МЕХАНИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА  ПОРИСТОЙ  КЕРАМИКИ  НА  ОСНОВЕ  ZRO₂  И  «КОНТРАСТНЫХ»  МАТЕРИАЛОВ  НА  ЕЕ  ОСНОВЕ

Чащин  Вадим  Олегович

магистрант  1  курса,  физико-технический  факультет  НИ  ТГУ,  РФ,  г.  Томск

">E -mail:  chashchin91@gmail.com

Калатур  Екатерина  Сергеевна

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  ИФПМ  СО  РАН,  РФ,  г.  Томск

Керамика  —  неорганический  материал,  получаемый  из  отформованных  минеральных  масс  в  процессе  высокотемпературного  обжига.  В  результате  обжига  (1200—2500  °С)  формируется  структура  материала,  и  изделие  приобретает  необходимые  физико-механические  свойства.

  Однако  керамика  —  трудный  в  применении  материал.  Те  же  физические  особенности  строения  и  связей  в  атомной  решетке,  которые  определяют  ее  преимущества,  порождают  и  главный  недостаток  керамики  как  конструкционного  материала  —  отсутствие  пластичности,  хрупкость. 

Керамика  на  основе  тетрагональной  модификации  диоксида  циркония  обладает  уникальным  сочетанием  физических  и  механических  свойств  [3,  с.  34],  что  позволяет  успешно  использовать  ее  для  производства  изделий  конструкционного  и  инструментального  назначения  [1,  с.  12].  Создание  на  ее  основе  композиционных  материалов  является  перспективным  направлением  современного  материаловедения. 

Введением  добавок  можно  изменять  физико-механические,  теплофизические,  фрикционные  и  другие  эксплуатационные  характеристики  базового  материала.  Выбор  тех  или  иных  добавок  для  создания  композиций,  отвечающих  необходимым  для  эксплуатации  требованиям,  связан  с  их  влиянием  на  свойства  композиции.  Пористая  керамика,  пропитанная  термостойкими  полимерами,  обладает  высокой  прочностью  и  стойкостью  к  термическому  удару  [2,  с.  123].  На  сегодняшний  день  нет  материала,  которому  свойственна  одновременно  высокая  биологическая  активность  и  приемлемые  прочностные  свойства.  Это  обусловливает  возрастающий  интерес  исследователей  к  биологически  инертным  материалам,  к  числу  которых  относится  керамика  ZrO₂. 

Основным  направлением  в  области  создания  искусственных  имплантатов  является  создание  двухфазного  материала  с  резко  различающимися  свойствами  составляющих  его  фаз. 

Целью  работы  являлось  исследование  деформационного  поведения  и  механических  свойств  пористой  керамики  ZrO₂(Y₂O₃)  и  «контрастных»  материалов  на  ее  основе. 

В  качестве  материала  для  исследований  была  выбрана  пористая  керамика  на  основе  диоксида  циркония,  полученная  из  мелкокристаллического  порошка  ZrO₂(Y₂O₃),  полученного  методом  плазмохимии.  Образцы  керамики  были  получены  прессованием  порошка  и  последующим  спеканием  прессовок  в  интервале  температур  1400—1600  °С  и  изотермической  выдержки  от  1  до  5  часов.  Пористость  в  керамике  изменялась  варьированием  температуры  спекания  прессовок  и  составляла  от  30  до  80  %. 

В  качестве  материала  для  пропитки  использовалась  гелеобразующая  композиция  «ГАЛКА»,  представляющая  собой  маловязкий  раствор,  содержащий  соль  алюминия,  карбамид  и  некоторые  добавки.  Введение  геля  в  образцы  пористой  керамики  осуществлялось  методом  пропитки  в  течение  суток.  Далее  с  целью  гелеобразования  производился  отжиг  пропитанных  образцов  при  температуре  80  °С  в  течение  часа,  охлаждение  происходило  с  печью. 

