|
|
Ceramic materials and composites for advanced applications
Mařák, Vojtěch ; Částková, Klára (oponent) ; Michálková,, Monika (oponent) ; Drdlík, Daniel (vedoucí práce)
This thesis focuses on advanced oxide ceramics and particle and laminate composites. The materials studied include bioceramic hydroxyapatite, thermomiotic aluminium tungstate, and lead-free barium titanate-based piezoelectrics. These ceramics suffer from several limitations in their processing and properties, including the use of toxic stabilisers, low densification, susceptibility to cracking, undesirable chemical reactions, and poor mechanical and electrical performance. This work addresses these issues by tailoring individual processing steps and employing novel fabrication and treatment methods to optimise the desired performance of the materials. Plasma treatment of hydroxyapatite powder allowed electrophoretic deposition without toxic stabilisers, resulting in denser and crack-free coatings, as was also showcased on orthopaedic screws. Thermomiotic aluminium tungstate, known for its near-zero coefficient of thermal expansion, was synthesised by optimised co-precipitation to produce a powder with improved sinterability. Rapid pressure-less sintering and spark plasma sintering were used to densify the material to the highest density at the lowest temperature to date. The microstructural evolution of barium titanate piezoceramics was studied using rapid pressure-less sintering and radiation assisted sintering. The gained knowledge was used to sinter barium titanate-based particle composites with reinforcing tougher oxide ceramics. High reactivity between selected materials had a negative influence on the properties of the composites, and one of the reaction products was characterised in greater detail. Laminated composites were prepared by alternating barium titanate-based and dielectric zirconia layers. The high reactivity of piezoelectric materials was inhibited by the sintering strategy. In summary, this dissertation thesis aims to improve the understanding of ceramic material properties and processing techniques, provide insight into performance optimisation, and address critical limitations across diverse applications.
|
|
|
Transparentní strukturní a funkční keramické materiály připravené metodou izostatického lisování za horka
Krupa, Filip ; Drdlík, Daniel (oponent) ; Maca, Karel (vedoucí práce)
Předložená práce je zaměřena na studium vhodnosti několika druhů prášků kubického oxidu zirkoničitého pro přípravu suspenzí s vysokým obsahem tuhé fáze (nad 40 obj.%). Suspenze byly dopovány nanopráškem TiO2 (0,1 – 0,5 at.%). Byl prozkoumán vliv způsobu tvarování (odlévání suspenze a sušení suspenze rozprašováním a následným tvarováním pomocí lisování) a následného předslinování do fáze uzavřené pórovitosti se zaměřením na porovnání dvou režimů slinování (dlouhý – 1300 °C/ 120 min a krátký 1560 °C/ 2 min). Následně byla pozorována mikrostruktura pomocí elektronového mikroskopu jak předslinutých vzorků, tak vzorků po izostatickém lisování za tepla. V práci byl posouzen vliv TiO2 na relativní hustotu, střední velikost zrn a velikost pórů, a také optimální množství TiO2 pro dosáhnutí maximálních fotoluminiscenčních vlastností.
|
|
|
3D tisk keramických materiálů na bázi titaničitanu barnatého s přednostní krystalografickou orientací
Pišťák, Jan ; Drdlík, Daniel (oponent) ; Částková, Klára (vedoucí práce)
V této práci byly připraveny texturované keramiky z titaničitanu barnatého (BTO) s využitím technologie 3D tisku keramických materiálů. Přednostního růstu zrn v polykrystalické keramice bylo dosaženo použitím templátového růstu textury na destičkových částicích. Nejdříve byly pomocí syntézy v taveninách solí a topochemické mikrokonverze připraveny destičkovité částice s přednostní krystalickou orientací ve směru [001]. Následně byla optimalizována fotocitlivá suspenze na bázi akrylátů pro použití s BaTiO3 keramickým práškem. Z těchto suspenzí byly vytisknuty vzorky s různým množstvím destičkovitých částic. S rostoucím množstvím destičkovitých částic v suspenzi rostla celková krystalografická textura slinuté keramiky. Maximální hodnoty Lotgeringova faktoru bylo dosaženo po přidání 5 hm.% destičkových částic (F001= 42 %). Dále bylo zjištěno, že přidáním destičkovitých částic dojde ke zmenšení velikosti zrn slinuté struktury. Zmenšení částic nemělo vliv na porozitu a nezávisle na množství přidaných destičkovitých částic bylo dosaženo relativních hustot v rozmezí 96 % - 98 % teoretické hustoty. V rámci práce byla potvrzena možnost přípravy texturovaných materiálů z titaničitanu barnatého pomocí 3D tisku s využitím templátového růstu zrn.
