Impact of high pressures during compaction of zirconia nanopowder on material structure formation

The study covers the effect of compaction pressure during semi-dry pressing of zirconia nanopowder partially stabilized with yttria in a steel mold on the phase composition and microstructure of compacts and samples sintered at 1400 °C for 2 hours. An aqueous solution of polyvinyl alcohol was used as a temporary process binder. According to X-ray fluorescence analysis, the content of yttria in the powder synthesized by sol-gel technology (precipitation with aqueous ammonia solution from water-ethanol solutions of the corresponding reagents with the agar-agar additive) was 3.2 mol.%. The paper provides the results obtained when studying compacts and sintered samples by Raman spectroscopy, optical and atomic force microscopy. It was found that the increase in their density is not a monotonous process. There is a critical compaction pressure interval of Р = 400÷450 MPa where a sharp change in the material porosity, pore shape and size, microstructure and phase composition occurs. A monoclinic phase was observed in compacted samples along with tetragonal zirconia. Its content varies with a variation in Р values. The grinding of material grains is associated with the agglomerate destruction process and actively occurs in the interval of Р = 350÷550 MPa. A similar effect was observed by other researchers during zirconia nanopowder compaction who suggested that the nanopowder system response to the effect of pressure is related to the influence on the water component (in this case, the temporary process binder) and is due to the transition of one water form to another at 10–25 °С and 400–700 MPa.

1. Mondal A., Ram S. Reconstructive phase formation of ZrO2 nanoparticles in a new orthorhombic crystal structure from an energized porous ZrO(OH)2·H2O precursor. Ceram. Inter. 2004. Vol. 30. P. 239—249. DOI: 10.1016/ S0272-8842(03)00095-6.

2. Иванов Ю.Ф., Туманов Ю.Н., Дедов Н.В., Хасанов О.Л. Структура и фазовый состав наноструктурного порошка на основе диоксида циркония, изготовленного методами плазмохимического синтеза. Физика и химия обраб. матер. 2012. No. 5. С. 37—45. Ivanov Yu.F., Tumanov Yu.N., Dedov N.V., Khasanov O.L. Structure and phase composition of nanostructural powder on the basis of dioxide of the zirconium made by methods of plasmochemical synthesis. Fizika i khimiya obrabotki materialov. 2012. No. 5. P. 37—45 (In Russ.).

3. Thakare Vaishali. Progress in synthesis and applications of zirconia. Int. J. Eng. Res. Devel. 2012. Vol. 5. No. 1. P. 25—28.

4. Карбань О.В., Хазанов Е.Н., Хасанов О.Л., Саламатов Е.И., Гончаров О.Ю. Наследственность и модификация наноструктурной керамики ZrO2 в процессе изготовления. Перспективные материалы. 2010. No. 6. С. 76—85. Karban’ O.V., Khazanov E.N., Khasanov O.L., Salamatov E.I., Goncharov O.Yu. Heredity and modification of nanostructural ceramics of ZrO2 in the course of production. Perspektivnye materialy. 2010. No. 6. P. 76—85 (In Russ.).

5. Попов В.В., Петрунин В.Ф., Чжу Х., Хасанов О.Л., Двилис Э.С. Исследование закономерностей прессования порошков ZrO2 под ультразвуковым воздействием. Огнеупоры и техн. керамика. 2007. No. 11. С. 17—23. Popov V.V., Petrunin V.F., Chzhu Kh., Khasanov O.L., Dvilis E.S. Research of regularities of pressing of the powders ZrO2 under ultrasonic influence. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika. 2007. No. 11. P. 17—23 (In Russ.).

6. Двилис Э.С., Чартпук П., Хасанов О.Л., Соколов В.М., Ешетов Б.А. Аналитическая и модельная оптимизация кинематических схем равномерноплотного прессования порошковых материалов. Изв. Томского политех. ун-та. 2013. Т. 323. No. 2. С. 49—55. Dvilis E.S., Chartpuk P., Khasanov O.L., Sokolov V.M., Eshetov B.A. Analytical and model optimization of kinematic schemes of ravnomernoplotny pressing of powder materials. Izv. Tomskogo politekh. univ. 2013. Vol. 323. No. 2. P. 49—55 (In Russ.).

7. Хасанов О.Л. Структура и свойства циркониевой керамики, изготовленной ультразвуковым компактированием нанопорошков. Конструкции из композиционных материалов. 2007. No. 1. С. 60—72. Khasanov O.L. Structure and properties of the zirconium ceramics made by ultrasonic compaction of nanopowders. Konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov. 2007. No. 1. P. 60—72 (In Russ.).

8. Matsumoto R.L.K. Analysis of powder compaction using a compaction rate diagram. J. Amer. Ceram. Soc. 1990. Vol. 73. No. 2. P. 465—468. DOI: 10.1111/j.1151-2916. 1990.tb06539.x.

9. Константинова Т.Е., Даниленко И.А., Горбань О.А. Эф фекты влияния высоких давлений в наноразмерных порошковых системах на основе диоксида циркония. Физика и техника высоких давлений. 2014. Т. 24. No. 2. С. 67—85. Konstantinova T.E., Danilenko I.A., Gorban’ O.A. Effects of influence of high pressures in nanodimensional powder systems on the basis of zirconium dioxide. Fizika i tekhnika vysokikh davlenii. 2014. Vol. 24. No. 2. P. 67—85 (In Russ.).

