислой оит из от- 0,5 мкм, а), после ри 600°С величива- раты до 5 керамики яют ZrO2, ание Y2O3 вная при- о тетраго- ом содер- идно, что ра (плот- ности, со гидротер- а воздухе в СИНТЕЗ И СВОЙСТВА КЕРАМИКИ ИЗ НАНОПОРОШКА ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ 889 средним размером зерна не более 0,4 мкм. Изучение механических характеристик материала показало, что его прочность – не менее 600 МПа. Сравнительный анализ основных физико-технических характе- ристик различных керамических материалов на основе ZrO2 пока- зывает, что параметры и характеристики разработанного материа- ла не уступают аналогичным материалам, выпускаемым известны- ми фирмами [1], а по некоторым даже превосходят их, в частности, средний размер зерна в разработанном материале меньше (табл. 2). В таблице 3 представлены результаты измерения прочности об- разцов до и после гидротермальной обработки при температуре 140°С в течение 20 ч, а на рис. 4 – рентгенограммы материала в си- стеме ZrO2—Y2O3—CeO2 после спекания (рис. 4, а) и после указанной гидротермальной обработки (рис. 4, б). Видно, что после обработки ТАБЛИЦА 2. Свойства керамики на основе ZrO2. Параметр Керамика ИПМ Керамика фирмы: Norton Desmarques (Швейцария) Metoxit (Франция) Материал Керамика на основе ZrO2 Химический состав: основа, % (ZrO2 + Y2O3 + CeO2) > 99 > 99 > 99 примеси, % Al2O3 < 0,5 < 0,5 < 0,005 др. оксиды < 0,5 < 0,5 < 0,03 Фазовый состав: содержание моноклинной фазы, % Т-ZrO2 < 3 Т-ZrO2 < 1 Т-ZrO2 < 5 Плотность, г/см 3 > 6,02 > 6,08 6,08 Прочность, МПа > 600 > 600 890 Размер зерен,мкм < 0,4 < 0,5 < 0,5 ТАБЛИЦА 3. Прочность образцов до и после гидротермальной обработки при 140°С 20 ч. Время экспозиции, ч Партия 1 Партия 2 Прочность, МПа Прочность, МПа 0 (исходный) 670 630 5 680 630 10 680 650 15 600 620 20 630 610 890 в гидрот не измен интенси образцов высокой нее 40 ле Таким кристалл а также иттрия и ния и оп прочност На ри Рис. 4. Ре системе Z б – обраб виях при А. В. ШЕВ термальных нился. На р вности отр в также из й стабильно ет. м образом, лического комплекс и диоксидо птимизиро ть и надеж исунке 5 пр ентгенограм ZrO2—Y2O3—C ботки спече 140°С 20 ч. ВЧЕНКО, В. В х условиях рисунке 4, ражения, зменилась ости свойс специальн порошка Z сная стаби ом церия, овать плотн жность мате риведены ммы матери CeO2 после: енных образ . В. ЛАШНЕВА х фазовый б отмечен характерн незначите ств данного но разрабо ZrO2 (разм илизация д позволили ность, мик ериала. результат иала из нан : а – спека зцов (1300°С А, Е. В. ДУДН состав обр о незначит ного для М ельно. Это о материал отанный м мер частиче диоксида ц и снизить т крострукту ы измерен нокристалл ания при 13 С, 2 ч) в гид НИК и др. разцов прак тельное уве М-ZrO2. П о свидетель ла в течени метод синте ек меньше циркония температур уру, механ ния износа лического п 300°С 2 ч на дротермальн ктически еличение Прочность ьствует о ие не ме- еза нано- 100 нм), оксидом ру спека- ническую а высоко- порошка в а воздухе; ных усло- СИНТЕЗ И плотного керамик сплавом Как в ния с раз Рис. 5. И рамикой CoCr. Рис. 6. М бытовые рургичес и искусст И СВОЙСТВА К о полиэтил кой на осно CoCr. идно из ри зработанно знос полиэт на основе Z а атериалы и ножи; б – н кие скальп твенные фал КЕРАМИКИ И лена «Chir ове ZrO2, а ис. 5, изно ой керамик тилена ‘Chi ZrO2, а такж г из нанокрис ножи для ре ели; д – го ланги пальц ИЗ НАНОПОР rulen» в па также с ке ос полиэти кой на осн irulen’ в па же с керамик б таллически езки фольги оловки эндо цев. РОШКА ДИОК арах трени ерамикой н лена «Chir нове ZrO2 и рах трения кой на осно д их порошко и; в – валк опротеза таз КСИДА ЦИРК ия с разраб на