|
|
|
Vysokoteplotně odolné kovo-keramické kompozity na bázi TiB2 pro řezné nástroje
Halmazňa, Jiří ; Drdlík, Daniel (oponent) ; Chlup, Zdeněk (vedoucí práce)
Tato diplomová práce se věnuje přípravě nového vysokoteplotně odolného kovo-keramického kompozitu na bázi TiB2. Pojivo tvrdé keramické fáze tvoří slitina NiW, která byla připravena mechanickým legováním v planetovém kulovém mlýnu. První část práce se zabývá optimalizací mísení obou složek v kulovém mlýnu. Zde byla navržena a ověřena metodika přípravy směsi prášků s homogenní distribucí slitiny při současném zjemnění velikostí částic. Druhá část se věnuje již slinutému materiálu, jeho mikrostruktuře a mechanickým vlastnostem. Prášky TiB2 a NiW byly v tomto případě promíseny v tubulárním mlýnu a následně zhutněny metodou rychlého spékání za použití tlaku při čtyřech různých slinovacích teplotách. Byl sledován vliv slinovací teploty na vývoj mikrostruktury charakterizovaný hustotou, pórovitostí a velikostí zrna. Na připravených zkušebních vzorcích byl také měřen modul pružnosti, lomová houževnatost, pevnost v ohybu a tvrdost. Z výsledků experimentů vyplývá výrazná závislost mikrostrukturních parametrů a mechanických vlastností na teplotě slinování. Vyšší slinovací teploty vedly k lepším vlastnostem, přičemž teplota 1375°C se jeví jako optimální. Při teplotě slinování 1400°C již docházelo k výraznému úbytku kovové fáze způsobeného sublimací niklu a k rozvoji pórovitosti v oblastech výskytu kovové fáze.
|
|
|
Nízkoteplotní zkoušky a lomová houževnatost vybraných keramických materiálů
Beck, Branislav ; Drdlík, Daniel (oponent) ; Chlup, Zdeněk (vedoucí práce)
Diplomová práca sa zaoberá určovaním lomovej húževnatosti sintrovaného karbidu kremíka a liateho čadiča za využitia vzoriek s rovným vrubom (SEVNB) a chevronovým vrubom (CNB) pri izbovej a znížených teplotách. Úvodné kapitoly teoretickej časti práce rozdeľujú keramické materiály do základných skupín a charakterizujú ich použitie. V nasledujúcich kapitolách sú popísané základy lomovej mechaniky keramických materiálov a skúšanie lomovej húževnatosti týchto materiálov rôznymi metódami. Posledná kapitola teoretickej časti práce sa zaoberá popisom štruktúry a vlastností karbidu kremíka. Experimentálna časť diplomovej práce sa v úvode zaoberá použitými metódami charakterizácie vybraných materiálov z hľadiska ich mikroštruktúry a lomového chovania. Detailne popisuje prípravu vzoriek ako aj priebeh skúšania a vyhodnocovania lomovej húževnatosti sintrovaného karbidu kremíka a liateho čadiča pri izbovej teplote a najmä pri teplote -100 °C. Diskusia sa zameriava na zhodnotenie nadobudnutých výsledkov s ohľadom na možné nepresnosti meraní a vplyvu použitej metódy skúšania. Bolo zistené, že zníženie teploty vykonávania skúšok je sprevádzané rozdielom v hodnotách lomovej húževnatosti. Tento rozdiel je závislý jednak na použitej metóde hodnotenia lomovej húževnatosti a aj na študovanom materiáli. V závere práce sú sumarizované zásadné výsledky získané v priebehu experimentálnych prác.
