Baryum oksit ve lantanyum oksit katkılı kübik zirkonya seramikte mikroyapı, mekanik özellikler ve iyonik iletkenliğin incelenmesi
An investigation of microstructure, mechanical properties and ionic conductivity of barium oxide and lantanium oxide doped cubic zirconia ceramic
Yazar: BÜLENT AKTAŞ
Danışman: PROF. DR. SERDAR SALMAN ; PROF. DR. SÜLEYMAN TEKELİ
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Elektriksel özellikler = Electrical properties ; Zirkonyum oksit = Zirconium oxide

Özet:
Bu çalışmada; BaO ve La2O3 katkılarının kübik zirkonyanın (8YSZ) faz dengesi, mikroyapı, oda sıcaklığı mekaniksel özellikler ve elektriksel iletkenliğe etkisini belirlemek için % 8 mol yitria ile kararlı hale getirilmiş kübik zirkonya ve ağırlıkça % 15'e kadar BaO ve La2O3 tozları kullanıldı. Kolloidal işlem tozların birbiri içerisinde uniform bir şekilde dağıtılması ve homojen bir mikroyapının oluşturulması amacı ile tercih edildi. Katkısız ve ağırlıkça %15 oranına kadar BaO ve La2O3 katkılı 8YSZ numuneleri basınçsız olarak 1550 oC'de 1 saat süre ile sinterlendi. X ışını kırınım sonuçları; 8YSZ'nin %1 BaO ilavesiyle ortalama kafes parametresinin 5.146 Å'dan 5.158 Å'a kadar arttığı ve % 1 ile 5 arasında kafes parametresinde bir değişme olmadığını göstermiştir. 8YSZ matriks içerisinde daha büyük iyonik yarıçaplı BaO'in çözünmesi kafes parametresinde bir artışa sebep olmuştur. Ayrıca X ışını kırınım sonuçları, 8YSZ'nin içerisinde çözünemeyen BaO'in yüksek sinterleme sıcaklığında ZrO2 ile reaksiyona girerek BaZrO3 ikinci fazının oluştuğunu göstermiştir. La2O3 katkılı 8YSZ numunelerin X ışını kırınım sonuçları ise La2O3 katkı oranının artışı ile birlikte 8YSZ'nin kafes parametresinin 5.146 Å'dan 5.181 Å'a kadar değişmiştir. Kafes parametresindeki bu artışa, ZrO2 ve La2O3 atomlar arasındaki iyonik yarıçaplardaki farklılık sebep olmuştur. 8YSZ matriks içerisinde ağırlıkça %5 oranına kadar La2O3'in çözündüğünü göstermiştir. 8YSZ matriks içerisinde çözünemeyen La2O3'in ZrO2 ile reaksiyona girdiği ve piroklorik La2Zr2O7 bileşiğini oluşturduğu gözlenmiştir.BaO katkılı 8YSZ numunelerinin tane boyutu ölçüm sonuçları, kübik zirkonyaya yapılan BaO katkısı ve katkı oranının artışı ile 8YSZ'nin tane boyutunda bir azalma göstermiştir. Tane boyutunda meydana gelen azalmaya BaO'in kübik zirkonya içerisindeki sınırlı çözünürlükten kaynaklanmıştır. 8YSZ matrikste çözünemeyen BaO, 8YSZ'nin tane sınırlarında ikinci faz olarak çökelmiş ve pinning effect yaparak zirkonyanın tane sınırı hareketini sınırlandırmıştır. La2O3 katkılı 8YSZ numunelerinde ise ağırlıkça %1 La2O3 katkısı 8YSZ'nin tane büyümesini teşvik etmiştir. Ağırlıkça %1 La2O3 ilave oranından sonra 8YSZ'nin tane boyutunda bir azalma meydana gelmiştir. Tane boyutunda meydana gelen azalma zirkonyanın tane sınırlarında bulunan La2Zr2O7 ikincil fazın çözelti çekmesini meydana getirmesi ve tane sınırlarının hareketinin kısıtlanmasından kaynaklanmıştır.Kırılma toklukları Vickers çentik yöntemi ile her bir numuneye 2 kg yük 15 sn uygulanarak ölçüldü. Kırılma tokluk test sonuçları, BaO katkısı ile 8YSZ'nin kırılma tokluğu 1.64 MPa.m1/2'dan 2.08 MPa.m1/2'a çıkmıştır. Kırılma tokluğundaki bu artış; BaO katkısı ile 8YSZ'nin tane boyutunda meydana gelen azalma ve 8YSZ ve BaO'un farklı termal genleşme katsayısı ve Young modüllerine sahip olmasından kaynaklanmıştır. La2O3 katkılı 8YSZ kompozitlerin kırılma tokluğu 1.64 MPa.m1/2'dan 2.94 MPa.m1/2'a yükselmiştir.Elektriksel iletkenlik için ağırlıkça % 15'e kadar BaO ve La2O3 katkılı 8YSZ numuneler 100 mHz-13 MHz frekans ve 300-800 oC sıcaklık aralığında empedans spektroskopisi kullanılarak ölçüldü. Elektriksel iletkenlik sonuçları; test sıcaklıklarındaki artış ile birlikte iletkenliklerde bir artma olduğunu gösterdi. Ağırlıkça %5 BaO ilavesi ile 8YSZ'nin tane içi iletkenliğinde bir artış gelmiştir. Tane içi iletkenlikte meydana gelen artışın nedeni; 8YSZ matrikste çözünen Ba2+ katyonlarının kristal kafeste meydana getirdiği çarpılma ile kristal kafes içerisinde bulunan oksijen boşluk konsantrasyonun artmasıdır. 300-800 oC sıcaklık aralığında La2O3 katkısı ile 8YSZ'nin tane sınırı iletkenlik değerlerinde bir artış olmuştur. Tane sınırı iletkenliğindeki bu artışa La2Zr2O7 proklorik fazının tane sınırlarında ikinci faz olarak bulunması neden olmuştur.