основе A rulen» в па с керамик с разработ ве Al2O3 и с в д в на основе и и фильеры зобедренног КОНИЯ 891 ботанной Al2O3 и со арах тре- кой на ос- танной ке- со сплавом ZrO2: а – ы; г – хи- го сустава 892 А. В. ШЕВЧЕНКО, В. В. ЛАШНЕВА, Е. В. ДУДНИК и др. нове Al2O3 примерно одинаковый на протяжении всего времени ис- пытаний. А в паре трения со сплавом CoCr в течение первых 5 ч ис- пытаний износ примерно в 6—8 раз больше, чем с керамическими материалами. При дальнейшем увеличении продолжительности испытаний эта разница уменьшается и износ полиэтилена в парах трения с керамикой (ZrO2 и Al2O3) и со сплавом CoCr становится практически сопоставимым. При этом износ керамических дисков и дисков из кобальтохромового сплава не превышал ошибки изме- рения. Визуальный анализ состояния поверхностей трения поли- этиленового штифта и дисков после испытаний показал, что шеро- ховатость, близкая к исходной, сохранялась на контактирующих поверхностях. Полученные результаты позволяют рекомендовать разработан- ный материал для изготовления керамических головок эндопроте- зов суставов. Данный материал был использован для изготовления импланта- тов для ортопедии и травматологии (головки эндопротеза тазобед- ренного сустава, искусственные фаланги пальцев), хирургических скальпелей, бытовых ножей и ножниц, валков, фильер и др. (рис. 6). 4. ВЫВОДЫ 1. Разработана технология высокочистого неагломерированного на- нокристаллического порошка ZrO2 сложного состава с узким рас- пределением частиц по размерам. 2. Разработан керамический материал на основе ZrO2, физико-тех- нические характеристики которого не уступают аналогичным ма- териалам, выпускаемым известными фирмами. 3. Разработанный материал характеризуется высокой низкотемпе- ратурной фазовой стабильностью, позволяющей его использовать для изготовления изделий конструкционного, инструментального, медицинского и другого назначения. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. А. Dambreville, M. Phillipe, and A. Ray, Maitrise Orthop., No. 78: 1 (1998). 2. О. В. Михайлов, Л. Н. Ткаченко, М. Б. Штерн, В. А. Дубок, В. В. Лашнева, Г. В. Гайко, В. М. Подгаецкий, Т. В. Низалов, Вісник ортопедії, травмато- логії та протезування, № 1: 43 (2006). 3. S. C. Kelly and R. C. Johnston, Clin. Orthop., 285: 140 (1992). 4. B. J. Hulm and W. J. Evans, J. Am. Ceram. Soc., 83, No. 2: 321 (2000). 5. L. Gremillard, J. Chevalier, T. Epicier et al., J. Eur. Ceram. Soc., 24: 3483 (2004). 6. L. Gremillard, J. Chevalier, T. Epicier et al., J. Am. Ceram. Soc., 83: 401 (2000). СИНТЕЗ И СВОЙСТВА КЕРАМИКИ ИЗ НАНОПОРОШКА ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ 893 7. А. В. Шевченко, А. К. Рубан, Е. В. Дудник, Огнеупоры и техническая ке- рамика, № 9: 2 (2000). 8. Г. Я. Копица, В. К. Иванов, С. В. Григорьев и др., Письма в ЖЭТФ, 85: № 2: 132 (2007). 9. А. В. Шевченко, Неорганическое материаловедение. Основы науки о мате- риалах (Киев: Наукова думка: 2008), т. 2, с. 272. 10. Е. В. Дудник, Порошковая металлургия, №3/4: 146 (2009). 11. B. T. Coll and P. Jagоt, Surface and Coatings Technology, 36: 867 (1988). 12. Yu. F. Anikin, N. I. Maksyuta, V. M. Slepchenko, V. V. Lashneva, Yu. G. Tkachenko, and V. V. Sychov, Inter. Conf. ‘Advanced Materials’. Symposium A: ‘Engineering of Composites: Investigations, Technologies and Perspectives’ (Ki- ev: 1999), p. 195. 13. В. В. Лашнева, Ю. Н. Крючков, С. В. Сохань, Стекло и керамика, № 11: 26 (1998). 14. S. Deville, J. Chevalier, and L. Gremillard, Biomaterials, 27: 2186 (2006).

Синтез и физико-химические свойства керамики из нанокристаллического порошка диоксида циркония

Репозитарії

Схожі ресурси