Original title: Keramické materiály a kompozity pro pokročilé aplikace
Translated title: Ceramic materials and composites for advanced applications
Authors: Mařák, Vojtěch ; Částková, Klára (referee) ; Michálková,, Monika (referee) ; Drdlík, Daniel (advisor)
Document type: Doctoral theses
Year: 2024
Language: eng
Publisher: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT
Abstract: [eng] [cze]
Tato dizertační práce se zaměřuje na pokročilou oxidovou keramiku a částicové a vrstevnaté kompozity. Studované materiály zahrnují biokeramický hydroxyapatit, termomiotický wolframan hlinitý a bezolovnaté piezoelektrické materiály na bázi titaničitanu barnatého. Příprava těchto keramik má několik omezení ovlivňující finální vlastnosti, zahrnující použití toxických stabilizátorů, nízké zhutnění, náchylnost k praskání, vznik nežádoucích chemických reakcí, nízké mechanické a elektrické vlastnosti. Tato práce řeší tyto problémy přizpůsobením jednotlivých kroků zpracování a použitím progresivních výrobních metod pro optimalizaci požadovaných funkčních vlastností materiálů. Úprava hydroxyapatitového prášku studenou plazmou umožnila elektroforetickou depozici bez toxických stabilizátorů, což vedlo k hutnějším povlakům bez trhlin. Praktický benefit tohoto přístupu byl demonstrován v případě bezdefektních hydroxyapatitových povlaků ortopedických šroubů. Termomiotický wolframan hlinitý, vyznačující se svým téměř nulovým koeficientem tepelné roztažnosti, byl syntetizován optimalizovanou koprecipitací za účelem zlepšení slinovatelnosti prášku. Rychlé beztlaké slinování a slinování plazmovou jiskrou byly použity ke zhutnění materiálu, přičemž bylo dosaženo dosud nejvyšších publikovaných hodnot hustot při nejnižší slinovací teplotě. Vývoj mikrostruktury piezokeramiky titaničitanu barnatého byl studován pomocí rychlého beztlakého slinování a slinování s pomocí radiace. Získané poznatky byly využity pro slinování částicových kompozitů na bázi titaničitanu barnatého vyztuženého oxidovými keramikami. Vysoká reaktivita mezi zvolenými materiály měla negativní vliv na vlastnosti kompozitů a jeden z reakčních produktů byl podrobněji charakterizován. Byly připraveny vrstvené kompozity střídáním vrstev na bázi titaničitanu barnatého a dielektrického oxidu zirkoničitého. Vysoká reaktivita piezoelektrických materiálů byla potlačena volbou slinovací strategie. Souhrnným cílem této disertační práce je posunout vědění v oblasti vlastností a zpracování keramických materiálů, poskytnout náhled na optimalizaci funkčnosti a řešit kritická omezení v různých aplikacích. 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.
Keywords: Elektrické vlastnosti; Fázové složení; Hydroxyapatit; Keramické materiály; Mechanické vlastnosti; Mikrostruktura; Oxid hlinitý; Oxid zirkoničitý; Slinování; Titaničitan barnatý; Vrstevnatý kompozit; Wolframan hlinitý; Částicový kompozit; Alumina; Aluminium tungstate; Barium titanate; Ceramics; Electrical properties; Hydroxyapatite; Laminated composites; Mechanical properties; Microstructure; Particle composites; Phase composition; Sintering; Zirconia

Institution: Brno University of Technology (web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library.
Original record: https://hdl.handle.net/11012/249336

Permalink: http://www.nusl.cz/ntk/nusl-622479


The record appears in these collections:
Universities and colleges > Public universities > Brno University of Technology
Academic theses (ETDs) > Doctoral theses