|
|
|
Mechanické vlastnosti dopovaných piezokeramických materiálů na bázi BaTiO3
Zeman, Dominik ; Chlup, Zdeněk (oponent) ; Drdlík, Daniel (vedoucí práce)
Táto diplomová práca sa zaoberá štúdiom základných fyzikálnych, mikroštruktúrnych a mechanických vlastností dopovaných piezokeramických materiálov na bázi BaTiO3 pripravených pomocou elektroforetickej depozície. Ako dopanty boli použité oxidy kovov vzácnych zemín, tj. Eu2O3, Er2O3, CeO2, Dy2O3 a Tb4O7 v množstvách 1, 3 a 5 hm.%. Na vzorkách bol skúmaný vplyv druhu dopantu a jeho obsahu na hustotu, fázové zloženie, strednú veľkosť zrna, tvrdosť, lomovou húževnatosť, modul pružnosti a pevnosť v ohybe. Správnou voľbou dopantu bolo možné zvýšiť relatívnu hustotu spekaných vzoriek, znížiť priemernú veľkosť zrna, zvýšiť tvrdosť, modul pružnosti, lomovú húževnatosť a pevnosť v ohybe. Boli dosiahnuté relatívne hustoty až 99,2 %, veľkosť zrna pod 1 m, tvrdosť až 13,1 GPa, modul pružnosti až 199 GPa, lomová húževnatosť nad 1 MPa·m1/2 a ohybovú pevnosť nad 115 MPa.
|
|
|
Studium segregace manganu v Mn dopovaných transparentních keramikách na bázi oxidu hlinitého
Pišťák, Jan ; Maca, Karel (oponent) ; Drdlík, Daniel (vedoucí práce)
Tato práce se zabývá přípravou Al2O3 keramiky dopované manganem, studiem základních fyzikálních a mikrostrukturních vlastností a popisem kinetiky rozpouštění manganu v matrici Al2O3. Metodou slip casting byla úspěšně připravena Al2O3 keramika a Al2O3 keramika dopovaná 1 a 5 at.% Mn3O4 s různou velikostí částic dopantu. Připravené keramické materiály byly slinuty na teplotách 1100 a 1150 °C s různou dobou výdrže. U slinutých vzorků byl sledován vývoj hustoty v závislosti na parametrech přípravy a volbě teplotního cyklu. Pozorováním mikrostruktury bylo zjištěno, že i při relativně nízké teplotě dochází k rozpouštění rychlému rozpouštění dopantu v Al2O3 matrici, přičemž ve vzorcích obsahující 1 at.% Mn3O4 byl tento dopant již kompletně rozpuštěn. V případě vzorků s koncentrací 5 at.% Mn3O4 byla v matrici identifikována spinelová fáze. Navíc bylo zjištěno, že u některých vzorků docházelo k vydrolování nezreagovaných částic dopantu z matrice během keramografického zpracování. Cíl bakalářské práce tedy nemohl být bezezbytku naplněn, tj. kinetika rozpouštění dopantu nemohla být z objektivních důvodů studována.
