powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2019-1-61-71powder-430Research ArticleТугоплавкие, керамические и композиционные материалыRefractory, Ceramic, and Composite MaterialsФизико-химические процессы получения керамических материалов на основе нанопорошков оксидов циркония, иттрия, церия и алюминияPhysical-chemical processes of obtaining ceramic materials based on nanopowders of oxides of zirconium, yttrium, cerium and aluminumМакароваЕ. Н.MakarovaE. N.

Канд. техн. наук, ассистент кафедры «Материалы, технологии и конструирование машин» ПНИПУ.

614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29. 

 Cand. Sci. (Tech.), assistant of the Department of мaterials, technologies and machine design.

614990, Perm, Komsomol’skii pr., 29.

katimak59@gmail.comАнцифероваИ. В.AntsiferovaI. V.

Докт. техн. наук, профессор кафедры «Материалы, технологии и конструирование машин» ПНИПУ.

614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29. 

 Dr. Sci. (Tech.), prof., Department of мaterials, technologies and machine design. 

614990, Perm, Komsomol’skii pr., 29.

iranciferova@yandex.ruПермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ).РоссияPerm National Research Polytechnic University (PNRPU).Russian Federation201921032019016171Copyright © Макарова Е.Н., Анциферова И.В., 20192019Макарова Е.Н., Анциферова И.В.Makarova E.N., Antsiferova I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/430

При исследовании нанокерамики необходимо постоянно иметь в виду теснейшую взаимосвязь способа ее получения, структуры и свойств. Нанокерамические материалы находят применение в различных областях техники в качестве конструкционных и функциональных материалов. Также нанокерамика широко используется в медицине. Она безвредна, стабильна и имеет большое сродство с живыми организмами. Нанокерамика на основе ZrO2 имеет меньший модуль упругости, чем прочие оксидные материалы. Специфика ее применения заключается в высоком сопротивлении разрыву и тепловому удару, в химической стабильности при высоких температурах. Однако необходимо решить проблему увеличения вязкости разрушения керамических материалов на основе ZrO2. Комплексное легирование ZrO2 оксидами иттрия и церия и использование добавки Al2O3 приводит к повышению вязкости разрушения и снижению негативного воздействия материалов в биологической среде. В настоящей работе на основе научных данных и экспериментальных исследований рассматриваются основные физико-химические свойства керамических порошков и материалов системы ZrO2–2Y2O3–4CeO2–Al2O3, синтезированных методом химического осаждения неорганических прекурсоров с применением золь-гель-технологии. Легирование чистого оксида циркония стабилизирующими оксидами Y2O3, CeO2 и термическое упрочнение Al2O3 обеспечивают сохранение тетрагональной структуры при комнатной температуре, что позволяет замедлить и контролировать трещиностойкость материала под нагрузкой. Проведены исследования влияния температуры спекания и содержания оксида алюминия на микроструктуру и размер зерна, физико-механические свойства получаемого керамического материала составов ZrO2–2Y2O3–4CeO2+1мас.%Al2O3 и ZrO2–2Y2O3–4CeO2+3мас.%Al2O3.

In the study of nanoceramics, it is necessary to constantly keep in mind the closest interrelation of the production method with its structure and properties. Nanoceramic materials are used in various technical fields as structural and functional materials. It is also widely used in medicine. Nanoceramics is harmless, stable and has a great affinity with living organisms. ZrO2-based nanoceramics have a lower elastic modulus than other oxide materials. The specificity of its application lies in high resistance to rupture and thermal shock, in chemical stability at high temperatures. However, it is necessary to solve the problem of increasing the fracture toughness of ZrO2-based ceramic materials. The complex doping of ZrO2 with yttrium and cerium oxides and the use of an Al2O3 additive increase the fracture toughness and decrease the negative effect of materials in a biological environment. In this paper, the main physicochemical properties of ceramic powders and materials of the ZrO2–2Y2O3–4CeO2 – Al2O3 system, synthesized by chemical deposition of inorganic precursors using the sol-gel technology, are considered on the basis of scientific data and experimental studies. The doping of pure zirconium oxide with stabilizing oxides Y2O3, CeO2, and thermal hardening of Al2O3 ensures that the tetragonal structure is maintained at room temperature, which makes it possible to slow down and control the crack resistance of the material under load. The effects of sintering temperature and aluminum oxide content on the microstructure and grain size, as well as the physicomechanical properties of the resulting ceramic material of ZrO2–2Y2O3–4CeO2+1 wt.% Al2O3 and ZrO2–2Y2O3–4CeO2+3 wt.% Al2O3 were studied.

