Original title:
Studium slinování nanočásticových keramických materiálů
Translated title:
Study of Sintering of Nanoceramic Materials
Authors:
Dobšák, Petr ; Hanykýř, Vladimír (referee) ; Havlica, Jaromír (referee) ; Šída, Vladimír (referee) ; Cihlář, Jaroslav (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2010
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[cze][eng]
Předmětem dizertační práce bylo studium slinování nanočásticových a submikročásticových keramických materiálů na bázi oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého s cílem srovnat kinetiku slinování nanometrových a submikrometrových keramických struktur. Vstupní keramické práškové materiály na bázi oxidu zirkoničitého se lišily úrovní koncentrace stabilizujícího oxidu ytritého, která se pohybovala v rozsahu od 0 do 8 mol %. V dizertační práci bylo statisticky prokázáno, že proces slinování byl výrazněji ovlivňován jinými faktory než bylo fázové složení (plynoucí z rozdílné koncentrace oxidu ytritého), a to především velikostí částic a strukturou keramického polotovaru. Z Herringova měřítkového zákona byl odvozen vztah pro výpočet slinovacích teplot materiálů s odlišnou velikostí částic. Odvozený vztah dobře popisoval relaci mezi velikostí částic a slinovací teplotou submikročásticového a nanočásticového oxidu zirkoničitého, jejichž částice měly přibližně kulový tvar a byly slabě aglomerované. U oxidu hlinitého nebyly vypočtené teploty v dobré shodě s experimentem. Především pro nanočásticový oxid hlinitý byla skutečná teplota slinování výrazně vyšší než teplota určená výpočtem. Důvodem byla silná aglomerace keramického práškového materiálu a také nepravidelnost tvaru částic. Rozhodující vliv na kinetiku slinování měla mikrostruktura slinovaných polotovarů. S klesajícím poměrem velikostí pórů k velikosti částic klesala slinovací teplota a rostla konečná hustota keramických materiálů (s obdobnou velikostí částic výchozího keramického polotovaru). S rostoucí velikostí pórů ve výchozím polotovaru rostla slinovací teplota. Ze získaných výsledků vyplynula důležitost eliminace stabilních pórů s vysokými koordinačními čísly při přípravě keramických polotovarů. Pro slinování submikročásticového a nanočásticového oxidu zirkoničitého byl platný stejný model kinetiky slinování. Aktivační energie nanočásticového oxidu zirkoničitého byla výrazně nižší ve srovnání se submikročásticovým oxidem zirkoničitým. Pro slinování nanočásticového oxidu zirkoničitého byla charakteristická tzv. „nultá“ fáze slinování. Bylo zjištěno, že procesy uplatňující se v „nulté“ fázi slinování jsou tepelně aktivované a byla určena jejich aktivační energie. V průběhu slinování submikrometrického oxidu zirkoničitého docházelo v oblasti otevřené porozity k malému počátečnímu nárůstu střední velikosti pórů (1,3 násobku původní velikosti). Při slinování nanočásticového oxidu zirkoničitého byl proces růstu pórů v počátečních fázích slinování daleko výraznější (5,5 násobek původní velikosti). Na vyšším nárůstu střední velikosti pórů nanočásticového oxidu zirkoničitého se kromě preferenčního slinování aglomerátů podílel pravděpodobně také přeuspořádávací proces v nulté fázi slinování. V rámci této dizertační práce byla vyvinuta technologie přípravy objemové keramiky ytriem stabilizovaného oxidu zirkoničitého s vysokou hustotou (99,6 % t.h.) a nanometrovou velikostí zrn (65 nm).
The topic of the Ph.D. thesis was focused on the process of sintering alumina and zirconia ceramic materials with the aim to compare kinetics of sintering sub-micro and nanoparticle systems. Zirconia ceramic powders stabilized by different amount of yttria addition in the concentration range of 0 – 8 mol% were used. The different crystal structure (secured by yttria stabilization) of zirconia, as found, did not play statistically proven role in the process of zirconia sintering. The possible influence was covered by other major factors as particle size and green body structure, which does affect sintering in general. According to the Herrings law, the formula predicting sintering temperature of materials with different particle size was defined. The predicted sintering temperatures were in good correlation with the experimental data for zirconia ceramic materials prepared from both, coarser submicrometer, and also nanometer powders. In case of alumina ceramics the predicted and experimentally observed sintering temperature values did not match very well. Mainly the nanoparticle alumina materials real sintering temperature values were markedly higher than predicted. The reason was, as shown in the work, strong agglomeration of the powders and strong irregularities of particle shape. The major role of green body microstructure in the sintering process was confirmed. The final density of ceramic materials was growing in spite of sintering temperature, which was decreasing together with pore - particle size ratio (materials with similar particle size were compared). Sintering temperature was increasing together with growing size of pores trapped in the green body structure. Clear message received from the above mentioned results was the importance of elimination of stable pores with high coordination number out off the green body microstructure during shaping ceramic green parts. Same sintering kinetics model was successfully applied on the sintering process of submicro- and also nanometer zirconia ceramics. Activation energy of nanometer zirconia was notably lower in comparison to submicrometer material. For the sintering of nanoparticle zirconia was typical so called “zero stage” of sintering, clearly visible on kinetic curves. It was found out, that processes running in zirconia “green” material during zero stage of sintering are heat activated and their activation energy was determined. Pores of submicrometer zirconia were growing in an open porosity stage of sintering just a slightly (1.3 times) compared to the nanoparticle zirconia, where the growth was much higher (5.5 times of the initial pore diameter). This difference was most probably caused by preferential sintering of agglomerates within the green bodies and by particle rearrangement processes which appears in the zero stage of sintering of nanoparticular ceramics. The technology of preparation of bulk dense ytria stabilized zirconia nanomaterial with high relative density of 99.6 % t.d. and average grain size 65nm was developed within the thesis research.
Keywords:
Alumina; green body microstructure; nanoceramics; pore size distribution; sintering; zirconia; Al2O3; distribuce velikosti pórů; mikrostruktura keramického polotovaru; nanokeramika; slinování; ZrO2
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/16743
guest ::