|
|
|
Příprava a vlastnosti dopovaných piezokeramických materiálů na bázi BaTiO3
Mařák, Vojtěch ; Chlup, Zdeněk (oponent) ; Drdlík, Daniel (vedoucí práce)
Tato diplomová práce se zabývá přípravou dopovaných piezokeramických materiálů na bázi BaTiO3 pomocí elektroforetické depozice. Jako dopantů bylo použito pět oxidů kovů vzácných zemin, tj. Er2O3, Dy2O3, Eu2O3, Tb407 a CeO2 v množstvích 1, 3, a 5 hm. %. Připravené depozity byly hodnoceny z hlediska metodiky přípravy, vysokoteplotní dilatometrie, rentgenové difrakce, relativní hustoty, střední velikosti zrn, tvrdosti a fraktografické analýzy. Studií dilatometrických křivek bylo popsáno slinovací chování a jeho změny při různém složení materiálu. Rentgenovou difrakční analýzou byla zjištěna tetragonální fáze u všech vzorků, přičemž tetragonalita krystalické buňky BaTiO3 klesala s obsahem dopantů. Vhodnou volbou dopantu bylo možné výrazně zvýšit relativní hustotu slinutých vzorků, jejich tvrdost a zároveň zamezit hrubnutí mikrostruktury při tepelném zpracování. Bylo dosaženo relativní hustoty až 98 %, střední velikosti zrn pod 1 m a tvrdosti přes 10 GPa. Analýzou lomových ploch bylo zjištěno, že pro většinu studovaných materiálů byl mód lomu transkrystalický, pouze u vzorků dopovaných oxidem ceričitým se jednalo o lom smíšený. Ze získaných poznatků bylo identifikováno vhodné složení materiálu pro plánované použití ve vrstevnatém piezokeramickém harvestoru, který je kromě vrstev BaTiO3 tvořen funkčně-ochrannými vrstvami Al2O3 a ZrO2.
|
|
|
Vrstevnaté keramické kompozitní materiály - příprava, struktura a vlastnosti
Drdlík, Daniel ; Maca, Karel (oponent) ; Cihlář, Jaroslav (vedoucí práce)
Byla zpracována literární rešerše na téma vrstevnaté keramické materiály zahrnující popis keramických materiálů a metod nanášení keramických vrstev. Byla navržena metodika přímého měření hmotnosti depozitu pro přesný popis kinetiky jednosložkových materiálů. Byla popsána teoretická závislost kinetiky elektroforetické depozice a srovnána s experimentálními daty. Byla připravena řada elektroforetických depozic s cílem lépe popsat kinetiku elektroforetické depozice při různých konstantních proudech. Bylo provedeno hodnocení depozitů získaných elektroforetickou depozicí z hlediska výsledné hustoty po žíhání a po procesu slinování. Dále bylo provedeno měření velikosti pórů. Rovněž byly provedeny série měření tvrdosti a získané hodnoty srovnány s danými elektrickými podmínkami připravených depozic. Byl zjištěn pokles tvrdosti s rostoucím proudem, což ve shodě s měřením hustoty ukázalo na nižší stupeň uspořádanosti struktury při vyšších rychlostech ukládání částic v hutný nevodivý depozit. Pomocí podrobných poznatků o funkci kinetiky keramických materiálů za konstantního proudu I=5 mA byl připraven vrstevnatý keramický kompozitní materiál z keramických materiálů na bázi Al2O3 a ZrO2.
|
|
|
Sklokeramické kompozitní biomateriály
Žaludek, Jakub ; Hadraba, Hynek (oponent) ; Drdlík, Daniel (vedoucí práce)
V bakalářské práci byla studována příprava bioskla 45S5 a kompozitů obsahujících biosklo 45S5 a keramická vlákna Al2O3 nebo ZrO2 v množstvích 1, 3 a 5 hm% metodou slip-casting z vodných a isopropanolových suspenzí. Připravené materiály byly následně hodnoceny z hlediska porozimetrie, relativní hustoty, vysokoteplotní dilatometrie, rentgenové difrakční analýzy, mikrostruktury a tvrdosti. Z výsledků vyplývá, že metodou slip-casting lze připravit porézní tělesa, která jsou předpokladem pro dobrou funkci v biomedicínských aplikacích. Pomocí vysokoteplotní dilatometrie byla identifikována tři stadia slinovacího procesu a změřeno relativní smrštění vzorků, které činilo ~40%. Slinování vzorků na 1050°C způsobilo tvorbu krystalické fáze Na2Ca2Si3O9, přičemž nebylo detekováno rozpouštění vláken Al2O3 nebo ZrO2 do matrice bioskla. Z hlediska mechanických vlastností bylo zjištěno, že tvrdost klesala s rostoucím množstvím vláken ve struktuře, což bylo zapříčiněno porézní strukturou a přítomností velkých shluků vláken.
|
host ::
RSS.