Abstract:
In this study; to determine the effect of BaO and La2O3 additions in cubic zirconia on phase stability, microstructure, room temperature mechanical properties and electrical conductivity, 8 mol% yittria stabilized cubic zirconia (8YSZ) doped up to 15 wt% BaO and La2O3 powders were used. Colloidal processing was prefered in order to dispers the powders uniformly and to form homogeneous microstructure. Undoped and up to 15 wt% BaO and La2O3 doped 8YSZ powders were pressurelles sintered at 1550 oC for 1 hour. XRD results showed that the lattice parameter of 8YSZ increased from 5.146 Å to 5.158 Å with up to 1 wt% BaO addition and did not change between 1 and 5 wt%. The increase in the lattice parameter was caused by the dissolution of BaO with bigger ionic radius in the 8YSZ matrix. XRD results also showed that undissolved BaO in the 8YSZ matrix reacted with ZrO2 at high sintering temperatures forming BaZrO3 as second phase. For the XRD results of La2O3 doped 8YSZ, the lattice parameter of 8YSZ changed from 5.146 Å to 5.181 Å with the increase of La2O3 additions. The reason for this lattice parameter increase was caused by the difference between the ionic radius of ZrO2 and La2O3. It was seen that up to 5 wt% La2O3 was dissolved in the 8YSZ matrix. It was also observed that undisolved La2O3 in the 8YSZ matrix reacted with ZrO2 forming pyrochlore La2Zr2O7 compound.The grain size measurement of BaO doped 8YSZ showed that the grain size of 8YSZ decreased with BaO addition and amount. The decreased grain size was resulted in with limited solubility of BaO in the 8YSZ matrix. Undisolved BaO in the 8YSZ matrix precipitated at the 8YSZ grains as second phase limiting grain boundary motion of 8YSZ by pinning effect. In the La2O3 doped 8YSZ specimens, 1 wt% La2O3 addition incouraged grain growth of 8YSZ. The grain size of 8YSZ decreased after 1 wt% La2O3 addition. The decrease in the grain size was resulted in with the presence of La2Zr2O7 second phase at ZrO2 grain boundaries causing precipitation drag that limited grain boundary motion.Fracture toughness was measured by Vicker indentation method appling 2 kg load for 15 second for each specimen. Fracture toughness of 8YSZ increased from 1.64 MPa.m1/2 to 2.08 MPa.m1/2 by BaO addition. This increase in the fracture toughness was caused by the decrease of 8YSZ grain size with BaO addition and by the different thermal expansion coefficient and Young modulus of 8YSZ and BaO grains. The fracture toughness of 8YSZ increased from 1.64 MPa.m1/2 to 2.94 MPa.m1/2 with La2O3 addition.Electrical conductivity of up to 15 wt% BaO and La2O3 doped 8YSZ was measured by high frequence impadence meter at 100 mHz-13 mHz frekans at 300-800 oC. The results showed that the electrical conductivity increased with increasing temperature. It was seen that bulk conductivity of 8YSZ increased with 5 wt% BaO addition. The reason for this increase was the distortion of crystal structure caused by Ba+2 ion with the increase of oxyen defect consantration. The grain boundary of 8YSZ increased at temperatures of 300-800 oC with La2O3 addition. The reason for this increase was the presence of La2Zr2O7 second phase at grain boundaries.