Механические  испытания  на  одноосное  сжатие  проводились  на  универсальной  испытательной  машине  «Instron-1185»  с  постоянной  скоростью  нагружения  4*10^-4  с^-1.  Исследования  структуры  керамик  осуществлялись  на  растровом  электронном  микроскопе  Philips  SEM  515.

Структура  пористой  керамики,  полученной  из  мелкокристаллического  порошка  ZrO₂(Y₂O₃),  представляла  собой  ячеистый  каркас,  сформированный  укладкой  полых  сферических  частиц  порошка.  Ячейки  имели  нерегулярную  форму  и  распределялись  неравномерно  по  всему  объему  материала. 

На  рис.  1  изображены  структуры  образцов  керамики  ZrO₂(Y₂O₃).  Размер  ячеек  во  много  раз  превышал  толщину  их  стенок,  представляющую  собой  однослойную  укладку  зерен  ZrO₂. 

Рисунок  1.  Изображения  образцов  керамики,  полученной  из  мелкокристаллического  порошка  ZrO ₂  (Y₂O₃):  а)  Пористость  =  30  %  (Т_сп.  =  1600  ⁰С),  б)  Пористость  =  80  %  (Т_сп.  =  1400  ⁰С)

Формирование  ячеистой  структуры,  наблюдалось  при  спекании  образцов  керамик  в  интервале  от  1400  до  1600  °С  при  изотермической  выдержке  от  1  до  5  ч.

Кроме  пустот  в  ячейках  в  керамике  присутствовали  2  вида  эквичастичных  пор:  поры,  сформированные  крупными  частицами  порошка,  и  поры,  сформированные  мелкими  частицами  порошка.  При  пористости  ≈  35  %  средний  размер  ячеистых  пустот  в  образцах  керамики  составил  ≈  2  мкм,  а  при  пористости  ≈  80  %,  около  7  мкм.

В  ходе  механических  испытаний  были  получены  следующие  деформационные  диаграммы  сжатия  образцов  керамики  с  пористостью  от  30  до  80  %  (рис.  2).

В  начале  деформационных  диаграмм  керамик  имеется  участок  нелинейной  связи  между  напряжением  и  деформацией. 

При  циклическом  нагружении  исследуемых  пористых  керамик  на  участке  нелинейной  связи  между  напряжением  и  деформацией  до  значений  деформации,  соответствующей  окончанию  нелинейного  участка  ε₁,  остаточной  деформации  не  обнаружено,  что  говорит  о  нелинейно-упругом  поведении  исследуемой  керамики  (рис.  3). 

Рисунок  2.  Деформационные  диаграммы  при  сжатии  пористой  керамики  ZrO ₂(Y₂O₃)  с  пористостью:  1  —  35  %;  2  —  60  %;  3  —  80  %

Рисунок  3.  Диаграмма  деформирования  при  циклическом  нагружении  пористой  керамики,  полученной  из  мелкокристаллического  порошка  ZrO ₂(Y₂O₃),  с  пористостью  ≈  30  %

Также  на  деформационных  диаграммах  исследуемой  пористой  керамики  присутствуют  вертикальные  участки  сброса  напряжения,  связанные  с  появлением  микроповреждений  в  материале. 

Анализ  деформационных  диаграмм  показал,  что  количество  и  протяженность  вертикальных  участков  уменьшались  с  увеличением  объёма  порового  пространства  в  образцах.

Увеличением  объема  порового  пространства  от  ≈  30  до  80  %  приводит  к  снижению  напряжения,  отвечающего  возникновению  первых  микроповреждений  в  образцах  пористой  керамики  σ_d  от  ≈  200  до  50  МПа  и  максимального  напряжения  σ_max  от  ≈  350  до  50  МПа  для  керамик  (рис.  4). 

Значения  σ_max  и  σ_d  совпадали  при  объемной  доле  пор  более  ≈  60  %,  т.е.  из-за  невысокой  прочности  материала  ≈  50  МПа  появление  первых  микроповреждений  ведет  к  разрушению  материала. 

