Структура и механические свойства кристаллов ZrO2 частично стабилизированных Y2O3

• Автор: Милович, Филипп Олегович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 111 с. : ил.

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Методы синтеза материалов на основе диоксида циркония

1.2. Синтез кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония методом

направленной кристаллизацией расплава с использованием прямого высокочастотного нагрева

1.3. Структура и свойства материалов на основе диоксида циркония

1.3.1. Общие сведения о диоксиде циркония

1.3.2. Кристаллическая структура

1.3.3. Диаграмма состояний гЮг-УгОз

1.3.4. Стабилизация высокотемпературных фаз диоксида циркония

1.3.5. Перераспределение кислорода в ионных кристаллах на основе диоксида циркония

1.3.6. Микро- и наноструктура материалов
1.3.7. Сравнение основных физико-химических свойств кристаллов ЧСЦ с

керамикой на основе ТЮг
1.4. Механизмы упрочнения в частично стабилизированном диоксиде
циркония
1.5. Применение кристаллов ЧСЦ
1.6. Выводы по обзору литературы
Глава 2. Методики исследования кристаллов ЧСЦ
2.1. Технология выращивания кристаллов ЧСЦ методом направленной
кристаллизации в холодном контейнере с использованием прямого высокочастотного нагрева
2.2. Методика исследования кристаллов ЧСЧ методом рентгеноструктурного
анализа
2.3. Методика исследования кристаллов ЧСЧ методом просвечивающей
электронной микроскопии (ПЭМ)
2.3.1. Приготовление образцов для исследования методом просвечивающей электронной микроскопии
2.3.2. Исследование структуры методом просвечивающей электронной микроскопии в дифракционном и фазовом контрасте

2.4. Методика измерения микротвердости и трещиностойкости кристаллов

2.5. Методика измерения плотности кристаллов ЧСЦ
Глава 3. Влияние на фазовый состав, структуру и свойства кристаллов ЧСЦ разной концентрации стабилизирующей примеси
3.1. Влияние на микротвёрдость и трещиностойкость кристаллов ЧСЦ разной концентрации стабилизирующей примеси
3.2. Исследование микро - и наноструктуры кристаллов ЧСЦ методом ПЭМ
3.3. Исследование фазового состава, удельного объёма фаз и плотности кристаллов ЧСЦ методом рентгеноструктурного анализа
3.4. Выводы по главе 3
Глава 4. Исследование эволюции фазового состава, двойниковой структуры и механических свойств кристаллов ЧСЦ после термообработки
4.1. Исследование структуры и механических свойств кристаллов ЧСЦ после термообработки на воздухе при температуре 1600 °С
4.2. Исследование структуры и механических свойств кристаллов ЧСЦ после термообработки в вакууме при температуре 1800 °С
4.3. Исследование кристаллов ЧСЦ после отжига в вакууме при
температуре 2100°С
4.4. Выводы по главе 4
Выводы по диссертации
Список используемой литературы

Введение
Актуальность работы
Для развития современной техники необходим поиск новых, особо прочных материалов, а также улучшение физико-химических свойств уже применяемых материалов. Частично стабилизированный диоксид циркония (ЧСЦ) является одним из таких материалов, который выгодно отличается по механическим свойствам от особо прочных керамических материалов. Кристаллы ЧСЦ отличаются повышенной стойкостью к кислотам и щелочам, парам воды, большой стойкостью к абразивному износу и низким коэффициентом трения. Деградация механических характеристик при высоких температурах (до 1600 °С) в окислительных средах у кристаллов ЧСЦ существенно меньше, чем у металлов и конструкционной керамики. Химическая и биологическая инертность, прочность и высокая трещинностойкость делают кристаллы ЧСЦ перспективными для использования в медицине в качестве имплантатов и хирургического инструмента.
Материалы на основе диоксида циркония, в основном керамические, известны давно. В последние годы активно ведутся работы по использованию керамики из диоксида циркония во многих областях науки и техники. Альтернативным методом получения материалов ЧСЦ является синтез монокристаллических материалов с применением методов кристаллизации расплава. Такой подход позволяет получать высокоплотные монолитные кристаллические материалы с нулевой пористостью и отсутствием зеренной структуры. Кристаллы ЧСЦ обладают более высокими трибологическими и прочностными свойствами по сравнению с известными конструкционными керамическими и монокристаллическими материалами.
Таким образом, кристаллы ЧСЦ являются чрезвычайно перспективным многофункциональным материалом, с широким спектром применения, который охватывает область применения керамических материалов на основе гЮг, и некоторые новые направления использования, такие как хирургический инструмент, детали машин работающих при высоких температурах и т.д. Но использование кристаллов ЧСЦ с содержанием стабилизирующей примеси от 2.5 до 5.0 мол. % УгОз сдерживается из-за недостатка экспериментальных данных по их структурным и физико-химическим

проводили тесты на сжатие, образцов 3 мол. % У-ТХ? с высоким содержанием V фазы, в интервале температур от 200 до 1000 °С. Теми же авторами работы [61] также был посчитан вклад в упрочнение при ферроэластичном переключении доменов при индентировании, который оказался порядка 3—4 МРа*т1/2. Если этот значения правильны, то трещиностойкость 1' моно-фазы, за счет ферроэластичного упрочнения, больше в два раза чем у с-ХгОг, представленных в СБХ и Р8г сплавах.
Как известно, ферроэластичными свойствами обладает материал, имеющий два или более стабильных ориентационных состояний и способный переходить из одного состояния в другое при приложении механической нагрузки. Процесс ферроэластичного перехода отличается от вызванного напряжениями мартенситного перехода тем, что здесь происходит не изменения кристаллической структуры, а переориентация ферроэластичных доменов. Ферроэластичные свойства тетрагонального диоксида циркония появляются из-за понижающего симметрию фазового перехода исходной кубической фазы в тетрагональную не трансформируемую фазу, вызывающего три энергетически эквивалентных ориентационных состояния, называемых также вариантами двойников или доменами. При нагрузке домены могут переориентировать свои оси для аккомодации напряжений.
При индентации алмазной пирамидкой Виккерса в работе [62] было обнаружено, что на кристалле ХгОг 3 мол. % УгОз вокруг отпечатка происходит как фазовое превращение так и ферроэластичная деформация (поворот доменов
тетрагональной фазы). Эти данные противоречат результатам работ [59-60], так как ферроэластичное упрочнение в этих работах было обнаружено при более высоких температурах. При индентировании характер процессов зависел как от кристаллографического направления, вдоль которого приложена нагрузка, так и от температуры, при которой происходила индентация. Так при низких температурах (300 °С) вокруг отпечатка в направлении [110] имели место оба процесса, в то время как в направлениях [100] и [010] отсутствовал г—*т переход, а характер переориентации доменов был различен для двух последних направлений. В работе [62] было показано, что при температурах ниже температуры 1—>т перехода, в пластическую деформацию « вокруг отпечатка вносят вклад деформации, связанные с трансформационным переходом, ферроэластичная деформация и сдвиговая деформация за счет дислокационного скольжения. При этом ферроэластическая деформация (поворот