биоимплантысистема ZrO2–2Y2O3–4CeO2–Al2O3синтезированные порошкиагломерациязоль-гельтехнологиинанокристаллические порошковыематериалы гранулометрический составплотностьпористостьспеканиестарениехимическая стойкостьмеханические характеристикиbioimplantsZrO2–2Y2O3–4CeO2–Al2O3 systemsynthesized powdersagglomerationsol-gel technologiesnanocrystalline powdermaterialsparticle size distributiondensityporositysinteringagingchemical resistancemechanical characteristicsReferencesChevalier J., Gremillard L. Ceramics for medical applications: A picture for the next 20 years. J. Eur. Ceram. Soc. 2009. Р. 1245—1255.Chevalier J., Gremillard L. Ceramics for medical applications: A picture for the next 20 years. J. Eur. Ceram. Soc. 2009. Р. 1245—1255.Шевченко А.В., Дудник Е.В., Цукренко В.В., Рубан А.К. Микроструктурное проектирование материалов в системе ZrO2—Y2O3—CeO2—Al2О3. Порошк. металлургия. 2010. No. 9/10. С. 43—51.Shevchenko A.V., Dudnik E.V., Tsukrenko V.V., Ruban A.K. Microstructure design of materials in ZrO 2—Y2O3— CeO2—Al2О3 system. Poroshkovaya metallurgiya. 2010. No. 9/10. P . 43—51 (In Russ.).Шевченко А.В. Гидротермальный синтез нанокристаллических порошков в системе ZrO2—Y2O3— CeO2. Порошк. металлургия. 2007. No. 1/2. С. 23—30.Shevchenko A.V. Hydrothermal synthesis of nanocrystal powders in the sistem ZrO2—Y2O3—CeO2. Poroshkovaya metallurgiya. 2007. No. 1/2. P. 23—30 (In Russ.).Цукренко В.В., Дудник Е.В., Шевченко А.В, Лопато Л.М. Синтез и свойства порошков в системе ZrO2— Y2O3—CeO2. В сб. науч. тр.: Современные проблемы физического материаловедения. Киев: ИПМ НАН Украины, 2008. Вып. 17. С. 46—51.Tsukrenko V.V., Dudnik E.V., Shevchenko A.V., Lopato L.M. Hydrothermal synthesis of nanocrystalline powders in ZrO2—Y2O3—CeO2 system. In: Moder problems of physical materiology. Kiev: ІPM NAN Ukraine, 2008. Iss. 17. P. 46—51 (In Russ.).Шевченко А.В., Дудник Е.В., Рубан А.К., Редько В.П., Лопато Л.М. Синтез и свойства нанокристаллического порошка состава 90 % ZrO2—Y2O3—CeO2 и 10 % Al2O3. Неорган. наноматериалы. 2008. Т. 44. No 4. С. 477—481.Shevchenko A.V., Dudnik E.V., Ruban A.K., Red’ko V.P., Lopato L.M. Synthesis and properties of nanocrystalline powder composition 90 % ZrO2—Y2O3—CeO2 and 10 % Al2O3. Neorganicheskie nanomaterialy. 2008. T. 44. No. 4. P. 477—481 (In Russ.).Лашнева В.В., Шевченко А.В., Дудник Е.В. Биокерамика на основе ZrO2. Стекло и керамика. 2009. No. 4. С. 25—28.Lashneva V.V., Shevchenko A.V., Dudnik E.V. Bioceramics based on ZrO2. Steklo i keramika. 2009. No. 4. P. 25—28 (In Russ.).Chevalier J. What future for zirconia as a biomaterial. Biomaterials. 2006. Vol. 27(4). Р. 535—543.Chevalier J. What future for zirconia as a biomaterial. Biomaterials. 2006. Vol. 27(4). Р. 535—543.Palmero P. Structural ceramic nanocomposites; a review of properties and powders’ synthesis methods. Nanomaterials. 