10. Анциферов В.Н., Порозова С.Е., Кульметьева В.Б. Влияние добавок водорастворимых полимеров на фазовый состав и размеры частиц диоксида циркония при осаждении из растворов солей. Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. No. 3. С. 402—408. Antsiferov V.N., Porozova S.E., Kul’met’eva V.B. Effect of water soluble polymer additives on the phase composition and size of zirconia particles during precipitation from salt solutions. Glass Physics and Chemistry. 2012. Vol. 38. No. 3. P. 322—326.

11. Зиганьшин И.Р., Порозова С.Е., Карманов В.И., Торсунов М.Ф., Хафизова Р.М. Изменение характеристик промышленного порошка диоксида циркония и материалов на его основе механохимической активацией. Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2009. No. 4. С. 11—15. Zigan’shin I.R., Porozova S.E., Karmanov V.I., Torsunov M.F., Hafizova R.M. Change in the characteristics of the industrial powder of zirconium oxide and materials based on it by mechanochemical activation. Russ. J. Non_Ferr. Met. 2010. Vol. 51. No. 4. P. 337—341.

12. Красный Б.Л., Тарасовский В.П., Красный А.Б., Омаров А.Ю. Количественный анализ поровой структуры керамики с помощью компьютерного анализа РЭМизображения. Новые огнеупоры. 2013. No. 8. С. 40—44. Krasnyi B.L., Tarasovskii V.P., Krasnyi A.B., Omarov A.Yu. Quantitative analysis of ceramics pore structure by means of SEM-image computer analysis. Refract. Industr. Ceram. 2013. Vol. 54. No. 4. P. 331—335. DOI: 10.1007/s11148- 013-9604-9.

13. Ghosh A., Suri A.K., Pandey M., Thomas S., Rama Mohan T.R., Rao B.T. Nanocrystalline zirconia-yttria system—a Raman study. Mater. Lett. 2006. Vol. 60. P. 1170—1173.

14. Liang B., Ding C., Liao H., Coddet C. Study on structural evolution of nanostructured 3 mol.% yttria stabilized zirconia coatings during low temperature ageing. J. Eur. Ceram. Soc. 2009. Vol. 29. P. 2267—2273.

15. Порозова С.Е., Кульметьева В.Б., Зиганьшин И.Р., Торсунов М.Ф. Сравнительная характеристика результатов определения содержания моноклинной фазы в диоксиде циркония. Вопросы материаловедения. 2010. No. 1(61). С. 46—52. Porozova S.E., Kul’met’eva V.B., Zigan’shin I.R., Torsunov M.F. Comparative characteristic of results of determination of content of a monoklinny phase in zirconium dioxide. Voprosy materialovedeniya. 2010. No. 1(61). P. 46— 52 (In Russ.).

16. Kurogi Y. Recent trends in dry etching. Thin Solid Films. 1982. Vol. 92. No. 1-2. P. 33—40. DOI: 10.1016/0040- 6090(82)90185-7.

17. Гогоци Г.А., Башта А.В. Исследование керамики при внедрении алмазной пирамиды Виккерса. Проблемы прочности. 1990. No. 9. С. 49—54. Gogoci G.A., Bashta A.V. Study of ceramics in the implementation of the Vickers diamond pyramid. Problemy prochnosti. 1990. No. 9. P. 49—54 (In Russ.).

18. Gogotsi G.A., Dub S.N., Lomonova E.E., Ozersky B.I. Vickers and knoop indentation behaviour of cubic and partially stabilised zirconia crystals. J. Eur. Ceram. Soc. 1995. Vol. 15. P. 405—413.

19. Viazzi C., Bonino J.-P., Ansart F., Barnabé A. Structural study of metastable tetragonal YSZ powders produced via a sol-gel rout. J. Alloys and Compd. 2008. Vol. 452. No. 2. P. 377 383. DOI: 10.1016/j.jallcom.2006.10.155.

20. Kim Sung-Dai, Hwang Kyu-Seog Crystallinity, microstructure and mechanical strength of yttria-stabilized tetragonal zirconia ceramics for optical ferrule. Mater. Sci. Appl. 2011. No. 2. P. 1—5. DOI: 10.4236/msa.2011.21001.

21. Sobol A.A., Voronko Yu.K. Stress-induced cubic—tetragonal transformation in partially stabilized ZrO2: Raman spectroscopy study. J. Phys. Chem. Sol. 2004. Vol. 65 (6). P. 1103—1112. DOI: 10.1016/j.jpcs.2003.11.038.

22. Hemberger Y., Wichtner N., Berthold C., Nickel K.G. Quantification of yttria in stabilized zirconia by raman spectroscopy. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2016. Vol. 13 (1). P. 116—124. DOI: 10.1111/ijac.12434.

23. Kawamoto T., Ochiai S., Kagi H. Changes in the structure of water deduced from the pressure dependence of the Raman OH frequency. J. Chem. Phys. 2004. Vol. 120. No. 13. P. 5867-5870. DOI: 10.1063/1.1689639.

24. Першин С.М. Эффект Коновалова в водных растворах низких концентраций: Роль спиновых орто-параизомеров Н2О. Доклады АН. 2014. Т. 455. No. 1. С.44—47. Pershin S.M. Konovalov effect in aqueous solutions in lowconcentration aqueous solutions: The role of ortho/para spin isomers of water. Doklady Physical Chemistry. 2014. Vol. 455(1). P. 37—40. DOI: 10.7868/S0869565214070123.