Рисунок  4.  Зависимости  величины  σ_d   (1),  и  σ_max  (2)  от  объема  порового  пространства  в  керамике,  полученной  из  мелкокристаллического  порошка  ZrO₂(Y₂O₃)

С  увеличением  объема  порового  пространства  происходит  рост  величины  предельной  деформации  ε_max  до  ≈  4  %  (рис.  5). 

С  увеличением  объема  порового  пространства  от  ≈  30  до  50  %  происходит  уменьшение  значений  деформации,  соответствующей  участку  нелинейной  связи  между  напряжением  и  деформацией,  ε₁  от  ≈  1.5  до  0,5  %,  при  дальнейшем  увеличении  пористости  величина  деформации,  соответствующая  окончанию  участка  нелинейной  связи  между  напряжением  и  деформацией,  практически  не  изменяется  и  составляет  ≈  0,5  %. 

При  увеличении  объема  порового  пространства  от  ≈  30  до  55  %  происходило  уменьшение  величины  модуля  упругости  от  ≈  60  до  5  ГПа,  дальнейший  рост  объема  порового  пространства  до  ≈  80  %  практически  не  сказывался  на  величине  модуля  упругости,  которая  составила  ≈  3  ГПа  (рис.  6).

Рисунок  5.  Зависимости  ε₁  (1)  и  ε_max   (2)  от  объема  порового  пространства  в  керамике,  полученной  из  мелкокристаллического  порошка  ZrO₂(Y₂O₃)

Рисунок  6.  Зависимость  величины  модуля  упругости  от  объема  порового  пространства  в  керамике,  полученной  из  мелкокристаллического  порошка  ZrO ₂(Y₂O₃)

В  результате  введения  в  керамики  гелеобразной  составляющей  на  деформационных  диаграммах  отсутствовали  начальный  участок  нелинейной  связи  между  напряжением  и  деформацией  и  вертикальные  отрезки  сброса  напряжения  на  участках  активной  деформации  (рис.  7).

Рисунок  7.  Деформационные  диаграммы  характерные  для  образцов  пористой  керамики  ZrO ₂(Y₂O₃)  с  пористостью  ≈  80  %:  1)  пористая  керамика,  полученная  из  мелкокристаллического  порошка  ZrO₂(Y₂O₃);  2)  «контрастный»  материал

С  увеличением  объемной  доли  гелеобразной  составляющей  от  ≈  30  до  80  %  величина  максимальных  напряжений  для  «контрастных»  материалов  практически  не  менялась  и  составляла  ≈  35  МПа  (рис.  8). 

При  изменении  объемной  доли  гелеобразной  составляющей  в  «контрастных»  материалах  величины  модуля  упругости  не  изменяется  и  составляет  в  среднем  3,5  ГПа  (рис.  9). 

Рисунок  8.  Зависимость  максимально  достигаемых  напряжений  от  объемной  доли  гелеобразной  составляющей  в  «контрастных»  материалах

Рисунок  9.  Зависимость  величины  модуля  упругости  от  объемной  доли  гелеобразной  составляющей  в  «контрастных»  материалах

Список  литературы:

1.Константинова  Т.Е.  Формирование  структуры  керамики  ZrO₂  —  3  мол.  %  Y₂O₃  в  процессе  спекания  и  особенности  ее  разрушения  /  Т.Е.  Константинова,  И.А.  Даниленко  //  Огнеупоры  и  техническая  керамика.  —  2001.  —  №  3.  —  С.  12—16 

2.Неметаллические  конструкционные  материалы:  [учеб.  пособие]  /  Б.Б.  Бобович  М.:  МГИУ,  2009.  —  384  с. 

3.Перколяционные  переходы  в  поровой  структуре  керамики  и  ее  физико-механические  свойства  /  С.Н.  Кульков  [и  др.]  //  Письма  в  ЖТФ.  —  2011.  —  Т.  37,  —  вып.  8.  —  С.  34—40.