2015. No. 5. Р. 656—696.Palmero P. Structural ceramic nanocomposites; a review of properties and powders’ synthesis methods. Nanomaterials. 2015. No. 5. Р. 656—696.Порозова С.Е., Макарова Е.Н., Кульметьева В.Б. Влияние малых добавок Al2O3 на свойства керамики системы ZrO2—2Y2O3—4CeO2. Изв. Самар. науч. центра РАН. 2015. Т. 17. No. 2 (4). С. 874—880.Porozova S.E., Makarova E.N., Kul’met’eva V.B. Effect of small additives of Al2O3 on the properties of ceramics of ZrO2—2Y2O3—4CeO2 system. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN. 2015. Vol. 17. No. 2 (4). P. 874— 880 (In Russ.).Анциферова И.В., Макарова Е.Н. Влияние ультразвуковой обработки и выдержки в среде этилового спирта на распределение по размерам и степень агломерации нанопорошков системы ZrO2—2Y2O3—4CeO2— Al2O3. Перспект. материалы. 2015. No. 1. С. 41—48.Antsiferova I.V., Makarova E.N. Effect of ultrasonic treatment and ageing in ethanol medium on grain size distribution and agglomeration level of nanopowders of ZrO2—2Y2O3—4CeO2—Al2O3 system. Perspektivnye materialy. 2015. No. 1. P. 41—48 (In Russ.).Makarova E.N., Antsiferova I.V. Investigation into the solubility of nanopowders of the ZrO2—Y2O3—CeO2— Al2O3 system in the aqueous medium at various pH. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2017. Vol. 58. No. 5. P. 525—529.Makarova E.N., Antsiferova I.V. Investigation into the solubility of nanopowders of the ZrO2—Y2O3—CeO2— Al2O3 system in the aqueous medium at various pH. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2017. Vol. 58. No. 5. P. 525—529.Кульметьева В.Б., Порозова С.Е. Керамические материалы: получение, свойства, применение. Пермь: Изд-во ПГТУ, 2009. С. 50—54.Kul’met’eva V.B., Porozova S.E. Ceramics materials: manufacturing, properties, application. Perm’: Izd-vo PGTU, 2009. Р. 50—54 (In Russ.).Матренин С.В. Исследование свойств оксидной керамики на основе ZrO2 и Al2O3: Метод. указ. по выполнению лабор. работ. Томск: Изд-во ТПУ, 2009.Matrenin S.V. Investigation into the properties of oxide ceramics based on ZrO2 and Al2O3. Tomsk: Izd-vo TPU, 2009 (In Russ.).Шевченко А.В., Рубан А.К., Дудник Е.В. Высокотехнологичная керамика на основе диоксида циркония. Огнеупоры и техн. керамика. 2000. No. 9. С. 2—8.Shevchenko A.V., Ruban A.K., Dudnik E.V. High-performance ceramics based on zirconia dioxide. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika. 2000. No. 9. P. 2—8 (In Russ.).Bastide B., Bastid P., Canale P., Odie P. Characterization of a new ternary Ce-tetragonal zirconia. J. Eur. Ceram. Soc. 1989. Vol. 5. P. 289—293.Bastide B., Bastid P., Canale P., Odie P. Characterization of a new ternary Ce-tetragonal zirconia. J. Eur. Ceram. Soc. 1989. Vol. 5. P. 289—293.Zhang L., Zheng Y., Guo J., Wu D., Gong M. Structure evolution process of Ce0.65Zr0.25Y0.1O1.95 prepared by oxidation-coprecipitation method. Acta Phys.-Chim. Sinica. 2008. Vol. 24 (8). P. 1342—1346. DOI: 10.1016/S01672738(98)00538-4.Zhang L., Zheng Y., Guo J., Wu D., Gong M. Structure evolution process of Ce0.65Zr0.25Y0.1O1.95 prepared by oxidation-coprecipitation method. Acta Phys.-Chim. Sinica. 2008. Vol. 24 (8). P. 1342—1346. DOI: 10.1016/S01672738(98)00538-4.Volpato C.A., GarbelottoL.G. D., Fredel M.C., Bondioli F. Application of zirconia in dentistry: biological, mechanical and optical considerations, advances in ceramics. In: Electric and magnetic ceramics, bioceramics, ceramics and environment. 2011. P. 397—420.Volpato C.A., GarbelottoL.G. D., Fredel M.C., Bondioli F. Application of zirconia in dentistry: biological, mechanical and optical considerations, advances in ceramics. In: Electric and magnetic ceramics, bioceramics, ceramics and environment. 2011. P. 397—420.Lin J.-D., Duh J.-G. Correlation of mechanical properties and composition in tetragonal CeO2—Y2O3—ZrO2 ceramic system. Mater. Chem. Phys. 2002. Vol. 78. P. 246— 252.Lin J.-D., Duh J.-G. Correlation of mechanical properties and composition in tetragonal CeO2—Y2O3—ZrO2 ceramic system. Mater. Chem. Phys. 2002. Vol. 78. P. 246— 252.Шевченко А.В., Дудник Е.В., Рубан А.К. , Редько В.П., Лопато Л.М. Влияние Al2O3 на свойства нанокристаллического порошка ZrO2, содержащего 3 мол.% Y2O3. Неорган. наноматериалы. 2010. Т. 46. No. 2. С. 212—216.Shevchenko A.V., Dudnik E.V., Ruban A.K., Red’ko V.P., Lopato L.M. Effect of Al2O3 on the properties of nanocrystalline powder ZrO2 containing 3 mol. % Y2O3. Neorganicheskie nanomaterialy. 2010. Vol. 46. No. 2. P. 212— 216 (In Russ.).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. 2011. Т. 9. No. 4. С. 881—893.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. 2011. Т. 9. No. 4. С. 881—893.Lange F.F. Transformation toughening. Pt. 4. Fabrication, fracture toughness and strength of Al2O3—ZrO2 composites. J. Mater. Sci. 1982. Vol. 17. P. 247—254.Lange F.F. Transformation toughening. Pt. 4. Fabrication, fracture toughness and strength of Al2O3—ZrO2 composites. J. Mater. Sci. 1982. Vol. 17. P. 247—254.Tsubakino H., Nozato R., Hamamoto M. Effect of alumina addition on the tetragonal-to-monoclinic phase transformation in zirconia — 3 mol. % yttria. J. Am. Ceram. Soc. 1991. Vol. 74 (2). P. 440—443.Tsubakino H., Nozato R., Hamamoto M. Effect of alumina addition on the tetragonal-to-monoclinic phase transformation in zirconia — 3 mol. % yttria. J. Am. Ceram. Soc. 1991. Vol. 74 (2). P. 440—443.Li J., Watanabe R. Fracture toughness of Al2O3-particledispersed Y2O3 partially stabilized zirconia. J. Am. Ceram. Soc. 1995. Vol. 78 (4). P. 1079—1082.Li J., Watanabe R. Fracture toughness of Al2O3-particledispersed Y2O3 partially stabilized zirconia. J. Am. Ceram. Soc. 1995. Vol. 78 (4). P. 1079—1082.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.